陳修報(bào), 劉洪波, 蘇彥平, 戈賢平, 楊 健

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江中下游漁業(yè)生態(tài)環(huán)境評價(jià)和資源養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214081)

據(jù)《2016中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》資料, 我國淡水池塘養(yǎng)殖面積 2.7×106hm2, 占淡水養(yǎng)殖總面積的43.94%。可是面臨著嚴(yán)峻的營養(yǎng)鹽污染, 《2015年中國漁業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》指出, 我國內(nèi)陸漁業(yè)水域總氮和總磷的超標(biāo)面積分別高達(dá)94.3%和26%。其中, 底泥作為內(nèi)源性營養(yǎng)鹽的供給源, 向水體中釋放了大量的硝酸鹽、磷酸鹽等[1-3]。研究表明, 養(yǎng)殖池塘底泥中N和P主要以NH4+-N、PO43–形式釋放到水體中, 日釋放速率分別可高達(dá) 200 mg/(m2·d)和 25 mg/(m2·d)[1-2]。因此, 迫切需要對底泥釋放至水體中的營養(yǎng)鹽進(jìn)行有效凈化。

背角無齒蚌(Anodonta woodiana)在養(yǎng)殖池塘中廣泛分布[4], 具有育珠、藥用和食用等功能[5], 而且通過濾水和生物沉降等作用能夠有效凈化水體中營養(yǎng)鹽, 對 TN[6]、NO3–-N[6]和 TP[7]的去除率分別可達(dá)到 24.1%、42.6%和 40.5%。然而, 前人的研究主要是基于單純的水體[6-8], 對于養(yǎng)殖池塘底泥這一特殊的營養(yǎng)鹽“貯存庫”(沉積了大量的殘餌和魚類糞便等代謝廢物[9])釋放營養(yǎng)鹽的凈化效果尚不清楚。因此, 本研究以代表性大宗淡水魚——團(tuán)頭魴(Megalobrama amblycephala)養(yǎng)殖池塘的底泥為對象, 探索其營養(yǎng)鹽的釋放特征, 并評價(jià)背角無齒蚌對釋放水體的理化指標(biāo)(pH、DO、總固溶物、濁度、Chl-a)和營養(yǎng)鹽(TN、NH4+-N、NO3–-N、NO2–-N、TP、PO43–)的凈化規(guī)律, 以期為漁業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù), 以及魚、蚌混養(yǎng)的生態(tài)養(yǎng)殖模式開發(fā)提供支撐。

1　材料與方法

1.1　微型生態(tài)系統(tǒng)的建立

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬養(yǎng)殖池塘環(huán)境建立微型生態(tài)系統(tǒng)。按照底泥厚度與水深之比為3∶28[10], 向 12個(gè)規(guī)格為 100 cm × 45 cm × 50 cm(長×寬×高)的玻璃缸中鋪上3.5 cm厚的底泥(取自中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心團(tuán)頭魴養(yǎng)殖池塘0~10 cm的表層泥,質(zhì)量約25 kg), 然后加入33 cm深的曝氣自來水(150 L)。將底泥充分?jǐn)噭? 靜置72 h后, 實(shí)驗(yàn)組分別放入2、4和6只人工繁育的背角無齒蚌[5](殼長10.2 cm±0.4 cm,殼寬4.2 cm±0.3 cm, 殼高6.3 cm±0.3 cm, 帶殼濕重130 g±19 g, n=36; 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 下同), 用聚乙烯網(wǎng)籠吊養(yǎng)于微型生態(tài)系統(tǒng)的中央位置, 養(yǎng)殖密度分別約為13、27和40個(gè)/m3。對照組不放蚌, 僅懸掛聚乙烯網(wǎng)籠, 以保證吊養(yǎng)設(shè)施對系統(tǒng)的影響均等。對照組和不同養(yǎng)殖密度的實(shí)驗(yàn)組均設(shè)置 3個(gè)重復(fù), 實(shí)驗(yàn)過程中不充氧、不投喂餌料。實(shí)驗(yàn)為期30 d, 自然光照, 水溫為19~22℃, 期間沒有發(fā)生蚌死亡。

1.2　樣品采集與分析

針對底泥向水體中釋放營養(yǎng)鹽, 對微型生態(tài)系統(tǒng)水體的理化指標(biāo)和營養(yǎng)鹽每10 d測定一次。用pH計(jì)(HI98120型, HANNA)、溶氧儀(SevenGo proTM型,METTLER TOLEDO)、電導(dǎo)率儀(SevenGoTM 型,METTLER TOLEDO)和濁度計(jì)(TN-100 Protable型,EUTECH)現(xiàn)場測定水體的pH、DO、總固溶物和濁度。

用虹吸管采集微型生態(tài)系統(tǒng)的中層水, 依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定水體Chl-a含量; 應(yīng)用水質(zhì)分析儀(DR6000型, HACH), 以過硫酸鹽消解法測定TN和TP, 水楊酸鹽法測定NH4+-N, 二甲基苯酚法測定 NO3–-N, 重氮化方法測定 NO2–-N, 抗壞血酸法測定PO43–含量。

1.3　去除率的計(jì)算

鑒于微型生態(tài)系統(tǒng)中的水質(zhì)指標(biāo)變化受到自然沉降和背角無齒蚌作用的共同影響, 應(yīng)用去除率(removal efficiency, ER)[11]分析背角無齒蚌對底泥釋放營養(yǎng)鹽的凈化效果:

式中: CB是指對照組的指標(biāo)含量, CT指處理組的指標(biāo)含量。ER>0表示蚌能夠?qū)λ|(zhì)起到凈化作用; ER<0表示增加了水體中相應(yīng)指標(biāo)的含量。

1.4　統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件的one-way ANOVA比較不同組別理化指標(biāo)和營養(yǎng)鹽的變化, 用 two-way ANOVA分析凈化效果與養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的關(guān)系, 這兩種分析方法均對數(shù)據(jù)進(jìn)行自然對數(shù)轉(zhuǎn)換以滿足正態(tài)分布[12], P<0.05表示差異水平顯著。此外,應(yīng)用 Design-Expert 8.0統(tǒng)計(jì)軟件的響應(yīng)曲面法(response surface)對各響應(yīng)值進(jìn)行優(yōu)化[6]。

2　結(jié)果

2.1　對理化指標(biāo)的影響

由表 1可見, 背角無齒蚌對 pH、DO和總固溶物的影響總體不明顯。pH僅在30 d的6只蚌組低于對照組(P<0.05); DO在20、30 d的6只蚌組低于對照組(P<0.05); 總固溶物在處理10 d時(shí)略高于對照組(P<0.05), 而在30 d時(shí)略低于對照組(P<0.05)。然而,能夠顯著降低濁度和Chl-a含量。濁度在10 d和20 d的所有處理組均顯著低于對照組(P<0.05); Chl-a在10 d和20 d的所有處理組以及30 d的4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05)。背角無齒蚌對濁度和Chl-a的最大去除率分別出現(xiàn)在20 d的4只蚌組和10 d的6只蚌組, 高達(dá)79.2%和83.4%。

表1　背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對理化指標(biāo)的影響Tab. 1 Influence of Anodonta woodiana on physicochemical parameters

2.2　對營養(yǎng)鹽的影響

2.2.1營養(yǎng)鹽含量的變化

不同組別的營養(yǎng)鹽含量變化見表2。對照組TN和NH4+-N表現(xiàn)為降低趨勢, NO3–-N呈現(xiàn)先升高后降低趨勢, 而 NO2–-N、TP和 PO43–總體保持不變。處理組TN、NO3–-N和NO2–-N總體呈現(xiàn)出升高的趨勢。TN在20 d的2、6只蚌組和30 d的2只蚌組顯著高于對照組(P<0.05); NO3–-N在10 d的2只蚌組、20 d的2和6只蚌組以及30 d的所有處理組均顯著高于對照組(P<0.05); NO2–-N在10 d的所有處理組和20 d的6只蚌組顯著高于對照組(P<0.05)。然而, 能夠顯著降低NH4+-N、TP和PO43–的含量。NH4+-N在20 d的2、4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05); TP在20 d的4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05); PO43–在20 d的4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05)。背角無齒蚌對NH4+-N、TP和PO43–的最大去除率均出現(xiàn)在20 d的4只蚌組, 分別高達(dá)90.9%、55.6%和52.9%。

表2　背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對營養(yǎng)鹽含量(單位: mg/L)的影響Tab. 2 Influence of Anodonta woodiana treatment on nutrient concentrations (unit: mg/L)

2.2.2響應(yīng)面優(yōu)化分析

應(yīng)用曲面響應(yīng)法對上述有明顯凈化效果的營養(yǎng)鹽分析, 結(jié)果顯示背角無齒蚌對 TP和 PO43–的去除率可進(jìn)一步提升。蚌的養(yǎng)殖密度(d)和處理時(shí)間(t)與TP和PO43–去除率(ER)之間的響應(yīng)曲面見圖1。模型P<0.01, 表明所建立的回歸模型極顯著。d、t和 ER之間的實(shí)際回歸方程為

ER–TP= –285.80710 + 83.31452d + 16.65190t –

0.70710dt – 8.42742d2– 0.30560t2(R2= 0.8511)ER–PO43–= –192.15747 + 58.70690d + 11.99620t +

0.15088dt – 8.44895d2– 0.26496t2(R2= 0.9770)

對TP和PO43–分別優(yōu)化, 得出d和t的最優(yōu)組合分別為 3.99只蚌(27 個(gè)/m3)和 22.63 d、3.69只蚌(25個(gè)/m3)和23.69 d, 在此最優(yōu)組合條件下, 去除率可進(jìn)一步提升至68.9%和58.1%。

2.3　影響凈化效果的因子分析

營養(yǎng)鹽含量受到背角無齒蚌的養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的影響(表 3)。其中, TN、NO3–-N、NO2–-N、TP和 PO43–的凈化效果與養(yǎng)殖密度顯著相關(guān)(P<0.05),而 TN、NH4+-N、NO2–-N和PO43–的凈化效果與處理時(shí)間顯著相關(guān)(P<0.05), NH4+-N、NO3–-N 和 NO2–-N的凈化效果與養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的交互作用顯著相關(guān)(P<0.05)。

3　討論與結(jié)論

背角無齒蚌對富營養(yǎng)化水環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)[7],且濾水功能強(qiáng)大[13]。根據(jù)殼長和水溫估算[13], 本研究中背角無齒蚌的濾水率約為 0.6 L/(個(gè)·h), 養(yǎng)殖密度分別為13、27和40個(gè)/m3, 即微型生態(tài)系統(tǒng)的水分別在5、2.5和1.5 d左右可被過濾一遍。因此, 水質(zhì)指標(biāo)的變化除了受到自然沉降的影響之外, 蚌的高強(qiáng)度濾水起到重要作用。本研究中所有的微型生態(tài)系統(tǒng)均處于相同的環(huán)境中, 并經(jīng)歷著相同的時(shí)間段, 水體理化指標(biāo)和營養(yǎng)鹽含量表現(xiàn)出的差異應(yīng)歸 因于蚌養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的不同。

圖1　不同養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對TP(a)和PO43–(b)去除率的響應(yīng)曲面Fig. 1 The response surface of the effect of Anodonta woodiana with different density and treatment time on removal efficiency of TP (a) and PO43–(b)

表3　背角無齒蚌(Anodonta woodiana)的處理時(shí)間和養(yǎng)殖密度對營養(yǎng)鹽含量的影響Tab. 3 The effect of treat time and culture density of Anodonta woodiana on nutrient concentrations

3.1　背角無齒蚌對理化指標(biāo)的影響

背角無齒蚌屬于底棲動物, 耗氧率較低, 僅有

0.5 mg/(g·h)左右[14]。因此, 對微生態(tài)系統(tǒng)中的 DO 影響不明顯。養(yǎng)殖水體pH主要受到生物的呼吸作用和光合作用影響。本研究顯示背角無齒蚌對pH影響不明顯, 這與陳修報(bào)等[6]和 Kim 等[7]的研究結(jié)果一致,

而不同于敬小軍等[15]認(rèn)為背角無齒蚌的呼吸作用導(dǎo)致水體pH降低, 這可能是由于后者的養(yǎng)殖密度太高(160 個(gè)/m3)的緣故。此外, 不同組別的總固溶物含量變化亦不太明顯, 表明背角無齒蚌的濾水作用不會加劇底泥向水體中釋放可溶性有機(jī)質(zhì)。值得注意的是,背角無齒蚌能夠顯著降低濁度和 Chl-a含量(表 1),對它們的去除率可分別達(dá)到79.2%和83.4%。這與前人研究結(jié)果相吻合, 魏小飛等[16]發(fā)現(xiàn)背角無齒蚌能夠快速降低再懸浮水體中總懸浮質(zhì)和 Chl-a的含量,處理2 d對它們的去除率就可達(dá)到61%和64%左右;李萍等[17]應(yīng)用背角無齒蚌對含有底泥的水體進(jìn)行相對長期(58 d)凈化實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)其對 Chl-a的平均去除率為39.3%。提示背角無齒蚌能夠有效提高養(yǎng)殖水體的透明度和防控以Chl-a為代表的富營養(yǎng)化。

3.2　背角無齒蚌對營養(yǎng)鹽的凈化效果

底泥是大宗淡水魚類養(yǎng)殖池塘等水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 它可以吸附水體的營養(yǎng)鹽, 降低上覆水體的污染程度[1-2,18]。同時(shí), 如果環(huán)境條件發(fā)生改變(如DO變化、魚類攪動), 底泥中的營養(yǎng)鹽又會釋放到水體中, 造成二次污染[1-2,18]。一般認(rèn)為 N的釋放機(jī)理是底泥表層的有機(jī)氮在異養(yǎng)微生物作用下發(fā)生降解、礦化生成 NH4+-N, 被黏土礦物吸附而形成交換態(tài)NH4+-N積存于間隙水中, 然后通過擴(kuò)散作用釋放到上覆水中, 在有氧狀態(tài)下釋放 NO3–-N,厭氧狀態(tài)下釋放 NH4+-N[1,19]。P釋放則與底泥表層的有機(jī)質(zhì)的礦化分解相關(guān)[2]。對照組中TN和NH4+-N表現(xiàn)出降低趨勢, 而 NO3–-N呈現(xiàn)出短暫的升高, 這可能與池塘底泥對TN和NH4+-N的再次吸附, 以及在有氧條件下交換態(tài)的NH4+-N轉(zhuǎn)換為NO3–-N有關(guān)。

背角無齒蚌通過攝食細(xì)菌、藻類、浮游動物和底泥[20], 吸收和利用了水環(huán)境中大量的N和P等生源要素, 從而有效降低水體中的營養(yǎng)鹽[6]。本研究顯示背角無齒蚌對NH4+-N的去除率可達(dá)到90.9%, 高于銅銹環(huán)棱螺(Bellamya aeruginosa)和背角無齒蚌混養(yǎng)對 NH4+-N的凈化效果(25.6%)[21]。背角無齒蚌對TP的去除率可達(dá)到 55.6%, 不同于魏小飛等[16]研究顯示的無法明顯去除 TP, 這可能與其處理時(shí)間較短(7 d)有關(guān)。背角無齒蚌對TP的去除率高于銅銹環(huán)棱螺和背角無齒蚌混養(yǎng)對其 26.1%的去除率, 但低于蘆葦濕地對TP的凈化效果(87.1%)[22]。此外, 本研究中背角無齒蚌對 PO43–也表現(xiàn)出較高的去除率(52.9%),這不同于其對單純水體中 PO43–未表現(xiàn)出明顯凈化效果[6], 這可能是由于后者 PO43–含量相對較低(0.046~0.169 mg/L)造成的。研究表明水生生物如挺水植物對N、P的去除率就與水體中N、P含量成正相關(guān)[23]。在吸收營養(yǎng)鹽的同時(shí), 貝類也會通過呼吸作用和排泄作用排出一定量的N和P[14,24]。例如, 背角無齒蚌對NH4+-N的排泄率約為5.5 mg/(kg·h)[14]。而且淡水貝類對 N的排出率遠(yuǎn)高于 P, 如斑馬貽貝(Dreissena polymorpha)排出的N∶P比約20∶1, 這可能是本研究中TN、NO3–-N和NO2–-N含量升高的原因。

貝類被認(rèn)為是凈化水環(huán)境營養(yǎng)鹽的較為理想的物種[25-26]。Petersen等[25]研究表明養(yǎng)殖生物量是影響貝類去除營養(yǎng)鹽(N和P)的主要因素。而背角無齒蚌對營養(yǎng)鹽的凈化效果受到養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的共同影響(表 3), 從而通過優(yōu)化養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間的配比能夠?qū)?TP和 PO43–的去除率進(jìn)一步提升至68.9%和58.1%。這將對利用背角無齒蚌開展魚、蚌混養(yǎng)的生態(tài)養(yǎng)殖模式以及養(yǎng)殖池塘底泥富營養(yǎng)化的防控提供借鑒作用。

綜上所述, 背角無齒蚌具有防控、修復(fù)養(yǎng)殖池塘底泥富營養(yǎng)化的潛力。對于底泥釋放營養(yǎng)鹽的水環(huán)境, 背角無齒蚌能夠顯著降低濁度, 并有效去除Chl-a、NH4+-N、TP和 PO43–, 對它們的去除率分別可達(dá)到79.2%、83.4%、90.9%、55.6%和52.9%。同時(shí), 背角無齒蚌對營養(yǎng)鹽的凈化效果與養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間密切相關(guān)。當(dāng)養(yǎng)殖密度和處理時(shí)間分別優(yōu)化為27個(gè)/m3和22.63 d、25個(gè)和23.69 d時(shí), 對TP和PO43–的去除率有望進(jìn)一步提升至68.9%和58.1%。

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