楊耿介，王文琳，楊申，李樂洲，王玉龍，周瑋

（大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023）

水體沉降顆粒物由池塘浮游生物產(chǎn)生的顆粒有機(jī)物及沉積物再懸浮顆粒物等的沉降作用形成。在水域環(huán)境中，沉降顆粒物可被濾食性動(dòng)物攝食[1];在細(xì)菌等微生物的分解作用下，大量碳、氮、磷營養(yǎng)鹽富集在沉積物中或水體中，為池塘生態(tài)系統(tǒng)提供物質(zhì)和能量[2]。對沉降通量的研究起自二十世紀(jì)八十年代，闡述了水域生態(tài)系統(tǒng)中沉降顆粒物的形成、變化和沉降過程、水體吸收、儲存與轉(zhuǎn)移碳、氮、磷營養(yǎng)鹽的生物轉(zhuǎn)化過程，指出沉降顆粒物可增加池塘水體穩(wěn)定性，而沉降通量的性質(zhì)和含量可綜合評價(jià)池塘底質(zhì)與水體的物質(zhì)轉(zhuǎn)換及池塘水域生態(tài)系統(tǒng)的功能[3-6]。郭志剛和楊作升[7]利用震動(dòng)式取樣器從東海陸架取得3 個(gè)柱狀巖芯樣品，分析了沉積物中碳、氮含量和粒度。表明碳在東海陸架的垂直轉(zhuǎn)移主要依賴于顆粒物，夏季生物大量繁殖，許多顆粒碳可從水體轉(zhuǎn)入海底沉積物，而在冬季，主要表現(xiàn)為去碳作用，海底沉積物-海水界面碳的收支處于動(dòng)態(tài)平衡。王永香等[8]采用總氮沉降通量指標(biāo)，對比發(fā)現(xiàn)刺參、海蜇、對蝦復(fù)合養(yǎng)殖系統(tǒng)總氮沉降通量顯著高于各單養(yǎng)系統(tǒng)，刺參產(chǎn)量提高。當(dāng)前，用沉降通量指標(biāo)評價(jià)水體環(huán)境多用于海洋、水庫、海水養(yǎng)殖區(qū)等大型水體，對參池研究較少。本文通過研究參池水域生態(tài)系統(tǒng)中沉降顆粒物的碳氮磷沉降通量的季節(jié)變化，以探討沉降通量作為評價(jià)水質(zhì)調(diào)控的重要指標(biāo)的作用和可行性。

傳統(tǒng)參池通常每月定期納潮換水，無法從根本上改善底質(zhì)環(huán)境[9]。生產(chǎn)上有些海參池塘采用微孔曝氣增氧技術(shù)調(diào)控水質(zhì)，水體底層中溶氧量提高2～3 mg/L[10]，改善池底沉積顆粒物的氧化環(huán)境[11，12]，促進(jìn)刺參生長代謝。養(yǎng)水機(jī)為本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種水質(zhì)調(diào)控設(shè)備（專利號：ZL200610077526.5），顯示出一定的效果[13-18]，但從顆粒物質(zhì)沉降通量的角度，深入探討?zhàn)B水機(jī)運(yùn)行對參池環(huán)境的影響還未涉及。本實(shí)驗(yàn)研究了上述3 類水質(zhì)調(diào)控參池沉降顆粒物質(zhì)平均總碳、總氮、總磷沉降通量，比較分析了不同參池的差異，為在現(xiàn)有水質(zhì)調(diào)控方式下科學(xué)管理參池提供新思路。這3 類參池分別是：自然納潮水質(zhì)調(diào)控方式下的參池（自然池塘）、進(jìn)水口底部配置微孔曝氣增氧設(shè)備的參池（微孔曝氣池塘）和配置養(yǎng)水機(jī)設(shè)備的參池（養(yǎng)水機(jī)池塘），以自然池塘作對照。

1 材料與方法

1.1 飼養(yǎng)方式

3 類參池均為600 m×85 m×1.5 m，南深北淺，泥沙池底。每月大潮（陰歷初一、十五）期間換水。微孔曝氣池塘在進(jìn)水口底部配置微孔曝氣設(shè)備，由底部的曝氣管向水中擴(kuò)散微氣泡[19]。當(dāng)參池缺氧時(shí)，微孔曝氣設(shè)備開始工作，陰雨天和夏季適當(dāng)增加工作時(shí)間。養(yǎng)水機(jī)池塘配置養(yǎng)水機(jī)（專利號：ZL20061 0077526.5）（圖1）。該設(shè)備也放置于進(jìn)水口底部，工作時(shí)抽取表層水至設(shè)備底層，經(jīng)由底層750 W 水泵水平射出，打破池躍層，實(shí)現(xiàn)表層水與底層水強(qiáng)制混合。養(yǎng)水機(jī)每日21:00—次日9:00 工作，冬季（12～2 月）工作1 h。

1.2 樣品采集和測定

2015 年10 月—2016 年9 月期間，每月?lián)Q水后1，在各類參池底部中軸線的進(jìn)水口、中部、排水口分別放置沉降顆粒收集裝置（實(shí)用新型專利：CN 203178112 U）收集沉降顆粒物樣品（圖2），上端用尼龍網(wǎng)遮蓋防止大型水生動(dòng)物進(jìn)入，下端嵌套重物防止漂浮[20-22]，6 d 后收回?；厥蘸箪o置2 h 后去除上清液，將沉降顆粒物倒入培養(yǎng)皿，在60℃下烘至恒重后研磨，用天平稱重后裝入密封袋在干燥器中保存。每種樣品采樣重復(fù)3 次。

同步測定3 類參池進(jìn)水口、池中部、排水口（從南向北分別記為A、B、C 點(diǎn)）沉降顆粒物的干重，記為mA、mB和mC，沉降顆粒物的沉降量分別記為fA、fB和fC，其中某種成分的沉降通量分別為fcA、fcB和fcC。

沉降顆粒物中某種成分的沉降通量見公式（3）：

式中：f 為沉降顆粒垂直沉降量；m 為沉降顆粒干重；h 為采樣時(shí)間；a 為采樣裝置的橫截面積，fC為沉降顆粒物中某種成分的沉降通量，b 為沉降顆粒物中某種成分的百分含量。

沉降顆粒物中總碳含量采用遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院的菲尼根Flash 2000 HT 型元素分析儀測定；總氮含量采用凱式定氮法測定（GB 17378.5—2007）；總磷含量采用硫酸-高氯酸消化鉬銻比色法測定（GB 17378.5—2007）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用EXCEL2010 統(tǒng)計(jì)1.2 中各同類參池底部中軸線的進(jìn)水口、中部、排水口指標(biāo)，取均值作為月平均數(shù)，按季節(jié)（春季：3～5 月、夏季：6～8 月、秋季：9～11 月、冬季：12～2 月）整理，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（means±SE）表示,使用SPSS25.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，以P<0.05 作為差異顯著水平，以P>0.05 作為差異不顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中總碳沉降通量季節(jié)變化

由表1 可知，參池總碳沉降通量呈“夏季高，冬季低”的變化特征；在相同季節(jié)，不同水質(zhì)調(diào)控方式的參池總碳沉降通量差異水平不同。夏季自然池塘總碳沉降通量顯著低于其他水質(zhì)調(diào)控參池（P<0.05）。

表1 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中總碳沉降通量季節(jié)變化Tab.1 Seasonal variation in total carbon deposition flux in sediment particles in sea cucumber culture ponds under different methods of water regulation

2.2 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中總氮沉降通量季節(jié)變化

由表2 可知，參池總氮沉降通量呈“秋季高，夏季低”的變化特征，相同季節(jié),不同水質(zhì)調(diào)控方式的參池總氮沉降通量差異水平不同。夏季自然池塘總氮沉降通量顯著低于其他參池（P<0.05），秋季養(yǎng)水機(jī)池塘總氮沉降通量顯著低于其他參池（P<0.05）。

表2 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中總氮沉降通量的季節(jié)變化Tab.2 Seasonal variation in total nitrogen deposition flux in sediment particles in sea cucumber culture ponds under different methods of water quality regulation

2.3 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中總磷沉降通量季節(jié)變化

由表3 可知，參池總磷沉降通量呈“冬季高，夏季低”的變化特征，在相同季節(jié),不同水質(zhì)調(diào)控方式的參池總磷沉降通量差異水平不同: 冬季養(yǎng)水機(jī)池塘總磷沉降通量顯著低于其他參池，與自然池塘差異顯著（P<0.05）。

表3 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中總磷沉降通量季節(jié)變化Tab.3 Seasonal variation in total phosphorus deposition flux in sediment particles in sea cucumber culture ponds under different methods of water quality regulation

3 討論

本實(shí)驗(yàn)中,各組參池總碳沉降通量呈“冬季低、夏季高”的變化特征，與張?jiān)頪23]對水庫、任貽超[24]對參池的研究趨勢一致；各組參池總氮沉降通量呈“夏季低、秋冬季高”的變化特征，與劉峰[25]對參池的研究趨勢一致；參池總磷沉降通量呈“夏季低、冬季高”的變化特征，與陳實(shí)[26]對粵閩海水養(yǎng)殖區(qū)的研究趨勢一致。各組參池?fù)Q水條件一致，納潮帶入各池內(nèi)的外源性顆粒物質(zhì)數(shù)量相似，不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池沉降顆粒中碳氮磷沉降通量的季節(jié)及水平分布差異，主要由各組參池的內(nèi)源性顆粒物質(zhì)數(shù)量不同引起。

3.1 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池總碳、總氮沉降通量季節(jié)變化比較

比較表明，夏季養(yǎng)水機(jī)池塘總碳沉降通量與微孔曝氣池塘的相近，高于自然池塘，且自然池塘與另兩類參池差異顯著（P<0.05）。認(rèn)為有以下三個(gè)原因：一是浮游植物可以促進(jìn)顆粒物質(zhì)從水層向底層沉降，浮游植物生物量又影響到沉降顆粒中總碳沉降通量[24,27]。對黃渤海區(qū)浮游植物碳沉降對總碳的影響研究中[28]，發(fā)現(xiàn)硅藻的碳生物量占浮游植物總碳生物量的97.27%[16]。本研究中，夏季養(yǎng)水機(jī)池塘硅藻生物量為13.50 mg/L，微孔曝氣池塘12.15 mg/L，自然池塘11.87 mg/L。養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘硅藻生物量較高，能為刺參提供豐富的餌料。在浮游植物生產(chǎn)力較高的季節(jié)（如夏季），有60%的顆粒有機(jī)碳由浮游植物貢獻(xiàn)，也可表明夏季總碳沉降通量有較大部分來源于浮游植物[29]。二是底泥沉積物中的微生物利用浮游植物呼吸作用產(chǎn)生的CO2，在化能合成作用下，合成糖類等自身細(xì)胞物質(zhì)，生成的顆粒碳物質(zhì)會(huì)沉降至池底[30]。本團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)[31]，夏季養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物中微生物活性均值為4.38 μg/（g·min），微孔曝氣池塘為6.59 μg/（g·min），均高于自然池塘的4.03 μg/（g·min）。沉降至池底的顆粒碳較高，表明夏季養(yǎng)水機(jī)和微孔曝氣設(shè)備的運(yùn)行促進(jìn)微生物固碳，升高硅藻生物量，利于刺參攝食。三是底泥再懸浮。在研究閩江下游沉積物中總碳的特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)[32]，水體擾動(dòng)的懸浮物再懸浮會(huì)吸附含碳沉降顆粒物質(zhì)。夏季開啟養(yǎng)水機(jī)和微孔曝氣設(shè)備導(dǎo)致池塘懸浮物質(zhì)再懸浮，懸浮物會(huì)吸附在沉降過程中的顆粒物質(zhì)，在重力的作用下自然沉底。本團(tuán)隊(duì)曾報(bào)道[14,17]，養(yǎng)水機(jī)的作用可促進(jìn)表底層水體交換，為浮游植物呼吸及底泥微生物作用提供充足氧氣，提高浮游植物生物量及沉積物中微生物活性，也證明了上述觀點(diǎn)。

結(jié)果表明，夏季養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘總氮沉降通量顯著高于自然參池（P<0.05），認(rèn)為這是受到參池溶氧環(huán)境的影響。對桑溝灣養(yǎng)殖海區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)[33]，沉積物中的鐵錳氧化態(tài)氮主要由沉積物的氧化還原環(huán)境控制，是沉積物中最易變的部分。該養(yǎng)殖區(qū)污染較其他海域嚴(yán)重，缺氧環(huán)境下鐵錳氧化態(tài)氮中的鐵離子被還原為亞鐵離子，使被鐵離子吸附的氨態(tài)氮釋放到覆水中，使水體存在氨氮風(fēng)險(xiǎn)。缺氧條件下沉積物硝酸鹽發(fā)生厭氧反硝化作用導(dǎo)致氮元素以N2O 和N2等氣體形式散逸進(jìn)入水體循環(huán)中[34-36]。本團(tuán)隊(duì)先前研究發(fā)現(xiàn)[14,16]，養(yǎng)水機(jī)具有打破水體躍層作用，養(yǎng)水機(jī)池塘溶氧均值為5.63 mg/L，與微孔曝氣池塘5.10 mg/L 相近，高于自然池塘4.9 mg/L，抑制了沉積物鐵錳氧化態(tài)氮中鐵離子的還原，減少沉積物中氨態(tài)氮向上覆水釋放風(fēng)險(xiǎn)，這是養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘夏季總氮沉降通量高于自然池塘的原因之一。在溶氧豐富條件下，沉積物中硝酸鹽不易被還原，抑制反硝化作用[37]。夏季養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘溶氧高于自然池塘[14]，反硝化作用弱，氮元素向水體的轉(zhuǎn)化率低，使同時(shí)期養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘總氮沉降通量高于自然池塘，這是養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘夏季總氮沉降通量高于自然池塘的又一原因。夏季開啟養(yǎng)水機(jī)及微孔曝氣設(shè)備能顯著提高參池溶氧環(huán)境，沉降至池底的顆粒物質(zhì)向水體中釋放的氮通量較少，大都被沉積物吸收。

秋季，養(yǎng)水機(jī)池塘總氮沉降通量顯著低于自然池塘和微孔曝氣池塘，且與另兩類參池差異顯著（P<0.05）。研究發(fā)現(xiàn)[38]，底泥湖泊沉積物氧化還原環(huán)境越高，沉積物中氮的礦化、硝化和亞硝化作用越強(qiáng)。本團(tuán)隊(duì)以前研究發(fā)現(xiàn)[16]，秋季養(yǎng)水機(jī)池塘溶氧量均值為10.22 mg/L，高于微孔曝氣池塘的10.12 mg/L、自然池塘的9.10 mg/L。養(yǎng)水機(jī)池塘氧化環(huán)境最高，表明在微生物作用下氨氮更多地轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，減少氨氮在底泥中的積累。溶氧是控制底泥氮釋放的重要因素，對氮釋放呈非線性影響[39]。在好氧條件下，抑制沉積物中的氨氮釋放，而在厭氧條件下則利于沉積物中的氨氮釋放。這是養(yǎng)水機(jī)池塘秋季總氮沉降通量低于另兩類參池的原因之一。

秋季三種參池上覆水的氮營養(yǎng)鹽含量不同[16]，也可能造成總氮沉降通量差異。研究發(fā)現(xiàn)[39]，上覆水體的氮營養(yǎng)鹽含量高會(huì)抑制底泥氨氮的釋放，這是水體總氮濃度與底泥氨氮濃度間的梯度差值決定，而氨氮在好氧環(huán)境及硝化細(xì)菌作用下，轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮再轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，向上覆水體釋放，最后會(huì)使得硝態(tài)氮的釋放與氨氮的釋放存在動(dòng)態(tài)平衡過程，而上覆水體的氮營養(yǎng)鹽含量高會(huì)抑制底泥氨氮的釋放。本團(tuán)隊(duì)以前研究發(fā)現(xiàn)[16]，秋季養(yǎng)水機(jī)池塘總氮均值為1.19 mg/L，高于微孔曝氣池塘1.12 mg/L、自然池塘1.06 mg/L。養(yǎng)水機(jī)池塘水體總氮含量高，底泥氨氮釋放量低，水體環(huán)境好，這是養(yǎng)水機(jī)池塘秋季總氮沉降通量低于另兩類參池的又一原因。

3.2 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池總磷沉降通量季節(jié)變化比較

本研究中，除冬季外，各季節(jié)間不同組參池的總磷沉降通量差異不顯著（P＞0.05）。冬季，養(yǎng)水機(jī)池塘總磷沉降通量低于另兩類參池，且與自然池塘差異顯著（P<0.05），認(rèn)為這與參池溶氧含量有關(guān)。在溶氧豐富條件下，水中金屬離子如鐵等均呈高價(jià)形態(tài)吸附水體中的磷，阻礙磷的沉降。底泥在溶氧匱乏的環(huán)境中，釋磷強(qiáng)度高[40]，有部分磷會(huì)釋放至水中。冬季養(yǎng)水機(jī)池塘溶氧含量為12.08 mg/L[16]，與微孔曝氣池塘11.80 mg/L 相近，高于自然池塘10.03 mg/L。養(yǎng)水機(jī)池塘含磷顆粒物質(zhì)在沉降過程中，大部分被水中的金屬礦物吸附，沉降至池底的總磷通量較低。浮游植物增加沉積物中磷的釋放量，而沉積物中磷的釋放又進(jìn)一步促使浮游植物的生長，兩者互相促進(jìn)[41-43]。冬季養(yǎng)水機(jī)池塘浮游植物生物量均值為6.70 mg/L[16]，稍高于微孔曝氣池塘的4.79 mg/L和自然池塘的4.60 mg/L，推測原因可能是養(yǎng)水機(jī)池塘浮游植物的生長吸收了水體中的磷，水中磷不能滿足浮游植物正常生長需要，使沉積物中的磷釋放以滿足其需要。而自然池塘浮游植物生物量最低，對磷的需求較少，大部分磷沉降至池底，這是冬季養(yǎng)水機(jī)池塘和微孔曝氣池塘總磷沉降通量低于自然池塘的又一個(gè)原因。

3.3 不同水質(zhì)調(diào)控方式下參池碳氮磷沉降通量及沉積物機(jī)理分析

不同水質(zhì)調(diào)理方式下，夏季養(yǎng)水機(jī)池塘總碳、總氮沉降通量與微孔曝氣池塘相近，均高于自然池塘，而在秋季和冬季養(yǎng)水機(jī)池塘總氮、總磷沉降通量最低。究其原因：一是受到池塘溶氧環(huán)境的影響，夏季微孔曝氣設(shè)備及養(yǎng)水機(jī)的開啟能顯著提高池塘溶氧水平、浮游植物生物量及底泥微生物活性，抑制沉積物厭氧反硝化作用，所以微孔曝氣池塘及養(yǎng)水機(jī)池塘沉降顆粒中碳氮通量較高。同期養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物有機(jī)質(zhì)及弧菌數(shù)量均最低[44,31]，表明養(yǎng)水機(jī)池塘與微孔曝氣池塘相比，在增加刺參天然餌料的同時(shí)又能避免有機(jī)質(zhì)的過量積累，防止弧菌爆發(fā)，水質(zhì)調(diào)控更優(yōu)于微孔曝氣池塘。二是開啟水質(zhì)設(shè)備為底泥再懸浮提供了充足條件，底泥再懸浮過程中經(jīng)礦化、降解等作用釋放至水體，有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率高會(huì)顯著減輕底泥的環(huán)境壓力，這也是養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物中有機(jī)質(zhì)含量低的原因之一。

秋季養(yǎng)水機(jī)設(shè)備的開啟可為底泥環(huán)境增加溶氧，促進(jìn)底泥氧化反應(yīng)，減少氨氮在底泥中的積累。底泥釋放的氮營養(yǎng)鹽也在水體中得到體現(xiàn)[16]，而上覆水體中氮的含量高會(huì)抑制底泥氨氮的釋放，使底泥與水體之間存在動(dòng)態(tài)平衡。冬季養(yǎng)水機(jī)池塘總磷沉降通量最低，其原因可能是養(yǎng)水機(jī)池塘浮游植物的生長吸收了水體中的磷，水體中磷不能滿足浮游植物正常生長需要，造成沉積物中的磷釋放以滿足其需要。而自然池塘浮游植物生物量最低，對磷的需求較少，大部分磷沉降至池底。

3.4 結(jié)論

綜上所述，在各季選擇合適的水質(zhì)調(diào)控設(shè)備能夠影響顆粒物質(zhì)的沉降。養(yǎng)水機(jī)池塘具有促進(jìn)底泥與水體之間物質(zhì)交換，改善水質(zhì)的效果，與實(shí)踐上淤泥少、無雜草、病害少的現(xiàn)象一致。雖然養(yǎng)水機(jī)和微孔曝氣池塘間作用效果類似，但微孔曝氣設(shè)備受微孔管長度和曝氣盤安裝距離等因素的影響[45，46]。本研究可為在現(xiàn)有水質(zhì)調(diào)控方式下更加科學(xué)管理參池提供了新思路。