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温度和pH对刺参养殖池塘沉积物营养盐释放的影响

宋洪旭1,邢荣莲1,陈丽红1,姜爱莉1,王会毅1,曹学彬2

(1.烟台大学生命科学学院,山东 烟台 264005;2.山东东方海洋科技股份有限公司省级海参工程技术研究中心,山东 烟台 264005)

摘要:对刺参养殖池塘沉积物采用实验室静态模拟培养法,调控温度和初始pH,定时测定上覆水中营养盐及上覆水中溶解氧(DO)的含量,并计算各营养盐的表观释放速率、累积释放量以及沉积物营养盐的释放率。结果表明,温度对沉积物氮、磷的释放有极显著影响(P<0.01),总氮和总磷最大表观释放速率变化范围分别是50~80 mg/(m2·d)和7~11 mg/(m2·d);5 ℃的总氮、总磷最大表观释放速率低于20 ℃和15 ℃,而最大累积释放量却高于20 ℃和15 ℃,但时间延迟12 h。pH对沉积物氮、磷释放的影响极显著(P<0.01),总氮和总磷出现最大表观释放速率时酸碱条件顺序为pH 9.0 > pH 6.5 > pH 7.0 > pH 7.5>pH 8.5> pH 8.22,铵态氮达到最大累积释放量时酸碱条件顺序为pH 6.5> pH 9.0 > pH 8.5>pH 7.5> pH 7.0 > pH 8.22;pH对沉积物营养盐释放率的影响极显著(P<0.01)。总氮和铵态氮释放率的变化范围分别为40%~60%和30%~42%,总磷和活性磷释放率的变化范围分别为32%~54%和24%~41%;在不同温度、pH条件下,总氮和铵态氮累积释放量之间以及总磷和活性磷累积释放量之间有显著的相关性(P<0.05)。

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关键词 :刺参养殖池塘;沉积物;营养盐;释放;环境因素

中图分类号:X171 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)04-0835-08

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.04.017

收稿日期:2014-06-03

基金项目:国家自然科学基金项目(31001113);山东省自然科学基金项目(2014ZRB019DU);烟台大学青年基金项目(SM12Z01)

作者简介:宋洪旭(1989-),男,山东诸城人,硕士研究生,研究方向为生物化工,(电话)15063853146(电子信箱)conan-abc@163.com;

通信作者,邢荣莲(1977-),女,山东文登人,副教授,博士,主要从事藻类技术研究,(电话)18660072016(电子信箱)xingronglian@163.com。

随着刺参养殖的迅速发展,池塘养殖成为刺参养殖的主要方式。刺参池塘生态系统作为人工圈养系统,结构单一,缺乏自然生态系统的物质循环功能,系统的自适应能力不足,反馈机制不健全。在这种系统中,生态缓冲能力较弱,抗干扰能力低,稳定性差[1]。在养殖过程中常常人工投入大量的营养物质(饵料、肥料等),由于养殖系统对其有限的利用导致有机质在池塘底部的沉积、积累[2],此外刺参养殖过程中产生的粪便、水生植物尸体等物质也通过吸附、络合、沉降等过程沉积在池塘底部,使参池沉积物成为氮磷等营养盐的重要蓄积库,这与湖泊、河口等沉积物的形成存在明显差异[3]。王会毅等[4]对刺参养殖池塘沉积物营养盐存在特征研究发现,沉积物中无机态氮磷比例为3.5%~10.7%,而湖泊沉积物中无机态氮磷比例为25%~40%[5],说明刺参养殖池塘沉积物营养盐具有典型存在特征。

在外源负荷日益消减的背景下,内源沉积物对水体营养盐的贡献成为人们关注的焦点[6]。对湖泊、河口、淡水池塘等沉积物营养盐释放的影响研究表明,环境条件(温度、pH等)是影响沉积物营养盐释放的主要因素[7]。然而关于不同环境条件下刺参养殖池塘沉积物营养盐释放的研究尚未见报道。本研究通过实验室静态模拟培养方法,研究温度和pH对刺参养殖池塘沉积物中氮、磷营养盐释放的影响,探讨了沉积物中的不同形态氮、磷的释放动态规律及其相关性,为正确宏观评估和监测沉积物污染源对水体水质的影响程度、预防和监控养殖环境水体富营养化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在山东烟台某刺参养殖池塘进行采样,刺参养殖池塘面积为10 hm2,水深1.5~2.0 m,主要养殖月份为3~11月。采样点用标准值法确定[8]。

用采样器[9]采集水下深度10 cm的底泥,用自封袋装好。采好的底泥尽快运回实验室放入冰箱(4 ℃)储藏备用。采集的底泥分两部分使用,一部分风干用于沉积物性质测定,另一部分用于静态模拟试验。

用采样器采集一定量的底泥上覆水,装入清洁的PVC塑料桶中。采集好的上覆水尽快运回实验室冷藏备用(加入占水样体积0.2%的三氯甲烷)。采集的上覆水用0.45 μm混合纤维素酯膜过滤处理后用于模拟试验。

1.2 沉积物性质

取3份平行样品进行生物灭活,剔除其中杂物,风干后逐级过筛进行颗粒分级,分别收集称重,确定其基本颗粒组成。用烘干法测定底泥的含水率。培养前将沉积物底泥风干、过筛,取通过100目孔筛的土样,测定氮磷含量;试验结束后,吸出上覆水,取玻璃柱中表层5 cm的底泥风干、过筛,取通过100目的孔筛的土样测定氮磷含量。经测定得知,粉砂占0.019%,砂粒占99.981%,根据国标制土壤质地分类标准[10]可知沉积物底泥的土壤质地为砂土及砂质壤土,底泥的含水率为23.74%,沉积物初始氮、磷含量见表1。

1.3 试验设计

试验采用鲜样装柱[10],每个玻璃柱中的沉积物高度为10 cm,泥重(360±5) g,上覆水高度30 cm。

在pH为8.22,光照度为162~292 μmol/(m2·s),无溶氧控制条件下,设定温度为5、15、20、30 ℃进行静态培养,每个温度水平设3个平行样。在不扰动底泥的情况下,每隔12 h从距底泥表面约2 cm处取水样,测定总氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、活性磷、溶解氧(DO)含量,同时将等量的已经过滤处理的上覆水补加到柱中。

在烧杯中用1 mol/L的HCl和1 mol/L的NaOH溶液调节经滤膜处理的上覆水至pH为6.5、7.0、7.5、8.22、8.5、9.0,其中8.22为上覆水未调节时的pH,用玻璃棒引流缓缓加入到柱中,每组设3个重复平行样。培养环境为光照度162~292 μmol/(m-2·s),温度20 ℃,无DO控制。在不扰动底泥的情况下,每隔12 h从柱中距底泥表面约2 cm处取水样,测定总氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、活性磷、DO含量,同时将等量的已经调节pH的上覆水补加到柱中。

考虑到原状泥柱静态释放试验时间越长,离原水体环境的偏差就越大,本试验培养72 h。

1.4 测定方法

上覆水中的总氮和总磷均用过硫酸钾氧化法测定;硝态氮用锌铬还原法测定;亚硝态氮用萘乙二胺分光光度法测定;铵态氮用次溴酸盐氧化法测定;活性磷用磷钼蓝分光光度法测定,具体测定教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献[11]。沉积物中的营养盐的测定方法教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献[12]。

1.5 计算方法

表观释放速率flux及累积释放量R的计算方法:

式中,flux为表观释放速率[mg/(m2·d)];V 为柱中上覆水体积(L);C为添加水样中的物质含量(mg/L);Vj-1为第j-1次采样体积(L);S为柱样中沉积物-水接触面积(m2);t为释放时间(d);Cn、C0、Cj-1为第n次、0次(即初始)和j-1次采样时某物质含量(mg/L);由于不考虑NH3的水气界面交换,计算所得的flux为表观释放速率;R为累积释放量(mg)。

N、P释放率的计算方法为:释放率=[(A-a)/A]×100%,式中A为培养前沉积物中N、P含量;a为培养末期沉积物中N、P含量。

1.6 数据分析

数据用Origin 8.0 软件进行统计,用SPSS 13.0 软件进行单因素方差分析以及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 温度对沉积物营养盐释放的影响

2.1.1 温度对沉积物氮磷表观释放速率的影响

如图1,温度对沉积物氮磷的表观释放速率有极显著影响(P<0.01)。总氮和铵态氮的最大表观释放速率变化范围分别为50~80 mg/(m2·d)和6~10 mg/(m2·d),总磷和活性磷的最大表观释放速率变化范围分别为7~11 mg/(m2·d)和0.5~1.2 mg/(m2·d)。氮、磷的表观释放速率在培养12~24 h时出现最大值,达到最大值时的温度顺序为30 ℃、20 ℃、15 ℃、5 ℃。说明温度升高有利于沉积物中营养盐的释放,这与有关研究的结果相似[13]。

2.1.2 温度对沉积物氮磷累积释放量的影响 如表2所示,温度对沉积物氮磷的最大累积释放量有显著影响(P<0.05)。总氮和总磷的累积释放量在达到最大值时,温度顺序为30 ℃、5 ℃、20 ℃、15 ℃。结合图1可以看出,在5 ℃(24 h)条件下总氮的最大累积释放量高于20 ℃和15 ℃(12 h),达到最大值的时间延迟12 h,而最大表观释放速率却低于20 ℃和15 ℃,说明营养盐的表观释放在低温比高温条件要慢,会延迟达到最大释放速率的时间;但在低温条件下的最大累积释放量却存在不低于较高温度的最大累积释放量的情况,可能的原因是在5 ℃沉积物中的有机氮通过微生物作用转化成无机氮而释放到水体中[14]。如图2所示,上覆水的DO含量变化在5 ℃条件下随培养时间的变化比较明显(P<0.05),而在其他温度条件下变化不大。

研究发现在低温条件下养殖池塘底泥中仍然有较高数量的异养细菌和弧菌存在[15]。在5 ℃条件下,适低温生长的硝化细菌的硝化作用增强,使铵态氮转化成硝态氮,从而使铵态氮的释放减少,硝态氮和亚硝态氮释放增加,这可能是5 ℃条件下,营养盐释放量增加的原因之一。而且试验所用沉积物中含有过多的有机氮(表1),比较测定结果发现,在5 ℃条件下,试验结束时沉积物中有机氮占总氮的比例比初始时降低了10%左右,而在其他温度条件的沉积物有机氮占总氮的比例只降低了1.5%左右,这说明在5 ℃下,某些能够降解有机氮的微生物活性增强,把沉积物中的有机氮、磷转化成了一定的无机态氮、磷进而释放到水体中。温度升高时,上覆水的DO会降低,使沉积物中的磷酸盐沉淀溶解,胶体还原,释放吸附的游离磷,使磷酸盐得以释放。不同温度条件下,磷酸盐的存在形式会有所不同,从而促进沉积物总磷的释放[16,17]。研究结果还显示,温度由20 ℃升至30 ℃时,总磷的最大释放量增大2.5倍,这与陈后合等[18]的研究结果以及吴根福等[19]每升高10 ℃总磷释放量增大1倍左右的结果相似。

2.1.3 氮磷营养盐累积释放量相关性 对营养盐累积释放量进行相关性分析发现,硝态氮、亚硝态氮与总氮的累积释放量之间没有显著的相关性,但是,铵态氮与总氮的累积释放量以及活性磷与总磷的累积释放量存在明显的相关性(P<0.05)。表3和表4列出了总氮或总磷累积释放量(y)和铵态氮或活性磷累积释放量(x)的相关拟合方程。

30 ℃下的营养盐累积释放量的相关程度明显高于其他温度条件,而5 ℃下的累积释放量相关程度高于15 ℃和20 ℃的相关性,这说明在5 ℃条件下,铵态氮的释放对于总氮的累积释放有显著贡献,而沉积物有机氮的释放也可能是以铵态氮的形式释放到水体中的。表3的结果说明在刺参养殖池塘中,氮循环是以铵态氮为主要形式进行的,这与国外的有关研究结果相一致[20]。沉积物中的磷主要有颗粒态磷和溶解态磷,活性磷为主要的溶解态磷,沉积物的有机质矿化作用产生活性磷从而促进总磷的释放[21]。

2.1.4 不同温度条件下沉积物营养盐释放率 温度对沉积物营养盐释放率的影响显著(P<0.05)(图3)。沉积物氮、磷的释放率温度顺序均表现为30 ℃、5 ℃、20 ℃、15 ℃。在5 ℃条件下,沉积物中不同形态的氮、磷释放率均高于15 ℃和20 ℃条件下氮磷的释放率,此结果与在5 ℃下有高于15 ℃和20 ℃时的最大累积释放量的结果相一致。总氮和铵态氮释放率的变化范围分别为50%~60%和27%~50%,总磷和活性磷释放率的变化范围分别为38%~61%和30%~52%。结果表明在30 ℃和5 ℃条件下,沉积物中超过50%的总氮和超过38%的总磷释放到水体中,所以在实际生产中,要注意在低温(5 ℃)和高温(30 ℃)下对水体的监测。

2.2 pH对沉积物营养盐释放的影响

2.2.1 pH对沉积物氮、磷表观释放速率的影响 pH对氮、磷表观释放速率有极显著影响(P<0.01)。从图4所示结果可知,总氮在培养12 h,总磷在培养24 h出现最大表观释放速率,酸碱条件顺序为pH 9.0、pH 6.5、pH 7.0、pH 7.5、pH 8.5、pH 8.22。在培养24 h时,铵态氮在pH 6.5的最大表观释放速率高于pH 9.0,原因可能是在培养过程中pH 6.5条件下上覆水中DO含量始终低于pH 9.0的含量(图5),在较高溶氧条件(pH 9.0)下,利于硝化细菌的硝化作用,沉积物中硝态氮、亚硝态氮的释放增大,同时铵态氮释放减小;在较低溶氧条件(pH 6.5)下,硝化作用受到抑制,反硝化作用加强,铵态氮的释放增加。

pH对沉积物中磷的释放过程产生影响主要是通过影响离子交换和沉积物对磷酸盐的吸附-解吸作用[22]。在酸性条件(pH 6.5)下,体系中的难溶性磷酸盐发生溶解使磷脱离沉积物以可溶性的形态进入间隙水进而进入上覆水,酸性越强,磷的释放量越多;在碱性条件(pH 8.5、pH 9.0)下,磷的主要形态是HPO42-,沉积物中磷的释放以离子交换为主,体系中的OH-与被束缚的磷酸盐离子产生竞争发生离子交换,使得磷酸盐的解吸过程得到加强,从而增加了沉积物中磷向上覆水的释放。此外,微生物对于水体DO含量有一定的敏感性,其中聚磷菌对水体DO含量极为敏感[23],本试验所用底泥未作灭菌处理,聚磷菌等微生物的生物活动可能影响上覆水营养盐水平的变化。

2.2.2 pH对沉积物氮磷累积释放量的影响 由于pH的改变影响了水体中离子交换吸附、沉淀-溶解、化学平衡等活性机制,因此不同pH下氮磷释放表现出不同的特点,酸性或碱性条件都明显促进氮磷的释放。表5列出了不同pH条件下氮磷的最大累积释放量。

氮盐在培养12 h时达到最大累积释放量,磷盐在培养24 h时达到最大累积释放量。总氮和总磷在达到最大累积释放量时的酸碱顺序为pH 9.0、pH 6.5、pH 7.0、pH 7.5、pH 8.5、pH 8.22,铵态氮达到最大累积释放量酸碱条件顺序为pH 6.5、pH 9.0、pH 8.5、pH 7.5、pH 7.0、pH 8.22。pH对沉积物氮、磷最大累积释放量的影响与其对表观释放速率的影响存在一致性。试验结果表明培养前后沉积物中有机氮占总氮的比例变化为1.3%左右,说明在不同pH条件下沉积物中的氮磷主要以无机态形式释放到水体中。

2.2.3 营养盐累积释放量相关性 通过相关性分析发现,在不同pH条件下硝态氮、亚硝态氮与总氮的累积释放量之间没有显著的相关性,但是总氮与铵态氮累积释放量以及总磷与活性磷累积释放量之间有显著的相关性(P<0.05)。表6和表7列出了总氮或总磷累积释放量(y)和铵态氮或活性磷累积释放量(x)的相关拟合方程。

出现这种结果的原因可能是在酸性条件(pH 6.5)下,由于H+离子与沉积物底泥胶体吸附的NH4+离子发生离子交换,会使沉积物的NH4+离子持续不断地释放到上覆水中,随着pH降低,H+离子的浓度越大,交换作用越强,铵态氮的表观释放速率相应增加[24];碱性条件(pH 9.0)下,上覆水中的OH-浓度的增加会影响NH4+离子的化学动态平衡,使其向生成NH3和H2O的方向进行,使水体中的NH4+离子减少,沉积物和水之间的NH4+离子浓度差增大,从而促进沉积物中铵态氮向上覆水的释放[25]。沉积物中的磷是以活性磷为主,活性磷的形态转化是沉积物中磷迁移转化的主要机制,一旦出现有利于活性磷转化的条件时,总磷的释放就会增加[26]。

2.2.4 不同pH条件下沉积物营养盐释放率 pH对沉积物营养盐释放率的影响极显著(P<0.01)(图6)。总氮和铵态氮释放率的变化范围分别为40%~60%和30%~42%,总磷和活性磷释放率的变化范围分别为32%~54%和24%~41%。可见,随着pH的升高,沉积物营养盐的释放率呈现“U”形曲线变化,在原养殖水体中(pH 8.22)营养盐的释放率最小。随pH的增大,磷盐的释放率的变化最为明显,说明磷盐释放对pH变化更敏感[27]。

3 小结与讨论

3.1 温度对参池沉积物营养盐释放的影响

温度主要是通过影响沉积物中微生物的活性和数量、硝化速率、反硝化速率而抑制或加速不同形式氮、磷的释放进而对刺参养殖池塘沉积物营养盐释放产生影响,高温能明显地促进沉积物氮磷向上覆水的扩散[6]。结果表明,随着温度的升高,刺参池塘氮、磷营养盐的释放速率累积释放量增加,这与大多数关于湖泊沉积物营养盐释放的研究结果相似。本研究发现,在5 ℃下总氮的最大表观释放速率小于其他温度,但是却有高于15 ℃和20 ℃的最大累积释放量,其原因可能是在5 ℃的培养过程中,总氮的累积释放不仅来自无机态氮,也有有机氮的参与,而参池沉积物中的有机氮主要是来源于投饵后的沉积作用,在参池沉积物中微生物是重要的生物组成,微生物在营养盐的生物化学转化中有重要作用[28]。本试验所用底泥未进行灭菌处理,参池底泥中存在大量的异养微生物[29],在5 ℃条件下,沉积物中的有机氮在异养微生物作用下,降解铵化生成铵态氮释放到水体中,使总氮与铵态氮的累积释放量呈现出极其显著的相关性,从而使沉积物营养盐的释放率在5 ℃条件下高于15 ℃和20 ℃[30],比较培养前后有机氮占总氮比例变化来看,有机氮的无机过程化是可以确定的。此外,在5 ℃和30 ℃条件下沉积物大部分的氮、磷释放到了上覆水中,所以养殖池塘沉积物在低温(5 ℃)和高温条件(30 ℃)时要注意水体氮、磷水平的监测,以防止养殖水体的富营养化。

3.2 pH对参池沉积物营养盐释放的影响

pH对参池沉积物营养盐释放的影响,主要是通过打破底泥中原有的氮磷动态平衡实现的[8]。通过H+影响NH4+的离子交换实现抑制或促进铵态氮的释放,通过OH-影响不同结合态的磷的含量影响磷盐的释放[22]。在不同pH条件下,铵态氮与总氮的累积释放量有极显著的相关性,说明铵态氮是氮盐转移的主要形式,这与国外的有关研究结果相一致[20]。随着pH的升高,沉积物营养盐的释放率呈现“U”形曲线变化,其中磷盐的释放率的变化最为明显,说明磷盐释放对pH变化更敏感,所以要重视水体中磷水平的监测。总体来说,当水土界面的酸碱条件发生变化时,沉积物的氮、磷的释放会产生急剧变化,促使上覆水中氮、磷含量的剧增,对养殖环境造成危害[31]。

3.3 结论

1)温度对氮、磷的表观释放速率和累积释放量影响极显著(P<0.01),对沉积物营养盐释放率的影响显著(P<0.05)。5 ℃条件下氮磷的最大累积释放量高于15 ℃和20 ℃,沉积物有50%以上的氮、磷营养盐释放到水体中。在实际养殖中,不仅要注意在高温时的监测,而且不要忽视在低温下水质的监测。

2)pH对氮、磷的表观释放速率和累积释放量影响显著(P<0.05),对沉积物营养盐的释放率的影响极其显著(P<0.01)。总氮、总磷的累积释放量在碱性条件(pH 9.0)下有最大值,铵态氮在弱酸性条件(pH 6.5)下释放量高于碱性(pH 9.0);试验中有40%~60%的总氮、30%~42%的铵态氮、32%~54%的总磷和24%~41%的活性磷释放到水体中。在实际养殖中应重视水体pH变化时的氮、磷的监测。

3)相关性分析表明在刺参池塘沉积物中铵态氮对总氮的释放有显著的贡献(相关系数>0.85,P<0.05);活性磷对总磷的释放有显著贡献(相关系数>0.85,P<0.05)。

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(责任编辑 彭西甜)

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