河蟹池塘生態(tài)養(yǎng)殖對(duì)水環(huán)境的影響

蘭艷 俞錦辰 劉怡琳 趙旭，2 儲(chǔ)鳴 黃宏，2

(1 上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2 上海海洋大學(xué) 海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

中華絨螯蟹(Eriocheirsinesis)又稱河蟹，是我國(guó)最重要的人工養(yǎng)殖蟹種之一，也是東南亞地區(qū)最受歡迎的水產(chǎn)品之一。20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)的河蟹養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，尤其在長(zhǎng)江中下游地區(qū)養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴(kuò)大[1]。河蟹養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展為農(nóng)(漁)民帶來(lái)了豐厚的收入，但也帶來(lái)了一些潛在的環(huán)境影響，如養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)物(殘餌和糞便)、藥劑(抗生素)等會(huì)對(duì)鄰近水體和底層沉積物以及底棲生物群落產(chǎn)生影響[2-3]。目前的研究普遍認(rèn)為，與魚(yú)類養(yǎng)殖相比，河蟹養(yǎng)殖凈營(yíng)養(yǎng)輸入少，氮、磷濃度較低，對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小。但這些影響也是不容忽視的，因?yàn)楹有佛B(yǎng)殖需要大量的水[4]，這些養(yǎng)殖尾水最終會(huì)排入毗鄰水域，對(duì)周邊的水環(huán)境造成一定的影響。水體酸堿度和溫度的改變會(huì)引起河蟹機(jī)體生理生化指標(biāo)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而引發(fā)一系列應(yīng)激反應(yīng)[5]，水環(huán)境因子的改變也會(huì)導(dǎo)致污染物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，因此，了解河蟹養(yǎng)殖各階段水體中的主要污染物質(zhì)對(duì)于科學(xué)地制定河蟹養(yǎng)殖各階段管理措施尤為重要，但目前這方面的研究報(bào)道相對(duì)較少。

本試驗(yàn)以上海寶山區(qū)某水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社河蟹養(yǎng)殖池塘為研究對(duì)象。該養(yǎng)殖合作社的河蟹養(yǎng)殖池塘緊鄰上海市二級(jí)水源地保護(hù)區(qū)域，因此，養(yǎng)殖尾水排放對(duì)周邊水環(huán)境的影響受到較多的關(guān)注。本試驗(yàn)綜合河蟹的生長(zhǎng)習(xí)性和季節(jié)氣候，將養(yǎng)殖周期分為4個(gè)階段，對(duì)各階段河蟹池塘及水源的水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及監(jiān)測(cè)，確定不同階段的水質(zhì)狀況以及主要污染因子。研究結(jié)果可以提供河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)水質(zhì)變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為河蟹生態(tài)養(yǎng)殖和尾水達(dá)標(biāo)排放提供參考。

1 材料和方法

1.1 河蟹養(yǎng)殖

選取上海寶山區(qū)某水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社的4口池塘作為試驗(yàn)塘，每口池塘面積在1.50～1.93 hm2不等，均為南北走向、東西并排。引水水源均為外河道水源。整個(gè)養(yǎng)殖周期只注水，不排水，注水次數(shù)及時(shí)間見(jiàn)表1。1—4月為水草(藻類)養(yǎng)護(hù)階段，水草覆蓋面積為池塘水面的40%左右，其中伊樂(lè)藻占1/3，苦草占2/3。

表1 河蟹養(yǎng)殖池塘加水次數(shù)及加水量

試驗(yàn)所用的河蟹苗種為養(yǎng)殖場(chǎng)自行繁育。于3月初投放蟹苗(16.53 g/只)，下塘前用3%～4%的食鹽水浸洗蟹苗3～5 min；4月中旬，將池塘水位加高至0.40 m，并投放螺螄。此階段采用“圍蟹種草”模式，即用圍網(wǎng)將河蟹與水草隔開(kāi)，以防止河蟹破壞水草。6月份，將圍網(wǎng)拆除，實(shí)行“蟹草共作”模式，每天按時(shí)清理漂于水面的水草。10月中下旬，拔除塘內(nèi)全部水草，等待11月份收獲河蟹，此時(shí)池塘水位保持在1.30 m。

河蟹不同生長(zhǎng)階段投喂的飼料種類和投喂量各不相同。8月前投喂配合顆粒飼料，初期投飼量約為河蟹總體質(zhì)量的1%，隨著河蟹生長(zhǎng)，投飼量逐步增加到3%左右；8月底到11月中旬，額外增加投喂煮熟的玉米和冰鮮小雜魚(yú)，投喂量為河蟹體質(zhì)量的5%左右。養(yǎng)殖產(chǎn)量、密度和投入的飼料總量見(jiàn)表2。投喂時(shí)間為每天17:00左右。

表2 河蟹產(chǎn)量、養(yǎng)殖密度及投餌量

1.2 樣品采集和分析

采集4口河蟹養(yǎng)殖池塘(T1、T2、T3和T4)以及外源引水河道(WS)的水樣進(jìn)行分析，分別記為池塘組和水源組。3—4月水溫較低，餌料用量少，此時(shí)進(jìn)行圍網(wǎng)養(yǎng)殖也幾乎沒(méi)有其他生物擾動(dòng)，養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)水質(zhì)影響不大，因此從5月份開(kāi)始采樣監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)把養(yǎng)殖周期分為3個(gè)階段，即養(yǎng)殖初期(5月)、養(yǎng)殖中期(8月)、養(yǎng)殖末期(11月)。由于河蟹通常在9月份會(huì)進(jìn)行最后1次蛻殼，因而增加9月份1次采樣，即分別于5月、8月、9月和11月中旬采集水樣進(jìn)行分析，采樣時(shí)間為上午9:00—11:00，使用2.50 L采水器在水面下0.50 m處采集水樣，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水樣進(jìn)行固定，置于放有冰袋的保溫箱避光保存。采樣結(jié)束后，立即將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析，測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)包括總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、活性磷酸鹽(PO43--P)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)、葉綠素和懸浮物等[6]。水溫、pH、溶解氧(DO)采用便攜式測(cè)樣儀(YSI 550A)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，透明度(SD)用透明度盤(pán)測(cè)定。本試驗(yàn)以漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 11607—1989)[7]和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)[8]中的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)采用EXCEL 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用Origin 2017繪制圖形。

2 結(jié)果和分析

2.1 水質(zhì)狀況及總體評(píng)價(jià)

2019年5—11月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及有關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。養(yǎng)殖區(qū)水體溫度變化范圍為16.6～29.8 ℃，養(yǎng)殖期間平均水溫為18.0 ℃，快速增長(zhǎng)期平均溫度高達(dá)29.5 ℃；pH在6.15～8.20，僅養(yǎng)殖初期超出漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且池塘組pH的平均值為7.08，水源組pH平均值為7.13，均呈近中性；DO為3.56～8.21 mg/L，水源組的DO隨著時(shí)間的推移遞增，池塘組則是前期降低，中后期逐漸升高。

水源組主要超標(biāo)項(xiàng)目為T(mén)N，4次檢測(cè)結(jié)果均超標(biāo)，最大超標(biāo)幅度為470.44%；TP僅8月超標(biāo)，超標(biāo)幅度為28.50%；池塘組主要超標(biāo)項(xiàng)目為T(mén)N、TP和CODMn，其中TN和CODMn全程超標(biāo)，最大超標(biāo)幅度分別為412.00%和74.48%；TP在前3個(gè)階段超標(biāo)，最大超標(biāo)幅度122.76%。從階段時(shí)間來(lái)看，池塘組養(yǎng)殖初期水質(zhì)最差，有7個(gè)指標(biāo)不同程度超標(biāo)，其中pH、CODMn、TN和TP所有池塘均超標(biāo)，DO、BOD5和NH4+-N部分池塘超標(biāo)；養(yǎng)殖中期僅有DO、CODMn和TP超標(biāo)，水質(zhì)最優(yōu)；蛻殼期和養(yǎng)殖末期池塘水質(zhì)介于初期和中期之間，主要是BOD5、CODMn和TN超標(biāo)，蛻殼期TP也超標(biāo)。

2.2 河蟹養(yǎng)殖池塘水質(zhì)有機(jī)物污染變化情況

養(yǎng)殖池塘水質(zhì)有機(jī)物污染變化情況見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，整個(gè)試驗(yàn)階段池塘組的CODMn遠(yuǎn)高于水源組，整個(gè)養(yǎng)殖周期內(nèi)池塘組CODMn總體略有下降，變化范圍為(7.57±0.10)～(10.47±0.08)mg/L，遠(yuǎn)超地表水Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)26.23%～74.48%。其中養(yǎng)殖初期超標(biāo)最嚴(yán)重，快速增長(zhǎng)期CODMn則呈下降趨勢(shì)，蛻殼期CODMn小幅升高，養(yǎng)殖后期又略有下降。池塘組BOD5與CODMn動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)相反，隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移，前期BOD5優(yōu)于地表水Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，8月份之后BOD5升高，并超出地表水Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)殖末期BOD5達(dá)到最高值7.67 mg/L。除了河蟹快速增長(zhǎng)期，其他時(shí)期池塘水體的BOD5均遠(yuǎn)高于水源。

圖1 水體中的CODMn和BOD5在成蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)的變化

2.3 河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)水體氮營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況

養(yǎng)殖周期內(nèi)水體氮營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況見(jiàn)表3。池塘組TN變化范圍為(0.50±0.02)～(8.35±0.02)mg/L，平均為2.29 mg/L，水源組TN在(1.49±0.02)～(5.70±0.05)mg/L，平均為2.79 mg/L。除了養(yǎng)殖初期，其他階段水源組TN均高于池塘組，且劣于地表水Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。池塘組TN在養(yǎng)殖前期急劇下降，后期則略有回升。

表3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及參考標(biāo)準(zhǔn)

無(wú)機(jī)氮在水體中的主要形態(tài)為NH4+-N、NO3--N和NO2--N，可直接被水生植物和浮游植物利用，三者的轉(zhuǎn)化是水體氮循環(huán)的重要組成[9-10]。池塘組NH4+-N、NO3--N和NO2--N的變化范圍分別為(0.05±0.00)～(2.20±0.02)、(0.11±0.01)～(1.82±0.00)和(0.01±0.00)～(0.75±0.00)mg/L，水源組為(0.07±0.01)～(0.53±0.00)、(0.74±0.00)～(2.23±0.01)和(0.01±0.00)～(0.17±0.00)mg/L(見(jiàn)圖2)。

圖2 水體中DIN在成蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)的變化

2.4 河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)磷營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況

養(yǎng)殖周期內(nèi)磷營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況見(jiàn)圖3。池塘組TP質(zhì)量濃度為(0.11±0.00)～(0.45±0.00) mg/L，平均為0.24 mg/L，養(yǎng)殖末期水質(zhì)已優(yōu)于地表水Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)試驗(yàn)期間，前3個(gè)階段池塘組TP均高于水源組，表明該養(yǎng)殖模式輸入大量磷元素，造成P的過(guò)剩。池塘組PO43--P質(zhì)量濃度在(0.03±0.01)～(0.35±0.00)mg/L，平均為0.12 mg/L，總體趨勢(shì)前期略微上升，中后期則開(kāi)始下降。

圖3 成蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)水體中TP和PO43--P的變化情況

3 討論

3.1河蟹養(yǎng)殖期間的水質(zhì)變化

在河蟹養(yǎng)殖區(qū)，水草生長(zhǎng)、養(yǎng)殖活動(dòng)、引水水質(zhì)和外界環(huán)境因素共同影響著養(yǎng)殖區(qū)域的水體環(huán)境。池塘組盡管輸入大量外源氮、磷，但DO仍能保持較高水平，這是因?yàn)?月后增氧機(jī)的使用和水草光合作用的增強(qiáng)很好地保證了水體復(fù)氧效果。水源組TN在養(yǎng)殖期間基本高于池塘組，主要原因是該基地位于寶山區(qū)郊區(qū)，水源周邊面源污染較嚴(yán)重。有研究表明，包括上海在內(nèi)的太湖流域，其水環(huán)境質(zhì)量惡化的主因之一為農(nóng)田氮、磷的流失[11]，農(nóng)業(yè)污染物對(duì)引水水體中氮含量的變化特征影響顯著。地表徑流將農(nóng)田中的氮、磷輸送到主要干流中，導(dǎo)致水源組TN較高。本試驗(yàn)中，因養(yǎng)殖初期河蟹規(guī)格小，投飼量較小，N、P的輸出相對(duì)較少，但此時(shí)池塘組的N、P指標(biāo)卻處于最高水平，這是因?yàn)?月份水溫較低，水草還處于初始生長(zhǎng)階段，對(duì)水體中N、P的凈化能力較弱。此外還可能跟上海地區(qū)淡水池塘的引水水質(zhì)有關(guān)[12-13]。養(yǎng)殖初期到快速增長(zhǎng)期，水草開(kāi)始快速生長(zhǎng)，且溫度逐漸升高到伊樂(lè)藻適宜生長(zhǎng)的范圍(10.0～25.0 ℃)，對(duì)N、P的吸收效率大大提高，因此多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)大幅降低，尤其是N的相關(guān)指標(biāo)，其中TN在河蟹快速增長(zhǎng)期優(yōu)于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，逐漸升高的pH導(dǎo)致NH4+轉(zhuǎn)化為相對(duì)易揮發(fā)的NH3[14]，這也是此時(shí)TN急劇下降的原因。此外，在8月份采樣前夕，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”帶來(lái)的持續(xù)暴雨可能也稀釋了水體中的TN。但是從快速增長(zhǎng)期開(kāi)始，由于氣溫的影響，池塘水溫逐漸升高，抑制了伊樂(lè)藻的活性，使其對(duì)NH4+-N、NO3--N和NO2--N的吸收轉(zhuǎn)化能力變差，同時(shí)蛻殼期的河蟹規(guī)格較大，活動(dòng)能力增強(qiáng)，會(huì)攪動(dòng)底部沉積物，使沉淀了的顆粒態(tài)N再次懸浮到水中，也促使該階段水體中N質(zhì)量濃度的升高。此外，河蟹養(yǎng)殖活動(dòng)中餌料的種類較多(顆粒飼料、冰鮮雜魚(yú)和玉米)，且使用肥水劑，使水體中氮、磷來(lái)源復(fù)雜化，加之不斷積累的殘餌、糞便和動(dòng)植物尸體，均使水體中有機(jī)物含量增加，有機(jī)物分解會(huì)增加氨氮的積累[15]，這可能是NH4+-N濃度出現(xiàn)回升的原因。

盡管生物體對(duì)于磷的需求量比氮低，但磷也是必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素之一。沉水植物和浮游植物能吸收利用的主要是可溶性磷酸鹽，但在自然水體環(huán)境中，磷大多以不溶解化合物的形式存在，因而水體中沉水植物以及浮游植物的生長(zhǎng)通常受到可溶性磷酸鹽的限制[16]。本試驗(yàn)中，前期TP略微升高主要是因?yàn)橥讹暳康牟粩嘣黾?，而此階段河蟹對(duì)飼料的轉(zhuǎn)化效率僅有0.50%[17]，其余均進(jìn)入水體中，因此PO43--P在一定程度上有所升高；隨后由于水草的吸收利用以及10月份河蟹陸續(xù)捕撈上市，投飼量和排泄物大大減少，N、P的輸入也隨之減少。

CODMn常被用來(lái)衡量水體有機(jī)污染程度，其值越大，表明水體有機(jī)污染越嚴(yán)重。低DO以及低pH均會(huì)導(dǎo)致CODMn升高。張運(yùn)林等[18]認(rèn)為，CODMn在一定程度上可以表征N、P含量，因?yàn)檩^高的N、P濃度促進(jìn)了水體中藻類的快速繁殖，而藻類死亡后的腐爛降解會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)物，從而釋放大量的內(nèi)源性CODMn。本試驗(yàn)中，CODMn和TN、TP含量均是在養(yǎng)殖初期最高，超標(biāo)最嚴(yán)重，這與上述研究結(jié)果一致。通過(guò)查閱養(yǎng)殖日志發(fā)現(xiàn)，4、5月份肥水劑使用頻率較高，該階段施肥量占整個(gè)養(yǎng)殖周期施肥總量的近50%，加之本次采樣日期為5月13日，而采樣前兩天剛施過(guò)肥，導(dǎo)致這一時(shí)期的CODMn和TN、TP質(zhì)量濃度偏高。蛻殼期CODMn小幅增加是由于河蟹生長(zhǎng)到一定規(guī)格，投飼量增加，且河蟹的攝食行為加大了對(duì)水體的攪動(dòng)，在養(yǎng)殖后期由于大量的河蟹被捕上市，投飼量以及河蟹數(shù)量均大大減少，因而CODMn又略有下降，并且于養(yǎng)殖末期出現(xiàn)最低值。由于殘餌及河蟹糞便導(dǎo)致有機(jī)物積累，除了河蟹快速增長(zhǎng)期外，其他時(shí)間段內(nèi)池塘組的BOD5均遠(yuǎn)高于水源組，表明養(yǎng)殖活動(dòng)帶入了大量有機(jī)物，降低了水體自凈能力，因此存在污染水體風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 養(yǎng)殖管理

沉水植物作為河蟹養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，雖然無(wú)法直接吸收有機(jī)質(zhì)，但可以通過(guò)其吸附作用吸附水體中的有機(jī)質(zhì)。同時(shí)，它可以作為微生物載體，提供好氧和厭氧環(huán)境，形成生物膜，增加水體中的微生物量，從而加大微生物對(duì)有機(jī)物的降解速率[19-20]。有研究表明，河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)中水草及其附著的生物膜可以吸收60.50%～86.00%的N和37.30%～88.00%的P[17,21]；文曉峰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，伊樂(lè)藻對(duì)降低CODMn濃度有顯著的效果，尤其是在伊樂(lè)藻種植密度為15.00 kg/m2時(shí)，CODMn的去除率可高達(dá)70.90%[23]；王書(shū)揚(yáng)等[24]提出，當(dāng)伊樂(lè)藻的種植面積為池塘面積的60%時(shí)，水質(zhì)凈化效果最佳；還有研究表明，黃絲草可以提升成蟹規(guī)格，伊樂(lè)藻是凈化水質(zhì)、修復(fù)底質(zhì)最好的沉水植物，輪葉黑藻和伊樂(lè)藻則能保證河蟹養(yǎng)殖產(chǎn)量[25]。因此，從污染控制及提高河蟹品質(zhì)和產(chǎn)量的角度出發(fā)，可以將伊樂(lè)藻與黃絲草或者伊樂(lè)藻與輪葉黑藻搭配栽種，并將栽種面積控制在池塘水面的60%左右。