柘林灣網箱魚類養殖環境氮磷負荷研究

靳祖雷,許忠能,林小濤,馬葉勝,楊遠航,2

(1.暨南大學 水生生物研究所 廣東省高校水體富營養化與赤潮防治重點實驗室,廣東 廣州,510632;2.山東科技職業學院,山東 濰坊 261053)

柘林灣是位于粵東的半封閉型海灣,1983 年開始發展網箱養殖,至今網箱養魚的年總產量已超過16 000 t。養殖品種主要有斜帶石斑魚(Epinephelus coioides)、花尾胡椒鯛(Plectorhynchus cinctus)、眼斑擬石首魚(Sciaenops ocellatus)、花鱸(Lateolabrax japonicus)等30多種,已成為廣東省重要的海水網箱養殖基地之一。

隨著海水養殖業和周邊地區工農業的快速發展,柘林灣海域環境質量明顯下降。1997～1999年,該灣發生了多次棕囊藻赤潮,造成經濟損失過億元,海水增養殖業和生態環境遭到沉重打擊[1]。目前,已經有許多學者對柘林灣海域生態環境進行了研究,如柘林灣網箱養殖區域水體和表層沉積物中的營養狀況[2-4],柘林灣水體溶氧的分布特征和營養鹽的關系[5],柘林灣細菌分布及其與環境因素的關系[6]等。但關于該灣海水養殖氮磷污染物環境負荷的來源和組成的研究尚未見報道。作者主要研究柘林灣網箱魚類養殖過程中因投飼引起的氮磷負荷的數量及其來源,為探討網箱養殖自身污染的機制及其防控措施提供科學依據。

1 材料方法

1.1 柘林灣網箱養殖情況調查

2007年11月～2008年3月對柘林灣網箱魚類養殖情況進行現場調查。分別走訪了當地水產主管部門、海洋與漁業環境和質量監測部門、網箱養殖戶,實地調查了柘林灣網箱養殖的空間分布、面積、養殖品種、養殖產量、飼料種類和養殖管理措施等。

柘林灣主要網箱養殖區域如圖1所示。網箱養魚主要集中在汛洲島與西澳島周圍,其中兩島之間網箱分布最為密集。上述網箱養殖區間插有牡蠣養殖,面積約為網箱養魚面積的 20%。除汛洲島與西澳島周圍,三百門也有一個網箱養殖區。此外,沿岸線離岸1～2 km范圍內約5%～10%的面積有零星網箱分布。

1.2 養殖魚類及飼料的氮磷含量

根據柘林灣主要養殖魚類品種和使用的飼料,參考作者和其他相關文獻,得出其氮磷含量(表1)。

1.3 環境氮磷負荷及不同來源氮磷組成的估算模型

網箱魚類養殖系統中氮磷的輸入最主要來自投喂的飼料,針對由投喂飼料而產生的環境氮磷負荷可通過質量平衡法根據投餌氮磷量(FNP)和魚體凈增氮磷量(GNP)估算[9-10]。

圖1 柘林灣主要網箱養殖區域Fig.1 The main cage culture areas of Zhelin Bay

上式中,投餌氮磷量FNP可由飼料投入量及飼料氮磷含量(fNP)估算,而飼料投入量可通過養殖魚產量(W)和飼料系數(K)估算。柘林灣網箱養殖主要投喂冰鮮餌料魚,僅在禁漁期或冰鮮餌料魚不足時使用人工配合飼料。根據實地調查結果結合李金秋等[8]、劉漢元等[11]對于冰鮮魚餌料和人工配合飼料的研究結論,本研究冰鮮餌料魚飼料系數K取8,人工配合飼料K取1.5。即:

式(1)中魚體凈增氮磷量GNP可通過魚養殖產量(W)減去魚苗質量(Y)再乘以魚體氮磷含量(bNP)計算。根據調查結果和參考陸奎賢等[12]對魚苗大小與網箱養殖關系的研究,本研究中魚苗質量:養殖產量=1:10。

表1 柘林灣養殖魚類和飼料的含水量及氮磷含量Tab.1 Contents of moisture ,nitrogen,and phosphorus of farmed fish and feed in the Zhelin Bay

另一方面,由投餌產生的網箱環境氮磷負荷的來源可以分為3部分:(1)來源于殘餌的氮磷(RNP),即餌料投喂后未被魚攝食的部分;(2)魚排出的糞便,即排糞所產生的氮磷(ENP);(3)排泄的氮磷(UNP)。即:

氮磷負荷 3個組成部分中,殘餌氮磷量(RNP)可通過投餌氮磷量(FNP)減去養殖魚類攝食氮磷量(CNP)估算;排糞氮磷量(ENP)可通過魚類攝食氮磷量(CNP)和魚類氮磷消化吸收率(ANP)估算;排泄的氮磷量(UNP)從式(4)通過差減法估算。即:

本研究魚類對餌料魚的氮、磷消化吸收率分別取 85%和 50%[7,13-16]。

由于實際生產中投入的餌料魚中有多少被養殖魚類所攝食難以測定,本研究利用餌料轉化率(RFC)、魚體凈增質量(W-Y)和餌料氮磷含量(FNP)計算出攝食氮磷量(CNP)。常見網箱養殖魚類投喂冰鮮魚餌料時的餌料轉化率約為0.20～0.35[7],取平均值FCR=0.26。攝食氮磷量可通過下式計算。

1.4 冰鮮魚殘餌中源自不同組織或器官的氮磷比例

用冰鮮魚餌料所產生的殘餌中包含魚體不同組織或器官,如殘餌軟組織、殘餌骨、殘餌鱗、溶解的殘餌。殘餌氮磷中源自不同組織的比例按下式[7]計算:

1.5 環境氮磷負荷中固態與溶解態氮磷的數量及比值

環境氮磷負荷都分別以溶解態和固態兩種形式存在。其中溶解態氮磷組成相對簡單,包括溶解的殘餌、溶解態糞便和尿;固態氮磷的組成為固態殘餌、固態糞便和脫落鱗片等。根據Xu等[7]測定的常見網箱養殖魚類排出4 h內的糞氮狀態,溶解態糞氮:固態糞氮=1:5;溶解態糞磷:固態糞磷=1:6, 結合公式(9)和(10)可以按如下公式計算出溶解態與固態的氮磷負荷:

2 結果與分析

2.1 柘林灣網箱養殖環境氮磷總負荷

2006年柘林灣海水網箱養魚的總產量為16 843 t。運用公式(1)計算出如果全部投喂冰鮮魚餌料將年產生氮負荷2 760.39 t、磷負荷679.11 t;如果全部投喂配合飼料則會產生氮負荷1 370.37 t、磷負荷413.08 t。

2.2 投喂冰鮮魚所產生環境氮磷負荷的來源組成

運用公式(5)～公式(7)分別計算出環境氮磷負荷中源自殘餌、排糞和排泄的氮磷數量及其比例(圖2)。

氮負荷主要以殘餌氮(1 695.24 t)為主,占61.4%,其次為排泄氮,而糞氮(227.76 t)所占比例最小為8.3%;磷負荷主要由殘餌磷(441.36 t)組成,占65.0%,其次為糞磷,而排泄磷(40.05 t)所占的比例最小僅為5.9%。

2.3 冰鮮魚殘餌的成分組成

殘餌是環境氮磷負荷的最主要來源,進一步根據公式(9)和(10)得出殘餌氮和殘餌磷源自冰鮮餌料魚不同組織或器官的數量(圖3)。

在殘餌氮中來源于殘餌軟組織的量最大為768.62 t,其次為殘餌骨、殘餌鱗片,而不明組織溶解性殘餌量最少為167.66 t。而殘餌磷中數量最大的是殘餌骨241.73 t,其次是殘餌鱗、殘餌軟組織,數量最少的是溶解的殘餌為15.67 t。

圖2 柘林灣網箱養殖不同來源氮磷負荷的數量及比例Fig.2 The amounts and percentage of different sources of nitrogen and phosphorus in Zhelin Bay

圖3 柘林灣網箱養殖源自餌料魚不同組織或器官的殘餌氮磷數量Fig.3 Nitrogen and phosphorus loadings from different tissues and organs of trash fish in Zhelin Bay

2.4 環境負荷中溶解態與固態氮磷的數量和比例

由公式(11)～公式(14)得出溶解態與固態氮磷的數量和比值如圖4所示。

環境氮磷負荷主要以固態形式存在,其中固態氮的量為 1 717.38 t,占總氮負荷的 62.2%,溶解態氮的量為 1 043.01 t,占總氮負荷的 37.8%;固態磷為 595.15 t,占總磷負荷的 87.6%,溶解態磷的量為83.96 t,占總磷負荷的12.4%。

圖4 柘林灣網箱養殖氮磷負荷中溶解態與固態氮磷的數量和比例Fig.4 The amounts and percentage of dissolved and solid nitrogen and phosphorus loadings in Zhelin Bay

3 討論

3.1 網箱養殖環境氮磷總負荷

網箱養殖過程中,由投飼引起的養殖環境氮磷負荷可以通過質量平衡法進行估算。本研究在測出收獲魚的氮磷總量及投入飼料氮磷總量的基礎上,求出柘林灣網箱養魚產生的環境氮磷總負荷。柘林灣網箱養殖主要投喂冰鮮餌料魚,但在禁漁期或者冰鮮餌料魚供給不足時使用人工配合飼料。本研究分別估算了使用兩種餌料所產生的氮磷負荷,假如全部投喂冰鮮魚餌料會對環境產生氮2 760.39 t、磷679.11 t的負荷,其氮、磷負荷比全部投喂配合飼料時分別增加2.0倍和1.6倍。與配合飼料相比,冰鮮魚價格便宜,但其營養不平衡,殘餌多,易污染水質,是造成養殖海區水體富營養化的重要原因[16-17]。目前對各種網箱養殖魚類的營養需求研究還有待進一步加強,配合飼料的質和量還不能滿足網箱養殖生產的需要,且價格較高,養殖戶往往出于經濟上考慮會使用大量冰鮮魚作為餌料。因此今后高效環保的網箱養殖配合飼料的研制和推廣應用是控制養殖海區水體自身污染的可行措施之一[18]。

3.2 環境氮磷負荷組成

目前,在研究投飼產生的環境營養負荷時最常用的是質量平衡法[9-10]。但這種方法只能了解氮磷負荷總量,無法了解負荷中源自殘餌、糞便和排泄的氮磷數量及其比例。生產實踐中,如能掌握環境負荷中不同來源、不同形式氮磷的數量及其比例,可針對性地采取措施從源頭上控制養殖過程中輸入環境的氮磷量。本研究在估算出柘林灣網箱魚類養殖環境氮磷總負荷的同時,通過分析和估算養殖魚類的攝食量、消化率,結合氮磷負荷構成模型,計算出總負荷中源自殘餌、糞便和排泄的氮磷數量及比例,發現氮負荷構成比例由大到小順序為殘餌氮、排泄氮、糞氮,而磷負荷則為殘餌磷、糞磷、排泄磷。投喂冰鮮魚,無論氮負荷或磷負荷最主要均來自殘餌,而占第二位的在氮負荷中是排泄,磷負荷中卻是糞便。這一結果一方面說明餌料魚的實際利用率不高,尤其是磷負荷絕大部分來源于未被攝食的殘餌,另一方面較高比例的糞便磷說明養殖魚對餌料魚中的磷的消化吸收率也不高。

3.3 殘餌中不同組織器官來源

由于餌料魚殘餌占環境氮磷負荷中比例最大,有必要了解其成分組成,按魚體不同組織器官來源劃分,殘餌氮的構成比例最大的是餌料魚的軟組織,其次是骨和鱗片,比例最小的是溶解性殘餌。冰鮮魚殘餌軟組織主要為肌肉和內臟中各組織,這些組織蛋白質含量高,故成為殘餌氮的主要來源。而殘餌磷中占比例最大的組織器官為骨骼,其次為鱗片,軟組織和溶解性殘餌很少。冰鮮魚體內磷主要存在于骨骼中,由于骨骼質硬,口感和營養價值差,很容易為養殖魚類所遺棄,構成殘餌磷的主要來源。另一方面,由于殘餌中不同組織器官的水溶性和分解速度差異不一,從而影響到氮磷負荷的物理性質以及在養殖水體中的分布特征。

3.4 環境負荷的固態與可溶態氮磷

由于固態和溶解態氮磷具有不同的物理性質,按存在形式估算溶解態和固態氮磷,有助于了解養殖區營養鹽結構特征及進行區域營養鹽的定量分析[19]。作者把一定時間內的氮磷負荷分為溶解態和固態,發現固態的氮和磷分別占其總量的62.2%和87.6%,證明網箱養殖水環境中的營養負荷尤其是磷負荷主要以固態為主,這與環境氮磷負荷最主要來自殘餌有關。投餌后未被養殖魚攝食的部分即成為殘餌,由于餌料魚投喂時是整條或加工成塊狀的,未被攝食的殘餌不會馬上溶解或分解,大部分以固態形式沉入海底,成為養殖海區沉積物中的一部分,這也是網箱養殖區沉積物中氮磷含量較高的原因之一[16,20]。

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