孫成渤，李建國，趙冬艷，李崇文，武君君，危立坤

( 1.天津農(nóng)學(xué)院，國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心水產(chǎn)生態(tài)與養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津市天祥水產(chǎn)有限公司，天津 301500； 3.上海四鰓鱸水產(chǎn)科技發(fā)展有限公司，上海 200433；4.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海201306 )

多級(jí)生物凈化在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的水質(zhì)調(diào)控效果

孫成渤1，李建國1，趙冬艷1，李崇文2，武君君3，危立坤4

( 1.天津農(nóng)學(xué)院，國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心水產(chǎn)生態(tài)與養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津市天祥水產(chǎn)有限公司，天津 301500； 3.上海四鰓鱸水產(chǎn)科技發(fā)展有限公司，上海 200433；4.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海201306 )

采用逐月采樣的方法研究了多級(jí)生物凈化措施，即在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的動(dòng)力水渠浮床培植多種水生經(jīng)濟(jì)植物、構(gòu)建固定微生物膜和養(yǎng)殖貝類，在沉淀池和凈化池放養(yǎng)濾食性魚類，建立蘆葦人工濕地，對養(yǎng)殖系統(tǒng)中無機(jī)營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)含量與分布的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)殖水體經(jīng)多級(jí)生物凈化處理后能夠循環(huán)使用，水體堿度和硬度輕微降低，除磷酸鹽含量上升5.4%外，硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮、總氮和總磷的去除率分別為27.7%、44.0%、26.0%、42.0%和15.7%；浮游植物和浮游動(dòng)物生物量分別下降31.4%和20.1%；浮游植物生物多樣性指數(shù)增加，種類組成明顯好轉(zhuǎn)，藍(lán)藻生物量和優(yōu)勢度指數(shù)明顯降低，硅藻和綠藻繼而成為優(yōu)勢種群，凡納濱對蝦平均產(chǎn)量達(dá)11 250 kg/hm2，最高產(chǎn)量達(dá)15 000 kg/hm2，提高了經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)；多級(jí)生物凈化；營養(yǎng)鹽；浮游生物；水生植物

水體污染制約了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)向生態(tài)型、集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展[1]。在集約化養(yǎng)殖中，放養(yǎng)密度和飼料投喂量的增加，提高了養(yǎng)殖動(dòng)物的產(chǎn)量和養(yǎng)殖水域的利用率。但是，大量殘餌、糞便、肥料和藥物使養(yǎng)殖水環(huán)境日益惡化，負(fù)面環(huán)境效應(yīng)非常突出，水產(chǎn)動(dòng)物疫病肆虐橫行。濫用防治疾病的消毒劑和藥物不僅增加了養(yǎng)殖成本，也給水域生態(tài)環(huán)境帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，降低了水產(chǎn)品質(zhì)量，影響人類健康。因此，發(fā)展無公害生態(tài)養(yǎng)殖，推動(dòng)養(yǎng)殖廢水的循環(huán)利用，制定合適的養(yǎng)殖水環(huán)境修復(fù)技術(shù)非常必要。

兩年兩次試驗(yàn)期間，筆者在總水面45.3 hm2池塘中，采用多級(jí)生物凈化工藝調(diào)控封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了水體循環(huán)使用的零交換。多級(jí)綜合生物凈化水體技術(shù)主要包括：微藻和微生物固定化、水生植物去除氮磷和化感抑藻、濾食性魚貝類凈化水質(zhì)，水流控藻、自然沉淀和池塘底質(zhì)吸附等。試驗(yàn)期間，調(diào)查了封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的主要營養(yǎng)鹽指標(biāo)、浮游生物群落結(jié)構(gòu)以及主要水生經(jīng)濟(jì)植物和濾食性魚貝類的投入和產(chǎn)出，分析了多級(jí)生物凈化措施實(shí)施前后系統(tǒng)內(nèi)各采樣點(diǎn)的主要營養(yǎng)鹽指標(biāo)變化趨勢，浮游生物的群落結(jié)構(gòu)特征及生物量變化，為更好地改善該養(yǎng)殖模式的水質(zhì)條件，改進(jìn)水環(huán)境修復(fù)技術(shù)和養(yǎng)殖系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖系統(tǒng)的組成與構(gòu)建

試驗(yàn)在天津市寧河縣天祥水產(chǎn)養(yǎng)殖基地進(jìn)行，封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)由多級(jí)生物凈化系統(tǒng)和養(yǎng)殖區(qū)組成(圖1)，分別占總水面面積的23.3%和76.7%，總水面面積45.3 hm2。

多級(jí)生物凈化系統(tǒng)(圖1a)利用不同生物的生理習(xí)性及其間的協(xié)同作用，有效調(diào)控和凈化養(yǎng)殖池塘水質(zhì)，提高凈化效率，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖排放水重復(fù)循環(huán)利用[2]。該系統(tǒng)主要由動(dòng)力水渠、沉淀池和凈化池組成(圖1b)。養(yǎng)殖區(qū)(34.7 hm2，深2～2.5 m)的廢水排入動(dòng)力水渠(長1500 m，寬15～20 m，深1.5～3 m，流速20 cm/s)，經(jīng)兩臺(tái)流量為900 m3/h的水泵提升后相繼進(jìn)入沉淀池和凈化池(兩池共8.7 hm2，均深5 m)以及自流水渠(長300 m，流速1 m/s)，最后回流至養(yǎng)殖區(qū)。周換水10%～20%。多級(jí)生物措施包括：構(gòu)建人工基質(zhì)固定化微生物膜、浮床培植水生經(jīng)濟(jì)植物、建造蘆葦濕地以及養(yǎng)殖底棲軟體動(dòng)物和濾食性魚類。具體實(shí)施方法如下：

圖1 封閉循環(huán)水養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)組成

人工基質(zhì)固定化微生物膜在動(dòng)力水渠布置8道聚乙烯網(wǎng)片，其網(wǎng)線直徑0.2 mm，網(wǎng)孔6目，網(wǎng)片用繩子固定，用以形成固定化微生物膜。每片與動(dòng)力水渠的橫截面吻合，高1.5 m，寬10～17 m，總面積180 m2。

水生經(jīng)濟(jì)植物浮床和蘆葦濕地在動(dòng)力水渠設(shè)置水生經(jīng)濟(jì)植物浮床，第一次試驗(yàn)設(shè)置40 m2水蕹菜(Ipomoeaaquatica)浮床，每塊浮床(2 m2)培植63株；第二次試驗(yàn)設(shè)置混作浮床，其中水蕹菜100 m2，紫背天葵(Begoniafimbristipula)4 m2，薄荷(Menthahaplocalyx)10 m2，美人蕉(Cannaindica)4 m2，韭菜(Alliumtuberosum)4 m2。此外，在動(dòng)力水渠以及沉淀池和凈化池的邊沿培植挺水植物蘆葦(Phragmitesaustralis)，首先保持水體低水位1.5 m約50 d，待蘆葦長至一定高度后繼續(xù)蓄水，形成蘆葦濕地12 000 m2，面積占整個(gè)養(yǎng)殖區(qū)的15%。

1.2 浮游植物定性、定量和水化因子測定

對浮游植物進(jìn)行定性(種類鑒定)、定量(數(shù)量和生物量)，據(jù)此推算多樣性指數(shù)和水體漁產(chǎn)力。浮游生物的采樣、定性、定量方法參照《內(nèi)陸水域漁業(yè)自然資源調(diào)查手冊》[4]；水化因子(堿度、硬度、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮、磷酸鹽、總氮、總磷)分析參照《水化學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》[5]。

表1 沉淀池和凈化池中濾食性魚類的放養(yǎng)情況

第一次試驗(yàn)采樣3次(5、9月和10月)，第二次試驗(yàn)采樣5次(5、6、7、9月和10月)，其中5月為多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行前的水環(huán)境，其他月份為該凈化系統(tǒng)運(yùn)行養(yǎng)殖期。共設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)(圖1b)：養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖廢水排放至動(dòng)力水渠始端1#，然后至動(dòng)力水渠末端2#，再經(jīng)沉淀池進(jìn)入凈化池3#，最后經(jīng)自流水渠進(jìn)入養(yǎng)殖區(qū)前的4#。采樣時(shí)，在采樣點(diǎn)四邊和中心分別取表層和底層水，混合后用于測定。

去除率/%=(C1#—C3#)/C1#×100%

式中，C1#和C3#表示1#和3#采樣點(diǎn)的氮、磷營養(yǎng)鹽含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)(Y)、香農(nóng)—威納多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)分析評價(jià)浮游植物的生態(tài)學(xué)特征[3]。各項(xiàng)指數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，ni為某采樣點(diǎn)i種的數(shù)量；N為某采樣點(diǎn)浮游植物總數(shù)量；Ni為某采樣點(diǎn)i種的總數(shù)量；fi為i種在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率；S為某采樣點(diǎn)浮游植物總種類數(shù)。當(dāng)指數(shù)H′為0～1時(shí)為重污染，1～2時(shí)為中污染，2～3時(shí)為輕污染，大于3時(shí)為無污染；指數(shù)J為0～0.3時(shí)為重污染，0.3～0.5時(shí)為中污染，0.5～0.8時(shí)為輕污染或無污染[6]。

試驗(yàn)中所有樣品測定均作3次平行。采用Excel和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析，分析所得數(shù)據(jù)P<0.01表示差異極顯著，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié) 果

2.1 凈化前、后營養(yǎng)鹽含量的變化

堿度和硬度兩次試驗(yàn)期間，養(yǎng)殖池水凈化前(1#)堿度的平均值分別為8.52、7.97 mmol/L，凈化后(3#)分別為7.41、7.42 mmol/L；同樣，凈化前(1#)硬度的平均值分別為12.45、10.70 mmol/L，凈化后(3#)分別為11.10、9.88 mmol/L(表2)?？梢?，兩次試驗(yàn)中凈化后堿度和硬度略低于凈化前。

氮營養(yǎng)鹽第一次試驗(yàn)養(yǎng)殖池水凈化前(1#)，氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的平均值分別為47.29、4.35 μmol/L和9.82 μmol/L，凈化后(3#)分別為33.34、2.48 μmol/L和6.42 μmol/L，去除率分別為29.49%、42.98%和34.62%(表2、表3)。第二次試驗(yàn)養(yǎng)殖池水凈化前(1#)，氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的平均值分別為54.21、9.12、14.52 μmol/L和2.86 mg/L，凈化后(3#)分別為46.72、6.21、10.33 μmol/L和1.66 mg/L，去除率分別為13.81%、31.94%、28.83%和41.91%(表2、表3)。試驗(yàn)期間養(yǎng)殖池塘排放水氮營養(yǎng)鹽含量基本正常，經(jīng)凈化后，所有氮營養(yǎng)鹽指標(biāo)得到有效改善，變動(dòng)幅度均明顯減小。

磷營養(yǎng)鹽兩次試驗(yàn)期間，養(yǎng)殖池水凈化前(1#)磷酸鹽的平均值分別為11.20、10.36 μmol/L，凈化后(3#)分別為11.70、13.23 μmol/L，去除率分別為-4.46%、-17.70%(表2、表3)。第二次試驗(yàn)養(yǎng)殖池水凈化前(1#)，總磷的平均值為1.27 mg/L，凈化后(3#)為1.07 mg/L，去除率為15.74%(表2、表3)。

凈化系統(tǒng)構(gòu)建前、后的方差分析以第一次試驗(yàn)多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行前(5月)、后(9—10月)為例，對主要營養(yǎng)鹽指標(biāo)進(jìn)行了方差分析(表3)。結(jié)果表明，多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行后養(yǎng)殖場水體的主要氮、磷營養(yǎng)鹽含量與系統(tǒng)運(yùn)行前之間存在顯著差異，系統(tǒng)運(yùn)行后，有效去除了部分氮、磷營養(yǎng)鹽，水質(zhì)得到凈化。

2.2 凈化前、后浮游植物種類和生物量的變化

浮游植物兩次試驗(yàn)分別獲得浮游植物6個(gè)門類，共計(jì)42、46個(gè)種屬，其中綠藻種類最多，分別有18、16種；硅藻分別有7、11種；藍(lán)藻分別有9、10種；裸藻、隱藻、金藻種類均較少(此部分?jǐn)?shù)據(jù)已在另一篇文章中刊出[7])。

兩次試驗(yàn)期間，封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)浮游植物的生物量主要為硅藻、綠藻和裸藻，多數(shù)時(shí)間和采樣點(diǎn)中硅藻占據(jù)絕對優(yōu)勢(表4)；運(yùn)行后與運(yùn)行前相比，以及系統(tǒng)運(yùn)行后3#凈化池(多級(jí)生物凈化系統(tǒng)末端)與1#養(yǎng)殖區(qū)總排水口相比，藻類組成變化趨勢相似：藍(lán)藻和裸藻的生物量比例顯著降低，而硅藻和隱藻的比例則明顯增加，其中硅藻比例增加10%～34%，而綠藻比例基本在20%以內(nèi)波動(dòng)。硅藻和綠藻的Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)基本占據(jù)前兩甲席位；藍(lán)藻在凈化系統(tǒng)運(yùn)行前的整個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)以及運(yùn)行后的1#養(yǎng)殖區(qū)總排水口也占有較大優(yōu)勢，但因其個(gè)體通常較其他藻類小，生物量很小，而且經(jīng)多級(jí)生物凈化系統(tǒng)處理后，藍(lán)藻的優(yōu)勢度指數(shù)明顯降低。

浮游動(dòng)物養(yǎng)殖系統(tǒng)的浮游動(dòng)物主要為輪蟲，其次為橈足類和原生動(dòng)物(表4)。從百分比角度看，多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行后與運(yùn)行前相比，輪蟲和枝角類的生物量增加，而橈足類減少；第一次試驗(yàn)，原生動(dòng)物比例增加，且擁有最大的Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)，而第二次試驗(yàn)期間原生動(dòng)物比例微乎極微，浮游動(dòng)物生物量一直控制在較低水平(表4、表5)。系統(tǒng)運(yùn)行后，3#凈化池與1#養(yǎng)殖區(qū)總排水口相比，輪蟲生物量百分比和Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)大幅降低，枝角類和橈足類百分比增加，但輪蟲的Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)仍然最高。

多樣性指數(shù)多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行后，浮游植物和浮游動(dòng)物種類比運(yùn)行前有不同程度增加(表5)。系統(tǒng)運(yùn)行后，3#沉淀池(凈化系統(tǒng)末端)與1#養(yǎng)殖區(qū)總排水口相比，浮游植物種類、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均有不同程度的增加，而浮游植物生物量和浮游動(dòng)物生物量均有不同程度減少，其中浮游植物生物量平均減少31.4%。浮游植物的多樣性指數(shù)越大，表示組成群落的生物種類越多，說明群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[3]。試驗(yàn)過程中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)，進(jìn)一步證明了多級(jí)生物凈化系統(tǒng)提高了浮游植物多樣性，使養(yǎng)殖生境復(fù)雜多樣，水質(zhì)相對清潔。

表2 多級(jí)生物凈化系統(tǒng)各月份不同測試點(diǎn)水中氮、磷營養(yǎng)鹽的含量

注：“—”表示第一次試驗(yàn)未檢測項(xiàng).下表同.

表3 各月份多級(jí)生物凈化系統(tǒng)對氮、磷營養(yǎng)鹽的去除率 %

注：“*”代表第一次試驗(yàn)多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行前(5月)和運(yùn)行后(9—10月)水體中營養(yǎng)鹽含量之間存在顯著差異，“**”代表差異極顯著.

表4 多級(jí)生物凈化前后各門類浮游生物生物量百分比及其優(yōu)勢度指數(shù)

注：生物量百分比為各門類浮游生物鮮質(zhì)量占所屬浮游植物或浮游動(dòng)物總鮮質(zhì)量的百分比.括號(hào)內(nèi)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ……Ⅸ、Ⅹ分別指各門類浮游生物的Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)介于0～0.01、0.01～0.05、0.05～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3……0.6～0.7、0.7～1.0.

表5 多級(jí)生物凈化系統(tǒng)浮游生物種類數(shù)、生物量及浮游植物多樣性指數(shù)

2.3 凈化系統(tǒng)中多級(jí)生物的投入和產(chǎn)出

水蕹菜等水生經(jīng)濟(jì)植物的生長吸收了大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，減輕了水體富營養(yǎng)化程度，使水質(zhì)得到凈化。第一次試驗(yàn)，褶紋冠蚌凈增長17.5 kg，即相當(dāng)于175 kg的浮游植物、有機(jī)腐屑等被褶紋冠蚌同化吸收，轉(zhuǎn)化成自身組織(表6)。

第二次試驗(yàn)，鰱魚生長期間浮游植物生物量為60.43 mg/L，P/B系數(shù)按80計(jì)，鰱魚對浮游植物的利用率取20%，餌料系數(shù)為30～50；鳙魚生長期間浮游動(dòng)物生物量為1.22 mg/L，P/B系數(shù)按30計(jì)，鳙魚對浮游動(dòng)物的利用率取80%，餌料系數(shù)取10。依據(jù)上述參數(shù)估算，第二次試驗(yàn)沉淀池和凈化池的浮游植物生產(chǎn)量為24 t/(hm2·年)，鰱魚漁產(chǎn)力為1.2 t/(hm2·年)，實(shí)際鰱魚產(chǎn)量900 kg/(hm2·年)。浮游動(dòng)物生產(chǎn)量為1.8 t/(hm2·年)，鳙魚漁產(chǎn)力為150 kg/(hm2·年)，實(shí)際鳙魚產(chǎn)量450 kg/(hm2·年)。一般浮游植物體內(nèi)氮磷比為16∶1，估算浮游植物吸收水體中氮216 t/(hm2·年)，磷13.5 t/(hm2·年)。

以水生經(jīng)濟(jì)植物和濾食性水產(chǎn)動(dòng)物改善水質(zhì)的措施，發(fā)揮養(yǎng)殖動(dòng)植物之間的互利作用，合理利用水體和餌料，改善養(yǎng)殖池塘環(huán)境，促使主副產(chǎn)品雙豐收(表6)，提高了經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

表6 凈化系統(tǒng)中主要經(jīng)濟(jì)種類的投入和產(chǎn)出情況 kg

注：“—”表示未投入或未產(chǎn)出.

3 討 論

3.1 凈化前后水化因子的變化

試驗(yàn)地點(diǎn)瀕臨渤海，地勢低洼，多為鹽堿地，養(yǎng)殖水為高堿度、高硬度、富營養(yǎng)化的水體。高堿度、高硬度使水體具備足夠大的緩沖能力，保持養(yǎng)殖水體相對穩(wěn)定的pH；充足的堿度可促進(jìn)有機(jī)物和膠體物質(zhì)的絮凝[8]。7—9月水體的堿度大于4—6月，這與高溫季節(jié)浮游植物光合作用增強(qiáng)，CO2消耗增加有關(guān)。經(jīng)多級(jí)生物凈化后，兩次試驗(yàn)的堿度、硬度平均值均有所降低，但變幅較小(表2)。硬度參與了某些生物生化過程，養(yǎng)殖區(qū)有機(jī)物的礦化降解而使其值增大；對于多級(jí)生物凈化系統(tǒng)，因有機(jī)物消耗、沉淀而使其值減小。

養(yǎng)殖系統(tǒng)中氨氮是總氮的主要組分，其變化決定著總氮的變化(表2)。在水溫較低的5月，生物活動(dòng)量低，底質(zhì)向水體釋放的營養(yǎng)鹽不能及時(shí)轉(zhuǎn)化，因而含量較高，之后進(jìn)入高溫養(yǎng)殖季，盡管有餌料等外源性營養(yǎng)物質(zhì)注入，但因水生生物的活動(dòng)加劇，大量營養(yǎng)物質(zhì)很快轉(zhuǎn)化為生物有機(jī)體。10月水溫開始下降，水生生物對營養(yǎng)鹽的利用降低，而外源性營養(yǎng)物質(zhì)的繼續(xù)持續(xù)注入和礦化降解，導(dǎo)致水體營養(yǎng)鹽含量回升。

值得注意的是，經(jīng)過多級(jí)生物凈化后(3#)，由于固定化微生物膜，水生植物的吸收降解以及自然沉淀、底泥吸附等作用，降低了水體中部分氮、磷含量，氮營養(yǎng)鹽含量明顯下降，但是磷營養(yǎng)鹽含量不降反升。投餌、施肥給養(yǎng)殖水體帶入大量含磷化合物，而且部分池塘覆膜，相當(dāng)多的磷不能沉積，導(dǎo)致兩次試驗(yàn)期間養(yǎng)殖池塘排放水的磷酸鹽含量始終保持較高水平。研究表明，餌料和肥料分別占對蝦養(yǎng)殖池中磷總輸入的30.0%～34.7%和65.1%～69.9%[9]。水底沉積物也是表層水中有效磷的重要來源。動(dòng)力水渠的水體流動(dòng)，使底層溶解磷向表層水遷移，因此凈化系統(tǒng)末端磷酸鹽含量不降反升。

3.2 凈化前后浮游生物的變化

多級(jí)生物凈化系統(tǒng)不僅能有效降低水體氮、磷營養(yǎng)鹽含量，還能減少浮游生物的生物量，提高養(yǎng)殖系統(tǒng)生物多樣性。多級(jí)生物凈化系統(tǒng)運(yùn)行后(即6—10月)，正值水溫最高，投餌量加大，但水質(zhì)仍明顯改善：從排水點(diǎn)1#經(jīng)動(dòng)力水渠至凈化池3#，營養(yǎng)鹽含量顯著下降(除磷酸鹽含量上升外)，浮游植物生物量大幅減少，平均減少31.6%，尤其是藍(lán)藻生物量平均減少63%，浮游動(dòng)物生物量也隨之減少。其原因可能是固定化微生物膜對營養(yǎng)鹽的吸收，有機(jī)物的礦化降解，水蕹菜等水生經(jīng)濟(jì)植物浮床和蘆葦濕地對營養(yǎng)鹽、光照和空間的競爭及其化感抑藻效應(yīng)，加之褶紋冠蚌、鰱魚、鳙魚的濾食，還有水體的流動(dòng)等。不同月份各點(diǎn)浮游植物的優(yōu)勢種群均為硅藻、綠藻、裸藻及藍(lán)藻。在凈化池3#，硅藻為絕對優(yōu)勢種群，種類組成明顯好轉(zhuǎn)，生物多樣性指數(shù)增加。

浮游生物總生物量和各門類生物量變化具有一定的規(guī)律性。水體的營養(yǎng)鹽水平與浮游植物生物量密切相關(guān)，即在凈化過程中，浮游植物的總生物量隨水體營養(yǎng)鹽水平的降低而逐漸降低，浮游動(dòng)物的生物量也隨之減少。封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的浮游動(dòng)物組成中，未出現(xiàn)大量原生動(dòng)物，其生物量百分比小于輪蟲和橈足類，也未見攝食細(xì)菌的纖毛蟲類。各點(diǎn)浮游動(dòng)物平均生物量都不大，表明水質(zhì)良好。

一般認(rèn)為，富營養(yǎng)化的主要原因是適宜的水溫、緩慢或停滯的水流和過高的營養(yǎng)鹽等[10]。研究表明，水流速度明顯影響浮游植物的種類組成。在水庫中，當(dāng)水流速超過360 m/h時(shí)，藍(lán)藻的生長受抑制，在浮游植物中的占比很低[7, 11]。動(dòng)力水渠內(nèi)形成的水流能抑制藍(lán)藻生長，促進(jìn)硅藻繁殖，改善浮游生物群落結(jié)構(gòu)。李飛鵬等[12]的相關(guān)試驗(yàn)也表明，持續(xù)的水流可使浮游植物種類減少以及群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一定流速的水流可使藍(lán)藻迅速消失，而硅藻和綠藻成為優(yōu)勢種群。

3.3 凈化系統(tǒng)中多級(jí)生物的水質(zhì)凈化作用

在動(dòng)力水渠放置固定聚乙烯網(wǎng)片，在流水下可逐漸形成微生物膜，擴(kuò)大了有益菌和底棲藻類的作用面積。有益微生物被固定后不會(huì)隨排水外流，可降解養(yǎng)殖環(huán)境中過剩的營養(yǎng)物質(zhì)(如水體溶解有機(jī)物)以及氨氮、硫化氫等有害物質(zhì)。研究表明，硝化和反硝化作用是去除氨氮(約40%～92%)的主要機(jī)制[13]。固定化微生物處理技術(shù)可使養(yǎng)殖池塘水體微生物的數(shù)量提高1倍以上，對水體氮、磷、化學(xué)需氧量等的去除率可達(dá)11%～90%，池塘葉綠素a含量下降37%～57%[14]。

在動(dòng)力水渠培植大型水生維管束植物是加速降低養(yǎng)殖環(huán)境中過剩營養(yǎng)鹽的有效途徑，可保持池塘水質(zhì)清、爽、活，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水資源化[2, 7, 15-20]。水生維管束植物容易栽培,通常有驚人的生長速度；可以吸收和降解某些有機(jī)污染物，或富集某些重金屬；可以影響池塘不同層面中氮循環(huán)細(xì)菌和真菌的數(shù)量，使不同類群的微生物共存于同一水層；促進(jìn)了物質(zhì)循環(huán)，提高了系統(tǒng)的凈化能力[21]。操家順等[15]研究表明，在重污染水體中浮床培植的水蕹菜對總氮、總磷、氨氮的去除率均為92%～94%。胡綿好等[16]發(fā)現(xiàn)，在不同氮水平的富營養(yǎng)化水體中，水蕹菜對總氮、總磷、生化需氧量和化學(xué)需氧量的去除能力最佳，其次為水芹(Oenanthejavanica)、黃花菜(Hemerocalliscitrina)和芹菜(Celerysp.)，韭菜最差。有資料報(bào)道，蘆葦[17]、紫背天葵[22]、美人蕉[20]、薄荷[18]控制不同水體富營養(yǎng)化均取得了較好的效果。

近年來，水生植物化感作用抑藻已成為引人矚目的一種綠色有效的克藻方法。大量研究表明，一些水生植物產(chǎn)生的次生代謝物(即化感物質(zhì))可以有效控制水華藻類的生長[23-25]。化感物質(zhì)能持續(xù)釋放、迅速降解，對藻類的抑制作用具有明顯的種類選擇性[26]。研究發(fā)現(xiàn)，水蕹菜[15, 26]、蘆葦[27]、美人蕉[28-29]和韭菜[30]的種植水或浸提液對常見藍(lán)藻[銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)]和綠藻[小球藻(Chlorellasp.)]等水華具有顯著的化感抑制效應(yīng)，其抑藻機(jī)理可能在于化感物質(zhì)的脅迫抑制了藻細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶體系，活性氧自由基過量堆積等，使藻細(xì)胞受傷害，影響正常的光合作用[29]。

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RegulatingEffectofMulti-stageBiologicalPurificationonWaterQualityinaClosedRecirculatingAquacultureSystem

SUN Chengbo1，LI Jianguo1，ZHAO Dongyan1， LI Chongwen2，WU Junjun3，WEI Likun4

( 1.Key Lab of Aquatic Ecology and Aquaculture， Tianjin Agricultural College, Tianjin 300384， China; 2.Tianxiang Aquatic Co., Ltd. Tianjin, Tianjin 301500， China； 3.Shanghai Sisailu Aquatic Sience & Technology Development Co., Ltd， Shanghai 200433， China； 4.College of Fisheries and Life Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China )

Various aquatic economic plant floating beds, placing immobilized microorganism membrane and cultivating shellfish in a power canal, culture filter-feeding fish in the sedimentation and purification ponds, and buildingPhragmitesaustraliswetland were established in a closed recirculating aquaculture system (CRAS). The monthly monitoring revealed that the multi-stage biological purification above played an important role in the distribution, variation and biological cycle of inorganic nutrients and organic matter in the CRAS. The aquaculture water was shown to be recycled via the multi-stage biological purification processing with low alkalinity and hardness in aquaculture water. The removal rates were found to be 27.7% of NO3-N, 44.0% NO2-N, 26.0% NH3-N, 42.0% TN and 15.7% TP, except for PO4-P content increased by 5.4%. The biomass was decreased by 31.4% in phytoplankton and 20.1% in zooplankton. Biodiversity index of phytoplankton was increased and species the composition of phytoplankton was improved obviously. The biomass and dominance index of Cyanophyta species were reduced markedly, and then the species of Bacillariophyta and Chlorophyta became dominant populations. The economically aquatic plants and filter-feeding fish and shellfish not only properly utilized aquaculture water and feeds, and developed the role of mutual benefit among aquatic animals and plants, but also improved aquaculture pond environment, promoting the good yields of both main and by-products. The Pacific white leg shrimpLitopenausvannameihad average yield of 11 250 kg/hm2, with the maximal yield of 15 000 kg/hm2,and with high economic performances and ecological benefits.

closed recirculating aquaculture system; multi-stage biological purification; nutrient; phytoplankton; aquatic plant

10.16378/j.cnki.1003-1111.2017.05.006

2016-09-18；

2016-11-28.

國家星火計(jì)劃項(xiàng)目(S2011A100020).

孫成渤(1957-)，男，教授；研究方向：水生生物學(xué)和養(yǎng)殖水域環(huán)境修復(fù)．E-mail：sunchengbo2003@sohu.com.

S959

A

1003-1111(2017)05-0577-08