蝦塘養(yǎng)殖對紅樹林沉積物和間隙水理化性質(zhì)的影響

覃盈盈，羅萬次，梁銘忠，魏明月，高長顥，鄭海雷

（1. 廣西師范大學(xué)珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護教育部重點實驗室，廣西 桂林 541006；2. 廈門大學(xué)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，福建 廈門 361102；3. 防城港市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，廣西 防城港 538000；4. 北部灣大學(xué)廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護重點實驗室，廣西 欽州 535011）

受規(guī)律性潮汐和季節(jié)性洪澇影響，紅樹林濕地與周邊環(huán)境物質(zhì)交換頻繁，調(diào)節(jié)了陸地-海岸生境的養(yǎng)分流通[1-2]。紅樹植物與潮間帶灘涂以及水環(huán)境間的積極互動，使其在復(fù)雜的人為干擾中能積極應(yīng)對，以適應(yīng)并修復(fù)惡化了的濱海濕地生境[3]。紅樹林濕地生態(tài)功能的正常運轉(zhuǎn)由沉積物、水體和植被相互作用共同維持。作為底棲生物棲息地、陸海物質(zhì)交換及污染物接納與自凈的重要場所，沉積物記錄了各種污染物質(zhì)的來源、分布、遷移和轉(zhuǎn)化的歷史，是揭示林下環(huán)境演化特征和人類活動影響程度的最佳工具[4-6]。而間隙水作為水土界面物質(zhì)交換的重要媒介，對調(diào)節(jié)沉積物與上覆水體、植物與毗鄰河口間物質(zhì)交換有重要作用[7]。對紅樹林下沉積物和間隙水理化性質(zhì)及其變化的研究可很好地反映紅樹林的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性，對揭示紅樹林生態(tài)及環(huán)境功能具有重要的科學(xué)意義。

水產(chǎn)養(yǎng)殖(主要是蝦塘養(yǎng)殖)是導(dǎo)致當(dāng)今全球紅樹林面積減少和生態(tài)功能退化的主要原因之一[8-11]：一方面養(yǎng)殖需要大面積砍伐紅樹林建造蝦塘，另一方面蝦塘養(yǎng)殖廢水和池塘底泥集中排放成為濱海濕地重要的面源污染源[8,12-13]。蝦塘養(yǎng)殖的發(fā)展導(dǎo)致濱海濕地生產(chǎn)力受到嚴(yán)重?fù)p害[14]，除導(dǎo)致地上植被的衰退，還導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和質(zhì)地的變化，重塑了植被-環(huán)境關(guān)系，對紅樹林的生存和生態(tài)系統(tǒng)功能的維持帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[8,12-13,15-17]。如對蝦養(yǎng)殖破壞紅樹林使得環(huán)境惡化并導(dǎo)致蝦病爆發(fā)[18]，同時導(dǎo)致紅樹林碳儲量流失58%～82%[19-20]。盡管當(dāng)前紅樹林衰退趨勢已得到有效控制，但集約化對蝦養(yǎng)殖對鄰近紅樹林的影響仍在持續(xù)。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)自身的高開放性和簡單的群落結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在破壞后很難恢復(fù)。蝦塘養(yǎng)殖廢水的長期排放必將對毗鄰區(qū)紅樹植物的生長和發(fā)育產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)，從而影響整個紅樹林系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能。

截至2014年，中國東南沿海蝦塘面積已是紅樹林面積的9.49倍，僅廣西海水蝦塘面積就高達4.68萬hm2[21]。系列研究表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致北部灣濱海濕地生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)峻，亟需關(guān)注[22-24]。但當(dāng)前有關(guān)蝦塘養(yǎng)殖對濱海濕地影響的研究主要集中在蝦塘養(yǎng)殖廢水的水體特征、流經(jīng)區(qū)地表水的特征和富營養(yǎng)化評估等幾個方面[25-27]，而有關(guān)蝦塘養(yǎng)殖對紅樹林沉積物和間隙水理化性質(zhì)影響的研究仍不多見。因此本文以蝦塘養(yǎng)殖邊鄰區(qū)的紅樹林為研究樣地，測定不同區(qū)域林下沉積物和間隙水理化性質(zhì)，探討了不同區(qū)域差異性及變化規(guī)律，以期為紅樹林濕地的保護和管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

欽 州 灣（21°33′20″～21°54′30″N，108°28′20″～108°45′30″E）位于北部灣頂部，廣西沿岸中段（圖1）。該灣中間狹窄，兩端開闊，東、西、北三面為陸地環(huán)繞，南面與北部灣相通，是一個半封閉型天然海灣。潮汐屬于規(guī)則全日潮，最高潮位5.83 m，最低潮位-0.68 m，平均潮差2.40 m。氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫22 ℃，全年最熱月（7月）平均氣溫為28.3 ℃，最冷月（1月）平均氣溫為13.4 ℃，多年平均降雨量2 055.8 mm。欽州紅樹林面積為3 603.42 hm2，是廣西紅樹林的最大分布地。近20 a間，欽州灣的蝦塘養(yǎng)殖面積共計增長了6 049.3 hm2，紅樹林面積減少411.1 hm2[21]。在本研究區(qū)，蝦塘養(yǎng)殖大約有10 a歷史，每年進行3次捕撈。養(yǎng)殖期間蝦塘養(yǎng)殖廢水每天進行部分更換，并沿著三個人工排水溝進入紅樹林潮溝。蝦塘養(yǎng)殖廢水理化性質(zhì)為：pH 7.23～7.80，懸浮物濃度130～162 mg/L，總氮濃度4.73～6.31 mg/L，總磷濃度1.35～1.62 mg/L。

1.2 樣品采集

經(jīng)實地踏查，綜合考慮紅樹分布、養(yǎng)殖面積、養(yǎng)殖廢水排放及潮位變化等因素，2019年8～9月在蝦塘養(yǎng)殖鄰近區(qū)(無排放區(qū)、直排區(qū)和修復(fù)區(qū)，三個區(qū)均處于相同的潮位)中，選擇底質(zhì)類型相對均勻、人為擾動較小且相對較穩(wěn)定的紅樹林區(qū)進行樣品采集。無排放區(qū)為遠(yuǎn)離蝦塘養(yǎng)殖廢水溝渠排放口區(qū)，直排區(qū)為臨近溝渠排放口區(qū)，修復(fù)區(qū)為曾臨近排污溝口且在蝦塘被填埋2 a后不再有徑流排入?yún)^(qū)。無排放區(qū)、直排區(qū)和修復(fù)區(qū)的距離均在100 m以上。每個區(qū)選擇3個采樣點，每個采樣點3個重復(fù)。樣品采集時盡量選擇生境及植物群落特征相同的區(qū)域。共采集沉積物樣品54份，間隙水樣品27份。

沉積物取樣：采樣時先除去地面掉落物，然后用柱狀采泥器挖取土層（0～20 cm）、（20～60 cm）的沉積物樣品，每個樣點采用梅花采樣法取5個土樣混合，采集500 g土樣，用聚乙烯袋封裝做好標(biāo)記后帶回實驗室。沉積物樣品一部分進行含水量分析，其余的置于實驗室陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后，撿出其中的根系、砂石及動植物殘體等雜物后研磨、過篩（100目），進行pH、有機質(zhì)、全氮、全磷指標(biāo)的測定。

間隙水采集：在取完沉積物土柱的坑中，周邊間隙水自然滲出，用頭部包有干凈紗絹的100 ml注射器抽取滲出的間隙水共500 ml裝到聚乙烯瓶，避光拿回實驗室后立即用孔徑為0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾，過濾后的水樣置于清潔的聚乙烯瓶中，遮光-20 ℃冷凍保存，并在24 h內(nèi)完成水化學(xué)分析測定。

1.3 樣品處理與測定

沉積物樣品測定在北部灣大學(xué)廣西北部灣海洋災(zāi)害研究重點實驗室和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)分析測定中心共同完成，間隙水樣品測定分析在北部灣大學(xué)廣西北部灣海洋災(zāi)害研究重點實驗室和防城港海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心共同完成。

沉積物含水量的測定步驟為：取50 g鮮土放烘箱中烘干至恒重，稱量后計算含水量[28]；沉積物中的總氮(TN)、總磷(TP)和有機質(zhì)(OM)分別采用凱氏定氮法、硫酸-高氯酸消解法、重鉻酸鉀氧化-還原容量法進行測定[29-30]。OM1、OM2分別對應(yīng)0～20 cm、20～60 cm有機質(zhì)；TN1、TN2分別對應(yīng)0～20 cm、20～60 cm總氮；TP1、TP2分別對應(yīng)0～20 cm、20～60 cm總磷；WC1、WC2分別對應(yīng)0～20 cm、20～60 cm含水率。

間隙水測定的指標(biāo)參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》第4部分：海水分析 GB17378.4-2007的方法分別進行測定，其中硅酸鹽(SiO32--Si)采用硅鉬藍(lán)法，磷酸鹽(PO43--P)采用磷鉬藍(lán)分光光度法，亞硝酸鹽(NO2--N)采用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽(NO3--N)采用鋅-鎘還原法，氨氮(NH4+-N)采用次溴酸鹽氧化法，無機氮(Dissolved inorganic nitrogen, DIN)為NO2--N、NO3--N和NH4+-N之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)的正態(tài)分布使用Shapiro-Wilk檢驗，對不滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)化。用Oneway ANOVA和LSD檢驗不同區(qū)域紅樹林下沉積物理化性質(zhì)和間隙水營養(yǎng)鹽差異性。由于沉積物理化性質(zhì)有9個參數(shù)，為便于分析我們采用了PCA降維處理?；谔崛≥S信息的判斷準(zhǔn)則：①排序軸累積解釋方差比例達到85%時；②具有解讀價值的PCA軸的Kaiser-Guttma標(biāo)準(zhǔn)，即選取特征根超過平均值的軸提取排序軸，并根據(jù)各環(huán)境因子在PCA軸上載荷的大小判斷其作用大小。

One-way ANOVA和LSD檢驗通過SPSS 22.0完成后在Graph Pad Prism 7.0進行繪圖，其余分析作圖均在R studio 3.5.2中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物理化特征

研究結(jié)果表明大多數(shù)沉積物因子隨著蝦塘養(yǎng)殖廢水的排入而發(fā)生了顯著的變化（圖2）。OM1、OM2、TN1、TN2、TP1和TP2均表現(xiàn)為對照區(qū)和直排區(qū)高于修復(fù)區(qū)；WC1、WC2、C:N、N:P和C:P均表現(xiàn)為對照區(qū)高于直排區(qū)和修復(fù)區(qū)；pH以直排區(qū)最低。

2.2 沉積物理化性質(zhì)相關(guān)性和PCA分析

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：不同區(qū)域沉積物理化性質(zhì)相關(guān)性結(jié)果有明顯差異（圖3和圖4）。對照區(qū)中TN1與TP1，OM2與WC2、C:N顯著正相關(guān)；直排區(qū)沉積物理化性質(zhì)因子間基本呈正相關(guān)，而修復(fù)區(qū)中的OM、TN、TP、WC除與pH、C:N負(fù)相關(guān)外，其他因子間均呈現(xiàn)顯著甚至極顯著正相關(guān)。

PCA分析發(fā)現(xiàn)：前2個PCA軸累積方差比例達84.60%，且特征根都大于1(PCA軸的Kaise-Guttman標(biāo)準(zhǔn)，圖4)，說明沉積物的前二排序軸的荷載值較高。因此，提取了這兩軸做進一步分析。第一主成分累積貢獻率為62.60%，主要體現(xiàn)為OM、TN和TP的貢獻；第二主成分的累積貢獻率為22.00%，主要體現(xiàn)為pH、C:N和N:P的貢獻。這與相關(guān)性分析結(jié)果相吻合，表明直排區(qū)和恢復(fù)區(qū)沉積物中OM、TN、TP均呈極顯著正相關(guān)。

2.3 孔隙水營養(yǎng)鹽特征

受蝦塘養(yǎng)殖廢水影響，除PO43--P外，其余營養(yǎng)鹽在直排區(qū)均與對照區(qū)有顯著差異（圖5）；除NO2--N和DIN外，其余營養(yǎng)鹽在修復(fù)區(qū)和直排區(qū)中差異也顯著。三個生境中SiO32--Si含量為對照區(qū)＞直排區(qū)＞修復(fù)區(qū)；磷酸鹽含量以修復(fù)區(qū)最低；亞硝酸鹽含量表現(xiàn)為直排區(qū)大于對照區(qū)和修復(fù)區(qū)，而氨氮含量則呈相反趨勢；硝酸鹽含量和無機氮含量呈相同變化趨勢，均表現(xiàn)為直排區(qū)和修復(fù)區(qū)明顯高于對照區(qū)。

2.4 紅樹林下間隙水無機氮(DIN)組成

DIN組成中，三個生境間隙水中NH4+-N占的比例均較高（圖6），其中以照區(qū)最高（81.58%），其次是修復(fù)區(qū)和直排區(qū)，比例分別為58.41%和46.72%。三種生境中直排區(qū)NO2--N占DIN的比例最高。

3 討論

3.1 紅樹林下沉積物理化性質(zhì)分析

沉積物中有機質(zhì)含量是肥力的重要指標(biāo)[31]，紅樹植物有將近40%的初級生產(chǎn)力通過凋落物和根系分解等方式返還環(huán)境[32]，是沉積物中有機質(zhì)的重要來源。在河口地區(qū)，沉積物理化性質(zhì)的變化依賴于沉積物中的有機質(zhì)[33]。本研究野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)對照區(qū)和恢復(fù)區(qū)林下凋落葉腐殖質(zhì)層的厚度明顯高于直排區(qū)，表明直排區(qū)蝦塘養(yǎng)殖廢水排放對林下腐殖層的沖刷使得該區(qū)OM明顯低于對照區(qū)。很多研究表明：有機質(zhì)含量豐富的地方，氮素的含量也高[34-36]。本研究中沉積物TN和OM分布格局的一致性也驗證了土壤中氮與有機質(zhì)呈正協(xié)同作用的結(jié)論。沉積物表層的磷主要來自上覆水中顆粒態(tài)磷沉降，養(yǎng)殖活動中產(chǎn)生的有機碎屑在蝦塘沉積物經(jīng)礦化后產(chǎn)生大量的磷酸鹽進入上覆水，通過排換水進入林下成為沉積物中磷酸鹽的“匯”，這可能是造成直排區(qū)總磷明顯高于其他兩區(qū)的重要原因。

pH對養(yǎng)分的賦存、轉(zhuǎn)化和有效性，以及植物的生長發(fā)育、根系的生理狀態(tài)均有直接影響[37]。干濕交替情況下，埋藏有紅樹殘體的土壤經(jīng)圍墾后,含硫的紅樹殘體分解后產(chǎn)生黃鐵礦。同時由于紅樹林下沉積物氧氣不足，水中硫化氫還原底質(zhì)中的鐵化合物，形成各種水合硫化亞鐵。黃鐵礦和硫化亞鐵氧化產(chǎn)生了硫酸，這可能是紅樹林區(qū)pH低的一個重要原因。另外一個原因則可能是紅樹凋落物分解產(chǎn)生的鞣酸和有機物分解產(chǎn)生的有機酸及H2S[27]。本研究表明pH直排區(qū)最低，這可能是因為蝦塘養(yǎng)殖廢水含豐富養(yǎng)分，直排區(qū)林下異養(yǎng)微生物的增殖速率高于其他區(qū)域，微生物在厭氧條件下對有機物分解不徹底而產(chǎn)生多種有機酸，進而導(dǎo)致了pH值下降，這也驗證了灘涂養(yǎng)殖和模擬排污條件使得土壤酸化的結(jié)論[38-39]。此外，三個生境中pH與OM基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，這可能是與蝦塘養(yǎng)殖廢水帶來了大量的碳源和氮營養(yǎng)物，沉積物中的硝化/反硝化作用加強有關(guān)[40-41]。

3.2 紅樹林下間隙水營養(yǎng)鹽特征分析

NO2--N和NH4+-N是蝦塘養(yǎng)殖的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是NO2--N對養(yǎng)殖動物毒性較大。高密度、高投餌的集約化養(yǎng)殖是水體NO2--N濃度不斷升高的主要原因[42-44]。缺氧狀態(tài)下紅樹林沉積物中的有機物硝化作用只能停留在NH4+-N的階段，已有的硝酸鹽還會被反硝化成氣態(tài)氮及其氧化物[22]，因此，NH4+-N是紅樹林水解物間隙水無機氮的主要形式。無養(yǎng)殖廢水排入的林下沉積物中還原性較強，更利于有機氮通過氨化作用釋放的NH4+-N累積在間隙水中。

硅酸鹽在海洋環(huán)境中含量極為豐富，潮水沖刷和滯留對灘涂濕地硅含量有重要影響[45-47]。潮汐攜帶的水量和水淹時間與硅在濕地的滯留時間呈正比，進而導(dǎo)致沉積物間隙水中硅酸鹽含量升高[44]。硅酸鹽濃度較低的蝦塘養(yǎng)殖廢水排放到毗鄰區(qū)紅樹林下，滲透到間隙水中，產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)，導(dǎo)致直排區(qū)和修復(fù)區(qū)SiO32--Si含量均低于對照區(qū)。有研究發(fā)現(xiàn)潮汐濕地中硅與DIN呈正相關(guān)關(guān)系[48-49]，而本研究中SiO32--Si和DIN呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。這可能主要由以下原因?qū)е拢阂环矫婵赡苁怯捎谥脖活愋筒煌?，對間隙水養(yǎng)分的吸收選擇性差異造成的；另一方面蝦塘養(yǎng)殖廢水排入可通過改變氧化還原環(huán)境、氮可利用性和含水量等途徑影響紅樹林下生物地球化學(xué)循環(huán)過程，進而影響硅與DIN的相關(guān)性。

通常情況下，沉積物表面的磷主要來自上覆水中顆粒態(tài)磷沉降，并通過各種生物化學(xué)過程在沉積物中沉積，或釋放溶解態(tài)磷到間隙水中，并與上覆水中的磷發(fā)生交換[50]。磷酸鹽通量與沉積物-水界面的氧化/還原狀態(tài)關(guān)系密切。一方面，蝦塘產(chǎn)生的有機碎屑經(jīng)礦化后產(chǎn)生大量PO43--P進入上覆水，通過排換水直接排出，納入?yún)^(qū)林下成了PO43--P的“匯”，這與淡水池塘養(yǎng)殖和青蟹養(yǎng)殖池塘的結(jié)果相似[51-52]；另一方面，養(yǎng)殖活動中的人工增氧利于Fe3+結(jié)合PO43-形成膠體形式的Fe(OH)3，吸附上覆水中游離性磷[25,51]，使上覆水中的PO43-向沉積物擴散。

3.3 紅樹林下沉積物理化性質(zhì)與間隙水營養(yǎng)鹽間的關(guān)系

沉積物-水界面間的硝化與反硝化作用是沉積物中氮遷移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)的主要過程，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)傳遞和能量循環(huán)中起著重要作用[53]。一般認(rèn)為，紅樹對沉積物中的無機氮和總氮有顯著的累積作用[54]。間隙水中的無機氮主要由土壤中有機質(zhì)礦化作用提供，與土壤有機質(zhì)的化學(xué)組成、微生物的種類及環(huán)境特征密切相關(guān)[55]。本研究中，直排區(qū)OM高于修復(fù)區(qū)，這可能是以下原因?qū)е碌模阂皇浅练e物粒徑組成的差異即間隙水硅酸鹽含量的差異，另一個是源頭差異。蝦塘廢水中有大量的有機質(zhì)，直排區(qū)捕獲的量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于修復(fù)區(qū)，因此導(dǎo)致直排區(qū)OM高。雖然對照區(qū)沒有蝦塘廢水直接排入，但其林下間隙水的硅酸鹽含量與OM均比直排區(qū)和修復(fù)區(qū)中高，這與前人的研究結(jié)果一致，即硅酸鹽與有機質(zhì)含量呈正比[56]。

圍墾養(yǎng)殖導(dǎo)致沉積物磷內(nèi)源負(fù)荷增大，潛在的釋放風(fēng)險也隨之增加[57]。本研究中，隨著沉積物TP的升高，間隙水中的磷酸鹽釋放量也隨之上升。隨著蝦塘養(yǎng)殖廢水的排入，沉積物中的OM、TN和TP總體上會顯著增加。但在本研究中，受影響區(qū)域沉積物中的這些指標(biāo)并未比對照區(qū)的高。這可能與該區(qū)紅樹植物的生長調(diào)節(jié)密切相關(guān)。高養(yǎng)分輸入導(dǎo)致紅樹植物養(yǎng)分吸收能力增強，因此林下沉積物的養(yǎng)分積累相應(yīng)下降。在今后的研究中，需重點分析紅樹林沉積物和間隙水的生物地球化學(xué)循環(huán)過程及調(diào)控機制，為進一步分析蝦塘養(yǎng)殖對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

1）蝦塘養(yǎng)殖廢水排放區(qū)中沉積物TN與OM、TP均呈正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)殖廢水直排對林下沉積物酸化作用明顯。

2）NH4+-N是紅樹林下可溶性無機氮(DIN)的主要組分，對照區(qū)林下沉積物還原性強，有利于氨化作用釋放的NH4+-N累積在間隙水中；NO3--N與DIN呈極顯著相關(guān)，蝦塘養(yǎng)殖廢水導(dǎo)致紅樹林下NO3--N、NO2--N和DIN累積效應(yīng)明顯。

3）沉積物和間隙水的理化性質(zhì)變化是一個協(xié)同作用的過程，可作為評價蝦塘養(yǎng)殖區(qū)邊鄰紅樹林下生境演變規(guī)律的定量指標(biāo)之一。