2020, Vol. 27
2. 上海海洋大学水产科学国家级实验教学示范中心, 上海 201306;
3. 甘肃省白银市景泰县渔业技术推广中心, 甘肃 白银 730400
2. National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
3. Fisheries Technology Extension Center of Jingtai, Baiyin 730400, China
中国盐碱水资源丰富, 广泛分布在中国东北、华北、西北内陆及东部沿海19个省、市和自治区, 且呈逐年上升趋势[1]。中国是拥有丰富低洼盐碱水资源的国家, 约有0.46亿hm2的低洼盐碱水域资源, 但大部分长期处于荒弃状态, 自1991年起开始了盐碱水土渔业利用的尝试[2], 2006年以来, 在河北沧州以凡纳滨对虾(Penaeus vanname)、梭鱼(Mugil basilewsky)和莫桑比克罗非鱼(Oreochromis mossambicu)为主进行了盐碱水规模化养殖, 开创了非海洋性盐碱水资源利用的新途径, 推动了山东、江苏、天津等10余个省市的盐碱水养殖进程[3]。多年实践证明盐碱水资源已成为新的养殖空间, 日益受到政府及学术界的关注, 周凯等[4]、么宗利等[5]就钙、镁、pH、碳酸盐碱度等对水生生物生存生长生理的影响进行了研究。然而西北内陆地区次生盐碱水存在NO2–-N偏高现象, 成为水产养殖的主要制约因子, 探索其高NO2–-N成因, 将为中国次生盐碱水的渔业开发利用提供重要理论依据。
目前, 有关水体中氮的迁移、转化研究主要集中在地表水、地下水、农田、湿地等, 鲜少涉及次生盐碱水[6-8]。次生盐碱水大多产生于地势低洼或排水不畅的灌区, 灌区由于化学氮肥的过量施用以及氮利用率不高, 导致灌区浅层地下水氮浓度偏高, 如宁夏引黄灌区[8]灌排水总氮(TN)达8.22 mg/L, NO3–-N 5.75 mg/L; 陕西灌区[9]地下水TN为8.95 mg/L, NO3–-N 8.06 mg/L。环境因子对氮转化存在影响, 土壤中盐碱会显著影响氮转化[10-11], pH、氧化还原电位(ORP)对硝化反应具有显著影响[12], 溶氧(DO)是氨化及亚硝酸盐氧化过程的制约因子[13], 温度[14]、光照[15]等也对氨化及亚硝酸盐氧化过程存在影响。
景泰县草窝滩镇位于中国西北干旱荒漠区的大型梯级扬水灌区景电灌区内, 由于地势低洼、降雨量小蒸发量大、以及只灌不排的农业利用方式使得研究区聚集了大量次生盐碱水, 导致次生盐碱化现象严重, 严重制约了农业生产的可持续发展[16]。次生盐碱水是因人类活动不科学利用而产生的, 在新疆[17]、甘肃[18]、宁夏[19]等西北地区尤为普遍。因此, 本文主要监测次生盐碱水体中无机三态氮以及pH、盐度、ORP等理化因子, 分析次生盐碱水体的氮转化及其主要影响因子, 以期探究次生盐碱水体中高浓度NO2–-N的产生原因, 为次生盐碱水渔业利用和产业发展提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况草窝滩镇渔农综合示范区位于104°7′40″E, 37°19′6″N, 占地面积约40 hm2, 地处甘肃省白银市景泰县城以北8.4 km, 景电一期灌区中心地带。其年均降雨量180 mm, 年均蒸发量2361 mm, 年均气温10 ℃, 全年无霜期159 d, 具有蒸发量大、冬冷夏热、昼夜温差大等温带干旱大陆性气候的特点[20]。
1.2 样品采集选取越冬前、越冬后养殖前期、养殖中期及养殖后期, 分别于2018年10月26日、2019年4月17日、2019年6月29日、2019年8月20日进行定点采样, 采样点示意如图 1所示, 并等距离设置重复样点3个。采样时间为上午9点至12点, 3种次生盐碱水体为同源不同类型: (1)刚从土壤中渗出的次生盐碱水, 采自示范区排碱沟渠, 为刚从次生盐碱土壤中渗出的流动次生盐碱水, 简称流动水(flowing saline water, FSW); (2)静置一段时间的次生盐碱水, 采自示范区蓄水池, 从排水沟渠引入蓄水池静置作为养殖用水储备的次生盐碱水, 简称静置水(still saline water, SSW); (3)用于水产养殖生产的次生盐碱水, 采自示范区养殖池塘, 从蓄水池引入养殖池塘开展大宗淡水鱼养殖的次生盐碱水, 简称养殖水(aquaculture saline water, ASW); 蓄水池和养殖池塘根据水位下降情况, 均会适量补水, 采样若遇补水则延迟3天以上。养殖池塘面积6.86 hm2, 水深为1.5~ 1.8 m, 养殖以鲤鱼(Cyprinus carpio)、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)为主, 亩产400 kg左右。水样的采集、运输方法参照《水和废水分析监测方法》(第四版)[21]。
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图 1 次生盐碱水研究区域及采样点示意 Fig.1 Location of the study area and sampling sites |
实验室测定NO2–-N参考GB 7493-87采用N- (1-萘基)-乙二胺分光光度法测定; NH4+-N参考GB 7479-87采用纳氏试剂分光光度法; NO3–-N参考HJ/T 346-2007采用紫外分光光度法; TN参考GB 11894-89采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定; 碳酸盐碱度(carbonate alkalinity, CA)采用酸标准溶液滴定法测定[22]; 原位测定光照(illuminance)、水温(temperature, T)、盐度(salinity)、pH、ORP、DO, 光照采用光度计(TES 1339 Light Meter Pro, 中国)测定, 剩余指标采用多功能水质参数仪(YSI Professional Plus, 美国)测定。
1.4 统计方法SPSS 18.0统计软件进行数据统计分析, 用配对样本t检验对3种水体组间进行显著性差异分析; 用单因素方差分析(one-way ANOVA)对3种水体进行组内显著性差异分析, 若差异显著(P < 0.05), 再用Duncan’s多重检验比较各时间点的差异; 用Pearson相关分析对多个指标进行相关性分析。差异显著性水平为P < 0.05, 差异极显著性水平为P < 0.01, 均值数据结果以平均值±标准差(x±SD)表示。
2 结果与分析 2.1 3种水体NO2–-N、NH4+-N、NO3–-N及TN的浓度表 1中3种水体TN无显著差异(P > 0.05), 但三态氮均存在显著差异(P < 0.05)。其中NO2–-N静置水、养殖水极显著高于流动水(P < 0.01), NH4+-N静置水、养殖水显著高于流动水(P < 0.05), NO3–-N养殖水极显著低于流动水、静置水(P < 0.01)。
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表 1 次生盐碱水地区中3种水体氮的配对t检验 Tab.1 Paired sample test on nitrogen among three patterns of water |
图 2表明无机三态氮及TN受季节影响有波动, NO2–-N (0.3±0.2) mg/L, NH4+-N (1.93± 1.25) mg/L, NO3–-N (2.92±1.5) mg/L, TN (13.91±5.85) mg/L。NO2–-N、NH4+-N和NO3–-N总和均远低于TN, 除4月静置水外, 其他监测时间三态氮仅占TN 15%~50%, 表明次生盐碱水中除无机氮外存在一定比例有机氮。除流动水NH4+-N无显著差异(P > 0.05)外, 3种水体NO2–-N、NH4+-N、NO3–-N及TN均随时间变化存在显著差异(P < 0.05)。
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图 2 次生盐碱水地区3种水体中NO2–-N、NH4+-N、NO3–-N及TN浓度 大写字母表示同一类型水体在不同时间存在显著性差异(P < 0.05). Fig.2 Concentration of NO2–-N, NH4+-N, NO3–-N and TN among three patterns of water Different capital letters indicate significant differences in the same pattern of water at different times (P < 0.05). |
3种水体NO2–-N均随时间存在显著性差异(P < 0.05) (图 2a), 流动水和静置水的NO2–-N变化趋势相似, 4月最高, 分别为0.30 mg/L、0.57 mg/L; 10月最低, 分别为0.02 mg/L、0.11 mg/L。养殖水8月最高, 为0.65 mg/L; 6月最低, 为0.35 mg/L。流动水NH4+-N无显著性差异(P > 0.05) (图 2b), 其变化范围为0.74~1.54 mg/L, 静置水及养殖水均随时间存在显著性差异(P < 0.05), 静置水NH4+-N变化范围为0.91~4.52 mg/L, 养殖水变化范围为1.12~ 4.21 mg/L。流动水NO3–-N 6月最高, 为4.79 mg/L (图 2c); 静置水与养殖水NO3–-N变化趋势相似, 均4月最高, 分别为5.42 mg/L、2.54 mg/L, 但养殖水数值仅为静置水的1/2。流动水TN 6月最高为21.17 mg/L (图 2d), 静置水与养殖水TN变化趋势相似, 均8月最高, 分别为20.03 mg/L、24.51 mg/L。
2.2 3种水体盐碱指标的变化情况表 2流动水pH、盐度均极显著低于静置水、养殖水(P < 0.01), 养殖水碳酸盐碱度极显著低于静置水(P < 0.01)。
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表 2 次生盐碱水地区3种水体盐碱指标的配对t检验 Tab.2 Paired sample test on salinity and carbonate alkalinity among three patterns of water |
图 3a表明3种水体pH变化趋势不一, 静置水8月最高, 为8.55;流动水、养殖水均为10月最高, 分别为8.26、9.00。3种水体盐度均在6月达到最低值(图 3b), 分别为流动水4.40、静置水4.33及养殖水4.64, 这与6月当地农业灌溉渗出水增加有关。在养殖周期内养殖水碳酸盐碱度下降0.95 mmol/L, 非养殖水(静置水及流动水)碳酸盐碱度下降范围为0.24~0.40 mmol/L。
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图 3 次生盐碱水地区3种水体盐碱指标的变化情况 大写字母表示同一类型水体在不同时间存在显著性差异(P < 0.05). Fig.3 Changes of salinity and alkalinity among three patterns of water Different capital letters indicate significant differences in the same pattern of water at different times (P < 0.05). |
表 3流动水温度、DO与静置水、养殖水均存在极显著差异(P < 0.01), 三者光照及ORP均无显著差异(P > 0.05)。
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表 3 次生盐碱水地区3种水体环境因子的配对t检验 Tab.3 Paired sample test on environmental factors among three patterns of water |
图 4中3种水体水温、光照、ORP、DO均随时间变化存在显著差异(P < 0.05)。图 4a表明3种水体水温变化相似, 均在6月达到峰值, 同一时间下流动水水温极显著低于静置水及养殖水(P < 0.01);相同时间下3种水体光照无显著差异(P > 0.05) (图 4b); 3种水体ORP变化范围均为67.9 ~ 158.8 mV (图 4c), 且同一时间下不同水体间ORP变化均无显著差异(P > 0.05);三者DO均随时间变化存在显著差异(P < 0.05) (图 4d), 4月流动水及静置水最高, 分别为12.31 mg/L、11.15 mg/L, 10月养殖水最高, 为11.00 mg/L。
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图 4 次生盐碱水地区3种水体环境因子的变化情况 大写字母表示同一类型水体在不同时间存在显著性差异(P < 0.05). Fig.4 Changes of environmental factors among three patterns of water Different capital letters indicate significant differences in the same pattern of water at different times (P < 0.05). |
表 4 NO2–-N与NH4+-N极显著相关(P < 0.01); NO2–-N与碳酸盐碱度、水温及pH显著性相关(P < 0.05); NH4+-N与光照极显著相关(P < 0.01), 与水温、ORP显著性相关(P < 0.05); NO3–-N与ORP、盐度、pH及光照极显著相关(P < 0.01); TN与水温、DO极显著相关(P < 0.01)。
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表 4 次生盐碱水地区3种水体理化因子的Pearson相关分析 Tab.4 Pearson correlation analysis of water physicochemical parameters |
研究区TN年均值(13.91±5.85) mg/L, 约是V类地表水环境质量标准的7倍, NO2–-N为(0.3± 0.2) mg/L, NH4+-N为(1.93±1.25) mg/L, 均超过中国农业灌溉用水水质标准。灌区耕地生产施用过量氮肥、人为漫灌加上低洼封闭的独特地势、以及降雨少蒸发量大的气候条件, 造成了次生盐碱土壤中的氮浓度较高; 浅层地下水中的无机氮增加是土壤与地表水中氮源的增加作用的结果[23], 研究区为退耕次生盐碱地, 土壤中高浓度氮肥是次生盐碱水中无机氮的主要来源, 根据全国地下水质分布及变化特征调查, 西北地区三态氮超标均严重[24], 因此, TN、无机氮源本底值高是西北地区次生盐碱水体普遍具有的特点。
本研究监测发现水中无机氮仅占TN的15%~ 50%, 说明次生盐碱水体中有机氮比例更高。有机氮的矿化作用可形成大量NH4+-N [13], 推进N向NO2–-N和NO3–-N的转化, 导致次生盐碱水体中NH4+-N、NO2–-N和NO3–-N浓度均处于高水平, 有机氮的矿化作用也是次生盐碱水无机三态氮长期处于较高浓度的主要因素之一。长期高NO2–-N (> 0.1 mg/L)可抑制养殖动物载氧能力, 严重影响其生长发育[25], 因此高浓度NO2–-N成为次生盐碱水渔业利用的瓶颈问题。
3.2 无机氮与环境因子的关系通过相关性分析, pH、盐度、温度、光照、ORP、DO与TN和无机三态氮均存在不同程度的相关性。
3.2.1 pH与NO2–-N存在显著正相关pH影响途径与氨氧化及亚硝酸盐氧化有关。苗永君[26]研究发现在pH 8~9时, 可以提高氨氧化古菌(AOA)及氨氧化细菌(AOB)活性, 促进氨氧化反应, 使NH4+-N向NO2–-N转化, 导致次生盐碱水体的NO2–-N浓度升高; 刘玉廷等[14]发现在pH 7~11范围内, 随着pH升高抑制了亚硝酸盐氧化过程的发生, NO2–-N向NO3–-N的转化受到抑制, 使NO2–-N浓度一直处于较高水平。吴海燕等[27]也发现在碱性环境下水体的NO2–-N浓度是酸性环境的两倍。因此, pH作用下氨氧化反应的促进和亚硝酸盐氧化反应的被抑制, 是导致次生盐碱水体长期高NO2–-N的主要因素。
3.2.2 盐度与NO3–-N存在显著负相关高盐环境引起NO2–-N的积累。崔有为等[28]发现当盐度超过8 g/L时、好氧池NO2–-N积累率超过80%; Bassin等[29]也发现好氧反应器中盐度到达22 g/L可观察到NO2–-N的高度累积。因此, 次生盐碱水中NO3–-N浓度随着盐度的升高而降低, 有利于NO2–- N积累。
3.2.3 温度与NH4+-N、NO2–-N均存在显著正相关温度的升高促进了有机氮的矿化作用及氨氧化过程, 促进了水体NO2–-N的生成。研究区位于西北干旱地区, 干旱少雨且日照时数长, 导致水温升高、水体蒸发量大[20]。虎瑞等[30]研究发现夏季有机氮的矿化速率显著高于其他月份, 使NH4+- N处于较高水平; Nakamura等[31]发现有光条件下可促进AOB的活性, 显著提高NH4+-N的转化速率; 光照强度的增加促进了水中藻类的光合作用, 有利于菌藻共生系统对NH4+-N的去除, 促进NO2–-N的形成[15]。研究区光照强度增加引起水温升高水体蒸发, 可能促进有机氮矿化导致NH4+-N浓度上升。研究区的ORP范围在60~200 mV之间与NH4+- N呈显著负相关, ORP值越小越有利于NH4+-N的不断积累, 从而影响NO2–-N浓度。氨氧化及亚硝酸盐氧化在DO充足时可有效促进硝化作用去除NO2–-N[32], 但曾对研究区水样进行人工增氧, NO2–-N浓度并未降低, 本研究DO值与TN呈极显著负相关(P < 0.01), DO可能与微生物参与有机氮矿化作用相关。
综上所述, 次生盐碱水体中pH、盐度均对NO2–-N的积累产生显著影响, 温度、光照、ORP和DO等对NO2–-N的积累具有一定协同作用。
3.3 次生盐碱水的渔业养殖利用与刚产生的次生盐碱水和静置一段时间的次生盐碱水相比, 本研究发现经过水产养殖的次生盐碱水NO3–-N浓度显著降低。NO3–-N为浮游植物的繁殖提供了充足的氮源, 被同化成有机氮化物[33], 且浮游植物的增加为养殖动物提供了更多的食物来源[34], 植物有机氮又转变成养殖动物体内的蛋白质, 通过能量流动循环, 使水体中无机氮得到了有效利用; 此外养殖盐碱水中碳酸盐碱度由原来的3.52 mmol/L下降至0.75 mmol/L, 远低于未被渔业利用的次生盐碱水, 水产养殖可以促进水体微生物的多样性, 微生物的代谢产物可有效降低水体的碳酸盐碱度[35]。因此水产养殖通过促进次生盐碱水碳、氮的生地化循环进程, 对次生盐碱水土的生态具有一定的改良作用。
4 结论(1) 次生盐碱水高NO2–-N与无机氮源本底值高、有机氮矿化作用有关, pH、盐度是造成NO2–-N高的主要环境因子, 摸清次生盐碱水的菌群组成, 尤其是N转化相关的功能菌群对无机氮转化的影响, 将为次生盐碱高NO2–-N水质的改良调控提供理论依据。(2)次生盐碱水的水产养殖可降低水中NO3–-N浓度和碳酸盐碱度, 具有一定的生态改良功能, 如何选择适宜的渔业利用模式, 促进次生盐碱水碳、氮的生地化循环, 提升其生态改良功能, 是今后盐碱水渔业开发利用的技术关键。
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