太湖流域河蟹不同生长期池塘养殖场氮磷动态变化研究

季 铭,闫兴成,许晓光,张重乾,冉珊珊,王国祥,孙 丽

(1.南京师范大学环境学院,江苏 南京 210023)(2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,江苏省环境演变与生态建设重点实验室,江苏省水土环境生态修复工程实验室,江苏 南京 210023)(3.无锡市滨湖区水利局,江苏 无锡 214071)

近年来,我国水产养殖业发展十分迅速. 河蟹,学名中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis),因其营养丰富、味道鲜美、适应性较强,养殖规模迅速扩大,养殖产量从2000年的23.24万t增加到了2017年的75.09万t[1]. 洪泽湖流域河蟹更是取代鱼类成为主要的水产品[2]. 养殖产量的提升,导致含有残饵、排泄物等污染物的养殖尾水排放量剧增[3]. 氮、磷是水产养殖区水体的主要污染物[4]. 研究表明,投喂饲料中70%的氮、磷养分通过各种形式进入周边水体[5]. 以江苏溧阳为例,渔业养殖是溧阳市主要的水污染源,其排放的总氮和总磷占溧阳市排放总量的14.92%和40.83%,且排放贡献率有逐年增加的趋势[6]. 这些富含氮、磷的养殖废水的排放,加剧了湖库的富营养化.

池塘养殖是河蟹养殖的一种主要养殖形式,目前关于其氮、磷污染方面已有不少研究,包括氮、磷在养殖水体及底泥中的时空分布[7-9]、氮、磷收支[10-12]、不同地区河蟹养殖塘污染排放强度[13-16]等. 此外,还有学者对河蟹养殖池塘氮、磷的影响因素进行了探究,如戴修赢等[17]研究了3种饵料结构对河蟹养殖池塘氮、磷污染强度的影响. 为控制河蟹养殖塘氮、磷的输出,对于河蟹的池塘生态养殖模式也开展了相关研究[18-19]. 这些研究大多针对河蟹养殖排水时期进行研究,对于河蟹整个生长周期养殖塘的水和底泥中氮、磷的动态变化特征研究较少. 调节水质是保证河蟹健康成长的前提,直接关系到养殖的成败,同时也影响到整个流域污染物的排放. 因此,充分了解水产养殖过程中水质变化规律、主要影响因素及调节方法对控制和管理区域面源污染具有重要意义.

太湖流域是我国河蟹养殖的主要区域,据调查,太湖流域池塘连片养殖场共11.1万hm2,6.7 hm2以上的养殖塘有1 543个,共3.4万hm2,其中2/3为河蟹养殖场[20]. 因此本文选取太湖流域典型河蟹池塘养殖场,监测分析河蟹养殖过程中养殖水体及底泥氮、磷动态变化特征,旨在通过探究河蟹不同生长期氮、磷变化影响因素,更加经济高效地控制河蟹养殖场水质,减少对周边水域的氮、磷输出.

1 研究区概况

研究区位于江苏省常州市前黄镇高梅村,养殖场总面积7.3 hm2,现有养殖池塘6个,各养殖池塘命名如图1,其中C塘和F塘连通. 蟹苗在3月初投放,投放量约为22 500只/hm2. 饲料主要有玉米、颗粒饲料及冰鲜小杂鱼,其中小杂鱼主要在3—4月及9—11月投放,其余时期以颗粒饲料和玉米为主,各月饲料投放比重情况如表1. 养殖塘内主要种植伊乐藻,盖度约60%. 2—5月养殖塘水位维持在40～50 cm,5月后水位逐步上升,7—8月维持在1.2 m左右,9—10月维持在1 m左右,养殖过程中不换水、不排水,只补水. 养殖过程中逐塘捕捞,逐塘清塘,12月完成所有养殖塘的捕捞工作. 常州市属亚热带季风气候,四季分明,雨热同期,气温及降雨量具体情况见图2.

表1 各月饲料投放占全年投放量比重Table1 The amount of feed put in each month accountedfor the proportion of the annual volume

2 数据来源与研究方法

3 结果与讨论

3.1 不同河蟹生长期养殖塘水体氮、磷动态变化特征

河蟹养殖塘水体氮、磷周年变化趋势如图3所示. 养殖塘水中TN、TP波动较大,TN浓度变化范围为0.62～5.33 mg/L,TP浓度变化范围为0.04～0.56 mg/L. 养殖塘水体TN、TP浓度在较长的一段时期内超出地表水环境质量标准Ⅴ类标准(表2).

表2 水质标准基本项目标准限值Table 2 Limits for basic items of water quality standards mg/L

3.2 不同河蟹生长期养殖塘底泥氮、磷含量动态变化特征

河蟹养殖塘底泥中TN、TP含量大体呈现先上升后下降的变化趋势,如图4所示. 底泥中TN初始平均值为1 041.30 mg/kg,在6—10月养殖塘底泥中TN含量较高,在1 579.17～2 431.58 mg/kg之间,约是初始值的2倍,12月时养殖塘底泥中TN最低,平均值为982.37 mg/kg. 5个养殖塘初始TP平均值为768.59 mg/kg,10月时底泥中TP含量最高,平均值为1 119.92 mg/kg,是初始值的1.12～2.07倍,12月时最低,5个养殖塘底泥TP平均值为679.31 mg/kg.

3.3 河蟹养殖塘水体与底泥氮、磷变化的影响因素

表3 各地区河蟹养殖塘排水氮、磷情况Table 3 N and P concentrations in the tail water of crab farming ponds in various regions

养殖塘水及底泥中氮、磷主要受到养殖密度、饲料、水草、螃蟹活动及补水情况等因素影响. 研究表明,饲料是池塘养殖环境中氮、磷的主要来源[13]. 养殖期间,为保证河蟹的生长,饲料投加量往往会过量,并以残饵的形式留存在养殖塘中,而残饵会向水体释放大量的氮磷[10]. 如图3(a)、(b)所示,在蟹苗投放后至第3次蜕壳期养殖塘水体TN、TP有明显的上升,主要是由于该阶段饲料投加量随着河蟹个体的增长而增加. 育肥期是河蟹积累营养的重要时期,为满足河蟹生长育肥需要,这一阶段饲料投放量在全年占比中最高,约占整个养殖过程的四分之一(表1),该时期投放饲料以冰鲜小杂鱼为主,冰鲜小杂鱼在水中营养成分溶失率和致腐性较高[30],导致在育肥期养殖水体水质较差. 饲料投加量与养殖密度息息相关,养殖密度越高,饲料投加量也相应越高. 本研究蟹苗投放量在河蟹单养及蟹虾混养池塘中较高,为22 500只/hm2,与戴丹超等研究的养殖塘蟹苗投放量相同,二者排水TN浓度均高于2 mg/L,而表3中除桂林地区外,蟹苗投放量在7 500～15 000只/hm2的河蟹养殖场排水TN浓度均低于2 mg/L,因此,可以表明养殖密度过大会使得养殖塘水体氮、磷较高.

养殖水体水质不仅受饲料的影响,还与水草有较大关系,养殖塘中的水草可以调节改善养殖塘水质及养殖生态环境[31]. 本研究养殖塘中种植伊乐藻,在伊乐藻生长较好的6—8月份养殖塘水中氮、磷较低(图3). 9月,伊乐藻开始衰落,同时为了提高育肥期河蟹活动量,对养殖塘内伊乐藻进行了清除. 在缺少伊乐藻调节改善水质的作用后,养殖塘内又投入了大量的饲料,养殖塘内水质迅速恶化,水中NH3-N浓度由0.19 mg/L升至2.25 mg/L. 不同的栽种模式及种类搭配对池塘水质的改善作用效果存在差异,伊乐藻与轮叶黑藻混合搭配栽培模式对池塘水质改善、生态调节的作用明显优于单一水草栽培模式[31]. 表3中河蟹养殖塘中多选用复合水草种植模式,本研究养殖塘为伊乐藻单一种植模式,这可能也是使得本研究排水氮、磷较高的一个原因.

除去饲料与水草对养殖塘水中氮、磷有影响外,补水与换水也对水体氮、磷有较大影响[32]. 由图2可知,在河蟹第4次至第5次蜕壳期,高温多雨,大量雨水汇入养殖塘,同时高温导致水体大量蒸发,为保证养殖塘水位,会向养殖塘补水,雨水及补水稀释了养殖塘水中的氮、磷,所以即使这一时期饲料投加量较高,水中氮、磷仍维持在较低值. 在补水与换水过程中,各地养殖塘多利用周边水源,因此,水源区水质情况对养殖塘水质也有较大影响. 桂林地区的河蟹养殖塘虽然也采用生态养殖模式,且蟹苗投放量仅为 9 000 只/hm2,但因水源水TN与NH3-N含量偏高,致使排水中TN与NH3-N在表3养殖塘中偏高. 表3中其余排水氮、磷超出太湖流域池塘养殖水排放标准的养殖塘也存在水源氮、磷较高的情况. 此外,河蟹本身也会对水体氮、磷产生影响,包括排泄物中氮、磷的释放,河蟹活动对底泥的扰动[10].

底泥氮、磷变化主要受残饵、河蟹排泄和水生植物的影响. 田功太等[33]研究发现,高等水生植物与底栖动物对河蟹养殖地质有明显的净化效果. 本研究养殖前期,养殖塘中伊乐藻尚未栽种,在残饵及河蟹排泄物的影响下,底泥TN、TP含量逐步上升. 在第3次蜕壳期至育肥期,因为伊乐藻对氮、磷的吸收,氮、磷含量不再继续上升. 进入捕捞期后,养殖塘内河蟹数量及饲料投放量不断减少,底泥中氮、磷开始逐渐降低.

4 结论

合理设置蟹苗投放量,科学养殖,加强日常管理. 过大的养殖密度会使得在养殖过程中单位面积的饲料投放量增加,从而增加氮、磷的输入. 与此同时,养殖过程中水草管理十分重要,水草能够有效地控制养殖塘内氮、磷,水草一旦没有管理好,会使得养殖塘水质恶化. 育肥期水质的控制尤为重要,育肥期水质会直接影响养殖尾水氮、磷含量.

改善养殖废水排水方式,控制底泥氮、磷含量. 捕捞季(10—12月)水体氮、磷浓度有明显的下降,可改善排水方式,或将养殖尾水静置一段时间后再排水,这样水体中的一部分氮、磷可以沉降到底泥中,尾水中的氮、磷浓度会相应下降,人工湿地等净化系统对养殖尾水也有较好的净化效果. 养殖塘底泥氮、磷释放也是水体氮、磷的一个来源,对底泥氮、磷的控制也十分重要,因此,需要在干塘期间对底泥进行处理,减少底泥氮、磷及有机质含量.