水口水庫樟湖庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中硫化物分布特征研究

蔣奕雄，鄒麗珍，曾 濤，崔利峰，凌偉專

(福建省淡水水產(chǎn)研究所，福建 福州 350002)

硫化物是衡量沉積環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的關鍵指標之一，也是沉積物質(zhì)量評價的有效工具[1-3]。高密度的投餌型網(wǎng)箱養(yǎng)殖會改變沉積環(huán)境中硫的形態(tài)、含量和分布，而硫的這些變化會影響網(wǎng)箱養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況。沉積環(huán)境硫化物的積累是引發(fā)水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境問題的主要原因之一，也是目前水環(huán)境質(zhì)量評價的研究熱點。水體沉積物中的硫化物以酸可揮發(fā)性硫化物(Acid volatile sulfide，AVS)活動性最強，其含量對沉積物中重金屬在水與沉積物間的分配行為有決定性影響[1，4-6]，是重金屬活性和毒性的控制因素，也是建立沉積物環(huán)境質(zhì)量基準的基礎。因此，AVS成為水環(huán)境研究中最受關注的硫化物。

閩江是福建省最大獨流入海(東海)河流，流域面積60 992 km2，約占全省面積的一半，面積廣闊，資源豐富，是福建經(jīng)濟發(fā)展極為重要的載體；1993年水口水電站建成后，蓄水形成的閩江水口庫區(qū)控制流域面積達52 438 km2，占閩江全流域面積的86%，水量充沛，庫灣眾多，是福建省內(nèi)陸網(wǎng)箱養(yǎng)殖的典型庫區(qū)，一直以來網(wǎng)箱養(yǎng)殖是促進漁民增收和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。福建省南平市延平區(qū)樟湖鎮(zhèn)是水口庫區(qū)最大的移民鎮(zhèn)，樟湖庫灣位于樟湖鎮(zhèn)東南方向，水域面積近530 hm2，水深在10～20 m；主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式是網(wǎng)箱養(yǎng)殖，以小型浮式框架型網(wǎng)箱養(yǎng)殖漁排為主，每組漁排由12～18個規(guī)格為6 m×10 m的養(yǎng)殖網(wǎng)箱組成；養(yǎng)殖歷史已有十多年，養(yǎng)殖品種主要為草魚、翹嘴紅鲌、鳊魚等，養(yǎng)殖周期大多數(shù)為1年。2016年網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積達21 hm2，年產(chǎn)量660 t左右，是典型密集網(wǎng)箱養(yǎng)殖庫灣[7]。目前已有不少對淡水沉積環(huán)境硫化物的研究，但主要集中在河流、湖泊[8-12]，對水庫生態(tài)系統(tǒng)特別是網(wǎng)箱養(yǎng)殖水域中沉積環(huán)境硫化物等的研究還鮮有報道，因此本文擬研究網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域底質(zhì)硫化物的含量水平、空間分布特征與變化規(guī)律等，以期為水庫生態(tài)安全和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

樟湖庫灣養(yǎng)殖水域土壤主要為丘陵和水稻田土，土壤質(zhì)地背景為黏土-黏壤土[7]。綜合考慮水域面積、環(huán)境、網(wǎng)箱養(yǎng)殖情況等，采用GPS定位布設ZH-1、ZH-2、ZH-3、ZH-4和ZH-5等5個采樣點，站位布設見圖1。其中ZH-1(118.489°E、26.388°N)、ZH-2(118.494°E、26.392° N)、ZH-4(118.509° E、26.398° N)和ZH-5(118.513° E、26.400° N)位于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖品種以草魚為主，每個網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量約3 000尾，主要投喂人工配合飼料，其總氮(TN)和總磷(TP)含量分別為4.52%和0.34%，日投餌量為魚體質(zhì)量的3%～10%。ZH-3(118.501° E、26.389° N)位于未養(yǎng)殖區(qū),作為對照點，該站位近五年無網(wǎng)箱養(yǎng)殖；ZH-1～ZH-5水深分別為11、10、10、20、20 m。用彼得森底泥采樣器采集表層沉積物樣品，樣品采集后在厭氧條件下迅速裝入干凈的聚乙烯密封袋，驅除袋內(nèi)空氣并密封，運回實驗室后于0～4℃的冰箱中保存，并于24 h內(nèi)開展樣品測定及實驗。采樣時間選擇在每月中下旬。

1.2 樣品分析測定

由于研究條件的不同，目前尚沒有統(tǒng)一的AVS提取方法，研究中常用的兩種提取方法為“The purge-and-trap method”[13](氮載氣冷法酸溶硫化物分析法)和“The diffusion method”[14](冷擴散法)，目前應用較多的是氮載氣冷法酸溶硫化物分析法。因此表層沉積物樣品實驗室分析參考海洋沉積物硫化物測定方法[15]，改進氮載氣冷法酸溶硫化物分析技術[13]并采用碘量法測定沉積物中硫化物，具體為將反應瓶與吸收瓶串聯(lián)，以氮氣為載氣并控制好流量，充分驅除盡氧氣，稱取3 ～5 g混勻的濕樣全部移入反應瓶中，在1 mol·L-1鹽酸介質(zhì)中充分反應并攪拌，生成的H2S隨高純氮氣轉移至內(nèi)含0.05 mol·L-1乙酸鋅溶液的吸收瓶中固定，之后碘量法測定AVS含量。

2 結果與分析

2.1 AVS的含量水平

表1 樟湖庫灣表層沉積物AVS含量

樟湖庫灣5個站位中，對照站位ZH-3在2016年9月和2017年8月的AVS含量分別為0.710 2 和0.752 8 μmol·g-1，樟湖庫灣位于閩江流域，有文獻[17]指出，該流域近年來工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，承受環(huán)境負荷日益趨重，同為8至9月份調(diào)查的閩江流域表層沉積物硫化物含量在0.461 0～1.184 1 μmol·g-1之間，與樟湖庫灣鄰近的尤溪站位更是達到1.184 1 μmol·g-1，本底值較高，這表明硫化物的積累更多受沿岸人類活動的影響。

2.2 AVS的平面分布特征

樟湖庫灣各站位AVS含量平面分布特征表現(xiàn)為ZH-1>ZH-4>ZH-5>ZH-2>ZH-3(表1)，對照站位ZH-3硫化物含量介于0.573 5～0.752 8 μmol·g-1之間，明顯低于其他站位，且變化幅度較小，AVS含量主要受外來污水等環(huán)境影響。站位ZH-1硫化物含量介于1.053 4～2.364 2 μmol·g-1之間，在所有監(jiān)測頻次中基本高于其他站位，該站位深入庫灣內(nèi)部，水體交換慢，網(wǎng)箱養(yǎng)殖密度大，對AVS影響較大，且靠近生活區(qū)(圖1)，生活污水的排入會增加有機質(zhì)的輸入，從而導致AVS的增加。站位ZH-2硫化物含量介于0.751 2～1.310 6 μmol·g-1之間，在所有網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)含量最低，原因是該站位鄰近主河道，水力擾動作用強，且水深較淺，使其上層沉積物擾動較強，阻礙了還原態(tài)硫的形成和積累。ZH-4和ZH-5地理、水文、網(wǎng)箱養(yǎng)殖等情況基本一致，AVS含量出現(xiàn)差異的主要原因為ZH-4站位沉積物顆粒最細，較細的顆粒有機碳組分較高，有利于AVS的積累，有研究表明在顆粒較細、富含有機碳的沉積物中AVS含量會表現(xiàn)得較高[18]。

從調(diào)查的網(wǎng)箱養(yǎng)殖情況來看，ZH-1和ZH-2站位為高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域，常年養(yǎng)殖漁排數(shù)近20組，ZH-4和ZH-5站位為低密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域，常年養(yǎng)殖漁排數(shù)在2～3組，而ZH-2站位硫化物含量能維持在較低水平，表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖對沉積物的影響與水體交換能力、水體顆粒物的沉降速度、沉積物的類型以及沉積物水體界面的動力條件等因素有關，水力擾動作用能顯著影響硫化物的積累，網(wǎng)箱養(yǎng)殖應盡可能選擇水體交換較優(yōu)良的水域。

2.3 AVS的季節(jié)變化

從季節(jié)變化來看，AVS含量表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季(表1、圖2)，夏季AVS平均值介于0.714 9～2.110 2 μmol·g-1之間，冬季AVS平均值范圍為0.583 0～1.111 2 μmol·g-1，夏季明顯高于冬季，這與國內(nèi)外對淡水沉積物的研究結果一致[1，9-12，16，19]，主要原因是夏季水溫較高，水體中的溶解氧消耗較快，使水-沉積物界面成為還原型，硫酸鹽的還原速率比冬季至少高一個數(shù)量級[20]，有機物質(zhì)的降解率也增加，從而使AVS的含量明顯高于冬季；除此之外，作為富營養(yǎng)化型水庫，沉積物有機質(zhì)重要來源的有機物質(zhì)初級生產(chǎn)力高峰一般出現(xiàn)在7—9月，這也是造成AVS含量在夏季較高的重要因素。

網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)AVS含量高于非養(yǎng)殖區(qū)(表1、圖2)，夏季相差最大，相差倍數(shù)介于1.67至2.95之間；冬季雖然AVS含量總體下降很多，但相差倍數(shù)仍介于1.34至1.83之間，表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)AVS含量差異明顯，這與文獻報道的海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)研究結果一致[21-24](淡水網(wǎng)箱養(yǎng)殖AVS的報道鮮見)。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)由于投入的大量高蛋白質(zhì)人工配合餌料不能完全被魚類利用，導致部分餌料沉降至沉積物中，再加上魚類排泄物以及其他水生生物代謝產(chǎn)物等，隨著養(yǎng)殖年限的增加，沉積物中有機質(zhì)含量升高，形成強的還原環(huán)境，而硫化物在這種環(huán)境中容易產(chǎn)生并累積，從而成為養(yǎng)殖區(qū)沉積物中AVS含量高于非養(yǎng)殖區(qū)的重要原因。2016年9月與2017年8月相比，ZH-1、ZH-2和ZH-5站位AVS含量均有不同程度的上升，表明硫化物含量隨著養(yǎng)殖年限的增加有可能出現(xiàn)積累。統(tǒng)計分析表明，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)AVS含量在春、夏、秋季與冬季差異顯著(P<0.05)，這是因為水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚苗投放一般在3月前就已完成(夏花會在6月左右放養(yǎng))，此后一直至11月左右起捕，在這期間投餌量都較大，特別是夏季魚類生長旺盛餌料需求量大，且新陳代謝快，殘餌和魚類排泄物在底部大量積累，這些均有利于AVS的形成；冬季收獲期后，投餌量減少，對沉積物影響下降，同時沉積物中微生物減少，活動減弱，減少氧的消耗，有利于硫化物的氧化，因此硫化物含量在此階段下降，AVS的季節(jié)變化規(guī)律與網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動具有一定的相關性。對照點AVS含量變化幅度小于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)，季節(jié)變化差異也不顯著，主要由沉積物地球化學性質(zhì)決定，這也從另一方面說明網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動對底質(zhì)AVS的積累具有一定的影響，因此庫灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖要注意選擇高效合理的投餌方式，提高餌料的利用率。

3 討論

1)樟湖庫灣AVS的空間分布特征：AVS含量范圍在0.573 5～2.364 2 μmol·g-1之間，各站位含量高低為ZH-1>ZH-4>ZH-5>ZH-2>ZH-3。ZH-1站位AVS含量主要受人為活動和網(wǎng)箱養(yǎng)殖影響；ZH-2站位AVS在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)含量最低，主要受水動力作用的影響；ZH-3對照站位AVS含量明顯低于其他站位，且變化幅度較小。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)AVS含量明顯高于非養(yǎng)殖區(qū)，夏季相差倍數(shù)和冬季相差倍數(shù)分別介于1.67～2.95和1.34～1.83之間；網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)未完全被利用的高蛋白質(zhì)人工配合餌料、魚類排泄物以及其他水生生物代謝產(chǎn)物等在沉積物中沉降，隨著養(yǎng)殖年限的增加，有機質(zhì)含量升高，形成強的還原環(huán)境，有利于硫化物的產(chǎn)生和累積，這些成為養(yǎng)殖區(qū)沉積物中AVS含量高于非養(yǎng)殖區(qū)的重要原因。

2)樟湖庫灣AVS的時間分布特征：季節(jié)變化上表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季，夏季明顯高于冬季。夏季水溫較高，硫酸鹽的還原速度快，有機物質(zhì)的降解率也增加，因而AVS含量明顯高于冬季；水庫沉積物有機物質(zhì)初級生產(chǎn)力高峰一般出現(xiàn)在7—9月，這也是造成AVS含量在夏季較高的重要因素。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)AVS含量在春、夏、秋季與冬季差異顯著，其季節(jié)變化規(guī)律與網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動相關。

3)硫化物的積累更多受沿岸人類活動的影響，但水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖要注意降低或減緩養(yǎng)殖活動對硫化物的影響。投餌型網(wǎng)箱要控制規(guī)模，同時注意飼料質(zhì)量，選擇科學的投餌方式，根據(jù)魚的體重和品種適當調(diào)整投喂量和投喂次數(shù)，提高餌料的利用率，有條件的盡可能收集并處理殘餌和魚類排泄物；不投餌型網(wǎng)箱要合理布局；適當放養(yǎng)鰱、鳙魚等濾食性魚類，從而保證網(wǎng)箱養(yǎng)殖健康和可持續(xù)發(fā)展。