闽江是福建省最大独流入海(东海)河流,流域面积60 992 km2,约占全省面积的一半,面积广阔,资源丰富,是福建经济发展极为重要的载体;1993年水口水电站建成后,蓄水形成的闽江水口库区控制流域面积达52 438 km2,占闽江全流域面积的86%,水量充沛,库湾众多,是福建省内陆网箱养殖的典型库区,一直以来网箱养殖是促进渔民增收和农村经济发展的重要产业。福建省南平市延平区樟湖镇是水口库区最大的移民镇,樟湖库湾位于樟湖镇东南方向,水域面积近530 hm2,水深在10~20 m;主要的水产养殖方式是网箱养殖,以小型浮式框架型网箱养殖渔排为主,每组渔排由12~18个规格为6 m×10 m的养殖网箱组成;养殖历史已有十多年,养殖品种主要为草鱼、翘嘴红鲌、鳊鱼等,养殖周期大多数为1年。2016年网箱养殖面积达21 hm2,年产量660 t左右,是典型密集网箱养殖库湾[7]。目前已有不少对淡水沉积环境硫化物的研究,但主要集中在河流、湖泊[8⇓⇓⇓-12],对水库生态系统特别是网箱养殖水域中沉积环境硫化物等的研究还鲜有报道,因此本文拟研究网箱养殖区域底质硫化物的含量水平、空间分布特征与变化规律等,以期为水库生态安全和水产养殖业的健康发展提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集与处理
樟湖库湾养殖水域土壤主要为丘陵和水稻田土,土壤质地背景为黏土-黏壤土[7]。综合考虑水域面积、环境、网箱养殖情况等,采用GPS定位布设ZH-1、ZH-2、ZH-3、ZH-4和ZH-5等5个采样点,站位布设见图1。其中ZH-1(118.489°E、26.388°N)、ZH-2(118.494°E、26.392° N)、ZH-4(118.509° E、26.398° N)和ZH-5(118.513° E、26.400° N)位于网箱养殖区,养殖品种以草鱼为主,每个网箱养殖数量约3 000尾,主要投喂人工配合饲料,其总氮(TN)和总磷(TP)含量分别为4.52%和0.34%,日投饵量为鱼体质量的3%~10%。ZH-3(118.501° E、26.389° N)位于未养殖区,作为对照点,该站位近五年无网箱养殖;ZH-1~ZH-5水深分别为11、10、10、20、20 m。用彼得森底泥采样器采集表层沉积物样品,样品采集后在厌氧条件下迅速装入干净的聚乙烯密封袋,驱除袋内空气并密封,运回实验室后于0~4℃的冰箱中保存,并于24 h内开展样品测定及实验。采样时间选择在每月中下旬。
图1
图1
樟湖库湾表层沉积物采样站位
Fig.1
Sampling stations of the surface sediments in Zhanghu reservoir bay
1.2 样品分析测定
由于研究条件的不同,目前尚没有统一的AVS提取方法,研究中常用的两种提取方法为“The purge-and-trap method”[13](氮载气冷法酸溶硫化物分析法)和“The diffusion method”[14](冷扩散法),目前应用较多的是氮载气冷法酸溶硫化物分析法。因此表层沉积物样品实验室分析参考海洋沉积物硫化物测定方法[15],改进氮载气冷法酸溶硫化物分析技术[13]并采用碘量法测定沉积物中硫化物,具体为将反应瓶与吸收瓶串联,以氮气为载气并控制好流量,充分驱除尽氧气,称取3 ~5 g混匀的湿样全部移入反应瓶中,在1 mol·L-1盐酸介质中充分反应并搅拌,生成的H2S随高纯氮气转移至内含0.05 mol·L-1乙酸锌溶液的吸收瓶中固定,之后碘量法测定AVS含量。
2 结果与分析
2.1 AVS的含量水平
樟湖库湾5个站位2016年9月至2017年8月AVS含量范围在0.573 5~2.364 2 μmol·g-1之间(表1),在我国各地淡水沉积物AVS研究中,该结果与新疆博斯腾湖[12](2.2~26.8 μmol·g-1)、武汉东湖[16](5~25 μmol·g-1)等封闭型湖泊相比含量较低,与太湖[11](1.04~2.99 μmol·g-1)、江西乐安江[8](0.01~1.46 μmol·g-1)等开放型湖泊及河流比较接近,表明与湖泊相比,由于水文、地球化学等条件不同,河流(水库)AVS含量有比较大的差异,而且地理位置、沉积类型、物质来源、水动力条件、生物状况以及生产活动等多种因素也会影响AVS的含量。理论上沉积物S2-(AVS的主要成分)的形成通常通过有机物还原S
表1 樟湖库湾表层沉积物AVS含量
Tab.1
| 年-月 Year-month | 站位 Stations | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ZH-1 | ZH-2 | ZH-3 | ZH-4 | ZH-5 | |
| 2016-09 | 1.513 8 | 0.867 2 | 0.710 2 | 1.382 8 | 1.235 5 |
| 2016-10 | 1.321 1 | 0.870 0 | 0.656 2 | 1.251 7 | 1.030 0 |
| 2016-11 | 1.401 5 | 0.832 9 | 0.633 3 | 1.111 7 | 1.121 0 |
| 秋季平均值 Average of autumn | 1.412 1 | 0.856 7 | 0.666 6 | 1.248 7 | 1.128 8 |
| 2016-12 | 1.053 4 | 0.751 2 | 0.601 8 | 1.123 8 | 1.000 5 |
| 2017-01 | 1.180 6 | 0.800 9 | 0.578 3 | 1.083 7 | 0.900 7 |
| 2017-02 | 1.100 5 | 0.821 2 | 0.573 5 | 1.022 9 | 0.901 0 |
| 冬季平均值 Average of winter | 1.111 2 | 0.791 1 | 0.583 0 | 1.076 8 | 0.934 1 |
| 2017-03 | 1.306 3 | 0.821 5 | 0.681 3 | 1.111 1 | 0.888 3 |
| 2017-04 | 1.286 4 | 0.987 6 | 0.734 6 | 1.353 8 | 1.150 6 |
| 2017-05 | 1.582 2 | 1.310 6 | 0.681 4 | 1.547 5 | 1.383 5 |
| 春季平均值 Average of spring | 1.391 6 | 1.039 9 | 0.699 1 | 1.337 5 | 1.140 8 |
| 2017-06 | 1.835 7 | 1.200 6 | 0.708 8 | 1.480 2 | 1.181 6 |
| 2017-07 | 2.364 2 | 1.140 8 | 0.683 0 | 1.746 6 | 1.555 7 |
| 2017-08 | 2.130 6 | 1.246 3 | 0.752 8 | 1.371 1 | 1.456 3 |
| 夏季平均值 Average of summer | 2.110 2 | 1.195 9 | 0.714 9 | 1.532 6 | 1.397 9 |
樟湖库湾5个站位中,对照站位ZH-3在2016年9月和2017年8月的AVS含量分别为0.710 2 和0.752 8 μmol·g-1,樟湖库湾位于闽江流域,有文献[17]指出,该流域近年来工农业发展迅猛,承受环境负荷日益趋重,同为8至9月份调查的闽江流域表层沉积物硫化物含量在0.461 0~1.184 1 μmol·g-1之间,与樟湖库湾邻近的尤溪站位更是达到1.184 1 μmol·g-1,本底值较高,这表明硫化物的积累更多受沿岸人类活动的影响。
2.2 AVS的平面分布特征
樟湖库湾各站位AVS含量平面分布特征表现为ZH-1>ZH-4>ZH-5>ZH-2>ZH-3(表1),对照站位ZH-3硫化物含量介于0.573 5~0.752 8 μmol·g-1之间,明显低于其他站位,且变化幅度较小,AVS含量主要受外来污水等环境影响。站位ZH-1硫化物含量介于1.053 4~2.364 2 μmol·g-1之间,在所有监测频次中基本高于其他站位,该站位深入库湾内部,水体交换慢,网箱养殖密度大,对AVS影响较大,且靠近生活区(图1),生活污水的排入会增加有机质的输入,从而导致AVS的增加。站位ZH-2硫化物含量介于0.751 2~1.310 6 μmol·g-1之间,在所有网箱养殖区内含量最低,原因是该站位邻近主河道,水力扰动作用强,且水深较浅,使其上层沉积物扰动较强,阻碍了还原态硫的形成和积累。ZH-4和ZH-5地理、水文、网箱养殖等情况基本一致,AVS含量出现差异的主要原因为ZH-4站位沉积物颗粒最细,较细的颗粒有机碳组分较高,有利于AVS的积累,有研究表明在颗粒较细、富含有机碳的沉积物中AVS含量会表现得较高[18]。
从调查的网箱养殖情况来看,ZH-1和ZH-2站位为高密度网箱养殖区域,常年养殖渔排数近20组,ZH-4和ZH-5站位为低密度网箱养殖区域,常年养殖渔排数在2~3组,而ZH-2站位硫化物含量能维持在较低水平,表明网箱养殖对沉积物的影响与水体交换能力、水体颗粒物的沉降速度、沉积物的类型以及沉积物水体界面的动力条件等因素有关,水力扰动作用能显著影响硫化物的积累,网箱养殖应尽可能选择水体交换较优良的水域。
2.3 AVS的季节变化
从季节变化来看,AVS含量表现为夏季>春季>秋季>冬季(表1、图2),夏季AVS平均值介于0.714 9~2.110 2 μmol·g-1之间,冬季AVS平均值范围为0.583 0~1.111 2 μmol·g-1,夏季明显高于冬季,这与国内外对淡水沉积物的研究结果一致[1,9⇓⇓-12,16,19],主要原因是夏季水温较高,水体中的溶解氧消耗较快,使水-沉积物界面成为还原型,硫酸盐的还原速率比冬季至少高一个数量级[20],有机物质的降解率也增加,从而使AVS的含量明显高于冬季;除此之外,作为富营养化型水库,沉积物有机质重要来源的有机物质初级生产力高峰一般出现在7—9月,这也是造成AVS含量在夏季较高的重要因素。
图2
图2
樟湖库湾表层沉积物AVS含量的季节变化
Fig.2
Seasonal variation of AVS concentration in surface sediments of Zhanghu reservoir bay
网箱养殖区AVS含量高于非养殖区(表1、图2),夏季相差最大,相差倍数介于1.67至2.95之间;冬季虽然AVS含量总体下降很多,但相差倍数仍介于1.34至1.83之间,表明网箱养殖区与非养殖区AVS含量差异明显,这与文献报道的海水网箱养殖区研究结果一致[21⇓⇓-24](淡水网箱养殖AVS的报道鲜见)。网箱养殖区由于投入的大量高蛋白质人工配合饵料不能完全被鱼类利用,导致部分饵料沉降至沉积物中,再加上鱼类排泄物以及其他水生生物代谢产物等,随着养殖年限的增加,沉积物中有机质含量升高,形成强的还原环境,而硫化物在这种环境中容易产生并累积,从而成为养殖区沉积物中AVS含量高于非养殖区的重要原因。2016年9月与2017年8月相比,ZH-1、ZH-2和ZH-5站位AVS含量均有不同程度的上升,表明硫化物含量随着养殖年限的增加有可能出现积累。统计分析表明,网箱养殖区AVS含量在春、夏、秋季与冬季差异显著(P<0.05),这是因为水库网箱养殖鱼苗投放一般在3月前就已完成(夏花会在6月左右放养),此后一直至11月左右起捕,在这期间投饵量都较大,特别是夏季鱼类生长旺盛饵料需求量大,且新陈代谢快,残饵和鱼类排泄物在底部大量积累,这些均有利于AVS的形成;冬季收获期后,投饵量减少,对沉积物影响下降,同时沉积物中微生物减少,活动减弱,减少氧的消耗,有利于硫化物的氧化,因此硫化物含量在此阶段下降,AVS的季节变化规律与网箱养殖活动具有一定的相关性。对照点AVS含量变化幅度小于网箱养殖区,季节变化差异也不显著,主要由沉积物地球化学性质决定,这也从另一方面说明网箱养殖活动对底质AVS的积累具有一定的影响,因此库湾网箱养殖要注意选择高效合理的投饵方式,提高饵料的利用率。
3 讨论
1)樟湖库湾AVS的空间分布特征:AVS含量范围在0.573 5~2.364 2 μmol·g-1之间,各站位含量高低为ZH-1>ZH-4>ZH-5>ZH-2>ZH-3。ZH-1站位AVS含量主要受人为活动和网箱养殖影响;ZH-2站位AVS在网箱养殖区内含量最低,主要受水动力作用的影响;ZH-3对照站位AVS含量明显低于其他站位,且变化幅度较小。网箱养殖区AVS含量明显高于非养殖区,夏季相差倍数和冬季相差倍数分别介于1.67~2.95和1.34~1.83之间;网箱养殖区内未完全被利用的高蛋白质人工配合饵料、鱼类排泄物以及其他水生生物代谢产物等在沉积物中沉降,随着养殖年限的增加,有机质含量升高,形成强的还原环境,有利于硫化物的产生和累积,这些成为养殖区沉积物中AVS含量高于非养殖区的重要原因。
2)樟湖库湾AVS的时间分布特征:季节变化上表现为夏季>春季>秋季>冬季,夏季明显高于冬季。夏季水温较高,硫酸盐的还原速度快,有机物质的降解率也增加,因而AVS含量明显高于冬季;水库沉积物有机物质初级生产力高峰一般出现在7—9月,这也是造成AVS含量在夏季较高的重要因素。网箱养殖区AVS含量在春、夏、秋季与冬季差异显著,其季节变化规律与网箱养殖活动相关。
3)硫化物的积累更多受沿岸人类活动的影响,但水库网箱养殖要注意降低或减缓养殖活动对硫化物的影响。投饵型网箱要控制规模,同时注意饲料质量,选择科学的投饵方式,根据鱼的体重和品种适当调整投喂量和投喂次数,提高饵料的利用率,有条件的尽可能收集并处理残饵和鱼类排泄物;不投饵型网箱要合理布局;适当放养鲢、鳙鱼等滤食性鱼类,从而保证网箱养殖健康和可持续发展。
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