蟹塘生態(tài)調(diào)控技術(shù)對(duì)“淤泥-水界面”N，P交換通量的影響

陸麗華 ，施林林 ，沈明星 ，王海候 ，周新偉 ，金梅娟 ，陸長(zhǎng)嬰

（1.蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州市吳中區(qū)金庭鎮(zhèn)農(nóng)林服務(wù)中心，江蘇 蘇州 215000）

長(zhǎng)三角地區(qū)是中國(guó)主要的河蟹養(yǎng)殖和消費(fèi)地區(qū)之一,僅陽(yáng)澄湖東岸巴城鎮(zhèn)每年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大閘蟹2 500 t，2009年全鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)25億元[1]。但河蟹養(yǎng)殖中為了肥水長(zhǎng)草必須投入大量的有機(jī)肥和化肥,加上殘留的餌料和河蟹排泄物，養(yǎng)殖塘沉積物已成為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重要的存儲(chǔ)庫(kù)。同時(shí)從環(huán)境角度而言，河蟹的養(yǎng)殖容量受到水環(huán)境及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件的約束，據(jù)羅國(guó)芝等估計(jì)東太湖的圍欄養(yǎng)殖容量?jī)H為600 kg/hm2[2]，原因在于在高溫期淤泥中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)常向水體釋放，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重影響河蟹產(chǎn)量和水體環(huán)境，如何通過(guò)生態(tài)控養(yǎng)技術(shù)調(diào)節(jié)蟹塘水質(zhì)仍是值得研究的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)“沉積物-水界面”的研究通常集中在海洋和湖泊等大水體[3-4]，對(duì)河蟹養(yǎng)殖塘等小規(guī)模水體的研究嚴(yán)重匱乏，但鑒于養(yǎng)殖塘系統(tǒng)淤泥養(yǎng)分含量遠(yuǎn)高于一般水體沉積物，研究“淤泥-水界面”養(yǎng)分的交換具有現(xiàn)實(shí)意義。

該文根據(jù)陽(yáng)澄湖地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化河蟹養(yǎng)殖常用農(nóng)藝調(diào)控措施,包括調(diào)節(jié)pH，加鈣（生石灰）和微孔增氧，利用實(shí)驗(yàn)裝置模擬并監(jiān)測(cè)了“淤泥-水界面”N和P營(yíng)養(yǎng)的動(dòng)態(tài)和交換規(guī)律，為降低富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖尾水的排放提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

淤泥采樣地點(diǎn)為蘇州市陽(yáng)澄湖鎮(zhèn)陽(yáng)澄湖產(chǎn)業(yè)園A010號(hào)塘，采樣時(shí)間為2012年2月15日（干塘期）。在養(yǎng)殖塘中采用網(wǎng)格法，挖掘0～20 cm塘底淤泥土樣約200 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室后，加入純凈水將淤泥混合均勻，保持水層深度為30 cm，自然條件下預(yù)培養(yǎng)20 d。

試驗(yàn)裝置為內(nèi)徑12 cm，高50 cm的量筒,筒內(nèi)加入20 cm深淤泥，同時(shí)加入預(yù)培養(yǎng)過(guò)程中的上覆水，水層深度為30 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 pH調(diào)控 試驗(yàn)采用HCl和NaOH調(diào)節(jié)水體pH值，分別調(diào)節(jié)上覆水 pH值為6、7和8，每個(gè)pH值梯度重復(fù)3次。

1.2.2 加鈣調(diào)控 試驗(yàn)處理通過(guò)投加CaO使水體pH值為8，對(duì)照采用NaOH調(diào)節(jié)至水體pH值為8,重復(fù)3次。

1.2.3 增氧聯(lián)合加鈣和pH調(diào)控 設(shè)置4個(gè)處理1個(gè)對(duì)照，包括：不增氧加鈣（CaOy）；不增氧不加鈣（NaOHy）；增氧加鈣（CaOz）；增氧不加鈣（NaOHz）；不增氧不加鈣不調(diào)pH（CK）。

其中增氧指利用微孔增氧泵，曝氣量采用螺旋止水夾控制，增氧后保持水體溶解氧濃度為7 mg/L左右，并保持微孔增氧頭距淤泥-水界面20 cm。加鈣指向模擬養(yǎng)殖水體中投加CaO，直至水體pH=8.5，除對(duì)照（CK）外，所有處理不加鈣處理均用NaOH調(diào)節(jié)pH至8.5。試驗(yàn)重復(fù)3次。

上述3組試驗(yàn)均在25℃環(huán)境中培養(yǎng)，光照自然,分別在 0、6、12、24、48、72、96 h,利用 50 mL 針筒取深度為15 cm水樣30 mL，定量濾紙過(guò)濾后,流動(dòng)分析儀（荷蘭SKALA）測(cè)定水體TN（總氮），TP（總磷），NO3--N（硝態(tài)氮）和NH4+-N（銨態(tài)氮）含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

每次取樣水體進(jìn)行方差分析，并用LSD法進(jìn)行多重比較,顯著水平取0.05。對(duì)“淤泥-水界面”N，P養(yǎng)分交換計(jì)算公式：

JDM=V（C（t）-D（t-1））/At[5]

式中：JDM 為“淤泥-水界面”N，P物質(zhì)測(cè)定通量（mg·m2/h）；A為量筒橫截面積（m2）；V為上覆水體積（V）；C（t）為 t時(shí)刻測(cè)定上覆水 N，P 濃度（mg/L）；D（t-1）為t-1時(shí)刻上覆水中N，P濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH調(diào)控

河蟹養(yǎng)殖過(guò)程中水體適宜pH值為7.5～8.5，過(guò)高或者過(guò)低pH值均能影響河蟹生長(zhǎng)。試驗(yàn)中分別采用NaOH和HCl調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體pH值，經(jīng)過(guò)連續(xù)4 d的靜置培養(yǎng)，水體pH逐步向pH值為7.5靠攏（圖1b）。水體pH值變化對(duì)TN含量影響明顯，0～72 h內(nèi)pH＝8處理水體TN含量顯著高于pH＝6處理，水體TN在培養(yǎng)期內(nèi)有增加趨勢(shì)，至試驗(yàn)結(jié)束，pH＝6，pH=7，pH=8 處理水體 TN 含量分別增加25%,4%和14%,表明調(diào)節(jié)水體pH能改變淤泥向水體的N釋放量（圖1a）。pH＝6處理水體TP濃度在0～72 h內(nèi)也顯著低于pH=8處理，pH＝7與pH＝8兩處理間TP差異并不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，水體TP有降低趨勢(shì)（圖 1b），試驗(yàn)期內(nèi),pH＝6，pH=7，pH=8 處理水體TP含量分別降低59%，60%和50%，表明不同pH條件下水體中P元素總向淤泥中遷移。NO3--N含量在不同pH處理間差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖1c），NH4+-N與水體TN類似，高pH處理水體NH4+-N含量顯著高于低pH處理（圖1d）。

圖1 pH調(diào)節(jié)條件下水體N、P養(yǎng)分

2.2 加鈣調(diào)控

河蟹養(yǎng)殖過(guò)程中加鈣措施具有調(diào)節(jié)水體pH值和滿足河蟹生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)鈣元素需求的雙重作用[6]，試驗(yàn)通過(guò)直接投加少量生石灰,使水體pH值穩(wěn)定在pH=8，結(jié)果表明，在試驗(yàn)周期內(nèi)，加鈣處理水體TN含量顯著低于對(duì)照（NaOH調(diào)節(jié)水體pH=8），但處理間水體NO3--N含量差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，加鈣處理NH4+-N含量均高于對(duì)照處理，其中3、48、72 h采樣數(shù)據(jù)差異具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖2a,c,d），整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，不同處理水體N養(yǎng)分無(wú)明顯的增加或者降低趨勢(shì)。加鈣處理能有效降低模擬養(yǎng)殖水體P養(yǎng)分含量，方差分析表明，在0、48、72 h采樣水體TP差異均具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖2b），且不同處理在培養(yǎng)內(nèi)水體P元素均明顯降低，至培養(yǎng)結(jié)束加鈣處理與對(duì)照水體P含量分別降低36%和50%。

2.3 增氧聯(lián)合加鈣和pH調(diào)控

圖2 加鈣調(diào)節(jié)條件下水體N、P含量

實(shí)際河蟹養(yǎng)殖過(guò)程中，多種物理及化學(xué)調(diào)控措施常常配合使用，其中微孔增氧，加鈣，調(diào)節(jié)pH值是最常見(jiàn)的養(yǎng)殖調(diào)控手段，但養(yǎng)殖者多關(guān)注于河蟹的生長(zhǎng)，而對(duì)這類措施造成的水體N，P養(yǎng)分失調(diào)關(guān)注較少。該研究中增氧措施保持水體中氧氣濃度維持在7 mg/L左右，不增氧措施水體氧氣濃度為4 mg/L左右（圖3e）。結(jié)果表明，培養(yǎng)期內(nèi)不同處理TN含量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖3a），其中增氧處理（CaOz，NaOHz）水體TN顯著高于不增氧處理（CaOy，NaOHy），在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)增氧處理水體平均TN是不增氧處理的1.68倍。同時(shí)增氧措施有助于提高水體TN含量，至試驗(yàn)結(jié)束，增氧加鈣和增氧不加鈣水體TN分別增長(zhǎng)152%和173%。

增氧措施顯著提高了水體NO3--N含量,至試驗(yàn)結(jié)束，增氧處理（CaOz，NaOHz）水體 NO3--N 含量是不增氧處理（CaOy，NaOHy）的 7.43倍（圖 3c）。

增氧措施在0～24 h內(nèi)提高了水體NH4+-N含量，但之后持續(xù)降低，整體而言，增氧不加鈣和增氧加鈣處理水體NH4+-N分別降低75%和70%（圖3d）。培養(yǎng)期內(nèi)不增氧處理NH4+-N含量持續(xù)增加，至試驗(yàn)結(jié)束，不增氧不加鈣和不增氧加鈣水體NH4+-N分別增長(zhǎng)352%和391%。

圖3 復(fù)合調(diào)控條件下水體N、P含量

水體TP含量在不同處理間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，培養(yǎng)期內(nèi)水體TP均有降低趨勢(shì)，這與僅調(diào)節(jié)pH和僅加鈣的結(jié)果相同（圖3b），在培養(yǎng)期內(nèi)，不增氧不加鈣，不增氧加鈣，增氧加鈣，增氧不加鈣和對(duì)照，水體TP含量分別降低34%，56%，21%，51%，51%。

2.4 復(fù)合調(diào)控下“淤泥-水界面”N,P交換通量

養(yǎng)殖塘“淤泥-水”界面N，P養(yǎng)分交換通量對(duì)指導(dǎo)科學(xué)養(yǎng)殖和避免水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義，該研究中所有復(fù)合調(diào)控措施均導(dǎo)致N營(yíng)養(yǎng)從淤泥向水體流動(dòng)，增氧不加鈣處理N通量顯著高于不增氧不加鈣，N 通量差異為 2.47 mg·m2/h（圖 4），增氧加鈣處理N通量也顯著高于不增氧加鈣，N通量差異為3.74 mg·m2/h，增氧措施能激發(fā)淤泥向水體的N營(yíng)養(yǎng)流動(dòng)。增氧不加鈣處理N通量顯著高于增氧加鈣處理，N通量差異為0.36 mg·m2/h，不增氧不加鈣處理N通量也顯著高于不增氧加鈣處理，N通量差異為1.64 mg·m2/h，加鈣措施降低了淤泥向水體N流動(dòng)，增氧措施對(duì)“淤泥-水界面”的N交換通量的貢獻(xiàn)高于加鈣措施（圖4）。

圖4 復(fù)合調(diào)控下N、P通量

所有處理中P營(yíng)養(yǎng)均從水體流向淤泥，不同處理間“淤泥-水界面”P交換通量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖4），且P營(yíng)養(yǎng)的交換量遠(yuǎn)低于N營(yíng)養(yǎng)，平均僅為-0.1 mg·m2/h。

3 討論

河蟹養(yǎng)殖過(guò)程中水體pH過(guò)高或者過(guò)低均容易導(dǎo)致河蟹食欲下降，生理活力減弱[3,7]，因此一般需要調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體pH值在7.5～8.5。模擬試驗(yàn)表明，pH提高模擬養(yǎng)殖水體TN和NH4+-N含量，這主要是由于高pH值促進(jìn)了淤泥中NH4+-N向水體的擴(kuò)散，因此過(guò)高pH值不利用水體NH4+-N濃度的控制。不同pH下水體中TP均有顯著降低，且pH=6和pH=7處理降低幅度高于pH=8，這可能是由于淤泥中Fe氧化物對(duì)P酸根離子的吸附作用[8]。

對(duì)蟹塘投加石灰，不僅能滿足水體消毒，降低河蟹染病風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)投加石灰對(duì)養(yǎng)殖水體N，P含量的研究較少。試驗(yàn)表明短期內(nèi)加鈣處理對(duì)水體N和P含量具有明顯削減效果，這可能是由于鈣離子增加了懸浮顆粒對(duì)其他離子的吸附，懸浮顆粒的降低會(huì)有效降低水體中N和P含量。

復(fù)合調(diào)控實(shí)驗(yàn)中，增氧措施對(duì)水體N，P含量的調(diào)控作用最為顯著，其效應(yīng)遠(yuǎn)大于加鈣措施。增氧極大增加了水體TN含量，淤泥中N向水體大量輸入，其原因是增氧過(guò)程的水體擾動(dòng)[9-10]，而水體-N含量增長(zhǎng)是水體氧濃度提高后硝化作用的產(chǎn)物[11]。同理前期-N的增長(zhǎng)也是由于增氧導(dǎo)致的擾動(dòng)，后期-N的降低則是由于N被氨氧化微生物利用。不增氧條件下水體TN，-N在培養(yǎng)期內(nèi)并無(wú)顯著變化，而N含量穩(wěn)定增加,表明在pH=8.5條件下，淤泥向水體持續(xù)釋放-N。盡管增氧或不增氧對(duì)水體TP含量影響有限，但水體P元素持續(xù)向淤泥移動(dòng)。

通過(guò)對(duì)淤泥-水體N，P交換通量的計(jì)算，充分證明在蟹塘生態(tài)調(diào)控技術(shù)中，增氧措施是提高TN交換通量的主要因素，增氧后平均提高2.47～3.74 mg·m2/h，加鈣措施對(duì)TN通量的提高作用平均僅為0.36～1.64 mg·m2/h。而P的交換通量遠(yuǎn)低于N通量,表明河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)中，“淤泥-水界面”的主要遷移元素為N，且通常都是由淤泥向水體遷移的正向流動(dòng)，而P元素通常由水體向淤泥遷移的負(fù)向流動(dòng)。