文蛤動(dòng)態(tài)能量收支模型參數(shù)的測(cè)定

何田妹，晁 敏

( 1.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306； 2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090)

參數(shù)的獲得是構(gòu)建DEB模型不可或缺的一部分，本研究在文蛤生理學(xué)研究的基礎(chǔ)上通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)間接測(cè)定建立文蛤DEB模型所需的7個(gè)參數(shù)，以期為今后構(gòu)建文蛤動(dòng)態(tài)能量收支生長(zhǎng)模型、量化能量在文蛤整個(gè)生活史階段的分配概況以及淺海灘涂貝類生態(tài)養(yǎng)殖容量評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 形狀系數(shù) ( shape coefficient,δm)

實(shí)驗(yàn)所用文蛤取自江蘇省如東縣自然海域?yàn)┩?。分別測(cè)定文蛤的殼長(zhǎng)及軟體部組織濕重，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量殼長(zhǎng)，用天平 ( 精度0.001 g)稱量軟體部組織濕重。軟體部組織的比重用排水法獲得為d=1.000 g·cm-3，根據(jù)公式(1)[7]回歸獲得形狀系數(shù)δm。

W=d(δmL)3

(1)

式 ( 1 ) 中，W為軟體部組織濕重 ( g ),d為軟體部組織比重 (軟體部組織濕重與體積之比,g·cm-3)，δm為形狀系數(shù)(無(wú)量綱)，L為文蛤殼長(zhǎng)(cm)。

1.2 阿侖尼烏斯溫度(Arrhenius temperature, TA)

實(shí)驗(yàn)所用文蛤清洗干凈后在實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水系統(tǒng)中暫養(yǎng)一周，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，文蛤相關(guān)生物學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。溫度梯度設(shè)為：10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，同一溫度條件分為規(guī)格相同的A、B、C 3組，每組2個(gè)平行，每個(gè)平行將1個(gè)文蛤輕輕放入裝滿水的塑料瓶中，立即蓋緊瓶蓋，呼吸時(shí)間為2 h。用便攜式溶氧儀(HACH HQ400d 多參數(shù)測(cè)定儀)測(cè)定實(shí)驗(yàn)前后的溶解氧。根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后的溶解氧濃度變化按公式(2)[8]計(jì)算單位時(shí)間干重耗氧率[R，mg·g-1DW·h-1]。

R=[(DO1-DO2)×V]/(Wt)

(2)

式(2)中，DO1、DO2為實(shí)驗(yàn)各組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)水中溶解氧的含量(mg·L-1)，V為實(shí)驗(yàn)所用的塑料瓶的體積(L)，W和t分別為實(shí)驗(yàn)所用文蛤的軟體部干重(g)和實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間(h)。

文蛤單位時(shí)間干重耗氧率的對(duì)數(shù)與水溫的熱力學(xué)溫度倒數(shù)的回歸計(jì)算阿侖尼烏斯溫度TA，計(jì)算公式[9]為：

lnR=a×T-1+b

(3)

阿侖尼烏斯溫度TA即為式 (3) 中斜率a的絕對(duì)值。

1.3 饑餓實(shí)驗(yàn)

取同一規(guī)格的文蛤500個(gè)置于實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水系統(tǒng)中，進(jìn)行饑餓實(shí)驗(yàn)。文蛤生物學(xué)數(shù)據(jù)如表2所示。每7 d取文蛤5個(gè)，在溫度為 25℃條件下測(cè)定單位耗氧率，另取文蛤5個(gè)，測(cè)定總濕重、軟體部組織濕重、軟體部組織干重、軟體部組織有機(jī)物含量。軟體部組織干重是文蛤軟體部組織濕重在60 ℃的烘箱中烘3 d后的重量，軟體部組織有機(jī)物是軟體部組織干重在 450℃馬弗爐中灼燒4 h前后的質(zhì)量差。饑餓實(shí)驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志為軟體部組織干重不再降低，呼吸耗氧保持穩(wěn)定。

軟體部組織干重恒定時(shí)的重量為文蛤結(jié)構(gòu)物質(zhì)的重量。文蛤體內(nèi)單位體積存儲(chǔ)物質(zhì)能量與單位體積結(jié)構(gòu)物質(zhì)能量的計(jì)算公式[8]如下：

單位體積存儲(chǔ)物質(zhì)能量：

[EM]=k×(W0×C0-W1×C1)/V

(4)

單位體積結(jié)構(gòu)物質(zhì)能量：

[EG]=W1×C1×k/(Tr×V)

(5)

式(4)、式(5)中，[EM]為單位體積存儲(chǔ)物質(zhì)能量( J·cm-3)，k為有機(jī)物能值(k=23 kJ )[5]，W0為軟體部組織干重的初始值( g )，C0為實(shí)驗(yàn)初始時(shí)貝類軟體部組織有機(jī)物含量( % )，W1為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)保持恒定軟體部組織干重( g )，C1為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)貝類軟體部組織有機(jī)物含量( %)，V為軟體部組織的體積( cm3)，[EG]為單位體積結(jié)構(gòu)物質(zhì)能量(J·cm-3)，Tr為生長(zhǎng)效率的轉(zhuǎn)換系數(shù)(40% )[5]。

1.4 攝食實(shí)驗(yàn)

采用靜水系統(tǒng)法于25℃測(cè)定文蛤的攝食率。設(shè)置鹽度為27，扁藻 (Platymonas)濃度分別為3.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00、14.00、16.00 mgPOM·L-1，每組設(shè)2個(gè)平行。每個(gè)平行選擇大、中、小 3種規(guī)格的文蛤各3個(gè)，放入容積為2.5 L的龍頭瓶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2 h。實(shí)驗(yàn)前后各取1 L海水抽濾。濾膜抽濾前用蒸餾水沖洗，在450 ℃的馬弗爐中灼燒6 h后稱重W0,濾膜抽濾后用濃度為0.5 mol·L-1的甲酸銨充分漂洗后在60 ℃烘箱中烘干48 h后稱重W1，再將濾膜放入馬弗爐中450 ℃灼燒6 h后稱重W2。攝食率的計(jì)算公式如下[10]：

表1 測(cè)定耗氧率的文蛤生物學(xué)數(shù)據(jù)Tab.1 Biological parameters of M.meretrix used for oxygen consumption rate

表2 饑餓實(shí)驗(yàn)文蛤生物學(xué)數(shù)據(jù)Tab.2 Biological parameters of M.meretrix in starvation experiment

攝食率：

IR=V×(C0-Ct)/(Wt)

(6)

CPOM=(W1-W2)/V

(7)

式 (6)、式(7)中，V為實(shí)驗(yàn)水體體積 ( L )，W為軟體部干重 (g)，t為實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，C0、Ct分別為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)餌料的濃度，用CPOM表示 [mg·L-1，POM 為顆粒有機(jī)物 (particulate organic matter, POM )]，IR為攝食率 (mgPOM·g-1·h-1)，W1、W2值見(jiàn)前文。

單位時(shí)間單位體表面積最大攝食率：

(8)

單位時(shí)間單位體表面積最大吸收率：

(9)

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010初步整理后用IBM SPSS Statistics 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差( Mean±SD)表示，圖用Origin 2017軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 文蛤形狀系數(shù)

所選文蛤殼長(zhǎng)為2.911～4.302 cm，殼高為2.461～3.661 cm，殼寬為 1.390～2.234 cm，總濕重 6.880～23.220 g，軟體部組織濕重為1.040～3.710 g，軟體部組織干重 0.170～0.790 g。對(duì)濕肉重的立方根和殼長(zhǎng)進(jìn)行線性回歸，所得的斜率即為形狀系數(shù) (圖1 )，結(jié)合排水法獲得軟體部的比重,由此得到文蛤的形狀系數(shù)值為0.374。

2.2 阿侖尼烏斯溫度TA

阿侖尼烏斯溫度用不同溫度下文蛤耗氧率計(jì)算得到。不同溫度文蛤耗氧率如圖2所示 :文蛤耗氧率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，溫度為30 ℃文蛤耗氧明顯高于其他幾個(gè)溫度(P<0.05)。10～30 ℃隨著溫度的升高，文蛤的耗氧率逐漸升高，當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃后，文蛤的耗氧率開(kāi)始下降。溫度為30 ℃時(shí)，耗氧率達(dá)到最大值2.78 mg·g-1DW·h-1。A、B、C 3組文蛤耗氧率對(duì)數(shù)和相應(yīng)的熱力學(xué)溫度的倒數(shù)進(jìn)行線性回歸 ( 圖2)，得到的回歸關(guān)系式分別為:A組:y=-5 211.39T-1+17.60(R2=0.625 2)；B組：y=-6 034.98T-1+20.61(R2=0.734 0)；C組：y=-6 301.57T-1+21.38(R2=0.707 6)。TA為線性回歸方程斜率的絕對(duì)值，獲得模型所需的阿侖尼烏斯溫度平均值為(5 849.31±328.11) K。

圖1 文蛤軟體部組織濕重與殼長(zhǎng)的關(guān)系Fig.1 Relation between shell length(L) and somatic wet mass (W) of M.meretrix. 注：a. 殼長(zhǎng)(L) 與軟體部組織濕重(W) 的關(guān)系；b. 殼長(zhǎng)(L) 與軟體部濕重的立方根的關(guān)系Note: a. the relation between somatic wet mass and shell length; b. the relation between somatic wet mass and shell length

圖2 耗氧率與溫度的關(guān)系Fig.2 Relation between oxygen consumption rate and temperature注：a. 溫度對(duì)文蛤耗氧率的影響；b. A、B、C組文蛤耗氧率的阿侖尼烏斯圖Note: a. effects of temperature on oxygen consumption rate of M.meretrix；b. Arrhenius plot for the oxygen consumption rate of M.meretrix.

2.3 饑餓實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

由圖3可以看出，隨著饑餓時(shí)間的延長(zhǎng)，文蛤的耗氧率呈下降趨勢(shì)，至45 d后，文蛤的耗氧率幾乎不變。實(shí)驗(yàn)前后文蛤的耗氧率降低了約89%，文蛤軟體部干重實(shí)驗(yàn)后降低33%左右(圖4)，軟體部干重維持恒定時(shí)的值約為0.330 g。經(jīng)過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)前文蛤軟體部有機(jī)物含量為91.33%，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后軟體部有機(jī)物含量為82.36%。各部分的干重如圖5所示。

文蛤的軟體部組織干重在30 d后幾乎保持不變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后有機(jī)物的含量及有機(jī)物的能值形狀系數(shù)，得到貝類結(jié)構(gòu)物質(zhì)能量 [EG] 為5 682.84 J·cm-3。

貝類存儲(chǔ)物質(zhì)能量為初始能量與饑餓后剩余的結(jié)構(gòu)物質(zhì)能量之差，根據(jù)式 (4) 得到存儲(chǔ)物質(zhì)能量 [EM]為2 549.32 J·cm-3。

圖3 文蛤的耗氧率隨饑餓時(shí)間變化情況Fig.3 Changes in oxygen consumption rate ofM.meretrix during the starvation experiment

圖4 文蛤的軟體部干重隨饑餓時(shí)間變化情況Fig.4 Changes in dry flesh mass ofM.meretrix during the starvation experiment

圖5 文蛤的軟體部干重、存儲(chǔ)物質(zhì)的干重以及結(jié)構(gòu)物質(zhì)的干重隨饑餓時(shí)間的變化情況Fig.5 Changes in dry mass of tissue, storage of reserves and structure ofM.meretrix during the starvation experiment

2.4 單位時(shí)間單位體表面積最大吸收率

圖6 文蛤的攝食率與初始濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship between ingestion rate and initial food concentration of M.meretrix

3 討論

有關(guān)動(dòng)態(tài)能量收支生長(zhǎng)模型參數(shù)的估算已經(jīng)有許多研究報(bào)道，涉及的物種有魚(yú)類、貝類、蟹類等，其中貝類DEB模型參數(shù)測(cè)定的研究居多，如綠唇貽貝(Pernacanaliculus)[14]、僧帽牡蠣(Saccostreacucullata)[9]、貽貝(Mytilusedulis)[6]、蝦夷扇貝(Patinopectenyessoensis)[8]等，但對(duì)文蛤動(dòng)態(tài)能量收支模型參數(shù)的測(cè)定尚未見(jiàn)報(bào)道。

形狀系數(shù)通過(guò)殼長(zhǎng)與軟體部組織濕重回歸得到W=(0.374L)3(R2=0.722 5)，本研究測(cè)得的形狀系數(shù)值為0.374，國(guó)外曾報(bào)道紫貽貝(M.gaiioprovincialis)形狀系數(shù)值為0.224[15]，貽貝為0.274，鳥(niǎo)尾蛤(Cerastodermaedule)形狀系數(shù)值為0.381[5]，國(guó)內(nèi)對(duì)蝦夷扇貝的值測(cè)定為0.32。本研究結(jié)果較紫貽貝和貽貝高，而比鳥(niǎo)尾蛤低。有關(guān)貝類形狀系數(shù)報(bào)道顯示，δm為0.175～0.381，本研究δm在已報(bào)道范圍內(nèi)。

阿侖尼烏斯溫度，其理論基于阿侖尼烏斯方程，通過(guò)該理論獲得的阿侖尼烏斯溫度已經(jīng)成功應(yīng)用于生物動(dòng)態(tài)能量收支生長(zhǎng)模型的構(gòu)建。本研究通過(guò)耗氧率對(duì)數(shù)與熱力學(xué)溫度倒數(shù)回歸計(jì)算獲得文蛤阿侖尼烏斯溫度為(5 849.31±328.11) K。不同種生物阿侖尼烏斯溫度不同，如原綠球藻(Prochlorococcusmarinus)[16]、貽貝[5]、美洲牡蠣(Crassostreavirginica)[17]和澳洲短頸龜(Pseudemyduraumbrina)[18]阿侖尼烏斯溫度分別為7 964.5 K、5 800 K、6 920 K和19 731 K。此外，不同學(xué)者進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)物種規(guī)格的分組情況有所差別，有的學(xué)者采用同一規(guī)格僧帽牡蠣[9]研究該物種阿侖尼烏斯溫度，有的學(xué)者采用不同規(guī)格蝦夷扇貝[8]研究其阿侖尼烏斯溫度，結(jié)果表明兩種分類方式都能較好的獲得阿侖尼烏斯溫度。本研究采用相同規(guī)格文蛤測(cè)定耗氧率，通過(guò)耗氧率計(jì)算阿侖尼烏斯溫度，有關(guān)文蛤的阿侖尼烏斯溫度尚未見(jiàn)報(bào)道，無(wú)法與同類結(jié)果進(jìn)行比較。不同的分類獲得阿侖尼烏斯溫度值是否有差別，在今后的研究中，這是研究方向之一。另外，還可以探討其他分類方式如按不同軟體部干重等研究阿侖尼烏斯溫度, 比較不同分類之間的差別。

文蛤DEB模型參數(shù)的獲取是構(gòu)建文蛤DEB模型不可缺少的一部分，有關(guān)雙殼類DEB模型的報(bào)道較多，尚未見(jiàn)文蛤DEB模型的有關(guān)報(bào)道。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了建立文蛤DEB模型所需的7個(gè)參數(shù)，相關(guān)模型參數(shù)的獲得可為文蛤DEB模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在文蛤養(yǎng)殖生態(tài)容量模擬研究中進(jìn)一步優(yōu)化。