紫色土池塘养殖底泥理化性质变化及营养沉积过程

李天才，余 米，江 瑞，赵晴云，付 梅，苏胜齐

（1. 西南大学水产学院，重庆 400700；2. 西南大学渔业资源环境研究中心，重庆 400700；3. 雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610000；4. 重庆市药物种植研究所，重庆 408435；5. 重庆市合川区水产发展指导站，重庆 401520）

紫色土作为我国一种特有的土壤资源，总面积超过2 000 万hm2。四川盆地集中分布着我国51.53%面积的紫色土[1]，是农业发展的重要基础，其中四川盆地中的川渝地区是我国重要的池塘养殖区域，池塘的建造基本以紫色土为基础。但随着我国农业和经济的飞速发展，自然池塘因地表径流或水体交换不断输入有机物和氮磷元素[2‐3]，而精养池塘则由于残饵和粪便持续沉积[4‐6]，造成池塘营养物质日益增多。因此，研究掌握紫色土池塘底泥理化性质和营养周期变化规律是高效、健康养殖的前提，可为池塘底质管理和改造提供理论基础和科学指导。为提高池塘生态系统稳定性，提升水产品品质，减少疾病暴发，扼制池塘水质恶化，诸多学者对池塘水质管理和调控展开了大量研究[7‐11]。底泥作为池塘生态系统的核心，不仅是物质和能量循环的源和汇[4，12‐14]，也是益生菌和有害菌的库[15‐17]，更是限制养殖效果的主要因素[12]，但有关池塘底泥管理和改造的研究则相对较少[9]，针对紫色土池塘底泥的探究则更是未见报道。为此，以重庆市铜梁区采集的紫色土作为基础，覆水模拟紫色土池塘养殖过程，监测养殖过程中底泥理化性质变化和有机质、氮磷等主要营养物质沉积过程，旨在掌握其变化趋势和沉积规律，为池塘底泥管理和改造提供科学指导。

1 材料和方法

1.1 试验系统构造

试验用紫色土取自重庆市铜梁区（N29.5130°，E106.4010°），取土时将表层土壤刨去，挖取风化而未经耕作的0～20 cm 土壤。把50 kg 紫色土转入不透明水族缸（竖切面为梯形，r1=30 cm，r2=40 cm，h=80 cm）中，加入曝气自来水，土水比为1∶5，土层厚12 cm，覆水60 cm[18]。每缸放养7 尾湘云鲫（Carassius auratusTriploid）[全长（69.70±1.19）mm、体质量（9.57±0.08）g]，供试湘云鲫于试验前1 周购自重庆市歇马水产养殖场，试验期间每天投喂3%体质量饲料[19]。覆水组（对照）不养鱼、不投饲。覆水组和养殖组均设置3个重复，充氧，每月22日换水1/3。

系统设置在室外有顶通风平台上，2016 年4 月10 日按照设计完成加土和覆水过程，静置至4 月22日放入供试鱼并开始投喂；往后每月22日使用柱状采泥器从每个缸的不同位置均匀采集5份底泥混合作为样本，试验至9月22日采集样本后结束。

1.2 底泥环境因子测定方法

温度：每天傍晚直接用温度计读取底泥温度；pH 值：水土比为2.5∶1.0，混合后使用phs-3c 型pH计测量；氧化还原电位（O.R.P）：底泥样本取出后迅速用O.R.P 计直接测量。pH 值、O.R.P 每月7 日和22日各测1次。

取回的底泥先阴干，之后进行碾磨并过0.25 mm 筛网，收集100 g 底泥粉末用于测定营养成分。有机质（SOM）、总氮（TN）、碱解氮（Alkali-N）、总磷（TP）、速效磷（Olsen-P）、全钾（TK）、速效钾（Avail-K）、镁（Mg）、硫（S）含量分别采用重铬酸钾法、重铬酸钾-硫酸消化法、碱解扩散法、氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑钪比色法、火焰光度法、火焰光度法、原子吸收光谱法和原子吸收光谱法进行测定[20]。

沉积比例=（试验终值-试验初值）/试验初值×100%。

1.3 数据处理

使用SPSS 19.0 软件分析Pearson 相关性，在Excel 2016 中分析相关数据并制作表、图，所有数据均以均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 供试紫色土养分

供试紫色土分类上属遂宁组（J3s），为石灰性紫色土，养分见表1。按照全国土壤养分分级，试验紫色土有机质含量为6 级（最低等级），远低于我国紫色土有机质平均含量（18.8 g/kg）；总氮含量为4 级，略低于我国紫色土平均含量；总磷含量为3级，略高于我国紫色土平均含量；总钾含量为2级，等同于我国紫色土平均含量。

表1 供试紫色土基本性质上养分Tab.1 Basic properties and nutrients of the purple soil

2.2 底泥理化性质变化

试验期间，底泥温度随气温逐渐升高，在末期迅速下降，温度介于19.3～33.4 ℃，平均值为27.7 ℃（图1A）。试验开始后，对照组和养殖组底泥pH 值均迅速下降，由石灰性转为中性；对照组pH 值围绕7.3 波动，变幅为7.2～7.4；养殖组pH 值则围绕7.1 波动，变幅为7.0～7.2（图1B）。对照组底泥O.R.P 围绕180.0 mV波动，变幅为157.3～245.3 mV，表现为弱氧化性；养殖组底泥O.R.P 围绕-210.0 mV 波动，变幅为-254.8～-190.9 mV，表现为还原性（图1C）。

图1 底泥温度（A）、pH值（B）和O.R.P（C）变化Fig.1 Temperature（A），pH（B）and O.R.P（C）change of pond mud

2.3 底泥营养成分变化

2.3.1 底泥营养成分变化过程

2.3.1.1 底泥有机质含量与碳氮比 由图2A 可知，对照组底泥有机质含量在6.0 g/kg 上下波动，试验前期较高、后期较低，总体低于初始值；养殖组底泥有机质总体呈上升趋势，终值达11.5 g/kg，各时期均高于对照组和初始值。由图2B可知，对照组底泥碳氮比整体呈下降趋势，终值为9.2；养殖组底泥碳氮比在11.0上下波动，变幅为8.7～12.0，且整体高于对照组。

图2 底泥有机质含量（A）和碳氮比（B）变化Fig.2 The content of organic matter（A）and C∶N ratio（B）change in pond mud

2.3.1.2 底泥总氮与碱解氮含量 由图3A 可知，试验期间对照组底泥总氮平均值为0.66 g/kg，各时期间相近，但明显低于初始值；养殖组底泥总氮含量总体呈上升趋势，终值0.96 g/kg，各时期均高于对照组和初始值。由图3B可知，对照组底泥碱解氮平均值为53.4 mg/kg，各时期间相近，但均低于初始值；养殖组底泥碱解氮先升高后降低，7 月22 日含量最高（117.3 mg/kg），各时期均高于对照组和初始值。

图3 底泥总氮（A）和碱解氮含量（B）变化Fig.3 The content change of TN（A）and alkali-N（B）in pond mud

2.3.1.3 底泥总磷与速效磷含量 由图4A 可知，试验期间对照组底泥总磷含量无明显变化；养殖组底泥总磷含量呈现上升趋势，最高值1.15 g/kg，各时期均高于对照组和初始值。由图4B可知，对照组底泥速效磷含量先升高，至7 月22 日达到最高值（4.95 mg/kg）后逐渐降低，而养殖组底泥速效磷含量则总体呈升高趋势，最高值为86.17 mg/kg，各时期均远高于对照组和初始值。

图4 底泥总磷（A）和速效磷含量（B）变化Fig.4 The content change of TP（A）and olsen-P（B）in pond mud

2.3.1.4 底泥总钾与速效钾含量 由图5A 可知，对照组和养殖组底泥总钾含量各时期变化不大，且各时期两组也均相近。由图5B可知，对照组底泥速效钾含量呈微弱的升高趋势，而养殖组底泥速效钾含量则明显呈升高趋势，养殖组底泥速效钾最高值为

图5 底泥总钾（A）和速效钾含量（B）变化Fig.5 The content change of TK（A）and avail-K（B）in pond mud

207.67 mg/kg，各时期均高于对照组和初始值。

2.3.1.5 底泥镁和硫含量 由图6A 可知，对照组和养殖组底泥镁含量变化趋势相同，均先升高，直至8月22 日达到最高值（136.3 mg/kg 和112.5 mg/kg），之后转变为下降，对照组总体高于养殖组。由图6B可知，试验期间对照组底泥硫含量平均值为11.8 mg/kg，各时期差异不大，但均低于初始值；养殖组底泥硫含量先增加，至6 月22 日达到最高值（89.9 mg/kg）后下降，各时期均远高于对照组和初始值。

图6 底泥镁（A）和硫含量（B）变化Fig.6 The content change of Mg（A）and S（B）in pond mud

2.3.2 底泥营养沉积量 由表2 可知，养殖组底泥中有机质、总氮、总磷和总钾等常量养分均有沉积，其中有机质和总磷沉积最为明显；碱解氮、速效磷、速效钾等易利用营养成分均有大量增加，其中速效磷增加近21 倍，硫含量增加近3 倍，仅镁呈现大量溶解释放现象。

表2 养殖组底泥营养成分沉积量Tab.2 The nutrients accumulation in the feeding group pond mud

2.4 底泥理化性质和营养成分相关性

由表3 可知，底泥pH 值与底泥有机质、氮、磷、硫等营养成分均呈负相关关系，而O.R.P 与它们负相关性则更强；底泥碳氮比与除镁以外的营养成分均呈正相关关系，但仅与有机质的正相关性较强。

表3 底泥理化性质和营养成分间Pearson相关性Tab.3 Pearson correlation between pond mud properties and nutrients

3 结论与讨论

紫色土在土壤发生上归为初育土纲、紫色土土类。根据pH 值划分为酸性、中性和石灰性紫色土3个亚类，酸性紫色土pH 值<6.5，一般为3.9～4.6；中性紫色土pH值介于6.5～7.5，一般为6.2～7.5；石灰性紫色土pH 值>7.5，一般为7.7～8.0[1]。本试验中，石灰性紫色土pH值高达8.5，碱性较强，以之为基础的池塘底泥更经得住酸化[21‐22]。一般情况下，紫色土有机质含量相较于黑土、棕土、褐土、黄土、红土等明显偏低，而石灰性紫色土又是3 个亚类中有机质含量最低的[23]。石灰性紫色土氮磷含量属于中下水平，仅钾含量属于高水平标准，与试验中石灰性紫色土有机质、氮、磷、钾含量水平一致，综合属于较瘦土壤[1]。

遂宁组紫色土出现0.02～0.2 mm 和0.002～0.02 mm 级土粒的概率极高，出现<0.002 mm 级土粒的概率较高，出现>0.2 mm 级土粒的概率极低，即多属于砂土或壤土质地[24]。砂土粒间空隙大，透水性强，保水保肥性弱；黏土粒间空隙小，透水性差，保水保肥性强；壤土粒间空隙适当，兼顾砂土和黏土两者透水保水性质。据此推断石灰性紫色土建造池塘后土粒与水接触表面积大，边坡易被溶解造成淤泥增多底部抬升，养殖过程中应注意在休渔期清理底泥或进行硬化处理。由于紫色土普遍质地较粗易被侵蚀[25]，雨水容易裹挟附近土粒汇入池塘，同样造成淤泥增多，故而在以紫色土为基础建造池塘过程中应在周边修筑堤坝。由于中性和石灰性紫色土黏粒含量较酸性紫色土高，致使氮素矿化淋溶速率明显降低[26]。因此，中性和石灰性紫色土建造池塘后对水体供给氮素的能力更为持久，但酸性紫色土则能在短期内大量供应氮素。

池塘建成覆水后，土壤由土粒与空气形成的固-气两相混合物转变为土粒与水形成的固-液两相混合物，可视作底泥胶体[2，13]；在覆水初期，土粒营养物质不断溶解到间隙水中，并持续从间隙水向上层水扩散，为池塘提供肥力，直至土粒与间隙水营养物质解吸-吸附达到平衡[2，27‐28]。由于石灰性紫色土多属砂土或壤土，且营养偏低，因此对于非投喂的石灰性紫色土池塘而言，水体在建池初期能从底泥中获得充足的营养物质，但往后将由于底泥营养物质枯竭且无稳定氮磷等营养输入而不能持续保持足够的渔载力，造成产量下降。覆水后大量物质和离子交换到水体中，导致原本呈石灰性的底泥pH值迅速下降，这相当于底泥与水体的平衡反应，在无干扰的情况下底泥将逐渐趋向中性[21]；水体导致空气隔绝，底泥O.R.P同样迅速下降[21]。

陈明海等[4]在研究丰产鲫（Carassius auratus）池塘氮磷收支动态中发现，养殖期3 个月池塘中氮磷总量升高2～8倍，而且饲料是主要来源，占输入性氮磷的88% 和96%；刘梅等[6]研究大口黑鲈（Micropterus salmoides）养殖过程中氮磷动态时有相似结论，饲料输入占池塘氮磷收入的95.0%和94.6%。刘梅等[6]指出，底泥沉积氮磷占池塘氮磷输出的40%～60%，是池塘氮磷的主要输出方式。与陈明海等[4]研究的精养鲫鱼池塘相比，本试验结束时，底泥氮含量低、磷含量高，综合沉积速率也是如此，这说明紫色土池塘养殖过程中应着重注意磷循环，加强管理，避免过量沉积。在养殖过程中氮磷主要是以有机质形式沉积，无氧条件下有机质厌氧分解不断产生氢离子和电子，致使底泥pH 值和O.R.P 再次降低，pH 值、O.R.P 与底泥营养含量呈负相关关系，而自由电子与物质结合形成还原性物质，造成底泥氧债持续推高[9，13]。饲料中钾镁量少且多为无机盐类[29‐30]，易溶于水，在残饵和粪便下沉或堆积的过程中即已溶解到水体中，在底泥中并无太多沉积，其中沉积的主要形式是速效钾，而底泥镁含量的变化则主要取决于胶粒吸附-解吸平衡。

由于有机质持续沉积和厌氧分解，养殖组底泥pH 值低于对照组，但试验期内处于宜渔区间[12]，表现出石灰性紫色土作为池塘底泥的较强缓冲能力。试验期间，养殖鱼健康无疾病，体质量增长近5 倍，月均增重率为34.8%，月均存活率95.5%，养殖效果良好，表现出石灰性紫色土池塘的宜渔性能。养殖组底泥O.R.P 表现为较强的还原性，随着硫的不断沉积可能会产生FeS和H2S[31]，使得底泥变黑、发臭。底层水氧债持续推高是池塘养殖的重大隐患，特别在春季和秋季天气骤变，上下水层对流混合，底层水上升充满整个池塘水体并迅速消耗溶氧，造成水产品中毒、缺氧死亡[32]。为避免翻塘，养殖户应时刻关注天气变化，气温骤变时需即刻开启增氧机；可套养少量底层鱼类，适当扰动使得上下水层轻微交换，减少底层氧债[33]；在精养池塘安装增氧机以提升底层水和间隙水溶氧浓度[34]，降低氧债，提高O.R.P。渔业养殖不仅使底泥pH 值和O.R.P 降低与底层氧债推升，还会造成池塘底部抬升[35]。因此，一般在休渔期翻塘、泼洒生石灰并暴晒以杀菌、改底、充分氧化底泥有机物[18]；而直接移除池塘底泥，尤其是投饲区底泥，既可降低底泥有机质等营养物质含量，形成新的底泥环境，还可保持池塘深度。有研究指出，池塘底泥富含有机质、氮、磷等营养素，是肥料和种植基质的良好原材料[36‐37]。

石灰性紫色土池塘养殖1 a 后，底泥有机质含量为12 g/kg，为较高产量池塘；按照5.1 g/（kg·a）沉积速度，3 a 后底泥有机质浓度即接近25 g/kg，池塘将变为低产量塘[12]。在实际养殖过程中，可能由于残饵、粪便、地表径流、水草藻类等沉积更多的有机质[38‐39]，尤其是投饵区域[40‐41]，故而建议石灰性紫色土池塘底泥每3 a 清理1 次。底泥碳氮比直接影响池塘鱼潜在产量，低于5 和高于15 均为低产量，在5～10 为一般产量，在10～15 则为高产量[12]。按此推算，石灰性紫色土精养池塘建成后前3 a 潜在鱼产量高，之后则变为低产量；而自然池塘由于有机质逐渐消耗，碳氮比逐渐下降，建议适当增补底泥有机质。