碳、氮、磷是海洋生物生长发育所必需的营养元素，其含量及形态会对海洋生态系统的稳定产生重要影响(Hecky et al., 1988).沿海滩涂底质是氮、磷的主要蓄积库，其对上覆水环境具有净化功能，在外源性营养物质被控制之后，于一定条件下通过矿化作用及再悬浮作用将氮、磷等内源性营养物质重新释放到水体中，造成水体富营养化.因此，氮、磷的利用率和累积情况常被作为评价滩涂养殖水平、养殖模式及自身污染程度的重要指标(Ackefors et al.，1990；刘峰，2009).TOC是有机质的主要成分，其耗氧分解会伴随着碳、氮、磷等营养盐向水体中的释放(Wallschl ger et al., 1998)，并使底质氧化-还原电位降低，加速底质还原环境形成，促进硫化物的生成与积累，造成底质生态环境恶化，甚至导致养殖生物的大量死亡(Kostka et al., 1999).

贝类是一种滤食性生物，滤水能力较强.大规模的滩涂贝类养殖活动使近海环境中的生物沉降活动增强，并使水体中含碳、氮、磷的有机颗粒向底质中搬运和累积的速度加快，造成底质营养元素浓度增加及成分和质量改变，进而引起底质局部环境恶化，威胁养殖贝类的健康生长.因此，利用各种修复手段改善养殖环境，并研究修复过程中系统内各种营养物质的含量变化，以保持滩涂贝类养殖业的健康发展及减少养殖活动对周围近海环境的影响就显得尤为重要.

目前，国内外关于养殖环境中碳、氮及磷的形态分布(Ackefors et al., 1990；岳维忠等，2005；袁有宪等，1999)、收支状况(Islam，2005；常杰等，2006；王岩等1998)等方面的研究报道较多，但对养殖底质中TN、TP及TOC去除修复(邓锦松等，2006)的研究则相对较少，且未见到针对滩涂贝类养殖区底质综合修复的报道.因此，本研究采用室内模拟实验的方法，运用物理修复方式(翻耕、压沙加翻耕)和投放不同密度双齿围沙蚕(Perinereis aibuhitensis Grub)的生物修复方式对滩涂文蛤(Meretrix meretrix)养殖环境的底质进行TN、TP及TOC的去除及修复，旨在探明不同修复方式下底质TN、TP及TOC含量的变化特征，为进一步研究贝类养殖区底质修复机制及大规模沿海老化滩涂的底质修复奠定一定的理论和实践基础.

室内模拟物理修复实验在江苏省启东市某养殖场内进行，每个实验池长度和宽度分别2 m和1.5 m，池底铺设厚度为60 cm的沉积物.实验所用沉积物取自附近沿海滩涂文蛤养殖区，其钙含量高、铁含量低.分别设置翻耕20 cm、30 cm和压沙加翻耕(先压盖洁净细沙3 cm，再翻耕30 cm)3个修复处理组和1个对照组，每个实验组设置3个平行.每个实验池中文蛤投放密度为50粒 · m^-2，投放文蛤取自滩涂养殖区，个体规格为：平均壳长(34.11±1.41)mm，平均壳宽(28.59±1.26)mm，平均壳高(14.17±1.09)mm，平均体重(9.01±1.35)g.每天模拟文蛤养殖区潮汐状况，同步调整取自文蛤养殖区的天然海水引入、排出时间.室内模拟实验沉积物取样采用网格法，分别于实验的第0、3、5、10、15、20 d采集各个实验组沉积物样品进行TN、TP及TOC含量测定.

室内模拟生物修复实验在白色聚乙烯塑料箱(容积75 cm×55 cm×75 cm)中进行.塑料箱体底部铺设取自滩涂养殖区的沉积物，其厚度为20 cm.双齿围沙蚕个体规格为：平均体长(20.14±1.45)cm，平均体重(5.55±1.02)g.分别设置4个不同的沙蚕密度(0.07、0.14、0.21、0.28 kg · m^-2)实验组和1个对照组，每组设置3个平行样.同时，每个实验容器中放置文蛤的密度、来源及个体规格与室内物理修复组保持一致.每天模拟文蛤养殖区潮汐状况，同步调整取自文蛤养殖区的天然海水引入、排出时间，控制流速为3.6 L · h^-1，同时对塑料箱内进行充氧.分别于实验的第0、7、14、21、28 d采集各个实验组沉积物样品进行TN、TP及TOC含量测定.

底质中TN、TP及TOC含量的测定参照GB17378.5—2007《海洋监测规范》(国家海洋环境检测中心，2007)进行.

实验结果计算及处理采用Excel软件；数据统计分析方法采用SPSS 17. 0软件，使用单因素方差分析法(One-Way ANOVA)进行组间差异显著性检验，p＜0.05表示有显著性差异.

图 1显示，整个实验过程中对照组的TN含量明显高于各处理组，且实验结束时底质TN含量较实验开始时略有增加，增加量为2.86 mg · kg^-1，增长率为2.40%；3个处理组底质TN含量均呈现在实验前期(第0~5 d)快速降低，而后(第5~20 d)缓慢波动上升的变化趋势，翻耕20 cm、30 cm组和压沙加翻耕组底质TN含量在实验前后的降低量分别为6.13、10.43、12.57 mg · kg^-1，TN去除率分别为5.05%、8.53%和10.31%(图 2).方差分析显示，翻耕20 cm、30 cm和压沙加翻耕3个处理组对底质TN的去除效果均较对照组达到了显著水平(p＜0.05).

图 1 物理修复组底质TN含量及去除率变化(*表示处理组与对照组之间存在显著性差异，p<0.05，下同) Fig. 1 The variation and removal percentage of TN in sediments of physical experiment(*means significant difference between the treatment group and the control group， p<0.05，similar hereafter)

图 2显示，对照组底质TP含量在实验过程中波动上升，增加量为6.06 mg · kg^-1，增长率为2.40%；3个处理组底质TP含量在实验前期快速下降后呈现缓慢波动上升趋势，其中，翻耕20 cm组底质TP含量在实验后期上升幅度较大，导致其总体修复效果较差，TP去除量只有3.91 mg · kg^-1，去除率降低至1.53%.翻耕30 cm组和压沙加翻耕组的TP去除效果较好，去除量分别达到15.47 mg · kg^-1和18.79 mg · kg^-1，去除率分别为6.04%和7.29%，修复效果较对照组均达到了显著水平(p＜0.05).

图 2 物理修复组底质TP含量及去除率变化 Fig. 2 Variation and removal percentage of TP in sediments of physical experiment

图 3显示，整个实验过程中对照组的TOC含量持续缓慢上升，增加量为0.02%，增长率为4.34%；3个处理组底质TOC含量均呈现在实验前期(第0~3 d)快速下降，而后缓慢波动上升的变化趋势.翻耕20 cm、30 cm组和压沙加翻耕组底质TOC含量在实验前后的下降量分别为0.02%、0.03%和0.04%，TOC去除率分别为4.04%、8.58%和10.21%(图 3)，且3个处理组对底质TOC的去除效果均较对照组达到了显著水平(p＜0.05).

图 3 物理修复组底质TOC含量和去除率变化 Fig. 3 Variation and removal percentage of TOC in sediments of physical experiment

实验期间，对照组底质TN含量呈现波动上升的趋势，总体增加量为1.62 mg · kg^-1，增长率为1.44%；4个不同密度的沙蚕处理组底质TN含量则表现出先快速降低后缓慢波动的变化规律(图 4).图中显示，沙蚕投放密度对底质TN的去除效果影响显著，0.07、0.14、0.21和0.28 kg · m^-2密度沙蚕组底质TN去除量分别为5.44、9.25、14.25和11.04 mg · kg^-1，去除率分别为4.82%、8.19%、12.62%和9.78%，其中，0.14、0.21和0.28 kg · m^-2 3个沙蚕处理组的修复效果均较对照组达到了显著水平(p＜0.05).

图 4 生物修复组底质TN含量和去除率变化 Fig. 4 Variation and removal percentage of TN in sediments of bioremediation experiment

图 5显示，对照组底质TP含量在整个实验过程中呈现波动上升的趋势，增加量为6.24 mg · kg^-1，增长率为1.90%；4个沙蚕处理组底质TP含量则表现出先快速降低后缓慢波动的变化规律，0.07、0.14、0.21和0.28 kg · m^-2沙蚕组底质TP去除量分别为25.64、39.65、60.42和55.20 mg · kg^-1，去除率分别为7.80%、12.06%、18.37%和16.78%，其中，0.14、0.21和0.28 kg · m^-2 3个沙蚕处理组的去除效果均较对照组达到了显著水平(p＜0.05).

图 5 生物修复组底质TP含量和去除率变化 Fig. 5 Variation and removal percentage of TP in sediments of bioremediation experiment

实验期间对照组及各沙蚕处理组底质TOC含量均出现先快速下降后缓慢波动的变化趋势(图 6).实验结束时，各组底质TOC含量较第0 d都有所下降，其中，对照组下降量为0.02%；处理组中，0.28 kg · m^-2沙蚕组底质TOC含量降幅最小，为0.05%，去除率为11.75%，0.21 kg · m^-2沙蚕组底质TOC含量降幅最大，为0.09%，去除率为19.90%，表明沙蚕对底质TOC的修复程度并不完全与其投放密度成正比.方差分析结果显示，0.14 kg · m^-2和0.21 kg · m^-2两个沙蚕组对底质TOC的去除效果较对照组均达到显著水平(p＜0.05).

图 6 生物修复组底质TOC含量和去除率变化 Fig. 6 Variation and removal percentage of TOC in sediments of bioremediation experiment

底质中氮、磷以有机态和无机态两种形式存在，其中，氮的主要化学形态是以颗粒物形式进入底质的有机结合态，占底质TN含量的70%~90%(王文强等，2004)；而底质中的磷主要以无机态磷为主，有机态磷只占TP含量的很小一部分.TOC是有机质的主要成分，两者含量成正比例关系(鲍士旦，2000).底质有机质总量及其组分是底质物理化学性质中的重要指标，其分解变化会对底质中氮、磷的吸附和释放产生重要影响(姜敬龙等，2008)：一方面，有机质通过矿化分解释放大量的可溶性氮、磷无机盐对底质TN、TP含量产生直接影响；另一方面，有机质中的腐殖质与铁、铝形成的有机无机复合体是水-沉积物界面对磷迁移转化的重要自然胶体，能提供重要的无机磷吸附点位，增强对底质磷的吸附(Gerke et al., 1992).

目前，修复老化养殖滩涂最常用的物理方法是翻耕和压沙(马绍赛等，2005；陈聚法等，2005).本研究中，3个物理处理组底质TN、TP及TOC含量较对照组均取得了明显的去除效果，其中，翻耕20 cm组对底质TN、TOC的去除效果及翻耕30 cm和压沙加翻耕组对底质TN、TP及TOC的去除效果均达到了显著水平(p＜0.05).实验初期，翻耕使底质深处的氮、磷及有机质上升，增大底质与上覆水中溶解氧的接触面积，明显改善底质缺氧环境，促进底质中有机质矿化分解，并释放出大量可溶性碳、氮、磷等物质；加之有机质分解时产生的大量CO₂可加速底质中难溶性钙磷的溶出(尹大强等，1994)，进一步促进了底质中磷的释放.而随着释放到间隙水中的含碳、氮和磷的可溶性无机盐逐渐向上覆水中扩散并最终被水流带出实验池，实验底质中TN、TP及TOC含量也呈现明显下降趋势.但随着实验进行，翻耕的松散底质被逐渐压实，含氧量下降，有机质有氧分解受到抑制，导致底质有机质累积加速，TOC含量上升(图 5)及氮、磷滞留.同时，相对缺氧的环境却有利于TN、TP通过其他途径的释放(Kim et al., 2004；姜敬龙等，2008；张智等，2007)：首先，缺氧可加速反硝化作用的进行，使底质中的氮以氨氮形式释放；其次，厌氧环境会促进底质中的固态Fe(OH)₃向溶解态Fe²⁺转化，使得原来被Fe(OH)₃吸附及包裹的稳定性磷从底质中释放出来(蒋增杰等，2007)，从而导致底质TN、TP含量在实验中后期的上升幅度小于TOC(图 1、图 2).

此外，实验结果(图 1~3)还显示，翻耕30 cm组对底质TN、TP及TOC的去除效果优于翻耕20 cm组，说明翻耕深度的适度增加有利于底质更深处污染物的释放及缺氧环境的进一步改善，进而促进底质中大量的有机质分解及CO₂的产生，使其释放更多的氮磷物质，造成翻耕30 cm组底质TN、TP及TOC的去除修复效果更佳.同时，与单独翻耕处理相比，压沙加翻耕处理还综合了压沙处理的优点，压盖的洁净细沙对原有底质中TN、TP及TOC的浓度起到一定的稀释作用，使其总体修复效果优于2个单独翻耕组.可见，压沙加翻耕处理优势明显、可操作性强，可在今后的老化滩涂修复实践中广泛应用.

底质TN、TP及TOC的变化特征与底质有机质含量密切相关，本文生物修复实验组中底质有机质主要来源于文蛤和沙蚕的排泄物.文蛤的生物沉降作用会将水体中大量的有机质带入底质，促进底质中TN、TP及TOC的滞留.双齿围沙蚕是典型的沉积食性底栖动物(王玲等，2004)，常被应用于养殖底质污染修复研究中并取得了一定的效果(邓锦松等，2006；徐永健等，2011).结合图 5~6可以看出，本实验中双齿围沙蚕对滩涂贝类养殖区底质的修复效果明显，且0.28 kg · m^-2沙蚕组对底质TN、TP及0.14 kg · m^-2 、0.21 kg · m^-2沙蚕组对底质TN、TP、TOC的去除效果均较对照组达到了显著水平(p＜0.05).这是因为沙蚕能通过大量摄食贝类养殖环境中的生物残体和排泄物来缓解底质中有机物的累积(张青田等，2008)；同时，沙蚕会积极从水中抽取呼吸所需的溶解氧至沉积物中，使底质含氧量增加，并通过掘穴活动增大水中溶解氧与底质的接触面积，促进底质有机质的矿化分解(Hansen et al., 1997)；另外，沙蚕的觅食、掘穴活动引起的生物扰动使坚固底质层中的沉积物被上下搬运和混合，加速微、小型生物对有机质的分解、代谢和矿化(张弛等，2010)，并促使颗粒态和溶解态的营养物质进入水体再悬浮(Nichols，1974；夏勇锋等，2012)，从而达到去除底质TN、TP及TOC的目的.

实验初期，沙蚕进入到新的环境中，应急扰动剧烈，水-沉积物界面物质和氧气交换频繁，有机质分解及营养物质再悬浮加剧，导致底质TN、TP及TOC含量快速下降;之后沙蚕逐渐适应环境，扰动减弱，底质TN、TP及TOC释放速度减慢，含量出现平缓波动变化趋势.此外，沙蚕对底质的修复效果与其投放密度密切相关，实验中设置的4个沙蚕密度组的修复效果存在差异，且不完全随其投放密度的增加而增强.0.21 kg · m^-2沙蚕组对TP、TN及TOC的去除效果优于更高密度的0.28 kg · m^-2沙蚕组，这是因为实验中投放的是成体双齿围沙蚕，呼吸代谢作用较强，过高的投放密度造成底质出现局部性和暂时性缺氧(邓锦松等，2007)，有机质分解速度减缓；同时，高密度沙蚕产生的大量排泄物会进一步增加底质中有机质含量，导致TOC含量上升；加之有机质累积会导致大量的氮、磷滞留在底质中，且其滞留量远大于因缺氧而造成的氮、磷的释放量，导致0.28 kg · m^-2沙蚕组的总体修复效果减弱.

本实验中，0.21 kg · m^-2沙蚕组对底质TN、TP及TOC的去除效果均优于0.28 kg · m^-2沙蚕组，但与TOC不同的是，0.28 kg · m^-2沙蚕组对TN、TP的修复效果高于0.07 kg · m^-2和0.14 kg · m^-2沙蚕组，且与0.21 kg · m^-2沙蚕组修复效果差异不显著(图 4、图 5).这是因为高密度沙蚕组相对缺氧的环境阻止了TOC的分解，但却更有利于底质氮、磷通过其他途径释放(林建伟等，2005)，加之高密度沙蚕组生物扰动作用强，加速了底质与上覆水之间的物质交换，使得底质中因有机质累积而滞留的氮、磷在一定程度上得到释放，导致0.28 kg · m^-2沙蚕组对TN、TP的去除效果好于TOC.

比较物理和生物两种方式的总体修复效果可以看出，投放适宜密度的双齿围沙蚕对滩涂贝类养殖底质TN、TP及TOC的去除效果要优于以翻耕和压沙为主的物理修复方式.这是因为沙蚕的吸氧、扰动及摄食残体等活动贯穿在整个实验始末，其对底质的修复作用是持续、不间断的，而翻耕和压沙的作用效果主要集中在实验初期，其对底质的修复作用是逐渐减弱、甚至会最终消失的.但在大规模沿海老化滩涂底质修复实践中，由于沙蚕的活动性会导致其逃出修复区域，降低投放密度的可控性，使得沙蚕修复的应用范围主要集中在池塘养殖方面，而物理修复方式则不存在上述问题，且其可操作性强，在实际应用中优势明显，可大力推广.

1)物理修复实验组中，翻耕20 cm组对底质TN、TOC的修复效果及翻耕30 cm和翻耕加压沙组对底质TN、TP及TOC的修复效果较对照组均达到了显著水平(p＜0.05)，且不同修复组对3种指标的去除率大小顺序一致，均表现为翻耕加压沙组最佳，翻耕30 cm组次之，翻耕20 cm组最差.可见翻耕加压沙综合了压沙和翻耕的优点，是一种可操作性较强的物理修复方式，可广泛应用于沿海老化滩涂的修复实践中.

2)生物修复实验组中，投放双齿围沙蚕对底质修复效果明显，0.28 kg · m^-2密度组对TN、TP的去除效果及0.14 kg · m^-2、0.21 kg · m^-2密度组对TN、TP及TOC的去除效果较对照组均达到了显著水平(p＜0.05)，其中，0.21 kg · m^-2密度组对TN、TP及TOC的修复效果均最佳，而较高密度的0.28 kg · m^-2组的修复效果反而降低，说明修复效果受沙蚕投放密度影响显著，且不完全随投放密度的增加而增强.

3)本研究中生物修复效果总体优于物理修复，但由于沙蚕的逃逸性会导致修复区域投放密度的不可控性，使得沙蚕修复方式在大规模滩涂养殖底质修复实践中的可应用性低于物理修复方式.

致谢： 对江苏省启东市金海岸水产研究所朱善央老师及东海水产研究所全为民副研究员的大力支持表示感谢！