高位蝦池養(yǎng)殖水對溝渠土營養(yǎng)鹽的影響

唐少霞，王子愛，魏伊寧，傅雨萱，袁 瑩，鄭 苗，張 波

（海南師范大學地理與環(huán)境科學學院，海南 ?？?571158）

高位蝦池一般建于開放海區(qū)的潮間帶以上區(qū)域，通過管道抽取外海水或經(jīng)砂井過濾后的海水作為養(yǎng)殖用水，并利用地勢落差排放養(yǎng)殖廢水，每口蝦池面積為 5 336～6 670 m2，深 3～4 m，高位蝦池的內(nèi)壁常用塑料薄膜或混凝土護坡，池底鋪沙或地膜［1-2］。近年來，農(nóng)業(yè)污染對我國水土環(huán)境的影響越來越受到社會各界的關注。茅尾海養(yǎng)殖區(qū)沉積物中重金屬總含量呈遞增趨勢，潛在生態(tài)危害較大的是鎘和汞［3］；全國平均單位耕地面積的畜禽氮污染負荷達138.13 kg/hm2，其中四川等6省市已達202.98 kg/hm2以上［4］；蘇州市養(yǎng)殖老區(qū)東山鎮(zhèn)，1個養(yǎng)殖周期中，養(yǎng)殖池塘通過溝渠排入外界的 TN、TP 含量分別為 21.25、2.34 kg/hm2［5］；南方河網(wǎng)地區(qū)典型養(yǎng)殖場的魚塘及其附近河涌底泥的污染程度已相當嚴重［6］。目前國內(nèi)外對高位蝦池養(yǎng)殖的研究主要集中在水質(zhì)對養(yǎng)殖的影響［7-8］、對蝦養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對策［9］、養(yǎng)殖水體的凈化方式及技術［10-16］。高位蝦池養(yǎng)殖過程中投加的飼料磷和氮大約只有 9.1% 和17.4% 被蝦消化［17］，除投入餌料外還需換海水、噴灑抗生素及消毒劑，一般每周換水1次，平均每667 m2蝦塘換水量達 67 t。而這些養(yǎng)蝦廢水絕大部分未經(jīng)處理便采用溝渠岸邊排放方式進行排放［18］，富含殘餌、排泄物和糞便的養(yǎng)殖污水直接排海，導致近岸海洋生物種類減少，生物多樣性降低，藻類大量繁殖，近岸水域水質(zhì)惡化或富營養(yǎng)化，赤潮時有發(fā)生［19-21］。此外，養(yǎng)殖尾水也導致養(yǎng)殖區(qū)土壤污染。王凌等［22］調(diào)查認為，三亞市崖城鎮(zhèn)、東方市板橋鎮(zhèn)、文昌市鋪前鎮(zhèn)和會文鎮(zhèn)、儋州市排浦鎮(zhèn)、萬寧市龍滾鎮(zhèn)等地均因高位池養(yǎng)殖造成部分農(nóng)田鹽堿化。對于高位蝦池養(yǎng)殖廢水造成溝渠土環(huán)境的污染研究鮮見報道。本研究以?？谑袞|營鎮(zhèn)蝦塘養(yǎng)殖場為研究區(qū)，通過對養(yǎng)殖中、后期養(yǎng)殖水的分析以及對養(yǎng)殖排污溝渠中土壤沉積物的分析，旨在揭示高位蝦池養(yǎng)殖對土壤生態(tài)風險的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

?？谑袞|營鎮(zhèn)地處南渡江以東3 km處，北臨瓊州海峽，東接?？诠鹆盅箝_發(fā)區(qū)，平均海拔4 m，土地面積約459 hm2，有高位蝦塘28 hm2；屬于熱帶季風氣候區(qū)，冬季溫暖少雨，夏季高溫多雨。研究靶點（20°02′54″N，110°25′28″E）位置如圖1A所示，該區(qū)域的蝦池面積較小，一般每口蝦池面積為667～1 334 m2，蝦塘池壁均用土面或紅磚砌成，并用水泥抹面，研究區(qū)未建污水處理設施，養(yǎng)殖廢水通過管道或溝渠直接排入海域。本研究所選擇的蝦池通過溝渠排放廢水，研究點距北面海岸360 m。

1.2 樣品采集

對蝦的養(yǎng)殖周期一般為4個月左右。本研究于蝦塘養(yǎng)殖中期（2017年11月4日）及后期（2017年12月24日）17: 00對養(yǎng)殖池進行采樣，養(yǎng)殖中期水樣記為M1，養(yǎng)殖后期水樣記為M2。采樣期間天氣晴朗，采樣前1周內(nèi)未下雨，采樣點在池中央（距池邊260 m）及池四周（距池邊20 m），每次采集5個水樣，每個水樣 1 L ，將池中的5個水樣放進干凈的水桶中混和均勻，取1 L混合水樣放置冰盒中帶回實驗室，避光保存于-4℃環(huán)境中 。

2017年12月24日在蝦池排水口設采樣點1，沿著排水渠每隔100 m設1個采樣點，共設5個采樣點，依次為1、2、3、4、5，如圖1B，采樣點1～4為裸露的溝渠，采樣點5溝渠被兩側(cè)濃密的灌叢草本遮蔽，溝渠水最終流入近海。用柱狀采泥器，按每隔10 cm間距分層采集0～10 cm、11～20 cm 2層底泥樣品，每個土樣取500 g，0～10 cm的土樣記Bt，11～20 cm土樣記為St。

圖1 研究區(qū)位置（A）及采樣點（B）

1.3 樣品處理及檢測

現(xiàn)場用WYY-Ⅱ便攜式折射鹽度計檢測混合蝦池水中的鹽度；用PHB-1 型便攜式 pH 計檢測pH 值；用Thermo Orion 型號 810 便攜式溶解氧儀檢測溶解氧DO值。在實驗室用高錳酸鉀在酸性條件下氧化水中有機物以及還原性物質(zhì)來檢測CODMn含量，用優(yōu)化后的鉬酸銨分光光度法［23］測定水體中的氨氮、總磷含量。

土樣帶回實驗室當天用恒溫干燥箱在 80℃下烘干 24 h，冷卻后取出除去明顯雜物，研磨、混勻后過孔徑為74 μm的篩，用Vario TOC檢測儀測定排污溝渠土層中的TN（總氮）和TC（總碳），檢測TOC時先準確稱取過篩后土樣m13 g，加10%鹽酸浸泡去除無機碳，60℃下再烘24 h，烘干土樣稱重記m2，稱取每個烘干樣品10 mg，并將Vario TOC檢測儀檢測條件設置為：氧氣壓力為0.1 MPa、燃燒溫度950℃、流速160～180 mL/min。該檢測條件下10、20、50、100、200 mg標樣繪制標準曲線的相關系數(shù)R為0.999809。每個土樣每次測3個平行樣，沉積物中的TOC含量等于土樣沉積物中TOC的實測值乘以m2/m1。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖中、后期水質(zhì)的對比

從表1可知，蝦池養(yǎng)殖中、后期水體中的pH值、水溫、鹽度、OD值都在對蝦養(yǎng)殖的適應范圍［24］內(nèi)，養(yǎng)殖中期的DO在最佳范圍［25］內(nèi)，但養(yǎng)殖后期DO值則隨著耗氧微生物的增加而減少。養(yǎng)殖中期的氨氮和COD雖然在適應范圍內(nèi)，但養(yǎng)殖后期的氨氮和COD明顯超出養(yǎng)殖適應范圍值，養(yǎng)殖后期水體與養(yǎng)殖中期相比，氨氮含量增加了137%，COD含量增加了33%，與養(yǎng)殖適應范圍上限值相比，氨氮超標1.94倍，COD超標1.17倍，可見養(yǎng)殖后期蝦池水體中有機污染物明顯增加。與廣東汕尾市紅海灣田乾鎮(zhèn)東洲蝦塘7月份采集的中后期養(yǎng)殖水的平均值［26］對比，氨氮含量偏高，但COD含量控制較好。

表1 蝦池養(yǎng)殖中、后期養(yǎng)殖水體水質(zhì)比較

2.2 廢水溝渠土沉積物中營養(yǎng)鹽的空間賦存

2.2.1 溝渠土沉積物中碳、氮含量的空間賦存特征 營養(yǎng)鹽除了在水中遷移外，還會隨水流在土壤中富集。水體-沉積物的交互作用會使營養(yǎng)鹽在沉積物中沉積下來，沉積物中的氮主要來源于水體中有機物顆粒的沉降積累。從圖2可看出，蝦塘排水口附近采樣點1和采樣點2處溝渠土中的TC、TOC、TN均為深層土含量高于表層土，尤其是TC采樣點3和采樣點4也都是深層高于表層，采樣點5的TC、TOC、TN變?yōu)樯顚油恋陀诒韺油?，有可能與該采樣點溝渠兩側(cè)為茂密植被枯枝葉的腐殖質(zhì)有關。將溝渠中各檢測點的TC、TOC、TN數(shù)據(jù)與距蝦塘1 km上風區(qū)尚未開墾的草坪土背景值相比，TC、TOC超標6～48倍，采樣點1～3深層土中的TN及采樣點4中的TN均超標1倍（表2）。由此可見，受養(yǎng)殖廢水的影響，蝦塘排污溝中的營養(yǎng)鹽有明顯的積淀富集作用。

圖2 溝渠各采樣點中 TC、TOC、TN含量比較

表2 溝渠各采樣點沉積物的碳、氮含量

2.2.2 溝渠土沉積物營養(yǎng)鹽的生態(tài)毒性 以加拿大安大略省環(huán)境和能源部關于沉積物質(zhì)量指南為參照［27］，沉積物中能引起最低級別生態(tài)毒性效應的TN、TOC 濃度分別為 550、10 000 mg/kg，具有嚴重級別生態(tài)毒性效應的TN、TOC濃度分別為 4 800、100 000 mg/kg［28］。溝渠土壤中TN的質(zhì)量分數(shù)范圍為 475～5 520 mg/kg、TOC質(zhì)量分數(shù)范圍分別為 4 019～1 6000 mg/kg，可見溝渠土沉積物中TOC質(zhì)量分數(shù)范圍全部在安全級別，TN除了采樣點5的表土層屬嚴重級別外，其他點的質(zhì)量分數(shù)范圍也在安全級別。

有機質(zhì)含量通常也能反映沉積物的營養(yǎng)水平，是評價沉積物環(huán)境質(zhì)量的重要特征指標。采用有機指數(shù)對沉積物進行評價，有機指數(shù)＜0.05，等級為Ⅰ（清潔）；0.05≤有機指數(shù)＜0.20，等級為Ⅱ（較清潔）；0.20≤有機指數(shù)＜0.50，等級為Ⅲ（尚清潔）；0.50≤有機指數(shù)，等級為Ⅳ（有機污染）。

有機指數(shù) = 有機碳百分比×有機氮百分比［29］

有機氮百分比= 總氮百分比× 0.5

結(jié)果（表3）顯示，10個采樣點沉積物除5-Bt外有機指數(shù)總體保持在Ⅰ～Ⅱ區(qū)間，營養(yǎng)評級為清潔水平。

表3 溝渠沉積物有機指數(shù)評價結(jié)果

2.2.3 溝渠土沉積物中的C/N比 C/N比值反映土壤生物分解過程中C和N轉(zhuǎn)化作用之間的密切關系，在正常耕地中，土壤生物獲得平衡營養(yǎng)的土壤C/N比約為25。如果土壤C/N比值大于25，不僅表示土壤中N的含量不能滿足細菌的需要，而且腐敗菌類會迅速繁殖，加速土壤有機質(zhì)的分解；而當C/N比值小于25時，微生物的分解作用會較快，有利于腐殖質(zhì)形成［30］。溝渠土沉積物中的C/N比值雖然比背景土的大，但均介于2.8～16.0之間（表4），表明溝渠土沉積物中有機碳的腐殖化程度高、有機氮容易礦化，可以直接導致溝渠土沉積物中有機質(zhì)分解和礦質(zhì)氮的增加。

表4 溝渠各檢測點沉積物的C/N比值

3 結(jié)論與討論

由于高位蝦池養(yǎng)殖過程中投加的飼料磷和氮大約只有 9.1% 和 17.4% 被蝦消化［17］，在高密度養(yǎng)殖條件下，水體負荷重，容易導致養(yǎng)殖環(huán)境被破壞，水質(zhì)惡化［31］，尤其是養(yǎng)殖后期殘餌、排泄物的累積使得水質(zhì)的控制難度加大。對養(yǎng)殖中、后期水體的對比研究，結(jié)果表明高位蝦池養(yǎng)殖后期水體與養(yǎng)殖中期的相比，氨氮含量增加了137%，COD含量增加了33%，與養(yǎng)殖適應范圍上限值相比，氨氮超標1.94倍，COD超標1.17倍，可見養(yǎng)殖后期蝦池水體中有機污染物明顯增加，胡曉娟等［32］研究也認為養(yǎng)殖中后期水體氮素水平的控制尤為重要。研究區(qū)高位蝦池養(yǎng)殖后期水體與廣東汕尾市紅海灣田乾鎮(zhèn)東洲蝦塘7月份采集的中后期養(yǎng)殖水的平均值［26］對比，氨氮含量雖然偏高，但研究區(qū)養(yǎng)殖水體的COD含量控制較好。

本研究將溝渠土沉積物與背景土中所含的營養(yǎng)鹽進行對比分析，結(jié)果顯示，溝渠土沉積物中所含營養(yǎng)鹽超標6～48倍，而且C/N也比背景值的大。嚴樺等［16］對魚塘與河灘底泥的重金屬研究，也表明魚塘與河涌底泥各采樣點中的 As、Cr、Cu、Pb、Zn 等重金屬含量均明顯高于區(qū)域背景值。從排污口往溝渠下游看，各采樣點的營養(yǎng)鹽含量基本為深層含量大于表層，說明養(yǎng)殖水體中富含的營養(yǎng)鹽隨著廢水的排放在溝渠中有富集作用。王凌等［22］研究表明，海水養(yǎng)殖密集區(qū)的土壤比未養(yǎng)殖區(qū)有機碳含量增加 30%，總氮含量增加20%；陳文山等［33］研究也表明，養(yǎng)殖水體向周邊土壤滲透會導致土壤鹽堿化和污染。排污溝渠靠海邊的第5個采樣點TC、TOC、TN深層土的含量低于表層土，與溝渠兩側(cè)茂密的植被有一定關系。呂國紅等［34］研究表明，大量的植物殘骸是表層土有機碳、氮的重要來源。

白龍等［35］研究表明，自然生草（Wild grass）土壤中的 C/N在 13.56～21.39 之間，而且在自然生草土壤中，0～15 cm土層的土壤 C/N與氮素凈硝化速率呈現(xiàn)顯著負相關關系，即 C/N增加會對土壤硝化過程產(chǎn)生抑制作用；呂國紅等［34］研究表明，土壤C/N隨土壤深度的增加呈下降趨勢，C/N比還與土壤溫度、水分有一定關系。本研究期間，高位蝦池排污溝渠沉積物中的C/N均介于2.8～16.0，C/N小于25，表明溝渠沉積土中有機碳的腐殖化程度高、有機氮容易礦化，有利于溝渠土沉積物中有機質(zhì)分解形成腐殖質(zhì)。但海南島屬于季風區(qū)，暴雨季節(jié)溝渠土中的C/N變化有待進一步研究。

本研究中，溝渠土沉積物中的營養(yǎng)鹽對底棲生物可能引起的生態(tài)毒性效應為安全級別，與所研究溝渠連接的蝦池面積較小、承接的養(yǎng)殖廢水排放量較少有一定關系。羅先香等［28］采用綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)法對黃河口潮間帶表層沉積物的營養(yǎng)元素進行過研究，結(jié)果也顯示TN 和 TOC 質(zhì)量分數(shù)范圍在安全級別。