高位蝦池養殖水對溝渠土營養鹽的影響

唐少霞，王子愛，魏伊寧，傅雨萱，袁 瑩，鄭 苗，張 波

（海南師范大學地理與環境科學學院，海南 海口 571158）

高位蝦池一般建于開放海區的潮間帶以上區域，通過管道抽取外海水或經砂井過濾后的海水作為養殖用水，并利用地勢落差排放養殖廢水，每口蝦池面積為 5 336～6 670 m2，深 3～4 m，高位蝦池的內壁常用塑料薄膜或混凝土護坡，池底鋪沙或地膜［1-2］。近年來，農業污染對我國水土環境的影響越來越受到社會各界的關注。茅尾海養殖區沉積物中重金屬總含量呈遞增趨勢，潛在生態危害較大的是鎘和汞［3］；全國平均單位耕地面積的畜禽氮污染負荷達138.13 kg/hm2，其中四川等6省市已達202.98 kg/hm2以上［4］；蘇州市養殖老區東山鎮，1個養殖周期中，養殖池塘通過溝渠排入外界的 TN、TP 含量分別為 21.25、2.34 kg/hm2［5］；南方河網地區典型養殖場的魚塘及其附近河涌底泥的污染程度已相當嚴重［6］。目前國內外對高位蝦池養殖的研究主要集中在水質對養殖的影響［7-8］、對蝦養殖業的可持續發展對策［9］、養殖水體的凈化方式及技術［10-16］。高位蝦池養殖過程中投加的飼料磷和氮大約只有 9.1% 和17.4% 被蝦消化［17］，除投入餌料外還需換海水、噴灑抗生素及消毒劑，一般每周換水1次，平均每667 m2蝦塘換水量達 67 t。而這些養蝦廢水絕大部分未經處理便采用溝渠岸邊排放方式進行排放［18］，富含殘餌、排泄物和糞便的養殖污水直接排海，導致近岸海洋生物種類減少，生物多樣性降低，藻類大量繁殖，近岸水域水質惡化或富營養化，赤潮時有發生［19-21］。此外，養殖尾水也導致養殖區土壤污染。王凌等［22］調查認為，三亞市崖城鎮、東方市板橋鎮、文昌市鋪前鎮和會文鎮、儋州市排浦鎮、萬寧市龍滾鎮等地均因高位池養殖造成部分農田鹽堿化。對于高位蝦池養殖廢水造成溝渠土環境的污染研究鮮見報道。本研究以海口市東營鎮蝦塘養殖場為研究區，通過對養殖中、后期養殖水的分析以及對養殖排污溝渠中土壤沉積物的分析，旨在揭示高位蝦池養殖對土壤生態風險的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海口市東營鎮地處南渡江以東3 km處，北臨瓊州海峽，東接海口桂林洋開發區，平均海拔4 m，土地面積約459 hm2，有高位蝦塘28 hm2；屬于熱帶季風氣候區，冬季溫暖少雨，夏季高溫多雨。研究靶點（20°02′54″N，110°25′28″E）位置如圖1A所示，該區域的蝦池面積較小，一般每口蝦池面積為667～1 334 m2，蝦塘池壁均用土面或紅磚砌成，并用水泥抹面，研究區未建污水處理設施，養殖廢水通過管道或溝渠直接排入海域。本研究所選擇的蝦池通過溝渠排放廢水，研究點距北面海岸360 m。

1.2 樣品采集

對蝦的養殖周期一般為4個月左右。本研究于蝦塘養殖中期（2017年11月4日）及后期（2017年12月24日）17: 00對養殖池進行采樣，養殖中期水樣記為M1，養殖后期水樣記為M2。采樣期間天氣晴朗，采樣前1周內未下雨，采樣點在池中央（距池邊260 m）及池四周（距池邊20 m），每次采集5個水樣，每個水樣 1 L ，將池中的5個水樣放進干凈的水桶中混和均勻，取1 L混合水樣放置冰盒中帶回實驗室，避光保存于-4℃環境中 。

2017年12月24日在蝦池排水口設采樣點1，沿著排水渠每隔100 m設1個采樣點，共設5個采樣點，依次為1、2、3、4、5，如圖1B，采樣點1～4為裸露的溝渠，采樣點5溝渠被兩側濃密的灌叢草本遮蔽，溝渠水最終流入近海。用柱狀采泥器，按每隔10 cm間距分層采集0～10 cm、11～20 cm 2層底泥樣品，每個土樣取500 g，0～10 cm的土樣記Bt，11～20 cm土樣記為St。

圖1 研究區位置（A）及采樣點（B）

1.3 樣品處理及檢測

現場用WYY-Ⅱ便攜式折射鹽度計檢測混合蝦池水中的鹽度；用PHB-1 型便攜式 pH 計檢測pH 值；用Thermo Orion 型號 810 便攜式溶解氧儀檢測溶解氧DO值。在實驗室用高錳酸鉀在酸性條件下氧化水中有機物以及還原性物質來檢測CODMn含量，用優化后的鉬酸銨分光光度法［23］測定水體中的氨氮、總磷含量。

土樣帶回實驗室當天用恒溫干燥箱在 80℃下烘干 24 h，冷卻后取出除去明顯雜物，研磨、混勻后過孔徑為74 μm的篩，用Vario TOC檢測儀測定排污溝渠土層中的TN（總氮）和TC（總碳），檢測TOC時先準確稱取過篩后土樣m13 g，加10%鹽酸浸泡去除無機碳，60℃下再烘24 h，烘干土樣稱重記m2，稱取每個烘干樣品10 mg，并將Vario TOC檢測儀檢測條件設置為：氧氣壓力為0.1 MPa、燃燒溫度950℃、流速160～180 mL/min。該檢測條件下10、20、50、100、200 mg標樣繪制標準曲線的相關系數R為0.999809。每個土樣每次測3個平行樣，沉積物中的TOC含量等于土樣沉積物中TOC的實測值乘以m2/m1。

2 結果與分析

2.1 養殖中、后期水質的對比

從表1可知，蝦池養殖中、后期水體中的pH值、水溫、鹽度、OD值都在對蝦養殖的適應范圍［24］內，養殖中期的DO在最佳范圍［25］內，但養殖后期DO值則隨著耗氧微生物的增加而減少。養殖中期的氨氮和COD雖然在適應范圍內，但養殖后期的氨氮和COD明顯超出養殖適應范圍值，養殖后期水體與養殖中期相比，氨氮含量增加了137%，COD含量增加了33%，與養殖適應范圍上限值相比，氨氮超標1.94倍，COD超標1.17倍，可見養殖后期蝦池水體中有機污染物明顯增加。與廣東汕尾市紅海灣田乾鎮東洲蝦塘7月份采集的中后期養殖水的平均值［26］對比，氨氮含量偏高，但COD含量控制較好。

表1 蝦池養殖中、后期養殖水體水質比較

2.2 廢水溝渠土沉積物中營養鹽的空間賦存

2.2.1 溝渠土沉積物中碳、氮含量的空間賦存特征 營養鹽除了在水中遷移外，還會隨水流在土壤中富集。水體-沉積物的交互作用會使營養鹽在沉積物中沉積下來，沉積物中的氮主要來源于水體中有機物顆粒的沉降積累。從圖2可看出，蝦塘排水口附近采樣點1和采樣點2處溝渠土中的TC、TOC、TN均為深層土含量高于表層土，尤其是TC采樣點3和采樣點4也都是深層高于表層，采樣點5的TC、TOC、TN變為深層土低于表層土，有可能與該采樣點溝渠兩側為茂密植被枯枝葉的腐殖質有關。將溝渠中各檢測點的TC、TOC、TN數據與距蝦塘1 km上風區尚未開墾的草坪土背景值相比，TC、TOC超標6～48倍，采樣點1～3深層土中的TN及采樣點4中的TN均超標1倍（表2）。由此可見，受養殖廢水的影響，蝦塘排污溝中的營養鹽有明顯的積淀富集作用。

圖2 溝渠各采樣點中 TC、TOC、TN含量比較

表2 溝渠各采樣點沉積物的碳、氮含量

2.2.2 溝渠土沉積物營養鹽的生態毒性 以加拿大安大略省環境和能源部關于沉積物質量指南為參照［27］，沉積物中能引起最低級別生態毒性效應的TN、TOC 濃度分別為 550、10 000 mg/kg，具有嚴重級別生態毒性效應的TN、TOC濃度分別為 4 800、100 000 mg/kg［28］。溝渠土壤中TN的質量分數范圍為 475～5 520 mg/kg、TOC質量分數范圍分別為 4 019～1 6000 mg/kg，可見溝渠土沉積物中TOC質量分數范圍全部在安全級別，TN除了采樣點5的表土層屬嚴重級別外，其他點的質量分數范圍也在安全級別。

有機質含量通常也能反映沉積物的營養水平，是評價沉積物環境質量的重要特征指標。采用有機指數對沉積物進行評價，有機指數＜0.05，等級為Ⅰ（清潔）；0.05≤有機指數＜0.20，等級為Ⅱ（較清潔）；0.20≤有機指數＜0.50，等級為Ⅲ（尚清潔）；0.50≤有機指數，等級為Ⅳ（有機污染）。

有機指數 = 有機碳百分比×有機氮百分比［29］

有機氮百分比= 總氮百分比× 0.5

結果（表3）顯示，10個采樣點沉積物除5-Bt外有機指數總體保持在Ⅰ～Ⅱ區間，營養評級為清潔水平。

表3 溝渠沉積物有機指數評價結果

2.2.3 溝渠土沉積物中的C/N比 C/N比值反映土壤生物分解過程中C和N轉化作用之間的密切關系，在正常耕地中，土壤生物獲得平衡營養的土壤C/N比約為25。如果土壤C/N比值大于25，不僅表示土壤中N的含量不能滿足細菌的需要，而且腐敗菌類會迅速繁殖，加速土壤有機質的分解；而當C/N比值小于25時，微生物的分解作用會較快，有利于腐殖質形成［30］。溝渠土沉積物中的C/N比值雖然比背景土的大，但均介于2.8～16.0之間（表4），表明溝渠土沉積物中有機碳的腐殖化程度高、有機氮容易礦化，可以直接導致溝渠土沉積物中有機質分解和礦質氮的增加。

表4 溝渠各檢測點沉積物的C/N比值

3 結論與討論

由于高位蝦池養殖過程中投加的飼料磷和氮大約只有 9.1% 和 17.4% 被蝦消化［17］，在高密度養殖條件下，水體負荷重，容易導致養殖環境被破壞，水質惡化［31］，尤其是養殖后期殘餌、排泄物的累積使得水質的控制難度加大。對養殖中、后期水體的對比研究，結果表明高位蝦池養殖后期水體與養殖中期的相比，氨氮含量增加了137%，COD含量增加了33%，與養殖適應范圍上限值相比，氨氮超標1.94倍，COD超標1.17倍，可見養殖后期蝦池水體中有機污染物明顯增加，胡曉娟等［32］研究也認為養殖中后期水體氮素水平的控制尤為重要。研究區高位蝦池養殖后期水體與廣東汕尾市紅海灣田乾鎮東洲蝦塘7月份采集的中后期養殖水的平均值［26］對比，氨氮含量雖然偏高，但研究區養殖水體的COD含量控制較好。

本研究將溝渠土沉積物與背景土中所含的營養鹽進行對比分析，結果顯示，溝渠土沉積物中所含營養鹽超標6～48倍，而且C/N也比背景值的大。嚴樺等［16］對魚塘與河灘底泥的重金屬研究，也表明魚塘與河涌底泥各采樣點中的 As、Cr、Cu、Pb、Zn 等重金屬含量均明顯高于區域背景值。從排污口往溝渠下游看，各采樣點的營養鹽含量基本為深層含量大于表層，說明養殖水體中富含的營養鹽隨著廢水的排放在溝渠中有富集作用。王凌等［22］研究表明，海水養殖密集區的土壤比未養殖區有機碳含量增加 30%，總氮含量增加20%；陳文山等［33］研究也表明，養殖水體向周邊土壤滲透會導致土壤鹽堿化和污染。排污溝渠靠海邊的第5個采樣點TC、TOC、TN深層土的含量低于表層土，與溝渠兩側茂密的植被有一定關系。呂國紅等［34］研究表明，大量的植物殘骸是表層土有機碳、氮的重要來源。

白龍等［35］研究表明，自然生草（Wild grass）土壤中的 C/N在 13.56～21.39 之間，而且在自然生草土壤中，0～15 cm土層的土壤 C/N與氮素凈硝化速率呈現顯著負相關關系，即 C/N增加會對土壤硝化過程產生抑制作用；呂國紅等［34］研究表明，土壤C/N隨土壤深度的增加呈下降趨勢，C/N比還與土壤溫度、水分有一定關系。本研究期間，高位蝦池排污溝渠沉積物中的C/N均介于2.8～16.0，C/N小于25，表明溝渠沉積土中有機碳的腐殖化程度高、有機氮容易礦化，有利于溝渠土沉積物中有機質分解形成腐殖質。但海南島屬于季風區，暴雨季節溝渠土中的C/N變化有待進一步研究。

本研究中，溝渠土沉積物中的營養鹽對底棲生物可能引起的生態毒性效應為安全級別，與所研究溝渠連接的蝦池面積較小、承接的養殖廢水排放量較少有一定關系。羅先香等［28］采用綜合潛在生態風險指數法對黃河口潮間帶表層沉積物的營養元素進行過研究，結果也顯示TN 和 TOC 質量分數范圍在安全級別。