仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面氮、磷通量研究

王 摆，高 杉，周遵春

(辽宁省海洋水产科学研究院，辽宁省海洋生物资源与生态学重点实验室，辽宁 大连 116023)

仿刺参(Apostichopusjaponicus)作为重要的底栖生物类群和水产增养殖品种，养殖池塘的底质和水质环境在其生长和病害防控等方面发挥着至关重要的作用[1-3]。在池塘仿刺参进入夏眠前后，夏季高温期也是其养殖的关键时期和病害的高发期[4]。袁秀堂等[5]研究发现，仿刺参在夏眠的临界温度下，其呼吸和排泄耗能占摄食能的比例逐渐增大，生长耗能出现负值，表现出负生长；在夏眠期间为了维持其基本生理活动，不得不动用体内贮存的能量用于呼吸和排泄耗能。有研究报道，仿刺参在进入夏眠过程中出现免疫应激反应，随着水温升高其免疫防御能力被抑制[6-8]；甚至，夏季仿刺参的大面积死亡有常态化的趋势[4]。因此，在仿刺参池塘养殖过程中夏眠前后，尤其在夏眠期间，池塘底质和水质环境变化研究显得尤为重要。

沉积物作为水生生态系统营养元素重要的源汇，营养盐在沉积物—水界面的迁移转化行为直接影响底质和水质环境的变化，其中，营养盐通量变化影响着池塘水质环境、氮磷收支和生源要素的循环[9-11]。郑忠明等[12]研究了仿刺参不同养殖模式下围隔内沉积物—水界面的营养盐通量，考察了养殖密度和投饵对沉积物—水界面营养盐通量的影响。而有关仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面的营养盐通量研究尚未见报道。笔者采用沉积物—水界面原位采样和实验室培养方法，采集仿刺参夏眠前后池塘的沉积物—水界面样品，检测沉积物上覆水培养前后硝态氮、亚硝态氮、氨氮和可溶性无机磷酸盐的含量，计算沉积物—水界面的氮、磷通量变化，分析仿刺参夏眠前后营养盐在池塘沉积物—水界面的迁移转化规律，为仿刺参池塘的底质、水质环境调控及其生态健康养殖提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 池塘概况

仿刺参池塘位于营口滨海区潮上带，池塘面积4.0 hm2，平均水深1.5～1.7 m，养殖期间不投饵，每月自然纳潮换水1～2次。池塘的仿刺参采取轮捕轮放的投苗养殖方式，秋季投放平均体质量4.0～5.0 g的苗种，投放密度为4.5×104～7.5×104头/hm2，采捕规格100 g/头以上的成参，年采捕量为800～1000 kg/hm2。池塘底部放置以石块为材料的参礁，池塘无充氧设备。

1.2 样品采集与营养盐检测

采样时间为2014年6月2日、7月9日、8月13日、9月19日、10月15日，在仿刺参单养池塘随机布设5个采样点，每个采样点用沉积物—水界面原位采泥器同时采集沉积物及上覆水样品，每个采样点采集3个平行样，样品采集后原位密封于采样管中，4 ℃保存立即带回实验室处理。采用多参数水质分析仪(YSI Professional plus，美国YSI)现场测量池塘底层水温、盐度、pH、溶解氧和氧化还原电位。沉积物上覆水样品的处理和培养方法参考文献[12]报道的方法。

水样中营养盐的含量按照《海洋监测规范》(GB 17378.4—2007)测定[13]，氨氮采用次溴酸盐氧化法测定，亚硝态氮采用萘乙二胺分光光度法测定，硝态氮用镉柱还原法测定，可溶性磷酸盐采用钼蓝法测定。

1.3 沉积物—水界面营养盐通量

营养盐通量计算公式如下：

NF=Δρ×V/S/t

式中，NF为沉积物—水界面营养盐通量[mg/(m2·d)]；Δρ为培养前后沉积物上覆水中营养盐质量浓度变化(mg/L)；V为沉积物上覆水的体积(m3)，S为培养管内的横截面积(m2)；t为培养时间(d)。

1.4 数据分析

采用SSPS 13.0分析池塘环境指标之间，沉积物—水界面的营养盐通量与池塘环境指标间的相关性，P<0.05为相关性显著，P<0.01为相关性极显著。单因素方差分析检验池塘各月间沉积物—水界面的营养盐通量的差异，P<0.05为差异显著，P<0.01为差异极显著。用Origin 9.1软件制图。

2 结果与分析

2.1 仿刺参夏眠前后池塘水环境变化

采样时仿刺参池塘底层水环境的理化指标见表1，6—10月池塘水温随时间先升后降，7、8月平均水温超过27 ℃，仿刺参已进入夏眠期；池塘海水盐度为27.46～30.63，pH为8.42～8.80，盐度和pH相对稳定；溶解氧水平为5.82～7.69 mg/L，氧化还原电位为37.6～110.2 mV，氧化还原电位与溶解氧显著正相关(P<0.05)。6、7月池塘海水中亚硝态氮和硝态氮质量浓度较高，8、9、10月亚硝态氮和硝态氮质量浓度较低；7月氨氮质量浓度最高，6、8、9、10月氨氮质量浓度较低，10月达到最低值；6月可溶性无机磷酸盐质量浓度为0.018 mg/L，7—10月可溶性无机磷酸盐浓度逐渐升高，由0.005 mg/L升至0.041 mg/L。

表1 仿刺参夏眠前后池塘水环境变化Tab.1 Seawater environmental changes in culture pond during the aestivation of sea cucumber A.japonicus

2.2 仿刺参池塘沉积物—水界面的亚硝态氮+硝态氮(NOx--N)通量变化

仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面的亚硝态氮+硝态氮(NOx—-N)通量变化见图1。6月沉积物—水界面的NOx--N通量为(7.48±1.45) mg/(m2·d)，表明沉积物中亚硝态氮和硝态氮向上覆水释放。7—10月的NOx--N通量均为负值，8月通量值最小，为-(66.12±7.66) mg/(m2·d)，表明上覆水中亚硝态氮和硝态氮向沉积物中扩散。

图1 仿刺参池塘沉积物—水界面NOx--N通量Fig.1 Fluxes of NOx--N at sediment-water interface in sea cucumber A.japonicus culture pond以两个小写字母标注不同月份NOx--N通量之间的差异性；一个字母相同一个字母不同的表示差异显著(P<0.05)；两个字母均不同表示差异极显著(P<0.01)；两个字母相同表示无显著差异(P>0.05)；下同.The differences between the fluxes of NOx--N in different months are noted by two letters,only one letter same means significant difference (P<0.05),two different letters mean very significant difference (P<0.01),two same letters mean no significant difference(P>0.05);et sequentia.

2.3 仿刺参池塘沉积物—水界面的氨氮(NH4+-N)通量变化

仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面的氨氮(NH4+-N)通量变化见图2。6、9、10月沉积物—水界面的NH4+-N通量均为负值，分别为-(0.82±0.07)、-(14.88±1.44)、-(0.34±0.03) mg/(m2·d)，表明上覆水中氨氮向沉积物中扩散。7、8月的NH4+-N通量均正值，分别为(6.21±0.55)、(4.92±0.76) mg/(m2·d)，表明沉积物中氨氮向上覆水释放。

图2 仿刺参池塘沉积物—水界面NH4+-N通量Fig.2 Fluxes of NH4+-N at sediment-water interface in sea cucumber A.japonicus culture pond

2.4 仿刺参池塘沉积物—水界面可溶性无机磷酸盐通量变化

仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面的可溶性无机磷酸盐通量变化见图3。6—9月沉积物—水界面的可溶性无机磷酸盐通量均为正值，先升后降，表明沉积物中可溶性无机磷酸盐向上覆水释放，其中，8月值最高，为(4.20±0.56) mg/(m2·d)。

图3 仿刺参池塘沉积物—水界面可溶性无机磷酸盐通量Fig.3 Fluxes of DIP at sediment-water interface in sea cucumber A.japonicus culture pond

10月的可溶性无机磷酸盐通量为负值-(3.48±0.43) mg/(m2·d)；表明上覆水中可溶性无机磷酸盐向沉积物扩散。

2.5 沉积物—水界面氮、磷通量与水环境指标之间的关系

仿刺参池塘沉积物—水界面氮、磷通量与水环境指标之间的相关关系见表2。相关性分析发现，沉积物—水界面的可溶性无机磷酸盐通量与水温呈显著正相关，相关系数为0.911(P<0.05)，与水体中可溶性无机磷酸盐含量呈显著负相关，相关系数为-0.825(P<0.05)。沉积物—水界面的NOx--N通量与水体中亚硝态氮和硝态氮含量呈显著正相关，相关系数为0.806(P<0.05)。

表2 沉积物—水界面氮磷通量与水环境指标之间的相关关系Tab.2 Correlationship between sea water environmental factors and fluxes of nitrogen,and phosphorus at sediment-water interface

3 讨 论

仿刺参作为我国海水养殖重要经济品种之一，池塘养殖是主要的增养殖方式[1,14]。水温作为仿刺参夏眠诱导因子，同时也影响仿刺参养殖池塘的地域分布，7、8月池塘底层平均水温超过27.0 ℃，仿刺参夏眠并停止活动和摄食[5]。相关性分析发现，仿刺参夏眠期间池塘底层水温与溶解氧、氧化还原电位之间呈显著负相关，底质环境为弱还原环境，这与之前研究结果相似[15]。

3.1 仿刺参池塘沉积物—沉积物水界面的氮通量

研究发现，6月池塘沉积物—水界面的NOx--N通量为正值，7—10月均为负值，8月降到最低值；相关性分析发现，水体中的硝态氮和亚硝态氮质量浓度与NOx--N通量呈显著正相关，其含量逐渐降低，表明仿刺参夏眠后，沉积物成为硝态氮和亚硝态氮的汇。郑忠明等[12]研究发现，6—11月仿刺参池塘沉积物—水界面的NOx--N通量与仿刺参的养殖密度及是否投饵有关，夏眠前(6、7月)上覆水中硝态氮和亚硝态氮以向沉积物扩散为主，夏眠后(9、10月)不同养殖模式围隔NOx--N通量有正有负，而夏眠期内的仿刺参池塘的NOx--N通量其未作研究和比较。本试验结果表明，夏眠前(6月)、夏眠后(9、10月)沉积物—水界面的NH4+-N通量为负值，表明上覆水中氨氮向沉积物扩散；而夏眠期(7、8月)NH4+-N通量为正值，表明沉积物中氨氮向上覆水释放。7月水体中的氨氮含量最高，为0.083 mg/L。这可能对夏眠的仿刺参产生不利的影响[8]。7、8月的NOx--N通量和NH4+-N通量呈现出反向变化。可能与池塘水温升高后，底层溶解氧含量下降，氧化还原电位随之降低，沉积环境变为弱还原特性，沉积物表层的反硝化作用增强有关[15-16]。此外，池塘水体中浮游生物和有机质颗粒沉降至沉积物后[17]，夏眠期的仿刺参停止摄食活动，底栖硅藻大量繁殖[18]，造成沉积物表层有机物质积累，可能影响池塘的底质环境。

3.2 仿刺参池塘沉积物—沉积物水界面的磷通量

水体环境中磷作为限制性营养元素[19]，主要通过沉积物中磷的矿化作用在沉积物—水界面之间迁移转化[20-22]。本试验结果显示，6月至9月，仿刺参池塘沉积物—水界面的可溶性无机磷酸盐通量均为正值。郑忠明等[12]研究发现，6月至9月在不投饵的情况下，沉积物中可溶性无机磷向上覆水释放。10月的可溶性无机磷酸盐通量为负值，而郑忠明等[12]研究的结果为正值，可能与研究池塘的仿刺参养殖方式和地理环境差异有关。相关性分析发现，池塘沉积物—水界面的可溶性无机磷酸盐通量与水温呈显著正相关(P<0.05)，在水温最高的8月可溶性无机磷酸盐通量达到最大值。而水体中的可溶性无机磷盐质量浓度与可溶性无机磷酸盐通量呈显著负相关(P<0.05)。刘晓威等[17]研究仿刺参池塘底栖硅藻初级生产状况的周年变化发现，底栖硅藻初级生产力最高值出现在8月。仿刺参夏眠时，沉积物中可溶性无机磷盐向上覆水释放，促进了底栖硅藻的生长繁殖，导致水体中可溶性无机磷盐质量浓度下降。

综上所述，在仿刺参养殖池塘进入夏季高温期，沉积物是上覆水体重要的氮汇和磷源。仿刺参夏眠后停止摄食，底栖硅藻大量繁殖[18]，加之浮游生物和有机颗粒物的沉降[17]，沉积物表层有机质增加，反硝化作用增强，导致沉积物中氨氮向上覆水中释放，可能对夏眠的仿刺参产生不利的影响[8]。近年来，通过对仿刺参池塘进行底充氧，在一定程度上改善了底质和水质环境。如何通过合理搭配养殖品种、调节沉积物的微生物群落结构与功能，从而实现仿刺参池塘沉积物—水界面的营养盐均衡，这有待于进一步研究。

4 结 论

仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面的氮、磷通量变化研究发现，仿刺参夏眠期间池塘沉积物是重要的氮汇和磷源，对水体的氮、磷含量起着重要的调节作用。相关性分析发现，可溶性无机磷酸盐通量与水温呈显著的正相关，与水体中可溶性无机磷酸盐含量呈显著负相关；NOx--N通量与水体中亚硝态氮和硝态氮含量呈显著正相关。