投餌量對(duì)許氏平鲉幼魚(yú)生長(zhǎng)和水環(huán)境中污染指標(biāo)的影響

陳輔利,高光智,劉磊

(大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

工廠化養(yǎng)魚(yú)是水產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1-2]。工廠化養(yǎng)魚(yú)是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，控制投餌量和水質(zhì)的目的是為了滿足魚(yú)的養(yǎng)殖條件[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于工廠化養(yǎng)魚(yú)投餌控制的研究很多[4]，主要集中在投餌與魚(yú)類(lèi)的增重、呼吸、排泄及能量代謝的關(guān)系，很少研究投餌與魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)環(huán)境的關(guān)系。呼吸與排泄是魚(yú)類(lèi)新陳代謝的基本生理活動(dòng)，既能反映魚(yú)類(lèi)的生理狀態(tài)，又能反映環(huán)境條件對(duì)魚(yú)類(lèi)生理活動(dòng)的影響。投餌與排泄的關(guān)系復(fù)雜，主要影響因子有溫度、鹽度、體質(zhì)量、攝食水平和餌料種類(lèi)等[5-7]。魚(yú)類(lèi)的排泄物主要含有機(jī)質(zhì)、氨氮、尿酸和尿素等，可以用懸浮物、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH+4-N)等污染生態(tài)因子綜合表示。本研究中，作者研究了許氏平鲉Sebastesschlegeli幼魚(yú)養(yǎng)殖過(guò)程中投餌量對(duì)魚(yú)體的增重及對(duì)水環(huán)境中懸浮物、COD、氨氮含量的影響,旨在從工廠化養(yǎng)魚(yú)污染生態(tài)的角度探討投餌量與魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)和水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用許氏平鲉取自大連旅順海水養(yǎng)殖場(chǎng)，已經(jīng)過(guò)人工馴化。選擇健康魚(yú)用于試驗(yàn)，體質(zhì)量為4.2～14.8 g/尾，全長(zhǎng)為5～10 cm。試驗(yàn)裝置如圖1所示,有機(jī)玻璃水槽體積為30 L。

1.2 方法

試驗(yàn)用水取自大連市黑石礁海域，需沉淀4 h后過(guò)濾，鹽度為30，pH為7.8～8.2，水溫為17～19 ℃。試驗(yàn)前先將許氏平鲉幼魚(yú)暫養(yǎng)15 d,以適應(yīng)室內(nèi)水槽的養(yǎng)殖環(huán)境，并通過(guò)預(yù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)適宜的溶解氧。

試驗(yàn)分為3組，平均體質(zhì)量分別為4.3、14.1、5.1 g(分別記為A、B、C組)，每組放3尾魚(yú)。試驗(yàn)共進(jìn)行60 d，投餌量依次定為30、38、46、54、62、70、86、102、120、140、160、180、200、220、240 mg/d，每個(gè)投餌量檔次穩(wěn)定試驗(yàn)4 d，以探討投餌量對(duì)幼魚(yú)生長(zhǎng)和水質(zhì)指標(biāo)的影響。試驗(yàn)期間，每48 h換水1次，換水量為3/4，每次換水前攪勻，溶解氧控制在6.5～7.0 mg/L。換水前后從各組取水樣1次，用于懸浮物、COD、HN+4-N、DO的測(cè)定。水樣測(cè)定方法按照國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行。換水前用電子天平稱(chēng)量魚(yú)體的質(zhì)量。投喂的餌料為市售顆粒狀餌料，粒徑為0.6～1.2 mm。每天定量投餌2次，直接撒在水槽表面。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 The devices used in the experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 投餌量對(duì)幼魚(yú)體增重的影響

從圖2可見(jiàn)，A、B、C 3組魚(yú)的試驗(yàn)結(jié)果接近，均表現(xiàn)出明顯的三個(gè)階段：投餌量小于50 mg/d時(shí)，幼魚(yú)生長(zhǎng)較快，體質(zhì)量日增長(zhǎng)量呈直線上升趨勢(shì)，曲線斜率達(dá)到0.6左右；投餌量為50～160 mg/d時(shí)，幼魚(yú)生長(zhǎng)速度明顯變緩，體質(zhì)量日增長(zhǎng)量減小，曲線斜率下降為0.22～0.25；投餌量大于160 mg/d時(shí)，體質(zhì)量增加非常緩慢，曲線斜率僅為0.03～0.06，是第一階段的5%～10%，是第二階段的14%～24%。

圖2 投餌量對(duì)幼魚(yú)體增重的影響Fig.2 The effect of feeding amount on weight gain in the juveniles

試驗(yàn)結(jié)果與許氏平鲉的生長(zhǎng)規(guī)律一致。第一階段，由于投餌量過(guò)少，許氏平鲉一直處于饑餓狀態(tài)，因而對(duì)餌料的同化轉(zhuǎn)化率高，表現(xiàn)為體質(zhì)量增加速度很快。第二階段，隨著投餌量的增加，許氏平鲉的攝食量基本達(dá)到飽和，維持生長(zhǎng)的能量趨于平衡狀態(tài)，餌料的控制作用降低，因而對(duì)餌料的同化率降低，表現(xiàn)為體質(zhì)量增加速度降低。第三階段，許氏平鲉的攝食處于過(guò)飽和的狀態(tài)，攝入的能量過(guò)剩，多余的餌料不能被同化，表現(xiàn)為體質(zhì)量的增加速度趨于平衡。由此可見(jiàn)，第二階段和第三階段的分界點(diǎn)(拐點(diǎn))可以視為許氏平鲉的最佳投餌量(記為Mp)。各組的最佳投餌量相等，表明許氏平鲉在一定生長(zhǎng)期內(nèi)具有相對(duì)的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)中各組的最佳投餌量均為160 mg/d。

根據(jù)下式可以得出單位投餌量和增重率：

單位投餌量=投餌量/體質(zhì)量，

增重率=終末體質(zhì)量-初始體質(zhì)量初始體質(zhì)量×100%。

單位投餌量和增重率的關(guān)系曲線與圖2相似，也存在3個(gè)階段，但3組出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置有所不同。這表明日增長(zhǎng)量與魚(yú)體質(zhì)量的大小有關(guān)，即隨著體質(zhì)量的增加，增重速度減緩；最佳投餌量也與體質(zhì)量有關(guān)，即隨著體質(zhì)量的增加，投餌量逐漸減小。多種魚(yú)類(lèi)都存在類(lèi)似的規(guī)律[2]。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)和營(yíng)養(yǎng)平衡狀態(tài)下，許氏平鲉體質(zhì)量的總增量隨著體質(zhì)量的增加而增加，體質(zhì)量越大總增量越大，但并不是按比例增加，也就是說(shuō)單位體質(zhì)量增加速度不是固定不變的常數(shù)。本試驗(yàn)表明，隨著體質(zhì)量的增加單位增重速度減緩，表明單位體質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)換率降低，單位體質(zhì)量的合成數(shù)率降低，因而單位體質(zhì)量的攝食量也降低，這種降低的結(jié)果可能導(dǎo)致Mp在一定生長(zhǎng)期內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性。

2.2 投餌量對(duì)水體中懸浮物含量的影響

養(yǎng)殖水體中懸浮物含量的變化反映了殘餌、魚(yú)類(lèi)排泄和微生物降解等綜合過(guò)程。從圖3可見(jiàn)，投餌量與懸浮物含量的變化也表現(xiàn)出明顯的3個(gè)階段：第一階段，投餌量小于120 mg/d時(shí)，隨著投餌量的逐漸增多，懸浮物含量不斷增大；第二階段，投餌量為120～200 mg/d時(shí)，隨著投餌量的增加，懸浮物含量依然增加，但增加的速率有所減緩；第三階段，投餌量大于200 mg/d時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，懸浮物量增加的速率急劇變大。

圖3 投餌量對(duì)水體中懸浮物含量的影響Fig.3 The effect of feeding amount on suspended material level in the water

懸浮物含量的變化規(guī)律與許氏平鲉的生長(zhǎng)規(guī)律一致。第一、二階段，由于投餌量偏小，許氏平鲉的攝食量較少，處在未飽狀態(tài)，而餌料是同化的控制因素，魚(yú)類(lèi)的排泄量受其攝食量控制，水中也幾乎沒(méi)有殘餌，因而懸浮物含量變化很小。第三階段，投餌量超過(guò)了魚(yú)類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)需求，魚(yú)類(lèi)不會(huì)自我控制攝食，當(dāng)投餌過(guò)量時(shí)，魚(yú)吃飽后攝食欲望雖然降低，但不會(huì)停止攝食。這時(shí)，將導(dǎo)致兩種情況發(fā)生：第一，由于營(yíng)養(yǎng)供給大于吸收(同化)能力，攝食量大于消化能力，排泄量大幅增加；第二，部分餌料來(lái)不及被攝食，成為了殘餌。排泄量和殘餌量的增加，導(dǎo)致水體中的懸浮物含量快速增加。第二階段和第三階段的分界點(diǎn)(拐點(diǎn))表明了投餌明顯過(guò)量，可以視為許氏平鲉養(yǎng)殖中過(guò)量投餌的指示點(diǎn)，記為SZ。各組的SZ相等，具有相對(duì)穩(wěn)定性。本試驗(yàn)中各組的SZ均為200 mg/d。

比較圖2和圖3可以看出，投餌量和日增長(zhǎng)量與投餌量和懸浮物含量的變化規(guī)律具有高度的一致性，SZ與Mp具有很好的相關(guān)關(guān)系。但兩者也存在一定的差別：第一，圖3第一階段與第二階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)沒(méi)有圖2明顯，這是因?yàn)榈谝浑A段魚(yú)類(lèi)的同化能力很強(qiáng)，因此，體質(zhì)量的增速較快，排泄的增速較慢；第二，SZ大于Mp，這是因?yàn)镸p是由同化能力決定的，而SZ是由消化能力決定的。餌料只有先被魚(yú)類(lèi)消化后，才能被吸收同化，因此魚(yú)類(lèi)的消化能力通常大于同化能力。SZ雖然滯后于Mp，但可以發(fā)揮同樣的作用，即通過(guò)水體中懸浮物的變化直接判斷魚(yú)類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，通過(guò)SZ間接地確定Mp。

根據(jù)下式可以得出單位懸浮物含量：

單位懸浮物含量=懸浮物含量/體質(zhì)量。

單位投餌量與單位懸浮物含量的關(guān)系曲線也存在3個(gè)階段，表明單位懸浮物含量的增加速率與體質(zhì)量有關(guān)，即隨著體質(zhì)量的增加，單位懸浮物含量也增加；單位體質(zhì)量投餌過(guò)量指示點(diǎn)與體質(zhì)量有關(guān)，即隨著體質(zhì)量的增加，單位體質(zhì)量投餌過(guò)量指示點(diǎn)減小。

2.3 投餌量對(duì)水體中COD含量的影響

有機(jī)物是水體污染的重要指標(biāo)，通常用化學(xué)需氧量(COD)表示。養(yǎng)殖水體中COD的增量同樣反映了殘餌、排泄、微生物降解等一系列過(guò)程。投餌量與水體中COD含量變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 投餌量對(duì)水體中COD含量的影響Fig.4 The effect of feeding amount on COD levels in the water

水體中COD含量的變化與懸浮物含量的變化規(guī)律幾乎相同。水體中的COD主要來(lái)自殘餌和魚(yú)類(lèi)的排泄物，而水體中微生物降解的貢獻(xiàn)很少。排泄物和殘餌中的COD分別與魚(yú)類(lèi)的排泄量(SP)、殘餌量(SC)呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于一個(gè)運(yùn)行正常的穩(wěn)定養(yǎng)殖系統(tǒng)，生物降解狀態(tài)點(diǎn)不變， 懸浮物中COD所占的比例穩(wěn)定，每天降解的COD和懸浮物中的COD所占的比例都可以視為常數(shù)。因此，COD可以表示為

COD=a·SP+b·SC-r，

(1)

式中：a、b分別為魚(yú)類(lèi)的排泄量(SP)、殘餌量(SC)中COD所占的比例；r為每天降解的COD總量。

r對(duì)懸浮物含量(S)的影響很小，令

k=(a·SP+b·SC)/(SP+SC)，

則式(1)可以寫(xiě)為

COD=k(SP+SC)-r

=k·S-r≈k·S，

(2)

式(2)表明，COD與懸浮物呈線性關(guān)系，近似呈正比關(guān)系。因此，投餌量與COD的關(guān)系和投餌量與懸浮物的關(guān)系近似，具有相同的特征：第一，也存在3個(gè)階段，第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯，本研究中稱(chēng)之為COD污染指示點(diǎn)，記為CZ；第二，試驗(yàn)結(jié)果和式(2)都表明CZ與SZ不僅性質(zhì)相同，而且數(shù)值近似相等；第三，COD污染指示點(diǎn)CZ也具有相對(duì)穩(wěn)定性。

2.4 投餌量對(duì)水體中氨氮含量的影響

氨氮(NH+4-N)也是水體污染的重要指標(biāo)，主要來(lái)自魚(yú)類(lèi)的排泄物和蛋白質(zhì)的生物氧化。養(yǎng)殖水體中氨氮含量的變化同樣反映了水體中的殘餌、排泄物和生物化學(xué)等一系列的降解過(guò)程。投餌量對(duì)水體中氨氮含量的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 投餌量對(duì)水體中氨氮含量的影響Fig.5 The effect of feeding amount and NH+4-N levels in the water

水體中氨氮含量的變化規(guī)律與COD含量的變化規(guī)律類(lèi)似。從圖5可見(jiàn)：氨氮的變化同樣也存在3個(gè)階段，第二階段與第三階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)比較明顯，記為氨氮污染指示點(diǎn)(NZ)，NZ也具有相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。NZ較CZ明顯滯后，這是因有機(jī)物生物降解過(guò)程中不斷釋放氨氮的結(jié)果。

2.5 水體自凈

水體自凈試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)魚(yú)移出，其它條件不變，試驗(yàn)共進(jìn)行5 d。結(jié)果表明，3組水體自凈的趨勢(shì)基本相同，COD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖6)。COD在天然水體中的自凈主要是水中好氧微生物的代謝降解，符合酶促反應(yīng)規(guī)律。本試驗(yàn)結(jié)果與天然水體的自凈規(guī)律一致。

3 污染生態(tài)模型

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行回歸分析，得出投餌量(T)與懸浮物含量(S)的回歸方程：

S=-18.86+1.082T-0.0069T2+0.0002T3，

(3)

圖6 水體自凈過(guò)程中連續(xù)5 d COD含量的變化規(guī)律Fig.6 The changes in the COD levels for consecutive 5 days

式中：S為水體中懸浮物的含量(mg/L)；T為投餌量(mg/d)。

用同樣方法可以得出投餌量與COD含量的回歸方程：

COD=0.16+0.977T-0.055T2+0.00017T3。

(4)

COD自凈符合水體自凈規(guī)律，采用Street-Phelps模式[8]：

C=C0exp(-kt)，

取對(duì)數(shù)，則得到

lnC=lnC0-kt,

采用最小二乘法估值，得出：

C=113.4exp(-0.68t),

(5)

式中：C為基質(zhì)COD含量(mg/L)；C0為基質(zhì)起始COD含量(mg/L)；t為時(shí)間(d)。

4 結(jié)論

1)許氏平鲉養(yǎng)殖過(guò)程中存在一個(gè)最佳投餌量(本試驗(yàn)中的最佳投餌量Mp為160 mg/d),并在一定的生長(zhǎng)期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。投餌量小于Mp時(shí)，許氏平鲉的生長(zhǎng)速度隨投餌量的增加而增加；投餌量大于Mp時(shí)，即便再增加投餌量，魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)速度也并不能提高。

2)投餌量對(duì)水體中懸浮物、COD、氨氮含量的影響與投餌量對(duì)魚(yú)體增重的影響具有高度的一致性；存在投餌過(guò)量指示點(diǎn)SZ、COD污染指示點(diǎn)CZ、氨氮污染指示點(diǎn)NZ。投餌量小于SZ、CZ、NZ時(shí)，水體中懸浮物、COD、氨氮的含量均隨投餌量的增加而緩慢增加；反之迅速增加。Mp、SZ、CZ、NZ具有相關(guān)性，即Mp=KS×SZ，CZ=SZ，NZ>SZ。

投餌量與懸浮物含量的關(guān)系模型為

S=-18.86+1.082T-0.0069T2+0.0002T3。

投餌量與水體中COD的關(guān)系模型為

COD=0.16+0.977T-0.055T2+0.00017T3。

許氏平鲉養(yǎng)殖水體中COD的自凈符合天然水體中COD的自凈規(guī)律，自凈模型為

C=113.4exp(-0.68t)。

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