水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽及浮游植物組成的影響
——以桑溝灣圍隔實(shí)驗(yàn)為例

柴正晴, 李瑞環(huán),2, 寧志銘,3, 董書(shū)航, 寧曉燕,4, 劉素美,5

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心和海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100；2. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所， 廣東 廣州 510301； 3. 廣西大學(xué)海洋學(xué)院， 廣西 南寧 530004；4. 海洋高等研究院， 山東 青島 266237； 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237)

中國(guó)是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，是世界上最大的貝、藻類(lèi)養(yǎng)殖國(guó)家。在養(yǎng)殖海灣，水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題會(huì)反過(guò)來(lái)限制養(yǎng)殖水域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展[1-2]。許多研究表明，高密度筏式養(yǎng)殖對(duì)潮流具有阻礙作用，使得表層流速減慢，導(dǎo)致養(yǎng)殖海灣內(nèi)外水交換滯緩，對(duì)生源要素的輸送和循環(huán)產(chǎn)生影響[3-6]。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，多營(yíng)養(yǎng)層次的綜合養(yǎng)殖模式(Integrated Multi-trophic Aquaculture, IMTA)被廣泛應(yīng)用[7]。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)受控培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比貝類(lèi)單養(yǎng)、大型藻類(lèi)單養(yǎng)及貝藻混養(yǎng)模式下水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量的變化及浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了對(duì)比，關(guān)注不同模式下?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)養(yǎng)殖活動(dòng)的響應(yīng)，進(jìn)一步探究了不同模式的養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)養(yǎng)殖海域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響。

1 研究區(qū)域、樣品采集及研究方法

1.1 研究區(qū)域

2013年7月28日—8月7日(夏季)，在黃海西部的桑溝灣內(nèi)選擇位于貝藻混養(yǎng)區(qū)的站位MC(37°05′E, 122°33′N(xiāo))進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍隔實(shí)驗(yàn)。

1.2 圍隔實(shí)驗(yàn)及樣品采集

實(shí)驗(yàn)所用圍隔袋子由較厚的，長(zhǎng)、寬、高各1 m的透明聚乙烯塑料膜做成，體積約為1 m3，共5個(gè)。圍隔袋固定在由鐵架和浮漂制成的浮床上，底部封閉，頂部向大氣敞開(kāi)，開(kāi)口位置比水面高約0.5 m，浮床固定在灣內(nèi)距離楮島碼頭約500 m的閑置魚(yú)排上。圍隔內(nèi)光照、水溫、水流擾動(dòng)等情況與現(xiàn)場(chǎng)水體保持一致，但不與周邊水體進(jìn)行水交換。采用采樣后添加營(yíng)養(yǎng)鹽的方式，分別在實(shí)驗(yàn)的第三天和第六天向圍隔中添加NaNO3、KH2PO4、Na2SiF6儲(chǔ)備液，以補(bǔ)充圍隔內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽消耗，使圍隔水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度盡量與周?chē)w營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度保持一致。

桑溝灣內(nèi)養(yǎng)殖的濾食性貝類(lèi)主要為櫛孔扇貝和長(zhǎng)牡蠣，采用筏式養(yǎng)殖，養(yǎng)殖周期一般為5—11月，海帶養(yǎng)殖周期通常為11月至次年4—5月[14]。由于實(shí)驗(yàn)在7—8月進(jìn)行，該季節(jié)灣內(nèi)海帶已收獲，灣內(nèi)養(yǎng)殖大型藻類(lèi)以龍須菜為主，因此選用櫛孔扇貝與龍須菜為養(yǎng)殖物種進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。櫛孔扇貝、龍須菜及營(yíng)養(yǎng)鹽的添加方式及各圍隔袋營(yíng)養(yǎng)鹽初始濃度及貝藻含量如表1所示。對(duì)照1和對(duì)照2 為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)照1中僅添加櫛孔扇貝作為養(yǎng)殖物種，兩個(gè)對(duì)照袋中均不添加營(yíng)養(yǎng)鹽。實(shí)驗(yàn)原本采用梯度添加櫛孔扇貝的方式，設(shè)置了4只、7只、10只扇貝的實(shí)驗(yàn)組，對(duì)照組取中間值的添加量，即7只。從營(yíng)養(yǎng)鹽及葉綠素的樣品檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，各梯度之間數(shù)據(jù)結(jié)果差距不大。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示更加簡(jiǎn)明，并方便與對(duì)照組進(jìn)行比較，本文僅選取添加了7只扇貝的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行分析，將櫛孔扇貝用托盤(pán)懸掛于圍隔袋子中。圍隔袋設(shè)置好后，立即測(cè)定各圍隔中的水文參數(shù)，同時(shí)采集并測(cè)定此時(shí)各圍隔內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度，即為初始濃度。之后在實(shí)驗(yàn)的1～6天和第9天每天采集一次營(yíng)養(yǎng)鹽及葉綠素a樣品，并測(cè)定圍隔內(nèi)的水文參數(shù)。水樣采集后，立即使用0.4 μm的聚碳酸酯膜過(guò)濾，濾液倒入125 mL事先用1 mol·L-1鹽酸浸泡并用Milli-Q水洗凈的聚四氟乙烯瓶中，-20 ℃冷凍保存，用來(lái)測(cè)定營(yíng)養(yǎng)鹽。用干凈的鋁箔包裹過(guò)完水樣的0.4 μm的聚碳酸酯膜，并記錄體積，-20 ℃冷凍保存，用來(lái)測(cè)定總?cè)~綠素a含量。分級(jí)葉綠素a水樣先經(jīng)200 μm 篩絹過(guò)濾，然后用20、2、0.2 μm三種孔徑濾膜過(guò)濾，獲得不同粒級(jí)樣品，同樣在-20 ℃下避光冷凍保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行分析測(cè)定。

表1 圍隔受控培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)鹽初始濃度添加情況及養(yǎng)殖物種添加情況Table 1 Initial concentration of nutrients and addition of nutrients and cultured species in mesocosm /(μmol·L-1)

為了確定營(yíng)養(yǎng)鹽添加的濃度與比例，查找了桑溝灣養(yǎng)殖海域營(yíng)養(yǎng)鹽含量比值的長(zhǎng)期變化。在進(jìn)行對(duì)比后，選擇了2003年[15]和2006年[16]的DSi/DIN(0.41、0.37)值作為參考，最終確定圍隔中添加營(yíng)養(yǎng)鹽的DSi/DIN為32/12(0.375)。同時(shí)，2003與2006年的調(diào)查結(jié)果顯示，夏季桑溝灣DIN/DIP分別為70.1、105，DIP平均含量分別為0.24、0.12 μmol·L-1；由于夏季桑溝灣本就存在磷限制的現(xiàn)象[11]，且部分圍隔中養(yǎng)殖了大型藻類(lèi)，會(huì)大量消耗營(yíng)養(yǎng)鹽，因此為防止圍隔中出現(xiàn)嚴(yán)重磷限制，最終確定了DIP的添加量為0.25 μmol·L-1，添加的DIN/DIP為32/1?；谝陨希诘?天和第6天采樣后分別添加8.00、0.25、3.00 mmol的NaNO3、KH2PO4、Na2SiF6儲(chǔ)備液至圍隔袋中，營(yíng)養(yǎng)鹽添加的濃度分別為6.15、0.19、2.31 μmol·L-1，氮、磷、硅添加濃度的比例為32/1/12。

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 理化因子變化

如圖1，由于受控實(shí)驗(yàn)是開(kāi)放的體系，各圍隔水溫差距較小，變化范圍均在19.6～24.7 ℃。其中培養(yǎng)的第一天和第八天因?yàn)橛薪涤辏鹚疁叵陆?。DO在6.61～11.6 mg·L-1范圍內(nèi)波動(dòng)變化，沒(méi)有明顯的規(guī)律性。添加了龍須菜的MC2、MC3兩個(gè)圍隔，因?yàn)榇笮驮孱?lèi)光合作用釋放氧氣，DO均值稍高于其他圍隔。pH范圍為8.295～8.841，和DO有相似的變化趨勢(shì)，DO濃度高時(shí)pH也相應(yīng)變高。MC2、MC3中pH均值稍高，說(shuō)明龍須菜的添加引起pH升高。第一天(7月30日)采樣時(shí)，正在下雨，且現(xiàn)場(chǎng)霧很大，能見(jiàn)度低，降雨使得圍隔上層水體中鹽度顯著降低。一般采樣時(shí)會(huì)將探頭下放至圍隔深度的約二分之一處測(cè)定，而第一天采樣時(shí)受限于環(huán)境條件，探頭放的可能不夠深，且采樣前未將圍隔內(nèi)水體混合均勻，所以導(dǎo)致測(cè)出的鹽度過(guò)低。之后采樣時(shí)，未再出現(xiàn)相同的情況，因此鹽度的測(cè)定不再受影響，恢復(fù)至正常水平。

圖1 圍隔袋內(nèi)溫度、鹽度、溶解氧(DO)、pH的變化Fig.1 Changes of temperature, salinity, dissolved oxygen (DO) and pH in mesocosm

2.2 養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)組成的影響

圖2 圍隔袋內(nèi)溶解無(wú)機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽含量及組成變化Fig. 2 Changes of dissolved inorganic nutrients content and composition in mesocosm

本實(shí)驗(yàn)所用大型藻類(lèi)為龍須菜，生長(zhǎng)過(guò)程中不吸收DSi，因此DSi的降低均是由浮游植物的吸收利用所導(dǎo)致。各圍隔中Chla含量的變化如圖3所示，在實(shí)驗(yàn)的前三天，MC1、MC2、MC3中的Chla均呈先上升后下降的趨勢(shì)。盡管在三個(gè)圍隔中MC3中的DIN、DIP降低的比例最高，圍隔內(nèi)溶氧含量的增加也最為明顯，但Chla增加的比例(3.3%)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)圍隔(MC1, 52.9%; MC2, 24.5%)，說(shuō)明大部分的營(yíng)養(yǎng)鹽均被龍須菜所吸收。大型藻類(lèi)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的競(jìng)爭(zhēng)利用，限制了MC3中浮游植物的生長(zhǎng)。MC2中雖然也養(yǎng)殖了大型藻類(lèi)，但貝類(lèi)的排泄釋放起到了補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽的作用。此外，通過(guò)MC1、MC2與空白組的對(duì)比，可知扇貝的養(yǎng)殖可以增加水體內(nèi)浮游植物對(duì)DSi的消耗。有研究指出，貝類(lèi)喜歡攝食脂肪類(lèi)含量高的顆粒物質(zhì)，且高脂肪酸的餌料能夠促進(jìn)扇貝的攝食速率。由于甲藻細(xì)胞脂肪酸含量高于硅藻，因此扇貝對(duì)甲藻有更強(qiáng)的攝食選擇性[19-20]。許多研究均表明，貝類(lèi)的養(yǎng)殖導(dǎo)致桑溝灣甲藻的豐度顯著降低，而硅藻的優(yōu)勢(shì)度則增加[21-23]，這可能是MC1、MC2中DSi迅速降低的原因之一。

圖3 圍隔袋內(nèi)葉綠素a(Chl a)含量的變化Fig.3 Changes of Chl a concentration in mesocosm

2.3 養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)溶解有機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的影響

圖4 圍隔帶袋內(nèi)溶解有機(jī)態(tài)及總?cè)芙鈶B(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽含量及DON (a)、DOP (b)的濃度占比變化情況Fig.4 The concentration of dissolved organic and total nutrients and the proportions of DON (a) and DOP (b) in mesocosm

從DON與DOP的含量變化上來(lái)看，添加了扇貝的圍隔內(nèi)觀察到溶解有機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的積累更為明顯，這可能是由于貝類(lèi)排泄中含有較多的有機(jī)成分導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的DOP的降低可能是由于該季節(jié)存在磷限制的情況，無(wú)機(jī)磷供應(yīng)不足，因此部分DOP被浮游植物吸收利用所導(dǎo)致。許多研究均發(fā)現(xiàn)，在無(wú)機(jī)磷匱乏的海域，溶解有機(jī)磷可以通過(guò)浮游植物自身的生物化學(xué)作用和酶水解等作用作為補(bǔ)充磷源被浮游植物吸收利用[32-34]。第一天被貝類(lèi)單養(yǎng)的圍隔MC1、對(duì)照1中TDN/TDP為50/1、36/1，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為61/1、72/1。從營(yíng)養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)變化上來(lái)看，含磷營(yíng)養(yǎng)鹽的累積不如含氮營(yíng)養(yǎng)鹽明顯，這可能與桑溝灣水體中磷的含量本身較低有關(guān)。

2.4 養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的影響

圍隔中葉綠素a含量整體呈降低趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。實(shí)驗(yàn)的前三天，MC1、MC2、MC3中Chla含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，第2天為Chla在前三天的峰值。MC1中貝類(lèi)排泄帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)鹽刺激了浮游植物的生長(zhǎng)，因此水體Chla升高最明顯。MC2中藻類(lèi)與貝類(lèi)的作用相互抵消，因此Chla的變化趨勢(shì)雖然與MC1相似，但相對(duì)滯后。此外這三個(gè)圍隔中第3～6天中所觀察到的Chla的升高均是由于添加營(yíng)養(yǎng)鹽引起的。由于是采樣后添加營(yíng)養(yǎng)鹽，因此在MC1、MC3均是在第四天觀察到峰值，分別為3.42和3.19 μg·L-1。MC2在第六天才觀察到峰值，為2.86 μg·L-1?？傮w來(lái)看，貝藻混養(yǎng)的體系MC2中浮游植物生長(zhǎng)變化相對(duì)遲緩，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽添加的反應(yīng)也不如MC1、MC3靈敏，可見(jiàn)貝藻混養(yǎng)更有助于維持養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

從培養(yǎng)的第3天開(kāi)始，扇貝濾食作用變得明顯。貝類(lèi)單養(yǎng)的圍隔MC1、對(duì)照1內(nèi)浮游植物構(gòu)成由micro-級(jí)浮游植物為主轉(zhuǎn)為pico-級(jí)浮游植物為主(見(jiàn)圖5)。這一變化與扇貝的濾食選擇性相關(guān)。許多研究表明濾食性貝類(lèi)對(duì)粒徑較大的食物有著更高的攝食效率，對(duì)于2 μm以下的食物截留率較低，這是由扇貝的器官結(jié)構(gòu)和攝食機(jī)制導(dǎo)致的[27,35-36]。此外，在藻類(lèi)單養(yǎng)的圍隔MC3中，也出現(xiàn)了浮游植物粒徑構(gòu)成向小型化轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，培養(yǎng)一段時(shí)間后micro-級(jí)浮游植物的占比顯著降低。這可能是由于大型藻類(lèi)與浮游植物競(jìng)爭(zhēng)利用營(yíng)養(yǎng)鹽導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)鹽的匱乏，而粒徑較小的pico-級(jí)和nano-級(jí)浮游植物擁有更大的比表面積，在吸收營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)比micro-級(jí)浮游植物更具有競(jìng)爭(zhēng)力，因此可以更好的適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)鹽的環(huán)境[35-36]。因此大型藻類(lèi)的養(yǎng)殖同樣會(huì)促使水體內(nèi)浮游植物向小型化發(fā)展。MC2中的浮游植物同時(shí)受到貝類(lèi)濾食及大型藻類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)利用營(yíng)養(yǎng)鹽的影響，浮游植物構(gòu)成也由micro-級(jí)浮游植物為主轉(zhuǎn)為pico-級(jí)浮游植物為主。許多對(duì)桑溝灣養(yǎng)殖海區(qū)內(nèi)浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在桑溝灣內(nèi)濾食性貝類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)和貝藻混養(yǎng)區(qū)，浮游植物均出現(xiàn)小型化趨勢(shì)，nano-級(jí)和pico-級(jí)浮游植物占總浮游植物的比例高于海帶養(yǎng)殖區(qū)[39-41]。以上結(jié)果說(shuō)明在水產(chǎn)養(yǎng)殖體系中，貝類(lèi)與藻類(lèi)養(yǎng)殖都會(huì)使水體浮游植物向小型化發(fā)展，促使nano-級(jí)和pico-級(jí)浮游植物成為優(yōu)勢(shì)種。隨著培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)的增加，各圍隔中pico-級(jí)浮游植物的占比開(kāi)始回落，但Chla的總量并沒(méi)有明顯的回升，說(shuō)明當(dāng)大部分大粒級(jí)的浮游植物被濾食以后，小粒級(jí)的浮游植物也被扇貝攝食。

圖5 圍隔袋內(nèi)Chl a含量變化及不同粒級(jí)Chl a所占比例(FChl a)Fig.5 The change of Chl a concentration and the proportion of Chl a in different particle size fractions in the enclosure bag

3 結(jié)論

本文通過(guò)圍隔實(shí)驗(yàn)，探究了不同養(yǎng)殖模式下，養(yǎng)殖海灣內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽與浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的變化特征。主要有以下幾項(xiàng)結(jié)論：

(2)貝類(lèi)的濾食作用使硅藻在浮游植物群落中的優(yōu)勢(shì)度增加，因此會(huì)加速水體硅酸鹽的消耗，改變養(yǎng)殖水體的氮、磷、硅比值。

(3)貝類(lèi)的選擇性濾食使養(yǎng)殖水體內(nèi)浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)向小型化轉(zhuǎn)變，nano-級(jí)和pico-級(jí)浮游植物更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)當(dāng)大型藻類(lèi)養(yǎng)殖導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)不足時(shí)，也會(huì)使水體浮游植物向小型化發(fā)展。因此在貝藻綜合養(yǎng)殖模式下，浮游植物偏小型化，nano-級(jí)和pico-級(jí)浮游植物更易成為優(yōu)勢(shì)種。