紫色土池塘養(yǎng)殖底泥理化性質(zhì)變化及營養(yǎng)沉積過程

李天才，余 米，江 瑞，趙晴云，付 梅，蘇勝齊

（1. 西南大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，重慶 400700；2. 西南大學(xué)漁業(yè)資源環(huán)境研究中心，重慶 400700；3. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；4. 重慶市藥物種植研究所，重慶 408435；5. 重慶市合川區(qū)水產(chǎn)發(fā)展指導(dǎo)站，重慶 401520）

紫色土作為我國一種特有的土壤資源，總面積超過2 000 萬hm2。四川盆地集中分布著我國51.53%面積的紫色土[1]，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其中四川盆地中的川渝地區(qū)是我國重要的池塘養(yǎng)殖區(qū)域，池塘的建造基本以紫色土為基礎(chǔ)。但隨著我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，自然池塘因地表徑流或水體交換不斷輸入有機(jī)物和氮磷元素[2‐3]，而精養(yǎng)池塘則由于殘餌和糞便持續(xù)沉積[4‐6]，造成池塘營養(yǎng)物質(zhì)日益增多。因此，研究掌握紫色土池塘底泥理化性質(zhì)和營養(yǎng)周期變化規(guī)律是高效、健康養(yǎng)殖的前提，可為池塘底質(zhì)管理和改造提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)指導(dǎo)。為提高池塘生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提升水產(chǎn)品品質(zhì)，減少疾病暴發(fā)，扼制池塘水質(zhì)惡化，諸多學(xué)者對(duì)池塘水質(zhì)管理和調(diào)控展開了大量研究[7‐11]。底泥作為池塘生態(tài)系統(tǒng)的核心，不僅是物質(zhì)和能量循環(huán)的源和匯[4，12‐14]，也是益生菌和有害菌的庫[15‐17]，更是限制養(yǎng)殖效果的主要因素[12]，但有關(guān)池塘底泥管理和改造的研究則相對(duì)較少[9]，針對(duì)紫色土池塘底泥的探究則更是未見報(bào)道。為此，以重慶市銅梁區(qū)采集的紫色土作為基礎(chǔ)，覆水模擬紫色土池塘養(yǎng)殖過程，監(jiān)測養(yǎng)殖過程中底泥理化性質(zhì)變化和有機(jī)質(zhì)、氮磷等主要營養(yǎng)物質(zhì)沉積過程，旨在掌握其變化趨勢和沉積規(guī)律，為池塘底泥管理和改造提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)造

試驗(yàn)用紫色土取自重慶市銅梁區(qū)（N29.5130°，E106.4010°），取土?xí)r將表層土壤刨去，挖取風(fēng)化而未經(jīng)耕作的0～20 cm 土壤。把50 kg 紫色土轉(zhuǎn)入不透明水族缸（豎切面為梯形，r1=30 cm，r2=40 cm，h=80 cm）中，加入曝氣自來水，土水比為1∶5，土層厚12 cm，覆水60 cm[18]。每缸放養(yǎng)7 尾湘云鯽（Carassius auratusTriploid）[全長（69.70±1.19）mm、體質(zhì)量（9.57±0.08）g]，供試湘云鯽于試驗(yàn)前1 周購自重慶市歇馬水產(chǎn)養(yǎng)殖場，試驗(yàn)期間每天投喂3%體質(zhì)量飼料[19]。覆水組（對(duì)照）不養(yǎng)魚、不投飼。覆水組和養(yǎng)殖組均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，充氧，每月22日換水1/3。

系統(tǒng)設(shè)置在室外有頂通風(fēng)平臺(tái)上，2016 年4 月10 日按照設(shè)計(jì)完成加土和覆水過程，靜置至4 月22日放入供試魚并開始投喂；往后每月22日使用柱狀采泥器從每個(gè)缸的不同位置均勻采集5份底泥混合作為樣本，試驗(yàn)至9月22日采集樣本后結(jié)束。

1.2 底泥環(huán)境因子測定方法

溫度：每天傍晚直接用溫度計(jì)讀取底泥溫度；pH 值：水土比為2.5∶1.0，混合后使用phs-3c 型pH計(jì)測量；氧化還原電位（O.R.P）：底泥樣本取出后迅速用O.R.P 計(jì)直接測量。pH 值、O.R.P 每月7 日和22日各測1次。

取回的底泥先陰干，之后進(jìn)行碾磨并過0.25 mm 篩網(wǎng)，收集100 g 底泥粉末用于測定營養(yǎng)成分。有機(jī)質(zhì)（SOM）、總氮（TN）、堿解氮（Alkali-N）、總磷（TP）、速效磷（Olsen-P）、全鉀（TK）、速效鉀（Avail-K）、鎂（Mg）、硫（S）含量分別采用重鉻酸鉀法、重鉻酸鉀-硫酸消化法、堿解擴(kuò)散法、氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻鈧比色法、火焰光度法、火焰光度法、原子吸收光譜法和原子吸收光譜法進(jìn)行測定[20]。

沉積比例=（試驗(yàn)終值-試驗(yàn)初值）/試驗(yàn)初值×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 19.0 軟件分析Pearson 相關(guān)性，在Excel 2016 中分析相關(guān)數(shù)據(jù)并制作表、圖，所有數(shù)據(jù)均以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試紫色土養(yǎng)分

供試紫色土分類上屬遂寧組（J3s），為石灰性紫色土，養(yǎng)分見表1。按照全國土壤養(yǎng)分分級(jí)，試驗(yàn)紫色土有機(jī)質(zhì)含量為6 級(jí)（最低等級(jí)），遠(yuǎn)低于我國紫色土有機(jī)質(zhì)平均含量（18.8 g/kg）；總氮含量為4 級(jí)，略低于我國紫色土平均含量；總磷含量為3級(jí)，略高于我國紫色土平均含量；總鉀含量為2級(jí)，等同于我國紫色土平均含量。

表1 供試紫色土基本性質(zhì)上養(yǎng)分Tab.1 Basic properties and nutrients of the purple soil

2.2 底泥理化性質(zhì)變化

試驗(yàn)期間，底泥溫度隨氣溫逐漸升高，在末期迅速下降，溫度介于19.3～33.4 ℃，平均值為27.7 ℃（圖1A）。試驗(yàn)開始后，對(duì)照組和養(yǎng)殖組底泥pH 值均迅速下降，由石灰性轉(zhuǎn)為中性；對(duì)照組pH 值圍繞7.3 波動(dòng)，變幅為7.2～7.4；養(yǎng)殖組pH 值則圍繞7.1 波動(dòng)，變幅為7.0～7.2（圖1B）。對(duì)照組底泥O.R.P 圍繞180.0 mV波動(dòng)，變幅為157.3～245.3 mV，表現(xiàn)為弱氧化性；養(yǎng)殖組底泥O.R.P 圍繞-210.0 mV 波動(dòng)，變幅為-254.8～-190.9 mV，表現(xiàn)為還原性（圖1C）。

圖1 底泥溫度（A）、pH值（B）和O.R.P（C）變化Fig.1 Temperature（A），pH（B）and O.R.P（C）change of pond mud

2.3 底泥營養(yǎng)成分變化

2.3.1 底泥營養(yǎng)成分變化過程

2.3.1.1 底泥有機(jī)質(zhì)含量與碳氮比 由圖2A 可知，對(duì)照組底泥有機(jī)質(zhì)含量在6.0 g/kg 上下波動(dòng)，試驗(yàn)前期較高、后期較低，總體低于初始值；養(yǎng)殖組底泥有機(jī)質(zhì)總體呈上升趨勢，終值達(dá)11.5 g/kg，各時(shí)期均高于對(duì)照組和初始值。由圖2B可知，對(duì)照組底泥碳氮比整體呈下降趨勢，終值為9.2；養(yǎng)殖組底泥碳氮比在11.0上下波動(dòng)，變幅為8.7～12.0，且整體高于對(duì)照組。

圖2 底泥有機(jī)質(zhì)含量（A）和碳氮比（B）變化Fig.2 The content of organic matter（A）and C∶N ratio（B）change in pond mud

2.3.1.2 底泥總氮與堿解氮含量 由圖3A 可知，試驗(yàn)期間對(duì)照組底泥總氮平均值為0.66 g/kg，各時(shí)期間相近，但明顯低于初始值；養(yǎng)殖組底泥總氮含量總體呈上升趨勢，終值0.96 g/kg，各時(shí)期均高于對(duì)照組和初始值。由圖3B可知，對(duì)照組底泥堿解氮平均值為53.4 mg/kg，各時(shí)期間相近，但均低于初始值；養(yǎng)殖組底泥堿解氮先升高后降低，7 月22 日含量最高（117.3 mg/kg），各時(shí)期均高于對(duì)照組和初始值。

圖3 底泥總氮（A）和堿解氮含量（B）變化Fig.3 The content change of TN（A）and alkali-N（B）in pond mud

2.3.1.3 底泥總磷與速效磷含量 由圖4A 可知，試驗(yàn)期間對(duì)照組底泥總磷含量無明顯變化；養(yǎng)殖組底泥總磷含量呈現(xiàn)上升趨勢，最高值1.15 g/kg，各時(shí)期均高于對(duì)照組和初始值。由圖4B可知，對(duì)照組底泥速效磷含量先升高，至7 月22 日達(dá)到最高值（4.95 mg/kg）后逐漸降低，而養(yǎng)殖組底泥速效磷含量則總體呈升高趨勢，最高值為86.17 mg/kg，各時(shí)期均遠(yuǎn)高于對(duì)照組和初始值。

圖4 底泥總磷（A）和速效磷含量（B）變化Fig.4 The content change of TP（A）and olsen-P（B）in pond mud

2.3.1.4 底泥總鉀與速效鉀含量 由圖5A 可知，對(duì)照組和養(yǎng)殖組底泥總鉀含量各時(shí)期變化不大，且各時(shí)期兩組也均相近。由圖5B可知，對(duì)照組底泥速效鉀含量呈微弱的升高趨勢，而養(yǎng)殖組底泥速效鉀含量則明顯呈升高趨勢，養(yǎng)殖組底泥速效鉀最高值為

圖5 底泥總鉀（A）和速效鉀含量（B）變化Fig.5 The content change of TK（A）and avail-K（B）in pond mud

207.67 mg/kg，各時(shí)期均高于對(duì)照組和初始值。

2.3.1.5 底泥鎂和硫含量 由圖6A 可知，對(duì)照組和養(yǎng)殖組底泥鎂含量變化趨勢相同，均先升高，直至8月22 日達(dá)到最高值（136.3 mg/kg 和112.5 mg/kg），之后轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆?，?duì)照組總體高于養(yǎng)殖組。由圖6B可知，試驗(yàn)期間對(duì)照組底泥硫含量平均值為11.8 mg/kg，各時(shí)期差異不大，但均低于初始值；養(yǎng)殖組底泥硫含量先增加，至6 月22 日達(dá)到最高值（89.9 mg/kg）后下降，各時(shí)期均遠(yuǎn)高于對(duì)照組和初始值。

圖6 底泥鎂（A）和硫含量（B）變化Fig.6 The content change of Mg（A）and S（B）in pond mud

2.3.2 底泥營養(yǎng)沉積量 由表2 可知，養(yǎng)殖組底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和總鉀等常量養(yǎng)分均有沉積，其中有機(jī)質(zhì)和總磷沉積最為明顯；堿解氮、速效磷、速效鉀等易利用營養(yǎng)成分均有大量增加，其中速效磷增加近21 倍，硫含量增加近3 倍，僅鎂呈現(xiàn)大量溶解釋放現(xiàn)象。

表2 養(yǎng)殖組底泥營養(yǎng)成分沉積量Tab.2 The nutrients accumulation in the feeding group pond mud

2.4 底泥理化性質(zhì)和營養(yǎng)成分相關(guān)性

由表3 可知，底泥pH 值與底泥有機(jī)質(zhì)、氮、磷、硫等營養(yǎng)成分均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而O.R.P 與它們負(fù)相關(guān)性則更強(qiáng)；底泥碳氮比與除鎂以外的營養(yǎng)成分均呈正相關(guān)關(guān)系，但僅與有機(jī)質(zhì)的正相關(guān)性較強(qiáng)。

表3 底泥理化性質(zhì)和營養(yǎng)成分間Pearson相關(guān)性Tab.3 Pearson correlation between pond mud properties and nutrients

3 結(jié)論與討論

紫色土在土壤發(fā)生上歸為初育土綱、紫色土土類。根據(jù)pH 值劃分為酸性、中性和石灰性紫色土3個(gè)亞類，酸性紫色土pH 值<6.5，一般為3.9～4.6；中性紫色土pH值介于6.5～7.5，一般為6.2～7.5；石灰性紫色土pH 值>7.5，一般為7.7～8.0[1]。本試驗(yàn)中，石灰性紫色土pH值高達(dá)8.5，堿性較強(qiáng)，以之為基礎(chǔ)的池塘底泥更經(jīng)得住酸化[21‐22]。一般情況下，紫色土有機(jī)質(zhì)含量相較于黑土、棕土、褐土、黃土、紅土等明顯偏低，而石灰性紫色土又是3 個(gè)亞類中有機(jī)質(zhì)含量最低的[23]。石灰性紫色土氮磷含量屬于中下水平，僅鉀含量屬于高水平標(biāo)準(zhǔn)，與試驗(yàn)中石灰性紫色土有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量水平一致，綜合屬于較瘦土壤[1]。

遂寧組紫色土出現(xiàn)0.02～0.2 mm 和0.002～0.02 mm 級(jí)土粒的概率極高，出現(xiàn)<0.002 mm 級(jí)土粒的概率較高，出現(xiàn)>0.2 mm 級(jí)土粒的概率極低，即多屬于砂土或壤土質(zhì)地[24]。砂土粒間空隙大，透水性強(qiáng)，保水保肥性弱；黏土粒間空隙小，透水性差，保水保肥性強(qiáng)；壤土粒間空隙適當(dāng)，兼顧砂土和黏土兩者透水保水性質(zhì)。據(jù)此推斷石灰性紫色土建造池塘后土粒與水接觸表面積大，邊坡易被溶解造成淤泥增多底部抬升，養(yǎng)殖過程中應(yīng)注意在休漁期清理底泥或進(jìn)行硬化處理。由于紫色土普遍質(zhì)地較粗易被侵蝕[25]，雨水容易裹挾附近土粒匯入池塘，同樣造成淤泥增多，故而在以紫色土為基礎(chǔ)建造池塘過程中應(yīng)在周邊修筑堤壩。由于中性和石灰性紫色土黏粒含量較酸性紫色土高，致使氮素礦化淋溶速率明顯降低[26]。因此，中性和石灰性紫色土建造池塘后對(duì)水體供給氮素的能力更為持久，但酸性紫色土則能在短期內(nèi)大量供應(yīng)氮素。

池塘建成覆水后，土壤由土粒與空氣形成的固-氣兩相混合物轉(zhuǎn)變?yōu)橥亮Ｅc水形成的固-液兩相混合物，可視作底泥膠體[2，13]；在覆水初期，土粒營養(yǎng)物質(zhì)不斷溶解到間隙水中，并持續(xù)從間隙水向上層水?dāng)U散，為池塘提供肥力，直至土粒與間隙水營養(yǎng)物質(zhì)解吸-吸附達(dá)到平衡[2，27‐28]。由于石灰性紫色土多屬砂土或壤土，且營養(yǎng)偏低，因此對(duì)于非投喂的石灰性紫色土池塘而言，水體在建池初期能從底泥中獲得充足的營養(yǎng)物質(zhì)，但往后將由于底泥營養(yǎng)物質(zhì)枯竭且無穩(wěn)定氮磷等營養(yǎng)輸入而不能持續(xù)保持足夠的漁載力，造成產(chǎn)量下降。覆水后大量物質(zhì)和離子交換到水體中，導(dǎo)致原本呈石灰性的底泥pH值迅速下降，這相當(dāng)于底泥與水體的平衡反應(yīng)，在無干擾的情況下底泥將逐漸趨向中性[21]；水體導(dǎo)致空氣隔絕，底泥O.R.P同樣迅速下降[21]。

陳明海等[4]在研究豐產(chǎn)鯽（Carassius auratus）池塘氮磷收支動(dòng)態(tài)中發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖期3 個(gè)月池塘中氮磷總量升高2～8倍，而且飼料是主要來源，占輸入性氮磷的88% 和96%；劉梅等[6]研究大口黑鱸（Micropterus salmoides）養(yǎng)殖過程中氮磷動(dòng)態(tài)時(shí)有相似結(jié)論，飼料輸入占池塘氮磷收入的95.0%和94.6%。劉梅等[6]指出，底泥沉積氮磷占池塘氮磷輸出的40%～60%，是池塘氮磷的主要輸出方式。與陳明海等[4]研究的精養(yǎng)鯽魚池塘相比，本試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，底泥氮含量低、磷含量高，綜合沉積速率也是如此，這說明紫色土池塘養(yǎng)殖過程中應(yīng)著重注意磷循環(huán)，加強(qiáng)管理，避免過量沉積。在養(yǎng)殖過程中氮磷主要是以有機(jī)質(zhì)形式沉積，無氧條件下有機(jī)質(zhì)厭氧分解不斷產(chǎn)生氫離子和電子，致使底泥pH 值和O.R.P 再次降低，pH 值、O.R.P 與底泥營養(yǎng)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而自由電子與物質(zhì)結(jié)合形成還原性物質(zhì)，造成底泥氧債持續(xù)推高[9，13]。飼料中鉀鎂量少且多為無機(jī)鹽類[29‐30]，易溶于水，在殘餌和糞便下沉或堆積的過程中即已溶解到水體中，在底泥中并無太多沉積，其中沉積的主要形式是速效鉀，而底泥鎂含量的變化則主要取決于膠粒吸附-解吸平衡。

由于有機(jī)質(zhì)持續(xù)沉積和厭氧分解，養(yǎng)殖組底泥pH 值低于對(duì)照組，但試驗(yàn)期內(nèi)處于宜漁區(qū)間[12]，表現(xiàn)出石灰性紫色土作為池塘底泥的較強(qiáng)緩沖能力。試驗(yàn)期間，養(yǎng)殖魚健康無疾病，體質(zhì)量增長近5 倍，月均增重率為34.8%，月均存活率95.5%，養(yǎng)殖效果良好，表現(xiàn)出石灰性紫色土池塘的宜漁性能。養(yǎng)殖組底泥O.R.P 表現(xiàn)為較強(qiáng)的還原性，隨著硫的不斷沉積可能會(huì)產(chǎn)生FeS和H2S[31]，使得底泥變黑、發(fā)臭。底層水氧債持續(xù)推高是池塘養(yǎng)殖的重大隱患，特別在春季和秋季天氣驟變，上下水層對(duì)流混合，底層水上升充滿整個(gè)池塘水體并迅速消耗溶氧，造成水產(chǎn)品中毒、缺氧死亡[32]。為避免翻塘，養(yǎng)殖戶應(yīng)時(shí)刻關(guān)注天氣變化，氣溫驟變時(shí)需即刻開啟增氧機(jī)；可套養(yǎng)少量底層魚類，適當(dāng)擾動(dòng)使得上下水層輕微交換，減少底層氧債[33]；在精養(yǎng)池塘安裝增氧機(jī)以提升底層水和間隙水溶氧濃度[34]，降低氧債，提高O.R.P。漁業(yè)養(yǎng)殖不僅使底泥pH 值和O.R.P 降低與底層氧債推升，還會(huì)造成池塘底部抬升[35]。因此，一般在休漁期翻塘、潑灑生石灰并暴曬以殺菌、改底、充分氧化底泥有機(jī)物[18]；而直接移除池塘底泥，尤其是投飼區(qū)底泥，既可降低底泥有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)含量，形成新的底泥環(huán)境，還可保持池塘深度。有研究指出，池塘底泥富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)素，是肥料和種植基質(zhì)的良好原材料[36‐37]。

石灰性紫色土池塘養(yǎng)殖1 a 后，底泥有機(jī)質(zhì)含量為12 g/kg，為較高產(chǎn)量池塘；按照5.1 g/（kg·a）沉積速度，3 a 后底泥有機(jī)質(zhì)濃度即接近25 g/kg，池塘將變?yōu)榈彤a(chǎn)量塘[12]。在實(shí)際養(yǎng)殖過程中，可能由于殘餌、糞便、地表徑流、水草藻類等沉積更多的有機(jī)質(zhì)[38‐39]，尤其是投餌區(qū)域[40‐41]，故而建議石灰性紫色土池塘底泥每3 a 清理1 次。底泥碳氮比直接影響池塘魚潛在產(chǎn)量，低于5 和高于15 均為低產(chǎn)量，在5～10 為一般產(chǎn)量，在10～15 則為高產(chǎn)量[12]。按此推算，石灰性紫色土精養(yǎng)池塘建成后前3 a 潛在魚產(chǎn)量高，之后則變?yōu)榈彤a(chǎn)量；而自然池塘由于有機(jī)質(zhì)逐漸消耗，碳氮比逐漸下降，建議適當(dāng)增補(bǔ)底泥有機(jī)質(zhì)。