強(qiáng)降雨對(duì)魚菜共生池塘水質(zhì)和浮游植物及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

溫晴宇，李文紅，徐 鵬，楊 卓，胡 宏

(廣西大學(xué)動(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)池塘概況

試驗(yàn)在廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院水產(chǎn)教學(xué)基地的4張多品種養(yǎng)殖池塘(1～4#池塘)進(jìn)行，各池塘面積均為1000 m2，水深1.5～1.8 m，主養(yǎng)鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙(Aristichthysnobilis)，配養(yǎng)鯽(Carassiusauratus)、鯪(Cirrhinusmolitorella)和胡子鯰(Clariasfuscus)。根據(jù)氣象預(yù)報(bào)信息，受臺(tái)風(fēng)“森拉克”影響，2020年8月2—7日廣西南寧市有強(qiáng)降雨。分別于強(qiáng)降雨前(8月1日)和強(qiáng)降雨后(8月8日)對(duì)養(yǎng)殖池塘進(jìn)行水質(zhì)、浮游植物和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)檢測(cè)。期間記錄8月2—7日的總降水量為123.5 mm，氣溫從32.9 ℃降至27.0 ℃后又回升至29.5 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以設(shè)置空心菜浮床覆蓋率為18%的3#和4#池塘為處理組(A組)，無浮床的1#和2#池塘為對(duì)照組(B組)。為防止魚類啃食空心菜根系，浮床載體采用雙層PE網(wǎng)。

1.2.2 水樣采集與檢測(cè) 分別于8月1日和8月8日上午9：00天氣晴朗無云時(shí)采集水樣。水樣的采集、運(yùn)輸及保存嚴(yán)格按照HJ 493—2009《水質(zhì)、樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行，其中，一部分水樣經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾(FY-2C-N型旋片真空泵)后用于水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，另一部分經(jīng)0.22 μm醋酸纖維素濾膜抽濾(FY-2C-N型旋片真空泵)后，濾膜放入無菌離心管中液氮保存，用于核酸提取。

水樣DNA提取與細(xì)菌16S rRNA序列V3～V4區(qū)擴(kuò)增委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成，擴(kuò)增引物為338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)，利用Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序分析。

1.2.3 浮游植物樣品采集與鑒定 參考章宗涉和黃祥飛[16]的淡水浮游生物研究方法，采集試驗(yàn)池塘的浮游植物樣品并進(jìn)行定性和定量，參考胡鴻鈞和魏印心[17]的方法對(duì)浮游植物進(jìn)行鑒定與計(jì)數(shù)。

根據(jù)下列公式計(jì)算A和B組池塘浮游植物的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)以確定優(yōu)勢(shì)種(Y>0.02)，并計(jì)算Shannon指數(shù)(H′)、Pielou指數(shù)(J)和Margalef指數(shù)(d)。

Y=ni×fr/N

J=H′/log2S

d=(S-1)/lnN

式中，ni為物種i的密度，fi為物種i出現(xiàn)的頻率，N為所有物種的總密度，r為種類數(shù)，Pi代表第i種密度占總密度的比例，S為總種數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理；細(xì)菌基因序列利用Usearch按97%相似度進(jìn)行分類操作單元(OTU)聚類，以QIIME對(duì)各樣品進(jìn)行均一化處理，并與SILVA數(shù)據(jù)庫比對(duì)進(jìn)行物種注釋，以Mothur進(jìn)行多樣性指數(shù)計(jì)算，以SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)降雨對(duì)漁魚菜共生池塘水質(zhì)的影響

表1 A和B組池塘水體理化因子的變化情況

2.2 強(qiáng)降雨對(duì)魚菜共生池塘浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 對(duì)浮游植物種類組成的影響 如圖1所示，試驗(yàn)期間在A組池塘中共檢出浮游植物6門31屬49種，強(qiáng)降雨前后分別有38和39種，其種類組成均為綠藻—硅藻—藍(lán)藻型，綠藻門種類占比在強(qiáng)降雨后增加6.82%，硅藻門和藍(lán)藻門種類分別降低5.87%和3.04%；在B組池塘共檢出浮游植物6門31屬50種，強(qiáng)降雨前后分別有28和40種，其種類組成由綠藻—藍(lán)藻—裸藻型轉(zhuǎn)變?yōu)榫G藻—硅藻—藍(lán)藻型，綠藻門、藍(lán)藻門和裸藻門種類占比在強(qiáng)降雨后分別降低1.79%、1.43%和5.36%，硅藻門種類則增加11.79%。說明夏季強(qiáng)降雨可明顯改變B組池塘的浮游植物種類組成，但對(duì)A組池塘影響不明顯，即設(shè)置空心菜浮床池塘浮游植物種類組成的穩(wěn)定性高于無浮床池塘。

圖1 A和B組池塘浮游植物種類組成的變化情況Fig.1 Changes of phytoplankton species composition in ponds of group A and group B

如表2所示，夏季強(qiáng)降雨前后A組池塘分別有12和11個(gè)浮游植物優(yōu)勢(shì)種，其優(yōu)勢(shì)度指數(shù)平均分別為0.069和0.073。其中，強(qiáng)降雨前以顆粒直鏈藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，其優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0.234；強(qiáng)降雨后顆粒直鏈藻的優(yōu)勢(shì)度減少為0.173，卵形隱藻、銅綠微囊藻和長形藍(lán)隱藻成為新的優(yōu)勢(shì)種，而點(diǎn)形平裂藻的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)由強(qiáng)降雨前的0.166增加至0.203，成為新的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種。強(qiáng)降雨前后B組池塘分別有4和8個(gè)浮游植物優(yōu)勢(shì)種，其優(yōu)勢(shì)度指數(shù)平均分別為0.219和0.085。其中，強(qiáng)降雨前以尖頭顫藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0.637；強(qiáng)降雨后尾裸藻、顆粒直鏈藻、長形藍(lán)隱藻、卵形隱藻、肘狀針桿藻和銅綠微囊藻成為新的優(yōu)勢(shì)種?？梢姡募緩?qiáng)降雨后A組池塘中顆粒直鏈藻的優(yōu)勢(shì)度明顯減少，B組池塘中顆粒直鏈藻的優(yōu)勢(shì)度明顯增加，而A和B組池塘中長形藍(lán)隱藻和卵形隱藻的優(yōu)勢(shì)度均增加；A組池塘浮游植物的優(yōu)勢(shì)種數(shù)多于B組池塘，優(yōu)勢(shì)種的平均優(yōu)勢(shì)度低于B組池塘，因此A組池塘浮游植物優(yōu)勢(shì)種組成的穩(wěn)定性高于B組，即設(shè)置空心菜浮床池塘浮游植物優(yōu)勢(shì)種組成的穩(wěn)定性高于無浮床池塘。

表2 A和B組池塘浮游植物優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化情況

如圖2所示，夏季強(qiáng)降雨后A組池塘浮游植物藍(lán)藻門和隱藻門的相對(duì)豐度分別增加9.10%和6.14%，綠藻門、硅藻門和裸藻門的相對(duì)豐度分別減少3.11%、11.62%和0.55%；B組池塘浮游植物藍(lán)藻門的相對(duì)豐度減少40.88%，綠藻門、硅藻門、隱藻門和裸藻門的相對(duì)豐度分別增加6.97%、15.97%、9.01%和8.49%。說明夏季強(qiáng)降雨對(duì)A和B組池塘浮游植物門水平相對(duì)豐度的影響存在差異，以A組池塘浮游植物相對(duì)豐度組成的穩(wěn)定性高于B組池塘，即設(shè)置空心菜浮床池塘的浮游植物相對(duì)豐度組成穩(wěn)定性高于無浮床池塘。

圖2 A和B組池塘浮游植物門水平相對(duì)豐度的變化情況Fig.2 Changes of horizontal relative abundance of phyla phytoplankton in ponds of group A and group B

2.2.2 對(duì)浮游植物豐度、總生物量和多樣性指數(shù)的影響 如表3所示，夏季強(qiáng)降雨后A組池塘浮游植物的豐度下降12.46%，總生物量顯著增加405.26%；B組池塘浮游植物的豐度顯著下降68.01%，總生物量顯著增加152.33%；強(qiáng)降雨前A組池塘的Shannon指數(shù)、Pielou指數(shù)和Margalef指數(shù)分別為2.68、0.54和2.02強(qiáng)降雨后3種指數(shù)均有所上升，分別為2.80、0.55和2.24，但變化不顯著；而B組池塘的Shannon指數(shù)、Pielou指數(shù)和Margalef指數(shù)在強(qiáng)降雨后分別較強(qiáng)降雨前顯著增加97.93%、80.65%和60.65%，總生物量顯著增加152.33%。說明夏季強(qiáng)降雨后B組池塘的浮游植物豐度顯著下降，多樣性、均勻度和豐富度顯著上升，而A組池塘浮游植物的這些指標(biāo)變化均不明顯，但強(qiáng)降雨后A和B 2組池塘浮游植物的總生物量均顯著增加，即設(shè)置空心菜浮床池塘的浮游植物豐度和多樣性指數(shù)穩(wěn)定性均高于無浮床池塘。

表3 A和B組池塘浮游植物豐度、總生物量和多樣性指數(shù)的變化情況

2.3 強(qiáng)降雨對(duì)魚菜共生池塘水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)A和B組池塘水體樣品的有效序列按97%相似性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行OTU聚類，A和B組池塘的水體樣品在強(qiáng)降雨前分別可劃分為927和709個(gè)OUTs，在強(qiáng)降雨后可劃分為800和753個(gè)OUTs。從表4可看出，所有樣本的覆蓋率均在99.00%以上，說明測(cè)序深度可較好地反映A和B組池塘中水體細(xì)菌的真實(shí)情況；強(qiáng)降雨后A組池塘水體細(xì)菌的Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)和Shannon指數(shù)分別下降26.06%、25.83%和17.41%，Simpson指數(shù)上升438.89%；B組池塘水體細(xì)菌的Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)和Simpson指數(shù)分別上升11.77%、28.49%和12.85%，Shannon指數(shù)下降3.16%。說明夏季強(qiáng)降雨后A組池塘水體細(xì)菌的豐度下降，而B組池塘水體細(xì)菌的豐度上升，A和B組池塘水體細(xì)菌的多樣性均下降，但A組池塘的降幅遠(yuǎn)高于B組池塘，即設(shè)置空心菜浮床池塘水體細(xì)菌多樣性指數(shù)的穩(wěn)定性低于無浮床池塘。

表4 A和B組池塘水體菌群結(jié)構(gòu)的Alpha多樣性指數(shù)變化

經(jīng)高通量測(cè)序及數(shù)據(jù)分析后，A和B組池塘水體的細(xì)菌歸屬于44門128綱305目481科834屬。如圖3～4所示，在門分類水平上，平均相對(duì)豐度排名前3位的門類為藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteriota)。其中，與強(qiáng)降雨前相比，A組池塘水體在強(qiáng)降雨后藍(lán)細(xì)菌門的相對(duì)豐度增加26.29%，變形菌門和放線菌門分別減少10.70%和7.63%；而B組池塘水體藍(lán)細(xì)菌門和放線菌門的相對(duì)豐度分別增加0.47%和15.63%，變形菌門的相對(duì)豐度減少16.74%。在屬分類水平上，A組池塘水體在強(qiáng)降雨后CL500-29_marine_group和Mycobacterium的相對(duì)豐度分別減少2.89%和4.80%，Cyanobium_PCC-6307和hgcl_clade的相對(duì)豐度分別增加26.53%和1.64%；而B組池塘水體在強(qiáng)降雨后Planktothrix_NIVA-CYA_15和norank_f_Methylococcaceae的相對(duì)豐度分別減少0.69%和9.75%，hgcl_clade和CL500-29_marine_group的相對(duì)豐度分別增加15.25%和2.14%。

綜上所述，強(qiáng)降雨后在門分類水平上A組池塘水體放線菌門的相對(duì)豐度減少，而B組池塘水體放線菌門的相對(duì)豐度增加；A和B組池塘中藍(lán)細(xì)菌門的相對(duì)豐度均增加，變形菌門的相對(duì)豐度均減少；在屬分類水平上A組池塘水體CL500-29_marine_group的相對(duì)豐度減少，而B組池塘CL500-29_marine_group的相對(duì)豐度增加；A和B組池塘水體hgcl_clade的相對(duì)豐度均增加，Mycobacterium的相對(duì)豐度均減少。

3 討 論

圖3 A和B組池塘水體細(xì)菌在門分類水平上物種相對(duì)豐度的變化Fig.3 Changes in relative abundance of species at phyla level in the pond waters of group A and group B

圖4 A和B組池塘水體細(xì)菌在屬分類水平上物種相對(duì)豐度的變化Fig.4 Changes in relative abundance of species at genus level in the pond waters of group A and group B

本研究中，強(qiáng)降雨后設(shè)置空心菜浮床池塘和無浮床池塘的浮游植物總生物量均顯著增加，與Gierach等[7]的研究結(jié)果相似，說明強(qiáng)降雨后鰱鳙魚類攝食強(qiáng)度下降和強(qiáng)降雨對(duì)水體環(huán)境的擾動(dòng)均有利于大型浮游植物生長；設(shè)置空心菜浮床池塘的浮游植物種類組成、豐度和多樣性指數(shù)均無顯著變化，而無浮床池塘的浮游植物種類數(shù)顯著增加42.86%，其種類組成由綠藻—藍(lán)藻—裸藻型轉(zhuǎn)變?yōu)榫G藻—硅藻—藍(lán)藻型，硅藻門種類占比增加11.79%，Shannon指數(shù)、Pielou指數(shù)和Margalef指數(shù)均顯著增加，豐度顯著降低，說明無浮床池塘水體受降雨干擾程度較大，設(shè)置空心菜浮床池塘浮游植物的群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定；強(qiáng)降雨后設(shè)置空心菜浮床池塘和無浮床池塘浮游植物的多樣性均有不同程度增加，可能是由強(qiáng)降雨導(dǎo)致水體混合干擾增加水體生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空異質(zhì)性所致[23]。

對(duì)處于夏季的富營養(yǎng)化水體而言，強(qiáng)降雨中光照限制是水體浮游植物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要驅(qū)動(dòng)力[24]，通常導(dǎo)致水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)從由適應(yīng)強(qiáng)光環(huán)境的藍(lán)藻主導(dǎo)向由耐弱光的硅藻主導(dǎo)轉(zhuǎn)變[8]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果吻合，設(shè)置空心菜浮床池塘中藍(lán)藻門浮游植物大部分為較耐受弱光的種類，如顆粒直鏈藻即為較耐受弱光的浮游植物，受強(qiáng)降雨影響較小。本研究中，強(qiáng)降雨后浮游植物的豐度均有不同程度下降，與王為民等[25]的研究結(jié)果一致，但與Paerl等[10]的研究結(jié)果存在差異，究其原因可能是強(qiáng)降雨對(duì)浮游植物的影響存在滯后性，強(qiáng)降雨導(dǎo)致的劇烈物理沖擊與光照強(qiáng)度減弱可引起浮游植物豐度在短期內(nèi)下降。

本研究結(jié)果表明，強(qiáng)降雨后設(shè)置空心菜浮床池塘水體細(xì)菌的相對(duì)豐度下降，而無浮床池塘水體細(xì)菌的相對(duì)豐度上升，可能是無浮床池塘水體受暴風(fēng)雨攪動(dòng)作用較大，使底泥中的細(xì)菌擴(kuò)散至水體中增加水體細(xì)菌豐度的緣故；強(qiáng)降雨后水體的細(xì)菌群落多樣性均有所下降，推測(cè)是水體營養(yǎng)水平增加所致[26]；設(shè)置空心菜浮床池塘水體的細(xì)菌多樣性降幅遠(yuǎn)高于無浮床池塘，可能與空心菜根系細(xì)菌多樣性較低且受暴雨沖擊散落至水體中較少有關(guān)[27]。本研究中檢出的水體細(xì)菌優(yōu)勢(shì)屬中，強(qiáng)降雨后設(shè)置空心菜浮床池塘的有益微生物CL500-29_marine_group和Mycobacterium的相對(duì)豐度下降，hgcl_clade相對(duì)豐度僅上升1.64%，說明水體細(xì)菌群落對(duì)碳的利用能力減弱[28-30]，而無浮床池塘CL500-29_marine_group和hgcl_clade的相對(duì)豐度上升，其中hgcl_clade的相對(duì)豐度上升15.25%，說明水體細(xì)菌群落對(duì)碳的利用能力增強(qiáng)。因此，生產(chǎn)上可在強(qiáng)降雨后使用微生物制劑調(diào)節(jié)水質(zhì)，以維持池塘微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，確保養(yǎng)殖動(dòng)物健康生長。

4 結(jié) 論

與無浮床池塘相比，夏季強(qiáng)降雨后魚菜共生池塘水質(zhì)和浮游植物群落的穩(wěn)定性更高，更有利于水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長，但水體細(xì)菌群落的豐度和多樣性下降。生產(chǎn)上可在強(qiáng)降雨后使用微生物制劑調(diào)節(jié)水質(zhì)，以維持池塘微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，確保養(yǎng)殖動(dòng)物健康生長。