杜明普，王紅麗，劉康福，袁賽波，張靜，李震宇，阮銳

武漢市城市防洪勘測設(shè)計院有限公司

武漢市被稱為“百湖之市”，可進行漁業(yè)養(yǎng)殖的水面面積達10.1萬hm2[1]，水產(chǎn)品年產(chǎn)量為50萬t左右。傳統(tǒng)湖泊漁業(yè)養(yǎng)殖多為密集養(yǎng)殖，因投肥、投餌等導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中含有大量殘餌、水產(chǎn)動物糞便、漁藥等污染物[2]，對湖泊水體造成污染，使水質(zhì)惡化。湯遜湖是武漢市最大的城中湖，根據(jù)《第一次全國污染源普查水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》[3]，按可養(yǎng)水面及武漢市平均魚產(chǎn)量對該湖因傳統(tǒng)漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)生的內(nèi)源污染負荷量進行估算，不同養(yǎng)殖方式(如圍網(wǎng)圍欄養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖)下總氮負荷量為108～965 ta，總磷負荷量為23～207 ta，約為湯遜湖TN和TP水環(huán)境容量的10%～91%和35%～313%(以主湖體水質(zhì)達GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類水質(zhì)為基準)。傳統(tǒng)漁業(yè)和密集養(yǎng)殖降低了湯遜湖水體自凈能力，所造成的內(nèi)源污染負荷量甚至超出水體的環(huán)境容量。而生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖——不投肥、不投餌，利用湖泊天然餌料進行合理放養(yǎng)的漁業(yè)養(yǎng)殖模式可將水體中營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化成漁產(chǎn)品，從而減輕水體氮、磷污染負荷，因此逐漸被關(guān)注并應(yīng)用到水污染控制工程中。

有學(xué)者在生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式下，開展利用魚類控制湖泊富營養(yǎng)化的理論和實踐探索。如謝平[4]提出利用鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(Hypophthalmichthysnobilis)控制藍藻的非經(jīng)典生物操縱理論，當鰱、鳙的投放密度為46～50 gm3時，能有效控制東湖的水華發(fā)生，該理論被應(yīng)用于上海陳行水庫藍藻控制、寶鋼水庫藍藻控制等工程中，并取得一定效果[5]；Domizon等[6]研究認為，鰱的放養(yǎng)密度為30～90 gm3時，浮游植物生物量和藍藻生物量占比均明顯減小。生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖在水質(zhì)管理和水體富營養(yǎng)化控制方面作用的發(fā)揮，與魚類的放養(yǎng)密度有重要關(guān)系[7]。筆者根據(jù)湯遜湖現(xiàn)存天然餌料生物量進行魚產(chǎn)力估算，提出生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖中魚類放養(yǎng)密度，并通過估算魚類代謝產(chǎn)生的污染負荷量及生長增重存儲營養(yǎng)鹽的量，分析生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖對內(nèi)源污染負荷的影響，以期為水生態(tài)治理中充分利用生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖發(fā)揮湖泊的凈化功能提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湯遜湖位于湖北省武漢市東南部(114°15′E～114°35′E，30°22′N～30°30′N)，分為內(nèi)湯遜湖和外湯遜湖。湯遜湖水域面積為47.62 km2，平均水深為2.2 m，湖泊容積約10 360.7萬m3。在《武漢市禁止?jié)O業(yè)養(yǎng)殖湖泊目錄》發(fā)布之前，湯遜湖區(qū)主要以圍網(wǎng)圍欄集約化養(yǎng)殖(投餌、投肥)為主，以鰱、鳙、鯉(Cyprinuscarpio)、鯽(Carassiusauratus)、鳊(Parabramispekinensis)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)、翹嘴鲌(Culteralburnus)、鱖(Sinipercachuatsi)等經(jīng)濟魚類為主要養(yǎng)殖對象，其中鰱、鳙的放養(yǎng)量占總量的90%以上。由于高密度養(yǎng)殖以及周邊大量污水匯入，湯遜湖在2014—2018年一直為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質(zhì)[8-10]，處于中度富營養(yǎng)化水平，并在2017年暴發(fā)了嚴重的藍藻水華。為控制富營養(yǎng)化，減少水華的發(fā)生，湯遜湖于2017年逐漸完成圍網(wǎng)、圍欄與網(wǎng)箱的拆除，將集約化漁業(yè)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化為生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖。2019年隨著基于藍藻水華控制的漁業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等工作的開展，湯遜湖實施“以漁控藻”工程，投放了208萬kg魚苗，其中濾食性的鰱、鳙占97%，其他肉食性魚類等占3%，并采取不投餌、不投肥的生態(tài)養(yǎng)殖模式。漁業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后雖然湯遜湖局部水域仍存在藍藻堆積的現(xiàn)象，總氮整體處于劣Ⅴ類水平，但總磷整體處于Ⅳ類～Ⅴ類水平，藍藻水華暴發(fā)得到了明顯的遏制[9]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

湯遜湖天然餌料包括浮游植物、浮游動物、底棲動物、軟體動物、有機碎屑及著生藻類等，其天然餌料現(xiàn)存量密度如表1所示。

表1 湯遜湖天然餌料現(xiàn)存量密度

1.3 研究方法

1.3.1魚產(chǎn)力估算

魚產(chǎn)力是指在不投餌、不投肥條件下，單位時間內(nèi)單位水體面積中餌料基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為魚產(chǎn)品的能力[15]。湯遜湖在生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式下的魚產(chǎn)力參照《湖泊漁業(yè)生態(tài)類型參數(shù)》[14]和《水庫魚產(chǎn)力評價標準》[15]進行估算。

湯遜湖浮游植物魚產(chǎn)力(F浮游植物)按下式估算：

F浮游植物=FSC×EHy×Hy/c

(1)

FSC=PG×(PNa/PGt)×a×K

(2)

PG=33Cchla×LDH×HSD

(3)

式中：FSC為浮游植物對鰱、鳙的供餌能力，t(以氧計，全文同)；EHy為鰱對浮游植物的能量轉(zhuǎn)化率，取0.032；Hy為水中鰱占鰱、鳙數(shù)量的比例，取0.7；c為1 g鰱、鳙鮮肉所含熱量，取值為5.021 kJ/g；PG為湖區(qū)浮游植物年生產(chǎn)量，t(以氧計，全文同)，參考王驥等[16]的方法計算；PNa/PGt為浮游植物單位面積凈產(chǎn)量與毛產(chǎn)量之比，取0.8；a為浮游植物最大利用率，取50%；K為1 g氧的熱當量，取值為14.685 kJ/g；Cchla為葉綠素a濃度，內(nèi)外湯遜湖分別為48.64和45.71 μg/L；LDH為平均日照時數(shù)，h；HSD為水體透明度，m，根據(jù)調(diào)查取0.45 m。

湯遜湖浮游動物魚產(chǎn)力(F浮游動物)按下式估算：

F浮游動物=FSC×EAr×Ar/c

(4)

式中：EAr為鳙對浮游植物的能量轉(zhuǎn)化率，取0.072；Ar為水中鳙占鰱、鳙數(shù)量的比例，取0.3。

湯遜湖底棲動物魚產(chǎn)力按下式估算：

F底棲動物=(0.032BM+0.183BI+0.235BO)×S

(5)

式中：F底棲動物為底棲動物魚產(chǎn)力，t；BM、BI和BO分別為軟體動物、底棲水生昆蟲、底棲寡毛類的生物量，g/m2；S為養(yǎng)殖面積，km2。

湯遜湖沉水植物魚產(chǎn)力按下式估算：

Fg=Bp×Pp/(kp×100)

(6)

式中：Fg為沉水植物的供餌能力，kg/hm2；Bp為可被草食性魚類利用的沉水植物的最高生物量，kg/hm2，由于實測調(diào)查湯遜湖沉水植物覆蓋度低于50%，按平均生物量500 g/m2計算[14]；Pp為計劃利用的沉水植物生物量的占比，取60%；kp為草食性魚類(長13 cm的魚種)的平均餌料系數(shù)，取120。

湯遜湖有機碎屑魚產(chǎn)力估算公式如下：

F=CsV(19.58%Hy+22.6%Ar)×
3 900 000/(3 560Hy+3 350Ar)

(7)

Cs=Ct-(BG+Bzp)×0.2×0.4

(8)

式中：F為有機碎屑提供的鰱、鳙魚產(chǎn)力，t；Cs為有機碎屑中碳濃度，mg/L；V為水體表層10 m以內(nèi)的水體容積，m3；Ct為有機碎屑中有機碳年平均濃度，mg/L，參考林婉蓮等[17]的方法測定。由于湯遜湖有機碎屑現(xiàn)存量為47.68 mg/L，顆粒有機碎屑中有機碳濃度為4.08%[18]，推測湯遜湖Ct為1.945 mg/L。BG和Bzp分別為浮游植物和浮游動物平均生物量，mg/L。

著生藻類的魚產(chǎn)力采用下式估算：

F著生藻類=Bpb×(Pf/Bf)×U×S/k

(9)

式中：F著生藻類為著生藻類的魚產(chǎn)力，t；Bpb為著生藻類平均生物量，μg/cm2；Pf/Bf為著生藻類年生產(chǎn)量與年平均生物量之比，也即Pf/Bf系數(shù)，取100；U為著生藻類最大利用率，取20%；k為著生藻類的餌料系數(shù)，取100。

1.3.2漁業(yè)養(yǎng)殖污染及營養(yǎng)鹽存儲量計算

鰱、鳙攝食天然餌料后，其中的氮、磷營養(yǎng)鹽一部分被魚類吸收利用轉(zhuǎn)化為魚體的增重部分(存儲量)，另一部分則隨魚的排泄和排糞過程重新參與水體的物質(zhì)循環(huán)，被湖泊中的生物再次利用。每尾鰱、鳙因排泄和排糞的氮、磷估算參數(shù)如表2所示。鰱經(jīng)過1年生長可增重1.05 kg，每增重1 g可存儲氮26.29 mg，存儲磷5.72 mg；鳙經(jīng)過1年生長可增重1.3 kg，每增重1 g可存儲氮26.40 mg，存儲磷5.74 mg[19]。則:

漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物量=魚產(chǎn)力/個體年增質(zhì)量×排泄和排糞回歸水體氮、磷估算參數(shù)

(10)

魚體內(nèi)存儲的營養(yǎng)鹽量=魚產(chǎn)力×單位質(zhì)量魚存儲的營養(yǎng)鹽量

(11)

表2 鰱、鳙排泄和排糞回歸水體的氮、磷估算參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 湯遜湖魚產(chǎn)力

根據(jù)湯遜湖天然餌料現(xiàn)存量，生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)模式下天然餌料轉(zhuǎn)化為魚產(chǎn)力的能力如表3所示。由表3可知，湯遜湖總魚產(chǎn)力為2 975.49 t/a，其中內(nèi)、外湯遜湖濾食性魚類魚產(chǎn)力(主要為鰱、鳙的魚產(chǎn)力，包括浮游植物魚產(chǎn)力、浮游動物魚產(chǎn)力及有機碎屑魚產(chǎn)力)分別為1 059.05和1 715.9 t/a。2017年湯遜湖實施生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖，內(nèi)湯遜湖漁產(chǎn)量為900 t，平均產(chǎn)量為900 kg/hm2，其中鳙占40%，鰱占60%[9]，該數(shù)據(jù)與表3的結(jié)果相近，魚產(chǎn)力估算結(jié)果與實際捕撈情況相符，表明魚產(chǎn)力估算結(jié)果一定程度上可靠。另外，濾食性魚類魚產(chǎn)力最高(占93.26%)，而沉水植物魚產(chǎn)力最低(占0.03%)，該估算結(jié)果也與湯遜湖現(xiàn)狀相符，即湖泊浮游植物及浮游動物餌料現(xiàn)存量大，沉水植物餌料現(xiàn)存量極少。

表3 生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式下湯遜湖魚產(chǎn)力

由表3可得，湯遜湖現(xiàn)狀魚產(chǎn)力密度為28.7 g/m3，低于2018年湯遜湖應(yīng)急控藻的實際養(yǎng)殖密度(46 g/m3)[8]；現(xiàn)狀濾食性魚類魚產(chǎn)力密度為26.8 g/m3，低于謝平[4]提出的非經(jīng)典生物操縱理論中濾食性魚類放養(yǎng)的密度(46～50 g/m3)。隨著湯遜湖控藻措施的實施，湯遜湖生物鏈將逐漸豐富與穩(wěn)定，湖泊中浮游植物濃度將逐年降低，可能導(dǎo)致濾食性魚產(chǎn)力逐年下降，但其他生物餌料可能逐漸增多，多種類型的魚產(chǎn)力豐度將逐漸增大與穩(wěn)定。因此，在利用漁業(yè)生態(tài)養(yǎng)殖控藻與凈化水體時，與湯遜湖水質(zhì)類似的湖泊，建議養(yǎng)殖密度控制在29 g/m3左右，并根據(jù)實測餌料量進行相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整，否則餌料現(xiàn)存量可能難以維持高密度養(yǎng)殖量。在養(yǎng)殖的動態(tài)調(diào)整過程中，可根據(jù)不同餌料類型，充分利用湖泊的其他魚產(chǎn)力，促進湖泊營養(yǎng)物的快速循環(huán)。如隨著湖泊富營養(yǎng)化得到控制，沉水植物將形成一定規(guī)模的斑塊，可根據(jù)沉水植物生物量放養(yǎng)適量黃尾鲴(Xenocyprisdavidi)、細鱗鲴(Xenocyprismicrolepis)等，以充分利用植物有機碎屑等天然餌料；當沉水植物生物量足夠高時，可放養(yǎng)適量草魚(Ctenopharyngodonidellus)和團頭魴(Megalobramaamblycephala)等草食性魚類，促使沉水植物體內(nèi)營養(yǎng)鹽向魚體內(nèi)轉(zhuǎn)移，最終通過捕撈而去除。

2.2 生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)生的內(nèi)源污染負荷

生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)生的內(nèi)源污染負荷為魚體排泄和排糞產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽量與魚體內(nèi)存儲的營養(yǎng)鹽量的差值。根據(jù)湯遜湖魚產(chǎn)力估算結(jié)果，現(xiàn)狀以鰱、鳙魚產(chǎn)力為主，2015年至今主要養(yǎng)殖品種均為鰱、鳙[9]，因此，生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖中魚類代謝產(chǎn)生的污染物主要考慮由鰱、鳙代謝產(chǎn)生。考慮到魚糞中約有22%的氮、磷隨幸存的活藻回歸到浮游植物中[19]，此部分為未被充分利用的天然餌料，應(yīng)排除其對內(nèi)源負荷的影響。根據(jù)鰱、鳙排泄和排糞回歸水體氮、磷量，估算得出湯遜湖生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)生的內(nèi)源污染負荷量，結(jié)果如表4所示。由表4可知，湯遜湖生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖因排泄和排糞作用產(chǎn)生的內(nèi)源氮、磷污染負荷量分別為309.28和13.06 t/a。以主湖區(qū)達Ⅳ類水質(zhì)為基準時，湯遜湖總氮、總磷的水環(huán)境容量分別為1 061.5、66.23 t/a[8]，氮、磷污染負荷量分別為總氮、總磷水環(huán)境容量的29.1%和19.7%，占用了湯遜湖部分自凈容量。

表4 鰱、鳙產(chǎn)生的內(nèi)源污染負荷量估算

湯遜湖生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖過程中，部分餌料通過魚類增重而存儲在魚體內(nèi)，使水體內(nèi)的營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)移至漁產(chǎn)品中，并通過合理捕撈被移出湖泊。根據(jù)湯遜湖鰱、鳙魚產(chǎn)力估算結(jié)果，當養(yǎng)殖周期為1年時，鰱、鳙因增重存儲在體內(nèi)的氮、磷量如表5所示。由表5結(jié)合表4可知，湯遜湖生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖過程中，因排泄和排糞作用產(chǎn)生的氮量高于因增重存儲在魚體內(nèi)的氮量，但因增重而存儲在魚體內(nèi)的磷量超過排泄和排糞作用產(chǎn)生的磷量?？梢姡鷳B(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖過程中，存儲在魚體內(nèi)的營養(yǎng)鹽磷的量高于轉(zhuǎn)化為內(nèi)源磷的量。

表5 鰱、鳙增重存儲的營養(yǎng)鹽的量

2.3 生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖對內(nèi)源污染負荷削減的貢獻

生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式下，湯遜湖魚體內(nèi)存儲的氮、磷量分別為73.10、15.90 t/a，分別占入湖氮、磷污染負荷量(3 896.9、281.99 t/a)的1.88%和5.64%；部分氮、磷通過排泄和排糞作用重新回到水體，或通過漁業(yè)捕撈被移出水體，可見，魚類在湖泊養(yǎng)分循環(huán)過程中起著重要作用。

鰱、鳙排泄和排糞產(chǎn)生的氮量高于存儲在魚體內(nèi)的氮量，因此會對水體產(chǎn)生一定的氮內(nèi)源污染。鰱、鳙主要攝食生命形態(tài)的氮、磷(浮游動物和浮游植物中含的氮、磷)，將其轉(zhuǎn)化為非生命形態(tài)的代謝物(如氨、尿素和尿酸)[19]，其中氨和尿素易被微生物及其他生物利用，經(jīng)過氨化、硝化/反硝化等作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮化物逸出水體被去除[20]。因此生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖有利于內(nèi)源氮的去除。鰱、鳙排泄和排糞產(chǎn)生的磷量低于存儲在魚體的磷量，由于漁產(chǎn)品可被移出湖體，因此可認為生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖總體不貢獻內(nèi)源磷污染，而是可削減內(nèi)源磷污染。

通常湖泊內(nèi)源的去除可采用黏土礦物覆蓋、化學(xué)藥劑鈍化以及底泥疏浚措施，或通過微生物以及水生植物吸收轉(zhuǎn)換等方法[21]。在水生植物凈化工程中，沉水植物吸收氮、磷營養(yǎng)鹽的能力分別為700和小于100 kg/(hm2·a)[22]，若要在沉水植物體內(nèi)存儲湯遜湖生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽，至少需要恢復(fù)159 hm2沉水植物，然而由于沉水植物生長受到環(huán)境等自然規(guī)律的限制，其修復(fù)過程中對內(nèi)源污染物凈化的作用緩慢[23]。相比之下，生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖捕撈漁產(chǎn)品移除湖泊內(nèi)源污染物是一種經(jīng)濟可行、易操作的技術(shù)，以鰱、鳙為主要養(yǎng)殖對象的生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖適合作為沉水植物修復(fù)早期湖泊內(nèi)源污染削減措施，通過放養(yǎng)和捕撈實現(xiàn)持續(xù)移出湖泊營養(yǎng)鹽。

3 結(jié)論

(1)湯遜湖總魚產(chǎn)力為2 975.49 t/a，生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式下，建議魚類養(yǎng)殖密度控制在29 g/m3左右。

(2)生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖會產(chǎn)生一定量的氮內(nèi)源污染，但能削減水體中磷內(nèi)源污染。在湖泊水污染治理中，生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖經(jīng)濟可行、易操作，適合作為湖泊生態(tài)修復(fù)早期湖泊內(nèi)源污染削減的技術(shù)。