仿刺參夏眠前后池塘沉積物—水界面氮、磷通量研究

王 擺，高 杉，周遵春

(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學(xué)重點實驗室，遼寧 大連 116023)

仿刺參(Apostichopusjaponicus)作為重要的底棲生物類群和水產(chǎn)增養(yǎng)殖品種，養(yǎng)殖池塘的底質(zhì)和水質(zhì)環(huán)境在其生長和病害防控等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-3]。在池塘仿刺參進入夏眠前后，夏季高溫期也是其養(yǎng)殖的關(guān)鍵時期和病害的高發(fā)期[4]。袁秀堂等[5]研究發(fā)現(xiàn)，仿刺參在夏眠的臨界溫度下，其呼吸和排泄耗能占攝食能的比例逐漸增大，生長耗能出現(xiàn)負值，表現(xiàn)出負生長；在夏眠期間為了維持其基本生理活動，不得不動用體內(nèi)貯存的能量用于呼吸和排泄耗能。有研究報道，仿刺參在進入夏眠過程中出現(xiàn)免疫應(yīng)激反應(yīng)，隨著水溫升高其免疫防御能力被抑制[6-8]；甚至，夏季仿刺參的大面積死亡有常態(tài)化的趨勢[4]。因此，在仿刺參池塘養(yǎng)殖過程中夏眠前后，尤其在夏眠期間，池塘底質(zhì)和水質(zhì)環(huán)境變化研究顯得尤為重要。

沉積物作為水生生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素重要的源匯，營養(yǎng)鹽在沉積物—水界面的遷移轉(zhuǎn)化行為直接影響底質(zhì)和水質(zhì)環(huán)境的變化，其中，營養(yǎng)鹽通量變化影響著池塘水質(zhì)環(huán)境、氮磷收支和生源要素的循環(huán)[9-11]。鄭忠明等[12]研究了仿刺參不同養(yǎng)殖模式下圍隔內(nèi)沉積物—水界面的營養(yǎng)鹽通量，考察了養(yǎng)殖密度和投餌對沉積物—水界面營養(yǎng)鹽通量的影響。而有關(guān)仿刺參夏眠前后池塘沉積物—水界面的營養(yǎng)鹽通量研究尚未見報道。筆者采用沉積物—水界面原位采樣和實驗室培養(yǎng)方法，采集仿刺參夏眠前后池塘的沉積物—水界面樣品，檢測沉積物上覆水培養(yǎng)前后硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮和可溶性無機磷酸鹽的含量，計算沉積物—水界面的氮、磷通量變化，分析仿刺參夏眠前后營養(yǎng)鹽在池塘沉積物—水界面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為仿刺參池塘的底質(zhì)、水質(zhì)環(huán)境調(diào)控及其生態(tài)健康養(yǎng)殖提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 池塘概況

仿刺參池塘位于營口濱海區(qū)潮上帶，池塘面積4.0 hm2，平均水深1.5～1.7 m，養(yǎng)殖期間不投餌，每月自然納潮換水1～2次。池塘的仿刺參采取輪捕輪放的投苗養(yǎng)殖方式，秋季投放平均體質(zhì)量4.0～5.0 g的苗種，投放密度為4.5×104～7.5×104頭/hm2，采捕規(guī)格100 g/頭以上的成參，年采捕量為800～1000 kg/hm2。池塘底部放置以石塊為材料的參礁，池塘無充氧設(shè)備。

1.2 樣品采集與營養(yǎng)鹽檢測

采樣時間為2014年6月2日、7月9日、8月13日、9月19日、10月15日，在仿刺參單養(yǎng)池塘隨機布設(shè)5個采樣點，每個采樣點用沉積物—水界面原位采泥器同時采集沉積物及上覆水樣品，每個采樣點采集3個平行樣，樣品采集后原位密封于采樣管中，4 ℃保存立即帶回實驗室處理。采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI Professional plus，美國YSI)現(xiàn)場測量池塘底層水溫、鹽度、pH、溶解氧和氧化還原電位。沉積物上覆水樣品的處理和培養(yǎng)方法參考文獻[12]報道的方法。

水樣中營養(yǎng)鹽的含量按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.4—2007)測定[13]，氨氮采用次溴酸鹽氧化法測定，亞硝態(tài)氮采用萘乙二胺分光光度法測定，硝態(tài)氮用鎘柱還原法測定，可溶性磷酸鹽采用鉬藍法測定。

1.3 沉積物—水界面營養(yǎng)鹽通量

營養(yǎng)鹽通量計算公式如下：

NF=Δρ×V/S/t

式中，NF為沉積物—水界面營養(yǎng)鹽通量[mg/(m2·d)]；Δρ為培養(yǎng)前后沉積物上覆水中營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度變化(mg/L)；V為沉積物上覆水的體積(m3)，S為培養(yǎng)管內(nèi)的橫截面積(m2)；t為培養(yǎng)時間(d)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SSPS 13.0分析池塘環(huán)境指標(biāo)之間，沉積物—水界面的營養(yǎng)鹽通量與池塘環(huán)境指標(biāo)間的相關(guān)性，P<0.05為相關(guān)性顯著，P<0.01為相關(guān)性極顯著。單因素方差分析檢驗池塘各月間沉積物—水界面的營養(yǎng)鹽通量的差異，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著。用Origin 9.1軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿刺參夏眠前后池塘水環(huán)境變化

采樣時仿刺參池塘底層水環(huán)境的理化指標(biāo)見表1，6—10月池塘水溫隨時間先升后降，7、8月平均水溫超過27 ℃，仿刺參已進入夏眠期；池塘海水鹽度為27.46～30.63，pH為8.42～8.80，鹽度和pH相對穩(wěn)定；溶解氧水平為5.82～7.69 mg/L，氧化還原電位為37.6～110.2 mV，氧化還原電位與溶解氧顯著正相關(guān)(P<0.05)。6、7月池塘海水中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較高，8、9、10月亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較低；7月氨氮質(zhì)量濃度最高，6、8、9、10月氨氮質(zhì)量濃度較低，10月達到最低值；6月可溶性無機磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.018 mg/L，7—10月可溶性無機磷酸鹽濃度逐漸升高，由0.005 mg/L升至0.041 mg/L。

表1 仿刺參夏眠前后池塘水環(huán)境變化Tab.1 Seawater environmental changes in culture pond during the aestivation of sea cucumber A.japonicus

2.2 仿刺參池塘沉積物—水界面的亞硝態(tài)氮+硝態(tài)氮(NOx--N)通量變化

仿刺參夏眠前后池塘沉積物—水界面的亞硝態(tài)氮+硝態(tài)氮(NOx—-N)通量變化見圖1。6月沉積物—水界面的NOx--N通量為(7.48±1.45) mg/(m2·d)，表明沉積物中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向上覆水釋放。7—10月的NOx--N通量均為負值，8月通量值最小，為-(66.12±7.66) mg/(m2·d)，表明上覆水中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向沉積物中擴散。

圖1 仿刺參池塘沉積物—水界面NOx--N通量Fig.1 Fluxes of NOx--N at sediment-water interface in sea cucumber A.japonicus culture pond以兩個小寫字母標(biāo)注不同月份NOx--N通量之間的差異性；一個字母相同一個字母不同的表示差異顯著(P<0.05)；兩個字母均不同表示差異極顯著(P<0.01)；兩個字母相同表示無顯著差異(P>0.05)；下同.The differences between the fluxes of NOx--N in different months are noted by two letters,only one letter same means significant difference (P<0.05),two different letters mean very significant difference (P<0.01),two same letters mean no significant difference(P>0.05);et sequentia.

2.3 仿刺參池塘沉積物—水界面的氨氮(NH4+-N)通量變化

仿刺參夏眠前后池塘沉積物—水界面的氨氮(NH4+-N)通量變化見圖2。6、9、10月沉積物—水界面的NH4+-N通量均為負值，分別為-(0.82±0.07)、-(14.88±1.44)、-(0.34±0.03) mg/(m2·d)，表明上覆水中氨氮向沉積物中擴散。7、8月的NH4+-N通量均正值，分別為(6.21±0.55)、(4.92±0.76) mg/(m2·d)，表明沉積物中氨氮向上覆水釋放。

圖2 仿刺參池塘沉積物—水界面NH4+-N通量Fig.2 Fluxes of NH4+-N at sediment-water interface in sea cucumber A.japonicus culture pond

2.4 仿刺參池塘沉積物—水界面可溶性無機磷酸鹽通量變化

仿刺參夏眠前后池塘沉積物—水界面的可溶性無機磷酸鹽通量變化見圖3。6—9月沉積物—水界面的可溶性無機磷酸鹽通量均為正值，先升后降，表明沉積物中可溶性無機磷酸鹽向上覆水釋放，其中，8月值最高，為(4.20±0.56) mg/(m2·d)。

圖3 仿刺參池塘沉積物—水界面可溶性無機磷酸鹽通量Fig.3 Fluxes of DIP at sediment-water interface in sea cucumber A.japonicus culture pond

10月的可溶性無機磷酸鹽通量為負值-(3.48±0.43) mg/(m2·d)；表明上覆水中可溶性無機磷酸鹽向沉積物擴散。

2.5 沉積物—水界面氮、磷通量與水環(huán)境指標(biāo)之間的關(guān)系

仿刺參池塘沉積物—水界面氮、磷通量與水環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系見表2。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，沉積物—水界面的可溶性無機磷酸鹽通量與水溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.911(P<0.05)，與水體中可溶性無機磷酸鹽含量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.825(P<0.05)。沉積物—水界面的NOx--N通量與水體中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.806(P<0.05)。

表2 沉積物—水界面氮磷通量與水環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系Tab.2 Correlationship between sea water environmental factors and fluxes of nitrogen,and phosphorus at sediment-water interface

3 討 論

仿刺參作為我國海水養(yǎng)殖重要經(jīng)濟品種之一，池塘養(yǎng)殖是主要的增養(yǎng)殖方式[1,14]。水溫作為仿刺參夏眠誘導(dǎo)因子，同時也影響仿刺參養(yǎng)殖池塘的地域分布，7、8月池塘底層平均水溫超過27.0 ℃，仿刺參夏眠并停止活動和攝食[5]。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，仿刺參夏眠期間池塘底層水溫與溶解氧、氧化還原電位之間呈顯著負相關(guān)，底質(zhì)環(huán)境為弱還原環(huán)境，這與之前研究結(jié)果相似[15]。

3.1 仿刺參池塘沉積物—沉積物水界面的氮通量

研究發(fā)現(xiàn)，6月池塘沉積物—水界面的NOx--N通量為正值，7—10月均為負值，8月降到最低值；相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，水體中的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度與NOx--N通量呈顯著正相關(guān)，其含量逐漸降低，表明仿刺參夏眠后，沉積物成為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的匯。鄭忠明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，6—11月仿刺參池塘沉積物—水界面的NOx--N通量與仿刺參的養(yǎng)殖密度及是否投餌有關(guān)，夏眠前(6、7月)上覆水中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮以向沉積物擴散為主，夏眠后(9、10月)不同養(yǎng)殖模式圍隔NOx--N通量有正有負，而夏眠期內(nèi)的仿刺參池塘的NOx--N通量其未作研究和比較。本試驗結(jié)果表明，夏眠前(6月)、夏眠后(9、10月)沉積物—水界面的NH4+-N通量為負值，表明上覆水中氨氮向沉積物擴散；而夏眠期(7、8月)NH4+-N通量為正值，表明沉積物中氨氮向上覆水釋放。7月水體中的氨氮含量最高，為0.083 mg/L。這可能對夏眠的仿刺參產(chǎn)生不利的影響[8]。7、8月的NOx--N通量和NH4+-N通量呈現(xiàn)出反向變化。可能與池塘水溫升高后，底層溶解氧含量下降，氧化還原電位隨之降低，沉積環(huán)境變?yōu)槿踹€原特性，沉積物表層的反硝化作用增強有關(guān)[15-16]。此外，池塘水體中浮游生物和有機質(zhì)顆粒沉降至沉積物后[17]，夏眠期的仿刺參停止攝食活動，底棲硅藻大量繁殖[18]，造成沉積物表層有機物質(zhì)積累，可能影響池塘的底質(zhì)環(huán)境。

3.2 仿刺參池塘沉積物—沉積物水界面的磷通量

水體環(huán)境中磷作為限制性營養(yǎng)元素[19]，主要通過沉積物中磷的礦化作用在沉積物—水界面之間遷移轉(zhuǎn)化[20-22]。本試驗結(jié)果顯示，6月至9月，仿刺參池塘沉積物—水界面的可溶性無機磷酸鹽通量均為正值。鄭忠明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，6月至9月在不投餌的情況下，沉積物中可溶性無機磷向上覆水釋放。10月的可溶性無機磷酸鹽通量為負值，而鄭忠明等[12]研究的結(jié)果為正值，可能與研究池塘的仿刺參養(yǎng)殖方式和地理環(huán)境差異有關(guān)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，池塘沉積物—水界面的可溶性無機磷酸鹽通量與水溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，在水溫最高的8月可溶性無機磷酸鹽通量達到最大值。而水體中的可溶性無機磷鹽質(zhì)量濃度與可溶性無機磷酸鹽通量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。劉曉威等[17]研究仿刺參池塘底棲硅藻初級生產(chǎn)狀況的周年變化發(fā)現(xiàn)，底棲硅藻初級生產(chǎn)力最高值出現(xiàn)在8月。仿刺參夏眠時，沉積物中可溶性無機磷鹽向上覆水釋放，促進了底棲硅藻的生長繁殖，導(dǎo)致水體中可溶性無機磷鹽質(zhì)量濃度下降。

綜上所述，在仿刺參養(yǎng)殖池塘進入夏季高溫期，沉積物是上覆水體重要的氮匯和磷源。仿刺參夏眠后停止攝食，底棲硅藻大量繁殖[18]，加之浮游生物和有機顆粒物的沉降[17]，沉積物表層有機質(zhì)增加，反硝化作用增強，導(dǎo)致沉積物中氨氮向上覆水中釋放，可能對夏眠的仿刺參產(chǎn)生不利的影響[8]。近年來，通過對仿刺參池塘進行底充氧，在一定程度上改善了底質(zhì)和水質(zhì)環(huán)境。如何通過合理搭配養(yǎng)殖品種、調(diào)節(jié)沉積物的微生物群落結(jié)構(gòu)與功能，從而實現(xiàn)仿刺參池塘沉積物—水界面的營養(yǎng)鹽均衡，這有待于進一步研究。

4 結(jié) 論

仿刺參夏眠前后池塘沉積物—水界面的氮、磷通量變化研究發(fā)現(xiàn)，仿刺參夏眠期間池塘沉積物是重要的氮匯和磷源，對水體的氮、磷含量起著重要的調(diào)節(jié)作用。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，可溶性無機磷酸鹽通量與水溫呈顯著的正相關(guān)，與水體中可溶性無機磷酸鹽含量呈顯著負相關(guān)；NOx--N通量與水體中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)。