樟湖库湾网箱养殖区沉积物氮的时空变化特征

2018-03-06

渔业研究 2018年1期

(福建省淡水水产研究所，福建福州 350002)

氮作为水生生态系统初级生产力的关键限制性因子，被认为是水生生态系统的主要营养元素[1]。在外源污染得到控制的条件下，网箱养殖区在长期养殖过程中，大量的含氮物质沉淀富集于沉积物中，当环境条件改变时又会重新释放出来，增加水体含氮量，加速了养殖水体的富营养化，出现影响网箱养殖容量等问题[2-3]。研究网箱养殖区沉积物中氮的时空分布特征，对于了解沉积物-水体氮的循环和迁移转化规律具有重要意义，可为库湾网箱养殖业的可持续发展和养殖生态环境保护提供理论依据。

樟湖库湾位于南平市延平区樟湖镇东南方向，库湾水域面积近530 hm2，网箱养殖是樟湖库湾最重要的水产养殖方式，主要以小型浮式框架型网箱养殖鱼排为主，每组鱼排由12～18个规格为 6 m×10 m的养殖网箱构成，主要养殖品种有草鱼、翘嘴红鲌和鳊鱼等，养殖周期大多数为1 年，年产量约665 t，春季放苗，冬季收获，网箱中每年放养鱼苗的时间、数量和种类大致相同。养殖所用饲料主要为人工配合饲料，日投饲量约为鱼体重的3%～10%。2016年网箱养殖面积达21 hm2，水深约10～20 m，是典型密集网箱养殖库湾。湾内四季风平浪静，水质优良，初级生产力高，适合发展水产养殖。本文于2016年 6月至2017年 5月，按月对樟湖库湾不同网箱养殖区进行沉积物的采样调查，分析讨论了表层沉积物中氮的时空分布和变化规律，为水库库湾渔业养殖模式的优化和推广提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样位点及采样方法

根据网箱养殖鱼排组数量和环境，采用 GPS 定位在樟湖库湾养殖区设置5个采样点，分别为S1、S2、S3、S4、S5，研究位点分布如图 1。其中S1～S2为高密度网箱养殖区域，常年养殖鱼排数达15～20组，S4～S5为低密度网箱区域，常年养殖鱼排数为2～3组，S3为对照点(非养殖区)，该位点近五年无网箱养殖。于2016年6月至2017年5月进行为期1年的沉积物定位采样，每月用彼得森抓斗式底泥采样器采集表层沉积物，封存于双层密封袋内并置于装有冰块的泡沫箱中。沉积物样品送入实验室，一部分放入冰箱(4℃)保存，用作沉积物铵态氮和硝态氮的测定，一部分风干用于总氮及其他项目的测定；樟湖库湾养殖水域区主要为丘陵和水稻田土，土壤质地背景为粘土-粘壤土。

注：S1：26°23′16.706″N，118°29′22.310″E；S2：26°23′31.430″N，118°29′32.334″E；S3：26°23′16.806″N，118°29′56.256″E；S4：26°23′53.898″N，118°30′36.757″E；S5：26°24′02.053″N，118°30′45.851″E。

1.2 分析方法

总氮(TN)采用元素分析仪法[4-5]，精确称取200～300 mg风干、过100目筛的沉积物样品于坩埚，将样品送入到元素自动分析仪(德国，elementar Vario MAX cube)测定；交换态氮(EXN)，用 2 mol/L KCl 溶液振荡提取沉积物样品( 液固比为 5∶1)1 h，其浸提液分别用于测定铵态氮和硝态氮，铵态氮用靛酚蓝比色法，硝态氮采用比色法[6]。

1.3 数据统计

数据统计和分析应用SPSS20.0和EXCEL2007软件，站位图应用suffer8.0软件进行绘制。

2 结果

2.1 网箱养殖区表层沉积物氮的时空变化规律

樟湖库湾网箱养殖不同区域表层沉积物总氮、铵态氮和硝态氮的不同时间动态变化特征存在明显差异(图2～4)。

从时间变化来看，不同养殖区表层沉积物总氮含量以S1和S2站位相对较高，S4和S5站位相对较低(图2)。其中S1站位表层沉积物总氮含量最高，其次是S2站位，含量分别是1 680.00～3 570.00、1 460.00～2 720.00 mg/kg，年平均值为2 435.00、2 015.00 mg/kg，分别是对照点S3站位的1.53和1.27倍。但S4和S5站位除了2017年3月表层沉积物总氮含量要明显低于S3站位，含量分别为850.00～1 660.00、530.00～2 040.00 mg/kg，年平均值分别为1 174.17、1 125.00 mg/kg。不同养殖区表层沉积物总氮含量在不同时间的变异系数存在一定差异性，其中以S5站位相对较大(39.32%)，其他站位点变异相对较小，S1、S2、S3、S4站位表层沉积物总氮含量变异系数分别为20.98%、22.30%、29.85%、20.59%。

不同网箱养殖区表层沉积物总氮含量随时间变化的趋势一致，但变化幅度不同(图2)。对照点非养殖区的表层沉积物总氮含量从2016年6月至2017年5月呈现起伏性的变化趋势，其含量以2017年4—5月最高，2016年9月最低。与非养殖区沉积物总氮含量的时间变化趋势不同，网箱养殖区的表层沉积物总氮含量从2016年9月至2017年4月呈逐渐增加的趋势。对所有网箱养殖区而言，表层沉积物总氮平均含量具有冬季(2016年12月—2017年2月)和春季(2017年3月—5月)相对较高，夏季(2016年6月—8月)和秋季(2016年9月—11月)含量相对较低的特征。

沉积物中铵态氮和硝态氮属于可交换态氮，由于与沉积物结合能力较弱，是沉积物各形态氮中最“活跃”的部分，在沉积物-上覆水体氮循环中占有重要的地位。图3和图4结果表明樟湖库湾不同养殖区表层沉积物铵态氮和硝态氮的时间差异特征明显。由于铵态氮和硝态氮容易迁移和转化，同一站位的表层沉积物中铵态氮和硝态氮含量时间变化趋势不同。S1站位沉积物中铵态氮和硝态氮的季节变化大，而其他采样点的季节变化相对较小。其中S1站位夏季和秋季沉积物的铵态氮和硝态氮含量明显高于春季和冬季，以2016年8月含量最高，分别为362.46、13.70 mg/kg。S1、S2站位夏季和秋季沉积物中铵态氮高于对照点，但S2站位沉积物中硝态氮含量与对照点相比差异不明显。而S4、S5站位沉积物中铵态氮除了2017年3月外，其他时期均明显低于对照点；硝态氮含量与对照点非养殖区不存在明显时间变化差异(图4)。

2.2 网箱养殖区不同区域表层沉积物氮的变化规律

表1为樟湖库湾养殖区的表层沉积物总氮、铵态氮和硝态氮的含量，在一年监测中不同站位间的空间差异显著性。网箱养殖区S1站位表层沉积物的总氮、铵态氮和硝态氮含量显著(P<0.05)高于其他站位；养殖区S2站位沉积物中总氮含量显著高于非养殖区(S3)，而铵态氮和硝态氮含量虽高于非养殖区(S3)但没有显著性差异。S4和S5站位沉积物中总氮、铵态氮和硝态氮含量均没有显著性差异，但与对照点相比，总氮和铵态氮含量明显低于非养殖区(S3)，但硝态氮含量高于非养殖区(S3)，分析结果还表明，S4和S5站位沉积物总氮含量与非养殖区S3站位具有显著性差异，但铵态氮和硝态氮含量与非养殖区没有显著性差异。总体而言，沉积物总氮和铵态氮年平均含量依次为S1>S2>S3>S4>S5，硝态氮年平均含量依次为S1>S4 >S2>S5>S3。

表1 樟湖库湾网箱养殖区表层沉积物氮的变化规律

注：同一行不同小写字母表示差异显著，P<0.05，n=12。

Note：Different small letters in the same line meaned significant difference，P<0.05，n=12.

2.3 网箱养殖区表层沉积物总氮与氨氮、硝态氮的关系

表2为不同养殖区沉积物中不同形态氮含量一年变化之间的相关性，结果表明，受养殖环境及氮来源和外部水环境因子的影响，不同养殖区沉积物中的不同形态氮之间的相关性明显不同。网箱养殖区沉积物中铵态氮和总氮呈极显著相关(P<0.01)，与硝态氮呈显著正相关(P<0.05)，表明网箱养殖区沉积物中铵态氮含量和转化受总氮和硝态氮含量的影响；非养殖区(S3)和低密度网箱养殖区(S4+S5)沉积物中不同形态氮与总氮含量没有显著相关性，表明这两个区域沉积物中交换态氮含量不受总氮含量制约，而易受外界环境的影响；高密度网箱养殖区(S1+S2)沉积物中硝态氮和总氮具有显著相关性(P<0.05)，与铵态氮呈极显著相关(P<0.01)，表明该区域沉积物总氮和硝态氮的含量对铵态氮转化及其含量影响较大。结果表明，网箱养殖区沉积物中不同形态氮的相关性差异与网箱养殖密度和养殖环境有关。

表2 樟湖库湾网箱养殖区表层沉积物氮的相关关系

注：* 表示显著，P<0.05； **表示极显著，P<0.01。

Note：* meaned the significant difference at the 0.05 level，**meaned the significant difference at the 0.01 level.

3 讨论

3.1 网箱养殖区沉积物氮时间变化

本研究结果表明，樟湖库湾不同网箱养殖区表层沉积物中氮含量呈现着明显的时间变化分布特征。与其他海湾网箱养殖相似，养殖区沉积物中总氮和铵态氮含量变化与季节变化相关[7-8]，所有网箱养殖区(S1、S2、S4、S5)沉积物中总氮含量随着时间的延长呈现逐渐增加的趋势(图2)，这主要是由于网箱养殖是一种精养或半精养的养殖模式，在水体中除部分被转化成为浮游生物可利用的可溶态氮外，养殖过程中产生大量的残饵、排泄物等进入水体后，最终进入沉积物中累积下来，使网箱区沉积物中的总氮含量随着时间延长逐渐增加[9]。非养殖区对照点(S3)沉积物中总氮在冬季和春季的含量变化差异不大，其中秋季含量最低，而其他研究结果表明非养殖区沉积物中总氮含量秋季高于春季和夏季[7]，这可能与樟湖库湾沉积物的组成、水体的温度和pH、沉积物中氮负荷能力及生物活动和人为因素有关[10]。

铵态氮和硝态氮是沉积物中的有机氮被底栖微生物降解和化学氧化还原生成的交换态氮，它们吸附于沉积物中，但当水文条件改变时会重新释放到水体中，对氮的迁移和转换有重要作用。樟湖养殖区沉积物中铵态氮含量呈现显著的时间变化趋势，而硝态氮含量除了S1站位外其他站位季节变化差异不大(图3、4)。网箱养殖区沉积物中的铵态氮含量夏季最高，但其他季节变化差异不大，主要由于樟湖库区网箱养殖一般在春季放养鱼苗，投饵量和鱼类排泄物不多，而夏季水温高，鱼类生长代谢加快，投放饵料量相应提高，大量的残饵和鱼类的排泄物以沉降形式累积在沉积物表层，加大沉积物有机负荷，沉积环境的矿化过程和氨化作用，造成沉积物中铵态氮含量增加，这与沉积物总氮含量的季节变化趋势一致(图2)；而从秋季到冬季因水体温度逐渐降低，部分网箱的鱼类收获，剩余的部分鱼类捕食性变差和新陈代谢速度降低，投饵量和排泄量也大大减少，此外水位降低造成沉积物环境氧化条件增加，铵态氮的硝化作用使沉积物中铵态氮含量降低，这与相关研究结果一致[7，11]。

S1、S2 和S4三站点沉积物中铵态氮含量在2016年8月最高，而后有一个明显的随时间推移下降的趋势，这表明可能一整年养殖过程中夏季的8月正是网箱养殖所能影响沉积物中铵态氮含量的月份。对照点 S3 沉积物处于自然状态，但全年也呈现夏季和春季高于秋季和冬季的时间变化趋势，这可能与外界环境如地表径流、人类活动污水排放等引起的沉积物氨氮含量时间变化有关。除S1站点外养殖区和非养殖区沉积物中硝态氮含量全年变化差异小，这与沉积物对硝态氮的吸附能力和沉积厌氧环境引起的反硝化作用有关[12]。

3.2 网箱养殖区沉积物氮空间变化

研究结果表明，网箱养殖区沉积物中不同形态氮的含量空间分布与沉积物沉积时间及养殖环境因素有关[13-14]。樟湖网箱养殖区沉积物中总氮和交换态氮(铵态氮和硝态氮)含量也因养殖环境条件不同而呈现显著的空间变化(图2、3、4，表1)。不同养殖区沉积物中总氮含量空间分布顺序依次为S1>S2>S3>S4>S5，铵态氮含量的空间变化分布与总氮含量一致，而硝态氮年平均含量依次为S1>S4>S2>S5>S3，这表明氮含量的空间分布与不同站位的养殖环境及养殖网箱数量有关。网箱养殖区总氮含量与非养殖区(S3)具有显著性差异(表1)，其中高密度养殖区(S1、S2)沉积物中总氮含量均高于非养殖区，主要由于S1、S2站位网箱多且处于风浪较小的封闭湾内，沉积物与水体的交换量较少，加上鱼类大量的排泄物及残饵长期累积、沉积，增加了沉积物中氮含量，成为富含氮和有机物的养殖污染负荷；研究表明，在网箱养殖区投饵料中大约有21%的氮无法被生物利用而累积于沉积物中[15]。王文强等研究发现，养殖网箱下及养殖区内的沉积物氮含量均高于非养殖区，沉积物中经常可见残饵，并且养殖年限越长含量越高[16]。而低密度养殖区(S4、S5)低于非养殖区，主要是因为常年网箱养殖数量少，受水体干扰大，沉积环境厌氧程度较低，微生物活动强烈，沉积物中氮与水体的交换量大，有利于降低沉积物氮含量负荷。这些结果表明，高密度网箱养殖会显著改变沉积物氮的运移和沉积方式以及沉积环境的溶氧状态，增加沉积物总氮含量，而低密度网箱养殖在外源污染控制下对沉积物氮负荷有缓冲作用。

沉积物氮在生物环境和非生物环境(如pH、溶解氧、氧化还原电位等)作用下发生形态转化，在水体扰动作用下会发生再分配，向下沉积或释放到水体中[17-18]。本研究结果表明，高密度网箱养殖区沉积物中铵态氮含量显著高于非养殖区和低密度养殖区，主要是由于高密度网箱养殖增加沉积物中有机负荷，微生物分解有机物过程中消耗大量氧气，使有机质在强还原状态下铵化作用产生大量铵氮，而低密度网箱养殖区沉积物总氮含量负荷低，在厌氧环境下只有少量的有机物供矿化分解，因而其铵态氮含量低[9]。与非网箱养殖区相比，网箱养殖区位沉积物中硝态氮含量有增加趋势，但各站位硝态氮含量远小于铵态氮含量，这主要是由于沉积物对硝态氮吸附能力差，导致沉积物中硝态氮易向上覆水体扩散和迁移，所以沉积物中硝态氮含量较低；此外相关性结果(表2)表明网箱养殖区沉积物中铵态氮与硝态氮具有显著相关性，说明沉积物中氮在矿化过程中同时生成铵态氮和硝态氮；但硝态氮在厌氧环境和微生物作用下，易发生反硝化作用生成对生物体有毒害作用的亚硝态氮，向上覆水体迁移和扩散，这对于网箱养殖环境会产生不利影响。因此，有关网箱养殖区影响沉积物-水体界面氮的形态转化、迁移的环境因子及其交换态氮对养殖环境的影响有待进一步研究。

[1]Nowlin W H，Evarts J L，Vanni M J．Release rates and potential fates of nitrogen and phosphorus from sediments in a eutrophic reservoir[J].Freshwater Biology，2005，50(2)：301-322．

[2]李娟，葛长字，毛玉泽，等.沉积环境对鱼类网箱养殖的响应[J].海洋渔业，2010，32(4)：461-465.

[3]Hall P O J，Holby O，Kollberg S，et al.Chemical fluxes and mass balances in a marine fish cage farm IV.Nitrogen[J].Marine Ecology Progress Series，1992，89(1-2)：81-91.

[4]江伟，李心清，蒋倩，等．凯氏蒸馏法和元素分析仪法测定沉积物中全氮含量的异同及其意义[J]．地球化学，2006，35(3)：319-324.

[5]黄祥飞.湖泊生态调查观测与分析[M].北京：中国标准出版社，2000.

[6]鲍士旦.土壤农化分析[M].第三版.北京：中国农业出版社，2000.

[7]张硕，王功芹，朱珠，等.海州湾表层沉积物中不同形态氮季节性赋存特征[J].生态环境学报，2015，24(8)：1336-1341.

[8]王文强，韦献革，温琰茂.哑铃湾网箱养殖海域沉积物中氮的地球化学形态分配特征[J].环境科学研究，2004，17(5)：15-18.

[9]王文强，韦献革，温琰茂.哑铃湾网箱养殖海域沉积物中的氮[J].海洋科学，2006，30(11)：41-46.

[10]王文强，温玫茂，柴士伟.养殖水体沉积物中氮的形态、分布及环境效应[J].水产科学，2004，23(1)：29-33.

[11]蒋增杰，崔毅，陈碧鹃.唐岛湾网箱养殖区沉积环境质量及污染程度评价[J].农业环境科学学报，2007，(s2)：394-399.

[12]陈永川，汤利.沉积物-水体界面氮磷的迁移转化规律研究进展[J].云南农业大学学报，2005，20(4)：527-533.

[13]黄显兵，杜虹，黄洪辉，等.深澳湾表层底质沉积物中凯氏氮和总磷的时空分布[J].中国农学通报，2011，27(6)：333-337.

[14]黄小平，郭芳，黄良民.大亚湾典型养殖区表层沉积物环境特征研究[J].热带海洋学报，2008，27(5)：37-42.

[15]王文强，韦献革，温琰茂.哑铃湾网箱养殖对表层沉积物的污染[J].热带海洋学报，2006，25(1)：56-60.

[16]Wu R S S，Lam K S，Mackay D W，et al.Impact of marine fish farming on water quality and bottom sediment：a case study in the subtropical environment[J].Marine Environmental Research，1994，38(2)：141-145.