复合碳源对水产养殖池塘中沉积物-水界面氮营养物质垂直分布及交换通量的影响

《Aquaculture Reports》：Effect of complex carbon sources on the vertical distribution and exchange flux of nitrogen nutrient at the sediment–water interface in aquaculture ponds

氮磷迁移与净化机制研究 | 复合碳源调控 | 沉积物-水界面 | largemouth bass养殖 | 营养物扩散通量 | 玉米秸秆 | 稻草 | 水环境修复

　　本研究围绕水产养殖池塘中复杂碳源的净化机制展开，通过在大口黑鲈（*Micropterus salmoides*）养殖池塘中添加两种复杂碳源——稻草和玉米芯，利用Peeper（孔隙水平衡）技术对沉积物-水界面的水样进行采集，分析其垂直分布和交换通量。研究重点在于探讨复杂碳源如何影响水体中的氮磷等营养物质的迁移和转化，为水产养殖环境的生态修复提供科学依据。

### 研究背景与意义

在水体环境修复领域，氮素的去除主要依赖于生物过程，如硝化作用和反硝化作用。这些过程通常由异养微生物驱动，而碳源则是维持其生长和提供电子供体的关键因素。然而，在水产养殖系统中，碳源常常不足，导致氮素去除效率下降。因此，添加碳源成为提高氮素去除效率的重要手段。近年来，复合型固态缓释碳源因其适中的释放速率、稳定性以及对微生物生长的附着作用而被广泛应用于水体修复中。

沉积物-水界面是水体生态系统中物质交换和转化的关键区域。在水产养殖环境中，约70%的外部氮输入会沉积在底部，而在特定条件下，如生物扰动、环境变化或人为干预，这些沉积物中的氮可能重新释放回水体，造成水体富营养化。因此，研究碳源对沉积物-水界面氮磷等营养物质分布和交换通量的影响，对于优化水产养殖环境、提升水质具有重要意义。

大口黑鲈作为一种广泛养殖的经济鱼类，其养殖规模在世界范围内较大，尤其是在中国，年产量已达到70万吨。然而，随着养殖密度的增加，其对环境的影响也日益严重，特别是对水体富营养化问题。因此，加强大口黑鲈养殖系统环境修复显得尤为迫切。本研究通过引入稻草和玉米芯两种复杂碳源，探讨其对沉积物-水界面营养物质交换过程的影响，为水产养殖系统的水质调控和生态修复提供新的思路。

### 实验设计与方法

实验在珠江水产研究所的水产生态工程实验基地进行，采用塑料桶模拟养殖池塘环境。每个桶的体积为150升，直径约0.57米，高度约0.61米。桶内填充约30厘米深的混合且晒干的池塘沉积物。随后加入清水至高度0.5米，并进行7天的曝气处理，以去除水中的氯气，避免其对鱼类产生影响。每桶中引入5条幼年大口黑鲈，鱼的体重约为20.13克，每天喂食两次，喂食量根据鱼体重的0.8%-2.5%调整。

为了精确采集沉积物-水界面的孔隙水，本研究使用了改进版的Peeper装置。该装置由三块透明的有机玻璃板组成，中间为主板，两侧为盖板，共设有30个平行采样室，分辨率可达1厘米。装置内部的盖板与主板之间使用0.5厘米厚的橡胶垫密封，以减少外界干扰。同时，橡胶垫和主板表面覆盖0.22微米孔径的PALL渗透膜，使沉积物孔隙水与预先装入的去氧去离子水达到平衡状态。平衡完成后，使用10毫升注射器抽取适量水样，进行营养物质浓度分析。

营养物质的浓度测定采用微体积积分分光光度法，该方法在实验室中进行预配置试剂，并建立标准曲线，线性相关系数达0.999。各营养物质的检测限分别为：NH??-N为0.002毫克/升，回收率95%；NO??-N为0.004毫克/升，回收率99%；NO??-N为0.002毫克/升，回收率98%；TN为0.002毫克/升，回收率90%；PO?3?-P为0.01毫克/升，回收率90%；TP为0.01毫克/升，回收率85%。此外，采用96孔板同时测定多个样本，以减少污染风险并提高检测效率。

沉积物的含水率、孔隙度和容重也进行了测定。含水率通过在105℃下烘干48小时后的重量变化计算得出，容重则采用环刀法测定，孔隙度则通过公式计算，公式中包含了沉积物的湿重和干重。通过这些数据，可以进一步分析营养物质在沉积物中的分布和迁移特性。

为了评估营养物质的交换通量，本研究采用菲克第一定律进行估算。在沉积物孔隙度小于0.7时，使用理想扩散系数与孔隙度的乘积计算实际扩散系数；当孔隙度大于0.7时，则使用孔隙度的平方与理想扩散系数相乘。此外，实验中还考虑了温度对扩散系数的影响，并引用了相关文献中的数据进行修正。实验中Peeper装置的温度为23.9℃，因此参考了25℃时的扩散系数数据。

### 实验结果与分析

实验结果显示，营养物质的浓度通常随着深度增加而降低，但NH??-N和TN表现出不同的趋势。在没有碳源的对照组中，沉积物是营养物质的主要来源，其中NO??-N的释放量最大。而添加碳源后，NH??-N、NO??-N、TN、PO?3?-P和TP的垂直分布受到显著影响，营养物质在上层水体和沉积物间隙水中的含量均有所降低。这表明碳源在一定程度上抑制了沉积物中营养物质的释放，有助于水体净化。

具体而言，玉米芯碳源在减少NO??-N释放方面效果更为显著，而稻草碳源则在NH??-N和TN的去除方面表现出更强的能力。此外，玉米芯碳源对PO?3?-P的去除效果优于稻草碳源，说明其对磷的吸附能力更强。实验中还发现，不同碳源对营养物质的去除率存在显著差异，其中玉米芯组的去除率普遍高于稻草组和对照组，表明玉米芯作为碳源在水产养殖环境中的应用更具优势。

通过主成分分析（PCA）和聚类分析，研究人员发现不同组别在营养物质的分布模式上存在差异。例如，稻草组的上层水体与沉积物间隙水之间的营养物质分布显著不同，而玉米芯组和对照组的分布模式较为相似。这可能与两种碳源对微生物活动的影响不同有关。此外，相关性分析表明，营养物质的浓度与水深之间存在显著关系，其中NO??-N、NO??-N、PO?3?-P和TP的浓度随水深增加而上升，而NH??-N、TN、温度等则与水深呈负相关。这说明水深是影响营养物质分布的重要因素。

### 讨论与结论

沉积物-水界面是氮磷等营养物质迁移和转化的关键区域。在本研究中，NH??-N是上层水体和沉积物间隙水中的主要氮素来源。其浓度随水深增加而上升，可能与沉积物中有机氮的矿化和外部氮素的输入有关。同时，由于沉积物中氧气含量较低，NH??-N更容易被转化为NO??-N和NO??-N，这可能是其浓度随深度增加的原因之一。

NO??-N的浓度在上层水体中高于间隙水，这与硝化作用在富氧环境下的进行有关。同时，沉积物中的反硝化细菌和DNRA（硝酸盐还原为铵）过程也会影响NO??-N的含量。在本研究中，玉米芯组的NO??-N扩散通量显著低于对照组，表明玉米芯对NO??-N的释放具有抑制作用，而稻草组则没有明显影响。这可能与两种碳源对微生物活性的不同影响有关。

PO?3?-P的浓度在上层水体中高于沉积物间隙水，且其扩散通量为正值，表明沉积物是磷的主要来源。这与水体中低氧环境促进磷的释放有关。此外，夏季高温也可能加剧沉积物中磷的释放。在本研究中，PO?3?-P的扩散通量高于其他研究中的湖泊或养殖池塘，可能与实验环境中的低氧条件有关。

研究还发现，玉米芯碳源在抑制营养物质释放方面效果更佳，尤其是在NO??-N的去除上表现突出。这可能与其结构特性有关，如较高的吸附能力和对微生物的促进作用。相比之下，稻草碳源虽然对NH??-N和TN的去除有一定效果，但对NO??-N的抑制作用较弱。因此，玉米芯碳源在水产养殖环境中的应用具有更高的效率和更好的净化效果。

然而，本研究也存在一定的局限性。例如，未对微生物群落结构的变化进行直接测量，也未对参与氮磷转化的功能基因进行定量分析。此外，实验中未涉及铁、锰、砷和硫等其他离子的检测，这些离子在水体的早期生物地球化学过程中起着重要作用，可能影响氮磷的迁移和转化。因此，后续研究可采用高分辨率Peeper技术，以获取更精确的营养物质分布数据，并进一步探讨其迁移机制。

综上所述，本研究揭示了复杂碳源在水产养殖系统中对沉积物-水界面营养物质分布和交换通量的影响，特别是玉米芯碳源在减少营养物质释放和提高水体净化能力方面的优势。这些发现不仅有助于深入理解复杂碳源的净化机制，也为水产养殖环境的修复和优化提供了数据支持和理论依据。未来的研究应进一步探索碳源对微生物群落和功能基因的影响，以全面评估其在环境修复中的应用潜力。