（环境科学专业论文）基塘系统底泥氮、磷释放规律研究.pdf

摘要 放量，而且磷释放量在碱性条件下大于酸性条件。( 4 ) 加强上覆水体的扰动剧烈 程度有利于氮、磷的释放。 基塘养殖者可以把本文的研究结果作为控制基塘水体富营养化的参考资料， 从而提高基塘系统的生态效益及经济效益。 关键词：基塘，底泥，氮，磷 i i a b s l 毗c t s t u d yo nr e l e a s eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o m s e d i m e n t si nt h e d i k e p o n de c o s y s t e m m a j o r ：e n v i r o n m e n ts c i e n c e n a m e ：k u a n gj i a n y i s u p e r v i s o r ：j i nh u i a b s t r a c t t h ed i k e p o n de c o s y s t e mi sak i n do fa r t i f i c i a le c o s y s t e mw h i c hi sr e l a t i v e l yc l o s e i n p r o p e rc o n d i t i o n ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc a nb er e l e a s e df r o ms e d i m e n t st op r o v i d e n e c e s s a r yn u t r i t i o nf o ra q u i c o l o u sb i o l o g i e s i nt h em e a n w h i l e ，t h e ya r et h em a i n r e s t r i c t i v ee l e m e n t sf o rt h eg r o w t ho ft h ea l g a e i ft h e ya r et o om u c h ，t h et r o p h i cs t a t e w o u l db ew o r s e n ，t h eb a l a n c eo fe c o l o g yw o u l db ed e s t r o y e d ，a n dt h e r ew o u l db e s o m ee c o n o m i c a ll o s s s o ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ef a c t o r sa f f e c t i n gna n dpt ob e r e l e a s e df r o mt h es e d i m e n t st ot h ew a t e ra b o v e a n ds o m er e l e v a n tc o u n t e r m e a s u r e m u s tb ef o a n do u tt oc o n t r o lt h et r o p h i cs t a t eo ft h ew a t e r p e r a m b u l a t i n g i ns h u n d e ，g u a n g d o n g ，t h ea u t h o rs a m p l e ds o m es e d i m e n tf r o mt w o d i f f e r e n tp o u n d s h ea n a l y z e dt h ep r o p e r t i e so ft h es e d i m e n tt oc o n f i r mt h e c o n f o r m a t i o n ，c o n c e n t r a t i o na n dd i s t r i b u t i n go fna n dpi ni t t h e ni nt h el a b ，h e s i m u l a t e dt h ed i k e p o n de c o s y s t e mt oa n a l y z et h ec o n f o r m a t i o na n dc o n c e n t r a t i o no f pa n dni nd i f f e r e n td oc o n d i t i o n ，d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，d i f f e r e n tp h c o n d i t i o na n dd i f f e r e n th y d r o d y n a m i c sc o n d i t i o n a n dh et r i e dt of i n do u tt h el a wo f t h er e l e a s eo fn a n d 只t h o u e ) ts t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h en u t r i t i o n s 1 1 1 a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o na n dd o ，t e m p e r a t u r e ，p ha n dh y d r o d y n a m i c sc o n d i t i o n h e r ea r eh i s f i n d i n g s ：1 ) t h er e l e a s eo fn a n dpi sd i s t i n c t l ya f f e c t e db yd o w h e nt h ew a t e ri s r i c ho f0 2 ，t h er e l e a s ei n t e n s i t i e so ft n ，n 0 3 - - na n dn h 4 + ni n c r e a s e b u tt h er e l e a s e i n t e n s i t yo fpd e c r e a s e sw h e nt h ew a t e ri sl a c ko f0 2 2 ) t h er e l e a s ei n t e n s i t i e so ft n ， n 0 3 。n ，n h , + - na n dpw i l ti n c r e a s ea st h et e m p e r a t u r eo ft h ew a t e ri n c r e a s e s 3 ) w h e nt h ep ho ft h ew a t e ri si nt h er a n g eo f2 - 1 3 ，t h er e l e a s ei n t e n s i t i e so ft na n d n h 4 + 一nw i l ld e c r e a s ea sl h ep ho ft h ew a t e ri n c r e a s e s ，b u tt h er e l e a s ei n t e n s i t yo f n 0 3 - nw i l li n c r e a s es l o w l y i ft h ew a t e ra b o v ei sa c i d i co ra l k a l e s c e n t ，t h er e l e a s e i n t e n s i t yo fpi sh i g h e rt h a nt h a ti nn e u t r a lw a t e la n d t h er e l e a s ei n t e n s i t yi sh i g h e ri n a l k a l e s c e n tw a t e rt h a ni na c i d i cw a t e r 4 ) i n t e n s i f y i n gt h em o v e m e n to ft h ew a t e r a b o v ew o u 】db ei nf a v o ro ft h er e 】e a s eo fna n dp t oi n c r e a s et h ee c o l o g i c a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t so ft h ed i k e - p o n d se c o s y s t e m ，t h e c u l t u r i s t so ft h ed i k e p o n d sc a nr e f e rt ot h ef r u i to ft h i sp a p e rt of i n do u ts o m ew a y st o c o n t r o lt h et r o p h i cs t a t eo fd i k e p o n d s k e y w o r d s ：d i k e p o n d s 、s e d i m e n t 、n i t r o g e n 、p h o s p h o r u s i v 第1 章绪论 1 1 基塘系统概述 第1 章绪论 珠江三角洲的基塘系统是明清时期发展起来的一种生态农业雏形，是利用地 势低洼的地貌类型区创造出的独特的人工生态系统，也是淡水养殖的- - t i 方式。 例如：桑基鱼塘是“基种桑，塘养鱼，桑叶饲蚕，蚕屎饲鱼，塘泥培桑”，即蚕 沙( 蚕粪) 喂鱼，塘泥肥桑，栽桑、养蚕、养鱼三者有机结合，形成桑、蚕、鱼、 泥互相依存、互相促进的良性循环，避免了洼地水涝之弊，收到了“十倍禾稼” 的经济效益：而前一环节的废物成为后一环节的营养物( 如蚕粪饲鱼) ，减少了 对环境的污染，营造了十分理想的生态环境。 1 1 1 基塘系统的构成 基塘系统由基面子系统和鱼塘子系统构成，两者密切联系，又自成体系。基 上种桑、蔗、果、花、象革等，塘里养殖四大家鱼，桑叶喂蚕，蚕沙养鱼，或是 以象草作为饲料养鱼，形成一个相对封闭的生态系统。它的特点：第一，这种水 陆立体种养殖体系由陆地生态系统和淡水生态系统组成，因此既具有陆地种植特 点，也具有淡水养殖的特点；第二，系统层次多、结构多、食物链复杂，生态系 统稳定性高。系统种养层次多达6 7 层，因此系统生产力较高，单位面积收获 量多。基塘系统在运行过程中，基面种植的作物消耗了地力，获得塘泥补充，因 而能恢复地力；塘鱼消耗了塘里的饲料，基而作物和土壤冲刷后注入塘里的有机 质和营养元素，又补充了失去的营养。因而基面作物与塘里鱼类发展相互促进。 1 1 2 基塘系统的物质循环 随着市场经济的发展，基塘类型由单一的桑基鱼塘向形式多样的蔗基、蕉基、 果基、草基、花基、菜基等类型发展。基塘类型的不同，基塘生态系统的物质循 环情况也不尽相同，但鱼塘在其中起重要作用。鱼塘的生物体包括浮游植物，如 甲藻硅藻、黄藻、小球藻、绿藻等；浮游动物如水蚤、轮虫等及四大家鱼，滤食 性、营上层活动的鱼类，如鲢、鳙；草食性、营中下层活动的鱼类，如草鱼；杂 第1 章绪论 食性或温和肉食性、营底层活动的鱼类，如鲤鱼等。鲩鱼食蚕沙、青饲料、排泄 物为主，鳙、鲢食浮游生物，鲮、鲤塘食底的饲料、蚕沙、浮游生物尸骸等有机 物。 基塘生态系统的物质循环具有两重性，优点是陆生子系统与水生生物子系统 对水分、养分可以相互相利用，形成封闭式的重复利用，淋失率比较低，产品率 较高；另一方面，生物有机体以产品方式向基塘区外输送，有机物牙养分归还量 极低，封闭系统中外来物质很少进入基塘生态系统，造成天然物质输入量极低。 在基塘系统中，从经济收入和物质循环看，水产养殖鱼塘都起着重要作用。 一般鱼塘水深2 m 3 m ，面积约1 3 3 3 3 m 2 6 6 6 6 7 m 2 ，基塘系统中的鱼塘还有两个 特点，一是具有水陆双重意义，既养鱼，其塘泥又对基面土壤增加肥料：二是其 中的塘泥作为保持基面的高程和重要的肥源。 1 2 论文研究的1 3 的和意义 氮、磷是生物生长的必需元素，同时也是鱼塘水质的重要因子，尤其是对于 基塘生态系统这种相对封闭的人工生态系统。而且，氮、磷也是藻类生长的主要 限制性营养元素，过量会加剧水体的富营养化，从而破坏基塘系统的生态平衡， 造成一定的经济损失。在导致水体富营养化的营养物质中，磷是大多数淡水水体 中藻类生长的限制因子，国际上一般认为水体总磷浓度0 0 2 m g l ，总氮浓度 0 + 2 m g h 为湖泊富营养化的发生浓度。 氮、磷能通过颗粒物吸附、沉淀、水生生物死亡沉积等方式蓄存在底泥中； 在适当条件下，氮、磷能从底泥中释放出来，为水生生物的生长提供必要的营养 元素。众所周知，在外源营养负荷得到控制的情况下，二次富营养化的产生，主 要是当底泥中氮和磷向水体释放超过某个营养水平时造成的。底泥是自然水域的 重要组成部分，在一般的静水水体中，底泥接纳了大量的污染物，人大缓解了富 营养化进程，如果没有底泥对氮、磷的缓冲，藻华的发生将更为频繁，所以，在 一定程度上说，底泥是污染汇，而不是污染源，富营养化湖泊沉积物有很高的容 量暂时吸附水中的氮、磷，然后将其释放出来。研究表明，沉积物( 底泥) 中的 氮、磷循环在很大程度上影响着水体富营养化的进程。如n u e r n b e r g 和p e t e ( 1 9 8 4 ) 调查的2 3 个分层湖中，厌氧均温层释放的内源磷占总输入磷的2 9 ， 第1 章绪论 有时甚至高达9 0 。c a r p e n t e r 和c a p o n e 脚( 1 9 8 3 ) 指出，底泥营养物质的释放 使上覆水中营养物质的浓度维持在足以满足大量藻类生长需要的高水平。由此可 见，底泥营养物质的释放成了导致水体富营养化的一个重要因子。因而底泥在控 制水体营养物质浓度中的重要性受到长期关注。 基塘系统合理充分地利用土地资源、光能资源和水热资源，合理充分地利 用时间和空间。因此它具有较高的经济效益、良好的生态效益和社会效益。所 以，国内外学者对其进行了不少的分析和研究，但对于系统微观方面的原因， 现时相关的研究资料却不是很全面和深入。特别是，在富营养化成为水质最重 要指标之一的今天，虽然有关底泥氮磷的污染特征及其在泥水间的迁移变换成 为众多学者研究的重点，但是这些研究涉及到的都是除基塘系统外的不同类型 的底泥、众多的迁移变换条件。1 1 。而且，与污染特征基本明确相比，底泥氮、 磷在泥水间的迁移变换机理还不十分明确。为此，有必要研究基塘系统沉积物 中氮、磷向上覆水体释放的影响因素，并由此找出控制基塘系统水体富营养化 的相应对策，进一步提高基塘系统的经济效益和生态效益。本论文的实验研究 正是基于上述的需要而提出开展的，以珠江三角洲的基塘系统为对象，在考察 基塘系统底泥氮磷污染特征的基础之上，重点研究了底泥氮磷向水体的释放机 理。力求在前人已取得的成果基础上，对底泥氨磷向水体释放机理的认识有所 提高，同时也为今后的底泥污染修复方法提供一些理论依据。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 勘查基塘的自然环境状况 通过实地勘查，了解基塘系统的发展现状，确定系统的底泥及水体中氮磷污 染物的来源及其浓度的影响因素。 1 3 2 实验分析不同采样点底泥氮磷污染物的特征 通过不同采样点底泥的性状以及氮磷污染物分析，确定氮磷污染物的形态特 征、浓度大小以及分布状况。 1 3 3 用实验模拟基塘底泥的氮磷释放 在实验室模拟基塘系统，分析在不同的溶解氧浓度、温度、p h 值及水动力 状态条件下，基塘底泥释放出来的氮磷污染物的存在形态和浓度。运用e x c e l 第l 章绪论 软件对水体中的氮磷浓度与水体溶解氧浓度、温度、p h 值及水动力状的关系进 行分析，寻求氮磷污染物的释放规律。 1 4 研究技术路线 4 一。一。一。一_+习；豳，圈 第2 章国内外研究现状 第2 章国内外研究现状 2 1 水体富营养化效应 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 一词原用于描述植物营养物浓度增加对水生生态 系统的生物学效应，但富营养化很难严格定义。w e b e r 在1 9 0 7 年最初用“贫营 养”与之对照来描述泥炭沼泽发展初期植物群落的营养条件，后来( 1 9 1 7 年) ， n a u m a n 讲其引入到湖沼学作为湖泊分类与演化的概念，用e u t r o p h e 、m e s t r o p h e 和o k i g o t r o p h e 三个形容词来描述含有低、中或高浓度氮、磷的淡水湖泊模型。 l i n d e m a n 在1 9 4 2 年认为富营养化是湖泊发展过程中的自然过程。此后， v o k k e n w e i d e r 在1 9 6 8 年率先用氮磷对湖泊的营养状态作定量依据，提出一个分 类系统。o e c d 在1 9 8 2 年扩大了营养状态划分的指标，将叶绿素和透明度也包 括进来，并用每个变量的组平均值和标准差，发展了一种边界开放的系统。如今， 富营养化一词则多用于环境学科，即人为富营养化( a r t i f i c i a le u t r o p h i c a t i o n ) ，通 常是指是指氮磷等营养物大量进入水体，由于水体中营养物质的富集，引起藻类 及其他浮游生物的迅速繁殖，使水体溶解氧含量下降，造成藻类、浮游生物、植 物、水生物和鱼类衰亡甚至绝迹的污染现象。 2 1 _ l 浮游藻类过量繁殖 在缓流水体中，由于氮磷等营养物质的排放量远远超出了水体的自净能力， 导致营养物质在水体中大面积富集，一旦光照与温度适宜，浮游藻类就会利用这 些营养物质大量繁殖，成团成块地漂浮在水体表面，使水体呈优势菌种的蓝绿色 或赤红色，环境学科中将其称为“水华”或“赤潮”。 缓流水体中大量浮游藻类过量繁殖，不仅破坏了环境景观而且严重破坏了水 生生态结构，尤其是一些有毒细胞腐烂破裂后会向水体中释放藻毒素，严重危及 居民的饮水安全。有关蓝藻毒素的中毒事件当今时有报道。1 8 7 8 年f r a n c i s 首次 报道了动物由于饮用含蓝藻的水而导致死亡的事件，1 9 7 6 年，宾夕法尼亚爆发 了一次水源性消化道疾病，其致病原因怀疑是饮用水中的蓝藻。俞顺章等。1 在原 发性肝癌发病率高发地区研究了藻蓝菌与人类肝肿瘤的关系，发现饮用塘沟水人 第2 章田内# i - 1 0 宄现状 群肝癌发病率是饮用深井水人群的8 倍，在这些塘沟理检出大量监藻，微囊藻毒 素高达1 1 5 8 p g m l 。近年来，关于饮用或皮肤接触藻类污染水体而导致的皮肤反 应、结膜炎、鼻咽、呕吐、腹泻及肠胃炎等事件也屡次发生，几乎在所有的报道 中，蓝藻都被认为是致病原因。 2 1 _ 2 水体处于缺氧状态 藻类和大型水生植物的繁殖，其副产品则是更多的有机质。当有机质在水中 或沉积物中分解时消耗水体中大量的氧，使水体中溶解氧入不敷出，进而水体逐 渐进入缺氧状态。这一环境与鱼类和无脊椎动物的生存条件是不相符的，严重时 会导致大量动植物死亡，缺氧状态进一步恶化。 2 1 3 水生生物物种发生改变 水面上厚厚的浮游藻类阻挡了阳光的直接射入，使光线不能照射到沉水植 物，导致部分沉水植物数量减少，甚至被淘汰，并经常产生大量能适应缺氧条件 并且释放出沼气和硫化氢气体的有机杂质，改变了浮游动物和鱼类食料的主要成 分，使与水生植物相关的水生动物发生相应的改变。 2 1 4 与水相关的疾病的发病率增加 在某种情况下，一旦水体遭受污染就会在空问与h , j f i j 上加快某些疾病的传播 速度。由于多数水库、湖泊的富营养化是由于未经处理或处理不达标的生活污水 与工农业废水的排入而引起的。一旦这些污、废水中携有某种由水传播的传染病 菌，该疾病就会蔓延。 2 2 基塘系统中营养污染物的有关研究 1 9 8 0 年初，r “州地理研究所获得联合国大学的资助，在顺德勒流区建立了 定位站，监测桑基鱼塘的动态变化，定量研究基塘系统的能量交换和物质( 碳、 氮) 循环，定位观测项目达三十多项，获得了大量数据。同时，还在基塘地区进 行面上的调查，收集了各种类型基塘系统的大量资料，在基塘系统的形成条件、 历史发展、结构功能及基塘系统的经济效益和潜力等方面，进行了点面结合、微 观和宏观结合的深入研究，对以桑基鱼塘为主的基塘系统有了比较全面的认识 i o l o 在国内除珠江三角洲之外的一些低洼地区，推广珠江三角洲基塘系统的成功 第2 章国内外研究现状 模式也取得了成效，中科院等单位还在黄淮海盐碱地、滨海地区和东北沼泽湿地 开展了基塘系统试验和推广工作。此外，欧洲、美洲也有一些科研机构采用珠江 三角洲基塘系统的研究成果，从事低洼地利用的试验和推广工作1 。 2 2 1 基塘水体中水化学性质 2 2 1 1 水体中的气体 鱼塘中溶解有各种气体，如0 2 、c 0 2 、h 2 s 、n h 3 等，一是由空气中溶解而 入，二是由于水生生物的生命活动以及池底或水中的物质发生化学变化而在水体 中产生的，水中溶氧是鱼类生存和生长的重要环境条件，低氧对鱼类生长是很不 利的。水中溶氧对有机物质的分解和池塘物质循环起着重要作用，改善池塘溶氧 条件，特别是底层水的溶氧条件，能促进有机物的分解，消除或减少有机酸和氨 等有害的中间产物，改良水质，加强池塘物质循环强度，从而为鱼类创造良好的 生活环境和为鱼类食物生物学的繁殖创造有利条件“。 2 2 1 2 水体中的氮、磷 ( 1 ) 氮 鱼塘水中的无机氮化合物以硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐存在，有效氮的来源主 要是死亡的生物体、鱼的粪便以及残存的饲料等经细菌分解而产生，鱼类和水生 生物排泄的代谢废物主要是氨，还有一部分有机氮化合物。氮的消耗主要是被浮 游植物吸收利用。其次是在缺氧条件下，由于脱氮细菌的反硝化作用，将硝酸盐 和亚销酸盐还原成n 2 0 和n 2 而逸出于空气中，造成有效氮的损失。 不同鱼塘的含氮量差异很大，主要随底质的水质的肥度而不同。具有适量底 泥的池塘，底泥中的有机物细菌分解矿化，溶于水中，从而增加了水中有效n 等 营养盐类的数量。同样的含有机物较多的池水，含氮量一般也较高，如底质和水 质，含有机物少，则水中无机氮含量也较低。同时底泥胶粒吸附有一定量的铵离 子，在适当条件下被交换释放，也增加了水中的含氮量“。 ( 2 ) 磷 淡水水体中p 是浮游植物生长的限制性因子，磷对淡水养殖的限制作用比氮 更大。水体中溶解的磷酸盐( 以h 2 p 0 4 一、h p 0 4 2 一的形式存在) 是能被藻类吸收 的有效形式。有效磷来源主要由水生生物的尸体、排泄物、鱼类粪便等有机物分 解而产生。池塘底质和底泥中含多种的磷化合物，包括f e 、舢、c a 的磷酸盐沉 淀，有机态磷以及被粘土矿物等胶粒吸附的磷酸离子，是不能被植物利用的无效 第2 章国内外研究现状 态磷，但在适当条件下，其中一部分可逐渐变在有效磷而释放至水中，供浮游植 物利用。池塘中磷酸盐分布，表层因被浮游植物利用而含量降低，底层生物消耗 少，且有底泥中磷的补给，因此含量高“。 2 2 1 3 水体中氧、磷的迁移转化 内源性( 生物尸体和排泄物等) 和外源性( 饲料投加和基面施肥) 污染源都 会对基塘中氮、磷的变化产生影响。养鱼输山的废物对水体和底泥产生影响主要 是未食饲料、粪便和排汇物中所含的营养物，即n 、p 和有机物。吴庆龙等 ( 1 9 9 5 ) 在东太湖搞了网围精养，结果围养区域的氮、磷含量明显增加，养鱼区 的t n 、n h 4 + - n 分别比网外高2 2 8 、3 7 ，比未围养区高2 1 9 、3 0 0 ，t p 、 p 0 4 3 - _ p 分别比对照高1 6 2 、1 5 0 。分析底质状况，养鱼区t n 、有机n 比对照 点高0 1 1 3 、0 1 0 6 。 ( 1 ) 氮的变化 鱼塘中的氮补给包括：1 、雨水补给，雨水中常有化合态氮，补给速率约为 0 2 2 2 5 9 n m 2 a ，主要以n h 4 + 、n 0 3 。形式存在。2 、地表径流，基面施肥后随 地表径流和地面冲刷带来n 。：i i 、工业废水和生活污水的排放氮的补给。4 、畜禽 养殖业排放水中的氮，据统计，牛的n 排放系数是2 2 0 k g 头d ，猪的排放系 数是0 0 4 k g 头d 。 鱼塘中鱼类排泄的含氢废物多以n h 。为主，排泄速度约为5 0 m g n h 。1 0 0 9 鱼d ， 浮游植物氢物同化氮总量的2 0 6 0 释回水中，浮游动物排泄含氮废物量为 9 吮g n m g 4 6 s t , g n m g 体n d “。鱼塘中浮游植物光合作用时，吸收水中c o 。和 n h 。+ 、p 等营养物质，合成有机物，并放出0 ：，使水中p h 值升高，总铵减少”， 但n h 。在总铵中的比例增加，另一方面光合作用吸收了水中n h 。+ ，水中总n h 。量减 少，使n h 3 减少。鱼类、浮游动物呼吸消耗0 。，排出c o 。，使p l i 下降；同时将体 内含n 代谢终产物主要以总铵( n 1 1 4 + + n h 3 ) 的形式由鳃排出体外，使水中总铵 总量增加，n 。在总铵中的比例减少，另一方面在代谢过程中含n 废物以总铵的 形式排出体外，水中总铵含量增加，使n h 。含量升高”。 鱼类粪便、饵料和底泥中其他含n 有机物在降解过程中产生有机酸，降低水 中p h 值：同时在有机物降解过程中也产生大量的离子铵，这些离子铵溶解在底泥 间隙水中，通过扩散作用和底泥的搅动进入水体，成为水中总铵的一个重要来源 “。鱼类粪便、残饵和底泥中含n 有机物在分解过程中产生一定量的有机酸，使 第2 章国内# b j f 究现状 水中p h 值降低，使n 中总铵中的比例降低，另一方面还产生一定量的离子铵， 离子铵通过化学平衡作用使nh 3 含量升高“”。 ( 2 ) 磷的变化 鱼塘中p 的补给包括：1 、降水中磷含量约为3 0 i 0 吮g p t 。2 、地表径流 从土壤中带走的p 约为0 0 2 o 2 5 k g p h a a 。3 、生活污水和工业污水的排放， 随着洗剂使用的增加，生活污水中磷含量有增加的趋势。4 、家畜家禽粪便的排 放和基面化学肥料的施用，例如牛的n 排放系数是o 0 6 5 k g 头d ，猪的排放系 数0 0 2 5 k g 头d 。 水底沉积物是地表水中有效磷的一个巨大的潜在贮源。但由于它离植物生活 的表水层较远，且多以无效形式存在，例如f e 、a l 、c a 的磷酸盐沉淀和有机态 磷等。沉积物中的磷通过有机物的矿化作用、难溶磷酸的溶解作用和磷酸根离子 的交换解吸作用，将无效态磷转化在浴解态的磷积存于沉积物间隙水中。水一泥 界面处磷酸盐的交换方向与速度，决定于界面两侧磷酸盐的浓度梯度及扩散速 度。若间隙水中可溶磷浓度大于上覆水的浓度，有效磷会沉积物释进上覆水中。 如果间隙水中p q 3 一浓度越高，界面两侧的浓度梯度越大，则释放磷的速度也增大。 许多学者”“研究证明，底泥磷的释放与底泥的吸附性质、解吸性质和其它 一些因素如间隙水的磷浓度、温度、水体扰动、微生物及底栖动物、水中n 0 3 。n 的浓度等有关。厌氧条件下( 还原状态) 可能比好氧条件( 氧化状态) 下对底泥 释放磷有利，因为被底泥所截留的磷从铁的化合物还原来溶解性更大的亚铁形 式。在塘泥上基的情况下( 即当底泥暴露在好氧条件下) ，亚铁氧化成铁离子， 被氢氧化铁截留的磷会释放出来，因此塘泥上基后，经雨水冲刷，被底泥吸附的 磷可能会重新随水流入鱼塘中。 2 2 2 鱼塘底泥的性质 水产养殖对水体影响程度的大小决定于水体对营养物的敏感性，其水体对营 养物的敏感性取决于水体的形态特征、底质类型和水体交换率三个方面“。底质 可分为三个类型”：( i ) 腐蚀区，没有微细物质的明显沉积( 如沙底、砾石底、 粘土底的岩石底) ，微细物质d o 0 0 蛳m ； ( 2 ) 过渡区，微细物质周期性沉积 ( 如混合沉积物底质) ；( 3 ) 堆积区，微细物质长期沉积( 如软底) 。 鱼塘底泥中由于投饲、施肥等有机物的投入，鱼塘中有机物在底泥中的积累 远远大于天然湖泊，加上鱼塘水体较浅，底泥表层有底栖鱼类的活动以及人为因 第2 章国内外研究现状 素( 如增氧、注水、拉网等) 底泥中含有大量有机质和细菌，鱼塘底泥与基面土 壤不同，其土壤间隙完全被水浸没，氧的来源主要是水中溶解氧。表层底泥经常 处于半流动状态，水中溶解氧向底泥渗入的深度大于湖泊。在底泥表层一般是好 气性细菌占优势，在底层中由于氧气缺乏，f i j 以嫌气性细菌占绝对优势。有机质 矿化过程比陆地土壤慢，甚至比水中还慢。在水体和底泥中进行的一系列氧化还 原过程，底泥中以还原过程占绝对优势，由于在池水中有一定数量的氧，所以在 水中和底泥邻接处可以观察到氧化过程的急剧上升，表面以下数厘米的深处，氧 化还原过程大大降低。 2 2 3 水体沉积物中氮、磷的化学形态及释放影响因素 2 2 3 1 沉积物中氮的化学形态及释放影响因素 ( 1 ) 沉积物中氮的化学形态 养殖水体沉积物中的氮主要来自养殖残饵和牛物体的排泄物，水产养殖系统 中氮的输入量是很大的，在半精养鱼塘中，每产出鱼3 4 9 m d 要有7 0 0 8 0 0 m g n m d 进入系统中，而生物的利用率很低( 1 l 3 6 ) ，大部分进入环境中， 主要是沉积物中“。另外，f u n g e s m i t h 等曾对精养虾池中的物质平衡做过研究， 发现在养殖过程中只有1 0 的n 和7 的p 被利用，其它都以各种形式进入环境中， 大部分沉积下来。 沉积物中氮的形态可分为有机态和无机态，主要化学形态为有机结合态，一 般有机氮的含量能占到7 0 9 0 ，主要以颗粒有机氮的形式进入沉积物，而无 机氮占的比例很小。在养殖水体沉积物中有机氮的比例一般很高，何清溪，张穗 等“研究了大亚湾沉积物中的氮的含量，其中有机态氮( 1 4 0 7 1 m g k g ) 占总氮 ( 1 6 9 1 5 m g k g ) 的8 3 ，而被生物利用的可解吸的、可交换态的氮( 1 6 2 m g k g ) 只 占总氮的1 。有机态的氮必须经过沉积物中微生物转化、成为无机态氮才能被 水生生物利用。各种含氮有机物的分解随其分子结构的不同和环境条件的不同差 异很大。 a ) 有机态氮 沉积物中有机态的氮主要是蛋白质、核酸、氨基酸和腐殖质四类，大部分是 腐殖质。“。具体的形态主要分为n h 。一n 、氨基酸氮、己糖氮、h u n 和非酸解氮。 由于有机氮很难直接被生物g j i l l ，要参与氮在沉积物和水体中的循环必须转 化为可被生物利用的无机氮的形式，所以对于沉积物中氮的研究主要集中在能参 第2 章国内外研究现状 与循环的无机氮部分，这是研究的重点，对有机氮就不做过多介绍。 b ) 无机态氮 无机氮是生物繁殖生长所必需的营养成分，也是生物碎屑及其它有机物的分 解产物。它主要包括n o 。一一n 、n 0 2 一- n 和n h 。+ 一n ，其中以n h 4 + - n 为主。大部分的氨 氮来之于沉积物和水界面处新近沉积的、高质量的有机质的矿化分解，而小部分 来之于更深层次的有机物的矿化分解。” 在浸水土壤中( 水层厚1 2c m ) 的含量 n 0 。- _ n 主要富集在沉积物的表层，n 0 2 - - n 一般只有n o 。一一n 含量的o 5 1 7 3 。 三种形态的无机氮在不同环境下经细菌和酶进行硝化和反硝化而相互转化 。还有一部分固定态氮( 主要是铵离子) ，固定在矿物晶格内。这种固定态氮一 般不能为水或盐酸溶液提取，也很难被植物吸收。这种氮需要用h f h z s 0 。溶液破 坏矿物品格，才能使其释放。“。一般沉积物中n o - n 、n h 4 + - n 的含量与水体中n o 。一、 n 吖的含量是一致的”“。 n 时一n 和n 0 。一一n 又可以分为可溶态和可交换态。交换态的n h a l n 主要是指能 被k + 交换出来的那部分n h 4 + - n ，而沉积物总氨可用碱解态的n h 4 + - n 表示，它包含 了沉积物中所有能被碱驱出的游离态n h 4 + - n ，沉积物总氨( 即碱解态的n h 。+ ) 只占 e - n 的4 5 9 ，也说明沉积物氮的累积主要以有机态为主。n 儿+ _ n 在沉积物中 主要为带阴电荷物质所吸附，大部分成为可交换性离子，部分进入孔隙水以可溶 性形式存在。交换态的n h 。+ _ n 和孔隙水中的可溶性的n h 4 + - n 比例，会因具体条件 的不同而变化，但其值大多远大于1 。a c o s t a n a s s a r “”等估算了淡水鱼塘中 吸附在沉积物上的交换态的n h 。+ ，表明其含量占投入塘中总氮的2 ，但更多的含 量是来之于以前原有沉积的有机质的矿化分解。在大亚湾养殖海域沉积物中，可 交换态的无机氮以n h 。+ _ n 为主，平均占总的可交换态无机氮的9 6 ，其次是n o a 。n ， 占“。非交换态的无机氮，主要是固定态氮( n h 4 + - n 形态) 占总氮的1 6 左右“。 n h 。一n 和n 儿+ _ n 之间存在一种动态的平衡，这种平衡受到p h 值和温度的共同 作用”，p h 值在6 5 9 0 之间利于n 儿+ ( 离子态) 存在，p h 值大于9 3 则利于n h 3 一n ( 非离子态) 存在，提高p h 值和温度，n h 。+ _ n 向n h 。一n 转化，而n 1 3 一n 是一种毒性 物质，会对养殖生物体产生毒害作用。 c ) 有效态氮和残渣相的氮 有效态氮指无机的矿物氮和部分有机质中易分解的无机氮，残渣相的氮主要 是有机氮。沉积物中有效态氮含量般在2 左右，沉积物中无机氮或易分解氧 第2 章国内外研究现状 化的有机质含量较高者可达到1 0 左右。 由于沉积物中的并非所有的氮均能参与循环，一方而是由于氮与沉积物组分 问物理化学结合强度的差异，另一方面是受沉积物粒度的影响，较大颗粒即使在 环境变化剧烈时也不易破碎，其中的氮无法释放，真正参与循环的只是其中很小 的一部分。为了更好的研究沉积物中氮的循环，马红波，宋金明等”利用分级浸 取分离方法，依据是否可有试剂提取将沉积物中的氮分为可转化态和非转化态。 可转化态氮主要指离子交换态( i e f n ) 、碳酸盐结合态( c f n ) 、铁锰氧化物结合 态( i m f n ) 及有机物硫化物结合态( o s f n ) ，非转化态的氮则等于总氮减去可转化 态的氮”“。 ( 2 ) 沉积物释氮的主要影响因素 a ) 沉积物本身的性质 沉积物本身的性质对氮分布的影响主要是指沉积物的矿物组成，有机质含量 和粒度等。 沉积物的矿物组成与各形态氨的结合方式对其从沉积物向水体的释放有一 定的影响，如以黏土为主的大亚湾海域沉积物对n h 。+ 一n 和n o 。n 有较高的吸附能 力，其表层沉积物中含量相对较高。 沉积物中易降解的有机质含量高，微生物的耗氧降解很容易造成还原环境， 从而促进反硝化反应的发生，大量生成氨氮，造成氮的形态和分布的变化，同时 还会生成大量的h 。s ，对养殖生物产生毒性。养殖水体沉积物中含人量的有机质， 相应氨氮的含量会人一些。 沉积物的粒度对氮在表层沉积物分布的影响也是很明显的，s i m o n 。”研究了 交换态的n h 。在沙质沉积物上的解吸，发现交换态的n h 。+ 在风力造成水体紊动的 条件下，经2 h 就可以完全解离出来，进入水体。 b ) 水体的p 1 值和盐度 p h 值和盐度影, t a j n 氮在沉积物中的吸附解吸能力，从而也作用着各形态氮 在沉积物和水体之问的再分配。对养殖水体沉积物来说，有机质的厌氧分解、硝 化作用会产生氢离子，有降低水体p h 值的倾向。 硝酸盐和亚硝酸盐的解吸在海水p h 值2 1 0 范围内基本不变；而铵盐的解 吸则在p h 值为2 8 时随p h 值降低而增大，在p h 值8 1 0 时随p h 值升高而增 加“。p h 值还会影响到氮的硝化和各形态问的转化，硝化细菌最适的p h 值是7 第2 章国内外研究现状 8 5 ，当p h 值大于8 5 时更利于亚硝化细菌的生存，n o 。- n 增加。 天然海水体系盐度仅在低于l o 时对沉积物中营养盐的解吸有影响，此时铵 盐和硝酸盐的解吸随盐度的升高而降低，亚硝酸盐不变。盐度的变化体现在海水 中离子活度的变化，盐度升高，海水中被吸附粒子的活度减小，沉积物中的营养 盐解吸增大；同时，盐度升高，海水中的电解质增加，势必占据更多颗粒物质表 丽的吸附点，使沉积物中营养盐解吸增大。“。 c ) 沉积物中的氧气量 沉积物中的氧气量及氧气渗透的深度会影响到各形态氮的释放及硝化和反 硝化之间的平衡，就会增加或减少其含量和造成形态的转化。一般养殖水体都会 采取充氧的措施，维持养殖环境中生物的需氧量。 胡雪峰等”6 1 研究了上海市郊河流底泥氮的释放规律，发现厌气条件下n h 3 释 放速率比通气条件下更长时间地维持在高的水平，而n 0 3 - - n 的释放量在通气条件 下比厌气条件下高得多。另外还发现含大量易降解有机质的鱼塘底泥，即使k - n 的含量并不高，n 乩的释放量也很大。 d ) 沉积物中氮的总负荷 沉积物中氮的负荷与沉积物间隙水中的可溶性n 町一n 的含量也有一定关系。 8 c h r o e d e r ( 1 9 8 7 ) 。3 1 测得养殖期为一个月的鱼塘，沉积物( o 4 c m ) 间隙水中氨氮 的含量是l o m g l ，而养殖时间长，投入含氮肥料更多的同种鱼塘中，其沉积物 问隙水中氨氮的含量则为l o o m g l ，远高于前者的含量。而范成新。4 1 对太湖沉积 物间隙水中的n h 4 + - n 含量和沉积物中t n 的含量进行了相关性分析，两者的相关 性水平较低，几乎无对应关系，表明太湖沉积物中赋存氮物质的多少，并不是其 间隙水中n h 4 + - n 含量大小的决定因素。这可能是由于具体的环境条件的差异引起 的。 e ) 生物活动及人为因素 海洋沉积物中无脊椎生物的活动能深入到8 l o e m 范围内，而从沉积物扩散 到水体中的氨氮，有5 0 是通过这些生物的洞穴造成的空隙进入水体的。5 。 b l a c k b u r n 等。7 1 认为从海水养殖鱼塘沉积物中扩散到水体中的溶解性物质，3 0 是由于鱼类的索食扰动沉积物造成的。 人为的晒塘也会带来影响，沉积物中交换态的n i 4 + - n 在晒塘六周后，含量迅 速的降低，重新灌水后，l o d 内恢复到原来5 0 的水平，然后继续增加。 第2 章国内外研究现状 2 2 3 2 沉积物中磷的化学形态及释放影响因素 ( 1 ) 沉积物中磷的化学形态 沉积物中磷形态通常分为水溶性磷、铝磷( a 1 一p ) 、铁磷( f e p ) 、钙磷( c a p ) 、 还原态可溶性磷、闭蓄磷、有机磷等7 种化学形态。1 。水体沉积物磷的形态分布 状况取决于各种形态磷结合态的性质、含量及有机物数量。一般来讲，湖泊水质 偏碱性( p h 7 9 ) ，f e p 表而会形成一层f e ( o h ) 。保护膜，使f e - p 相对稳定；aj _ 一p 也有同样闭蓄机理，但因a l 含量不如f e 高，放沉积物中以f e - p 为主， a 1p 次之。在相当长时间内，a 1 一p 和f e p 存在一个转化过程，沉积物中的a 1 一p 将 逐渐转化成f e p ，研究发现南方酸性泥土中f e p 含量高，a 1 一p 含量相对较低 ”。c a 含量虽高，但c a p 束缚力相对较弱，且水体中c o ，的存在对c a p 有溶出 作用，故c a p 含量不如f e p 、a 1 一p 高，但对于海相沉积物，无机磷中的c a 结 合态则居主，台湾海峡c a p 平均含量占无机磷总量的9 1 。因此不同沉积环境( 淡 水和海相) 决定了不同的磷形态分布“。由于c a p 与沉积物中c a c o 。含量存在着 较好的相关关系，大亚湾从内向湾外方向变化中，c a p 随c a c o 。含量的增加而 增高“。可以预料，外海陆坡或深海沉积物中c a p 含量将会更高。闭蓄磷表面 有一层不溶性的f e ( o h ) 。或a l ( o h ) 。胶膜，包括一部分a 1 一p 和f e - p ，溶解度极小， 含量较小，这部分磷被认为是生物不能利用的。水溶性磷和还原态可溶性磷可以 通过物理溶解作用进入水体，在沉积物中的含量也不会太高，但它们是最先被释 放出来的，可以很方便地被水生生物吸收利用“。有机磷取决于沉积物中有机物 的数量，容易被微生物分解成无机磷，一股不会太高。 ( 2 ) 沉积物释磷的主要影响因素 a ) 溶解氧 好氰、厌氧模拟实验是通过不断充空气和氢气进行的，根据测定水中的溶解 性氧，表明厌氧加速沉积物中磷的释放，好氧抑制磷的释放，两者差一个数量级 “。因为水中的溶解氧会影响沉积物的氧化还原电位，在厌氧状况下，容易发生 f e ”一f e ”化学反应，f e p 表面的f e ( o h ) ，保护层转化为f e ( o h ) ：，然后溶解释放。 f e p 是沉积物向水体释放磷的主要形态。研究表明，底质所释放的磷主要为溶 解性正磷酸盐，是水生生物最易吸收的形式，这样就为大型水生生物和藻类的增 殖提供条件，加速其生长繁殖的速度，而这些死亡后的生物残体不能及时取走， 由于微生物分解、腐烂，消耗水中的溶解氧，使水体更加缺氧，这种缺氧的环境 第2 章国内外研究现状 反过来加速底质磷的释放，形成恶性循环“。研究表明，随着沉积物深度的增加， 硫酸盐的浓度迅速降低，在o 2 c m 内降低了9 0 “。这意味着沉积物中的溶解 氧随深度增加而减少，因此底泥越深，磷的释放量越大，磷浓度最大值出现在底 层。在珠江广州河段磷