2017, Vol. 38
2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008;
3. 江苏省太湖渔业管理委员会办公室, 苏州 215004
2. State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. Taihu Fishery Management Committee Office, Suzhou 215004, China
东太湖是长江中下游典型草型湖泊, 水质良好, 渔业资源丰富, 饵料生物尤其是水生高等植物和大型底栖动物丰富, 是我国最早开始网围养殖渔业开发的湖泊之一[1].但是, 由于对传统渔业养殖规模缺乏科学的指导和系统全面的规划, 过度追求养殖经济效益而投放大量饵料.残留饵料腐烂后导致湖泊水体氮、磷污染严重[2, 3].同时, 单一的养殖模式引发水体环境质量下降, 东太湖沼泽化和富营养化现象渐趋严重[4~6].
2007年太湖蓝藻事件发生后, 东太湖大量养殖网围被拆除, 同时开始进行一系列新型养殖模式的研究与尝试.比如：建立了湖泊养殖优化区和养殖污染物控制区[7].东太湖养殖模式优化后水质变化以及其对环境的影响已有相关报道.已有的研究结果表明：新的养殖模式下, 东太湖的水质及湖泊环境已经得到了较大的改善[8, 9].但是, 关于新型养殖模式下沉积物理化性质方面的研究报道较少.沉积物是水中各种污染物的源和汇, 记录着湖区环境变化的丰富信息[10].因而, 研究沉积物理化性质的变化规律对了解湖泊生态环境变化特征具有重要意义.
为了探讨网围养殖以及不同优化功能区对湖泊环境产生的影响, 在不同月份(1、3、4、8与11月)采集了东太湖不同区域(网围内、网围外, 蟹草养殖区、混养养殖区、恢复区与对照区)以及不同深度(0~1 cm与9~10 cm)的沉积物样品, 进行理化指标分析, 研究优化模式下渔业养殖对湖泊沉积物理化性质的影响, 以期对淡水湖泊渔业养殖模式的优化和推广提供一定的参考和依据.
1 材料与方法 1.1 样点布设研究区域及样点布设如图 1所示.东太湖目前设有12个养殖区, 养殖区1~12区自东向西分布.其中, 1~8养殖区位于东太湖湖湾内, 9~12养殖区位于东太湖湾外, 接近大太湖[图 1(a)].在1、3、8和9养殖区选择有代表性的湖泊养殖污染控制示范区(蟹草养殖区, 称蟹草区)和湖泊网围养殖模式优化示范区(混养养殖区, 称混养区)[图 1(b)]进行研究.蟹草区中人工种植沉水植物, 一方面可对养殖污染物进行吸收、转化; 另一方面, 养殖生物可以沉水植物为食, 提高养殖生物的产量[11].混养区中合理搭配不同生物品种及数量比例, 主要包括：河蟹青虾混养、河蟹鳜鱼混养、河蟹罗氏沼虾混养等, 利用虾、蟹、鱼及水生植物的共生原理, 调整生态布局, 可以取得较为理想的经济效益[12].此外, 本研究区域还包括网围养殖基地生态恢复示范区(恢复区)和对照区.恢复区即针对已经受到水产养殖污染的湖区, 通过人工维护水体环境, 构建沉水植物、浮叶植物和挺水植物等优质水生植被自然生长的区域; 对照区样点布设选择在距离养殖区以及修复区约3~5 km的范围内, 是历史上从未进行水产养殖的区域.
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(a)养殖区网围内、外各12个采样点(N：网围内; W：网围外); (b)蟹草区、混养区、恢复区及对照区14个采样点(XC：蟹草区; HY：混养区; HF：恢复区; DZ：对照区) 图 1 东太湖研究区域及样点布设示意 Fig. 1 Map of the study area and sampling sites of Eastern Lake Taihu |
于2016年1月和8月, 在1~12养殖区网围内(N1~N12)、网围外(W1~W12) 各设置12个采样点[图 1(a)], 采集湖泊表层(0~1 cm)和深层(9~10 cm)沉积物.另外, 于2016年的1、3、4、8和11月, 在该研究区域各进行一次采样, 每次设置14个采样点采集湖泊表层(0~1 cm)沉积物[图 1(b)].其中, 蟹草区设置4个采样点(1XC、3XC、8XC、9XC), 混养区设置4个采样点(1HY、3HY、8HY、9HY), 恢复区设置3个采样点(HF1、HF2、HF3), 对照区设置3个采样点(DZ1、DZ2、DZ3).
1.2 沉积物样品采集与实验处理使用柱状采泥器采集0~15 cm的柱状沉积物, 使用分样环分出表层(0~1 cm)和深层(9~10 cm)沉积物样品, 冷藏保存后运回实验室进一步处理分析.
沉积物在冻干机(ALPHA1-2，德国CHRIST)中冻干, 研磨成粉状置于密封袋中, 然后进行理化指标测定.在进行沉积物理化指标测定之前要进行预处理.沉积物pH使用pH计(pHB-4, 雷磁, 上海)测定.沉积物样品经消解后测定总磷(TP)含量.氨氮(NH4+-N)和亚硝氮(NO2--N)的含量使用2 mol·L-1 KCl溶液浸提后, 通过SKALAR流动注射仪(San++, SKALAR, 荷兰)进行测定.用元素分析仪(EA3000, 意大利)通过燃烧法测定总氮(TN)、总碳(TC), 而后计算出碳氮比(C：N).
1.3 数据处理方法使用SigmaPlot 12.0软件进行均值方差对比分析以及柱状图和折线图的生成, 使用SPSS 17.0进行One-Way ANOVA分析, 使用R语言中的vegan工具包进行主成分分析(principle components analysis, PCA).
2 结果与分析 2.1 养殖网围内、外理化指标分析1月和8月12个养殖区网围内、外及垂向深度沉积物各个样点的理化指标如图 2和图 3所示. 8月(夏季), 12个养殖区内、外的表层(0~1 cm)和深层(9~10 cm)沉积物pH值和亚硝氮含量均高于1月(冬季). 1月, 深层沉积物中的氨氮含量高于表层沉积物.同一深度时, 养殖网围外的氨氮含量高于网围内.不同养殖区TN和TP含量波动比较大, 但总体上养殖网围内沉积物中的TN含量[(3.14±1.40) g·kg-1]要略高于养殖网围外[(3.03±1.35) g·kg-1].养殖网围内沉积物中的TP含量[(1.08±0.77) g·kg-1]也要略高于养殖网围外[(0.74±0.50) g·kg-1].同时, 表层沉积物中TN含量高于底层沉积物, 而氨氮含量在底层沉积物中更高.养殖网围内、外沉积物的C：N无明显差异, 但总体上, 8月沉积物中C：N高于1月沉积物.
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图 2 1月和8月养殖网围内、外及垂向深度沉积物理化指标 Fig. 2 Physicochemical characteristic of lake sediment within and outside the culture areas at different depths in January and August |
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TN：总氮, TP：总磷, C:N：碳氮比, NO2--N：亚硝氮, NH4+-N：氨氮, 下同 图 3 1月和8月各个养殖区域网围内、外及垂向深度沉积物理化指标 Fig. 3 Physicochemical characteristic of lake sediment within and outside the each culture areas at different depths in January and August |
1、3、4、8和11月不同区域沉积物各个样点间的理化指标如图 4和表 1所示. 8月和11月pH略高于其他月份, 这与前文中夏季pH高于冬季的结论相似.蟹草区和混养区沉积物中TN和TP含量均显著高于对照区(P < 0.05).全年中不同区域的C：N无显著差异(P > 0.05).全年中蟹草区、混养区和恢复区表层沉积物中亚硝氮含量显著高于对照区(P < 0.05), 蟹草区和混养区表层沉积物中氨氮含量显著高于对照区(P < 0.05).
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图 4 1、3、4、8和11月不同区域表层沉积物理化指标 Fig. 4 Physicochemical characteristic from surface sediment from different areas in January, March, April, August, and November |
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表 1 东太湖不同区域沉积物理化指标1) Table 1 Physicochemical characteristics of surface sediments in different areas of Eastern Lake Taihu |
2.3 主成分分析(PCA)
1月与8月养殖网围内、外及垂向深度沉积物理化性质PCA分析结果表明, 两个主轴所占整体环境因子的主成分百分比分别为36.1%和27%, 总计63.1%(图 5).其中, 环境因子氨氮和TP箭头夹角较小, 说明这两个环境因子对样点分布的影响是较为相似的, 且相互影响作用较大. 1月与8月的样点分别聚集, 说明12个养殖区内、外沉积物的理化性质无明显差别, 但是不同采样时间沉积物理化性质差别明显. TN、TC、pH和C：N对样点差异性的影响较其他指标大, 且8月网围内外有更高的pH和C：N, 这与图 2和图 3的结果一致.
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图 5 1月、8月养殖网围内、外及垂向深度沉积物环境因子PCA分析 Fig. 5 Principle component analysis (PCA) of lake sediment within and outside the culture areas at different depths in January and August |
不同月份不同养殖区域表层沉积物环境因子PCA结果显示, 两个主轴所占整体环境因子的主成分百分比分别为35.4%和28.1%, 总计63.5%(图 6).受不同环境因子影响, 蟹草区和混养区的样点混在一起, 说明这两个养殖区域的沉积物理化性质显著区别于恢复区和对照区.此外, 环境因子亚硝态氮和pH箭头方向较为一致, 说明这两个环境因子对样点分布的影响是较为相似的. TN、TP、TC和C：N对不同区域理化性质的差异性有更重要的影响, 且恢复区和对照区的C：N高于养殖区. 8月养殖区域沉积物中TN、TP和TC含量显著高于对照区和恢复区.
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图 6 1月、3月、4月、8月和11月份不同养殖区域表层沉积物环境因子PCA分析 Fig. 6 Principle component analysis (PCA) of surface lake sediment in different areas in January, March, April, August, and November |
不同养殖区沉积物中TN和TP含量波动比较大, 但总体上养殖网围内外沉积物理化指标无显著差异.网围内的沉积物中TN和TP含量略高于网围外.在网围内, 蟹、鱼正常新陈代谢过程中会产生一些排泄物, 养殖过程中也不可避免地会产生部分残饲, 除了以可溶性营养盐形式存在于水中外, 还会以有机碎屑形式存在于底泥中, 造成氮、磷富集于网围内沉积物中[12].由于网围阻滞水流的作用, 阻隔了部分营养盐迁移到网围外[4].另一方面, 由于养殖区内种植大量沉水植物, 植物可以对水体和沉积物中氮、磷等营养元素进行吸收, 一部分营养盐还可能被底栖生物所利用[4, 12], 从而导致了网围内的氮、磷含量只是略高于网围外.此外, 在水体中有机氮被微生物利用, 形成铵态氮, 其中一部分被植物吸收, 通过离子交换被固定在沉积物中, 而表层沉积物中的氮易被水生植物重新利用和在固液相之间交换, 从而导致表层沉积物中氨氮含量低于底层沉积物中[13].
C：N比值被认为是判定有机质来源的指标[14]. C：N比值越高, 说明湖泊高等植物越多.养殖网围内、外沉积物的C：N无显著差异.东太湖养殖网围内、外都生长有大量的水生植物, 这与野外调查中观察到的结果一致.水生植物由于个体大、生命周期长、吸附和储存营养盐能力强, 能够对光环境和营养盐竞争, 分泌化感物质抑制藻类生长, 从而对富营养化水体和沉积物均有较好的净化和修复作用[15~17].
3.2 东太湖不同区域理化性质差异不同区域沉积物的理化性质对比结果表明, 蟹草区和混养区沉积物的理化性质显著区别于恢复区和对照区.蟹草区和混养区的TN和TP含量均显著高于对照区(P < 0.05), 说明养殖区内的氮磷负荷较高.沉积物是氮、磷等营养元素的重要储存库, 养殖过程中所输出的残饵、代谢产物及排泄物等都是营养源[18~21].有研究表明, 网箱养殖中沉积物有机质来源主要由残饵和鱼类粪便组成, 在总有机质中的比例分别占到47.70%和27.71%[22], 这说明在渔业养殖过程中残饵和水产品排泄物是沉积物中营养盐的重要来源.投入饵料中大约有23%的碳、21%的氮和53%的磷会累积于底部沉积物中, 在潮流、风浪等作用下会再释放易形成二次污染[23].
恢复区实施退渔还湖, 可沉降到湖底的营养物质减少, 同时种植的大量水生植物吸收了沉积物中过量的营养盐物质, 起到了一定的生态修复作用[23].这解释了恢复区与对照区的总磷含量无明显差异.无机氮含量较高, 说明表层沉积物受到较高的氮污染.恢复区的氨氮含量与对照区无显著差异, 但亚硝氮和总氮含量高于对照区, 说明恢复区水生植物对氮污染的去除能力仍然有限.
蟹草区TN、TP含量略高于混养区.而混养区由于设置了更加优化的养殖结构, 使得营养物质能够被充分利用, 提高饵料利用率[24].大量实验结果表明, 淡水系统中生物种类的合理搭配, 可使系统中的营养结构和水质状况发生显著的变化[25, 26].
3.3 东太湖各区域沉积物理化性质随时间的变化1、3、4、8和11月不同区域沉积物理化性质对比表明, 不同区域的沉积物理化性质呈现一定的时间变化规律, 这可能和水生植物生长的季节性规律有关.大量研究证明, 水生植物的存在能有效控制沉积物营养盐的释放[27].水生植物在生长过程中可直接吸收环境中的氮、磷等营养物质来维持自身生长[28, 29].温度是植物季节生长的重要影响因子[30, 31]. 4月养殖网围中水生植物生长良好, 水生植物生长可加速其对水体和沉积物中氮、磷营养盐的吸收, 从而降低环境中的营养盐含量[4].而1月、3月水生植物生长缓慢, 无法对氮、磷等营养物质进行快速吸收, 从而导致沉积物中TP含量相对较高.
4 结论(1) 养殖网围内TN、TP含量高于网围外, 这是由于网围内进行的养殖活动会积累大量的氮、磷等营养盐, 但种植水生植物能有效缓解沉积物中营养盐的累积.
(2) 混养区搭配不同生态位的养殖产品, 同时种植大量水生植物, 具有相对完整的生态布局, 相较蟹草区更能降低氮、磷等营养物质的负荷.恢复区的生态修复效果显著, TP含量与对照区相比无明显差异.
(3) 在水生植物的生长旺季, 沉积物中的氮、磷等营养盐含量可以得到较好地控制.水生植物通过吸收营养物质来生长, 既降低了沉积物中的营养负荷, 同时也为养殖产品提供了天然的食物.
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