樟湖库湾网箱养殖对底层水体氮磷营养盐变化的影响

曾 涛

(福建省淡水水产研究所，福建 福州 350002)

氮(N)、磷(P)是水生系统最重要的营养元素，对水产养殖的可持续生产能力具有显著影响。网箱养殖的投饵、排泄和同化等过程，大量N、P 等营养物质在养殖区域沉积物中大量积累，通过沉积物-水界面交换作用再次活化，使底层水体成为“二次污染”的内源[1]，尤其在细菌分解未吸收利用饵料中大量有机物过程中，导致底层水处于厌氧状态，加速养殖区域水体富营养化进程，给养殖业带来严重影响[2]。樟湖库湾位于南平市延平区樟湖镇东南方向，是一个相对封闭的库湾，湾内四季风平浪静，水质优良，初级生产力高，适合发展水产养殖。目前已有对樟湖库湾网箱养殖水域中水体N的各种形态分布特征及时空变化的研究[3]，但对网箱养殖区底层水体中N和P营养盐的含量变化特征及水体营养化状态的研究还未见报道。深入研究该库湾网箱养殖底层水体氮磷营养盐的变化特征，评价水质富营养化程度，为库湾网箱养殖区的物质平衡和养殖容量的优化提供基础数据，这对库湾水产养殖业的可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 采样位点及采样方法

在樟湖库湾设置3个采样站位，分别为S1、S2、S3，站位分布如图1，网箱养殖区分别为S1、S2，其中S1为常规投饵网箱养殖区域；S2为不投饵网箱养殖区域；S3为对照点(非养殖区)，该点位近五年无网箱养殖。网箱养殖区主要以小型浮式框架型网箱养殖渔排为主，每组渔排由12～18个规格为6 m×10 m的养殖网箱构成，常年养殖渔排数达15～20组，春季放苗，冬季收获，网箱中每年放养鱼苗的时间和数量大致相同。投饵网箱养殖区养殖的品种主要为草鱼，每个网箱养殖数量为3 000尾，养殖所用饲料主要为人工配合饲料，总氮(TN)和总磷(TP)含量分别为4.52%和0.34%，日投饲量约为鱼体重的3%～10%。不投饵网箱养殖区主要养殖品种为花白鲢，每个网箱养殖数量为150尾，不进行任何人工饲料投喂。

于2018年4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)共采样3次。樟湖库湾养殖水域水深范围在13～20 m，不同季节采样点水深见表2，用采水器在距离表层底泥0.5 m处采集底层水样，现场用塞氏盘法测量透明度(SD)，并用 YSI 多功能分析仪(美国Alpkem公司)测定距表层底泥0.5 m处的水温、pH 和溶解氧(DO)。每个采样点采集水样 4 瓶，其中，2 瓶为聚乙烯塑料瓶，1 瓶为棕色玻璃瓶。水样采集后，一瓶聚乙烯塑料瓶加入硫酸调节pH小于1，用于TP测定；1瓶聚乙烯塑料瓶加入硫酸调节pH为1～2，用于TN、高锰酸盐指数(CODMn)测定；棕色玻璃瓶加入碳酸镁悬浊液，用于叶绿素a(Chl-a)测定；每个样点采集3次平行水样，所采水样贴好标签后，储存于装有冰袋的保存箱中，送回实验室分析。

1.2 分析测定方法

1.3 水体营养化评价

本文选取CODMn、TP、TN、Chl-a和SD共5项参数，以Chl-a作为基准参数，采用营养状态指数TLI和综合营养状态指数TLI(∑)对樟湖库湾网箱养殖底层水体富营养化现状进行评价[4]。营养状态评价标准：TLI(∑)﹤30为贫营养状态；30≤TLI(∑)≤50为中营养状态；TLI(∑)﹥50为富营养状态；50﹤TLI(∑)≤60为轻度富营养状态；60﹤TLI(∑)≤70为中度富营养状态；TLI(∑)﹥70为重度富营养状态。在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。

营养状态指数TLI计算公式为：

TLI(Chl-a)=10(2.500+1.086In Chl-a)

(1)

TLI(TP)=10(9.436+1.624In Chl-a)

(2)

TLI(TN)=10(5.453+1.694In Chl-a)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.941In Chl-a)

(4)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661In Chl-a)

(5)

式(1)～(5)中：Chl-a单位为μg/L；透明度SD单位为m；其他指标单位为mg/L。

综合营养状态指数TLI(∑)计算公式如下：

(6)

式(6)中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数。

以Chl-a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

(7)

式(7)中：rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；m为评价参数的个数。

表1 中国湖泊(水库)部分参数与Chl-a的相关关系Tab.1 The correlation between Chl-a and other parameters of lakes/reservoirs in China

1.4 数据统计

数据采用SPSS 20.0、EXCEL 2007和Origin Pro 8.0软件统计和分析及作图，站位图采用Suffer 8.0软件进行绘制。

2 结果

2.1 网箱养殖区水体环境因子的季节变化

网箱养殖区与对照区底层水温、pH、DO和Chl-a的季节变化见表2。由表2可以看出，投饵和不投饵网箱养殖区的水体温度季节平均值分别为25.8℃和26.0℃，略低于对照区水温(26.1℃)，夏季水温明显高于其他季节，但同一季节养殖区和对照区之间水体温度差异不大。底层水体pH与水温季节变化趋势相似，夏季最高、其次是春季、秋季最低；夏季投饵和不投饵养殖区水体pH分别显著高于对照区1.14和0.57个单位(P<0.05)，但在春季和秋季水体pH与对照区没有显著差异(P>0.05)。养殖区DO的浓度变化范围为3.13～6.78 mg·L-1，两种养殖方式在不同季节对底层水DO的影响较小，对照区DO的浓度变化范围为4.81～5.37 mg·L-1；从季节变化来看，养殖区春季DO浓度高于其他2 个季节，秋季最低，对照区春季DO显著低于网箱养殖区(P<0.05)，但夏季和秋季DO高于网箱养殖区。网箱养殖区和对照区在不同季节的SD没有差异变化，均呈现从春季到秋季降低的趋势。网箱养殖区底层水体中COD的季节变化趋势与SD一致，且在春季和夏季略高于对照区，但差异不明显(P>0.05)，表明网箱养殖对该水域的高锰酸盐指数影响程度较轻，尚未形成有机污染。对照区Chl-a的浓度变化范围为11.8～30.4 μg·L-1，养殖区Chl-a的浓度变化范围为9.1～35.8 μg·L-1；从季节变化来看，养殖区Chl-a浓度呈现夏季最高、其次为春季、秋季最低的特点，对照区夏季和秋季Chl-a浓度显著高于春季(P<0.05)，此外，对照区春季和夏季Chl-a浓度低于养殖区，但秋季Chl-a浓度显著高于养殖区(P<0.05)。

表2 樟湖库湾网箱养殖区底层水体环境因子季节变化Tab.2 Seasonal variation in environmental parameters in bottom water of cage culture in Zhanghu reservoir bay

2.2 网箱养殖区水体氮磷营养盐的季节变化

表3 樟湖库湾网箱养殖区底层水体氮磷营养盐季节变化Tab.3 Seasonal variation of nitrogen and phosphate nutrients in bottom water of cage culturein Zhanghu reservoir bay

2.3 网箱养殖区水体富营养化程度评价

樟湖库湾网箱养殖区依据营养状态指数和综合营养状态指数法对底层水体的营养状态进行了评价，评价结果见表4。由表4可以看出，在单因子状态指数中，TN、TP的营养状态指数最高，网箱养殖区底层水体TN、TP的TLI(∑)值均大于70，处于重度富营养水平。除SD外，TN、TP、CODMn和Chl-a四个单因子营养指数在不同季节均高于对照区。从3个调查季节的综合营养状态指数来看，网箱养殖区底层水体综合营养状态指数TLI(∑)在不同季节均高于对照区，其中投饵和非投饵网箱养殖区春季和夏季均处于重度富营养水平，秋季处于中度富营养水平，而对照区3个季节底层水体均处于中度富营养。

表4 樟湖库湾网箱养殖区底层水体营养状态综合评价结果Tab.4 The comprehensive evaluation results of eutrophic status in the bottom water of cage culturein Zhanghu reservoir bay

3 讨论

本研究针对樟湖库湾投饵和不投饵网箱养殖区的底层水质与对照区进行比较和讨论，得出该库湾网箱养殖对水环境的影响。网箱养殖过程中产生的残饵、排泄物等进入水体后，除部分被水体微生物转化为可利用的可溶态氮磷外，大部分沉积养殖区底层，在外界环境因子和生物作用下发生分解，其产物会导致底层水体pH值和DO浓度下降[5]。但在樟湖库湾投饵和不投饵网箱养殖区水体pH夏季明显高于对照区(P<0.05)，而温度、DO与对照区的差异不大(P>0.05)，说明库湾网箱养殖会增加底层水体pH，对水体温度和DO的影响较小。这主要是由于在网箱养殖过程中，大量的残饵和养殖鱼类的代谢废物等在网箱区底层水体积累，使得水中含有大量的氮磷营养元素，导致叶绿素a含量明显高于对照区(P<0.05)(表2)，水体中大量的藻类吸收水中二氧化碳，放出氧气，导致水中pH升高，增加溶解氧，但当富营养化水平过高时(表4)，过度繁殖的藻类会引起水中溶解氧浓度迅速下降[6]。水体环境因子的季节变化结果表明，养殖区与对照区叶绿素a和pH夏季明显高于其他季节(P<0.05)，这与水体中浮游植物的繁殖消长的季节变化规律和对无机氮源的吸收有关。相关研究结果表明，夏季养殖水体和海域水体叶绿素a显著高于其他季节，且与pH呈显著正相关[5，7]。此外，养殖区在夏季由于鱼类排泄物和残饵等有机养分相对比较丰富，所以叶绿素a含量明显高于对照区(P<0.05)(表2)。CODMn是反映水体中有机及无机可氧化物质污染的重要指标，本研究结果表明，网箱养殖区与对照区在不同季节底层水体与对照区变化差异不大，且呈现从春季到秋季逐渐降低的趋势，这说明网箱养殖活动尚未在底层水体形成有机污染，可能是由于网箱养殖过程中不同季节投放饵料规律产生的有机废物大部分以大颗粒态形式沉降到底泥中，残存于水体中的那部分则可能在异氧细菌及浮游动植物的作用下被快速消耗，降低了水体中有机物浓度，进而导致CODMn呈现季节降低趋势[8]。

网箱养殖过程中产生的有机废物的分解产物(含N、P等)进入水中，沉降到下层水体会增加发生水体富营养化的风险[15]。根据TP、TN、CODMn、Chl-a和SD等5项指标营养状态指数TLI和综合营养状态指数TLI(∑)的评价方法，评价结果表明，樟湖库湾网箱养殖区底层水体除了SD外，TLI值大小依次为TP>TN>CODMn>Chl-a，其中TLI(TP)和TLI(TN)最大，在不同季节均超过70，属于重度富营养，TLI(Chl-a)在48～64之间，属于轻度和中度富营养，但各指标的TLI值在不同季节均高于对照区，这说明网箱养殖活动会加重底层水体富营养化程度，影响底层水体富营养化的主要因子是TN和TP。季节的综合营养状态指数TLI(∑)营养化水平结果显示，春季和夏季网箱养殖区属于重度富营养，到秋季水体转变为中度富营养(表4)，而对照区在三个季节均处于中度富营养，这表明网箱养殖区底层水体营养化状态存在季节变化差异。春季和夏季水体营养化水平主要与外源投饵及养殖鱼类的代谢产物中氮磷营养盐输入有关[3]，但在秋季整个樟湖库湾网箱养殖区和对照区水体的富营养化与樟湖库湾水交换能力有关。前期研究认为N营养盐是限制水体富营养化和初级生产力的主要因素[16]，本研究的数据表明樟湖库湾网箱养殖在春季和夏季的水体富营养化和初级生产力主要受P营养盐的控制，说明樟湖库湾网箱养殖底层水体氮磷营养盐结构的季节性变化，会引起浮游植物种类组成和数量的变化，进而影响养殖生态系统的稳定性。此外，樟湖库湾网箱养殖水体中春、夏季的TLI(TP)和TLI(TN)较高，进入秋季，TLI(TP)和TLI(TN)及TLI(∑)降低(表4)，说明在春季和夏季外界输入N、P营养盐不均衡和养殖过程中投饵不规律可能会加剧养殖区底层水体的富营养化，因此为降低网箱养殖区水体富营养化程度，樟湖库湾网箱养殖区在春、夏季节应选择合理高效的投饵方式，提高饵料的利用率，也应根据鱼的体重和品种，科学调整投喂次数和投喂量，减少饵料进入水体，从而降低输入水体的氮磷营养盐含量。