虾塘养殖对红树林沉积物和间隙水理化性质的影响

覃盈盈，罗万次，梁铭忠，魏明月，高长颢，郑海雷

（1. 广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西 桂林 541006；2. 厦门大学滨海湿地生态系统教育部重点实验室，福建 厦门 361102；3. 防城港市海洋环境监测预报中心，广西 防城港 538000；4. 北部湾大学广西北部湾海洋生物多样性养护重点实验室，广西 钦州 535011）

受规律性潮汐和季节性洪涝影响，红树林湿地与周边环境物质交换频繁，调节了陆地-海岸生境的养分流通[1-2]。红树植物与潮间带滩涂以及水环境间的积极互动，使其在复杂的人为干扰中能积极应对，以适应并修复恶化了的滨海湿地生境[3]。红树林湿地生态功能的正常运转由沉积物、水体和植被相互作用共同维持。作为底栖生物栖息地、陆海物质交换及污染物接纳与自净的重要场所，沉积物记录了各种污染物质的来源、分布、迁移和转化的历史，是揭示林下环境演化特征和人类活动影响程度的最佳工具[4-6]。而间隙水作为水土界面物质交换的重要媒介，对调节沉积物与上覆水体、植物与毗邻河口间物质交换有重要作用[7]。对红树林下沉积物和间隙水理化性质及其变化的研究可很好地反映红树林的生态环境适应性，对揭示红树林生态及环境功能具有重要的科学意义。

水产养殖(主要是虾塘养殖)是导致当今全球红树林面积减少和生态功能退化的主要原因之一[8-11]：一方面养殖需要大面积砍伐红树林建造虾塘，另一方面虾塘养殖废水和池塘底泥集中排放成为滨海湿地重要的面源污染源[8,12-13]。虾塘养殖的发展导致滨海湿地生产力受到严重损害[14]，除导致地上植被的衰退，还导致土壤养分和质地的变化，重塑了植被-环境关系，对红树林的生存和生态系统功能的维持带来了严峻挑战[8,12-13,15-17]。如对虾养殖破坏红树林使得环境恶化并导致虾病爆发[18]，同时导致红树林碳储量流失58%～82%[19-20]。尽管当前红树林衰退趋势已得到有效控制，但集约化对虾养殖对邻近红树林的影响仍在持续。红树林生态系统自身的高开放性和简单的群落结构导致其在破坏后很难恢复。虾塘养殖废水的长期排放必将对毗邻区红树植物的生长和发育产生级联效应，从而影响整个红树林系统生态服务功能。

截至2014年，中国东南沿海虾塘面积已是红树林面积的9.49倍，仅广西海水虾塘面积就高达4.68万hm2[21]。系列研究表明，水产养殖导致北部湾滨海湿地生态环境问题严峻，亟需关注[22-24]。但当前有关虾塘养殖对滨海湿地影响的研究主要集中在虾塘养殖废水的水体特征、流经区地表水的特征和富营养化评估等几个方面[25-27]，而有关虾塘养殖对红树林沉积物和间隙水理化性质影响的研究仍不多见。因此本文以虾塘养殖边邻区的红树林为研究样地，测定不同区域林下沉积物和间隙水理化性质，探讨了不同区域差异性及变化规律，以期为红树林湿地的保护和管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

钦 州 湾（21°33′20″～21°54′30″N，108°28′20″～108°45′30″E）位于北部湾顶部，广西沿岸中段（图1）。该湾中间狭窄，两端开阔，东、西、北三面为陆地环绕，南面与北部湾相通，是一个半封闭型天然海湾。潮汐属于规则全日潮，最高潮位5.83 m，最低潮位-0.68 m，平均潮差2.40 m。气候属南亚热带海洋性季风气候，年平均气温22 ℃，全年最热月（7月）平均气温为28.3 ℃，最冷月（1月）平均气温为13.4 ℃，多年平均降雨量2 055.8 mm。钦州红树林面积为3 603.42 hm2，是广西红树林的最大分布地。近20 a间，钦州湾的虾塘养殖面积共计增长了6 049.3 hm2，红树林面积减少411.1 hm2[21]。在本研究区，虾塘养殖大约有10 a历史，每年进行3次捕捞。养殖期间虾塘养殖废水每天进行部分更换，并沿着三个人工排水沟进入红树林潮沟。虾塘养殖废水理化性质为：pH 7.23～7.80，悬浮物浓度130～162 mg/L，总氮浓度4.73～6.31 mg/L，总磷浓度1.35～1.62 mg/L。

1.2 样品采集

经实地踏查，综合考虑红树分布、养殖面积、养殖废水排放及潮位变化等因素，2019年8～9月在虾塘养殖邻近区(无排放区、直排区和修复区，三个区均处于相同的潮位)中，选择底质类型相对均匀、人为扰动较小且相对较稳定的红树林区进行样品采集。无排放区为远离虾塘养殖废水沟渠排放口区，直排区为临近沟渠排放口区，修复区为曾临近排污沟口且在虾塘被填埋2 a后不再有径流排入区。无排放区、直排区和修复区的距离均在100 m以上。每个区选择3个采样点，每个采样点3个重复。样品采集时尽量选择生境及植物群落特征相同的区域。共采集沉积物样品54份，间隙水样品27份。

沉积物取样：采样时先除去地面掉落物，然后用柱状采泥器挖取土层（0～20 cm）、（20～60 cm）的沉积物样品，每个样点采用梅花采样法取5个土样混合，采集500 g土样，用聚乙烯袋封装做好标记后带回实验室。沉积物样品一部分进行含水量分析，其余的置于实验室阴凉通风处自然风干后，捡出其中的根系、砂石及动植物残体等杂物后研磨、过筛（100目），进行pH、有机质、全氮、全磷指标的测定。

间隙水采集：在取完沉积物土柱的坑中，周边间隙水自然渗出，用头部包有干净纱绢的100 ml注射器抽取渗出的间隙水共500 ml装到聚乙烯瓶，避光拿回实验室后立即用孔径为0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤，过滤后的水样置于清洁的聚乙烯瓶中，遮光-20 ℃冷冻保存，并在24 h内完成水化学分析测定。

1.3 样品处理与测定

沉积物样品测定在北部湾大学广西北部湾海洋灾害研究重点实验室和华南农业大学分析测定中心共同完成，间隙水样品测定分析在北部湾大学广西北部湾海洋灾害研究重点实验室和防城港海洋环境监测预报中心共同完成。

沉积物含水量的测定步骤为：取50 g鲜土放烘箱中烘干至恒重，称量后计算含水量[28]；沉积物中的总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)分别采用凯氏定氮法、硫酸-高氯酸消解法、重铬酸钾氧化-还原容量法进行测定[29-30]。OM1、OM2分别对应0～20 cm、20～60 cm有机质；TN1、TN2分别对应0～20 cm、20～60 cm总氮；TP1、TP2分别对应0～20 cm、20～60 cm总磷；WC1、WC2分别对应0～20 cm、20～60 cm含水率。

间隙水测定的指标参照《海洋监测规范》第4部分：海水分析 GB17378.4-2007的方法分别进行测定，其中硅酸盐(SiO32--Si)采用硅钼蓝法，磷酸盐(PO43--P)采用磷钼蓝分光光度法，亚硝酸盐(NO2--N)采用萘乙二胺分光光度法，硝酸盐(NO3--N)采用锌-镉还原法，氨氮(NH4+-N)采用次溴酸盐氧化法，无机氮(Dissolved inorganic nitrogen, DIN)为NO2--N、NO3--N和NH4+-N之和。

1.4 数据处理与分析

所有数据的正态分布使用Shapiro-Wilk检验，对不满足正态分布的数据进行对数转化。用Oneway ANOVA和LSD检验不同区域红树林下沉积物理化性质和间隙水营养盐差异性。由于沉积物理化性质有9个参数，为便于分析我们采用了PCA降维处理。基于提取轴信息的判断准则：①排序轴累积解释方差比例达到85%时；②具有解读价值的PCA轴的Kaiser-Guttma标准，即选取特征根超过平均值的轴提取排序轴，并根据各环境因子在PCA轴上载荷的大小判断其作用大小。

One-way ANOVA和LSD检验通过SPSS 22.0完成后在Graph Pad Prism 7.0进行绘图，其余分析作图均在R studio 3.5.2中完成。

2 结果与分析

2.1 沉积物理化特征

研究结果表明大多数沉积物因子随着虾塘养殖废水的排入而发生了显著的变化（图2）。OM1、OM2、TN1、TN2、TP1和TP2均表现为对照区和直排区高于修复区；WC1、WC2、C:N、N:P和C:P均表现为对照区高于直排区和修复区；pH以直排区最低。

2.2 沉积物理化性质相关性和PCA分析

相关性分析发现：不同区域沉积物理化性质相关性结果有明显差异（图3和图4）。对照区中TN1与TP1，OM2与WC2、C:N显著正相关；直排区沉积物理化性质因子间基本呈正相关，而修复区中的OM、TN、TP、WC除与pH、C:N负相关外，其他因子间均呈现显著甚至极显著正相关。

PCA分析发现：前2个PCA轴累积方差比例达84.60%，且特征根都大于1(PCA轴的Kaise-Guttman标准，图4)，说明沉积物的前二排序轴的荷载值较高。因此，提取了这两轴做进一步分析。第一主成分累积贡献率为62.60%，主要体现为OM、TN和TP的贡献；第二主成分的累积贡献率为22.00%，主要体现为pH、C:N和N:P的贡献。这与相关性分析结果相吻合，表明直排区和恢复区沉积物中OM、TN、TP均呈极显著正相关。

2.3 孔隙水营养盐特征

受虾塘养殖废水影响，除PO43--P外，其余营养盐在直排区均与对照区有显著差异（图5）；除NO2--N和DIN外，其余营养盐在修复区和直排区中差异也显著。三个生境中SiO32--Si含量为对照区＞直排区＞修复区；磷酸盐含量以修复区最低；亚硝酸盐含量表现为直排区大于对照区和修复区，而氨氮含量则呈相反趋势；硝酸盐含量和无机氮含量呈相同变化趋势，均表现为直排区和修复区明显高于对照区。

2.4 红树林下间隙水无机氮(DIN)组成

DIN组成中，三个生境间隙水中NH4+-N占的比例均较高（图6），其中以照区最高（81.58%），其次是修复区和直排区，比例分别为58.41%和46.72%。三种生境中直排区NO2--N占DIN的比例最高。

3 讨论

3.1 红树林下沉积物理化性质分析

沉积物中有机质含量是肥力的重要指标[31]，红树植物有将近40%的初级生产力通过凋落物和根系分解等方式返还环境[32]，是沉积物中有机质的重要来源。在河口地区，沉积物理化性质的变化依赖于沉积物中的有机质[33]。本研究野外调查发现对照区和恢复区林下凋落叶腐殖质层的厚度明显高于直排区，表明直排区虾塘养殖废水排放对林下腐殖层的冲刷使得该区OM明显低于对照区。很多研究表明：有机质含量丰富的地方，氮素的含量也高[34-36]。本研究中沉积物TN和OM分布格局的一致性也验证了土壤中氮与有机质呈正协同作用的结论。沉积物表层的磷主要来自上覆水中颗粒态磷沉降，养殖活动中产生的有机碎屑在虾塘沉积物经矿化后产生大量的磷酸盐进入上覆水，通过排换水进入林下成为沉积物中磷酸盐的“汇”，这可能是造成直排区总磷明显高于其他两区的重要原因。

pH对养分的赋存、转化和有效性，以及植物的生长发育、根系的生理状态均有直接影响[37]。干湿交替情况下，埋藏有红树残体的土壤经围垦后,含硫的红树残体分解后产生黄铁矿。同时由于红树林下沉积物氧气不足，水中硫化氢还原底质中的铁化合物，形成各种水合硫化亚铁。黄铁矿和硫化亚铁氧化产生了硫酸，这可能是红树林区pH低的一个重要原因。另外一个原因则可能是红树凋落物分解产生的鞣酸和有机物分解产生的有机酸及H2S[27]。本研究表明pH直排区最低，这可能是因为虾塘养殖废水含丰富养分，直排区林下异养微生物的增殖速率高于其他区域，微生物在厌氧条件下对有机物分解不彻底而产生多种有机酸，进而导致了pH值下降，这也验证了滩涂养殖和模拟排污条件使得土壤酸化的结论[38-39]。此外，三个生境中pH与OM基本呈现负相关，这可能是与虾塘养殖废水带来了大量的碳源和氮营养物，沉积物中的硝化/反硝化作用加强有关[40-41]。

3.2 红树林下间隙水营养盐特征分析

NO2--N和NH4+-N是虾塘养殖的关键指标，尤其是NO2--N对养殖动物毒性较大。高密度、高投饵的集约化养殖是水体NO2--N浓度不断升高的主要原因[42-44]。缺氧状态下红树林沉积物中的有机物硝化作用只能停留在NH4+-N的阶段，已有的硝酸盐还会被反硝化成气态氮及其氧化物[22]，因此，NH4+-N是红树林水解物间隙水无机氮的主要形式。无养殖废水排入的林下沉积物中还原性较强，更利于有机氮通过氨化作用释放的NH4+-N累积在间隙水中。

硅酸盐在海洋环境中含量极为丰富，潮水冲刷和滞留对滩涂湿地硅含量有重要影响[45-47]。潮汐携带的水量和水淹时间与硅在湿地的滞留时间呈正比，进而导致沉积物间隙水中硅酸盐含量升高[44]。硅酸盐浓度较低的虾塘养殖废水排放到毗邻区红树林下，渗透到间隙水中，产生了稀释效应，导致直排区和修复区SiO32--Si含量均低于对照区。有研究发现潮汐湿地中硅与DIN呈正相关关系[48-49]，而本研究中SiO32--Si和DIN呈现负相关关系。这可能主要由以下原因导致：一方面可能是由于植被类型不同，对间隙水养分的吸收选择性差异造成的；另一方面虾塘养殖废水排入可通过改变氧化还原环境、氮可利用性和含水量等途径影响红树林下生物地球化学循环过程，进而影响硅与DIN的相关性。

通常情况下，沉积物表面的磷主要来自上覆水中颗粒态磷沉降，并通过各种生物化学过程在沉积物中沉积，或释放溶解态磷到间隙水中，并与上覆水中的磷发生交换[50]。磷酸盐通量与沉积物-水界面的氧化/还原状态关系密切。一方面，虾塘产生的有机碎屑经矿化后产生大量PO43--P进入上覆水，通过排换水直接排出，纳入区林下成了PO43--P的“汇”，这与淡水池塘养殖和青蟹养殖池塘的结果相似[51-52]；另一方面，养殖活动中的人工增氧利于Fe3+结合PO43-形成胶体形式的Fe(OH)3，吸附上覆水中游离性磷[25,51]，使上覆水中的PO43-向沉积物扩散。

3.3 红树林下沉积物理化性质与间隙水营养盐间的关系

沉积物-水界面间的硝化与反硝化作用是沉积物中氮迁移、转化和循环的主要过程，在生态系统物质传递和能量循环中起着重要作用[53]。一般认为，红树对沉积物中的无机氮和总氮有显著的累积作用[54]。间隙水中的无机氮主要由土壤中有机质矿化作用提供，与土壤有机质的化学组成、微生物的种类及环境特征密切相关[55]。本研究中，直排区OM高于修复区，这可能是以下原因导致的：一是沉积物粒径组成的差异即间隙水硅酸盐含量的差异，另一个是源头差异。虾塘废水中有大量的有机质，直排区捕获的量要远远高于修复区，因此导致直排区OM高。虽然对照区没有虾塘废水直接排入，但其林下间隙水的硅酸盐含量与OM均比直排区和修复区中高，这与前人的研究结果一致，即硅酸盐与有机质含量呈正比[56]。

围垦养殖导致沉积物磷内源负荷增大，潜在的释放风险也随之增加[57]。本研究中，随着沉积物TP的升高，间隙水中的磷酸盐释放量也随之上升。随着虾塘养殖废水的排入，沉积物中的OM、TN和TP总体上会显著增加。但在本研究中，受影响区域沉积物中的这些指标并未比对照区的高。这可能与该区红树植物的生长调节密切相关。高养分输入导致红树植物养分吸收能力增强，因此林下沉积物的养分积累相应下降。在今后的研究中，需重点分析红树林沉积物和间隙水的生物地球化学循环过程及调控机制，为进一步分析虾塘养殖对红树林生态系统的影响提供科学依据。

4 结论

1）虾塘养殖废水排放区中沉积物TN与OM、TP均呈正相关关系，养殖废水直排对林下沉积物酸化作用明显。

2）NH4+-N是红树林下可溶性无机氮(DIN)的主要组分，对照区林下沉积物还原性强，有利于氨化作用释放的NH4+-N累积在间隙水中；NO3--N与DIN呈极显著相关，虾塘养殖废水导致红树林下NO3--N、NO2--N和DIN累积效应明显。

3）沉积物和间隙水的理化性质变化是一个协同作用的过程，可作为评价虾塘养殖区边邻红树林下生境演变规律的定量指标之一。