2021, Vol. 33 
鱼类网箱养殖是一种高密度、集约化的养殖方式，饵料是它主要的能量来源，经过长期养殖，残饵、粪便等养殖废物在养殖区大量积累，使得养殖区水体及沉积物营养盐和有机物含量增加，从而导致了养殖水域的有机污染和富营养化[1-5].沉积物作为网箱养殖生态系统的一个重要组成部分，直接影响着上层水质和养殖生物的健康.网箱养殖对沉积物最明显的影响在于有机物的积累及底质向缺氧状态的改变，残饵与鱼粪是养殖区沉积物有机质的主要组成部分[6]，养殖水体沉积物总有机碳和总氮的释放量比自然过程(如矿化作用、反硝化作用等)显示的数值分别高2.5和2.2倍[7].沉积物中高含量的营养盐和有机物在一定条件下会重新释放到水体中, 造成水体“二次污染”[8].
目前的研究大多集中在利用沉积物的化学指标(如硫化物、氮、磷、有机质含量等)、生物指标(底栖生物种类等)来定性描述网箱养殖对沉积环境的影响[2, 5, 9-13]，而定量化描述网箱养殖污染物对沉积物中有机质影响的研究较少[5-6, 14-15].沉积物中碳、氮稳定同位素(δ13C、δ15N)以及C/N比值经常被用来推断沉积物中有机质的来源，这些示踪是建立在不同来源的有机质有不同的C/N比值和稳定同位素组成基础上的[16-18].将碳、氮稳定同位素应用于养殖水体沉积物有机质来源的研究近期也得到较快的发展[5-6, 14-15]，而这些研究大多集中在海水网箱养殖区，对于淡水网箱养殖区的研究非常少.
鄱阳湖是我国最大的淡水湖，拥有丰富的水产资源.鄱阳湖都昌水域曾发展网箱养殖1万余箱，面积近400万m2[19]，成为鄱阳湖区最大的网箱养殖基地.虽然近几年来，全国纷纷拆除网箱养殖，但都昌水域仍存在大面积网箱养殖，直至2017年底，鄱阳湖都昌水域网箱养鱼面积有约1万m2[20]，到2019年鄱阳湖才全面取缔网箱养殖.需要指出的是，多年网箱养殖产生的养殖废物对养殖区沉积物及水环境的影响是个长久的过程，并不会因为网箱养殖的停止而立即消失，残留在沉积物中的养殖废物仍会不断地释放到水环境中而影响养殖区的水环境质量. Wang等[21]对重庆长寿湖的研究表明，由于网箱养殖期间沉积于湖底的鱼饲料及养殖废物的再释放，使得取缔网箱养殖十多年后的长寿湖仍处于中富营养状态. Xie等[22]也发现长寿湖沉积物的重金属平均浓度在已取缔网箱养殖十多年后仍是背景值的2倍多.因此尽管鄱阳湖网箱于2019年已全部拆除，但网箱养殖期间养殖废物对养殖区沉积物的影响研究仍具有十分重要的意义.目前有关鄱阳湖网箱养殖区养殖废物对养殖区沉积环境的影响研究很少，利用碳氮同位素定量研究养殖废物对其沉积物影响方面更是未见报道.因此，本文选取鄱阳湖都昌水域网箱养殖区为研究对象，通过测定其网箱养殖区沉积物有机质、残饵及鱼粪等有机碳、氮含量及其碳、氮同位素值，利用多元混合模型定量评估网箱养殖废物对其养殖区沉积物有机质的影响.
1 材料与方法 1.1 研究区概况鄱阳湖都昌县位于鄱阳湖北岸(28°50′~29°38′N，116°2′~116°36′E)(图 1)，地处“五水汇一湖”要冲，南联五水(赣江、抚河、信江、饶河、修水)，北通长江，地处亚热带湿润性季风气候区，年均气温17.1℃，年均降水量1558.7 mm.该区域网箱养殖已有十几年的历史，养殖品种主要有加州鲈鱼﹑草鱼和鳙鱼.采样期间研究区养殖品种只有加州鲈鱼，网箱养殖规模约7200 m2，年产量约250 t.养殖所用的饵料为人工配合饲料和小鱼饵，当鄱阳湖区处于禁渔期时，人工配合饲料则成为主要的饵料，喂养采取直接将饵料投入网箱的方式.
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图 1 鄱阳湖网箱养殖区采样点 Fig.1 Sampling sites of the cage fish farm in Lake Poyang |
采样期间平均水深为8.6 m，平均流速为16.3 cm/s，透明度为56.5 cm.水体pH为7.44，中性偏弱碱性，CODMn、NH4+-N、NO3--N、TN和TP浓度分别为1.11~2.58、0.66~1.11、0.72~1.01、1.87~2.40和0.21~0.41 mg/L.
1.2 样品的采集2018年3月对鄱阳湖都昌水域网箱养殖区沉积物、饲料及鱼粪等进行了采集，采样点见图 1.在网箱养殖水域沿水流方向设置采样断面，网箱边缘50 m内的样品定义为“网箱区”样品，共5个点；以网箱为中心，在100~500 m处沿水流方向断面上每100 m设置一个采样点，500~1100 m处每200 m设置一个采样点，1500 m处设一个采样点，共计采样点14个.在网箱边缘5000 m处设置一个采样点作为对照点.
沉积物样品用抓斗式底泥采样器(最大采泥深度10 cm)采集，立即运回实验室冷冻干燥；饵料向当地渔民收集；取20条个体质量200 g左右的养殖鱼用容器单独养殖，24 h后用吸管小心收集容器底部的鱼粪.
1.3 样品的处理及分析干燥后的沉积物样品研磨过200目筛，研磨过筛后的样品滴加1 mol/L的盐酸浸湿，放入盛有浓盐酸的干燥器中反应24 h以除去样品中的无机碳，然后反复用蒸馏水冲洗样品直至pH为中性后再将其冷冻干燥.饵料及鱼粪样品用1 mol/L的盐酸浸泡30 min后, 用蒸馏水清洗至中性，冷冻干燥，研磨过200目筛[6].经过上述处理后的样品在国家海洋局第三海洋研究所用元素分析仪(Flash EA 1112HT)和同位素质谱仪(Delta V advantage)联用测定TOC、TN含量及δ13C、δ15N值. δ13C和δ15N的计算公式分别为:
| $\delta^{13} \mathrm{C}(‰)=\left[\left(R_{\text {sample }}-R_{\text {standard }}\right) / R_{\text {standard }}\right] \times 1000, R={ }^{13} \mathrm{C} /{ }^{12} \mathrm{C} $ | (1) |
| $\delta^{15} \mathrm{N}(‰)=\left[\left(R_{\text {sample }}-R_{\text {standard }}\right) / R_{\text {standard }}\right] \times 1000, R={ }^{15} \mathrm{N} /{ }^{14} \mathrm{N} $ | (2) |
式中，13C/12C和15N/14N分别对应于国际标准ViennaPDB与大气中的氮标准，分析误差小于±0.2‰.
2 结果与讨论 2.1 网箱养殖区沉积物有机碳、氮含量研究区沉积物TOC、TN含量变化范围分别为3.19~12.74和0.42~1.71 mg/g，最小值均出现在离网箱最远的1500 m处，最大值均出现在离网箱300 m处，网箱下面1#点TOC、TN含量也较高，分别为10.51和1.51 mg/g(图 2a, b).研究区沉积物TOC和TN含量之间具有较为显著的线性关系(R2=0.9690，P < 0.001)(图 3a).
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图 2 研究区沉积物总有机碳、氮及碳、氮同位素分布 Fig.2 Distribution of TOC, TN, C/N, δ13C and δ15N in the sedimentary organic matter of the study area |
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图 3 鄱阳湖网箱养殖区沉积物TOC与TN(a)、δ13C与C/N(b)、δ15N与C/N(c)的关系 Fig.3 Relationship of TOC and TN(a), δ13C and C/N(b), δ15N and C/N(c) in the sedimentary organic matter of Lake Poyang cage fish farm |
不同类型的有机质具有不同的C/N，因此C/N可以用于判断沉积物有机质的来源[17].通常认为，陆生高等植物的C/N一般>15，水生植物的C/N一般在10~30左右[23]，卢凤云等[24]的研究得出潮白河水生维管束植物的C/N为12.6~18.5；土壤有机质的C/N在10~13之间[25-26]，藻类的C/N一般在5~8左右[27-28].鄱阳湖网箱养殖区鱼粪C/N为5.85，饲料C/N为4.36~7.22，沉积物C/N范围为6.85~7.84(其含量随距离变化见图 2c)，平均值为7.23±0.27，反映了鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质来源的混合性，即既有外源，也有湖泊自身来源.
2.2 鄱阳湖网箱养殖区沉积物碳、氮同位素特征 2.2.1 研究区沉积物碳同位素特征研究区沉积物δ13C值范围为-27.67 ‰ ~-25.65 ‰，明显低于鄱阳湖其他区域沉积物碳同位素值(-25.66 ‰ ~-12.56 ‰)[17]，也明显低于对照点沉积物的δ13C值(-25.66 ‰).从图 2d可以看出研究区沉积物δ13C值具有明显的空间变化特征，δ13C值最低出现在距网箱300 m处，其次是出现在距网箱400 m处，最大值出现在距网箱700 m处，网箱底下沉积物也具有较高的δ13C值，为-25.83 ‰.鄱阳湖网箱养殖区沉积物C/N与δ13C之间存在显著的负相关关系(R2=0.2743，P < 0.001)(图 3b)，因此本研究中C/N能严格体现物源的影响[15].
2.2.2 研究区沉积物氮同位素特征研究区沉积物δ15N值范围为5.19 ‰ ~7.27 ‰，总体上高于鄱阳湖其他区域沉积物氮同位素值(3.72 ‰ ~6.27 ‰)[17]，大部分采样点的δ15N值高于对照点的δ15N值(6.27 ‰)，高δ15N值鱼饲料(8.01 ‰ ~13.06 ‰)的输入是其主要原因[21].从图 2e可以看出，网箱区300 m外沉积物δ15N值随距离呈总体下降的趋势，最小值出现在距网箱1500 km处，最大值出现在距网箱300 m处.网箱区沉积物δ15N值范围为6.03 ‰ ~6.73 ‰，平均值为6.44 ‰.鄱阳湖网箱养殖区沉积物C/N与δ15N之间存在不显著的正相关关系(R2=0.0018，P>0.1)(图 3c).
2.3 鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质来源定性分析δ13C和C/N关系图是定性分析有机质来源的有效方法，湖泊沉积物有机质的潜在来源主要包括：陆生高等植物(C3和C4植物)、水生维管束植物、土壤有机质、河流浮游生物[22, 29]，湖泊网箱养殖区沉积物有机质的来源可能还包括鱼粪及残饵. C3植物的δ13C值为-30 ‰ ~-23 ‰；C4植物的δ13C值为-17 ‰ ~-9 ‰ [30]；土壤有机质的δ13C值为-25 ‰ ~-22 ‰ [31]；淡水水生植物的δ13C值为-43 ‰ ~-12 ‰，大部分落在-28 ‰ ~-18 ‰范围内[32-33].卢凤云等[24]的研究得出潮白河水生维管束植物的δ13C值为-30.0 ‰ ~-16.0 ‰；浮游植物的δ13C值为-42 ‰ ~-24 ‰，平均值约为-30 ‰ [30, 34-35].
鄱阳湖网箱养殖鱼粪δ13C和δ15N分别为-26.30 ‰和15.54 ‰.网箱养殖用到的两种饲料中人工饲料的δ13C和δ15N分别为-21.41 ‰和8.01 ‰，小鱼饵的δ13C和δ15N分别为-28.79 ‰和13.06 ‰ (表 1).两种饲料的使用比例大概为人工饲料(干重)占55 %，小鱼饵占45 %，因此养殖饲料的δ13C和δ15N分别表示为-21.41 ‰ ×0.55-28.79 ‰ ×0.45=-24.73 ‰及8.01 ‰ ×0.55+13.06 ‰ ×0.45=10.28 ‰ [6].网箱养殖区沉积物有机质δ15N明显低于鱼粪和养殖饲料δ15N，δ13C明显低于养殖饲料δ13C，而大部分采样点沉积物有机质的δ13C高于鱼粪δ13C.研究区C/N和δ13C值关系见图 4，从图 4可以看出，研究区沉积物有机质来源主要有残饵、鱼粪、湖泊浮游生物及其他来源，而作者前期对鄱阳湖沉积物有机质来源的研究表明其主要来源为土壤有机质、水生维管束植物及浮游生物，且土壤有机质贡献的比例更大[17].由此可看出，网箱养殖产生的养殖废物改变了养殖区沉积物有机质成分，此结果可为今后的研究提供数据参考.
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表 1 网箱养殖区饲料、粪便及参照点沉积物有机质碳氮同位素值 Tab. 1 δ13C and δ15N of the fish feed, fish feces in the cage fish farm and the sediment organic matter in the reference sites |
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图 4 鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质的δ13C和C/N关系 Fig.4 Relationship of C/N and δ13C values from the cage fish farm sediments in Lake Poyang |
为了对鄱阳湖网箱养殖区沉积有机质来源的认识更量化，本研究结合δ15N、δ13C和C/N，使用一个四端元混合模型来分析不同来源的贡献率.这个模型的原理是不同端元δ15N、δ13C和C/N在水体中的保守混合和质量守恒定律，基于图 4，选定的4个端元分别是残饵、鱼粪、浮游生物及其他有机质.其相应的端元混合模型为：
| ${{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{13}}{{\rm{C}}_{{\rm{Sample }}}} = {f_{{\rm{WF}}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{13}}{{\rm{C}}_{{\rm{WF}}}} + {f_{{\rm{FF}}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{13}}{{\rm{C}}_{{\rm{FF}}}} + {f_{\rm{P}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{13}}{{\rm{C}}_{\rm{P}}} + {f_{\rm{R}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{13}}{C_{\rm{R}}} $ | (3) |
| ${{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{15}}{{\rm{N}}_{{\rm{Sample }}}} = {f_{{\rm{WF}}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{15}}{{\rm{N}}_{{\rm{WF}}}} + {f_{{\rm{FF}}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{15}}{{\rm{N}}_{{\rm{FF}}}} + {f_{\rm{P}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{15}}{{\rm{N}}_{\rm{P}}} + {f_{\rm{R}}} \cdot {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{15}}{{\rm{N}}_{\rm{R}}} $ | (4) |
| $\mathrm{C} / \mathrm{N}_{\text {Sample }}=f_{\mathrm{WF}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{WF}}+f_{\mathrm{FF}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{FF}}+f_{\mathrm{P}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{P}}+f_{\mathrm{R}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{R}} $ | (5) |
| $1=f_{\mathrm{WF}}+f_{\mathrm{FF}}+f_{\mathrm{P}}+f_{\mathrm{R}} $ | (6) |
式中，fWF、fFF、fP和fR分别为鱼粪、残饵、浮游生物及其他这4种来源在总有机质中所占的比例；δ13CSample、δ15NSample和C/NSample，δ13CWF、δ15NWF和C/NWF，δ13CFF、δ15NFF和C/NFF，δ13CP、δ15NP和C/NP以及δ13CR、δ15NR和C/NR分别表示网箱养殖区沉积物、鱼粪、残饵、浮游生物及对照点沉积物的δ13C、δ15N和C/N值.如fWF、fFF、fP和fR计算结果为负的，则认为无贡献[6].
残饵δ13C、δ15N和C/N值采用前面所述方法计算所得值分别为-24.73 ‰、10.28 ‰和5.65.本研究没有测得浮游生物的δ13C、δ15N和C/N值，据Redfield等[27]的研究证明, 淡水浮游生物同海洋浮游植物具有相似的C/N比值，因此引用前人的研究结果，确定浮游生物的δ13C、δ15N和C/N值分别为-30 ‰ [23, 36]、5 ‰ [37-38]和7.3[39].
从定量计算的结果来看(表 2)，鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质主要来源为残饵、浮游生物及其他有机质，而鱼粪几乎无贡献，只在距离网箱300和400 m处有较低贡献，贡献率分别为8.7 %和2.6 %，因此研究区鱼粪对网箱养殖区沉积物有机质的贡献率几乎可以忽略不计.网箱养殖区处于主湖区，离航道比较近，且经常有采砂船出现，采砂活动有可能带走部分前几年沉积下来的养殖废物，因此认为养殖废物对沉积物的影响主要来源于当年的网箱养殖. 3月正是鱼苗投放时期，养殖鱼还比较小，产生的粪便并不多，湖泊的自净作用可以将其降解，因此鱼粪对沉积物有机质的影响不大，而此时期投放的饲料量相对来说比较大，残饵对养殖区沉积物有机质的影响相对较大.研究区水体氮、磷浓度比较高，高营养盐水体会导致水体浮游生物量增加，而鲈鱼为肉食性鱼类，并不能消耗掉增加的浮游生物，因此沉积于湖底的浮游生物量也相应增加，从而使得研究区浮游生物对沉积物有机质贡献率较高.
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表 2 不同来源对鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质的贡献率(四端元) Tab. 2 Contribution ratios of different sources to sedimentary organic matter in cage fish farm of Lake Poyang (four endmember) |
为了更准确地量化残饵对网箱养殖区沉积物有机质的贡献率，分别将δ13C与C/N，δ13C与δ15N作图，见图 5.从图中可以看出，网箱养殖区沉积物所有采样点的C/N和δ13C都处于由残饵、浮游生物和对照点沉积物C/N和δ13C组成的三角形内(图 5a)，而只有部分采样点的δ13C和δ15N处于由残饵、浮游生物和对照点沉积物δ13C和δ15N组成的三角形内(图 5b)，因此可以利用由C/N和δ13C组成的三元线性混合模型[40]来计算残饵、浮游生物和其他有机质对网箱养殖区沉积物有机质的贡献率.其相应的线性混合模型为：
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图 5 鄱阳湖网箱养殖区沉积物及其潜在来源的C/N和δ13C、δ13C和δ15N的关系 Fig.5 Relationships of C/N and δ13C, δ13C and δ15N in the sedimentary organic matter and the potential sources of Lake Poyang cage fish farm |
| $\mathrm{\delta}^{13} \mathrm{C}_{\text {Sample }}=f_{\mathrm{FF}} \cdot \delta^{13} \mathrm{C}_{\mathrm{FF}}+f_{\mathrm{P}} \cdot \delta^{13} \mathrm{C}_{\mathrm{P}}+f_{\mathrm{R}} \cdot \delta^{13} \mathrm{C}_{\mathrm{R}} $ | (7) |
| $\mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{Sample}}=f_{\mathrm{FF}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{FF}}+f_{\mathrm{P}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{P}}+f_{\mathrm{R}} \cdot \mathrm{C} / \mathrm{N}_{\mathrm{R}} $ | (8) |
| $1=f_{\mathrm{FF}}+f_{\mathrm{P}}+f_{\mathrm{R}} $ | (9) |
式中，fFF、fP和fR分别为残饵、浮游生物和其他这3种来源在总有机质中所占的比例；δ13CSample、δ15NSample和C/NSample，δ13CFF、δ15NFF和C/NFF，δ13CP、δ15NP和C/NP以及δ13CR、δ15NR和C/NR分别表示网箱养殖区沉积物、残饵、浮游生物及对照点沉积物的δ13C、δ15N和C/N值.如fFF、fP和fR计算结果为负的，则认为无贡献.
计算结果列于表 3，残饵对鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质的贡献率为27.0 % ~61.8 %，平均值为48.3 %，“网箱区”残饵贡献率较高，均值为54.5 %，最大值出现在距离网箱100 m处；浮游生物的贡献率为13.0 % ~52.2 %，平均值为25.6 %，而其他来源的贡献率为20.5 % ~40.0 %，平均值为26.0 %.由此可以看出，网箱养殖残饵对养殖区沉积物有机质贡献较大，且扩散范围较大，在距离网箱最远处的1100和1500 m处，残饵的贡献率分别为35.5 %和46.7 %，也即说明网箱养殖区残饵能扩散到距网箱1500 m处.研究区水深为6~16 m，水流速度为3.0~41.9 cm/s，平均流速为16.3 cm/s，且网箱养殖区附近经常有采砂活动.水深和水流速度已被认为是用模型预测养鱼场水产养殖废物扩散和排放总量的主要物理因素[6, 41-42]. Sarà等[5]研究表明，扩散距离是水深、水流速度及养鱼场废物排放总量的函数，沉积物再悬浮是养鱼场养殖废物扩散范围的主要影响因素. Gondwe等[43]研究发现，鱼粪对网箱下面沉积物的影响更小，这主要是由于网箱养殖区水流加速了养殖废物的有效扩散.本研究也发现不是在网箱核心区，而是在距离网箱300 m处沉积物TOC、TN含量最大，这正是由于研究区水深大、水流速度快等因素加速了养殖废物的有效扩散.因此，水动力平流引起的扩散及沉积物的再悬浮是鄱阳湖网箱养殖区残饵扩散距离比较远的主要原因，此结论可为今后新兴水产养殖选址提供科学依据.
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表 3 不同来源对鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质的贡献率(三端元) Tab. 3 Contribution ratios of different sources to sedimentary organic matter in cage fish farm of Lake Poyang (three endmember) |
残饵和鱼粪是鱼类网箱养殖过程中的主要污染来源, 据卓华龙等[44]的研究，鲈鱼对饵料的平均利用率为71.8 %，平均排粪率为6.5 %，本研究显示鱼苗时期鄱阳湖网箱养殖区网箱养殖源有机物的比例为48.3 % ±11.4 %，其中粪便的贡献率为0.因此必须提高饵料的利用率从而减少网箱养殖废物对养殖区水域环境的污染，实践证明改变养殖管理方式[41, 45]、调整网箱养殖规模及实行多类鱼种搭配混养等方法均能提高饵料的利用率，其中改变养殖管理方式包括合理的投饲频度和投喂时间、投喂饲料颗粒大小的选择和调整、水深和水体理化性质的调节等.
因此，为了减少网箱养殖废物对养殖区水域环境的影响，促进淡水网箱养殖业的可持续发展，在网箱养殖过程中，应充分提高饵料的利用率，减少进入水体的残饵量；科学合理地布置网箱、控制网箱规模、减少网箱密度；调节养殖方式、改善养殖结构，在网箱养殖过程中做到生态养殖，保证养殖水域生物资源环境的可持续发展.
3 结论网箱养殖在鄱阳湖虽已成为历史，但本研究分析了鄱阳湖网箱养殖时期养殖区沉积物TOC、TN含量及其δ13C、δ15N值，揭示了网箱养殖区沉积物有机质主要来源，并探讨了网箱养殖废物扩散距离及其主要影响因素.这些研究结果有助于科学评估淡水网箱养殖对养殖区水体环境的影响，并建立科学的淡水网箱养殖管理方式，主要研究结论如下：
1) 距离网箱1500 km处的沉积物TOC、TN含量最小，而距离网箱300 m处沉积物TOC、TN含量最大.
2) 鄱阳湖网箱养殖区沉积物δ13C值明显低于对照点沉积物的δ13C值；大部分采样点δ15N值高于对照点的δ15N值.
3) 有机质来源分析表明，鱼苗时期鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质主要来源为残饵、浮游生物及其他，鱼粪对网箱养殖区沉积物几乎没影响.残饵对鄱阳湖网箱养殖区沉积物有机质的贡献率达到48.3 % ±11.4 %.
4) 鄱阳湖网箱养殖废物能扩散到距离网箱1500 m处，水动力平流引起的扩散及沉积物的再悬浮是其主要影响因素.
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