楊 平,金寶石,譚立山,仝 川,3,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 3 福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心, 福州 350007

九龍江河口區(qū)養(yǎng)蝦塘沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量特征

楊 平1,2,金寶石1,譚立山1,仝 川1,2,3,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理-過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 3 福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心, 福州 350007

氮磷;釋放速率; 沉積物間隙水;上覆水;養(yǎng)殖塘;河口區(qū)

水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)作為人工圈養(yǎng)系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)單一,缺乏自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)功能,系統(tǒng)自適應(yīng)能力不足,反饋機(jī)制不健全。同時(shí),該系統(tǒng)在養(yǎng)殖過程中人工投入的大量營養(yǎng)物質(zhì)被魚蝦利用有限,大量殘餌、養(yǎng)殖排泄物等有機(jī)物在池塘底部沉積和積累,可致使?fàn)I養(yǎng)元素在一定條件下釋放并擴(kuò)散至上覆水中,進(jìn)而引起養(yǎng)殖水質(zhì)惡化[1- 5]。這些均已成為魚蝦類疾病頻繁發(fā)生的主要原因[6],并威脅到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展。積極研究水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)沉積物氮、磷等營養(yǎng)元素濃度及其釋放過程,對(duì)于調(diào)節(jié)養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)和促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

近年來,關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量的研究主要集中在相對(duì)開放的海水養(yǎng)殖,如海灣養(yǎng)殖[7- 10],港口養(yǎng)殖[11-12]等體系,對(duì)于相對(duì)封閉、高密度養(yǎng)殖和高強(qiáng)度餌料投放的陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖塘的研究較少[4,13]。并且以上已有研究主要集中在我國北方地區(qū)的魚類、貝類及參類等養(yǎng)殖系統(tǒng),而有關(guān)我國東南沿海地區(qū)微咸水陸基養(yǎng)蝦塘沉積物間隙水營養(yǎng)鹽濃度及其界面營養(yǎng)鹽交換通量時(shí)間動(dòng)態(tài)特征的研究鮮見報(bào)道。該方面數(shù)據(jù)不足或缺失,一方面限制了人們對(duì)養(yǎng)殖系統(tǒng)營養(yǎng)鹽循環(huán)過程和機(jī)制的系統(tǒng)認(rèn)識(shí);另一方面,不利于宏觀評(píng)估和監(jiān)測(cè)養(yǎng)蝦塘沉積物營養(yǎng)鹽釋放對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的影響程度及其預(yù)防策略制定,進(jìn)而影響到我國濱海地區(qū)養(yǎng)蝦塘資源可持續(xù)利用。

福建省九龍江河口區(qū)是中國東南沿海具有代表性的亞熱帶河口之一。近年來,隨著人們對(duì)蝦類產(chǎn)品需求增長,該河口區(qū)周邊出現(xiàn)了大規(guī)模人工水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),特別是人工圈養(yǎng)的陸基養(yǎng)殖塘在河口潮灘上星羅棋布,為探討微咸水養(yǎng)蝦塘沉積物氮、磷營養(yǎng)元素循環(huán)過程研究提供了較為適宜的場所。本研究以九龍江河口區(qū)紫泥鎮(zhèn)滸茂洲陸基養(yǎng)蝦塘為研究對(duì)象,通過野外原位觀測(cè)和室內(nèi)模擬培養(yǎng)相結(jié)合的方法,初步探討不同養(yǎng)殖階段沉積物間隙水營養(yǎng)鹽濃度及其界面營養(yǎng)鹽交換通量時(shí)間動(dòng)態(tài)特征及其主要影響因素。以期為今后深入研究河口區(qū)陸基養(yǎng)蝦塘沉積物氮、磷營養(yǎng)元素循環(huán)過程及其作用機(jī)制提供理論依據(jù);同時(shí),為當(dāng)?shù)仞B(yǎng)蝦塘水體富營養(yǎng)化預(yù)防和蝦類養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展提供一定的科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

福建省九龍江河口區(qū)屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,溫暖濕潤,年平均氣溫21.0℃,年均降水量1371 mm[14],降水主要集中于3—9月,潮汐屬于典型半日潮[15]。本研究區(qū)域位于九龍江河口區(qū)紫泥鎮(zhèn)滸茂洲(117°53′36″E, 24°26′10″N)(圖1)。該區(qū)域處于九龍江咸淡水交匯處,港道縱橫,河網(wǎng)交織,水質(zhì)較好,海堤線總長55.6 km,可利用淡水水面1000 hm2,淺海灘涂2666 hm2,水產(chǎn)養(yǎng)殖條件優(yōu)越。甘文農(nóng)場是滸茂洲水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較發(fā)達(dá)區(qū)域之一,其6—10月主要從事對(duì)蝦養(yǎng)殖。故本研究在該農(nóng)場西南角靠近海堤位置選擇3個(gè)有代表性的對(duì)蝦養(yǎng)殖塘作為樣品采集點(diǎn)(圖1)。3個(gè)養(yǎng)殖塘水域養(yǎng)殖面積在7000—8000 m2,平均水深1.5 m,養(yǎng)殖品種為白對(duì)蝦Penaeusvannamei,養(yǎng)殖所用餌料為人工配合餌料(餌料養(yǎng)分構(gòu)成：水分11%、蛋白質(zhì)42%、粗脂肪4.0%、粗纖維3.0%、粗灰分15.0%、鈣1.0%—3.0%、總磷1.0%、食鹽0.5%—2.5%、賴氨酸2.3%),日投餌量約為蝦體重的3%—10%,具體餌料投放量根據(jù)攝食情況進(jìn)行調(diào)整。

圖1 研究區(qū)域和采樣點(diǎn)位置Fig.1 Map of the Jiulong River Estuary and the sampling sites

1.2 樣品采集與現(xiàn)場觀測(cè)

綜合考慮對(duì)蝦生長周期和養(yǎng)殖戶許可,在每個(gè)養(yǎng)殖塘布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)(每個(gè)采樣點(diǎn)均插入竹竿進(jìn)行標(biāo)記,以便每次樣品采集時(shí)均在同點(diǎn)開展,進(jìn)而達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)誤差的目的)設(shè)計(jì)3次采樣,分別為2015年6月中旬(養(yǎng)殖初期)、8月中旬(養(yǎng)殖中期)和10月中旬(養(yǎng)殖末期),具體樣品采集情況如下：

柱狀沉積物采集：運(yùn)用奧地利進(jìn)口的不銹鋼柱狀采泥器(Corer- 60, Austria)(采泥器配備內(nèi)徑和長度分別為6 cm和30 cm有機(jī)玻璃管),在每個(gè)養(yǎng)殖塘3個(gè)采樣點(diǎn)采集0—15 cm深垂直無擾動(dòng)柱狀沉積物芯樣,每個(gè)樣點(diǎn)采集3根,分別用于沉積物基本理化性質(zhì)測(cè)定、沉積物間隙水營養(yǎng)鹽濃度測(cè)定和沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。所有柱狀沉積物樣品在2 h內(nèi)完成采集工作,并且柱狀沉積物采集后,現(xiàn)場用橡皮塞將采樣管上下兩端密封,加鋁箔紙避光,垂直放置于墊有塑料泡沫的保溫箱(保溫箱中放置冰塊或冰袋)中,于4小時(shí)內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室并立刻進(jìn)行樣品前處理與培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

上覆水水樣采集：與沉積物樣品采集同步,利用Sea-Bird II型采水器(Sea-bird Electronics,USA),在每個(gè)采樣點(diǎn)采集沉積物表面以上上覆水水樣3份,并將水樣裝滿采集瓶(250 mL),其中用于上覆水營養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度測(cè)定的水樣需要加入2 mL HgCl2溶液以到達(dá)抑制微生物活性效果,所有樣品均置于保溫箱中低溫遮光保存,并且在4 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品前處理與培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)場觀測(cè)：采用IQ150便攜式pH/氧化還原電位/溫度計(jì)(IQ Scientific Instruments, USA)測(cè)定沉積物溫度,采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(HORIBA, Japan)測(cè)定上覆水體溶解氧DO濃度,利用電子天平稱重收獲的50尾對(duì)蝦重量。

1.3 水化學(xué)、沉積物理化參數(shù)和生物參數(shù)測(cè)定分析

1.4 沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算

沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量采用SONE方法[18]進(jìn)行模擬研究,模擬實(shí)驗(yàn)裝置參照陳朱虹等[19]的設(shè)計(jì)。培養(yǎng)管內(nèi)徑和長度分別為6 cm和30 cm,柱狀沉積物長度為15 cm。主要實(shí)驗(yàn)步驟[19]如下：(1)將培養(yǎng)管置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱,并設(shè)定培養(yǎng)溫度和震蕩頻率(設(shè)定溫度為每個(gè)養(yǎng)殖階段現(xiàn)場采樣時(shí)的沉積物溫度;震蕩頻率根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比觀察結(jié)果,分別設(shè)置為20、40 r/min和80 r/min,表征養(yǎng)殖初期、中期和后期階段蝦的覓食及代謝活動(dòng)對(duì)沉積物表面及上覆水影響);(2)通過重力溢流方式,用水袋中的上覆水(已經(jīng)過孔徑為0.45 μm濾紙過濾)更新柱狀培養(yǎng)管沉積物上覆水,塞緊頂部瓶蓋,連接進(jìn)入和出水管路;(3)將0.5 m長的引流硅膠管置于培養(yǎng)管中,其入水口置于培養(yǎng)管中部位置(靠近沉積物)以獲得代表性水樣;(4)利用醫(yī)用注射器在引流硅膠管的出水口處采集水樣60 mL。遮光培養(yǎng)9 h,分別在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻取樣。每次采集完水樣后,在重力和負(fù)壓作用下,水袋中的上覆水會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充到培養(yǎng)管中。水樣經(jīng)孔徑0.45 μm濾紙過濾后立刻采用采用流動(dòng)注射分析儀(SKALAR San++, Netherlands)測(cè)定各種營養(yǎng)鹽濃度。沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量根據(jù)培養(yǎng)始末上覆水體中營養(yǎng)鹽濃度變化差值計(jì)算獲得[4],計(jì)算公式如下：

FS-W-M=(CW-E-CW-B)×V/T/S

式中,FS-W-M為沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量(mg m-2h-1),CW-E為培養(yǎng)后上覆水體中營養(yǎng)鹽濃度(mg/L),CW-B為培養(yǎng)前上覆水體中營養(yǎng)鹽濃度(mg/L),V為上覆水體積(L),T為培養(yǎng)時(shí)間(h),S為沉積物土柱橫截面積(m2)。計(jì)算結(jié)果若為正值,表示營養(yǎng)鹽由沉積物向上覆水釋放; 若為負(fù)值,表示營養(yǎng)鹽被沉積物吸收。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件包中單因素方差(One-Way ANOVA)分析法中的LSD法(least significant difference test)檢驗(yàn)不同養(yǎng)殖階段沉積物間隙水營養(yǎng)鹽濃度、沉積物-水界面營養(yǎng)交換通量及環(huán)境變量的差異性。沉積物間隙水營養(yǎng)鹽濃度、沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量與環(huán)境變量間的相關(guān)性采用SPSS 17.0中的Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。文中誤差線均為標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物理化性質(zhì)與生物參數(shù)變化特征

蝦塘水溫、沉積物理化性質(zhì)及生物參數(shù)隨養(yǎng)殖時(shí)間的變化情況如表1所示。水溫和孔隙度隨養(yǎng)殖時(shí)間推移呈下降趨勢(shì),其變化范圍分別介于28.19—31.34℃和107.00—122.00%,且不同養(yǎng)殖階段之間的水溫差異性均達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。沉積物pH值變化范圍介于6.15—6.65,養(yǎng)殖末期的沉積物pH顯著高于初期和中期(P<0.05)。養(yǎng)殖期間,沉積物鹽度與孔隙度變化趨勢(shì)基本一致,最大值出現(xiàn)在養(yǎng)殖末期并且顯著高于其它兩個(gè)養(yǎng)殖階段(P<0.05)。生物量(蝦)隨養(yǎng)殖時(shí)間推移呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),不同養(yǎng)殖階段生物量差異性均達(dá)到顯著性水平(P<0.05)(表1)。此外,沉積物粒徑組成在整個(gè)觀測(cè)期間變化較小(表1)。

表1 養(yǎng)殖期間水溫、沉積物理化性質(zhì)及生物參數(shù)

表中數(shù)據(jù)為：均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差, 樣本數(shù)n= 9;表中不同字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05),表中相同字母表示在0.05水平上差異不顯著(P>0.05)

2.2 沉積物間隙水與上覆水營養(yǎng)鹽濃度變化特征

表2 養(yǎng)殖期蝦塘沉積物間隙水與上覆水營養(yǎng)鹽濃度變化特征

表中數(shù)據(jù)為：均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差;營養(yǎng)鹽濃度梯度=間隙水營養(yǎng)鹽濃度-上覆水營養(yǎng)鹽濃度;同一列數(shù)據(jù)標(biāo)注不同小寫字母表示不同養(yǎng)殖階段的營養(yǎng)鹽濃度差異性達(dá)到顯著性水平(P<0.05),相同字母表示差異性未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)

2.3 養(yǎng)蝦塘沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量特征

圖2 養(yǎng)殖期蝦塘沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量變化特征Fig.2 Temporal variation of nutrients fluxes across the interface of sediment-water in shrimp ponds

2.4 沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量與環(huán)境變量關(guān)系

圖3 蝦塘沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量與營養(yǎng)鹽濃度差的相關(guān)關(guān)系(營養(yǎng)鹽濃度梯度=間隙水營養(yǎng)鹽濃度-上覆水營養(yǎng)鹽濃度)Fig.3 Relationships between nutrients fluxes concentration and the gradient of nutrients concentrations in shrimp ponds

Table 3 Pearson′s correlation coefficient between nutrients fluxes and sediment physiochemical properties, biological parameters in shrimp ponds

營養(yǎng)鹽通Nutrientsfluxes溫度TemperaturepH孔隙度ФPorosity鹽度Salinity沉積物粒徑組成Sedimentgraincomposition粘粒Clay粉粒Silt砂粒Sand蝦生物量ShrimpbiomassNO-2-N0.749**-0.3090.1810.454*-0.3650.0770.220-0.744**NO-3-N0.506**-0.520**0.2770.2450.1280.168-0.217-0.636**NH+4-N0.362*-0.2900.2340.3270.1370.422*-0.407*-0.744**PO3-4-N0.782**-0.289-0.0340.202-0.152-0.0310.141-0.744**

**顯著性水平P<0.01; *顯著性水平P<0.05

3 討論

3.1 養(yǎng)蝦塘沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量特征的主要影響因素

3.2 與其它水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽通量的比較

表4 國內(nèi)不同養(yǎng)殖系統(tǒng)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽的交換通量比較

ND表示沒有數(shù)據(jù)

由于研究測(cè)定方法不同, 不同研究測(cè)定的結(jié)果并不具有精確的可比性[5],因此本研究與先前相關(guān)研究的比較僅作為養(yǎng)殖系統(tǒng)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的大概評(píng)價(jià)。通常擴(kuò)散模型法在估算交換通量時(shí),更多地只是考慮營養(yǎng)鹽在沉積物-上覆水之間的濃度梯度以及沉積物孔隙度、顆粒阻礙等因子對(duì)溶解態(tài)營養(yǎng)鹽遷移擴(kuò)散影響的理論通量值[5],并且沉積物間隙水獲取的方法多為傳統(tǒng)破壞性的離心法[4-5,48-49],這些因素均有可能導(dǎo)致養(yǎng)殖系統(tǒng)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽的交換通量被低估[5,48]。相對(duì)于擴(kuò)散模型法,原位柱狀沉積物模擬法可基本不破壞沉積物性狀,且在多種控制條件下進(jìn)行模擬,特別是在模擬過程中會(huì)考慮到生物擾動(dòng)等影響因素,因此在理論上該方法比擴(kuò)散模型法的估算結(jié)果較為接近實(shí)際情況[48,50]。但原位柱狀沉積物模擬法也存在一些不足,如柱狀體系的體積通常較小,易產(chǎn)生壁效應(yīng)[48],也會(huì)造成界面通量評(píng)估的不確定性。相對(duì)前述兩種測(cè)定方法,水下原位模擬法可在不移動(dòng)沉積物情況下進(jìn)行模擬,能夠真實(shí)反映沉積物的實(shí)際條件,其結(jié)果最接近實(shí)際;但該種方法費(fèi)用較大、技術(shù)難度較高,目前在國際上僅被少數(shù)研究所采用[9,51-53],國內(nèi)研究中采用該方法的較為鮮見。

與先前研究相比,本研究也存在一些不足之處,其主要表現(xiàn)在：(1)只進(jìn)行了3次野外樣品采集和室內(nèi)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)頻次上顯得單薄,可能會(huì)低估或高估沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量;(2)在培養(yǎng)過程中雖然考慮到根據(jù)不同養(yǎng)殖階段蝦的增長情況設(shè)定震蕩頻率,表征蝦的擾動(dòng)對(duì)界面營養(yǎng)鹽交換通量帶來的影響,但設(shè)定的頻率與實(shí)際情況存在一定差距,所以該種頻率的設(shè)置只能表征隨養(yǎng)殖時(shí)間推移蝦的擾動(dòng)對(duì)界面交換通量影響強(qiáng)度的大概趨勢(shì);(3)與多數(shù)研究相似,沉積物間隙水是通過離心法獲得,在樣品處理過程中雖嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范,仍不可避免少部分沉積物間隙水營養(yǎng)鹽被氧化的可能性,進(jìn)而可能會(huì)增加沉積物間隙水營養(yǎng)鹽濃度測(cè)定值的誤差;(4)未對(duì)沉積物微生物指標(biāo)(硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及氨化細(xì)菌等)和一些具有吸附解吸能力的金屬元素(Fe、Mn等)進(jìn)行測(cè)定,不能從機(jī)理方面對(duì)研究結(jié)果給予解釋與探討。在今后研究工作中,需側(cè)重利用Peeper法獲取沉積物間隙水,增加野外樣品采樣頻次和室內(nèi)培養(yǎng)周期以及充分考慮測(cè)定微生物和Fe、Mn等重金屬指標(biāo)來完善該方面的研究。

4 結(jié)論

致謝：感謝福建師范大學(xué)亞地理科學(xué)學(xué)院任鵬、杜威寧、張璟鈺等同學(xué)在野外樣品采集和室內(nèi)分析中給予的幫助。

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Temporal variation of nutrients fluxes across the sediment-water interface of shrimp ponds and influencing factors in the Jiulong River Estuary

YANG Ping1,2, JIN Baoshi1, TANG Lishan1, TONG Chuan1,2,3,*

1SchoolofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2KeyLaboratoryofHumidSub-tropicalEco-geographicalProcessoftheMinistryofEducation,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3ResearchCentreofWetlandsinSubtropicalRegion,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

nitrogen and phosphorus; release rate; porewater; overlying water; aquaculture ponds; estuary

福建省基本科研專項(xiàng)重點(diǎn)資助項(xiàng)目 (2014R1034-1); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41671088,41371127); 福建師范大學(xué)校級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(IRTL1205) ；福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院研究生出國(境)訪學(xué)資助計(jì)劃和地理科學(xué)學(xué)院研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(GY201601)

2016- 03- 13;

2016- 06- 27

10.5846/stxb201603130448

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tongch@finu.edu.cn

楊平,金寶石,譚立山,仝川.九龍江河口區(qū)養(yǎng)蝦塘沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):192- 203.

Yang P, Jin B S, Tang L S, Tong C.Temporal variation of nutrients fluxes across the sediment-water interface of shrimp ponds and influencing factors in the Jiulong River Estuary.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):192- 203.