不同增氧方式對鹽堿養(yǎng)殖池塘pH的影響

高延亮，周 凱，韋 艷，么宗利，祭仲石，孫 真，高鵬程，來琦芳

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院鹽堿水域漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 200090；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306；3.光明漁業(yè)有限公司，江蘇大豐 224153）

我國擁有約3.067×107hm2的鹽堿水資源，但大部分仍處于荒蕪狀態(tài)［1］，進(jìn)行鹽堿地水產(chǎn)養(yǎng)殖是充分利用鹽堿水資源的有效措施之一。鹽堿水具有高堿度和高pH值等特點(diǎn)［2］，其中高pH值是制約鹽堿池塘養(yǎng)殖發(fā)展的重要因素，pH值過高會使魚蝦等養(yǎng)殖生物體內(nèi)離子比例失去平衡［3］，嚴(yán)重影響其攝食、生長［4-5］以及生理代謝［6-7］。同時(shí)，pH還常與碳酸鹽堿度、氨等環(huán)境因素共同作用，間接影響?zhàn)B殖生物［8］。因此，調(diào)控水體pH是鹽堿池塘養(yǎng)殖十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

維持鹽堿池塘水體pH值主要有生物因素和化學(xué)因素。生物因素主要與藻類的光合作用和呼吸作用以及養(yǎng)殖動物、浮游動物和微生物等息息相關(guān)［9］，王志紅等［10］和 HUANG等［11］發(fā)現(xiàn)在藻類生長期內(nèi)微藻對水體pH值變化具有一定的影響，藻類光合作用吸收水體中的CO2，使水體中CO2以及HCO-3大量減少，導(dǎo)致水體pH上升；蘇發(fā)文等［12］研究也發(fā)現(xiàn)處于對數(shù)生長期的小球藻（Chlorella pyrenoidosa）和銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）均能使水體pH值上升；化學(xué)因素主要與水體的碳酸鹽平衡系統(tǒng)（CO2+H2O?H2CO3?H++HCO-3?2H++CO2-3）相關(guān)，CO2濃度是影響該平衡體系的關(guān)鍵因素；因此有效控制池塘水體中CO2濃度是調(diào)控pH的有效途徑之一。增氧機(jī)可以增加水-氣接觸面積，不僅可以提高水體DO濃度，同時(shí)也可以提高水體中CO2的濃度，合理配置增氧設(shè)施，比較不同增氧方式下養(yǎng)殖池塘的pH、DO、CO2以及葉綠素a濃度變化及其相互關(guān)系，對鹽堿池塘pH的調(diào)控具有積極意義。

本文在室內(nèi)驗(yàn)證通氣量和葉綠素a濃度對水體pH影響基礎(chǔ)上，以異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）鹽堿養(yǎng)殖池塘水體為主要研究對象，以傳統(tǒng)葉輪單一增氧（以下簡稱單一增氧）池塘為對照塘，以葉輪+底增的復(fù)合增氧（以下簡稱復(fù)合增氧）池塘為試驗(yàn)塘，定期定位監(jiān)測pH、DO和葉綠素a濃度變化情況，比較分析不同天氣條件和養(yǎng)殖過程中復(fù)合增氧對鹽堿養(yǎng)殖池塘水體pH的調(diào)控效果，以期為池塘養(yǎng)殖水環(huán)境調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 不同通氣量和葉綠素a濃度對水體pH的影響

按照每畝池塘配置0.25 kW增氧機(jī)推算，通氣量約為 1.2 L·min-1，故試驗(yàn)設(shè)置 0、0.6、1.2、2.4 L·min-1通氣量梯度，用氣體流量計(jì)（LZB-10）進(jìn)行調(diào)控；根據(jù)養(yǎng)殖中期池塘葉綠素a濃度通常在200μg·L-1左右，設(shè)置葉綠素a濃度梯度為100、200、300μg·L-1；試驗(yàn)在錐形瓶中進(jìn)行，試驗(yàn)水體為5 L，參照蘇發(fā)文等［10］設(shè)置試驗(yàn)溫度為25℃、光照強(qiáng)度為2 000 lx，在已消毒的水體中接種一定量小球藻，以0 L·min-1組作為對照組，用PHB-4型便攜式pH計(jì)（雷磁，上海）每4 h測一次，監(jiān)測周期為24 h。

水環(huán)境pH變化值ΔpH采用如下方法計(jì)算：

式中，pH1和pH2分別表示規(guī)定時(shí)間內(nèi)的起始值和終點(diǎn)值。

1.2 不同天氣條件下復(fù)合增氧對鹽堿池塘水質(zhì)的影響

1.2.1 苗種放養(yǎng)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于光明食品集團(tuán)上海市海豐水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖場，選取異育銀鯽鹽堿水養(yǎng)殖池塘，復(fù)合增氧試驗(yàn)塘4×104m2，養(yǎng)殖生物放養(yǎng)量平均為282.00 g·m-2，其中異育銀鯽 270.00 g·m-2、鳙（Aristichthys nobilis）6.75 g·m-2、白鰱（Hypophthalmichthysmolitrix）5.25 g·m-2，放養(yǎng)規(guī)格為體質(zhì)量100 g；單一增氧池塘3.667×104m2，養(yǎng)殖生物放養(yǎng)量平均為275.85 g·m-2，其中異育銀鯽 262.50 g·m-2、鳙 1.50 g·m-2、白鰱5.85 g·m-2，放養(yǎng)規(guī)格同試驗(yàn)塘。

1.2.2 增氧機(jī)配置

增氧機(jī)每畝平均功率均為0.25 kW，試驗(yàn)塘包括7.5 kW底部增氧設(shè)備1臺，3.5 kW葉輪式增氧機(jī)2臺；對照塘3.5 kW葉輪式增氧機(jī)4臺。每天開機(jī)時(shí)間為 10∶00—14∶00、22∶00—次日2∶00、4∶00—6∶00，平常開機(jī)時(shí)長10 h，高溫、陰雨天氣延長開機(jī)時(shí)間2 h，養(yǎng)殖中后期視具體情況確定開機(jī)時(shí)長。

1.2.3 監(jiān)測方法

選取晴天常溫［水溫為（28±1）℃］、晴天高溫［水溫為（33±1）℃］、陰天［水溫為（28±1）℃］和雨天［水溫為（28±1）℃］4種天氣條件，采用對角線法分別選取5個點(diǎn)，用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（YSI ProPlus）測量表層（離水面10 cm）和底層（離池底10 cm）溶解氧，每2 h測一次，監(jiān)測周期為24 h。

池塘水體pH值用PHB-4型便攜式pH計(jì)（雷磁，上海）每4 h測一次，監(jiān)測周期為24 h。

水體CO2濃度按照H+濃度以及H2CO3電離來推算，計(jì)算公式如下：

式中，KH為溶解系數(shù)10-1.47，PCO2為二氧化碳分壓，CH+為水體中 H+濃度，Ka，1為 H2CO3一級電離系數(shù) 10-6.5，Ka，2為 H2CO3的二級電離系數(shù)10-10.3。

1.3 整個養(yǎng)殖過程復(fù)合增氧對鹽堿池塘水質(zhì)的影響

1.3.1 基本情況

試驗(yàn)所用池塘同1.2，監(jiān)測周期60 d，試驗(yàn)期間試驗(yàn)塘和對照塘確保增氧機(jī)開機(jī)時(shí)間相同。

1.3.2 測定方法

水體DO和CO2濃度測定方法同1.2.3。

pH和葉綠素a濃度測定：采集試驗(yàn)塘和對照塘出水口、池中間和進(jìn)水口表層（水面下10 cm）、底層（池底上10 cm）水樣，混勻，分別用PHB-4型便攜式pH計(jì)（雷磁，上海）和便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（YSIProPlus）測量，每15 d測一次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)分析。不同通氣量和葉綠素a濃度共同作用下水體pH值變化進(jìn)行雙因素方差分析，葉綠素a濃度與pH值進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析，其他試驗(yàn)結(jié)果用單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢測，若方差分析差異顯著，則用Duncan法進(jìn)行多重比較，所有檢驗(yàn)的顯著水平為0.05，極顯著水平為0.01。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（Means±SE）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同通氣量和葉綠素a濃度對水體pH的影響

由表1可見，通氣量和葉綠素a均對水體pH值有顯著影響（P＜0.05）。通氣能使水體pH值顯著下降（P＜0.05），且 pH下降值（ΔpH）與通氣量成正相關(guān)，即隨通氣量的增大而增大；pH值還受水體葉綠素a濃度的影響，隨著葉綠素a濃度上升，水體ΔpH變小（P＜0.05）。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，通氣量為2.4 L·min-1，葉綠素a濃度為100μg·L-1時(shí)，ΔpH達(dá)到最大，約為 0.54±0.08；通過雙因素方差分析，通氣量、葉綠素a濃度對ΔpH存在顯著的交互作用（P＜0.05），通氣量對pH的影響強(qiáng)于葉綠素a濃度，兩者表現(xiàn)出一定的拮抗作用。

2.2 不同天氣條件下復(fù)合增氧對鹽堿池塘pH的影響

2.2.1 復(fù)合增氧對鹽堿池塘pH的影響

與對照塘相比，復(fù)合增氧對池塘pH值存在顯著影響（P＜0.05），但在不同天氣條件下影響情況各不相同：如圖1所示，在晴天條件下開機(jī)時(shí)試驗(yàn)塘pH值明顯下降，且顯著低于對照塘（P＜0.05），不開機(jī)時(shí)間段內(nèi)兩者差異不顯著；在陰天和雨天條件下，試驗(yàn)塘pH值均顯著低于對照塘（P＜0.05）。

2.2.2 復(fù)合增氧對鹽堿池塘CO2濃度的影響

對于水體中的CO2濃度來說，試驗(yàn)塘CO2濃度顯著增加（P＜0.05）。晴天常溫和晴天高溫時(shí)，試驗(yàn)塘CO2濃度在增氧機(jī)開機(jī)時(shí)間內(nèi)顯著高于對照塘（P＜0.05）；陰天和雨天時(shí)試驗(yàn)塘CO2濃度每個監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)均顯著高于對照塘（P＜0.05）（圖2）。

表1 不同通氣量和葉綠素a濃度下水體pH變化Tab.1 Changes of pH at different ventilation conditions and Chlorophyll-a concentrations

圖1 不同天氣條件下水體pH變化Fig.1 Changes of pH in different weathers

圖2 不同天氣條件下水體CO2變化Fig.2 Changes of CO2 concentrations in different weathers

2.2.3 復(fù)合增氧對鹽堿池塘DO的影響

由圖3可以看出，晴天常溫時(shí)，試驗(yàn)塘表、底層DO均高于對照塘，試驗(yàn)塘和對照塘的表層ΔDO在12∶00達(dá)到最大值為0.81 mg·L-1，底層ΔDO在0∶00達(dá)到最大值 1.43 mg·L-1；晴天高溫時(shí)，ΔDO在10∶00達(dá)到最大值，表、底層 ΔDO分別增加 3.01 mg·L-1和 1.81 mg·L-1；雨天時(shí)，試驗(yàn)塘每個監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)DO均顯著升高，在6∶00表、底層 ΔDO達(dá)到最大值1.34 mg·L-1和1.28 mg·L-1；陰天開機(jī)時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)塘顯著高于對照塘（P＜0.05），其他時(shí)間段差異不顯著，其中在14∶00和4∶00試驗(yàn)塘和對照塘表層和底層ΔDO均達(dá)到最大值，分別為0.80 mg·L-1和0.54mg·L-1。

圖3 不同天氣條件下水體DO變化Fig.3 Changes of DO in different weathers

2.3 整個養(yǎng)殖過程復(fù)合增氧對鹽堿池塘水質(zhì)的影響

2.3.1 復(fù)合增氧對鹽堿池塘pH的影響

養(yǎng)殖期池塘水體pH變化如圖4所示，復(fù)合增氧對池塘pH值存在顯著影響（P＜0.05），盡管試驗(yàn)塘在監(jiān)測初期pH高于對照塘，但在45 d監(jiān)測時(shí)pH已低于對照塘，這表明復(fù)合增氧可以有效降低pH值。與單一增氧相比，復(fù)合增氧方式下水體pH值下降幅度較大，在前30 d中，試驗(yàn)塘pH值顯著高于對照塘（P＜0.05），并在15 d達(dá)到最大值9.09，45 d后試驗(yàn)塘pH顯著低于對照塘（P＜0.05），其中在第45天達(dá)到最低值8.10，同時(shí)試驗(yàn)塘pH降低值ΔpH達(dá)到最大值0.89，而對照塘降低值僅為0.64。此外，復(fù)合增氧方式下水體pH值30 d后相對趨于穩(wěn)定。

圖4 兩種增氧方式下鹽堿池塘養(yǎng)殖期水體pH變化Fig.4 Changes of pH during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

2.3.2 復(fù)合增氧對鹽堿池塘CO2的影響

養(yǎng)殖期池塘水體CO2濃度變化如表2所示，兩種增氧方式對池塘CO2濃度變化存在顯著差異（P＜0.05）。試驗(yàn)塘CO2濃度30 d后趨于穩(wěn)定，維持在10.00 mg·L-1以上，并于45 d達(dá)到最大值，為（13.70±0.45）mg·L-1。

2.3.3 復(fù)合增氧對鹽堿池塘DO影響

如圖5所示，試驗(yàn)塘DO顯著高于對照塘（P＜0.05），且試驗(yàn)塘表、底層DO變化幅度較小，較穩(wěn)定。試驗(yàn)塘上午表層與底層溶解氧差為0.36mg·L-1、下午表層與底層溶解氧差為0.99 mg·L-1，低于對照塘的 0.50 mg·L-1和 1.20 mg·L-1。

表2 兩種增氧方式下鹽堿池塘養(yǎng)殖期水體CO2變化Tab.2 Changes of CO2 during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

2.3.4 復(fù)合增氧對鹽堿池塘葉綠素a的影響

養(yǎng)殖期池塘水體葉綠素a濃度變化量如圖6所示，試驗(yàn)塘和對照塘葉綠素a濃度變化量在15、30、45、60 d均無顯著性差異（P＞0.05），復(fù)合增氧試驗(yàn)塘在15 d之后趨于穩(wěn)定，而傳統(tǒng)增氧對照塘仍存在一定的波動。對葉綠素a濃度和pH進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析（表3）發(fā)現(xiàn)，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，試驗(yàn)塘和對照塘水體pH和葉綠素a濃度均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.913和0.738。

3 討論

3.1 不同通氣量對水體pH的影響

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，通氣可以降低試驗(yàn)水體pH值，且pH變化值ΔpH隨著通氣量的增大而增大，主要是通氣增加了水-氣交換面積，空氣中CO2在水體中的溶入量增加，碳酸鹽平衡系統(tǒng)（CO2+H2O?H2CO3?H++HCO-3?2H++CO2-3）向右移動，促使水體中H+濃度升高，pH值下降。本試驗(yàn)范圍內(nèi)通氣量為2.4 L·min-1時(shí)，水體CO2濃度可達(dá)18 mg·L-1，pH下降0.54，因此通氣可以有效降低水體pH值。GOMES等［13］、TSUJI等［14］、DONEY 等［15］和 MILLERO等［16］也發(fā)現(xiàn)當(dāng)水體 CO2濃度達(dá)到10 mg·L-1時(shí)，會使pH下降0.4左右［17］。本研究還發(fā)現(xiàn)，同一通氣條件下，水體葉綠素a濃度增加時(shí)ΔpH逐漸變小，這說明通氣量和葉綠素a濃度對于pH的影響具有拮抗作用，但關(guān)于養(yǎng)殖水體中通氣量和葉綠素a濃度對于pH的相互作用還有待今后進(jìn)一步研究。

圖5 兩種增氧方式下鹽堿池塘養(yǎng)殖期水體DO變化Fig.5 Change of DO during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

圖6 兩種增氧方式下鹽堿池塘養(yǎng)殖期水體葉綠素a濃度變化Fig.6 Changes of Chlorophyll-a concentration during the saline-alkaline ponds farm ing by two ways of aeration

3.2 復(fù)合增氧方式對鹽堿池塘水體pH的影響

通過試驗(yàn)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，不論是不同天氣條件還是在養(yǎng)殖過程中，復(fù)合增氧對降低池塘水體pH值效果明顯好于單一葉輪增氧，這主要與增加了水-氣接觸面積、增大了O2和CO2溶入量密切相關(guān)。CO2濃度是影響鹽堿養(yǎng)殖池塘碳酸鹽緩沖體系的主要因子［18-19］，CO2分子在水體中的擴(kuò)散速度很慢，但可以被藻類光合作用快速利用，導(dǎo)致HCO-3分解產(chǎn)生OH-，從而促使水體pH值上升。而復(fù)合增氧方式下水體CO2濃度較高，故對降低水體pH值有一定的作用。晴天時(shí)光合作用比較強(qiáng)烈，不斷地消耗CO2［20］，水體 pH值上升，因此在光合作用較強(qiáng)的天氣條件下，適當(dāng)延長增氧機(jī)開機(jī)時(shí)間，增加CO2濃度，有利于降低或穩(wěn)定水體pH值，而在陰雨天時(shí)復(fù)合增氧不僅增加了DO，還可以穩(wěn)定水體CO2濃度，使水體pH值相對穩(wěn)定。因此復(fù)合增氧是調(diào)控水質(zhì)的有效途徑之一。

表3 試驗(yàn)塘和對照塘pH與葉綠素a濃度相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of pH and Chlorophyll-a concentration in the test and control ponds

有研究認(rèn)為，非養(yǎng)殖水體葉綠素a平均濃度超過10μg·L-1時(shí)，葉綠素a與pH呈現(xiàn)顯著正相關(guān)［21］。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，pH與葉綠素a濃度之間也存在顯著正相關(guān)，相對而言復(fù)合增氧方式下池塘葉綠素a濃度變化較小，pH趨于穩(wěn)定，說明復(fù)合增氧方式能夠更好地維持養(yǎng)殖池塘初級生產(chǎn)力，也有助于調(diào)控水體pH值。

綜上所述，通氣可以降低水體pH值，因此在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，適當(dāng)?shù)卦黾油饬繉τ陴B(yǎng)殖水體pH調(diào)控具有積極作用；增氧可以有效降低鹽堿池塘pH，在同等功率下復(fù)合增氧對池塘水體pH、DO、CO2濃度以及葉綠素a的調(diào)控效率更高。