環(huán)境因素對(duì)膠州灣栽培龍須菜的影響及生長預(yù)測模型構(gòu)建?

張敬宇， 周 偉， 郭 鵬， 隋正紅??

(1. 中國海洋大學(xué)海洋生物遺傳學(xué)與育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266003； 2. 江蘇海洋大學(xué)，江蘇省海洋生物資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 連云港 222005；3. 江蘇海洋大學(xué)，江蘇省海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 連云港 222005； 4. 江蘇海洋大學(xué)，江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 連云港 222005)

龍須菜屬于紅藻門(Rhodophyta)、紅藻綱(Rhodophyceae)、真紅藻亞綱(Florideae)、杉藻目(Gigartinales)、江蘺科(Gracilariaceae)。它的生長速度快，瓊膠含量高，養(yǎng)殖過程中還能吸收N、P等富營養(yǎng)元素，解決海水的富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1]。2018年江蘺養(yǎng)殖產(chǎn)量位列中國海藻產(chǎn)量第二，僅次于海帶(Saccharinajaponica)[2]。龍須菜作為江蘺栽培產(chǎn)業(yè)化中最成功的物種,是重要的產(chǎn)瓊膠海藻[3]。福建、山東、廣東作為江蘺養(yǎng)殖大省，占全國養(yǎng)殖面積95%以上[2]。山東作為養(yǎng)殖三大省中的唯一北方省份，在龍須菜南北輪養(yǎng)模式中起到了重要的作用。山東栽培海域覆蓋黃海和渤海，青島膠州灣頻臨黃海，且作為山東省龍須菜的栽培區(qū)具有較悠久的歷史，本次實(shí)驗(yàn)選擇青島膠州灣常規(guī)栽培海域作為實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)。

近年來越來越多的研究開始關(guān)注龍須菜與環(huán)境因素之間的關(guān)系。Li等[4]利用筏式栽培技術(shù)在青島海域?qū)σ吧堩毑诉M(jìn)行實(shí)地栽培實(shí)驗(yàn)，全年跟蹤調(diào)查藻體生物量及海水溫度變化，闡述了龍須菜生物量隨季節(jié)發(fā)生變化。Yang等[5]在青島膠州灣展開了相應(yīng)的龍須菜栽培優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)比較了不同栽培方式(水平掛養(yǎng)和垂直掛養(yǎng))及栽培水層對(duì)龍須菜生長的影響，發(fā)現(xiàn)水平掛養(yǎng)是最為優(yōu)異的栽培方式，垂直掛養(yǎng)中水層對(duì)龍須菜生長影響較為明顯。Zhou等[6]建立了龍須菜與黑鮶(Sebastodesfuscescens)共養(yǎng)體系，對(duì)5組處理體系中營養(yǎng)鹽的變化進(jìn)行定時(shí)檢測，數(shù)據(jù)顯示藻體生長吸收大量營養(yǎng)鹽，生物量的變化與營養(yǎng)鹽之間是存在關(guān)系的。陳偉洲等[7]利用07-1、07-2和981三種品系進(jìn)行海區(qū)實(shí)地栽培，采集了6周的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步研究顯示龍須菜生物量與海水溫度、透明度呈正相關(guān)性，與海水鹽度呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)性。狀東紅等[8]研究了龍須菜養(yǎng)殖與廣東深澳灣環(huán)境因子的變化特征，結(jié)果顯示龍須菜養(yǎng)殖能夠有效的吸收海水中的氨態(tài)氮和無機(jī)磷。

目前有關(guān)龍須菜海區(qū)栽培的影響因素研究相對(duì)較少，少數(shù)研究雖然關(guān)注了環(huán)境因素的影響，但取樣時(shí)間點(diǎn)較少、未能系統(tǒng)的針對(duì)龍須菜生長進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與海區(qū)實(shí)際栽培之間存在較大的差異，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)過程中，龍須菜的生長環(huán)境較為穩(wěn)定，無法真實(shí)地反映實(shí)際生產(chǎn)中環(huán)境因素與龍須菜生長狀況之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖中，根據(jù)養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行粗放式的管理，夾苗時(shí)間單一，水層固定等，忽略了不同季節(jié)環(huán)境因子，如溫度和光照的劇烈變化及耦合作用等對(duì)龍須菜生長的影響。因此，及時(shí)掌握龍須菜掛養(yǎng)層海水溫度、光照、鹽度、 pH 及營養(yǎng)鹽等生態(tài)因子的變化規(guī)律，研究海區(qū)栽培狀態(tài)下龍須菜生長與生態(tài)因子變化的響應(yīng)規(guī)律，顯得尤為重要。

本研究采用養(yǎng)殖最常用的方法，即通過藻段夾苗、水平掛養(yǎng)，采用“全浮筏式”栽培，對(duì)栽培狀態(tài)下兩種龍須菜品系魯龍1號(hào)和981的生長與生態(tài)因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，構(gòu)建龍須菜生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型。研究結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)自然海區(qū)栽培龍須菜的生長對(duì)生態(tài)因子的響應(yīng)規(guī)律具有重要意義，并可進(jìn)一步為龍須菜栽培實(shí)踐和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料方法

1.1 研究位點(diǎn)及材料處理

本次研究位點(diǎn)膠州灣位于中國黃海中部，面積近400 km2(見圖1)。

(白色曲線框內(nèi)顯示為栽培區(qū)域；白色箭頭指示為采樣點(diǎn)。The cultivation area is shown in the white curve box; sampling locations are shown by the white arrow.)

2015 年5～11月，在青島膠州灣龍須菜栽培區(qū)設(shè)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)(35°05′N～36°07′N，120°16′E～120°18′E)。站點(diǎn)內(nèi)所設(shè)龍須菜栽培架為單筏式全浮筏架，全長100 m，雙架間距6 m，架身每隔5 m懸黑色可再生浮球1個(gè)(或泡沫浮漂)，浮球漂浮在水體表面，距離主筏架20～30 cm，筏架方向與水流方向較為一致，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，環(huán)境較為穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)用龍須菜“魯龍1號(hào)”來自福建省連江羅源灣金牌漁業(yè)科技有限公司， 實(shí)驗(yàn)用龍須菜“981”來自福建省莆田市南日島栽培區(qū)，兩種品系的龍須菜均為栽培常用的二倍體。實(shí)地夾苗，夾苗用苗繩為聚乙烯材質(zhì)，單繩長6 m兩端預(yù)留各0.5 m，有效夾苗長度為5 m，夾苗起始量為每根苗繩2 kg龍須菜。夾苗后均勻分至各站點(diǎn)，水平掛養(yǎng)至筏架上，控制苗繩距離一致(距離水面約0.5 m)。在苗繩重量大于15 kg時(shí)進(jìn)行分苗，防止苗繩斷裂。

1.2 藻體生物量及日平均生長速率測定

采用便攜式電子稱(Model:WH-A03,China)，稱量空苗繩重量及起始夾苗后繩苗重量，二者差值為實(shí)際起始夾苗量W0；每站點(diǎn)每2周(t)測定10根單苗繩上藻體重量(去苗繩重)，記錄為Wt，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。根據(jù)以下公式，計(jì)算龍須菜日平均生長速率(Specific growth rate, SGR)[13]：

SGR(%·d-1)=(lnWt-lnW0)×t-1×100% 。

其中：W0起始夾苗鮮重；Wt培養(yǎng)t天后藻體鮮重；t培養(yǎng)時(shí)間。

1.3 環(huán)境因子監(jiān)測

環(huán)境因子的監(jiān)測與海區(qū)栽培實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，以保證龍須菜生物量的變化情況與環(huán)境因素之間一一對(duì)應(yīng)。具體操作如下：

溫度和光照：溫光測定采用高精度HOBO系列光照溫度記錄儀(Model: UA-002-64/Onset, USA)，實(shí)驗(yàn)期間每30 min采集一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

鹽度：海水相對(duì)鹽度測定采用手持式折光儀(LS10T, Suwei, China)測定，每2周測定1次，重復(fù)3次。

pH：海水pH測定采用pH計(jì)(STARTER 3100, OHAUS, China)，每2周測定1次，重復(fù)3次。

營養(yǎng)鹽：在龍須菜栽培水層，每站點(diǎn)每2周采集3次水樣。采集完成后，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后，即刻測定NH3-N、NO3-N、PO4-P和DIC(海水溶解無機(jī)碳)濃度，具體流程參考“Palintest Test Instructions”(YSI,USA)：利用YPM152和YAT1707配制NH4-N測量液；利用YAP163配制NO3-N測量液；利用YAP177配制PO4-P測量液；利用YAP188配制總堿度測量液(需結(jié)合測定pH，計(jì)算DIC)[11]，采用YSI便攜式分光光度計(jì)(YSI 9500, USA)測定上述測量液，記錄濃度讀數(shù)即可，表示單位為mg·L-1。

1.4 顯微觀察方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，收集少量材料(<5 g)于采樣袋中帶回觀察。使用雙目體式顯微鏡(SZ2-ILST, OLYMPUS, Japan)觀測龍須菜的表皮形態(tài)。使用手術(shù)刀將龍須菜表皮解剖下來，置于載玻片上，滴加少量海水后用蓋玻片輕壓封片置于正置顯微鏡(BX53, OLYMPUS, Japan)中觀察龍須菜表皮的顯微形態(tài)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理

數(shù)據(jù)分析利用軟件SPSS 21.0(IBM,USA)，分析中顯著性水平p<0.05。栽培龍須菜藻體生長速率與生態(tài)因子相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)性分析；對(duì)模型整體的評(píng)價(jià)采用F檢驗(yàn)；回歸模型的系數(shù)采用t檢驗(yàn)；對(duì)模型貢獻(xiàn)程度采用Shapley值法進(jìn)行計(jì)算；模型構(gòu)建過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)只保留小數(shù)點(diǎn)后三位。

本研究中，海水溫度與光照強(qiáng)度是指HOBO儀器每隔30 min記錄的海水的實(shí)際溫度與實(shí)測的光照強(qiáng)度。其中，日均溫度的計(jì)算過程如下：

式中，T1至T48指24 h記錄的48組數(shù)據(jù)。以本公式計(jì)算出的Taver指代日均氣溫。

文中分析使用的光照強(qiáng)度值是由HOBO儀器所記錄的一天之內(nèi)48組光照強(qiáng)度的平均值，以此指代這一天的光照強(qiáng)度。文中光周期用來表示光照時(shí)長，計(jì)算方法是HOBO儀器所記錄的光強(qiáng)第一個(gè)非零值到記錄的最后一個(gè)非零值之間的時(shí)長。

文中所用的DIC(海水溶解無機(jī)碳)是根據(jù)總堿度與pH值計(jì)算而來，計(jì)算過程如下：

2 結(jié)果

2.1 龍須菜生物量及生長速率的動(dòng)態(tài)變化

膠州灣龍須菜的栽培持續(xù)近6個(gè)月，整個(gè)栽培季共分苗2次，分別在7月1日和28日(見圖2)。

圖2 膠州灣栽培季節(jié)龍須菜單繩生物量變化

本實(shí)驗(yàn)開始至第一次分苗共計(jì)8周，在此期間龍須菜生長速率整體較快。夾苗起始量分別為(1.67±0.06) kg FW/繩(魯龍1號(hào))和(1.72±0.18) kg FW/繩(981)，二者無明顯差異(p>0.05)；至7月1日龍須菜魯龍1號(hào)和981生物量分別達(dá)到(18.41±2.75) kg FW/繩和(13.71±3.02) kg FW/繩。收獲龍須菜魯龍1號(hào)的生物量顯著高于981(p<0.05)。將龍須菜收獲后重新夾苗，起始量分別為(2.73±0.25) kg FW/繩(魯龍1號(hào))和(2.63±0.16) kg FW/繩(981)。自夾苗后，龍須菜生物量累計(jì)更加迅速，經(jīng)4周實(shí)地栽培龍須菜生物量達(dá)到(16.07±1.10) kg FW/繩(魯龍1號(hào))和(12.77±0.55) kg FW/繩(981)，均顯著高于起始夾苗量；收獲龍須菜魯龍1號(hào)生物量也明顯高于龍須菜981(p<0.05)。7月28日分苗后，夾苗起始量分別為(2.95±0.05) kg FW/繩(魯龍1號(hào))和(3.23±0.25) kg FW/繩(981)。在此階段，龍須菜生物量經(jīng)歷短暫的高速累積后迅速下降，之后一直維持在較低的水平。

在膠州灣不同栽培時(shí)期中，龍須菜生長速率表現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)(見圖3)。5月18日～8月12日期間，龍須菜長勢較好。初期長勢總體較為平穩(wěn)，在5%左右浮動(dòng)。7月1日～7月12日期間，生長速率達(dá)到最高值，其中魯龍1號(hào)的生長速率為(9.12±0.65)%·d-1，981的生長速率為(5.79±0.34)%·d-1。8月26日之后，龍須菜生長速率呈負(fù)增長，分別在8月26日和11月10日達(dá)到最低點(diǎn)。

不同品種(魯龍1號(hào)和981)在整個(gè)階段的生長速率變化趨勢相一致，表現(xiàn)為“同正或同負(fù)”。具體到每次采樣，魯龍1號(hào)的生長速率較981具有優(yōu)勢；特別在7月份，魯龍1號(hào)的生長速率顯著高于981(p<0.05)，在8月12日之后，兩種品系之間不存在顯著性差異(p>0.05)(見圖3)。

圖3 膠州灣栽培季節(jié)龍須菜比生長速率變化

2.2 膠州灣栽培海區(qū)環(huán)境因子動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 溫度和光照 在膠州灣海區(qū)中，海水的溫度隨栽培時(shí)間發(fā)生規(guī)律性變化，呈先上升后下降的趨勢，具有明顯的峰值(見圖4)。栽培初期，海水溫度在15 ℃左右，隨后逐步上升。8月份，海水溫度達(dá)到25 ℃以上，全天水溫>26 ℃的天數(shù)為19 d，最高水溫>28 ℃的天數(shù)為21 d，高溫持續(xù)了近3周的時(shí)間，隨后開始初步降低。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溫度已經(jīng)下降到15 ℃以下。

圖4 膠州灣栽培季節(jié)海水溫度變化

膠州灣海區(qū)龍須菜栽培層中，日光強(qiáng)度的日變化程度劇烈(見圖5)。記錄的瞬時(shí)最強(qiáng)的光照強(qiáng)度在7月1日上午11：30，為1 388.8 μmol·m-2·s-1；日平均光照強(qiáng)度最高的是7月1日～7月12日，數(shù)值為321.6 μmol·m-2·s-1；7月12日～7月28日和10月28日～11月10日的日平均光強(qiáng)較低，分別為22.25和20.07 μmol·m-2·s-1。在整個(gè)栽培光照監(jiān)測中，出現(xiàn)高光照(光強(qiáng)>200 μmol·m-2·s-1)的次數(shù)為243次，占總檢測數(shù)的5.23%。

圖5 膠州灣栽培季節(jié)海面日平均光強(qiáng)變化

2.2.2 營養(yǎng)鹽與海水溶解無機(jī)碳 在膠州灣內(nèi)，對(duì)龍須菜可大量利用的碳素和氮素、磷素營養(yǎng)鹽進(jìn)行檢測，主要包括：氨態(tài)氮(NH4-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、磷酸磷(PO4-P)及DIC(海水溶解無機(jī)碳)，結(jié)果如圖6所示，在不同的栽培階段各環(huán)境因素表現(xiàn)各不相同。

圖6 膠州灣栽培季節(jié)海水營養(yǎng)鹽與溶解碳變化情況

海水中溶解碳(DIC)初期的濃度值為(1.847±0.077) mmol·L-1，經(jīng)過3個(gè)月的時(shí)間，膠州灣海水溶解碳的濃度下降至(1.600±0.042) mmol·L-1，與實(shí)驗(yàn)初期有顯著性差異(p<0.05)。8月份后海水溶解碳濃度緩慢回升，恢復(fù)至實(shí)驗(yàn)初期的水平，無顯著性差異(p>0.05)，總體呈先下降后上升的趨勢。

NH4-N在0.082～0.799 mg·L-1范圍內(nèi)，呈先上升后下降，最后趨于平穩(wěn)的趨勢。5月至6月期間一直維持在較低的水平，最低點(diǎn)出現(xiàn)在6月份，濃度值為(0.082 4±0.002) mg·L-1；高峰出現(xiàn)在8月份，濃度值為(0.596±0.220) mg·L-1，與初期的低濃度有顯著性差異(p<0.05)。隨后逐步下降，9月份后較為平穩(wěn)，未發(fā)生顯著性變化(p>0.05)。NO3-N濃度沒有顯著的變化(p>0.05)，平均值為(0.133±0.034) mg·L-1；最高濃度出現(xiàn)在10月28日，數(shù)值為(0.204±0.100) mg·L-1；最低濃度出現(xiàn)在6月17日，數(shù)值為(0.097±0.017) mg·L-1。

在栽培期間，PO4-P濃度整體呈下降趨勢。初始濃度為(0.027±0.006 9) mg·L-1；10月12日到達(dá)最低峰，為(0.009±0.004) mg·L-1，兩者具有顯著性差異(p<0.05)。

2.2.3 鹽度、pH、光周期 在青島膠州灣栽培海區(qū)，對(duì)海水理化性質(zhì)及影響龍須菜生長的環(huán)境因子(光周期)作進(jìn)一步檢測，結(jié)果表明(見圖7)：在不同時(shí)期，海水鹽度、pH和濁度保持在較為平穩(wěn)的水平。海水鹽度表現(xiàn)的最為平穩(wěn)，幾乎無波動(dòng)，均值為31.4±1.5；pH呈先上升后下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢，高峰出現(xiàn)在6月1日與6月12日，為8.17±0.85，與8月12日之后的各組pH之間具有顯著性差異(p<0.05)。濁度圍繞1.8 m上下波動(dòng)較為頻繁，均值為(1.80±0.37) m。光周期呈現(xiàn)規(guī)律性變化，隨栽培時(shí)間的推移逐漸縮短，初期變化幅度較小，均值為(13.8±0.6) h。8月份后逐步縮短，8月26日之后各組與實(shí)驗(yàn)初期的光周期之間具有了顯著性差異(p<0.05)。

圖7 膠州灣栽培季節(jié)海水鹽度、pH、濁度及光周期變化

2.3 龍須菜生長與環(huán)境因子關(guān)系

Pearson線性相關(guān)系數(shù)分析表明，在10個(gè)監(jiān)測的環(huán)境因子下，硝態(tài)氮和光周期與膠州灣栽培龍須菜比生長速率之間具有顯著相關(guān)性(見表1)。其中，硝態(tài)氮與膠州灣栽培的兩種龍須菜比生長速率之間的相關(guān)性分別為-0.56和-0.549(p<0.05)，光周期與兩種龍須菜比生長速率之間的相關(guān)性分別為0.743和0.729(p<0.01)。

表1 膠州灣栽培龍須菜生長速率與各環(huán)境因素的相關(guān)系數(shù)

在相鄰兩組之間(見表2)，兩種龍須菜的生長速率在相鄰兩組數(shù)據(jù)之間的變化較大，特別是在龍須菜生長較為迅速的6～7月，與生長顯著下降的8月份組間表現(xiàn)為極顯著的差異。而環(huán)境因素的變化相對(duì)較為平緩，除了溫度、光周期的個(gè)別組外，相鄰兩組之間的差異并不明顯。環(huán)境的平穩(wěn)變化造成了栽培龍須菜比生長速率較大幅度的改變，從一定程度上說明龍須菜生長對(duì)環(huán)境因素的變化較為敏感。

表2 膠州灣栽培龍須菜生長速率及環(huán)境因素組間差異性統(tǒng)計(jì)

2.4 栽培龍須菜顯微形態(tài)觀察

實(shí)驗(yàn)初期，龍須菜生長狀況較好，表明此時(shí)環(huán)境條件適合龍須菜的生長，龍須菜藻體表皮細(xì)胞排列緊密(見圖8a和f，箭頭)。

8月后，龍須菜生長速率有了顯著的下降，此時(shí)日平均溫度在25 ℃左右，龍須菜面臨高溫脅迫。在此階段，藻體發(fā)育產(chǎn)生四分孢子囊(見圖8b、g，箭頭)，周圍表皮細(xì)胞排列開始疏松(見圖8c、h，白色箭頭)，孢子囊發(fā)育成熟釋放四分包子后，留下大量“孔洞”(見圖8c、h，黑色箭頭)，表皮形態(tài)不完整，與苗繩鏈接處藻體脫落嚴(yán)重。

進(jìn)入9月后，水溫逐漸下降，龍須菜生長速率顯著回升，藻體開始恢復(fù)生長。藻體表面“孔洞”有愈合的趨向(見圖8d、i，箭頭)，但仍有疏松的部位(見圖8a、f和d、i)。

龍須菜在經(jīng)歷了短暫的恢復(fù)后，生長又開始下降。一方面，海水中營養(yǎng)鹽溶解碳、磷處于較低的水平；另一方面，光周期顯著下降，白天的時(shí)長已經(jīng)小于12 h。表皮層與愈合趨勢的“孔洞”，沿邊緣處擴(kuò)張，顯微鏡下“孔洞”透光性增強(qiáng)(見圖8e、j，黑色箭頭)，大量微藻、蟲卵等在潰爛處附生(見圖8e、j，白色箭頭)，龍須菜斷裂脫落現(xiàn)象嚴(yán)重。此時(shí)龍須菜狀態(tài)極差，與正常狀態(tài)下的龍須菜表皮形態(tài)有明顯的差別(見圖9)。

(a和f：6月17日；b和g：8月12日；c和h：8月26日；d和i：9月9日；e和j：10月28日。a～e：品種魯龍1號(hào)；f～j：品種981。標(biāo)尺=20 μm。 a and f: June 17; b and g: August 12; c and h: August 26; d and i: September 9; e and j: October 28. a～e: cultivar “Lulong no. 1”; f～j: cultivar “981”. Scale bar =20 μm.)

(a：6月17日；b：10月28日；標(biāo)尺=1 mm。a: June 17; b: October 28; Scale bar=1 mm.)

2.5 膠州灣栽培龍須菜生長模型初建

由于得到的龍須菜魯龍1號(hào)與981兩個(gè)品系的比生長速率變化趨勢一致(見圖3)，除7月份外其他時(shí)間均無顯著性差異(p>0.05)，故以魯龍1號(hào)的數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行模型構(gòu)建。將所有環(huán)境因素作為自變量，龍須菜生長速率為因變量構(gòu)建回歸模型(見表3)。由于對(duì)該模型整體的F檢驗(yàn)沒有通過顯著性測試(Sig.>0.05)，且模型系數(shù)的T檢驗(yàn)Sig.也均大于0.05，因此初始模型整體不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 以所有環(huán)境因素構(gòu)建的龍須菜生長初始模型*

以全部因素建立的模型不理想，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行篩選。通過對(duì)初始模型的權(quán)重分析來挑選影響最大的因素再次進(jìn)行模型的構(gòu)建。采取Shapley值分析方法定量的確定各項(xiàng)參數(shù)對(duì)初始模型R2的貢獻(xiàn)來提供參考(見表4)。

表4 不同因素對(duì)初始模型的重要性貢獻(xiàn)

在所有因素中，與龍須菜比生長速率最相關(guān)的光周期對(duì)初始模型的貢獻(xiàn)最高，為第二位PO4-P的2倍，其次為pH、DIC。這四種因素對(duì)初始模型的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重系數(shù)之和為0.6，即它們的貢獻(xiàn)之和占全部的60%。參與初始方程的構(gòu)建因素有9個(gè)，因此平均的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重系數(shù)為1/9，而其他的因素的貢獻(xiàn)均遠(yuǎn)低于此平均值。通過權(quán)重分析，說明光周期、PO4-P、pH、DIC這四種因素相較于其他因素對(duì)比生長速率有著更強(qiáng)的解釋能力。

以這4種因素分別構(gòu)建了單一因素、雙因素、三因素及四因素的四個(gè)模型來具體比較(見表5)。構(gòu)建的四個(gè)模型經(jīng)回歸模型方差分析檢驗(yàn)(Anova)均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Sig.<0.05)。從模型的系數(shù)來看，模型1、模型2和模型3的系數(shù)T檢驗(yàn)均未通過(Sig.>0.05)。模型4中的常量、光周期的系數(shù)T檢驗(yàn)Sig.均小于0.05，模型最為理想。

以模型4中的光周期因素為基礎(chǔ)，再將其他所有環(huán)境因素重新進(jìn)入模型中進(jìn)行比較，表現(xiàn)情況如表6所示。除鹽度因素外，其他雙因素模型的調(diào)整R2(見表6)均低于原模型4的調(diào)整R2(見表5)，且插入變量系數(shù)的t檢驗(yàn)均未通過(Sig.>0.05)，因此，選擇模型4作為最終建立的回歸模型。

表6 以模型4為基礎(chǔ)插入變量的表現(xiàn)

表5 以龍須菜比生長速率為因變量構(gòu)建的4個(gè)模型

綜合以上分析，確定最適合用來預(yù)測龍須菜比生長速率的回歸方程：YSGR=5.794X光周期-76.932(R2=0.511)。將觀測到的環(huán)境數(shù)據(jù)帶入此方程后，實(shí)際觀測值與預(yù)測結(jié)果如圖10所示。兩組數(shù)據(jù)整體無顯著性差異(p>0.05)。

圖10 膠州灣栽培龍須菜生長速率實(shí)測值與預(yù)測值

3 討論

3.1 栽培龍須菜的生長速率與環(huán)境因素的關(guān)系

在海區(qū)環(huán)境中，光照、溫度隨季節(jié)發(fā)生規(guī)律性變化。其中，天氣、海水的透明度等條件會(huì)影響龍須菜在生長過程中受到的實(shí)際光照，這使光照條件的變化較為頻繁。當(dāng)藻類暴露在高光強(qiáng)下，大型海藻表現(xiàn)出明顯的光抑制或者不可逆的光損傷[14]，反之當(dāng)光照條件不足時(shí)，藻類又不能充分地進(jìn)行光合作用影響生長。實(shí)驗(yàn)室條件下,100 μmol·m-2·s-1的光照強(qiáng)度比較適合龍須菜的生長[15]。本次實(shí)驗(yàn)中，龍須菜生長速率與光照強(qiáng)度之間呈一定的正相關(guān)關(guān)系，特別是7月1～12日受到的平均光照強(qiáng)度較強(qiáng)且龍須菜生長較快，9月22日～10月13日受到的平均光照強(qiáng)度較弱且龍須菜生長較慢(見圖5)，說明自然條件下膠州灣栽培龍須菜未受到光抑制，光照的提升有助于龍須菜的生長。溫度對(duì)植物的影響表現(xiàn)在低溫抑制、高溫?fù)p傷，相對(duì)于植物其它代謝活動(dòng)，高溫對(duì)光合作用的損傷最為敏感，尤其是PSII，引起膜脂的過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，促使細(xì)胞膜的功能受損，導(dǎo)致光合器官嚴(yán)重破壞[16]。在實(shí)驗(yàn)室條件下龍須菜的最適生長溫度為15～25 ℃[10]。本實(shí)驗(yàn)所得的溫度數(shù)據(jù)變化規(guī)律明顯，且數(shù)據(jù)覆蓋了15～25 ℃整個(gè)區(qū)間(見圖4)。實(shí)驗(yàn)初期，龍須菜生長較為穩(wěn)定，此時(shí)溫度由15 ℃逐步上升至25 ℃左右，此時(shí)龍須菜的生長并沒有隨溫度的變化而產(chǎn)生明顯的規(guī)律性變化，說明在15～25 ℃這一溫度區(qū)間內(nèi)，龍須菜均能正常生長。在7月28日之后，氣溫一直維持在25 ℃以上，最初兩周內(nèi)龍須菜生長維持正常，經(jīng)歷了兩周高溫與高光誘導(dǎo)后，龍須菜開始產(chǎn)生四分孢子(見圖8b和g)，此時(shí)龍須菜因?yàn)楸砥な艿綋p傷，生長狀態(tài)較差，同時(shí)藻體斷裂脫苗嚴(yán)重，導(dǎo)致繩上的生物量大幅下降。較長時(shí)間的高溫(>27 ℃)與高光的誘導(dǎo)不利于龍須菜的生長，這與Ren等實(shí)地栽培的結(jié)果一致[17]。

營養(yǎng)鹽的濃度與大型藻類的生長之間關(guān)系復(fù)雜，一方面藻類的生長需要營養(yǎng)鹽，較高濃度的營養(yǎng)鹽有利于藻類的生理活動(dòng)；另一方面，藻類的生長也會(huì)吸收營養(yǎng)鹽，使其濃度降低[18-20]。本次實(shí)驗(yàn)中DIC與氨態(tài)氮變化較為明顯(見圖6)。有研究表明龍須菜在高磷水平下，CO2的加富提高了龍須菜的光合作用能力。在實(shí)驗(yàn)期間，海水中的溶解碳濃度逐漸下降，在8月26日到底達(dá)低點(diǎn)，此時(shí)龍須菜生長速率顯著降低(p<0.01)。在DIC濃度逐步升高后，龍須菜生長也有一定程度的恢復(fù)。有研究表明栽培龍須菜能有效地吸收海水中的氨態(tài)氮，使其濃度降低[8]；在本次實(shí)驗(yàn)中，氨態(tài)氮的濃度與龍須菜的生長速率呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，這可能與龍須菜對(duì)氨態(tài)氮的吸收有關(guān)。在龍須菜栽培的海區(qū)，龍須菜的快速生長有效的利用了海水中的氨氮，使海區(qū)的氨氮濃度維持在較低的水平。

海水的酸堿度與鹽度較為穩(wěn)定(見圖7)，對(duì)養(yǎng)殖龍須菜的生長影響有限。海水濁度對(duì)龍須菜生長的影響，體現(xiàn)在影響龍須菜受到的光照方面。相關(guān)性分析表明，龍須菜生長與光周期呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，光周期的影響主要體現(xiàn)在和光照、溫度等的交互作用上，Zhou等[22]研究表明在光周期為LD 8:16～14:10 h 范圍內(nèi)，龍須菜最高的生長速率出現(xiàn)在LD 12:12 h，繼續(xù)縮短光周期不利于藻體生長。本研究中，龍須菜栽培至8月12日之后，光照期縮短至 (11.7±0.6) h，不利于藻體生物量積累，推測原因?yàn)楣庹掌诘目s短意味著光合作用總時(shí)長減少，藻體內(nèi)形成 ATP 時(shí)間減少，消耗ATP 時(shí)長增加(黑暗期)。同時(shí)，龍須菜受高溫高光影響放散四分孢子后藻體表面留有大量的孔洞(見圖8)，Wang 等[23]研究指出龍須菜孔洞形成后，需要通過光合作用產(chǎn)生大量能量(ATP)，用于愈合藻體表面孢子放散后留下的“傷口”，缺少ATP也不利于孔洞的愈合。

綜合以上，可見在實(shí)驗(yàn)初期環(huán)境因素適合龍須菜的生長。在溫度提高到25 ℃兩周時(shí)間后，誘導(dǎo)龍須菜放散四分孢子，藻體表面受到損傷；逐步縮短的光周期與較低的海水溶解碳濃度使龍須菜的光合作用減弱，產(chǎn)出的能量(ATP)一方面要修復(fù)藻體損傷，另一方面又要維持正常的生理活動(dòng)，ATP嚴(yán)重供給不足。損傷的進(jìn)一步擴(kuò)大使得情況更加惡劣，由此進(jìn)入惡性循環(huán)。因此，實(shí)驗(yàn)后期生物量的下降的主要原因是由于龍須菜受高溫誘導(dǎo)進(jìn)入繁殖期后，四分孢子的放散使藻體受損出現(xiàn)脫苗現(xiàn)象。

3.2 膠州灣龍須菜生長模型

模型的模擬可在實(shí)驗(yàn)室及室外實(shí)地環(huán)境下開展，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)條件過于穩(wěn)定，所構(gòu)模型未必適合海區(qū)環(huán)境。在海區(qū)環(huán)境中，光照強(qiáng)度變化最為劇烈，日變化可以從0～1 388.8 μmol·m-2·s-1間波動(dòng)，不同時(shí)間及同一時(shí)間不同地點(diǎn)均有明顯地變化；溫度變化次之，在不同的栽培階段，也發(fā)生明顯變化；營養(yǎng)鹽等其它海水理化指標(biāo)在特定時(shí)間內(nèi)維持較為穩(wěn)定的水平，復(fù)雜多變的環(huán)境和各環(huán)境因素間的交互作用，為模型的構(gòu)建增加了困難。通過逐步回歸的方法構(gòu)建的生長模型中，膠州灣龍須菜的生長與光周期(光照期)密切相關(guān)，以光周期的值來反映膠州灣栽培龍須菜的生長有較好的效果。其他因素雖然在逐步回歸中被多重共線性變量的篩選而被剔除，但并不說明對(duì)龍須菜生長無影響。精確模型的模擬需要大數(shù)據(jù)的支持[30]，為了完善膠州灣龍須菜生長模型，需要掌握多組龍須菜生長狀況與環(huán)境因素累年變化的數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)獲得的膠州灣環(huán)境數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度大，平行性較好，且無異常數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)海域選在常規(guī)栽培海域，對(duì)于膠州灣海區(qū)具有一定的代表性。且膠州灣海區(qū)作為黃海沿岸重要的養(yǎng)殖區(qū)，實(shí)驗(yàn)反映了夏季北方龍須菜養(yǎng)殖環(huán)境因素的具體變化情況。但是由于龍須菜在中國南方北方均有栽培，各地區(qū)的環(huán)境因素存在一定的差異，所以單一地區(qū)的數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型具有較大的局限性。本模型針對(duì)膠州灣海域，能夠較好預(yù)測魯龍1號(hào)、981這兩個(gè)優(yōu)良龍須菜品種的生長狀況，也為不同海域龍須菜栽培動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建提供了借鑒。