廣西巖灘水庫不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物磷分布特征分析

雷建軍　王大鵬　肖俊軍　何安尤　李育森

摘要：【目的】評價廣西巖灘水庫不同養(yǎng)殖類型區(qū)域在不同季節(jié)的沉積物磷分布特征和釋放潛力，為科學(xué)發(fā)展庫區(qū)養(yǎng)殖業(yè)提供參考依據(jù)。【方法】在廣西巖灘庫區(qū)選擇非養(yǎng)殖區(qū)（T0）、投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（T1）、生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（T2）和圍欄養(yǎng)殖區(qū)（T3）各3個站位，于2016年3月（春季）、6月（夏季）、9月（秋季）和12月（冬季）分別采集12個站位的表層沉積物，以淡水沉積物磷形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)測試法（SMT）測定各種形態(tài)磷含量?！窘Y(jié)果】不同養(yǎng)殖類型區(qū)域表層沉積物磷含量差別明顯，整體上表現(xiàn)為T1/T2>T3>T0，T1和T2的沉積物磷含量差異僅表現(xiàn)在投餌季節(jié)（夏季和秋季）。不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中的鐵鋁磷（Fe/Al-P）和鈣磷（ca-P）比例差異明顯，且二者通常呈反比關(guān)系；無機磷（IP）的比例雖然最高，但各養(yǎng)殖區(qū)域間差異不顯著（P>0.05）。T0只有Fe/Al-P比例存在明顯的季節(jié)差異，T1各形態(tài)磷比例均具有明顯的季節(jié)差異，T2的Ca-P比例無季節(jié)差異，但冬季的Fe/Al-P比例顯著高于其他季節(jié)（P<0.05），而T3只有Ca-P比例表現(xiàn)出季節(jié)差異，其他形態(tài)磷均不存在季節(jié)差異。各形態(tài)磷與總磷（TP）的相關(guān)性分析結(jié)果表明，IP與TP的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)（R²）達(dá)0.9632；而有機磷（OP）與TP的相關(guān)性最低，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為0.5785?！窘Y(jié)論】各種養(yǎng)殖類型均可提高庫區(qū)沉積物中的磷含量和釋放潛力，尤其生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖在冬季對磷的釋放潛力提升作用最明顯。在庫區(qū)開展水產(chǎn)養(yǎng)殖時即使采用生態(tài)養(yǎng)殖模式，也要注意在不同區(qū)域?qū)嵤┹嗮B(yǎng)，避免局部水域因營養(yǎng)鹽累積而造成底質(zhì)惡化。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖類型；沉積物；磷；分布特征；廣西巖灘水庫

中圖分類號：S964.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）12-2288-07

0引言

【研究意義】庫區(qū)養(yǎng)魚產(chǎn)生的殘餌、糞便及其他代謝產(chǎn)物是沉積物營養(yǎng)鹽的主要來源之一，而沉積物釋放的氮、磷是導(dǎo)致水質(zhì)富營養(yǎng)化的重要原因。磷是淡水水體富營養(yǎng)化限制性因子（張益峰等，2012），即解決水質(zhì)富營養(yǎng)化問題的關(guān)鍵在于控磷。一般認(rèn)為，水體中總磷濃度達(dá)0.02 mg/L時就可能面臨富營養(yǎng)化的威脅（申校等，2014）。因此，研究水庫不同類型養(yǎng)殖區(qū)沉積物的磷分布特征，是判斷庫區(qū)養(yǎng)殖容量及合理規(guī)劃庫區(qū)養(yǎng)魚的重要依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，有關(guān)沿海養(yǎng)殖區(qū)沉積物的研究較多。Crawford等（2003）研究了塔斯馬尼亞地區(qū)貝類海水養(yǎng)殖對表層沉積物環(huán)境的影響；江錦花等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，東海隘頑灣海域貝類、青蟹、對蝦等不同水產(chǎn)品圍塘養(yǎng)殖水體沉積物中磷的存在形態(tài)差異顯著；Giles等（2006）認(rèn)為沉積物中有機質(zhì)的積累主要取決于貝類養(yǎng)殖量；任黎華等（2015）采用同位素法分析了長牡蠣養(yǎng)殖對沉積物的貢獻(xiàn)率；王永香等（2016）研究發(fā)現(xiàn)刺參可有效減少養(yǎng)殖系統(tǒng)中顆粒物的沉積量；梁慶洋等（2017）通過分析深水網(wǎng)箱沉積物中各種重金屬的含量并評估其環(huán)境影響，認(rèn)為深水網(wǎng)箱養(yǎng)魚對周圍海域環(huán)境的影響較小。在水庫沉積物磷營養(yǎng)鹽研究方面，劉娜（2005）研究表明，正磷酸鹽是洋河水庫底泥中磷元素釋放的主體，其在夏季的釋放量明顯高于冬季；李創(chuàng)宇（2006）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，天津于橋水庫滿足氮磷釋放的條件，底泥中磷釋放是庫區(qū)水體富營養(yǎng)化加劇的主導(dǎo)因子；聶祥等（2008）研究了珠海6座典型中小型供水水庫沉積物中磷的形態(tài)分布及釋放特征，發(fā)現(xiàn)水庫沉積物中正磷（PO₄-P）的釋放速率與上覆水體總磷（TP）增加量及沉積物中有機磷（OP）含量顯著相關(guān)；金曉丹等（2015）對長江河口水庫沉積物中磷形態(tài)和釋放特性進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉積物磷釋放量主要來自鐵/錳結(jié)合態(tài)磷（NaOH-P）、鈣結(jié)合態(tài)磷（HCl-P）和OP，且NaOH-P與沉積物釋放量間存在極顯著相關(guān)性；秦麗歡等（2017）研究表明，北京密云水庫TP的空間分布隨水深而呈增加趨勢，表現(xiàn)出營養(yǎng)鹽TP隨水流方向進(jìn)行沉積的特性；周思等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，貴州構(gòu)皮灘電站庫區(qū)沉積物中磷的賦存形態(tài)以HCl一P和NaOH-P為主?！颈狙芯壳腥朦c】現(xiàn)有研究主要針對庫區(qū)磷形態(tài)分布和底質(zhì)理化環(huán)境對磷釋放的影響，而有關(guān)水庫不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中的磷分布特征鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】在廣西巖灘水庫選擇代表性站位，對不同季節(jié)的非養(yǎng)殖區(qū)（T0）、投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（T1）、生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（T2）及圍欄養(yǎng)殖區(qū)（T3）表層沉積物中各種磷形態(tài)含量進(jìn)行測定分析，評價不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中的磷分布特征和釋放潛力，為科學(xué)發(fā)展庫區(qū)養(yǎng)殖業(yè)提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

廣西巖灘水庫是紅水河上梯級開發(fā)的第5座水電站，以發(fā)電為主，兼有航運等綜合功能。其工程主體位于廣西大化縣巖灘鎮(zhèn)，淹沒區(qū)涉及廣西河池市的大化縣、巴馬縣、東蘭縣、南丹縣和天峨縣，控制流域面積106580.0 km²，渠化河段166 km，正常蓄水位223 m，壩前水深70～74 m，庫區(qū)平均水深35～40 m，水面面積107.5 km²，相應(yīng)庫容24.3億m³。庫區(qū)水面寬闊平穩(wěn)，大部分水域基本呈靜止?fàn)顟B(tài)，流速<0.01m/s。年均水溫22℃。據(jù)統(tǒng)計，從1996年開始蓄水至2014年，巖灘庫區(qū)的TP濃度由0.073 mg/L降至0.020 mg/L，但庫區(qū)生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)量也從5000 t/年下降到2500 t/年左右（王大鵬等，2016）。

1.2樣品采集與處理

在巖灘水庫主庫區(qū)設(shè)12個采樣站位，各采樣點養(yǎng)殖時間均在5年以上，站位分布及特征見圖1和表1。投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要以羅非魚為主，少量養(yǎng)殖革胡子鯰，羅非魚完全投喂人工飼料，革胡子鯰混合投喂人工飼料和瓜菜類以節(jié)約養(yǎng)殖成本，無病害情況下年均產(chǎn)量約50.0 kg/m²；生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖一般使用簡易的竹木框架網(wǎng)箱養(yǎng)殖鰱魚和鳙魚，年均產(chǎn)量約25.0kg/m²；圍欄養(yǎng)殖的品種主要是鰱魚和鳙魚，套養(yǎng)部分青魚和草魚，年均產(chǎn)量約0.1kg/m²。本研究于2016年3月（春季）、6月（夏季）、9月（秋季）和12月（冬季）分別從懸掛于各采樣站位水底層的自制沉積物收集裝置中采集表層沉積物樣品，沉積物收集裝置用直徑20 cm的PVC管制成，截成80 cm高的圓筒，封好底層，在圓筒內(nèi)壁固定有刻度的鐵絲，用于測量沉積深度。表層沉積物樣品去除底棲動物和沙石后，裝入自封袋密封保存，帶回實驗室冷凍干燥后研磨，過200目篩后密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3沉積物磷含量測定

沉積物各形態(tài)磷含量采用淡水沉積物磷形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)測試法（sMT）進(jìn)行測定（Ruban et al.，2001），包括鐵鋁磷（Fe/A1-P）、鈣磷（Ca-P）、無機磷（IP）、OP和TP。每個樣品重復(fù)3次，取其平均值進(jìn)行分析。

1.4統(tǒng)計分析

使用SPSS 16.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）和Dunsons多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中的磷含量差異

從表2可看出，不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物TP含量差異明顯，投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（T1）和生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)（T2）在各季節(jié)均顯著高于圍欄養(yǎng)殖區(qū)（T3）（P<0.05，下同），而T3又顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)（T0）。夏、秋季節(jié)魚類體重快速增長，養(yǎng)殖投餌量相對較多，因此T1的沉積物TP含量顯著高于T2，但在春季和冬季差異不顯著（P>0.05，下同）。Fe/Al-P的變化規(guī)律與TP相似，且T3的Fe/A1-P含量在夏季和冬季顯著高于T0，但在春季和秋季二者差異不顯著。T0的Ca-P含量最低，在各季節(jié)均顯著低于其他3類養(yǎng)殖區(qū)域（T1、T2和T3）；夏、秋季節(jié)T1的Ca-P含量顯著高于其他養(yǎng)殖區(qū)域，而在春、冬季節(jié)這3種養(yǎng)殖區(qū)域的Ca-P含量差異不顯著。IP和OP的沉積表現(xiàn)與TP基本一致，但T3與T0的OP含量在各季節(jié)均無顯著差異。總之，不同養(yǎng)殖類型區(qū)域表層沉積物磷含量差異明顯，整體上表現(xiàn)為T1/T2>T3>T0，T1和T2的沉積物磷含量差異僅表現(xiàn)在投餌季節(jié)。

2.2不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中各形態(tài)磷的比例差異

由表3可看出，不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中均以IP占TP的比例最高，其次為Fe/Al-P和Ca-P，且多數(shù)情況下Fe/Al-P的比例高于Ca-P，OP的比例最低。在春季，各養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中4種形態(tài)磷占TP的比例差異均不顯著；在夏季和秋季，T1和T2的Fe/Al-P比例顯著高于其他養(yǎng)殖類型區(qū)域，而Ca-P的比例恰好相反，IP比例則是T3顯著高于T0；冬季各養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中的Fe/Al-P比例存在顯著差異，表現(xiàn)為T2>T1>T3>T0，Ca-P的比例則以T0最高，顯著高于各養(yǎng)殖區(qū)域。整體來看，不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中的Fe/Al-P和Ca-P比例差異明顯，且二者通常呈反比關(guān)系；IP的比例雖然最高，但各養(yǎng)殖區(qū)域間差異不顯著。

2.3不同養(yǎng)殖類型區(qū)域沉積物中各形態(tài)磷比例的季節(jié)差異

由圖2可看出，T0只有Fe/Al-P比例存在明顯的季節(jié)差異，表現(xiàn)為春季的比例顯著高于其他季節(jié)，冬季的比例則顯著低于其他季節(jié)；其他3種形態(tài)磷的季節(jié)差異均不顯著。T1各形態(tài)磷比例均具有明顯的季節(jié)差異，其中Fe/Al-P比例在夏季顯著高于其他季節(jié)，冬季的Ca-P比例顯著低于其他季節(jié)，秋季和冬季的TP比例顯著高于夏季，而夏季的OP比例顯著高于秋季和冬季。T2的Ca-P比例也不存在季節(jié)差異，但冬季的Fe/Al-P比例顯著高于其他季節(jié)，冬季的TP比例顯著高于春季和夏季，冬季的OP比例顯著低于春季和夏季。T3只有Ca-P比例表現(xiàn)出季節(jié)差異，其他形態(tài)磷均不存在季節(jié)差異。

2.4各形態(tài)磷與TP的相關(guān)性

圖3反映出各形態(tài)磷與TP間的相關(guān)性。其中，IP與TP的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)（R²）達(dá)0.9632；其次是Fe/Al-P，其與TP的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9475；OP與TP的相關(guān)性最低，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為0.5785。

3討論

3.1養(yǎng)殖類型對沉積物磷含量的影響

水庫沉積物營養(yǎng)鹽負(fù)荷主要來源于上覆水體營養(yǎng)鹽的沉降積累，包括上游水源帶來的各種難溶性物質(zhì)、水庫內(nèi)各種生物殘體及由地表徑流帶人的泥沙和表土等。江錦花等（2004）通過圍塘養(yǎng)殖研究發(fā)現(xiàn)，多余的餌料及大量的代謝產(chǎn)物會造成沉積物中磷含量明顯上升。廣西巖灘庫區(qū)的生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖品種和圍欄養(yǎng)殖品種均以鰱魚、鳙魚為主，由于魚體內(nèi)氮、磷含量較高及對氮、磷元素的周轉(zhuǎn)時間較長（Sereda et al.，2008），因此生態(tài)養(yǎng)殖魚類可有效將水體中的氮、磷營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化為魚體蛋白并通過水產(chǎn)品捕撈將其移除。但有關(guān)貝類養(yǎng)殖沉積作用的研究結(jié)果表明，濾食性生物的生物沉積作用可使沉積物結(jié)構(gòu)變得更細(xì)，更有利于養(yǎng)殖區(qū)域顆粒物質(zhì)的加速沉積（Hatcher et al.，1994）。本研究結(jié)果表明，鰱魚、鳙魚的生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式和生態(tài)圍欄養(yǎng)殖模式均可造成養(yǎng)殖區(qū)域沉積物磷含量上升。可見，對于庫區(qū)整體而言，開展濾食性魚類生態(tài)養(yǎng)殖可減少水體中的磷，但在養(yǎng)殖區(qū)域局部仍存在磷富集效應(yīng)。這就要求即使采用生態(tài)養(yǎng)殖模式，也要注意在庫區(qū)的不同區(qū)域?qū)嵤┹嗮B(yǎng)，避免局部水域因營養(yǎng)鹽累積而造成底質(zhì)惡化。

3.2養(yǎng)殖類型對沉積物磷形態(tài)的影響

廣西巖灘水庫各養(yǎng)殖類型區(qū)域的表層沉積物均以IP為主，且IP含量遠(yuǎn)高于OP，占TP的64.90%～83.17%，與翁圓等（2014）對同為亞熱帶深水型的福建山仔水庫表層沉積物的研究結(jié)果相似，即IP占TP的58.00%～88.00%。在沉積物IP的主要賦存形態(tài)中，F(xiàn)e/Al-P最不穩(wěn)定，易被解析，當(dāng)環(huán)境中氧化還原電位降低時，F(xiàn)e³⁺被還原為Fe²⁺并溶解，促使Fe/Al-P釋放。此外，F(xiàn)e-P是藻類可充分利用的形態(tài)磷（王佩等，2012），其釋放有利于藻類大量繁殖生長。Ca-P是沉積物磷賦存形態(tài)中相對較穩(wěn)定的組分，只有在弱酸條件下才會有少量釋放，生物較難利用，通常被視為永久性磷匯。OP存在于各種動植物殘體和腐殖質(zhì)中，不易被藻類等水生植物吸收，需在微生物礦化作用下轉(zhuǎn)化成IP。Rydin（2000）研究表明，50%～60%的OP可在微生物作用下轉(zhuǎn)化為生物可利用磷并釋放到水體中，使水體營養(yǎng)水平增加。在各種形態(tài)磷中，以Fe/Al-P的活性較強。本研究發(fā)現(xiàn)，除春季外，各養(yǎng)殖類型區(qū)域的Fe/Al-P比例均顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)，表明投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖和生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底部沉積物的磷釋放潛能較高。

3.3各養(yǎng)殖類型不同季節(jié)的磷釋放潛力

廣西巖灘庫區(qū)地處亞熱帶地區(qū)，春、夏和秋季水溫較高，光照較強，微生物活性較強，有機質(zhì)礦化加劇，促使磷釋放，因水溫分層明顯，故沉積物釋放的溶解磷主要滯留在上覆水層；而冬季溫度降低，有機物分解，沉積物磷釋放作用減弱，尤其在非養(yǎng)殖區(qū)的表現(xiàn)更明顯。本研究結(jié)果表明，在投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域4種形態(tài)磷均存在季節(jié)差異，生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域除Ca-P外也都存在季節(jié)差異，說明不同季節(jié)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域沉積物磷對水體的貢獻(xiàn)率也不同，夏季以投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域沉積物Fe/Al-P比例最高，磷釋放潛力最大；冬季則以生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域沉積物Fe/Al-P比例最高，磷釋放潛力最大；圍欄養(yǎng)殖區(qū)域各季節(jié)的Fe/Al-P比例差異不顯著。綜合對比發(fā)現(xiàn)，生態(tài)養(yǎng)殖能有效提高冬季的磷釋放潛力，且養(yǎng)殖密度越高，對磷釋放潛力的提升越明顯。這可能是冬季水溫分層受阻，上下水層混合，沉積物釋放的溶解磷被帶到上層，為浮游植物生長提供豐富的營養(yǎng)鹽，且上層鰱魚、鳙魚的攝食加速浮游植物更新，從而促進(jìn)營養(yǎng)鹽從底層被釋放，形成泵吸作用，但具體原因還需進(jìn)一步探究證實。

4結(jié)論

各種養(yǎng)殖類型均可提高庫區(qū)沉積物中的磷含量和釋放潛力，尤其生態(tài)網(wǎng)箱養(yǎng)殖在冬季對磷的釋放潛力提升作用最明顯。在庫區(qū)開展水產(chǎn)養(yǎng)殖時即使采用生態(tài)養(yǎng)殖模式，也要注意在不同區(qū)域?qū)嵤┹嗮B(yǎng)，避免局部水域因營養(yǎng)鹽累積而造成底質(zhì)惡化。