池塘养殖过程中大多以投喂人工配合饲料为主，养殖鱼类对其有限的利用造成有机物沉积进入底泥. 有研究表明，饲料中70％左右的氮、 磷会以不同的方式进入养殖水体^[1]. 饲料投入是池塘氮、 磷输入的主要形式，而底泥积累是池塘氮、 磷输出的主要形式^[2,3]. 池塘底泥积累的有机物在微生物的作用下分解产生氮、 磷营养盐^[4]，而水体中氮、 磷营养盐的积累会导致养殖水质恶化，这已经成为了鱼类疾病频繁发生的主要原因，所以研究池塘底泥氮、 磷的释放对调节池塘水质和健康养殖有着重要的意义.

现阶段的研究多集中于探究物理、 化学和生物因素对底泥氮、 磷释放的影响，例如溶氧、 温度、 pH值、 扰动、 水流速度、 底泥厚度、 微生物活性等方面^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}. 同时室内模拟是研究底泥氮、 磷释放的重要手段，此法易于控制实验条件，可以连续监测底泥-水界面营养盐的变动. 有研究发现，河流底泥的有机质是影响无机氮释放的重要因子^[11]，湖泊沉积物表层的有机碎屑分解形成的高浓度磷会阻止沉积物磷的释放^[13]. 然而池塘残饵对底泥氮、 磷释放的影响尚缺乏研究，所以本实验运用室内模拟的方法，对残饵作用下的底泥氮、 磷释放规律和释放通量进行初步分析.

1 材料与方法 1.1 实验装置

实验用底泥于2012-11-08在湖北省荆州市公安县崇湖渔场草鱼养殖池塘，使用彼得逊采泥器采集. 底泥装入封口塑料袋中，在实验室筛除杂质，并将其充分混匀. 混匀的底泥一部分用于测定间隙水氮、 磷营养盐浓度和底泥理化性质，另一部分用于模拟实验. 采集底泥的同时采集池塘水，池塘水经过0.45 μm孔径的微孔滤膜过滤后，测定其氮、 磷营养盐浓度(氨氮、 硝态氮、 亚硝态氮、 活性磷、 总氮、 总磷)，过滤池塘水放入冰箱内4℃保存备用. 实验用饲料为人工配合饲料. 实验装置为6个柱状玻璃器皿(r=6 cm，h=60 cm)，分A、 B两组，每组3个重复.

A组加入混匀的底泥至6 cm刻度线，然后缓慢加入过滤池塘水至26 cm刻度线，B组加入的底泥和过滤池塘水与A组相同，实验期间A、 B两组均封口遮光静置. 加注完毕静置24 h后，测定氮、 磷营养盐浓度，A组不添加任何物质，B组加入3 g饲料(实验期间只添加1次)，24 h后再测定氮、 磷营养盐浓度. 此后每隔1 d测定1次，实验持续18 d. 每次取样用50 mL注射器抽取150 mL水样，再添加备用的过滤池塘水至原水位处，尽量避免扰动底泥. 实验结束后采集A、 B两组的表层2 cm底泥，80℃烘干后待测.

上覆水溶解氧(DO)、 水温、 pH值采用哈希HACH HQ40d双路输入多参数数字化分析仪测定，氨氮采用纳氏试剂比色法(GB 17479-87)，硝态氮采用紫外分光光度法(HJ/346-2007)，亚硝态氮采用分光光度法(GB 7493-87)，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)，活性磷采用钼锑抗分光光度法^[14]，总磷采用钼酸铵紫外分光光度法(GB 11893-89)，底泥含水率参照文献^[15]，底泥总碳、 总氮采用元素分析仪测定，底泥总磷采用HClO₄-H₂SO₄法，底泥有机质采用马弗炉干灰分法^[15]. 所测得数据见表 1和表 2.

表 1(Table 1)

表 1 实验用饲料和底泥的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of experimental feed and sediment 项目 饲料/％ 初始底泥/％ 总碳 总氮 总磷 总碳 总氮 总磷 含水率 有机质 参数 40.93 5.08 1.56 2.44 0.29 0.13 63.36 4.78

表 1 实验用饲料和底泥的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of experimental feed and sediment

表 2(Table 2)

表 2 初始上覆水和初始底泥间隙水氮、 磷浓度 Table 2 Nitrogen and phosphorus concentrations in initial overlying water and pore-water 项目 初始上覆水/mg ·L-1 初始底泥间隙水/mg ·L-1 NH+4-N NO-3-N NO-2-N PO3-4-P NH+4-N NO-3-N NO-2-N PO3-4-P 参数 3.51 2.73 0.048 0.018 9.72 0.46 0.028 0.38

表 2 初始上覆水和初始底泥间隙水氮、 磷浓度 Table 2 Nitrogen and phosphorus concentrations in initial overlying water and pore-water

氮、 磷释放通量采用下面公式计算：

F= M/A·t

实验数据采用平均数±标准差表示，采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，用Duncan法进行多重比较. 相关分析采用Pearson简单相关系数. 取P＜0.05为差异显著水平.

上覆水中DO变化，如图 1(a)所示. 实验开始后，A组DO逐渐下降后稳定在(4.82±0.30~6.23±0.69)mg ·L^-1. B组添加饲料后，DO迅速下降，第4 d后DO稳定在(0.20±0.06~0.57±0.09) mg ·L^-1. 第2 d开始，B组DO显著低于A组(P＜0.05).

上覆水中pH值变化，如图 1(b)所示. 实验期间A组pH值稳定在(7.27±0.13~7.66±0.02). B组添加饲料后，pH值从(7.71±0.07)下降至(6.56±0.04)，此后缓慢上升至(7.13±0.09).

图 1

Fig. 1

图 1 上覆水DO、 pH值变化 Fig. 1 Changes of DO,pH value in overlying water 图中横坐标0 d表示实验初始水样的测定值

实验开始后，A组DO下降，此后上覆水处于有氧状态(DO＞5.0 mg ·L^-1)，而B组DO下降后，上覆水处于厌氧状态(0.0 mg ·L^-1＜DO＜1 mg ·L^-1)，两组DO相比较说明饲料的分解消耗了更多的溶解氧，从而导致底泥-水界面形成厌氧环境.

研究表明，有机物的厌氧分解分为两个阶段. 第一阶段有机物分解产生大量有机酸，pH值随之降低，第二阶段随着甲烷细菌繁殖，有机酸被分解，pH值逐渐增大^[16]. 添加饲料后，B组pH值先下降，后升高，这与上述研究结果一致. 如图 2(a)所示，B组后期氨氮浓度上升明显，氨氮对H⁺可以起到一定的中和作用^[16].

图 2

Fig. 2

图 2 上覆水氨氮、 硝态氮、 亚硝态氮、 总氮的浓度变化 Fig. 2 Changes of ammonia nitrogen,nitrate nitrogen,nitrite nitrogen and total nitrogen in overlying water 图中横坐标0 d表示实验初始水样的测定值

添加饲料前，A、 B两组上覆水中氨氮、 硝态氮、 亚硝态氮、 总氮浓度无显著差异(P＞0.05). 添加饲料后，A、 B两组氮的释放规律呈现出明显不同.

氨氮浓度变化如图 2(a)所示. A组氨氮持续上升，第4 d达到最大值(9.99±0.92)mg ·L^-1，此后呈下降趋势. B组在添加饲料后，氨氮逐渐下降，第12 d降至最低值(1.47±0.04)mg ·L^-1，此后开始上升，第18 d达到最大值(12.86±3.46)mg ·L^-1. 实验第4~14 d之间，B组氨氮显著低于A组(P＜0.05).

硝态氮浓度变化如图 2(b)所示. A组硝态氮先下降后上升. 添加饲料后，B组硝态氮逐渐下降，第4 d下降至最低值(0.59±0.04)mg ·L^-1，此后趋于稳定. 实验第4 d开始B组硝态氮显著低于A组(P＜0.05). A组硝态氮与氨氮呈极显著负相关(r=-0.874，P=0.000)，而B组硝态氮与氨氮无相关关系(r=0.343，P=0.302).

亚硝态氮浓度变化如图 2(c)所示. A组亚硝态氮在前8 d相对稳定，此后显著上升(P＜0.05)，实验结束时上升到(0.31±0.09)mg ·L^-1，是初始浓度的7倍. 添加饲料后，B组亚硝态氮快速上升，第4 d达到最大值(0.19±0.08)mg ·L^-1，在第6 d降低后趋于稳定.

总氮浓度变化如图 2(d)所示. A组在第4 d达到最大值(12.12±0.86) mg ·L^-1，此后缓慢下降到(7.33±0.56) mg ·L^-1. 添加饲料后，B组总氮逐渐下降，在第14 d开始上升. 实验结束时B组总氮为(14.28±3.48)mg ·L^-1，显著高于A组(P＜0.05).

上覆水中氨氮、 硝态氮与DO、 pH的相关性，如表 3所示. A组氨氮与DO和pH均为极显著负相关(P＜0.01)，而B组氨氮与DO和pH均无相关关系(P＜0.05). A组硝态氮与DO无相关关系(P＜0.05)，与pH为显著正相关(P＜0.05). B组硝态氮与DO和pH均为极显著正相关(P＜0.01).

表 3(Table 3)

表 3 上覆水氨氮、 硝态氮浓度与DO、 pH的相关分析 1) Table 3 Correlative analysis between ammonia nitrogen, nitrate nitrogen with DO,pH 项目 DO pH r P r P A组氨氮 -0.569 0.034 -0.588 0.029 B组氨氮 0.112 0.743 0.298 0.374 A组硝态氮 0.385 0.243 0.571 0.033 B组硝态氮 0.956 0.000 0.941 0.000 1) r为Pearson系数； P<0.05，表示差异显著； P<0.01，表示差异极显著

表 3 上覆水氨氮、 硝态氮浓度与DO、 pH的相关分析 1) Table 3 Correlative analysis between ammonia nitrogen, nitrate nitrogen with DO,pH

底泥释放氨氮，是由于底泥表层有机物氨化作用生成氨氮，积存于间隙水中，然后通过浓度差扩散进入上覆水^[4]. 如表 2所示，间隙水氨氮浓度高于上覆水，氨氮向上覆水扩散，初期A组上覆水氨氮浓度升高，而间隙水中硝态氮浓度低于上覆水，硝态氮向底泥扩散，初期A组上覆水硝态氮浓度降低. A组氨氮与DO、 pH均为显著负相关，这与前人的研究结果一致^{[11, 17, 18]}. 实验后期A组氨氮下降、 硝态氮上升，同时A组氨氮与硝态氮呈现显著负相关，这说明后期A组消化作用明显，氨氮向硝态氮转化. 实验中期，B组硝态氮下降后趋于稳定. 研究发现，当上覆水中DO<0.5 mg ·L^-1时，微生物会利用硝态氮中的氧进行反硝化作用，硝态氮浓度降低并趋于稳定^[7,19]. 上覆水中DO向底泥的渗透能力是调节硝化作用的关键因子^[20]，B组硝态氮始终低于A组，说明B组硝化作用受到低DO的抑制. 添加饲料后，B组氨氮下降明显，分析其原因：①有机质是影响氨氮在沉积物上吸附的主要因素，去除有机物的沉积物对氨氮的吸收能力明显降低^[21]. ②B组亚硝态氮上升，说明亚硝化细菌把部分氨氮转化为亚硝态氮^[22]. 石广福^[23]研究表明，饲料加入实验水族箱后(水族箱内并未铺设底泥)，氨氮先下降后上升，且温度越高升高得越快(分别研究了20、 25、 30℃). 这与本研究添加饲料后，B组氨氮变化相似，不同的是本实验氨氮下降时间较长，分析其原因：①本实验水温较低，实验期间上覆水平均温度为(10.5±1.42)℃. 温度影响微生物活性，从而影响饲料的矿化分解速率，低温导致氨氮的再生速率减慢. ②本实验装置内铺设了6 cm的池塘底泥，底泥可以起到缓冲和维持水体氮营养盐浓度的作用^[24]，所以延长了氨氮下降时间. 有研究发现，厌氧条件有利于底泥向上覆水释放氨氮^{[8, 10, 11, 12, 25]}，同时厌氧环境在一定程度上减少了硝化作用对氨氮的消耗^[26]，B组后期氨氮上升明显，说明在饲料分解的情况下(0.0 mg ·L^-1＜DO＜0.5 mg ·L^-1)，上覆水易积累氨氮，恶化水质.

实验初期，A组氮释放形态以氨氮为主，氨氮最多时占(83.08±1.69)％. 实验后期A组则以硝态氮为主，比例为(16.43±1.65~46.13±5.39)％. 实验期间B组氮释放形态主要是氨氮，比例为(66.84±2.11~89.61±2.55)％，B组硝态氮比例为(9.69±1.27~43.75±3.15)％，且比例逐渐降低. 添加饲料后，B组氨氮比例高于A组，而B组硝态氮比例低于A组，这说明A组硝化作用强于B组.

氨氮释放通量如图 3(a)所示. A组在第1 d达到最大值(489.86±82.23)mg ·(m² ·d)^-1，此后逐渐下降，实验后期多为负值. 添加饲料前B组为(507.53±88.45)mg ·(m² ·d)^-1，添加饲料后迅速变为负值，一直持续到第12 d，第18 d激增到(884.83±241.88)mg ·(m² ·d)^-1.

硝态氮释放通量如图 3(b)所示. A、 B两组变化相似，前10 d均为负值，此后逐渐上升，最大值都出现在第18 d，分别为(112.70±9.84)mg ·(m² ·d)^-1和(65.19±6.16)mg ·(m² ·d)^-1.

亚硝态氮释放通量如图 3(c)所示. A组前8 d处在一个较低水平上，此后逐渐上升. B组前4 d均为正值，释放明显，第6 d变为负值，表现为吸收. 第10 d后A组亚硝态氮释放通量高于B组.

图 3

Fig. 3

图 3 上覆水氨氮、 硝态氮、 亚硝态氮、 总氮释放通量的变化 Fig. 3 Changes of ammonia nitrogen flux,nitrate nitrogen flux,nitrite nitrogen flux and total nitrogen flux in overlying water

总氮释放通量如图 3(d)所示. A组前4 d的平均值为(450.66±83.81)mg ·(m² ·d)^-1，释放明显，第14~18 d为负值，表现为吸收. B组添加饲料后一直为负值，第14 d开始变为正值并逐渐上升，第18 d达到最大值(974.36±243.61)mg ·(m² ·d)^-1.

活性磷浓度变化如图 4(a)所示. A组活性磷在第4 d达到最大值(0.061±0.03) mg ·L^-1，此后缓慢下降并趋于稳定. 添加饲料后，B组活性磷快速上升，第8 d达到峰值(1.83±0.23)mg ·L^-1，第12 d以后趋于稳定. 添加饲料后，B组活性磷显著高于A组(P＜0.05).

图 4

Fig. 4

图 4 上覆水活性磷、 总磷的浓度变化 Fig. 4 Changes of orthophosphate,total phosphorus in overlying water 图中横坐标0 d表示实验初始水样的测定值

总磷浓度变化如图 4(b)所示. 总磷的变化趋势与活性磷相似，同时实验期间活性磷是总磷释放的主要形态. A、 B两组总磷都表现为先上升后下降，实验后期趋于稳定. 添加饲料后，B组总磷显著高于A组(P＜0.05).

上覆水中活性磷与硝态氮、 DO和pH的相关性，如表 4所示. A组活性磷与硝态氮、 DO和pH均无相关关系(P＞0.05)，而B组活性磷与硝态氮、 DO和pH均为极显著负相关(P＜0.01).

表 4(Table 4)

表 4 上覆水活性磷浓度与DO、 pH、 硝态氮浓度的相关分析 1) Table 4 Correlative analysis between orthophosphate with DO,pH and nitrate nitrogen 项目 DO pH 硝态氮 r P r P r P A组活性磷 -0.377 0.253 -0.504 0.114 -0.34 0.306 B组活性磷 -0.879 0.000 -0.896 0.000 -0.871 0.002 1) r为皮Pearson系数； P<0.05，表示差异显著； P<0.01，表示差异极显著

表 4 上覆水活性磷浓度与DO、 pH、 硝态氮浓度的相关分析 1) Table 4 Correlative analysis between orthophosphate with DO,pH and nitrate nitrogen

研究表明，底泥-水界面的磷浓度差决定磷的扩散方向^[27]. 由表 2可知，初始底泥间隙水活性磷浓度比上覆水高，扩散作用导致A组实验初期上覆水中活性磷浓度上升，此后逐渐降低至初始浓度水平，分析其下降的原因：①初期浓度差导致活性磷释放后，进一步释放需要依靠底泥-水界面有机质的分解^{[25, 26, 27]}，A组缺少外源有机物. ②A组DO较高(DO＞5.0 mg ·L^-1)，且pH值始终大于7. 研究发现，上覆水DO较高时，Fe²⁺会被氧化为Fe³⁺，Fe³⁺可与活性磷结合，且中性或碱性条件下，Fe³⁺更容易形成胶体，从而吸附上覆水中的活性磷^[17,19]. 添加饲料后，B组上覆水中活性磷迅速浓度上升，且活性磷浓度显著高于A组，这说明饲料分解会引起上覆水活性磷浓度升高，这与蒋艾青等^[28]研究残饵对水质的影响结果相似. 研究表明，厌氧环境会促进底泥释放磷^{[8, 10, 29]}. B组活性磷达到峰值后下降明显，分析其原因：①研究发现，当上覆水中活性磷浓度达到1~2 mg ·L^-1时，无论DO高低，底泥都会吸收磷^[30]. ②有机物分解产生的腐殖质能与铁、 铝等形成复合体，增加了无机磷吸附位点，加强了对磷的吸附^[31]. B组活性磷与硝态氮呈负相关，这与周劲风等^[32]研究结果一致，也有研究发现，反硝化细菌与活性磷负相关，活性磷升高会抑制池塘中反硝化作用，从而氮营养盐过剩，产生污染^[33].

活性磷释放通量如图 5(a)所示. A组在静置1 d后达到最大值(1.52±0.47) mg ·(m² ·d)^-1，此后多为负值，表现为底泥对活性磷的吸收. B组在添加饲料后1d达到最大值(127.88±43.21)mg ·(m² ·d)^-1，然后缓慢下降.

总磷释放通量如图 5(b)所示. A、B两组总磷释放通量相差较大. A组总磷释放通量除第1 d外，其余均为负值. B组总磷释放通量在投饵后1 d达到最大值(53.00±13.31) mg ·(m² ·d)^-1，随后逐渐下降.

图 5

Fig. 5

图 5 上覆水活性磷、 总磷释放通量的变化 Fig. 5 Changes of orthophosphate flux,total phosphorus flux in overlying water

如图 6所示，实验前后A、 B两组底泥中的总碳、 总氮、 总磷和有机质均无明显差异(P＞0.05)，同时实验结束时A组和B组之间也无明显差异(P＞0.05)，这说明添加饲料对底泥组分无明显影响. 有研究发现，养殖池塘底泥一般没有大量有机质的积累^[34].

图 6

Fig. 6

图 6 实验前后底泥组分对比 Fig. 6 Composition of sediments before and after the experiment

(1)饲料分解导致上覆水形成厌氧环境，同时上覆水pH值呈弱酸性.

(2)添加饲料的B组，初期氨氮、 硝态氮的释放受到抑制. 静态释放的A组和饲料添加的B组，氮的释放变化趋势相反，前者呈现出先升高后降低的趋势，后者则是先降低后升高.

(3)饲料分解向上覆水释放大量的磷. 饲料添加的B组，活性磷的变化呈现先上升后下降的趋势. 静态释放的A组，底泥对磷的释放不明显.