基于兩種生物浮床的養(yǎng)殖池塘中浮游動物多樣性與水質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)性分析

陳 琴，高勝男，李恩軍，程光平，崔 亮，趙學(xué)倩，何緒偉，秦秀東

（1.廣西大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/廣西高校水生生物健康養(yǎng)殖與營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室，廣西 南寧 530005；2. 桂林市第二水產(chǎn)養(yǎng)殖場，廣西 桂林 541000）

【研究意義】浮游動物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅可以作為魚苗的重要開口餌料，同時也是鳙（Aristichthys nobilis）等濾食魚類的主要餌料。此外，浮游動物還能制約水中微生物和浮游植物大量繁殖，有效降低水體富營養(yǎng)化程度，對保持水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要作用［1-2］。浮游動物的生長繁殖受水環(huán)境影響大，對水環(huán)境變化敏感，其多樣性水平反映了水體健康狀況，是水質(zhì)監(jiān)測和水生態(tài)環(huán)境評價的重要指標生物，進行水質(zhì)因子對浮游動物多樣性影響程度的研究對養(yǎng)殖水體的調(diào)控和生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

【前人研究進展】有學(xué)者通過對海灣及河口地區(qū)浮游動物群落進行研究，分析了水文參數(shù)對浮游動物的影響［3-5］，研究了水庫湖泊水域浮游動物的群落動態(tài)特征及相關(guān)因子的影響［6-7］。目前關(guān)于淡水養(yǎng)殖池塘浮游動物的研究相對較少，多以鰱鳙、草魚、團頭魴等鯉科魚類為主要研究對象，如李學(xué)梅等［8］研究了鳙魚池塘中浮游動物群落結(jié)構(gòu)特征，李志斐等［9］研究了草魚等主養(yǎng)6種魚類的養(yǎng)殖池中浮游動物的群落結(jié)構(gòu)。目前利用灰色關(guān)聯(lián)性分析水質(zhì)因子多為評價水質(zhì)等級，如婁方瑞等［10］利用灰色關(guān)聯(lián)分析研究了水庫水體中浮游生物完整性指數(shù)與水體理化因子的關(guān)系。近年來，對黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）的研究主要集中在繁殖育種、養(yǎng)殖模式和營養(yǎng)評價等方面［11-14］，對黃顙魚養(yǎng)殖池塘浮游動物Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H）和Pielou 均勻度指數(shù)（J）多樣性與水質(zhì)因子間的關(guān)聯(lián)性分析尚未見報道?！颈狙芯壳腥朦c】黃顙魚是一種雜食性底棲魚類，其蛋白質(zhì)含量高且脂肪含量低，具有較高的經(jīng)濟價值和市場需求［15-18］。生物浮床是利用浮床植物對水體氮磷等物質(zhì)的吸收作用來調(diào)控和修復(fù)水質(zhì)的一種有效技術(shù)手段。本研究以水葫蘆浮床和水花生浮床的黃顙魚養(yǎng)殖池為實驗塘，對比兩種生物浮床對水質(zhì)的調(diào)控及對浮游動物的影響，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析諸水質(zhì)因子與浮游動物H值和J值的關(guān)聯(lián)性。與其他分析方法相比，灰色關(guān)聯(lián)分析法充分考慮水環(huán)境的不確定性，因此在利用信息效率和精度方面有較大優(yōu)勢［19-20］。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用H和J分析兩種生物浮床養(yǎng)殖塘中浮游動物的多樣性；利用灰色關(guān)聯(lián)分析浮游動物多樣性與主要水環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性，從浮游動物群落結(jié)構(gòu)的角度探究兩種生物浮床的優(yōu)劣。

1 材料與方法

1.1 實驗塘概況

實驗塘為廣西桂林市第二水產(chǎn)養(yǎng)殖場的4號、5號生產(chǎn)性池塘，面積均為1.13 hm2，平均水深約1.8 m，塘堤為片石水泥沙漿砌體，底泥厚度約50 cm。

2017年5月20日，兩試驗塘放養(yǎng)均重0.026 g的全雄黃顙魚苗種各32萬尾、均重650 g鰱魚種各720尾、均重920 g鳙魚各100尾。水葫蘆浮床塘設(shè)水葫蘆浮床，水花生浮床塘設(shè)水花生浮床，浮床面積均為700 m2，占池塘面積的6%。水質(zhì)監(jiān)測期間，水葫蘆浮床塘和水花生浮床塘的配合飼料總輸入量分別為14.2 t和17.0 t。試驗期為174 d。

1.2 采樣點設(shè)置和采樣頻率

采樣點為每口塘“長邊”的中部，離“浮床”約15 m、離塘堤約1.2 m處。

魚種放養(yǎng)當(dāng)天開始采樣，之后每隔30 d左右采樣1次。采樣期為1個養(yǎng)魚周期（2017年5月21日至11月14日），共采樣6次。

1.3 樣本采集和分析方法

浮游動物定性、定量樣本采集及種類鑒定、計數(shù)、分析等參照文獻［21-28］等資料要求進行。采集浮游動物樣品的同時，用便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定水溫（WT）、溶氧（DO）及pH值，用透明度盤測定水體透明度（SD）。其余水質(zhì)指標的測定在實驗室中完成：采用萘乙二胺分光光度法測定亞硝酸鹽氮(NO2-N）濃度，納氏試劑法測定水中氨態(tài)氮(NH3-N)濃度，鉬酸銨分光光度法測定總磷（TP）濃度，堿性過硫酸鉀法測定總氮（TN）濃度，堿性高錳酸鉀法測定化學(xué)需氧量（CODMn），碘量法測定5日生化需氧量（BOD5）。水樣采集和測定方法參考國家標準GB11892—89、國家環(huán)境保護標準HJ535—2009、水利行業(yè)標準SL88—2012和《水和廢水監(jiān)測分析方法》等［21］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 浮游動物多樣性指數(shù)計算及水質(zhì)評價標準實驗數(shù)據(jù)處理及分析采用 Excel 2007。生物量計算采用體積換算法［24］。采用H、J和Margalef 豐富度指數(shù)（D）分析浮游動物多樣性特征，H值計算公式為：

式中，ni為第i種的個體數(shù)，N為總個體數(shù)。

J反映浮游動物分布均勻程度，計算公式為：

式中，S為群落中生物的總種數(shù)。

D用于對相似環(huán)境條件下群落種類的多樣性比較，公式為：

式中，S為群落中生物的總種數(shù)，N為個體總數(shù)。

H值大小分為5個級別：H＜0.6，評價等級為1級，表示多樣性差；0.6＜H＜1.5，評價等級為2級，表示多樣性一般；1.6＜H＜2.5，評價等級為3級，表示多樣性較好；2.6＜H＜3.5，評價等級為4級，表示多樣性豐富；H＞3.5，評價等級為5級，表示多樣性非常豐富［29］。以H指標評價養(yǎng)殖水體污染狀況標準為：0≤H≤1，重污染；1＜H≤2，α-中污型；2＜H≤3，β-中污型；3＜H＜4，無/輕污染；H≥4，清潔能源［30-31］。

1.4.2 灰色關(guān)聯(lián)分析 灰色關(guān)聯(lián)分析是對系統(tǒng)內(nèi)部事物之間的狀態(tài)進行量化比較分析的方法［32］，利用數(shù)列的可比性定量地刻畫系統(tǒng)內(nèi)部主要因素之間的相關(guān)程度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，如果兩個因素變化的趨勢具有一致性，表示二者的關(guān)聯(lián)程度較高，反之關(guān)聯(lián)程度較低。

把水體環(huán)境作為一個灰色系統(tǒng)，采用Excel 2007分析浮游動物H和J與 WT、DO、pH、NH3-N、NO2-N等水質(zhì)指標的灰色關(guān)聯(lián)性；以浮游動物H值和J值為參考序列X0，以WT、DO、pH、NH3-N、NO2-N、COD、BOD5、TP、TN 和SD等10個水環(huán)境指標為比較序列Xi（i＝1，2，3，……，10），計算10個理化指標與H和J的關(guān)聯(lián)度，確定這10個理化指標對浮游動物多樣性的影響程度。

為消除不同量綱的影響，使用均值法對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，然后再進行關(guān)聯(lián)系數(shù)計算，從而得出關(guān)聯(lián)度［33-34］。無量綱化公式如下：

式中，Xb（K）為b檢測時期水域評估樣品的K項指標的無量綱化值；Xb（0）（K）為b檢測時期水域評估樣品各水質(zhì)指標的實測值；Xa（0）（K）為水環(huán)境質(zhì)量分類標準中各評估指標的標準值。

關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式如下：

式 中，Δij（k）=，為與在第k項差值的絕對值；Δmin、Δmax為Δij(k)的最小值和最大值；ρ為分辨系數(shù)，一般取值在0～1范圍內(nèi)，此處取ρ＝0.5。

關(guān)聯(lián)度計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)特征及動態(tài)變化

通過對2個監(jiān)測池塘一個養(yǎng)殖周期共6次樣品的鑒定分析，共檢測到浮游動物4大類23屬（表1），優(yōu)勢種均為輪蟲類，且以臂尾輪蟲屬、晶囊輪蟲屬占優(yōu)勢。其中，水葫蘆浮床塘檢出4大類23屬：原生動物門3屬，占13.0%；輪蟲類10屬，占43.5%；枝角類6屬，占26.1%；橈足類4屬，占17.4%。水花生浮床塘檢出4大類18屬：原生動物門2屬，占11.1%；輪蟲類9屬，占50.0%；枝角類4屬，占22.2%；橈足類3屬，占16.7%。相對來說，水葫蘆浮床塘浮游動物種（屬）多于水花生浮床塘，前者比后者高27.7%，表明水葫蘆浮床塘浮游動物的多樣性水平高于水花生浮床塘。

從表1及圖1、圖2可以看出，水葫蘆浮床塘、水花生浮床塘浮游動物種類最多均出現(xiàn)在7月，分別為16屬和15屬；最低值均出現(xiàn)在10月，分別為7屬和4屬；優(yōu)勢種均為輪蟲類。

表1 黃顙魚養(yǎng)殖池塘浮游動物種類組成Table 1 Species composition of zooplankton in culture pond of Pelteobagrus fulvidraco

圖1 水葫蘆浮床塘浮游動物種群組成動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of zooplankton population in water hyacinth floating bed pond

圖2 水花生浮床塘浮游動物種群組成動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of zooplankton population in alligator weed floating bed pond

2.2 浮游動物生物量、密度及豐富度指數(shù)的動態(tài)變化

水葫蘆浮床塘浮游動物平均密度和生物量分別為1 233 ind/L和22.606 mg/L，水花生浮床塘的平均密度和生物量分別為702 ind/L和6.799 mg/L。前者的密度和生物量比后者分別高75.6%和232.5%。由圖3可知，水葫蘆浮床塘、水花生浮床塘浮游動物密度和生物量的季節(jié)變化趨勢相似，其中密度均呈現(xiàn)從5月份開始逐漸增大，在8月份達到峰值，分別為3 972、1 592 ind/L；生物量則在7月份達到最大值，分別為62.3、24.9 mg/L，至10月份達最低值，為0.74、0.13 mg/L。

圖3 生物浮床池塘浮游動物密度及生物量變化Fig. 3 Change of zooplankton density and biomass in biological floating bed ponds

由表2可以看出，除11月份水花生浮床塘的D值較高外，其他時間水葫蘆浮床的D值均高于水花生浮床塘，認為水葫蘆浮床塘的浮游動物豐富度高于水花生浮床塘。

表2 生物浮床池塘浮游動物豐富度指數(shù)（D）季節(jié)變化Table 2 Seasonal variation of zooplankton richness index （D） in biological floating bed ponds

由表3可知，水葫蘆浮床塘和水花生浮床塘的橈足類分別占浮游動物生物量的81.42%和67.60%；其次是枝角類，分別占13.30%和18.34%；第三為輪蟲類，分別占5.27%和14.06%；原生動物為0。

2.3 浮游動物多樣性指數(shù)動態(tài)變化及水質(zhì)評價

H值是編排被檢測生物的種類和數(shù)量分布、定量顯示生物個體和生物種在群落中關(guān)系的信息［35］。浮游生物的多樣性對其生存的河流、湖泊、海洋等生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的多樣性起著重要作用［36］，被視為水體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的指示劑［37］。

H值越大，水體越清潔。

表3 生物浮床池塘浮游動物生物量變化及占比Table 3 Zooplankton biomass and its percentage in biological floating bed ponds

由表4可知，水葫蘆浮床塘浮游動物H值的季節(jié)性變化范圍為1.28～2.71，最大值出現(xiàn)在7月、為2.71，最小值出現(xiàn)在8月、為1.28，總體狀況為β-中污型；水花生浮床浮游動物H值的季節(jié)性變化范圍為0.838～2.83，最大值出現(xiàn)在11月、為2.83，最小值出現(xiàn)在8月、為0.838，總體狀況為α-中污型。從H均值看，水葫蘆浮床塘為2.05，水花生浮床塘為1.89，前者略高于后者，認為水葫蘆浮床塘水質(zhì)相對優(yōu)于水花生浮床塘。

表4 生物浮床池塘浮游動物多樣性指數(shù)、污染狀況及營養(yǎng)類型Table 4 Zooplankton diversity index, pollution status and nutrient types of biological floating bed ponds

2.4 池塘水質(zhì)理化指標

由表5可看出，監(jiān)測水體的的主要物理因子(SD、WT、pH)季節(jié)性變化較明顯，WT受氣溫變化的影響，最高值出現(xiàn)在盛夏的8月、9月，最低值出現(xiàn)在11月；SD和pH受養(yǎng)殖季節(jié)的影響，二者均呈“W”形變化趨勢。主要水化因子(DO、NH3-N、NO2-N、COD、BOD5、TP、TN)季 節(jié) 性變化差異較大，存在較大的空間變異，水體處于中污型狀態(tài)。由于周圍沒有生活污水直接排入池塘，故認為養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢水是導(dǎo)致水體污染的主要原因，其波動與池塘的養(yǎng)殖品種、載魚量和生物浮床等有較大關(guān)系。

表5 生物浮床池塘水質(zhì)理化指標Table 5 Physical and chemical index of water in biological floatind bed ponds

2.5 浮游動物多樣性指數(shù)與水質(zhì)因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

生物多樣性是衡量一個區(qū)域生物資源豐富程度的一個客觀指標，H值越高，群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。分別以浮游動物H值和J值為參考序列X0，以WT、DO、pH、NH3-N、NO2-N、COD、BOD5、TP、TN和SD等 10個水環(huán)境指標為比較序列Xi（i＝1，2，3，……10），計算10個理化指標與浮游生物H值和J值的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果（表6）表明，pH是第一影響因子，水葫蘆浮床塘、水花生浮床塘pH與H值和J值的關(guān)聯(lián)度分別為0.863、0.797，0.901、0.825；其次為WT，與H值和J值的關(guān)聯(lián)度分別為0.827、0.743，0.846、0.760；第三影響因子為DO，與H值和J值的關(guān)聯(lián)度分別為0.808、0.805，0.830、0.714。綜合來看，主要水質(zhì)因子對浮游動物多樣性的影響力從大到小依次為pH＞W(wǎng)T＞DO＞COD＞SD＞BOD5＞NH3-N＞TN＞TP＞NO2-N。

表6 生物浮床塘水質(zhì)因子與多樣性指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（J）的關(guān)聯(lián)度及其排序Table 6 Correlation degree of water quality factors with diversity index (H) and evenness index (J) and their ranking in biological floating bed ponds

3 討論

3.1 水質(zhì)因子對浮游動物的影響

在灰色關(guān)聯(lián)分析中，關(guān)聯(lián)度大小是各因子間相互影響、相互作用的外在表現(xiàn)。本研究利用灰色關(guān)聯(lián)法分析水質(zhì)指標與浮游動物關(guān)聯(lián)程度大小，結(jié)果表明，物理因子中pH對浮游動物多樣性指數(shù)的影響最大，WT次之，SD最?。辉谒蜃臃矫?，DO、COD、BOD5是影響浮游動物多樣性指數(shù)的關(guān)鍵因子，TN、TP、NO2-N對浮游動物多樣性指數(shù)的影響較小。這與前人研究結(jié)論相似，如姜英等［38］指出浮游動物的密度與pH值顯著相關(guān)，物種數(shù)及生物量與WT顯著相關(guān)。在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，是否可以通過調(diào)控主要水質(zhì)因子來提高或抑制養(yǎng)殖塘浮游動物多樣性，以提升養(yǎng)殖塘的生態(tài)水平，還有待進一步研究。

3.2 養(yǎng)殖魚類對浮游動物群落的影響

浮游動物的群落結(jié)構(gòu)受很多因素影響，其中池塘主養(yǎng)魚類就是一個重要因素。趙忠波［1］指出，魚類可以通過捕食作用來控制和調(diào)節(jié)水體中浮游動物的群落結(jié)構(gòu)。Tatrai 等［39］研究表明，雜食性魚類相對于慮食性魚類來說，對浮游生物群落結(jié)構(gòu)的影響更加復(fù)雜，對浮游生物群落結(jié)構(gòu)影響的上行效應(yīng)比下行效應(yīng)更加明顯。這是因為雜食性魚類的活動不僅能混合水體的分層，還能使上下水層的營養(yǎng)鹽分布更加均勻，并通過攪動底泥將其中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放出來，加速浮游生物的生長和繁殖，同時改變和調(diào)控浮游生物的群落結(jié)構(gòu)。本研究僅從單方面探究主要水質(zhì)因子對浮游動物的影響，而黃顙魚作為雜食性魚類，其對浮游動物的影響有待進一步研究。

3.3 兩種生物浮床對水質(zhì)的調(diào)控及浮游動物作用

近年來，池塘水質(zhì)修復(fù)的生態(tài)技術(shù)發(fā)展很快［40-42］，其中浮床植物系統(tǒng)是一種較新的水質(zhì)原位修復(fù)和控制技術(shù)。由于不同植物的生理特性不同、凈化富營養(yǎng)化水質(zhì)的效果不同，因此選擇出適合環(huán)境特點、具有較高凈化能力又有一定經(jīng)濟價值的浮床植物，是人工生物浮床要解決的關(guān)鍵問題之一［43］。李先寧等［44］研究認為，生物浮床通過浮床植物根部的吸收、吸附作用來消減水體中的氮磷等有機物質(zhì)，對TN、TP的去除率高達 83.7% 和 90.7%，并通過調(diào)控水質(zhì)來影響浮游植物的生長進而影響浮游動物。孔燕［45］指出，水葫蘆分泌的化感物質(zhì)會抑制藻類生長，可以有效凈化水體，緩解水體富營養(yǎng)化。本研究運用灰色關(guān)聯(lián)分析兩種生物浮床對浮游動物豐富度、多樣性及水質(zhì)因子等方面的影響，結(jié)果表明水葫蘆浮床塘的浮游動物種類、密度和生物量均高于水花生浮床塘；根據(jù)浮游動物多樣性指數(shù)（H）與水質(zhì)評價標準比較，水葫蘆浮床塘為β-中污型，水花生浮床塘為α-中污型。綜合分析認為，設(shè)置水葫蘆浮床較水花生浮床能更好地調(diào)控水質(zhì)及浮游動物的種群結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過對設(shè)置兩種生物浮床的黃顙魚養(yǎng)殖塘浮游動物及主要水質(zhì)因子進行一個養(yǎng)殖周期監(jiān)測，運用灰色關(guān)聯(lián)分析得出以下結(jié)論：（1）水葫蘆浮床塘的浮游動物豐度和多樣性水平均高于水花生浮床塘；兩種生物浮床塘浮游動物 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H）的動態(tài)變化趨勢大致相似。（2）在監(jiān)測水域的理化因子中，pH與浮游動物多樣性的關(guān)聯(lián)度最高，其次為WT、DO和COD；關(guān)聯(lián)度最低的為TN、TP、NO2-N。（3）水葫蘆浮床較水花生浮床在凈化水體、緩解水體富營養(yǎng)化方面略勝一籌。

在水生態(tài)系統(tǒng)中，浮游動物群落結(jié)構(gòu)和種類組成上的變化不但可以反映水污染程度，還能反映污染的發(fā)展方向。通常浮游動物種類增多、種群密度降低，表明水體污染程度較小、水質(zhì)較好；反之，則表示水體污染的程度較大、水質(zhì)較差［46］。漁業(yè)作為養(yǎng)殖水域的重要調(diào)控手段之一，當(dāng)推生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，切實貫徹“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，而設(shè)置生物浮床是一種較好的生態(tài)養(yǎng)殖模式。鑒于本研究采樣時間和樣品數(shù)量有限，要廣泛地推廣和應(yīng)用此生態(tài)養(yǎng)殖模式，還需要作進一步深入探討。