2018,
Vol. 27
2. 上海海洋大学 水产动物遗传育种中心上海市协同创新中心, 上海 201306;
3. 上海市金山区水产技术推广站, 上海 201500
凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)，又称南美白对虾，是世界主要经济虾类之一，其具有生长周期短、出肉率高以及养殖水质适应性强等优点[1]。截止到2016年，我国凡纳滨对虾养殖产量已达到167.22万吨，凡纳滨对虾养殖业对我国水产养殖业显得尤为重要，养殖过程中养殖环境更值得关注[2]。多数从业者片面追求养殖效益，持续增加养殖规模、提高养殖密度，随着生物负载量和饵料投入量的提高，池塘营养物质和有机物质负荷不断加重，加剧了池塘水体耗氧和水质恶化，甚至产生剧毒的挥发性硫化物[3]。鱼虾碰到较高的挥发性硫化物时，其免疫能力，呼吸和能量代谢，机体抗氧化系统均会受到显著影响[3-4]。因此为了凡纳滨对虾养殖业的可持续发展，不仅需要动态监测和调控养殖水体中亚硝态氮含量、氨氮含量等水质指标，还应重视养殖池塘底泥沉积物中的硫化物含量。
截至目前，关于凡纳滨对虾养殖塘底泥中硫化物的研究报道很少，国内仅少量文献探讨了不同类型养殖塘中硫化物的分布、含量、变化规律[5-7]，以及网箱养殖、贝类养殖等水产养殖活动对底质硫化物生成的影响[8-10]，也有国外学者开展了硫化物对重金属生物有效性影响的研究[11-12]。本研究通过动态监测和分析凡纳滨对虾养殖露天土池底泥中硫化物(S2-)、单质硫(S0)、总硫(TS)、总磷(TP)、总氮(TN)和总有机碳(TOC)的含量及其变化特征，定量考察底泥中硫化物与TP、TN、TOC间的相关性，以期为凡纳滨对虾的健康养殖和养殖塘底质的科学管理提供理论借鉴。
1 材料与方法 1.1 凡纳滨对虾露天土池基本情况本研究选择上海市奉贤区庄行镇某养殖场的凡纳滨对虾淡水养殖露天土池(四口，分别记为H1、H2、H3和H4)作为试验塘，面积均为0.43 hm2，泥质塘底，6年塘龄，每年11月至次年3月为虾塘休塘期，养殖前清淤后，按1.5 t/ hm2生石灰消毒并冲洗2次，每口土池配置叶轮式增氧机2台(功率为1.5 kW/台)和底部微孔管增氧设施1套(功率为0.75 kW)，且H1、H2塘水面还种植约400 m2水蕹菜(Ipomoea aquatica)。2015年以邻近河道水为养殖水源(记为R)，每池按74.97万尾/ hm2放养淡化驯养15 d的凡纳滨对虾虾苗，6月至9月采样试验期间，水深约1.5 m，每日13:00~15:00、22:00~1:00启动增氧设备进行增氧，每日适量投喂配合饲料2次(6:00、16:00)，各池分别于7月20日始每隔15日左右轮捕一次(约占池塘载虾量的20%~35%)。凡纳滨对虾试验塘(H1-H4)的基本情况列于表 1。
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表 1 凡纳滨对虾试验塘基本情况 Tab.1 The basic information of the test ponds of Litopenaeus Vannamei |
采样试验期间，每两周在池4角距塘堤3 m处用自制柱状采泥器采集底泥，分别取同等量表层5 cm泥样混合作为该池泥样，密封冷藏运回实验室，同样在池4角距塘堤5 m处用采水器采集表层水(水面下约20 cm)和底层水(距底约30 cm)，等量混合后为该池水样，运回实验室测定水质指标。约每隔15 d采样一次，同步定点采集周边河道泥样和水样。
1.3 样品测定 1.3.1 水化学指标测定采用便携式多参数水质测定仪(YSI ProPlus，美国)对水温(T)、溶解氧(DO)、pH进行现场测定。通过现场目视白色透明度盘测定水体透明度，并分别基于N-l-奈基-已二胺光度法、萘氏比色法、磷钼蓝分光光度法、钼酸铵比色法和碱性过硫酸钾法测定亚硝基氮(NO2--N)、总氨氮(TAN)、活性磷(PO43--P)、总磷(TP)和总氮(TN)[13]。
1.3.2 底泥指标测定挥发性硫化物(S2-)采用亚甲基蓝分光光度法测定[14]，每次测定同时随机选择5个样品加入硫化物标准溶液进行加标回收实验[15]，测得加标回收率为85.20%~92.48%；等摩尔的S与SO32-反应生成S2O32-，剩余的SO32-在酸性条件下与甲醛进行加成反应，然后用碘量法滴定S2O32-，间接求出单质硫(S0)[16-17]；采用碳硫分析仪(eltra CS3000，德国)并基于高频燃烧红外吸收法，测定底泥中总硫(TS)含量[18]；干泥样酸化处理后用Vario MAX元素分析仪测定总有机碳(TOC)[19]；Vario MAX元素分析仪测定TN；灰化法测定TP[20]；重量法测定泥样含水率[14]。
1.4 数据处理借助Excel 2010软件整理实验数据，基于R 3.4.3进行方差分析，并采用Duncan′s法进行多重比较(P值小于0.05表示差异显著)。
2 结果与分析 2.1 试验塘水质状况表 2给出了试验池主要水质指标的平均值和变化区间。由表 2可知，4口试验塘pH(7.96~9.72)上限略偏高[21]，T、DO、TAN和NO2--N符合凡纳滨对虾养殖需求[22-23]；但由于养殖中后期(8月)水温和pH均较高，NH3-N含量超过了孙国铭等提出的凡纳滨对虾生长的安全NH3-N浓度(0.201 mg/L)[23]，达0.42~0.86 mg/L。TP与TN的变化区间分别为0.24~2.09 mg/L与0.73~9.35 mg/L，分别超过国家地表水环境质量的Ⅲ类标准(0.2 mg/L)和Ⅱ类标准(0.5 mg/L)[24]。通过比较，可以发现养殖初期(前50天)各养殖池的水体水质指标相对较好，而养殖中后期主要水质指标普遍劣于早期，TN和TP含量明显上升，最高值较初始值分别增加了5~7倍和2~4倍。同时发现水源DO含量显著低于养殖塘DO，检测到的最低值仅1.54 mg/L，TAN、NO2--N、PO43--P、TP明显高于养殖塘，水质显著劣于养殖塘水体，可见河道水用于养殖前应采用如沉淀、曝气、消毒等措施加以预处理。
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表 2 试验塘及水源主要水质指标平均值与变化区间 Tab.2 The average value and variation range of the main water quality indexes of test shrimp ponds and water source |
由表 3和表 4可以看出3个养殖周期相同(145 d)的凡纳滨对虾H1、H2、H4露天土池底泥中S2-含量平均值及占TS的百分比基本接近，约为养殖周期少34 d的H3池的2~3倍，均值比较表明平均值及占TS的百分比相互间不存在显著差异(P＞0.05)，且4个试验塘底泥中S2-含量变化范围为0.31~5.86 mg/kg，远低于甘居利等[5]报道的草虾养殖塘底质中S2-含量，极显著低于周边河道底泥的132.54 mg/kg(P < 0.01)。同时河道底泥中S2-占TS的百分比达到了12.11%，这主要由于周边河道常年遭受工农业生产、生活以及水产养殖污染物排放，造成河床底质中污染物的大量积累。
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表 3 养殖塘及河道底泥中硫化物及其他因子含量平均值与变化范围 Tab.3 The average value and variation range of content of sulfide and other factors in sediments |
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表 4 硫化物(S2-)和单质硫(S0)占总硫(TS)百分比 Tab.4 The percentages of sulfide and elemental sulfur to TS of sediment |
图 1a为不同养殖时间点露天养殖土池及同时期周边河道底泥S2-含量的变化趋势，由此图可知，各养殖塘底泥中S2-含量随养殖时间延长基本同步呈波浪式平缓增加，均是收获对虾时底泥中S2-含量最高，约为监测初期的2~3倍；而周边河道底泥中S2-含量波浪式增加幅度明显高于养殖塘。同时发现6月27日底泥S2-含量明显高于7月10日测定值，此可能与水温、投饵量、雨水冲刷有关。祁铭华等[25]指出水温越高硫酸盐还原菌的活性相应越高，从而促进硫化物生成。ANKLEY等[26]认为暴雨、清淤等外部条件会显著影响沉积物的氧化还原状态，从而改变硫化物浓度。此时适逢梅雨季节，雨水量大，温度变化较为剧烈，多数池塘投饵量仅为正常量的50%~70%，6月26出现过高温(水温由25 ℃上升至30 ℃)，7月初水温又急剧下降至26 ℃左右。
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图 1 底泥中S2-、S0和TS含量随养殖时间的变化
Fig. 1 Content variations of sulfide, elemental sulfur and total sulfur in sediments versus culture time
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比较表 3和表 1数据知H1、H2、H4露天土池(养殖周期145 d)底泥中TS平均值高于H3(养殖周期111 d)，且底泥中TS平均值随饵料系数正向变化，饵料系数最高的H4塘TS平均值330 mg/kg最高，饵料系数最低的H3塘TS平均值286 mg/kg最低；方差分析显示各养殖池底泥中TS间无显著性差异(P＞0.05)，但极显著低于周边河道底泥中TS(1 008 mg/kg，P < 0.01)，约为露天土池的3~4倍。由图 1c可知，TS含量随养殖时间的延长整体上呈波浪式累积变化，且除最后一次数据外，TS变化趋势类同于S2-。监测期间，H1、H2和H4塘的TS值于9月4日达最大值，H3塘的TS值于6月27日达最大值。露天土池底泥中TS含量的最终值约为初始值的10~16倍，河道底泥中TS含量的最终值约是初始值的29倍。
2.2.3 单质硫含量动态变化特征由表 3和图 1b知4口土池及周边河道底泥中单质硫(S0)含量变化表现为先下降上升再下降上升的波浪式变动，变化规律不明显，底泥中S0平均值相互间不存在显著差异(P＞0.05)，尤其是河道底泥中S0含量与养殖池间不存在显著差异(P＞0.05)，与S2-、TS不一致；同时表 4表明露天土池底泥S0占TS的百分比为0.40%~0.62%，河道底泥S0占TS的百分比为0.16%。这与S0的特性有关，S0存在形式不稳定，不仅可与有机物质结合转变为含硫衍生物，而且会被高铁细菌氧化成为硫酸盐。本试验中露天土池底泥中S0最高值基本出现在8月，此与菲律宾蛤仔养殖区及非养殖区底质中S0含量于夏季出现最大值一致[17]。
2.3 露天土池及水源河道底泥中总有机碳、总氮、总磷动态变化特征由图 2a知H3土池底泥中TOC含量最低为(7.38±0.73) mg/g，显著低于其他养殖池池(P < 0.05)，7月10日达最高值后递减；H1与H2土池底泥中TOC含量平均值较接近，分别为(9.53±1.61) mg/g、(9.57±2.05) mg/g，H4土池底泥中TOC平均值略高为(9.81±1.36) mg/g，3口试验塘变化趋势基本一致，相互间无显著差异(P＞0.05)，整体呈波浪式增加，最终值较初始值分别增加29%、37%和49%；四口养殖池底泥中TOC含量均略高于袁有宪等[27]测定的对虾养殖塘表层底质中TOC含量，但极显著低于周边河道底泥中TOC含量[13.14±1.97 mg/g，P < 0.01]。图 2b表明4个养殖池底泥中TN含量除6月8日较低外，其余时间点在1.00~1.25 mg/g区间波浪式增减变化，H1~H4间不存在显著差异(P＞0.05)，分别为(1.15±0.11)、(1.12±0.10)、(1.05±0.21)、(1.20±0.17) mg/g，不仅显著低于河道底泥TN含量[(1.39±0.23) mg/g]，而且也低于广州郊区某养殖池塘表层沉积物中TN含量[28]。由图 2c可以看出，随养殖时间的增加，养殖塘底质和河道底泥中TP含量呈现波浪式增减的波动变化，此可能与天气和浮游植物量的变化有关，平均值间无显著差异(P＞0.05)。
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图 2 底泥中TOC、TN和TP含量随养殖时间的变化
Fig. 2 Content variations of TOC, TN and TP in sediments versus culture time
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表 5为底泥S2-、S0、TS与池塘其他环境指标的相关分析结果。结果显示，底泥中S2-与底泥中TOC、TS和TN间存在极显著正相关(P < 0.01)，底泥中TS则与底泥中TOC、TP和TN间存在极显著正相关(P < 0.01)，说明底泥中有机质和硫氮是底泥中硫化物的关键影响因素；而S2-和TS与水体中DO、pH间存在显著负相关。可见，本试验塘底泥硫化物的产生和含量与有机质的分解以及氮、磷、硫营养盐的转化有密切关系。此与舒廷飞等[36]以及冯奇飞等[7]研究结论一致。在凡纳滨对虾露天土池中，C、N、P、S等营养元素主要源自于残饵、鱼虾生长代谢物及尸体等有机物中，上述有机物的氧化分解会导致大量氧气被消耗，当水温较高时，极易使养殖塘底部形成适合硫酸盐还原菌活动的缺氧或低氧状态，硫酸盐被还原为硫化物，当硫化物积累到一定程度，可引起对虾中毒从而造成养殖对虾的“偷死”现象。DZAPO等[30]研究发现10%~20%的投喂饲料直接进入养殖水体时无法被摄取。杨庆霄等[31]、祁真等[32]考察了对虾养殖过程残饵、排泄物、虾尸体对养殖水体水质的影响，发现残饵对养殖水质的影响最为显著。因此，上述有机质的富集易导致底质硫化物的产生，且水温较高、水溶氧含量低为硫化物生成提供了环境条件。
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表 5 底泥硫化物与其它因子的相关关系 Tab.5 The correlation of sulfide and other indicators |
统计数据表明4口凡纳滨对虾露天土池底泥中硫化物含量约为0.36~5.86 mg/kg，远低于渔业沉积环境中硫化物的安全下限(400 mg/kg)[33]，属于低含量水平。但H1、H2、H4与H3试验塘底泥中硫化物含量均随养殖时间的延长呈波浪式增加趋势，且分别经历145 d和111 d的养殖后，最终值较初始值分别增加14倍、10倍、1倍和5倍。这表明对虾养殖过程虾塘底质遭受污染，结果与有关报道[7, 9, 34-36]相一致。凡纳滨对虾在养殖初期，虾体小、生长慢，投饵量少，水质较好，底泥硫化物含量较低，6月底至7月初后，随着对虾的快速生长，投饵量、残饵、排泄物等也随之快速增加，此时水温较高，水质也较前期欠佳，塘底产生的硫化物量也逐步增多，养殖中后期，因间断轮捕对虾，日投饵量不再增加甚至减少，底泥硫化物含量随养殖日期的延长呈缓慢增加趋势。
底质硫化物是导致养殖塘底质老化的关键因素，也是养殖塘底质环境的重要评价指标[3, 36]。凡纳滨对虾养殖过程中，不仅需要关注养殖水质指标，而且应加强底质管理，尤其注意底泥硫化物引起的对虾“偷死”现象，通过合理投饵、增加溶解氧含量、定时清淤等途径有效减少虾塘底质硫化物和有机质的含量。
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