河蟹池塘生態(tài)養(yǎng)殖對水環(huán)境的影響

蘭艷 俞錦辰 劉怡琳 趙旭，2 儲鳴 黃宏，2

(1 上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2 上海海洋大學(xué) 海洋牧場工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

中華絨螯蟹(Eriocheirsinesis)又稱河蟹，是我國最重要的人工養(yǎng)殖蟹種之一，也是東南亞地區(qū)最受歡迎的水產(chǎn)品之一。20世紀90年代以來，我國的河蟹養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，尤其在長江中下游地區(qū)養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴大[1]。河蟹養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展為農(nóng)(漁)民帶來了豐厚的收入，但也帶來了一些潛在的環(huán)境影響，如養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的有機物(殘餌和糞便)、藥劑(抗生素)等會對鄰近水體和底層沉積物以及底棲生物群落產(chǎn)生影響[2-3]。目前的研究普遍認為，與魚類養(yǎng)殖相比，河蟹養(yǎng)殖凈營養(yǎng)輸入少，氮、磷濃度較低，對環(huán)境的影響相對較小。但這些影響也是不容忽視的，因為河蟹養(yǎng)殖需要大量的水[4]，這些養(yǎng)殖尾水最終會排入毗鄰水域，對周邊的水環(huán)境造成一定的影響。水體酸堿度和溫度的改變會引起河蟹機體生理生化指標發(fā)生顯著變化，進而引發(fā)一系列應(yīng)激反應(yīng)[5]，水環(huán)境因子的改變也會導(dǎo)致污染物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，因此，了解河蟹養(yǎng)殖各階段水體中的主要污染物質(zhì)對于科學(xué)地制定河蟹養(yǎng)殖各階段管理措施尤為重要，但目前這方面的研究報道相對較少。

本試驗以上海寶山區(qū)某水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社河蟹養(yǎng)殖池塘為研究對象。該養(yǎng)殖合作社的河蟹養(yǎng)殖池塘緊鄰上海市二級水源地保護區(qū)域，因此，養(yǎng)殖尾水排放對周邊水環(huán)境的影響受到較多的關(guān)注。本試驗綜合河蟹的生長習(xí)性和季節(jié)氣候，將養(yǎng)殖周期分為4個階段，對各階段河蟹池塘及水源的水質(zhì)進行現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測，確定不同階段的水質(zhì)狀況以及主要污染因子。研究結(jié)果可以提供河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)水質(zhì)變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為河蟹生態(tài)養(yǎng)殖和尾水達標排放提供參考。

1 材料和方法

1.1 河蟹養(yǎng)殖

選取上海寶山區(qū)某水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社的4口池塘作為試驗塘，每口池塘面積在1.50～1.93 hm2不等，均為南北走向、東西并排。引水水源均為外河道水源。整個養(yǎng)殖周期只注水，不排水，注水次數(shù)及時間見表1。1—4月為水草(藻類)養(yǎng)護階段，水草覆蓋面積為池塘水面的40%左右，其中伊樂藻占1/3，苦草占2/3。

表1 河蟹養(yǎng)殖池塘加水次數(shù)及加水量

試驗所用的河蟹苗種為養(yǎng)殖場自行繁育。于3月初投放蟹苗(16.53 g/只)，下塘前用3%～4%的食鹽水浸洗蟹苗3～5 min；4月中旬，將池塘水位加高至0.40 m，并投放螺螄。此階段采用“圍蟹種草”模式，即用圍網(wǎng)將河蟹與水草隔開，以防止河蟹破壞水草。6月份，將圍網(wǎng)拆除，實行“蟹草共作”模式，每天按時清理漂于水面的水草。10月中下旬，拔除塘內(nèi)全部水草，等待11月份收獲河蟹，此時池塘水位保持在1.30 m。

河蟹不同生長階段投喂的飼料種類和投喂量各不相同。8月前投喂配合顆粒飼料，初期投飼量約為河蟹總體質(zhì)量的1%，隨著河蟹生長，投飼量逐步增加到3%左右；8月底到11月中旬，額外增加投喂煮熟的玉米和冰鮮小雜魚，投喂量為河蟹體質(zhì)量的5%左右。養(yǎng)殖產(chǎn)量、密度和投入的飼料總量見表2。投喂時間為每天17:00左右。

表2 河蟹產(chǎn)量、養(yǎng)殖密度及投餌量

1.2 樣品采集和分析

采集4口河蟹養(yǎng)殖池塘(T1、T2、T3和T4)以及外源引水河道(WS)的水樣進行分析，分別記為池塘組和水源組。3—4月水溫較低，餌料用量少，此時進行圍網(wǎng)養(yǎng)殖也幾乎沒有其他生物擾動，養(yǎng)殖活動對水質(zhì)影響不大，因此從5月份開始采樣監(jiān)測。試驗把養(yǎng)殖周期分為3個階段，即養(yǎng)殖初期(5月)、養(yǎng)殖中期(8月)、養(yǎng)殖末期(11月)。由于河蟹通常在9月份會進行最后1次蛻殼，因而增加9月份1次采樣，即分別于5月、8月、9月和11月中旬采集水樣進行分析，采樣時間為上午9:00—11:00，使用2.50 L采水器在水面下0.50 m處采集水樣，現(xiàn)場對水樣進行固定，置于放有冰袋的保溫箱避光保存。采樣結(jié)束后，立即將水樣帶回實驗室進行處理分析，測定的水質(zhì)指標包括總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、活性磷酸鹽(PO43--P)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)、葉綠素和懸浮物等[6]。水溫、pH、溶解氧(DO)采用便攜式測樣儀(YSI 550A)現(xiàn)場測定，透明度(SD)用透明度盤測定。本試驗以漁業(yè)水質(zhì)標準(GB 11607—1989)[7]和地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838—2002)[8]中的Ⅲ級標準為依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗采用EXCEL 2019進行數(shù)據(jù)整理，采用Origin 2017繪制圖形。

2 結(jié)果和分析

2.1 水質(zhì)狀況及總體評價

2019年5—11月監(jiān)測數(shù)據(jù)及有關(guān)水質(zhì)標準見表3。養(yǎng)殖區(qū)水體溫度變化范圍為16.6～29.8 ℃，養(yǎng)殖期間平均水溫為18.0 ℃，快速增長期平均溫度高達29.5 ℃；pH在6.15～8.20，僅養(yǎng)殖初期超出漁業(yè)水質(zhì)標準，且池塘組pH的平均值為7.08，水源組pH平均值為7.13，均呈近中性；DO為3.56～8.21 mg/L，水源組的DO隨著時間的推移遞增，池塘組則是前期降低，中后期逐漸升高。

水源組主要超標項目為TN，4次檢測結(jié)果均超標，最大超標幅度為470.44%；TP僅8月超標，超標幅度為28.50%；池塘組主要超標項目為TN、TP和CODMn，其中TN和CODMn全程超標，最大超標幅度分別為412.00%和74.48%；TP在前3個階段超標，最大超標幅度122.76%。從階段時間來看，池塘組養(yǎng)殖初期水質(zhì)最差，有7個指標不同程度超標，其中pH、CODMn、TN和TP所有池塘均超標，DO、BOD5和NH4+-N部分池塘超標；養(yǎng)殖中期僅有DO、CODMn和TP超標，水質(zhì)最優(yōu)；蛻殼期和養(yǎng)殖末期池塘水質(zhì)介于初期和中期之間，主要是BOD5、CODMn和TN超標，蛻殼期TP也超標。

2.2 河蟹養(yǎng)殖池塘水質(zhì)有機物污染變化情況

養(yǎng)殖池塘水質(zhì)有機物污染變化情況見圖1。由圖1可見，整個試驗階段池塘組的CODMn遠高于水源組，整個養(yǎng)殖周期內(nèi)池塘組CODMn總體略有下降，變化范圍為(7.57±0.10)～(10.47±0.08)mg/L，遠超地表水Ⅲ級標準，超標26.23%～74.48%。其中養(yǎng)殖初期超標最嚴重，快速增長期CODMn則呈下降趨勢，蛻殼期CODMn小幅升高，養(yǎng)殖后期又略有下降。池塘組BOD5與CODMn動態(tài)變化的趨勢相反，隨著養(yǎng)殖時間的推移，前期BOD5優(yōu)于地表水Ⅲ級標準，8月份之后BOD5升高，并超出地表水Ⅲ級標準，養(yǎng)殖末期BOD5達到最高值7.67 mg/L。除了河蟹快速增長期，其他時期池塘水體的BOD5均遠高于水源。

圖1 水體中的CODMn和BOD5在成蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)的變化

2.3 河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)水體氮營養(yǎng)鹽的變化情況

養(yǎng)殖周期內(nèi)水體氮營養(yǎng)鹽的變化情況見表3。池塘組TN變化范圍為(0.50±0.02)～(8.35±0.02)mg/L，平均為2.29 mg/L，水源組TN在(1.49±0.02)～(5.70±0.05)mg/L，平均為2.79 mg/L。除了養(yǎng)殖初期，其他階段水源組TN均高于池塘組，且劣于地表水Ⅲ級標準。池塘組TN在養(yǎng)殖前期急劇下降，后期則略有回升。

表3 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及參考標準

無機氮在水體中的主要形態(tài)為NH4+-N、NO3--N和NO2--N，可直接被水生植物和浮游植物利用，三者的轉(zhuǎn)化是水體氮循環(huán)的重要組成[9-10]。池塘組NH4+-N、NO3--N和NO2--N的變化范圍分別為(0.05±0.00)～(2.20±0.02)、(0.11±0.01)～(1.82±0.00)和(0.01±0.00)～(0.75±0.00)mg/L，水源組為(0.07±0.01)～(0.53±0.00)、(0.74±0.00)～(2.23±0.01)和(0.01±0.00)～(0.17±0.00)mg/L(見圖2)。

圖2 水體中DIN在成蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)的變化

2.4 河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)磷營養(yǎng)鹽的變化情況

養(yǎng)殖周期內(nèi)磷營養(yǎng)鹽的變化情況見圖3。池塘組TP質(zhì)量濃度為(0.11±0.00)～(0.45±0.00) mg/L，平均為0.24 mg/L，養(yǎng)殖末期水質(zhì)已優(yōu)于地表水Ⅲ級標準。整個試驗期間，前3個階段池塘組TP均高于水源組，表明該養(yǎng)殖模式輸入大量磷元素，造成P的過剩。池塘組PO43--P質(zhì)量濃度在(0.03±0.01)～(0.35±0.00)mg/L，平均為0.12 mg/L，總體趨勢前期略微上升，中后期則開始下降。

圖3 成蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)水體中TP和PO43--P的變化情況

3 討論

3.1河蟹養(yǎng)殖期間的水質(zhì)變化

在河蟹養(yǎng)殖區(qū)，水草生長、養(yǎng)殖活動、引水水質(zhì)和外界環(huán)境因素共同影響著養(yǎng)殖區(qū)域的水體環(huán)境。池塘組盡管輸入大量外源氮、磷，但DO仍能保持較高水平，這是因為8月后增氧機的使用和水草光合作用的增強很好地保證了水體復(fù)氧效果。水源組TN在養(yǎng)殖期間基本高于池塘組，主要原因是該基地位于寶山區(qū)郊區(qū)，水源周邊面源污染較嚴重。有研究表明，包括上海在內(nèi)的太湖流域，其水環(huán)境質(zhì)量惡化的主因之一為農(nóng)田氮、磷的流失[11]，農(nóng)業(yè)污染物對引水水體中氮含量的變化特征影響顯著。地表徑流將農(nóng)田中的氮、磷輸送到主要干流中，導(dǎo)致水源組TN較高。本試驗中，因養(yǎng)殖初期河蟹規(guī)格小，投飼量較小，N、P的輸出相對較少，但此時池塘組的N、P指標卻處于最高水平，這是因為5月份水溫較低，水草還處于初始生長階段，對水體中N、P的凈化能力較弱。此外還可能跟上海地區(qū)淡水池塘的引水水質(zhì)有關(guān)[12-13]。養(yǎng)殖初期到快速增長期，水草開始快速生長，且溫度逐漸升高到伊樂藻適宜生長的范圍(10.0～25.0 ℃)，對N、P的吸收效率大大提高，因此多項水質(zhì)指標大幅降低，尤其是N的相關(guān)指標，其中TN在河蟹快速增長期優(yōu)于地表水Ⅲ類標準。同時，逐漸升高的pH導(dǎo)致NH4+轉(zhuǎn)化為相對易揮發(fā)的NH3[14]，這也是此時TN急劇下降的原因。此外，在8月份采樣前夕，臺風(fēng)“利奇馬”帶來的持續(xù)暴雨可能也稀釋了水體中的TN。但是從快速增長期開始，由于氣溫的影響，池塘水溫逐漸升高，抑制了伊樂藻的活性，使其對NH4+-N、NO3--N和NO2--N的吸收轉(zhuǎn)化能力變差，同時蛻殼期的河蟹規(guī)格較大，活動能力增強，會攪動底部沉積物，使沉淀了的顆粒態(tài)N再次懸浮到水中，也促使該階段水體中N質(zhì)量濃度的升高。此外，河蟹養(yǎng)殖活動中餌料的種類較多(顆粒飼料、冰鮮雜魚和玉米)，且使用肥水劑，使水體中氮、磷來源復(fù)雜化，加之不斷積累的殘餌、糞便和動植物尸體，均使水體中有機物含量增加，有機物分解會增加氨氮的積累[15]，這可能是NH4+-N濃度出現(xiàn)回升的原因。

盡管生物體對于磷的需求量比氮低，但磷也是必不可少的營養(yǎng)元素之一。沉水植物和浮游植物能吸收利用的主要是可溶性磷酸鹽，但在自然水體環(huán)境中，磷大多以不溶解化合物的形式存在，因而水體中沉水植物以及浮游植物的生長通常受到可溶性磷酸鹽的限制[16]。本試驗中，前期TP略微升高主要是因為投飼量的不斷增加，而此階段河蟹對飼料的轉(zhuǎn)化效率僅有0.50%[17]，其余均進入水體中，因此PO43--P在一定程度上有所升高；隨后由于水草的吸收利用以及10月份河蟹陸續(xù)捕撈上市，投飼量和排泄物大大減少，N、P的輸入也隨之減少。

CODMn常被用來衡量水體有機污染程度，其值越大，表明水體有機污染越嚴重。低DO以及低pH均會導(dǎo)致CODMn升高。張運林等[18]認為，CODMn在一定程度上可以表征N、P含量，因為較高的N、P濃度促進了水體中藻類的快速繁殖，而藻類死亡后的腐爛降解會產(chǎn)生大量有機物，從而釋放大量的內(nèi)源性CODMn。本試驗中，CODMn和TN、TP含量均是在養(yǎng)殖初期最高，超標最嚴重，這與上述研究結(jié)果一致。通過查閱養(yǎng)殖日志發(fā)現(xiàn)，4、5月份肥水劑使用頻率較高，該階段施肥量占整個養(yǎng)殖周期施肥總量的近50%，加之本次采樣日期為5月13日，而采樣前兩天剛施過肥，導(dǎo)致這一時期的CODMn和TN、TP質(zhì)量濃度偏高。蛻殼期CODMn小幅增加是由于河蟹生長到一定規(guī)格，投飼量增加，且河蟹的攝食行為加大了對水體的攪動，在養(yǎng)殖后期由于大量的河蟹被捕上市，投飼量以及河蟹數(shù)量均大大減少，因而CODMn又略有下降，并且于養(yǎng)殖末期出現(xiàn)最低值。由于殘餌及河蟹糞便導(dǎo)致有機物積累，除了河蟹快速增長期外，其他時間段內(nèi)池塘組的BOD5均遠高于水源組，表明養(yǎng)殖活動帶入了大量有機物，降低了水體自凈能力，因此存在污染水體風(fēng)險。

3.2 養(yǎng)殖管理

沉水植物作為河蟹養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，雖然無法直接吸收有機質(zhì)，但可以通過其吸附作用吸附水體中的有機質(zhì)。同時，它可以作為微生物載體，提供好氧和厭氧環(huán)境，形成生物膜，增加水體中的微生物量，從而加大微生物對有機物的降解速率[19-20]。有研究表明，河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)中水草及其附著的生物膜可以吸收60.50%～86.00%的N和37.30%～88.00%的P[17,21]；文曉峰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，伊樂藻對降低CODMn濃度有顯著的效果，尤其是在伊樂藻種植密度為15.00 kg/m2時，CODMn的去除率可高達70.90%[23]；王書揚等[24]提出，當伊樂藻的種植面積為池塘面積的60%時，水質(zhì)凈化效果最佳；還有研究表明，黃絲草可以提升成蟹規(guī)格，伊樂藻是凈化水質(zhì)、修復(fù)底質(zhì)最好的沉水植物，輪葉黑藻和伊樂藻則能保證河蟹養(yǎng)殖產(chǎn)量[25]。因此，從污染控制及提高河蟹品質(zhì)和產(chǎn)量的角度出發(fā)，可以將伊樂藻與黃絲草或者伊樂藻與輪葉黑藻搭配栽種，并將栽種面積控制在池塘水面的60%左右。