不同增氧方式对盐碱养殖池塘pH的影响

2019-09-03高延亮么宗利祭仲石高鹏程来琦芳

海洋渔业 2019年4期

高延亮，周凯，韦艳，么宗利，祭仲石，孙真，高鹏程，来琦芳

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，中国水产科学研究院盐碱水域渔业工程技术研究中心，上海 200090；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；3.光明渔业有限公司，江苏大丰 224153）

我国拥有约3.067×107hm2的盐碱水资源，但大部分仍处于荒芜状态［1］，进行盐碱地水产养殖是充分利用盐碱水资源的有效措施之一。盐碱水具有高碱度和高pH值等特点［2］，其中高pH值是制约盐碱池塘养殖发展的重要因素，pH值过高会使鱼虾等养殖生物体内离子比例失去平衡［3］，严重影响其摄食、生长［4-5］以及生理代谢［6-7］。同时，pH还常与碳酸盐碱度、氨等环境因素共同作用，间接影响养殖生物［8］。因此，调控水体pH是盐碱池塘养殖十分关键的环节。

维持盐碱池塘水体pH值主要有生物因素和化学因素。生物因素主要与藻类的光合作用和呼吸作用以及养殖动物、浮游动物和微生物等息息相关［9］，王志红等［10］和 HUANG等［11］发现在藻类生长期内微藻对水体pH值变化具有一定的影响，藻类光合作用吸收水体中的CO2，使水体中CO2以及HCO-3大量减少，导致水体pH上升；苏发文等［12］研究也发现处于对数生长期的小球藻（Chlorella pyrenoidosa）和铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）均能使水体pH值上升；化学因素主要与水体的碳酸盐平衡系统（CO2+H2O↔H2CO3↔H++HCO-3↔2H++CO2-3）相关，CO2浓度是影响该平衡体系的关键因素；因此有效控制池塘水体中CO2浓度是调控pH的有效途径之一。增氧机可以增加水-气接触面积，不仅可以提高水体DO浓度，同时也可以提高水体中CO2的浓度，合理配置增氧设施，比较不同增氧方式下养殖池塘的pH、DO、CO2以及叶绿素a浓度变化及其相互关系，对盐碱池塘pH的调控具有积极意义。

本文在室内验证通气量和叶绿素a浓度对水体pH影响基础上，以异育银鲫（Carassius auratus gibelio）盐碱养殖池塘水体为主要研究对象，以传统叶轮单一增氧（以下简称单一增氧）池塘为对照塘，以叶轮+底增的复合增氧（以下简称复合增氧）池塘为试验塘，定期定位监测pH、DO和叶绿素a浓度变化情况，比较分析不同天气条件和养殖过程中复合增氧对盐碱养殖池塘水体pH的调控效果，以期为池塘养殖水环境调控提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 不同通气量和叶绿素a浓度对水体pH的影响

按照每亩池塘配置0.25 kW增氧机推算，通气量约为 1.2 L·min-1，故试验设置 0、0.6、1.2、2.4 L·min-1通气量梯度，用气体流量计（LZB-10）进行调控；根据养殖中期池塘叶绿素a浓度通常在200μg·L-1左右，设置叶绿素a浓度梯度为100、200、300μg·L-1；试验在锥形瓶中进行，试验水体为5 L，参照苏发文等［10］设置试验温度为25℃、光照强度为2 000 lx，在已消毒的水体中接种一定量小球藻，以0 L·min-1组作为对照组，用PHB-4型便携式pH计（雷磁，上海）每4 h测一次，监测周期为24 h。

水环境pH变化值ΔpH采用如下方法计算：

式中，pH1和pH2分别表示规定时间内的起始值和终点值。

1.2 不同天气条件下复合增氧对盐碱池塘水质的影响

1.2.1 苗种放养

试验地点位于光明食品集团上海市海丰水产养殖有限公司标准化养殖场，选取异育银鲫盐碱水养殖池塘，复合增氧试验塘4×104m2，养殖生物放养量平均为282.00 g·m-2，其中异育银鲫 270.00 g·m-2、鳙（Aristichthys nobilis）6.75 g·m-2、白鲢（Hypophthalmichthysmolitrix）5.25 g·m-2，放养规格为体质量100 g；单一增氧池塘3.667×104m2，养殖生物放养量平均为275.85 g·m-2，其中异育银鲫 262.50 g·m-2、鳙 1.50 g·m-2、白鲢5.85 g·m-2，放养规格同试验塘。

1.2.2 增氧机配置

增氧机每亩平均功率均为0.25 kW，试验塘包括7.5 kW底部增氧设备1台，3.5 kW叶轮式增氧机2台；对照塘3.5 kW叶轮式增氧机4台。每天开机时间为 10∶00—14∶00、22∶00—次日2∶00、4∶00—6∶00，平常开机时长10 h，高温、阴雨天气延长开机时间2 h，养殖中后期视具体情况确定开机时长。

1.2.3 监测方法

选取晴天常温［水温为（28±1）℃］、晴天高温［水温为（33±1）℃］、阴天［水温为（28±1）℃］和雨天［水温为（28±1）℃］4种天气条件，采用对角线法分别选取5个点，用便携式多参数水质分析仪（YSI ProPlus）测量表层（离水面10 cm）和底层（离池底10 cm）溶解氧，每2 h测一次，监测周期为24 h。

池塘水体pH值用PHB-4型便携式pH计（雷磁，上海）每4 h测一次，监测周期为24 h。

水体CO2浓度按照H+浓度以及H2CO3电离来推算，计算公式如下：

式中，KH为溶解系数10-1.47，PCO2为二氧化碳分压，CH+为水体中 H+浓度，Ka，1为 H2CO3一级电离系数 10-6.5，Ka，2为 H2CO3的二级电离系数10-10.3。

1.3 整个养殖过程复合增氧对盐碱池塘水质的影响

1.3.1 基本情况

试验所用池塘同1.2，监测周期60 d，试验期间试验塘和对照塘确保增氧机开机时间相同。

1.3.2 测定方法

水体DO和CO2浓度测定方法同1.2.3。

pH和叶绿素a浓度测定：采集试验塘和对照塘出水口、池中间和进水口表层（水面下10 cm）、底层（池底上10 cm）水样，混匀，分别用PHB-4型便携式pH计（雷磁，上海）和便携式多参数水质分析仪（YSIProPlus）测量，每15 d测一次。

1.4 数据处理

数据使用SPSS 19.0统计软件统计分析。不同通气量和叶绿素a浓度共同作用下水体pH值变化进行双因素方差分析，叶绿素a浓度与pH值进行双变量相关性分析，其他试验结果用单因素方差分析进行显著性检测，若方差分析差异显著，则用Duncan法进行多重比较，所有检验的显著水平为0.05，极显著水平为0.01。数据以平均值±标准误（Means±SE）表示。

2 结果与分析

2.1 不同通气量和叶绿素a浓度对水体pH的影响

由表1可见，通气量和叶绿素a均对水体pH值有显著影响（P＜0.05）。通气能使水体pH值显著下降（P＜0.05），且 pH下降值（ΔpH）与通气量成正相关，即随通气量的增大而增大；pH值还受水体叶绿素a浓度的影响，随着叶绿素a浓度上升，水体ΔpH变小（P＜0.05）。在本试验范围内，通气量为2.4 L·min-1，叶绿素a浓度为100μg·L-1时，ΔpH达到最大，约为 0.54±0.08；通过双因素方差分析，通气量、叶绿素a浓度对ΔpH存在显著的交互作用（P＜0.05），通气量对pH的影响强于叶绿素a浓度，两者表现出一定的拮抗作用。

2.2 不同天气条件下复合增氧对盐碱池塘pH的影响

2.2.1 复合增氧对盐碱池塘pH的影响

与对照塘相比，复合增氧对池塘pH值存在显著影响（P＜0.05），但在不同天气条件下影响情况各不相同：如图1所示，在晴天条件下开机时试验塘pH值明显下降，且显著低于对照塘（P＜0.05），不开机时间段内两者差异不显著；在阴天和雨天条件下，试验塘pH值均显著低于对照塘（P＜0.05）。

2.2.2 复合增氧对盐碱池塘CO2浓度的影响

对于水体中的CO2浓度来说，试验塘CO2浓度显著增加（P＜0.05）。晴天常温和晴天高温时，试验塘CO2浓度在增氧机开机时间内显著高于对照塘（P＜0.05）；阴天和雨天时试验塘CO2浓度每个监测时间点均显著高于对照塘（P＜0.05）（图2）。

表1 不同通气量和叶绿素a浓度下水体pH变化Tab.1 Changes of pH at different ventilation conditions and Chlorophyll-a concentrations

图1 不同天气条件下水体pH变化Fig.1 Changes of pH in different weathers

图2 不同天气条件下水体CO2变化Fig.2 Changes of CO2 concentrations in different weathers

2.2.3 复合增氧对盐碱池塘DO的影响

由图3可以看出，晴天常温时，试验塘表、底层DO均高于对照塘，试验塘和对照塘的表层ΔDO在12∶00达到最大值为0.81 mg·L-1，底层ΔDO在0∶00达到最大值 1.43 mg·L-1；晴天高温时，ΔDO在10∶00达到最大值，表、底层 ΔDO分别增加 3.01 mg·L-1和 1.81 mg·L-1；雨天时，试验塘每个监测时间点DO均显著升高，在6∶00表、底层 ΔDO达到最大值1.34 mg·L-1和1.28 mg·L-1；阴天开机时间段内，试验塘显著高于对照塘（P＜0.05），其他时间段差异不显著，其中在14∶00和4∶00试验塘和对照塘表层和底层ΔDO均达到最大值，分别为0.80 mg·L-1和0.54mg·L-1。

图3 不同天气条件下水体DO变化Fig.3 Changes of DO in different weathers

2.3 整个养殖过程复合增氧对盐碱池塘水质的影响

2.3.1 复合增氧对盐碱池塘pH的影响

养殖期池塘水体pH变化如图4所示，复合增氧对池塘pH值存在显著影响（P＜0.05），尽管试验塘在监测初期pH高于对照塘，但在45 d监测时pH已低于对照塘，这表明复合增氧可以有效降低pH值。与单一增氧相比，复合增氧方式下水体pH值下降幅度较大，在前30 d中，试验塘pH值显著高于对照塘（P＜0.05），并在15 d达到最大值9.09，45 d后试验塘pH显著低于对照塘（P＜0.05），其中在第45天达到最低值8.10，同时试验塘pH降低值ΔpH达到最大值0.89，而对照塘降低值仅为0.64。此外，复合增氧方式下水体pH值30 d后相对趋于稳定。

图4 两种增氧方式下盐碱池塘养殖期水体pH变化Fig.4 Changes of pH during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

2.3.2 复合增氧对盐碱池塘CO2的影响

养殖期池塘水体CO2浓度变化如表2所示，两种增氧方式对池塘CO2浓度变化存在显著差异（P＜0.05）。试验塘CO2浓度30 d后趋于稳定，维持在10.00 mg·L-1以上，并于45 d达到最大值，为（13.70±0.45）mg·L-1。

2.3.3 复合增氧对盐碱池塘DO影响

如图5所示，试验塘DO显著高于对照塘（P＜0.05），且试验塘表、底层DO变化幅度较小，较稳定。试验塘上午表层与底层溶解氧差为0.36mg·L-1、下午表层与底层溶解氧差为0.99 mg·L-1，低于对照塘的 0.50 mg·L-1和 1.20 mg·L-1。

表2 两种增氧方式下盐碱池塘养殖期水体CO2变化Tab.2 Changes of CO2 during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

2.3.4 复合增氧对盐碱池塘叶绿素a的影响

养殖期池塘水体叶绿素a浓度变化量如图6所示，试验塘和对照塘叶绿素a浓度变化量在15、30、45、60 d均无显著性差异（P＞0.05），复合增氧试验塘在15 d之后趋于稳定，而传统增氧对照塘仍存在一定的波动。对叶绿素a浓度和pH进行双变量相关性分析（表3）发现，在本试验范围内，试验塘和对照塘水体pH和叶绿素a浓度均呈显著正相关，相关系数分别是0.913和0.738。

3 讨论

3.1 不同通气量对水体pH的影响

室内试验结果显示，通气可以降低试验水体pH值，且pH变化值ΔpH随着通气量的增大而增大，主要是通气增加了水-气交换面积，空气中CO2在水体中的溶入量增加，碳酸盐平衡系统（CO2+H2O↔H2CO3↔H++HCO-3↔2H++CO2-3）向右移动，促使水体中H+浓度升高，pH值下降。本试验范围内通气量为2.4 L·min-1时，水体CO2浓度可达18 mg·L-1，pH下降0.54，因此通气可以有效降低水体pH值。GOMES等［13］、TSUJI等［14］、DONEY 等［15］和 MILLERO等［16］也发现当水体 CO2浓度达到10 mg·L-1时，会使pH下降0.4左右［17］。本研究还发现，同一通气条件下，水体叶绿素a浓度增加时ΔpH逐渐变小，这说明通气量和叶绿素a浓度对于pH的影响具有拮抗作用，但关于养殖水体中通气量和叶绿素a浓度对于pH的相互作用还有待今后进一步研究。

图5 两种增氧方式下盐碱池塘养殖期水体DO变化Fig.5 Change of DO during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

图6 两种增氧方式下盐碱池塘养殖期水体叶绿素a浓度变化Fig.6 Changes of Chlorophyll-a concentration during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

3.2 复合增氧方式对盐碱池塘水体pH的影响

通过试验监测发现，不论是不同天气条件还是在养殖过程中，复合增氧对降低池塘水体pH值效果明显好于单一叶轮增氧，这主要与增加了水-气接触面积、增大了O2和CO2溶入量密切相关。CO2浓度是影响盐碱养殖池塘碳酸盐缓冲体系的主要因子［18-19］，CO2分子在水体中的扩散速度很慢，但可以被藻类光合作用快速利用，导致HCO-3分解产生OH-，从而促使水体pH值上升。而复合增氧方式下水体CO2浓度较高，故对降低水体pH值有一定的作用。晴天时光合作用比较强烈，不断地消耗CO2［20］，水体 pH值上升，因此在光合作用较强的天气条件下，适当延长增氧机开机时间，增加CO2浓度，有利于降低或稳定水体pH值，而在阴雨天时复合增氧不仅增加了DO，还可以稳定水体CO2浓度，使水体pH值相对稳定。因此复合增氧是调控水质的有效途径之一。