宋洪旭１，邢荣莲１，陈丽红１，姜爱莉１，王会毅１，曹学彬２
（１．烟台大学生命科学学院，山东 烟台 ２６４００５；２．山东东方海洋科技股份有限公司省级海参工程技术研究中心，山东 烟台 ２６４００５）
摘要：对刺参养殖池塘沉积物采用实验室静态模拟培养法，调控温度和初始ｐＨ，定时测定上覆水中营养盐及上覆水中溶解氧（ＤＯ）的含量，并计算各营养盐的表观释放速率、累积释放量以及沉积物营养盐的释放率。结果表明，温度对沉积物氮、磷的释放有极显著影响（Ｐ＜０．０１），总氮和总磷最大表观释放速率变化范围分别是５０～８０ ｍｇ／（ｍ２·ｄ）和７～１１ ｍｇ／（ｍ２·ｄ）；５ ℃的总氮、总磷最大表观释放速率低于２０ ℃和１５ ℃，而最大累积释放量却高于２０ ℃和１５ ℃，但时间延迟１２ ｈ。ｐＨ对沉积物氮、磷释放的影响极显著（Ｐ＜０．０１），总氮和总磷出现最大表观释放速率时酸碱条件顺序为ｐＨ ９．０ ＞ ｐＨ ６．５ ＞ ｐＨ ７．０ ＞ ｐＨ ７．５＞ｐＨ ８．５＞ ｐＨ ８．２２，铵态氮达到最大累积释放量时酸碱条件顺序为ｐＨ ６．５＞ ｐＨ ９．０ ＞ ｐＨ ８．５＞ｐＨ ７．５＞ ｐＨ ７．０ ＞ ｐＨ ８．２２；ｐＨ对沉积物营养盐释放率的影响极显著（Ｐ＜０．０１）。总氮和铵态氮释放率的变化范围分别为４０％～６０％和３０％～４２％，总磷和活性磷释放率的变化范围分别为３２％～５４％和２４％～４１％；在不同温度、ｐＨ条件下，总氮和铵态氮累积释放量之间以及总磷和活性磷累积释放量之间有显著的相关性（Ｐ＜０．０５）。
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关键词 ：刺参养殖池塘；沉积物；营养盐；释放；环境因素
中图分类号：Ｘ１７１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０４－０８３５－０８
ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０４．０１７
收稿日期：２０１４－０６－０３
基金项目：国家自然科学基金项目（３１００１１１３）；山东省自然科学基金项目（２０１４ＺＲＢ０１９ＤＵ）；烟台大学青年基金项目（ＳＭ１２Ｚ０１）
作者简介：宋洪旭（１９８９－），男，山东诸城人，硕士研究生，研究方向为生物化工，（电话）１５０６３８５３１４６（电子信箱）ｃｏｎａｎ－ａｂｃ＠１６３．ｃｏｍ；
通信作者，邢荣莲（１９７７－），女，山东文登人，副教授，博士，主要从事藻类技术研究，（电话）１８６６００７２０１６（电子信箱）ｘｉｎｇｒｏｎｇｌｉａｎ＠１６３．ｃｏｍ。
随着刺参养殖的迅速发展，池塘养殖成为刺参养殖的主要方式。刺参池塘生态系统作为人工圈养系统，结构单一，缺乏自然生态系统的物质循环功能，系统的自适应能力不足，反馈机制不健全。在这种系统中，生态缓冲能力较弱，抗干扰能力低，稳定性差［１］。在养殖过程中常常人工投入大量的营养物质（饵料、肥料等），由于养殖系统对其有限的利用导致有机质在池塘底部的沉积、积累［２］，此外刺参养殖过程中产生的粪便、水生植物尸体等物质也通过吸附、络合、沉降等过程沉积在池塘底部，使参池沉积物成为氮磷等营养盐的重要蓄积库，这与湖泊、河口等沉积物的形成存在明显差异［３］。王会毅等［４］对刺参养殖池塘沉积物营养盐存在特征研究发现，沉积物中无机态氮磷比例为３．５％～１０．７％，而湖泊沉积物中无机态氮磷比例为２５％～４０％［５］，说明刺参养殖池塘沉积物营养盐具有典型存在特征。
在外源负荷日益消减的背景下，内源沉积物对水体营养盐的贡献成为人们关注的焦点［６］。对湖泊、河口、淡水池塘等沉积物营养盐释放的影响研究表明，环境条件（温度、ｐＨ等）是影响沉积物营养盐释放的主要因素［７］。然而关于不同环境条件下刺参养殖池塘沉积物营养盐释放的研究尚未见报道。本研究通过实验室静态模拟培养方法，研究温度和ｐＨ对刺参养殖池塘沉积物中氮、磷营养盐释放的影响，探讨了沉积物中的不同形态氮、磷的释放动态规律及其相关性，为正确宏观评估和监测沉积物污染源对水体水质的影响程度、预防和监控养殖环境水体富营养化提供科学依据。
１ 材料与方法
１．１ 样品采集
在山东烟台某刺参养殖池塘进行采样，刺参养殖池塘面积为１０ ｈｍ２，水深１．５～２．０ ｍ，主要养殖月份为３～１１月。采样点用标准值法确定［８］。
用采样器［９］采集水下深度１０ ｃｍ的底泥，用自封袋装好。采好的底泥尽快运回实验室放入冰箱（４ ℃）储藏备用。采集的底泥分两部分使用，一部分风干用于沉积物性质测定，另一部分用于静态模拟试验。
用采样器采集一定量的底泥上覆水，装入清洁的ＰＶＣ塑料桶中。采集好的上覆水尽快运回实验室冷藏备用（加入占水样体积０．２％的三氯甲烷）。采集的上覆水用０．４５ μｍ混合纤维素酯膜过滤处理后用于模拟试验。
１．２ 沉积物性质
取３份平行样品进行生物灭活，剔除其中杂物，风干后逐级过筛进行颗粒分级，分别收集称重，确定其基本颗粒组成。用烘干法测定底泥的含水率。培养前将沉积物底泥风干、过筛，取通过１００目孔筛的土样，测定氮磷含量；试验结束后，吸出上覆水，取玻璃柱中表层５ ｃｍ的底泥风干、过筛，取通过１００目的孔筛的土样测定氮磷含量。经测定得知，粉砂占０．０１９％，砂粒占９９．９８１％，根据国标制土壤质地分类标准［１０］可知沉积物底泥的土壤质地为砂土及砂质壤土，底泥的含水率为２３．７４％，沉积物初始氮、磷含量见表１。
１．３ 试验设计
试验采用鲜样装柱［１０］，每个玻璃柱中的沉积物高度为１０ ｃｍ，泥重（３６０±５） ｇ，上覆水高度３０ ｃｍ。
在ｐＨ为８．２２，光照度为１６２～２９２ μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ），无溶氧控制条件下，设定温度为５、１５、２０、３０ ℃进行静态培养，每个温度水平设３个平行样。在不扰动底泥的情况下，每隔１２ ｈ从距底泥表面约２ ｃｍ处取水样，测定总氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、活性磷、溶解氧（ＤＯ）含量，同时将等量的已经过滤处理的上覆水补加到柱中。
在烧杯中用１ ｍｏｌ／Ｌ的ＨＣｌ和１ ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＯＨ溶液调节经滤膜处理的上覆水至ｐＨ为６．５、７．０、７．５、８．２２、８．５、９．０，其中８．２２为上覆水未调节时的ｐＨ，用玻璃棒引流缓缓加入到柱中，每组设３个重复平行样。培养环境为光照度１６２～２９２ μｍｏｌ／（ｍ－２·ｓ），温度２０ ℃，无ＤＯ控制。在不扰动底泥的情况下，每隔１２ ｈ从柱中距底泥表面约２ ｃｍ处取水样，测定总氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、活性磷、ＤＯ含量，同时将等量的已经调节ｐＨ的上覆水补加到柱中。
考虑到原状泥柱静态释放试验时间越长，离原水体环境的偏差就越大，本试验培养７２ ｈ。
１．４ 测定方法
上覆水中的总氮和总磷均用过硫酸钾氧化法测定；硝态氮用锌铬还原法测定；亚硝态氮用萘乙二胺分光光度法测定；铵态氮用次溴酸盐氧化法测定；活性磷用磷钼蓝分光光度法测定，具体测定教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献［１１］。沉积物中的营养盐的测定方法教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献［１２］。
１．５ 计算方法
表观释放速率ｆｌｕｘ及累积释放量Ｒ的计算方法：
式中，ｆｌｕｘ为表观释放速率［ｍｇ／（m2·ｄ）］；Ｖ 为柱中上覆水体积（Ｌ）；Ｃ为添加水样中的物质含量（ｍｇ／Ｌ）；Ｖｊ－１为第ｊ－１次采样体积（Ｌ）；Ｓ为柱样中沉积物－水接触面积（ｍ２）；ｔ为释放时间（ｄ）；Ｃｎ、Ｃ０、Ｃｊ－１为第ｎ次、０次（即初始）和ｊ－１次采样时某物质含量（ｍｇ／Ｌ）；由于不考虑ＮＨ３的水气界面交换，计算所得的ｆｌｕｘ为表观释放速率；Ｒ为累积释放量（ｍｇ）。
Ｎ、Ｐ释放率的计算方法为：释放率＝［（Ａ－ａ）／Ａ］×１００％，式中Ａ为培养前沉积物中Ｎ、Ｐ含量；ａ为培养末期沉积物中Ｎ、Ｐ含量。
１．６ 数据分析
数据用Ｏｒｉｇｉｎ ８．０ 软件进行统计，用ＳＰＳＳ １３．０ 软件进行单因素方差分析以及相关性分析。
２ 结果与分析
２．１ 温度对沉积物营养盐释放的影响
２．１．１ 温度对沉积物氮磷表观释放速率的影响
如图１，温度对沉积物氮磷的表观释放速率有极显著影响（Ｐ＜０．０１）。总氮和铵态氮的最大表观释放速率变化范围分别为５０～８０ ｍｇ／（ｍ２·ｄ）和６～１０ ｍｇ／（ｍ２·ｄ），总磷和活性磷的最大表观释放速率变化范围分别为７～１１ ｍｇ／（ｍ２·ｄ）和０．5～１．２ ｍｇ／（ｍ２·ｄ）。氮、磷的表观释放速率在培养１２～２４ ｈ时出现最大值，达到最大值时的温度顺序为３０ ℃、２０ ℃、１５ ℃、５ ℃。说明温度升高有利于沉积物中营养盐的释放，这与有关研究的结果相似［１３］。
２．１．２ 温度对沉积物氮磷累积释放量的影响 如表２所示，温度对沉积物氮磷的最大累积释放量有显著影响（Ｐ＜０．０５）。总氮和总磷的累积释放量在达到最大值时，温度顺序为３０ ℃、５ ℃、２０ ℃、１５ ℃。结合图１可以看出，在５ ℃（２４ ｈ）条件下总氮的最大累积释放量高于２０ ℃和１５ ℃（１２ ｈ），达到最大值的时间延迟１２ ｈ，而最大表观释放速率却低于２０ ℃和１５ ℃，说明营养盐的表观释放在低温比高温条件要慢，会延迟达到最大释放速率的时间；但在低温条件下的最大累积释放量却存在不低于较高温度的最大累积释放量的情况，可能的原因是在５ ℃沉积物中的有机氮通过微生物作用转化成无机氮而释放到水体中［１４］。如图２所示，上覆水的ＤＯ含量变化在５ ℃条件下随培养时间的变化比较明显（Ｐ＜０．０５），而在其他温度条件下变化不大。
研究发现在低温条件下养殖池塘底泥中仍然有较高数量的异养细菌和弧菌存在［１５］。在５ ℃条件下，适低温生长的硝化细菌的硝化作用增强，使铵态氮转化成硝态氮，从而使铵态氮的释放减少，硝态氮和亚硝态氮释放增加，这可能是５ ℃条件下，营养盐释放量增加的原因之一。而且试验所用沉积物中含有过多的有机氮（表１），比较测定结果发现，在５ ℃条件下，试验结束时沉积物中有机氮占总氮的比例比初始时降低了１０％左右，而在其他温度条件的沉积物有机氮占总氮的比例只降低了１．５％左右，这说明在５ ℃下，某些能够降解有机氮的微生物活性增强，把沉积物中的有机氮、磷转化成了一定的无机态氮、磷进而释放到水体中。温度升高时，上覆水的ＤＯ会降低，使沉积物中的磷酸盐沉淀溶解，胶体还原，释放吸附的游离磷，使磷酸盐得以释放。不同温度条件下，磷酸盐的存在形式会有所不同，从而促进沉积物总磷的释放［１６，１７］。研究结果还显示，温度由２０ ℃升至３０ ℃时，总磷的最大释放量增大２．５倍，这与陈后合等［１８］的研究结果以及吴根福等［１９］每升高１０ ℃总磷释放量增大１倍左右的结果相似。
２．１．３ 氮磷营养盐累积释放量相关性 对营养盐累积释放量进行相关性分析发现，硝态氮、亚硝态氮与总氮的累积释放量之间没有显著的相关性，但是，铵态氮与总氮的累积释放量以及活性磷与总磷的累积释放量存在明显的相关性（Ｐ＜０．０５）。表３和表４列出了总氮或总磷累积释放量（ｙ）和铵态氮或活性磷累积释放量（ｘ）的相关拟合方程。
３０ ℃下的营养盐累积释放量的相关程度明显高于其他温度条件，而５ ℃下的累积释放量相关程度高于１５ ℃和２０ ℃的相关性，这说明在５ ℃条件下，铵态氮的释放对于总氮的累积释放有显著贡献，而沉积物有机氮的释放也可能是以铵态氮的形式释放到水体中的。表3的结果说明在刺参养殖池塘中，氮循环是以铵态氮为主要形式进行的，这与国外的有关研究结果相一致［２０］。沉积物中的磷主要有颗粒态磷和溶解态磷，活性磷为主要的溶解态磷，沉积物的有机质矿化作用产生活性磷从而促进总磷的释放［２１］。
２．１．４ 不同温度条件下沉积物营养盐释放率 温度对沉积物营养盐释放率的影响显著（Ｐ＜０．０５）（图３）。沉积物氮、磷的释放率温度顺序均表现为３０ ℃、５ ℃、２０ ℃、１５ ℃。在５ ℃条件下，沉积物中不同形态的氮、磷释放率均高于１５ ℃和２０ ℃条件下氮磷的释放率，此结果与在５ ℃下有高于１５ ℃和２０ ℃时的最大累积释放量的结果相一致。总氮和铵态氮释放率的变化范围分别为５０%～６０％和２７%～５０％，总磷和活性磷释放率的变化范围分别为３８%～６１％和３０%～５２％。结果表明在３０ ℃和５ ℃条件下，沉积物中超过５０％的总氮和超过３８％的总磷释放到水体中，所以在实际生产中，要注意在低温（５ ℃）和高温（３０ ℃）下对水体的监测。
２．２ ｐＨ对沉积物营养盐释放的影响
２．２．１ ｐＨ对沉积物氮、磷表观释放速率的影响 ｐＨ对氮、磷表观释放速率有极显著影响（Ｐ＜０．０１）。从图４所示结果可知，总氮在培养１２ ｈ，总磷在培养２４ ｈ出现最大表观释放速率，酸碱条件顺序为ｐＨ ９．０、ｐＨ ６．５、ｐＨ ７．０、ｐＨ ７．５、ｐＨ ８．５、ｐＨ ８．２２。在培养２４ ｈ时，铵态氮在ｐＨ ６．５的最大表观释放速率高于ｐＨ ９．０，原因可能是在培养过程中ｐＨ ６．５条件下上覆水中ＤＯ含量始终低于ｐＨ ９．０的含量（图5），在较高溶氧条件（ｐＨ ９．０）下，利于硝化细菌的硝化作用，沉积物中硝态氮、亚硝态氮的释放增大，同时铵态氮释放减小；在较低溶氧条件（ｐＨ ６．５）下，硝化作用受到抑制，反硝化作用加强，铵态氮的释放增加。
ｐＨ对沉积物中磷的释放过程产生影响主要是通过影响离子交换和沉积物对磷酸盐的吸附－解吸作用［２２］。在酸性条件（ｐＨ ６．５）下，体系中的难溶性磷酸盐发生溶解使磷脱离沉积物以可溶性的形态进入间隙水进而进入上覆水，酸性越强，磷的释放量越多；在碱性条件（ｐＨ ８．５、ｐＨ ９．０）下，磷的主要形态是ＨＰＯ４2－，沉积物中磷的释放以离子交换为主，体系中的ＯＨ－与被束缚的磷酸盐离子产生竞争发生离子交换，使得磷酸盐的解吸过程得到加强，从而增加了沉积物中磷向上覆水的释放。此外，微生物对于水体ＤＯ含量有一定的敏感性，其中聚磷菌对水体ＤＯ含量极为敏感［２３］，本试验所用底泥未作灭菌处理，聚磷菌等微生物的生物活动可能影响上覆水营养盐水平的变化。
２．２．２ ｐＨ对沉积物氮磷累积释放量的影响 由于ｐＨ的改变影响了水体中离子交换吸附、沉淀－溶解、化学平衡等活性机制，因此不同ｐＨ下氮磷释放表现出不同的特点，酸性或碱性条件都明显促进氮磷的释放。表５列出了不同ｐＨ条件下氮磷的最大累积释放量。
氮盐在培养１２ ｈ时达到最大累积释放量，磷盐在培养２４ ｈ时达到最大累积释放量。总氮和总磷在达到最大累积释放量时的酸碱顺序为ｐＨ ９．０、ｐＨ ６．５、ｐＨ ７．０、ｐＨ ７．５、ｐＨ ８．５、ｐＨ ８．２２，铵态氮达到最大累积释放量酸碱条件顺序为ｐＨ ６．５、ｐＨ ９．０、ｐＨ ８．５、ｐＨ ７．５、ｐＨ ７．０、ｐＨ ８．２２。ｐＨ对沉积物氮、磷最大累积释放量的影响与其对表观释放速率的影响存在一致性。试验结果表明培养前后沉积物中有机氮占总氮的比例变化为１．３％左右，说明在不同ｐＨ条件下沉积物中的氮磷主要以无机态形式释放到水体中。
２．２．３ 营养盐累积释放量相关性 通过相关性分析发现，在不同ｐＨ条件下硝态氮、亚硝态氮与总氮的累积释放量之间没有显著的相关性，但是总氮与铵态氮累积释放量以及总磷与活性磷累积释放量之间有显著的相关性（Ｐ＜０．０５）。表６和表７列出了总氮或总磷累积释放量（ｙ）和铵态氮或活性磷累积释放量（ｘ）的相关拟合方程。
出现这种结果的原因可能是在酸性条件（ｐＨ ６．５）下，由于Ｈ＋离子与沉积物底泥胶体吸附的ＮＨ４＋离子发生离子交换，会使沉积物的ＮＨ４＋离子持续不断地释放到上覆水中，随着ｐＨ降低，Ｈ＋离子的浓度越大，交换作用越强，铵态氮的表观释放速率相应增加［２４］；碱性条件（ｐＨ ９．０）下，上覆水中的ＯＨ－浓度的增加会影响ＮＨ４＋离子的化学动态平衡，使其向生成ＮＨ３和Ｈ２Ｏ的方向进行，使水体中的ＮＨ４＋离子减少，沉积物和水之间的ＮＨ４＋离子浓度差增大，从而促进沉积物中铵态氮向上覆水的释放［２５］。沉积物中的磷是以活性磷为主，活性磷的形态转化是沉积物中磷迁移转化的主要机制，一旦出现有利于活性磷转化的条件时，总磷的释放就会增加［２６］。
２．２．４ 不同ｐＨ条件下沉积物营养盐释放率 ｐＨ对沉积物营养盐释放率的影响极显著（P＜０．０１）（图６）。总氮和铵态氮释放率的变化范围分别为４０%～６０％和３０%～４２％，总磷和活性磷释放率的变化范围分别为３２%～５４％和２４%～４１％。可见，随着ｐＨ的升高，沉积物营养盐的释放率呈现“Ｕ”形曲线变化，在原养殖水体中（ｐＨ ８．２２）营养盐的释放率最小。随ｐＨ的增大，磷盐的释放率的变化最为明显，说明磷盐释放对ｐＨ变化更敏感［２７］。
３ 小结与讨论
３．１ 温度对参池沉积物营养盐释放的影响
温度主要是通过影响沉积物中微生物的活性和数量、硝化速率、反硝化速率而抑制或加速不同形式氮、磷的释放进而对刺参养殖池塘沉积物营养盐释放产生影响，高温能明显地促进沉积物氮磷向上覆水的扩散［６］。结果表明，随着温度的升高，刺参池塘氮、磷营养盐的释放速率累积释放量增加，这与大多数关于湖泊沉积物营养盐释放的研究结果相似。本研究发现，在５ ℃下总氮的最大表观释放速率小于其他温度，但是却有高于１５ ℃和２０ ℃的最大累积释放量，其原因可能是在５ ℃的培养过程中，总氮的累积释放不仅来自无机态氮，也有有机氮的参与，而参池沉积物中的有机氮主要是来源于投饵后的沉积作用，在参池沉积物中微生物是重要的生物组成，微生物在营养盐的生物化学转化中有重要作用［２８］。本试验所用底泥未进行灭菌处理，参池底泥中存在大量的异养微生物［２９］，在５ ℃条件下，沉积物中的有机氮在异养微生物作用下，降解铵化生成铵态氮释放到水体中，使总氮与铵态氮的累积释放量呈现出极其显著的相关性，从而使沉积物营养盐的释放率在５ ℃条件下高于１５ ℃和２０ ℃［３０］，比较培养前后有机氮占总氮比例变化来看，有机氮的无机过程化是可以确定的。此外，在５ ℃和３０ ℃条件下沉积物大部分的氮、磷释放到了上覆水中，所以养殖池塘沉积物在低温（５ ℃）和高温条件（３０ ℃）时要注意水体氮、磷水平的监测，以防止养殖水体的富营养化。
３．２ ｐＨ对参池沉积物营养盐释放的影响
ｐＨ对参池沉积物营养盐释放的影响，主要是通过打破底泥中原有的氮磷动态平衡实现的［８］。通过Ｈ＋影响ＮＨ４＋的离子交换实现抑制或促进铵态氮的释放，通过ＯＨ－影响不同结合态的磷的含量影响磷盐的释放［２２］。在不同ｐＨ条件下，铵态氮与总氮的累积释放量有极显著的相关性，说明铵态氮是氮盐转移的主要形式，这与国外的有关研究结果相一致［２０］。随着ｐＨ的升高，沉积物营养盐的释放率呈现“Ｕ”形曲线变化，其中磷盐的释放率的变化最为明显，说明磷盐释放对ｐＨ变化更敏感，所以要重视水体中磷水平的监测。总体来说，当水土界面的酸碱条件发生变化时，沉积物的氮、磷的释放会产生急剧变化，促使上覆水中氮、磷含量的剧增，对养殖环境造成危害［３１］。
３．３ 结论
１）温度对氮、磷的表观释放速率和累积释放量影响极显著（Ｐ＜０．０１），对沉积物营养盐释放率的影响显著（Ｐ＜０．０５）。５ ℃条件下氮磷的最大累积释放量高于１５ ℃和２０ ℃，沉积物有５０％以上的氮、磷营养盐释放到水体中。在实际养殖中，不仅要注意在高温时的监测，而且不要忽视在低温下水质的监测。
２）ｐＨ对氮、磷的表观释放速率和累积释放量影响显著（Ｐ＜０．０５），对沉积物营养盐的释放率的影响极其显著（Ｐ＜０．０１）。总氮、总磷的累积释放量在碱性条件（ｐＨ ９．０）下有最大值，铵态氮在弱酸性条件（ｐＨ ６．５）下释放量高于碱性（ｐＨ ９．０）；试验中有４０％～６０％的总氮、３０％～４２％的铵态氮、３２％～５４％的总磷和２４％～４１％的活性磷释放到水体中。在实际养殖中应重视水体ｐＨ变化时的氮、磷的监测。
３）相关性分析表明在刺参池塘沉积物中铵态氮对总氮的释放有显著的贡献（相关系数＞０．８５，Ｐ＜０．０５）；活性磷对总磷的释放有显著贡献（相关系数＞０．８５，Ｐ＜０．０５）。
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（责任编辑 彭西甜）