論文：不同修復(fù)方式下養(yǎng)殖池塘底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移特征

不同修復(fù)方式下養(yǎng)殖池塘底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移特征

李保民，張 敏，蔡清武，蘇溪陽(yáng)

( 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院，淡水水產(chǎn)健康養(yǎng)殖湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，池塘健康養(yǎng)殖湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070 )

自2013年12月8日起至2014年5月5日，以養(yǎng)殖池塘污染沉積物為研究對(duì)象，采用室內(nèi)模擬法研究了種青、暴曬、投放生石灰等方法修復(fù)淡水養(yǎng)殖池塘沉積物的效果。結(jié)果表明，在池塘沉積物修復(fù)期，種青組沉積物中總氮和總磷的含量、堿性磷酸酶的活性、燒失量均顯著低于對(duì)照組(P<0.01)；生石灰組沉積物中燒失量顯著低于對(duì)照組(P<0.01)。覆水處理后，種青組水體中正磷酸鹽、葉綠素a含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，種青組水體總磷含量低于對(duì)照組(P<0.05)；暴曬組水體中正磷酸鹽、總磷含量低于對(duì)照組(P<0.05)；生石灰組水體中各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)明顯差異。分析結(jié)果表明，種青、暴曬、投放生石灰降低了養(yǎng)殖池塘底泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，其中種青組沉積物中總磷的含量降低顯著，覆水后水體中總磷的含量也有明顯降低，以種青組的綜合修復(fù)效果最佳。

沉積物；修復(fù)；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；動(dòng)態(tài)遷移

水產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，隨著社會(huì)的發(fā)展和人們社會(huì)水平的提高，對(duì)水產(chǎn)品的需求與日俱增。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所占的比重也在不斷提高，尤其是池塘養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量和面積分別占總淡水養(yǎng)殖的69.88% 和42.76%[1-2]。池塘養(yǎng)殖環(huán)境比較封閉，外界輸入的氮和磷除部分以養(yǎng)殖品種輸出外，至少有50%沉降到沉積物中[3-4]。沉積物是湖泊水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的重要蓄積庫(kù)，也是上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源[5-7]。水體中營(yíng)養(yǎng)鹽減少時(shí)，沉積物通過(guò)擴(kuò)散、對(duì)流、沉積物再懸浮等過(guò)程向上覆水體釋放，使水體仍維持較高的磷營(yíng)養(yǎng)水平[8-9]。近年來(lái)，有關(guān)養(yǎng)殖環(huán)境的修復(fù)已有廣泛研究，表明利用光合細(xì)菌能吸收分解水中氨氮等有害物質(zhì)，改善水質(zhì)[10-12]。金春華等[13]研究表明，用微生物的方法修復(fù)對(duì)蝦養(yǎng)殖池效果很好。人工濕地微生物的脫氮能充分發(fā)揮反硝化脫氮作用，適合于硝態(tài)氮的去除[14]。但對(duì)休漁期養(yǎng)殖池塘底質(zhì)的修復(fù)，對(duì)沉積物中氮、磷、有機(jī)質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化特征的研究較少。

本研究擬采用室內(nèi)模擬法，采用種青、暴曬、投放生石灰等方法修復(fù)淡水養(yǎng)殖池塘底泥，研究修復(fù)過(guò)程沉積物中總碳、總氮、總磷以及有機(jī)質(zhì)的變化特征，分析堿性磷酸酶活性的變化規(guī)律；研究修復(fù)沉積物覆水處理后水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移特征，探討各指標(biāo)的變化規(guī)律及其相關(guān)性，以期為有效控制池塘自身污染和改善養(yǎng)殖池塘底泥環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

1.1 模擬裝置

試驗(yàn)于2013年12月8日至2014年5月5日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院養(yǎng)殖基地進(jìn)行。利用16個(gè)50 cm×40 cm×30 cm的塑料箱，設(shè)置4個(gè)處理，每組4個(gè)平行。1～3組為試驗(yàn)組：1組為種青組，首先使小白菜種子在實(shí)驗(yàn)室萌發(fā)，取大小相同的小白菜，平均每株質(zhì)量為0.05 g，每個(gè)塑料箱中定植50棵；2組為暴曬組，將采集的底泥直接在陽(yáng)光下暴曬；3組為生石灰組，每個(gè)平行灑入37.5 g的生石灰[15]。4組為對(duì)照組，將采集的底泥加入20 cm養(yǎng)殖池塘的水。試驗(yàn)用養(yǎng)殖池塘底泥均采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)殖基地池塘，試驗(yàn)用水來(lái)自日常養(yǎng)殖中補(bǔ)水的水源。將從養(yǎng)殖池塘采集的底泥充分混勻后鋪設(shè)在塑料箱中，厚5 cm。種青處理中選取了市場(chǎng)上常見(jiàn)的南京矮腳黃作為試驗(yàn)作物，生石灰則采用分析純生石灰。試驗(yàn)容器隨機(jī)排列放置在室外有陽(yáng)光直射的地方，以模擬閑置期池塘的自然狀態(tài)。底質(zhì)修復(fù)期為2013年12月至2014年2月，從2014年3月開(kāi)始進(jìn)行不同底質(zhì)改良方式下覆水后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移特征研究。

1.2 方法

1.2.1 樣品的采集

2013年12月至2014年2月每10 d采集沉積物樣品一次，2014年3月至2014年5月每7 d采集一次沉積物；用普通采水器采集一次表層水樣。

1.2.2 樣品的處理

采集500 mL水樣，在實(shí)驗(yàn)室搖勻后取300 mL立即通過(guò)0.45 μm 的濾膜抽濾，濾膜冷凍保存，以測(cè)定葉綠素a。剩余水樣和抽濾后水樣直接測(cè)定相關(guān)指標(biāo)；采集10 g沉積物樣品在60 ℃下烘干至質(zhì)量恒定后研磨過(guò)100目篩，置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/span>

1.2.3 測(cè)定方法

測(cè)定原水樣中的總氮、總磷含量；測(cè)定抽濾后水樣中的硝態(tài)氮、氨氮和正磷酸鹽含量。總氮與總磷采用堿性過(guò)硫酸鉀聯(lián)合消解法測(cè)定，硝態(tài)氮、氨氮和正磷酸鹽分別采用紫外分光光度法、納氏比色法和鉬酸銨法測(cè)定[16-17]。依照反復(fù)凍融丙酮法測(cè)定水體中的葉綠素a含量[18]。

測(cè)定采集沉積物樣品中的總碳、總氮、總磷、燒失量、堿性磷酸酶的活性。總磷采用硫酸—高氯酸消化鉬銻抗比色法測(cè)定[19]，總碳、總氮采用Thermo Flash 2000元素分析儀測(cè)定，燒失量采用馬福爐灼燒法測(cè)定[20]。堿性磷酸酶的活性采用對(duì)硝基苯酚二鈉法測(cè)定[21]。

在Excel中，將相同時(shí)間不同處理組的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)一些指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析，以探究其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2 結(jié) 果

2.1 沉積物中總磷、總碳與總氮的變化

試驗(yàn)期間，種青組沉積物中總碳的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01，圖1)，其他處理組與對(duì)照組沉積物中總碳的含量均無(wú)顯著性差異。線性回歸分析顯示，4個(gè)處理組沉積物中總碳的含量無(wú)顯著變化(P>0.05)(圖1)。種青組沉積物中總氮的含量顯著低于對(duì)照組(P<0.01)，暴曬和生石灰處理組沉積物中總氮的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。4個(gè)處理兩兩之間有顯著性差異(P<0.01)，其中，種青處理沉積物中總氮含量顯著低于其他處理，4個(gè)處理組沉積物中總氮的含量亦無(wú)顯著的變化(P>0.05)(圖1)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，種青組沉積物中總磷的含量顯著低于對(duì)照組(P<0.01)，生石灰組沉積物中總磷的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，暴曬組沉積物總磷的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，4個(gè)處理組沉積物中總磷的含量在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中先降后升(圖1)。

圖1 沉積物中總碳、總氮 和總磷含量的變化

圖中紅色虛線前為修復(fù)期，紅色虛線后為覆水期.*表示差異顯著(P<0.05)；**表示差異極顯著(P<0.01)，無(wú)標(biāo)示則表明不顯著(P>0.05).下圖同.

2.2 沉積物中堿性磷酸酶的活性與燒失量的變化

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，種青組沉積物中堿性磷酸酶活性顯著低于對(duì)照組(P<0.01, 圖2)，暴曬和生石灰組沉積物的堿性磷酸酶活性與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)。回歸分析顯示，種青、暴曬、對(duì)照組、生石灰組沉積物的堿性磷酸酶活性沒(méi)有顯著變化。

種青和生石灰組沉積物中燒失量的含量與對(duì)照組有顯著差異(P<0.01)，暴曬組沉積物中燒失量的含量與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)(圖3)。

圖2 沉積物中堿性磷酸酶活性的變化

圖3 沉積物中燒失量的變化

2.3 水體正磷酸鹽和總磷含量的變化

4個(gè)處理水體正磷酸鹽初始質(zhì)量濃度均小于0.1 mg/L，到3月17號(hào)后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到4月14號(hào)達(dá)到峰值，試驗(yàn)?zāi)┢谙陆怠７N青和暴曬組水體中正磷酸鹽含量和對(duì)照組有顯著差異(P<0.01)，生石灰組水體中正磷酸鹽含量與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)(圖4)。試驗(yàn)后期，生石灰組、暴曬組以及對(duì)照組水體總磷初始質(zhì)量濃度均為0.20 mg/L，種青組水體總磷初始質(zhì)量濃度為0.37 mg/L，4種處理水體中總磷呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中對(duì)照處理上升趨勢(shì)更為明顯，至4月14日種青組和對(duì)照組達(dá)到峰值，水體中總磷質(zhì)量濃度分別為0.50 mg/L、0.72 mg/L，試驗(yàn)?zāi)┢谙陆怠Ｉ医M水體中總磷含量在整個(gè)試驗(yàn)階段均緩慢上升，暴曬組水體中總磷質(zhì)量濃度在4月21日升至0.64 mg/L 達(dá)到峰值。種青和暴曬組水體總磷含量顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，生石灰組水體中總磷含量與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)(圖4)。

2.4 水體硝態(tài)氮、氨氮和總氮含量的變化

試驗(yàn)開(kāi)始后4個(gè)處理組水體硝態(tài)氮的含量緩慢下降，覆水后，種青、暴曬和生石灰組水體中硝態(tài)氮含量和對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)(圖5)。試驗(yàn)開(kāi)始后，4個(gè)處理組水體的氨氮質(zhì)量濃度短暫上升，3月24日開(kāi)始下降，至3月31日降至0.4 mg/L，至4月14日各處理組氨氮含量穩(wěn)定上升，試驗(yàn)后期下降。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，暴曬組水體中氨氮含量顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，種青和生石灰組水體中氨氮含量和對(duì)照組均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。試驗(yàn)開(kāi)始后4個(gè)處理組水體的總氮含量變化平穩(wěn)，在4月7日升高至峰值，然后略下降后趨于穩(wěn)定。種青組水體中總氮含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，而暴曬組水體中總氮含量顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，生石灰組水體中總氮含量和對(duì)照組無(wú)顯著性差異(圖5)。

圖4 水體中正磷酸鹽和總磷的含量變化

圖5 水體中3種形態(tài)氮的含量變化

2.5 水體葉綠素a含量的變化

覆水后，種青組水體中葉綠素a含量和對(duì)照組有顯著差異(P<0.01)，暴曬和生石灰組水體中葉綠素a含量和對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P>0.05)(圖6)。

圖6 水體葉綠素a含量的變化

2.6 小白菜產(chǎn)量的變化

平均每箱盒收獲小白菜300 g，即1.5 kg/m2(圖7)，低于農(nóng)田的種植產(chǎn)量(4.5 kg/m2)，在閑置期種植小白菜不但能改善池塘底質(zhì)，也能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 小白菜的產(chǎn)量

3 討 論

3.1 不同底質(zhì)修復(fù)技術(shù)下沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移特征

在種青修復(fù)沉積物過(guò)程中，小白菜吸收沉積物中的氮和磷，尤其是對(duì)氮的吸收量較多[22-23]，導(dǎo)致沉積物中總氮和總磷的含量明顯低于對(duì)照處理組。種青組沉積物中堿性磷酸酶的活性顯著低于對(duì)照組(P<0.01)，這與長(zhǎng)江口潮灘表層沉積物中的研究結(jié)果[24]相一致。本試驗(yàn)采用干法清塘，生石灰遇水變成碳酸鈣。碳酸鈣能使淤泥變的松軟，改善底泥通氣條件，加速底泥有機(jī)質(zhì)分解，釋放出淤泥吸附的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素[25]。生石灰組沉積物中總磷、總氮的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，這可能與干法清塘中上覆水較少、沉積物向水體中釋放氮、磷有關(guān)，導(dǎo)致生石灰組沉積物中總磷、總氮的含量高于對(duì)照處理組。經(jīng)過(guò)暴曬后，沉積物中氨氮、硝態(tài)氮等含量增加，改善了沉積物結(jié)構(gòu)[26]。經(jīng)過(guò)干濕交替過(guò)程，沉積物中的氮、磷有形態(tài)的變化，其本身總含量的變化并不明顯[27]。暴曬組沉積物中總磷、總氮的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，可能也與試驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)照處理(既不做處理)沉積物向水體中釋放氮、磷相關(guān)。暴曬和生石灰處理的過(guò)程主要是殺滅水體中的有害水生動(dòng)物，消除一些導(dǎo)致魚(yú)病發(fā)生的誘導(dǎo)因素。試驗(yàn)期間，種青組沉積物中總碳的含量顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，其他處理組沉積物中總碳的含量與對(duì)照組無(wú)顯著性差異，這可能是因?yàn)樾“撞松L(zhǎng)過(guò)程有固碳作用[28]。 結(jié)果表明，種青、暴曬、投放生石灰均能降低養(yǎng)殖池塘底泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，其中種青組沉積物中總磷的含量降低顯著，覆水后水體中總磷含量也有明顯降低，綜合修復(fù)效果最佳。

3.2 不同底質(zhì)修復(fù)技術(shù)處理后水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移特征

沉積物是水體中氮、磷等元素的重要儲(chǔ)存庫(kù)，水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量的增加是引起湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素[29-32]。本研究中，覆水后水體中的正磷酸鹽、總磷含量變化趨勢(shì)說(shuō)明沉積物向水體中釋放磷，這與長(zhǎng)江中下游湖泊中沉積物磷釋放的研究結(jié)果[33]相類(lèi)似。覆水后沉積物中總磷的含量升高可能與溫度上升后水體中生物活動(dòng)以及覆水處理的擾動(dòng)有關(guān)。本試驗(yàn)中種青組沉積物中堿性磷酸酶活性同沉積物中總磷的含量變化有相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，微生物作用是影響海河沉積物中磷釋放量的主要因素；厭氧條件下，磷從沉積物向水體的釋放量遠(yuǎn)高于好氧條件下[34]。水溫的上升也能引起水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放[35-36]，覆水后各個(gè)處理組水體中磷的含量均上升。本試驗(yàn)中，3月1日開(kāi)始覆水，在武漢溫度已經(jīng)有明顯的上升，水體中正磷酸鹽和總磷的含量隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而明顯升高。研究表明，升溫并未顯著影響沉積物氮元素的釋放[36]，本試驗(yàn)中水體的總氮含量在覆水后變化平穩(wěn)，后期有所上升。水體硝態(tài)氮、氨氮含量隨水體中總氮含量變化。有研究表明，葉綠素a含量與總氮、總磷含量呈正相關(guān)[37],種青組覆水處理后水體中葉綠素a含量明顯高于其他試驗(yàn)組，其后隨水體中總氮、總磷含量而變化。

由于種植條件的限制，未進(jìn)行施肥，小白菜的產(chǎn)量只有實(shí)際生產(chǎn)效果的1/3，但是在閑置期種植小白菜，在改善池塘底質(zhì)的同時(shí)，也能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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