樟湖庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物氮的時空變化特征

(福建省淡水水產(chǎn)研究所，福建 福州 350002)

氮作為水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的關鍵限制性因子，被認為是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要營養(yǎng)元素[1]。在外源污染得到控制的條件下，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)在長期養(yǎng)殖過程中，大量的含氮物質(zhì)沉淀富集于沉積物中，當環(huán)境條件改變時又會重新釋放出來，增加水體含氮量，加速了養(yǎng)殖水體的富營養(yǎng)化，出現(xiàn)影響網(wǎng)箱養(yǎng)殖容量等問題[2-3]。研究網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中氮的時空分布特征，對于了解沉積物-水體氮的循環(huán)和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要意義，可為庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

樟湖庫灣位于南平市延平區(qū)樟湖鎮(zhèn)東南方向，庫灣水域面積近530 hm2，網(wǎng)箱養(yǎng)殖是樟湖庫灣最重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，主要以小型浮式框架型網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚排為主，每組魚排由12～18個規(guī)格為 6 m×10 m的養(yǎng)殖網(wǎng)箱構(gòu)成，主要養(yǎng)殖品種有草魚、翹嘴紅鲌和鳊魚等，養(yǎng)殖周期大多數(shù)為1 年，年產(chǎn)量約665 t，春季放苗，冬季收獲，網(wǎng)箱中每年放養(yǎng)魚苗的時間、數(shù)量和種類大致相同。養(yǎng)殖所用飼料主要為人工配合飼料，日投飼量約為魚體重的3%～10%。2016年網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積達21 hm2，水深約10～20 m，是典型密集網(wǎng)箱養(yǎng)殖庫灣。灣內(nèi)四季風平浪靜，水質(zhì)優(yōu)良，初級生產(chǎn)力高，適合發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖。本文于2016年 6月至2017年 5月，按月對樟湖庫灣不同網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)進行沉積物的采樣調(diào)查，分析討論了表層沉積物中氮的時空分布和變化規(guī)律，為水庫庫灣漁業(yè)養(yǎng)殖模式的優(yōu)化和推廣提供科學的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣位點及采樣方法

根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚排組數(shù)量和環(huán)境，采用 GPS 定位在樟湖庫灣養(yǎng)殖區(qū)設置5個采樣點，分別為S1、S2、S3、S4、S5，研究位點分布如圖 1。其中S1～S2為高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域，常年養(yǎng)殖魚排數(shù)達15～20組，S4～S5為低密度網(wǎng)箱區(qū)域，常年養(yǎng)殖魚排數(shù)為2～3組，S3為對照點(非養(yǎng)殖區(qū))，該位點近五年無網(wǎng)箱養(yǎng)殖。于2016年6月至2017年5月進行為期1年的沉積物定位采樣，每月用彼得森抓斗式底泥采樣器采集表層沉積物，封存于雙層密封袋內(nèi)并置于裝有冰塊的泡沫箱中。沉積物樣品送入實驗室，一部分放入冰箱(4℃)保存，用作沉積物銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定，一部分風干用于總氮及其他項目的測定；樟湖庫灣養(yǎng)殖水域區(qū)主要為丘陵和水稻田土，土壤質(zhì)地背景為粘土-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

總氮(TN)采用元素分析儀法[4-5]，精確稱取200～300 mg風干、過100目篩的沉積物樣品于坩堝，將樣品送入到元素自動分析儀(德國，elementar Vario MAX cube)測定；交換態(tài)氮(EXN)，用 2 mol/L KCl 溶液振蕩提取沉積物樣品( 液固比為 5∶1)1 h，其浸提液分別用于測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，銨態(tài)氮用靛酚藍比色法，硝態(tài)氮采用比色法[6]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析應用SPSS20.0和EXCEL2007軟件，站位圖應用suffer8.0軟件進行繪制。

2 結(jié)果

2.1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物氮的時空變化規(guī)律

樟湖庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖不同區(qū)域表層沉積物總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的不同時間動態(tài)變化特征存在明顯差異(圖2～4)。

從時間變化來看，不同養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物總氮含量以S1和S2站位相對較高，S4和S5站位相對較低(圖2)。其中S1站位表層沉積物總氮含量最高，其次是S2站位，含量分別是1 680.00～3 570.00、1 460.00～2 720.00 mg/kg，年平均值為2 435.00、2 015.00 mg/kg，分別是對照點S3站位的1.53和1.27倍。但S4和S5站位除了2017年3月表層沉積物總氮含量要明顯低于S3站位，含量分別為850.00～1 660.00、530.00～2 040.00 mg/kg，年平均值分別為1 174.17、1 125.00 mg/kg。不同養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物總氮含量在不同時間的變異系數(shù)存在一定差異性，其中以S5站位相對較大(39.32%)，其他站位點變異相對較小，S1、S2、S3、S4站位表層沉積物總氮含量變異系數(shù)分別為20.98%、22.30%、29.85%、20.59%。

不同網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物總氮含量隨時間變化的趨勢一致，但變化幅度不同(圖2)。對照點非養(yǎng)殖區(qū)的表層沉積物總氮含量從2016年6月至2017年5月呈現(xiàn)起伏性的變化趨勢，其含量以2017年4—5月最高，2016年9月最低。與非養(yǎng)殖區(qū)沉積物總氮含量的時間變化趨勢不同，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的表層沉積物總氮含量從2016年9月至2017年4月呈逐漸增加的趨勢。對所有網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)而言，表層沉積物總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)相對較高，夏季(2016年6月—8月)和秋季(2016年9月—11月)含量相對較低的特征。

沉積物中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮屬于可交換態(tài)氮，由于與沉積物結(jié)合能力較弱，是沉積物各形態(tài)氮中最“活躍”的部分，在沉積物-上覆水體氮循環(huán)中占有重要的地位。圖3和圖4結(jié)果表明樟湖庫灣不同養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的時間差異特征明顯。由于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮容易遷移和轉(zhuǎn)化，同一站位的表層沉積物中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量時間變化趨勢不同。S1站位沉積物中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的季節(jié)變化大，而其他采樣點的季節(jié)變化相對較小。其中S1站位夏季和秋季沉積物的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量明顯高于春季和冬季，以2016年8月含量最高，分別為362.46、13.70 mg/kg。S1、S2站位夏季和秋季沉積物中銨態(tài)氮高于對照點，但S2站位沉積物中硝態(tài)氮含量與對照點相比差異不明顯。而S4、S5站位沉積物中銨態(tài)氮除了2017年3月外，其他時期均明顯低于對照點；硝態(tài)氮含量與對照點非養(yǎng)殖區(qū)不存在明顯時間變化差異(圖4)。

2.2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)不同區(qū)域表層沉積物氮的變化規(guī)律

表1為樟湖庫灣養(yǎng)殖區(qū)的表層沉積物總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，在一年監(jiān)測中不同站位間的空間差異顯著性。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)S1站位表層沉積物的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著(P<0.05)高于其他站位；養(yǎng)殖區(qū)S2站位沉積物中總氮含量顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)(S3)，而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量雖高于非養(yǎng)殖區(qū)(S3)但沒有顯著性差異。S4和S5站位沉積物中總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均沒有顯著性差異，但與對照點相比，總氮和銨態(tài)氮含量明顯低于非養(yǎng)殖區(qū)(S3)，但硝態(tài)氮含量高于非養(yǎng)殖區(qū)(S3)，分析結(jié)果還表明，S4和S5站位沉積物總氮含量與非養(yǎng)殖區(qū)S3站位具有顯著性差異，但銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與非養(yǎng)殖區(qū)沒有顯著性差異?？傮w而言，沉積物總氮和銨態(tài)氮年平均含量依次為S1>S2>S3>S4>S5，硝態(tài)氮年平均含量依次為S1>S4 >S2>S5>S3。

表1 樟湖庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物氮的變化規(guī)律

注：同一行不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05，n=12。

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

2.3 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物總氮與氨氮、硝態(tài)氮的關系

表2為不同養(yǎng)殖區(qū)沉積物中不同形態(tài)氮含量一年變化之間的相關性，結(jié)果表明，受養(yǎng)殖環(huán)境及氮來源和外部水環(huán)境因子的影響，不同養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的不同形態(tài)氮之間的相關性明顯不同。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中銨態(tài)氮和總氮呈極顯著相關(P<0.01)，與硝態(tài)氮呈顯著正相關(P<0.05)，表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中銨態(tài)氮含量和轉(zhuǎn)化受總氮和硝態(tài)氮含量的影響；非養(yǎng)殖區(qū)(S3)和低密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(S4+S5)沉積物中不同形態(tài)氮與總氮含量沒有顯著相關性，表明這兩個區(qū)域沉積物中交換態(tài)氮含量不受總氮含量制約，而易受外界環(huán)境的影響；高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(S1+S2)沉積物中硝態(tài)氮和總氮具有顯著相關性(P<0.05)，與銨態(tài)氮呈極顯著相關(P<0.01)，表明該區(qū)域沉積物總氮和硝態(tài)氮的含量對銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化及其含量影響較大。結(jié)果表明，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中不同形態(tài)氮的相關性差異與網(wǎng)箱養(yǎng)殖密度和養(yǎng)殖環(huán)境有關。

表2 樟湖庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物氮的相關關系

注：* 表示顯著，P<0.05； **表示極顯著，P<0.01。

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

3 討論

3.1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物氮時間變化

本研究結(jié)果表明，樟湖庫灣不同網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中氮含量呈現(xiàn)著明顯的時間變化分布特征。與其他海灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖相似，養(yǎng)殖區(qū)沉積物中總氮和銨態(tài)氮含量變化與季節(jié)變化相關[7-8]，所有網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(S1、S2、S4、S5)沉積物中總氮含量隨著時間的延長呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(圖2)，這主要是由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種精養(yǎng)或半精養(yǎng)的養(yǎng)殖模式，在水體中除部分被轉(zhuǎn)化成為浮游生物可利用的可溶態(tài)氮外，養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生大量的殘餌、排泄物等進入水體后，最終進入沉積物中累積下來，使網(wǎng)箱區(qū)沉積物中的總氮含量隨著時間延長逐漸增加[9]。非養(yǎng)殖區(qū)對照點(S3)沉積物中總氮在冬季和春季的含量變化差異不大，其中秋季含量最低，而其他研究結(jié)果表明非養(yǎng)殖區(qū)沉積物中總氮含量秋季高于春季和夏季[7]，這可能與樟湖庫灣沉積物的組成、水體的溫度和pH、沉積物中氮負荷能力及生物活動和人為因素有關[10]。

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是沉積物中的有機氮被底棲微生物降解和化學氧化還原生成的交換態(tài)氮，它們吸附于沉積物中，但當水文條件改變時會重新釋放到水體中，對氮的遷移和轉(zhuǎn)換有重要作用。樟湖養(yǎng)殖區(qū)沉積物中銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)顯著的時間變化趨勢，而硝態(tài)氮含量除了S1站位外其他站位季節(jié)變化差異不大(圖3、4)。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的銨態(tài)氮含量夏季最高，但其他季節(jié)變化差異不大，主要由于樟湖庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖一般在春季放養(yǎng)魚苗，投餌量和魚類排泄物不多，而夏季水溫高，魚類生長代謝加快，投放餌料量相應提高，大量的殘餌和魚類的排泄物以沉降形式累積在沉積物表層，加大沉積物有機負荷，沉積環(huán)境的礦化過程和氨化作用，造成沉積物中銨態(tài)氮含量增加，這與沉積物總氮含量的季節(jié)變化趨勢一致(圖2)；而從秋季到冬季因水體溫度逐漸降低，部分網(wǎng)箱的魚類收獲，剩余的部分魚類捕食性變差和新陳代謝速度降低，投餌量和排泄量也大大減少，此外水位降低造成沉積物環(huán)境氧化條件增加，銨態(tài)氮的硝化作用使沉積物中銨態(tài)氮含量降低，這與相關研究結(jié)果一致[7，11]。

S1、S2 和S4三站點沉積物中銨態(tài)氮含量在2016年8月最高，而后有一個明顯的隨時間推移下降的趨勢，這表明可能一整年養(yǎng)殖過程中夏季的8月正是網(wǎng)箱養(yǎng)殖所能影響沉積物中銨態(tài)氮含量的月份。對照點 S3 沉積物處于自然狀態(tài)，但全年也呈現(xiàn)夏季和春季高于秋季和冬季的時間變化趨勢，這可能與外界環(huán)境如地表徑流、人類活動污水排放等引起的沉積物氨氮含量時間變化有關。除S1站點外養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)沉積物中硝態(tài)氮含量全年變化差異小，這與沉積物對硝態(tài)氮的吸附能力和沉積厭氧環(huán)境引起的反硝化作用有關[12]。

3.2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物氮空間變化

研究結(jié)果表明，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中不同形態(tài)氮的含量空間分布與沉積物沉積時間及養(yǎng)殖環(huán)境因素有關[13-14]。樟湖網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中總氮和交換態(tài)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量也因養(yǎng)殖環(huán)境條件不同而呈現(xiàn)顯著的空間變化(圖2、3、4，表1)。不同養(yǎng)殖區(qū)沉積物中總氮含量空間分布順序依次為S1>S2>S3>S4>S5，銨態(tài)氮含量的空間變化分布與總氮含量一致，而硝態(tài)氮年平均含量依次為S1>S4>S2>S5>S3，這表明氮含量的空間分布與不同站位的養(yǎng)殖環(huán)境及養(yǎng)殖網(wǎng)箱數(shù)量有關。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)總氮含量與非養(yǎng)殖區(qū)(S3)具有顯著性差異(表1)，其中高密度養(yǎng)殖區(qū)(S1、S2)沉積物中總氮含量均高于非養(yǎng)殖區(qū)，主要由于S1、S2站位網(wǎng)箱多且處于風浪較小的封閉灣內(nèi)，沉積物與水體的交換量較少，加上魚類大量的排泄物及殘餌長期累積、沉積，增加了沉積物中氮含量，成為富含氮和有機物的養(yǎng)殖污染負荷；研究表明，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)投餌料中大約有21%的氮無法被生物利用而累積于沉積物中[15]。王文強等研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖網(wǎng)箱下及養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的沉積物氮含量均高于非養(yǎng)殖區(qū)，沉積物中經(jīng)?？梢姎堭D，并且養(yǎng)殖年限越長含量越高[16]。而低密度養(yǎng)殖區(qū)(S4、S5)低于非養(yǎng)殖區(qū)，主要是因為常年網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量少，受水體干擾大，沉積環(huán)境厭氧程度較低，微生物活動強烈，沉積物中氮與水體的交換量大，有利于降低沉積物氮含量負荷。這些結(jié)果表明，高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖會顯著改變沉積物氮的運移和沉積方式以及沉積環(huán)境的溶氧狀態(tài)，增加沉積物總氮含量，而低密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖在外源污染控制下對沉積物氮負荷有緩沖作用。

沉積物氮在生物環(huán)境和非生物環(huán)境(如pH、溶解氧、氧化還原電位等)作用下發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化，在水體擾動作用下會發(fā)生再分配，向下沉積或釋放到水體中[17-18]。本研究結(jié)果表明，高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中銨態(tài)氮含量顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)和低密度養(yǎng)殖區(qū)，主要是由于高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖增加沉積物中有機負荷，微生物分解有機物過程中消耗大量氧氣，使有機質(zhì)在強還原狀態(tài)下銨化作用產(chǎn)生大量銨氮，而低密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物總氮含量負荷低，在厭氧環(huán)境下只有少量的有機物供礦化分解，因而其銨態(tài)氮含量低[9]。與非網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)相比，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)位沉積物中硝態(tài)氮含量有增加趨勢，但各站位硝態(tài)氮含量遠小于銨態(tài)氮含量，這主要是由于沉積物對硝態(tài)氮吸附能力差，導致沉積物中硝態(tài)氮易向上覆水體擴散和遷移，所以沉積物中硝態(tài)氮含量較低；此外相關性結(jié)果(表2)表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮具有顯著相關性，說明沉積物中氮在礦化過程中同時生成銨態(tài)氮和硝態(tài)氮；但硝態(tài)氮在厭氧環(huán)境和微生物作用下，易發(fā)生反硝化作用生成對生物體有毒害作用的亞硝態(tài)氮，向上覆水體遷移和擴散，這對于網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境會產(chǎn)生不利影響。因此，有關網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)影響沉積物-水體界面氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化、遷移的環(huán)境因子及其交換態(tài)氮對養(yǎng)殖環(huán)境的影響有待進一步研究。

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