孙振中，刘金金，张玉平

( 上海市水产研究所, 上海 200433 )

氮和磷是水环境系统中必不可少的组分，养殖水体中的氮、磷是养殖对象不可或缺的营养元素，且是维持池塘水生态系统稳定的基础，但养殖过程中氮、磷等物质可能会过度累积，导致浮游植物过量生长[1]，进而引起水质恶化[2]，诱发水产品发生病害甚至死亡[3]，对养殖生产构成威胁。养殖排放的氮、磷还可能会加重养殖场周边水域水质负担，成为环境污染源。第一次全国污染源普查公报显示，水产养殖业总氮、总磷的排放分别占水环境总污染源的1.74%和3.69%，占农业污染源的3.04%和5.48%[4]。目前池塘养殖的水质问题是限制我国淡水养殖业发展的重要因素之一，因此养殖环境中氮、磷的研究不仅对提高水产品品质和养殖生产效率有重要影响，还对淡水养殖业的发展、水环境的评价和保护等有深远意义。

目前养殖池塘水环境中氮、磷方面的研究已相当广泛，研究内容包括氮、磷在养殖水体及底质中的时空分布[5-8]、氮、磷收支[9-10]以及氮、磷形态研究[11-12]等，但该类研究的研究主体较单一，且对一定区域范围或地域内的养殖水体，尤其是特定地理区划内分布较随意、分散的养殖池塘的整体研究还不多见。为补充这方面的研究短板，笔者以上海市范围内的淡水养殖水体为研究主体，在当下的管理和生产模式下监测其水质，综合分析上海市淡水养殖水体中氮、磷的分布特点，探究其影响因素，全面了解上海本地淡水养殖水体中氮、磷的分布现状，为综合评价该地区养殖水质、科学规划改善措施提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

2014—2015年共调查位于上海市8个区内的34所养殖场(图1)，养殖品种包括淡水鱼、凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)和中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)，其中淡水鱼主要为草鱼(Ctenopharyngodonidellus)、青鱼(Mylopharyngodonpiceus)、鲢鱼(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙鱼(Aristichthysnobilis)等的混养。按采样规范[13]共采集105批次池塘水样，同时在养殖池塘引水河道采集引水样品，共计95批次。现场测定水温、pH和溶解氧，现场不能测定的指标经水样固定后[14]带回实验室分析，测定指标包括氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、活性磷、总磷、高锰酸盐指数和叶绿素a[15]。

图1 2014—2015年上海市淡水养殖池塘及其引水采样点分布

1.2 数据统计与方法

各监测点水质变化差异采用单因素方差分析法；均值显著性差异比较采用独立样本T检验，显著性差异水平为0.05；数据的统计和分析采用Excel 2013和SPSS 19.0软件完成。

采用综合污染指数评估水质综合污染程度，其中综合污染指数≤0.8，表示各指标超标倍数较小，各项水质指标基本能达到相关水质功能标准，水质合格；0.8<综合污染指数≤1.0，表示有少数指标超过标准，水体功能在一定程度上受到某些因素的制约，但水体功能未受明显损害，水质基本合格；1.0<综合污染指数≤2.0，表示多项指标超过标准，水体功能明显受到制约，水质对应于其功能已受污染；综合污染指数>2.0，表示各项水质指标均值超标准值1倍以上，水体功能已受危害。综合污染指数(Pc)的计算公式如下：

式中，Ci为污染物实测含量，n为综合污染指数计算选取指标总个数，Si为相应指标的评价标准值。

2 结果与分析

2.1 氮、磷的年均分布

2014—2015年上海市淡水养殖水体水质调查结果显示，养殖水体中总氮、总磷年均质量浓度分别为2.53 mg/L和0.294 mg/L，其中引水和池塘水体中总氮年均质量浓度分别为2.62 mg/L和2.45 mg/L，两者无显著差异(P>0.05)，总磷年均质量浓度分别为0.218 mg/L和0.370 mg/L，池塘中总磷年均含量显著高于引水(P<0.05)(表1)。引水中硝酸盐氮年均质量浓度为1.013 mg/L，为总氮的38.66%、无机氮的54.17%，氨氮和有机氮均约为总氮质量浓度的29%。池塘水体中氮主要以有机态形式存在，平均质量浓度为1.289 mg/L，在总氮中的比例达52.65%，氨氮和硝酸盐氮平均质量浓度为0.680 mg/L和0.405 mg/L，分别为总氮的27.79%和16.53%，氨氮为主要无机氮形态。池塘水体中的磷主要为非活性磷，约占总磷的60%。可见池塘水体中氮、磷的组成结构较引水发生了一定变化，总氮、总磷中有机态氮、磷占比明显增加，无机氮的组成中硝酸盐氮占比显著降低，氨氮占比增加。

表1 2014—2015年上海市淡水养殖水体中氮、磷年均分布概况

注：水质指标标有*符号表示该指标在引水和池塘水体中的年均含量具有显著性差异(P<0.05)，标有**符号表示具有极显著性差异(P<0.01).

池塘水体中氮、磷的年均分布表现出明显的养殖品种间差异(图2)，淡水鱼、凡纳滨对虾和中华绒螯蟹池塘水体中总氮、总磷年均质量浓度分别为3.09、0.524、2.41、0.315、1.70 mg/L和0.247 mg/L，鱼塘水体中总氮、总磷的年均分布最高，其次是虾塘，蟹塘最低。养殖品种的不同是池塘养殖水体中氮、磷含量差异的主要诱因之一，这与养殖模式、饵料种类及投喂量均有密切关系。上海市淡水鱼养殖一般为混养模式，池塘水体较深、水体交换频率低，同时养殖周期较虾、蟹长，导致各种含氮、磷物质在水体中的累积时间长，累积量大；本地凡纳滨对虾的养殖集中在5—10月，养殖周期相对较短，养殖密度较高，其水质营养状态相对较高。中华绒螯蟹的养殖过程中轮种水藻，水质相对清新，氮、磷含量较低。

上海市淡水养殖池塘水体中氮、磷含量与其他地区典型养殖池塘相比，淡水鱼混养池塘同太湖流域范围内典型鱼塘[16]相当，但明显低于珠江三角洲地区的密养鱼塘[6]；凡纳滨对虾池塘中氮、磷含量略高于苏州地区[35]，但平均低于海南的精养虾池[17]；中华绒螯蟹池塘中氮、磷含量与江苏的中华绒螯蟹生态养殖池塘[18]相当。

图2 不同养殖品种池塘水体中氮磷年均含量的分布

2.2 氮、磷季节性分布及水质相关性分析

引水中氮、磷季节性分布见图3、图4。总氮质量浓度在5—10月间整体上有不同程度的下降，11—12月有所增加；硝酸盐氮和氨氮质量浓度变化趋势与总氮类似，引水中亚硝酸盐氮质量浓度较低，变化趋势不明显。活性磷和总磷在4—7月均逐渐上升，8—10月有所下降，11—12月磷含量再次显著增加(P<0.05)。

池塘水体中氮、磷质量浓度的季节分布柱状图见图5、图6，淡水鱼塘水体中总氮和氨氮质量浓度在4—11月间逐渐增加，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的质量浓度变化趋势不明显；凡纳滨对虾池塘中总氮和亚硝酸盐氮质量浓度变化无明显趋势，氨氮在7—8月含量较低，硝酸盐氮在5—6月质量浓度较高；中华绒螯蟹池塘中总氮在4月养殖初期质量浓度较高，在6—10月间随养殖的进行蟹塘中总氮、氨氮和硝酸盐氮质量浓度逐渐降低。淡水鱼塘水体中总磷和活性磷在10—12月间质量浓度较高；凡纳滨对虾池塘中总磷和活性磷在9—10月养殖后期质量浓度较低；中华绒螯蟹池塘中磷质量浓度变化趋势不明显。同一养殖品种、不同年际内池塘中的氮、磷分布特点存在差异，这可能是受养殖生产过程中具体的养殖措施影响，因为池塘养殖水体体积小、养殖密度相对较高，水质易受人为干扰。

图3 上海市淡水养殖池塘引水水体中氮的季节性分布

图4 上海市淡水养殖池塘引水水体中磷的季节性分布

图5 上海市淡水养殖池塘中氮的季节变化趋势

图6 上海市淡水养殖池塘中磷的季节变化趋势

对引水及池塘水体中各关键水质指标进行相关性分析(表2，表3)，结果显示，引水水体中总氮与总磷、高锰酸盐指数显著正相关，总磷与水温、总氮、高锰酸盐指数和叶绿素a显著正相关，与溶解氧显著负相关；淡水鱼塘水体中总氮与总磷、高锰酸盐指数和叶绿素a显著正相关，与pH显著负相关，总磷与总氮、高锰酸盐指数和叶绿素a显著正相关；凡纳滨对虾池塘水体中总氮与高锰酸盐指数和叶绿素a显著正相关，总磷与各水质指标无显著相关性；中华绒螯蟹池塘水体中总氮与水温呈显著负相关，与其他水质指标无显著相关性，水温总磷与水温、高锰酸盐指数和叶绿素a显著正相关。

表2 上海市淡水养殖引水水体中各关键指标间的相关系数汇总

注： **表示在0.01 水平(双侧)上显著相关(P<0.01); *表示在0.05 水平(双侧)上显著相关(P<0.05).下同.

表3 上海市淡水养殖池塘水体中各关键指标间的相关系数汇总

2.3 水质污染指数

氮、磷和有机物含量是水体营养负荷评价的基本指标，在养殖过程中水体内氨氮含量对养殖生产有重要意义，所以将氨氮、总氮、总磷和高锰酸盐指数4项基本水质指标用于水质综合污染指数的计算。以《地表水环境质量标准(GB 3838—2002)》中相应指标的Ⅲ类水质限值为标准值，计算各批次水样单项污染指数和水质综合污染指数，并对综合污染指数进行统计分析。结果显示，淡水鱼池塘内氨氮、总氮、总磷和高锰酸盐指数的单项污染指数均较引水高，且总磷和高锰酸盐指数的差异达显著性水平(P<0.05)。鱼塘水质综合污染指数平均为2.05，显著高于引水(P<0.05)；凡纳滨对虾池塘内氨氮和总氮的单项污染指数较引水低，总磷和高锰酸盐指数的单项污染指数均较引水高，且高锰酸盐指数的差异达显著性水平(P<0.05)，虾塘水质综合污染指数略高于引水，但无显著差异(P>0.05)；中华绒螯蟹池塘内氨氮和总氮的单项污染指数较引水低，且总氮差异显著(P<0.05)，总磷和和高锰酸盐指数的单项污染指数均较引水高，且总磷差异显著(P<0.05)。蟹塘水质综合污染指数低于引水，但无显著差异(P>0.05)。可见，淡水鱼塘内总磷和有机物含量较其引水显著增加，水质综合污染程度显著高于其引水。凡纳滨对虾池塘内有机物含量较其引水显著增加，但水质综合污染程度较引水无显著变化。中华绒螯蟹池塘内总氮含量较其引水显著降低，总磷含量显著增加，同时水质综合污染程度较引水无显著差异。对所有水体水质综合污染指数进行统计分析(表4)，结果显示，上海市71.14%的池塘引水水质综合污染程度超过地表Ⅲ类水标准(综合污染指数≥1.0)，引水水质不容乐观；73.33%的养殖池塘水质超过该标准，且池塘水体平均综合污染程度较引水严重。

上海市淡水养殖水体平均水质综合污染指数在时间维度上的分布见图8。引水水体在4—8月间水质综合污染程度相对较高；鱼塘水质综合污染程度在10—12月间相对较高；虾塘水质综合污染程度在5—10月间较稳定，5月养殖初期略高；蟹塘水质综合污染程度在4月相对较高。水体中氮、磷和有机物含量变化的综合作用决定了水质综合污染指数的时间分布，结合氮、磷的季节变化规律可知不同水体中氮、磷的含量变化对水质综合污染指数的影响程度不同。养殖引水的水质综合污染指数随时间的变化基本与磷含量变化同步，可见引水水质综合污染程度受磷含量变化的影响较大；鱼塘水体中氮、磷含量变化趋势相近，较难区分氮和磷含量的变化对水质综合污染指数的影响程度；虾塘水体中氮、磷含量变化趋势不够清晰，对水质综合污染指数的影响程度不易区分；蟹塘水质综合污染指数的变化基本与氮含量的变化同步，说明蟹塘水质综合污染程度受氮含量变化的影响较大。

表4 2014—2015年上海市淡水养殖水体污染指数汇总统计

注：将鱼、虾、蟹塘的各项单因子污染指数分别与引水做显著性检验，**表示两组数据均值间呈极显著差异(P<0.01)，*表示表示两组数据均值间呈显著差异(P<0.05).

图7 上海市淡水养殖水体综合污染指数均值对比

图8 上海市淡水养殖水体水质综合污染指数时间分布概况

3 讨 论

3.1 氮、磷结构组成的变化

水环境中氮、磷的形态组成对系统中氮、磷循环和生态结构稳定有重要作用。有机态氮、磷占比的增加会降低水体初级生产力，影响水—沉积物界面间氮、磷的吸附和释放进程，进而延缓水生态系统的环境应变能力[19-21]，同时有研究表明，水体中有机态氮会降低人工湿地对总氮的去除速率[22]，影响水质净化效果。水环境中的各无机态氮对重金属离子的生物毒性效应有所不同，在水体中等营养水平下硝酸根和铵离子能明显降低水体中重金属铜离子、锌离子等的生物毒性，而非离子氨对重金属离子的生物毒性效应起协同作用[23]，可见水环境中氮、磷形态的组成还对养殖对象的健康生长及产品品质有重要影响。养殖生产使池塘水体中氮、磷的组成结构发生了一定的改变，有机态氮、磷含量在总氮、总磷中的占比以及氨氮在无机氮中的占比有所增加。养殖生产使池塘水体中氮、磷元素的来源复杂化，在引水水质的基础上养殖生产向池塘输入各种外源性物质，如饲料、药物、改良剂等，同时水体中不断累积的残饵、排泄物以及动植物尸体等显著提高了池塘水体中的有机物量，而有机态氮、磷随有机物含量的增加而增加[24-25]。同时，有机物分解会造成初级产物氨氮的累积，氨氮进而抑制硝化作用的进行[26]，导致硝酸盐氮占比降低。由于这种氮、磷结构组成上的变化不利于池塘生态的稳定以及养殖对象的健康生长，所以探究养殖生产过程中如何改善这种变化有重要的实际意义，从氮、磷组成发生改变的原因可知控制外源性物质的输入、减少池塘中残饵等有机物的累积是改善这一变化的理论基础。

3.2 影响氮、磷含量变化的因素

上海市淡水养殖池塘多零散分布于郊区，其引水水体中有机物的主要来源多为周边的面源污染。有研究表明，包括上海在内的太湖流域，其水环境质量恶化的主因之一为农田氮、磷的流失[27]，农业污染物对引水水体中氮、磷的含量变化特征影响显著。本文结果显示，淡水养殖引水水体中氮、磷含量的季节性分布规律并不完全同步，4—7月引水中氮含量呈下降趋势而磷含量则不断增加，7—10月氮、磷含量均呈下降趋势，10—12月氮、磷含量有所回升。有研究表明农田随地表径流流失的营养物质主要是磷[28]，磷含量的变化受农田施肥以及地表径流的影响较氮大。4—7月随农耕频繁、降水增加，引水中磷含量变化呈上升态势，而此时氮含量的变化受农业影响较小，主要受水生植物生长的影响[29-30]，所以在5—10月植物生长旺盛期氮、磷含量的消耗逐渐增加，引水中氮含量变化表现出持续下降趋势，磷含量在4—7月由于农业外源输入增加的影响而有所上升，7—10月磷含量随外源输入的减少、水生植物消耗的增加而表现出下降趋势，10—12月河道中未经处理的植物经腐败、分解，水中氮、磷含量再次回升[31]。

池塘水体中有机物的来源有引水、饲料、残饵、动植物尸体以及生物排泄物等，其中饲料的投入可能占池塘物质输入的80%以上[32]，且池塘中的残饵、粪便和排泄物是传统养殖模式环境中氮、磷及有机质污染负荷的主要存在形式[33-34]，这类有机物是影响池塘水体中氮、磷含量变化的主要因素。在淡水鱼塘中随养殖的进行，残饵及排泄物等有机物不断累积，水体中的氮、磷含量逐渐增加，养殖中后期约在10月达到最高值，此时鱼塘平均水质综合污染程度最高。虾塘水体中氮、磷在养殖初期含量较高多是由虾苗投放前池塘水质的育肥措施导致，这是上海市凡纳滨对虾养殖模式[35]决定的，对虾的养殖周期相对较短，且露天养殖时间多集中于5—9月，部分养殖户在此期间会进行两轮甚至三轮养殖，这就要求虾塘水体在养殖初期就维持在一种高营养状态，在虾塘水质综合污染指数上表现为养殖前期指数略高，且在整个养殖周期内的指数分布相对较稳定。中华绒螯蟹养殖过程中轮种的水藻对池塘水体中的氮含量有明显的净化作用，磷含量变化受其影响不大，可能与蟹塘中有机物含量变化有关，程建新等[36]对中华绒螯蟹养殖水环境特点的研究也证明，蟹塘内水草覆盖率、投饵及投饵量对水体中氮、磷等含量的影响显著。

4 结论与建议

4.1 结论

上海市淡水养殖水体的引水水质不容乐观，其氮、磷含量变化受周边农业污染和引水河道内水生植物的生长状况影响较大。养殖池塘水质综合污染程度因养殖品种的差异有所不同，淡水鱼塘水质综合污染程度较其引水严重，凡纳滨对虾和中华绒螯蟹池塘水质与其引水无显著差异。在氮、磷的分布方面，鱼塘中总氮、总磷平均分布最高，其次是凡纳滨对虾，中华绒螯蟹最低。养殖周期内鱼塘和虾塘中氮、磷含量变化主要受水体中残饵、粪便等有机物含量影响，蟹塘中氮、磷含量的变化除受有机物影响外，还受塘中水生植物的生长状况影响。养殖生产对养殖水体中氮、磷的结构组成具有一定影响，有机态氮、磷在总氮和总磷中的平均占比和氨氮在无机氮中的平均占比均有所增加。

4.2 建议

密切关注引水水质。养殖水体要“肥、活、嫩、爽”，既要求水中营养物质含量丰富、藻类数量高，又需要水质清爽、悬浮物和有机质等含量低，所以丰富的氮、磷可满足肥水的要求，而氮、磷含量过高、有机物大量累积又极易引起水体缺氧等水质恶化，威胁到养殖生产。结果表明，上海市淡水养殖业引水水质并不乐观，所以在池塘进水前应密切关注引水的水质。在4—7月上海市淡水养殖引水因受农业污染的影响氮、磷含量相对较高，建议此时若对池塘引水，应格外关注引水水质以及池塘进水后养殖对象的反应，若有异常可及时采取相应控制措施。

科学养殖，加强日常管理。根据养殖对象习性确定合理的养殖密度和科学的管理模式，投喂高质量饲料、慎用渔药，以减少池塘水体自身的污染，如淡水鱼和凡纳滨对虾池塘水体较中华绒螯蟹更易累积有机物，因此在鱼、虾的养殖过程中应及时根据池塘水质调整投饵量，提高饵料利用率、减少残饵量，及时采取换水和投加微生物制剂等措施避免有机物过度累积，提高水体自净能力，避免水质发生急剧变化，尤其是天气变化频繁的夏、秋季节，水质突变极易引起养殖病害的发生[37]。

探索生态养殖新模式，实现养殖生产“零污染”。养殖生产对水体氮、磷结构组成以及水环境质量均产生一定的影响，养殖水体尤其是养殖废水的直排可能会加重周边水环境的污染负担。研究表明，淡水鱼养殖中后期水体中的磷和有机物以及凡纳滨对虾养殖期间水体中的有机物含量均较周边河道水体高，所以对鱼塘和虾塘排水前需针对水质概况进行相应处理，以减少养殖废水中的污染物。因此探索一种生态健康的养殖模式实现水产养殖的“零污染”和“零排放”已迫在眉睫。目前上海市正在大力推广和应用几种健康养殖模式：一是利用人工湿地作为处理池塘养殖废水的净化系统。人工湿地对养殖污水具有良好的净化效果[38]，上海市自2005年就开展了标准化养殖场的建设工作，要求标准化养殖场的人工湿地面积不得低于总面积的10%，根据目前标准化养殖场人工湿地的跟进研究发现，养殖生产中人工湿地的配套仍需从结构设计和合理使用等方面加以改进和完善[39]。二是稻田水产养殖综合种养模式。稻田综合种养能够更加有效地利用系统食物和空间生态位，在净化养殖废水的同时可节省农作物施肥成本，较高的生态和经济效益使其成为具有“稳粮、促渔、增效、提质、生态”等多方面功能的现代农业发展新模式。上海市目前已在积极探索稻田养蟹、稻田养殖小龙虾等相关技术，但稻田水产养殖并不是水稻和水产生物的简单叠加，新的种养模式对养殖户的管理能力提出了新的挑战，如果没有科学化、专业化、规范化的养殖技术，稻田综合种养模式的生态和经济效益仍面临巨大挑战。另外，池塘循环水养殖、生物修复技术等在淡水养殖业的研究和应用也正在积极进行。