秀麗白蝦(Exopalaemon modestus)對亞熱帶湖庫春夏季水體營養(yǎng)水平和浮游生物群落的影響
——基于微宇宙模擬實驗*

寧曉雨，張 磊,，陳坤全，韓財安，李啟升，李寬意,4，何 虎，趙璧影

(1:滁州學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，滁州 239000) (2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008) (3:江西生物科技職業(yè)學(xué)院，南昌 330200) (4:中國科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院，北京 100049) (5:江蘇大學(xué)國際基因組學(xué)研究中心，鎮(zhèn)江 212013)

秀麗白蝦(Exopalaemonmodestus)隸屬于長臂蝦科(Palaemonidae)、白蝦屬(Exopalaemon)，廣泛分布于我國大型湖庫，如太湖、洞庭湖、三峽水庫等[1-3]. 秀麗白蝦在這些湖泊中的產(chǎn)量和產(chǎn)值均較高，是主要經(jīng)濟漁獲對象之一. 例如，秀麗白蝦是“太湖三白”之一，全湖白蝦產(chǎn)量曾達到2310.90 t[2]. 在鄱陽湖，秀麗白蝦和日本沼蝦占蝦年總產(chǎn)量的70%以上[4].

秀麗白蝦為一年生，壽命為12～14個月. 太湖秀麗白蝦大多于每年春季(4月)抱卵，形成苗汛[2]，并且在5—7月的水體中具有較高的現(xiàn)存量[1]. 研究發(fā)現(xiàn)秀麗白蝦為雜食性蝦類，處于平游期的秀麗白蝦主要以浮游植物和輪蟲為餌，隨著體型的增長，開始攝食枝角類和橈足類，也可攝食水生植物、碎屑、魚卵和底棲動物等[2,5]，總體而言偏好于動物性餌料. 對于亞熱帶地區(qū)湖庫，春季浮游動物群落通常以大型枝角類—溞屬(Daphniaspp.，后文簡稱Daphnia)為優(yōu)勢種類[6-7]. 例如Chen等調(diào)查發(fā)現(xiàn)2004年4月中旬太湖梅梁灣Daphnia的密度達到了50 ind./L[7], 楊麗麗等研究表明千島湖透明溞(D.hyalina)通常在3月達到生物量高峰，在整個春季都保持著較高的密度[8]. 大量研究表明Daphnia對浮游植物的牧食是抑制浮游植物生長，維持湖泊春、夏季清水態(tài)的重要機制[9-10]. 在此期間，秀麗白蝦等無脊椎動物捕食者的生長、繁殖和攝食活動可能會抑制浮游動物(特別是Daphnia)生長，通過營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng)，進而影響浮游植物生長和水體營養(yǎng)鹽循環(huán)[11]. 例如研究發(fā)現(xiàn)糠蝦(mysid)通過捕食浮游動物，間接促進了溫帶湖泊的富營養(yǎng)化，而且對于加拿大安大略湖(Lake Ontario)，在5月和8月, 糠蝦對浮游動物的攝食壓力甚至要高于魚類[12-13].

以往的研究從漁業(yè)的角度揭示了太湖、鄱陽湖、三峽水庫等大型湖庫秀麗白蝦的種群動態(tài)、繁殖生物學(xué)特征與食性[2-5]， 但是從食物網(wǎng)角度探討秀麗白蝦對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究較少. 本研究設(shè)計了一個微宇宙模擬實驗，探討我國亞熱帶湖庫秀麗白蝦對浮游動物、浮游植物群落以及水體營養(yǎng)水平的影響.

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)置

該實驗于中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(位于無錫市太湖梅梁灣;31°24′13″N,120°13′56″E)的湖岸平臺上進行，實驗于2020年4月7日開始，6月30日結(jié)束，共計84 d，秀麗白蝦在此期間可以繁殖一代，并生長至成體階段. 實驗設(shè)置為單因素，共2個處理組，分別為無蝦的對照組(C)和白蝦組(S). 每個處理組設(shè)置6個重復(fù)，共12個實驗單元. 實驗桶為定購的500 L大型聚乙烯實驗桶(桶高97 cm，上直徑為90 cm，下直徑為78 cm). 實驗開始前1個月，利用地籠在太湖梅梁灣捕獲足量秀麗白蝦，隨后放入盛有湖水的大型聚乙烯桶中暫養(yǎng).

實驗開始前半個月，抽取太湖梅梁灣湖水，經(jīng)過孔徑64 μm的浮游生物網(wǎng)過濾后注入各實驗桶中，每個實驗桶中注入480 L湖水. 隨后每桶添加100只蚤狀溞(D.pulex，后文簡稱Daphnia)，模擬大型枝角類占優(yōu)勢的春季浮游動物群落. 蚤狀溞的平均體長為1.6 mm，添加的密度約為0.2 ind./L，這個密度在春季太湖梅梁灣較為常見[7, 14]. 此外，每個桶放入8株仿真水草(株高90 cm, 形似水盾草Cabombacaroliniana)模擬沉水植物. 每個實驗桶內(nèi)的8株水草固定在1個共同的陶瓷底座(長20 cm，寬6 cm)上，底座放置在桶中間位置，每桶內(nèi)沉水植物的覆蓋度約為35%.

經(jīng)過半個月的培養(yǎng)，各個實驗桶形成了以Daphnia為優(yōu)勢(生物量占比超過90%)的浮游動物群落和以硅藻占優(yōu)勢(生物量占比超過80%)的浮游植物群落，各實驗桶浮游生物生物量和群落無明顯差異，此時實驗正式開始(2020年4月7日). 挑選事先準備好的規(guī)格一致的蝦添加到6個實驗桶中，每桶添加30尾，其中包括18尾雌體((0.5±0.15) g/尾)和12尾雄體((0.16±0.08) g/尾)，雌雄比為1.5，參照三峽水庫秀麗白蝦的年均性比[3]. 雌蝦比雄蝦具有更大的個體，符合自然水體中秀麗白蝦的雌雄異形現(xiàn)象[3]. 秀麗白蝦的初始密度約為22 g/m2, 與2015年太湖漁獲物的年捕獲量(21.7 g/m2)相當(dāng)[15]. 實驗期間每個實驗桶添加營養(yǎng)鹽(P: 5 μg/(L·d); N: 130 μg/(L·d))模擬湖泊外源負荷.

1.2 采樣與指標測定

實驗期間，每2周(14 d)采集1次水樣，采樣時間為上午8:00—9:00之間. 采樣時，先利用長竿將桶內(nèi)的水混勻，避免仿真水草帶來的空間異質(zhì)性. 然后，利用柱狀玻璃管(直徑6 cm，長64 cm)采集12 L混合水樣，取2 L水樣帶回實驗室分析. 于實驗室內(nèi)測定總氮(TN)、總磷(TP)、總?cè)芙獾?DTN)、總?cè)芙饬?DTP)和葉綠素a(Chl.a)濃度，測定方法依據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[16].

浮游動物每4周采集一次，將剩余的10 L混合水樣經(jīng)過64 μm浮游生物網(wǎng)過濾后，將浮游動物收集到50 mL小白瓶中，添加2 mL魯哥試劑保存，顯微鏡下進行計數(shù)、鑒定，浮游動物生物量根據(jù)各種類的體長-體重關(guān)系進行換算[17-18]. 實驗結(jié)束時，另取1 L混合水樣加入10 mL魯哥試劑保存. 顯微鏡下對浮游植物進行鑒定計數(shù)，其生物量根據(jù)各種類生物量經(jīng)驗值進行換算.

1.3 統(tǒng)計分析

所有作圖以及統(tǒng)計分析均在R軟件中進行[19]. TN、TP、DTN、DTP和Chl.a濃度以及TN∶TP、浮游動物總生物量、Daphnia生物量等時間序列數(shù)據(jù)采用廣義線性混合模型(GLMM)進行分析. GLMM在“glmmTMB”包中進行[20]，模型構(gòu)建時將白蝦作為固定因子，時間作為隨機因子，誤差項服從高斯分布. 實驗結(jié)束時2個處理組浮游植物和浮游動物各類群的優(yōu)勢度(生物量百分比)數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，我們采用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗(K-W檢驗)進行比較，顯著性水平為P<0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體營養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度

實驗期間2個處理組的TN濃度均呈現(xiàn)單峰變化趨勢，在6月2日(第56天)達到最高(圖1a). 模型結(jié)果表明白蝦組水體TN濃度顯著低于對照組(表1). 2個處理組TP濃度在前14 d穩(wěn)步下降，隨后對照組平均TP濃度穩(wěn)定在平均0.04 mg/L左右，而白蝦組TP濃度急劇上升，實驗結(jié)束時達到0.07 mg/L，白蝦組水體TP濃度顯著高于對照組(表1). 水體DTN濃度的時間變化趨勢與TN類似(圖1c)，秀麗白蝦同樣顯著降低了水體DTN濃度(表1). 與TP相反，白蝦顯著降低了水體的DTP濃度(圖1d; 表1). 此外，白蝦組水體TN∶TP 比值顯著低于對照組(表1；圖1e).

表1 秀麗白蝦對水體營養(yǎng)鹽和浮游生物生物量影響的統(tǒng)計結(jié)果(基于廣義線性混合模型GLMM)Tab.1 Effects of E. modestus on nutrient concentrations and plankton biomass based on GLMM

圖1 實驗期間2個處理組水體TN(a)、TP(b)、DTN(c)、DTP(d)、TN∶TP(e)和 Chl.a濃度(f)時間變化(平均值±標準誤, n=6)Fig.1 Temporal changes of TN(a), TP(b), DTN(c), DTP(d), TN∶TP(e) and Chl.a(f) concentrations in the two treatments during the experiment (Mean ± SE, n=6)

對照組Chl.a濃度一直維持在10 μg/L左右，而白蝦組水體Chl.a濃度隨時間逐漸升高，6月2日后平均Chl.a濃度穩(wěn)定在100 μg/L以上(圖1f). 統(tǒng)計分析表明白蝦組Chl.a濃度顯著高于對照組(表1).

2.2 浮游動物生物量

白蝦組水體浮游動物總生物量隨時間逐漸下降，對照組浮游動物生物量在春季(6月2日前)逐漸升高，隨后小幅下降(圖2a). 白蝦組浮游動物生物量一直呈下降趨勢(圖2a)，顯著低于對照組(表1). 白蝦組Daphnia生物量在實驗開始后急劇下降，在后3次采樣中均未檢出(圖2b). 相反，對照組Daphnia生物量在實驗期間一直維持在較高水平(圖2b). 統(tǒng)計分析表明白蝦組Daphnia生物量顯著低于對照組(表1).

圖2 實驗期間2個處理組浮游動物(a)、Daphnia pulex(b)生物量時間變化(平均值±標準誤, n=6)Fig.2 Temporal changes of zooplankton(a) and Daphnia pulex(b) biomass in the two treatments during the experiment (Mean ± SE,n=6)

表2 秀麗白蝦對浮游動物和浮游植物各類群優(yōu)勢度的影響(基于Kruskal-Wallis檢驗)Tab.2 Effects of E. modestus on dominance of each zooplankton and phytoplankton group based on Kruskal-Wallis tests

2.3 浮游生物群落

實驗結(jié)束時，秀麗白蝦顯著降低了Daphnia在浮游動物群落中的優(yōu)勢度(圖3a，表2). 對照組Daphnia的生物量占比達到了60%以上，而白蝦組未檢出. 相反，秀麗白蝦顯著提高了輪蟲(優(yōu)勢種Polyarthratrigla、Trichocercaspp.、Lecanespp.和Lepadellasp.)在浮游動物群落中的優(yōu)勢度(圖3b). 秀麗白蝦對小型枝角類(包括Alonasp.、Bosminalongirostris和Chydorussphaericus)和橈足類(包括Mesocyclopssp.和Eucycolpsserrulatus)優(yōu)勢度的影響不顯著(表2).

實驗結(jié)束時，2個處理組浮游植物均以隱藻門(包括Cryptomonassp.)和綠藻門(優(yōu)勢種：Scenedesmusquadricauda、Arthrodesmussp.、Oedogoniaceaesp.、Pediastrumboryanum、Crucigeniaquadrata、Tetraedronminimum)為主. 秀麗白蝦對浮游植物各門類的優(yōu)勢度的影響均不顯著(圖3b，表2).

圖3 實驗結(jié)束時2個處理組浮游動物(a)和浮游植物(b)群落結(jié)構(gòu)比較Fig.3 Comparisons of zooplankton (a) and phytoplankton (b) community structures between both treatments at the end of the experiment

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)秀麗白蝦對水體N、P濃度具有不同的影響，秀麗白蝦的存在顯著降低了水體TN濃度，但是提高了水體TP濃度，最終降低了水體TN∶TP比(圖1). 這一點符合生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的“消費者驅(qū)動的營養(yǎng)鹽循環(huán)”理論，即消費者排泄的N:P比與消費者自身的N∶P比呈負相關(guān)，因為高N:P比的消費者必須盡可能的攝取N，同時排出P來滿足其生長需求[21]. 本研究中未檢測秀麗白蝦的N:P比，但根據(jù)以往的研究，雜食性蝦類(如沼蝦Macrobrachiumspp.)的N∶P摩爾比約為20[22]，在攝食富P的食物(如Daphnia, N∶P≈14)[23]后會傾向于保留更多的N而排出P，這可能是本研究中白蝦組具有高TP濃度和低TN∶TP比的主要原因(圖1). 同時，由于秀麗白蝦自身攝取了較多的N，導(dǎo)致了水體TN濃度的降低(圖1). 此外，除了排泄之外，白蝦組水體較高的TP濃度也可能來自于該處理組較高的P循環(huán)速率，即浮游動物通過秀麗白蝦捕食后，再迅速排泄出來，其身體的P能夠很快轉(zhuǎn)化成可利用的P而進入水體中. 而對照組中浮游動物需死亡、分解后其身體P才能夠再次進入水體P循環(huán)，導(dǎo)致了對照組大量的P沉降在水體底部，而水中的P相對較少. 類似的，Elser等在加拿大227湖的研究發(fā)現(xiàn)，該湖泊Daphnia豐度在實施生物操縱后明顯升高，與此同時，水層P的沉降速率也顯著增加[24]. 本研究中，秀麗白蝦的排泄雖然顯著提高了水體TP濃度，但是卻降低了水體DTP濃度，這可能與白蝦組較高的浮游植物生物量有關(guān)(圖1f)，即白蝦排泄的P很快被浮游植物利用，轉(zhuǎn)換成了顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽. 有調(diào)查表明，水體Chl.a濃度較高的水體中溶解性P在P庫中的比例往往較低[25-26].

秀麗白蝦除了影響水體營養(yǎng)鹽循環(huán)，還顯著影響了水體的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為牧食者Daphnia和浮游動物總生物量降低(圖2a～b)，同時生產(chǎn)者—浮游植物生物量增加(圖1f). 本研究結(jié)果與其他雜食性蝦類(如糠蝦Neomysisinteger)的研究結(jié)果一致[12-13]. 本研究中，Daphnia和浮游動物總生物量的減少主要歸因于秀麗白蝦對浮游動物的捕食，這一點得到了以往太湖秀麗白蝦的胃含物分析以及人工飼養(yǎng)實驗的證實[2]. 此外，有研究表明某些雜食性蝦類(如澳洲淡水蝦Paratyaaustraliensis、多齒新米蝦Neocaridinadenticulata)也能夠攝食藻類[27-28]，從而通過與浮游動物競爭食物而降低浮游動物生物量. 然而，本研究中白蝦組浮游植物生物量要遠遠高于對照組(圖1f)，說明白蝦組浮游動物不可能受到食物的限制，所以資源競爭不可能是白蝦組Daphnia以及浮游動物生物量減少的原因.

本研究中秀麗白蝦顯著提升了浮游植物的生物量，與Ye等的研究結(jié)果一致[27]. 其機理主要有以下兩個方面：(1)秀麗白蝦驅(qū)動的營養(yǎng)鹽循環(huán)為浮游植物提供了更多的P，同時緩解了浮游植物的P限制(圖1). 本研究中2個處理組水體TN∶TP比均超過15∶1，表現(xiàn)為P限制[29]，秀麗白蝦降低了水體TN∶TP比，因此一定程度上緩解了P缺乏對浮游植物生長的影響；(2)秀麗白蝦對浮游動物(尤其是Daphnia)的捕食減弱了浮游動物對浮游植物的牧食壓力，通過營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng)促進了浮游植物生長[30]. 其他研究同樣也發(fā)現(xiàn)，多齒新米蝦(Neocaridinadenticulata)和一種對蝦(Penaeussetiferus)分別通過排泄?fàn)I養(yǎng)鹽和捕食過程顯著促進了浮游植物的生長[27,31]. 本研究證明在春、夏季，秀麗白蝦能從上行(釋放營養(yǎng)鹽)和下行(減少浮游動物)兩個方面有利于浮游植物生長. 以往的研究發(fā)現(xiàn)蝦類會影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，增加藍藻的優(yōu)勢[32]，本研究也發(fā)現(xiàn)白蝦組藍藻的優(yōu)勢度高于對照組，但是統(tǒng)計上并不顯著(圖3b;P=0.074, 表2)，這可能與本實驗主要在溫度相對較低的春季至初夏開展有關(guān).

在熱帶和亞熱帶地區(qū)湖泊或水庫，蝦類在春夏季往往具有較高的豐度[1-2]. 春季同樣是大型枝角類Daphnia的繁殖窗口，對于湖庫清水態(tài)的維持具有重要意義[9-10]. 本研究發(fā)現(xiàn)秀麗白蝦的攝食降低了Daphnia的生物量及其優(yōu)勢度(圖2～3)，導(dǎo)致浮游動物群落趨于小型化，同時促進了浮游植物生長，這可能會不利于湖庫清水態(tài)的維持[9-10]. 當(dāng)然，秀麗白蝦的生態(tài)效應(yīng)與其密度有關(guān)，在自然湖庫中，秀麗白蝦的種群規(guī)模可能會受到其他捕食者(如魚類)的限制，導(dǎo)致其種群密度要低于本實驗(22 g/m2)[1]，因此，評判秀麗白蝦的生態(tài)效應(yīng)還需要野外證據(jù)的支持. 盡管如此，本研究表明秀麗白蝦和魚類一樣，也可能是影響春夏季浮游動、植物生物量和群落變化的影響因素之一. 因此在大型湖庫的浮游生物研究中，蝦類等無脊椎動物捕食者的影響也應(yīng)予以關(guān)注.

4 結(jié)論

對于大型枝角類Daphnia占優(yōu)勢的春夏季亞熱帶湖庫，秀麗白蝦的捕食：1)顯著降低水體TN濃度，增加了水體TP濃度，降低了水體TN∶TP比；2)減少了Daphnia和浮游動物總生物量，可能導(dǎo)致浮游動物群落趨于小型化；(3)提高了水體Chl.a濃度，但對浮游植物群落結(jié)構(gòu)影響不明顯.