兩種海水混養(yǎng)池塘懸浮顆粒物結構及其有機碳庫儲量

王 璐,趙 文,魏 杰,張 灣,尹東鵬

(1.大連海洋大學水產與生命學院,遼寧省水生生物學重點實驗室,遼寧 大連 116023)

顆粒懸浮物主要包括浮游生物、細菌和腐質(有機碎屑)及無機質粒等,其含量及變化可以反映出水質潛在的變化趨勢,是水域生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結構中的重要體現。水體中的懸浮顆粒物在經過一段時間之后,其中的一部分被濾食性動物攝食,還有一部分被微生物分解成為無機質,其余大部分同一些有機體沉降到池底,從而形成礦化物。在水域生態(tài)系統(tǒng)中,對顆粒懸浮物結構及其沉積作用中的動力學過程的相關研究,對深入了解其中的能量流動及物質循環(huán)具有重要意義[1]。海水池塘立體養(yǎng)殖模式已經在遼寧東部地區(qū)推廣開展多年,其中的“海蜇(Rhopilemaesculentum)-縊蟶(Sinonovaculaconstricta)-牙鲆(Paralichthysolivaceus)-對蝦(Fenneropenaeuschinensis)”——簡稱“蜇-貝-魚-蝦”的混合養(yǎng)殖模式近年在來遼寧丹東東港市最為常見,對此已有對該種混養(yǎng)池塘的懸浮顆粒物結構及其有機碳庫儲量的相關研究[2]。三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)作為我國海水養(yǎng)殖的主導種類之一,是重要的出口創(chuàng)匯品種,同時因肉味鮮美且營養(yǎng)豐富備受人們喜愛[3],積極拓展“海蜇-縊蟶-牙鲆-對蝦-梭子蟹”生態(tài)養(yǎng)殖模式具有現實經濟意義。因此,筆者在5個月時間里,對“海蜇-縊蟶-牙鲆-對蝦”和“海蜇-縊蟶-牙鲆-對蝦-三疣梭子蟹”兩種池塘的立體混養(yǎng)模式開展了研究,測定和比較了兩種池塘混養(yǎng)模式中水體懸浮顆粒物結構及有機碳分布特征,希望能為優(yōu)化海水混合養(yǎng)殖池塘的生態(tài)養(yǎng)殖模式和水質管理方法以及探索低碳漁業(yè)提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗池塘概況

2021年4月— 8月(具體為4.24,5.29,6.29,7.27,8.27),在遼寧省丹東市東港地區(qū)選取兩個混養(yǎng)池塘,1#池(N39°.846967,E123°.831899)和2#池(N39°.84877,E123°.833702)進行實驗。其中1#混養(yǎng)池塘(海蜇-縊蟶-牙鲆-中國明對蝦)面積為8 hm2,2#混養(yǎng)池塘(海蜇-縊蟶-牙鲆-中國明對蝦-三疣梭子蟹)面積為8.2 hm2,兩個池塘均每月換水一次,池塘換水量及月水深變化詳情見表1,池塘的放養(yǎng)情況見表2,其中海蜇采取輪放輪捕的養(yǎng)殖方式,牙鲆由小規(guī)格養(yǎng)至大規(guī)格收獲,縊蟶和中國明對蝦由放苗養(yǎng)成至收獲。

表1 混養(yǎng)池塘換水量及月份水深變化 m

表2 混養(yǎng)池塘生物放養(yǎng)種類密度及收益

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集 兩種混養(yǎng)池塘均設置3個采樣點,即池塘的進水口、中心和出水口,均采集各個點位中層水樣,實驗期間每月對池塘水樣采集1次,共采樣5次。用5 L的水生-80型采水器采集池塘的有機碳及懸浮顆粒物樣品和浮游植物、浮游動物以及細菌樣品:浮游植物的樣品需采集1 L水樣,當場滴加15 mL魯哥氏液進行固定,再靜置24 h以上濃縮至50 mL用常規(guī)法鏡檢計數;浮游動物樣品為經過25號浮游生物網過濾(孔徑64 μm)50 L水樣后的網內過濾物采集,獲得的浮游動物樣品裝瓶加入5%甲醛溶液進行固定;浮游細菌的樣品需采集100 mL水樣,置于預先經過滅菌消毒處理后的容器瓶中,當場滴加3%無顆粒的甲醛進行固定,搖勻后保存。

1.2.2 總懸浮顆粒物及其有機質含量 將混合均勻的水樣200 mL,使用經過預先處理過(450 ℃灼燒2 h,并稱重獲取W0)的直徑為25 mm,孔徑為0.2 μm 的 Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜進行過濾,樣品中懸浮物會截留在玻璃纖維濾膜上,將濾膜放在烘干箱中60 ℃下烘干72 h后稱重獲取W60,再將烘干樣品放入馬弗爐中,在550 ℃下灼燒2 h后稱重獲取W550(稱重用超微天平完成)。根據下式進行計算:

TPM=(W60-W0)/V

POM=(W60-W550)/N

總顆粒物(TPM,total particulate matter)、顆粒有機物含量(POM,Particulate organic matter)[4]。

1.2.3 有機碳的測定 將混合均勻的水樣50 mL過濾在兩張孔徑為0.2 μm、直徑25 mm的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上(已高溫450 ℃灼燒2 h)做為平行樣,為校正濾過過程中濾膜吸收的溶解有機碳,同時將1張空白膜(450 ℃灼燒過2 h)用平行的水樣濾液浸泡來作為對照,即每個池塘水樣共3張濾膜,皆用濃鹽酸熏蒸20 min,再置于烘干箱中60 ℃下烘干24 h[5]。水樣的濾液同樣用日本島津公司生產的總有機碳分析儀(SSM-5000A)分析獲得溶解有機碳(DOC,dissolved organic carbon)的濃度;烘干后的濾膜用有機碳分析儀測定獲得顆粒有機碳(POC,particulate organic carbon)含量。

1.2.4 浮游生物和細菌的干重及有機碳計算 浮游植物及浮游動物樣品分別使用浮游植物計數框和浮游動物計數框在實驗室內使用顯微鏡進行種類鑒定和計數定量,再計算生物量,具體操作參照《水生生物學》[6]。浮游細菌樣品內的細菌總數利用熒光顯微計數法(AODC)進行定量計數[7]。按照浮游生物生物量(濕重)的1/7換算浮游生物干重[8]。腐質和浮游細菌量由有機懸浮顆粒物的含量減去浮游生物干重即可得到;浮游生物碳可由浮游生物的干重乘以系數0.40換算[9-10],細菌的生物量用20 fg/cell進行換算,結果以碳表示[11];浮游細菌的干重按照系數0.10由生物量進行換算[7,12]。

2 結果與分析

2.1 總顆粒懸浮物

實驗池塘顆粒懸浮物含量、構成及其時間變化如圖1所示,1#混養(yǎng)池塘總懸浮顆粒物含量平均為44.05±10.36 mg/L,變動于33.15～56.65 mg/L之間;有機懸浮顆粒物含量平均為11.73±3.25 mg/L,變動于8.59～22.23 mg/L之間;無機懸浮顆粒物含量平均為32.32±7.18 mg/L,變動于24.55 ～39.40 mg/L之間。2#混養(yǎng)池塘總懸浮顆粒物含量平均為39.38±3.89 mg/L,變動于33.14 ～54.49 mg/L;有機懸浮顆粒物含量平均為13.54±3.09 mg/L,變動于8.81 ～20.45 mg/L;無機懸浮顆粒物含量平均為25.84±1.14 mg/L,變動于24.20～34.04 mg/L。1#和2#池塘的總懸浮顆粒物中有機懸浮顆粒物的占比分別為26.63%和34.39%,無機物與有機物的比例分別為2.75∶1和1.91∶1。1#混養(yǎng)池塘4.5月的總顆粒懸浮物和無機懸浮顆粒物含量都明顯高于2#混養(yǎng)池塘,6、7、8月份差異減小;2#混養(yǎng)池塘的有機顆粒懸浮物整體小于1#混養(yǎng)池塘。

圖1 混養(yǎng)池塘顆粒懸浮物含量、構成及其時間變化

2.2 浮游生物

混養(yǎng)池塘浮游生物干重含量、構成及其時間變化如圖2所示,1#混養(yǎng)池塘的總浮游生物干重平均為0.569±0.247 mg/L,變化在0.306 ～0.853 mg/L之間,在有機懸浮顆粒物中占比4.85%;浮游植物占浮游生物總量的41.63%,干重變化在0.051 ～0.464 mg/L之間,平均為0.237±0.150 mg/L;浮游動物干重占浮游生物總量的58.37%,變化在0.216 ～0.580 mg/L之間,平均為0.332±0.156 mg/L。

圖2 混養(yǎng)池塘浮游生物干重組成及其時間變化

2#混養(yǎng)池塘的總浮游生物干重變化在0.192 ～0.550 mg/L之間,平均為0.356±0.200 mg/L,在有機懸浮顆粒物中占比2.63%;浮游植物干重占浮游生物干重總量的23.85%,變化于0.043 ～0.185 mg/L之間,平均干重為0.085±0.070 mg/L;浮游動物干重占浮游生物干重總量的76.14%,變化于0.143 ～0.449 mg/L之間,平均干重為0.271±0.155 mg/L。

2.3 腐質和浮游細菌

兩個混養(yǎng)池塘腐質及浮游細菌含量及其時間變化如圖3所示,1#混養(yǎng)池塘腐質和浮游細菌含量平均為12.28±6.29 mg/L,變化范圍7.09 ～21.96 mg/L;2#混養(yǎng)池塘腐質和浮游細菌含量平均為13.57±5.45 mg/L,變化范圍8.61 ～20.35 mg/L。兩個混養(yǎng)池塘的腐質和浮游細菌分別在有機懸浮顆粒懸浮物的構成中占比93.67%和97.59%。

圖3 混養(yǎng)池塘腐質及浮游細菌含量及其時間變化

通過以上研究,可以看出兩個混養(yǎng)池塘的總懸浮顆粒物在組成上以無機懸浮顆粒物為主,有機懸浮顆粒物的主要組成部分是腐質和浮游細菌(圖4)。

圖4 混養(yǎng)池塘懸浮顆粒物結構

通過以上研究,可以看出兩個混養(yǎng)池塘的總懸浮顆粒物在組成上以無機懸浮顆粒物為主,有機懸浮顆粒物的主要組成部分是腐質和浮游細菌(圖4)。

2.4 浮游細菌密度及生物量

1#池塘的浮游細菌密度變動于(0.58 ～2.41)×105cell/mL之間,平均為(1.52±0.80)×105cell/mL; 2#池塘的浮游細菌密度變動于(0.55～2.62)×105cell/mL之間,平均為(1.48±0.84)×105cell/mL。細菌的生物量按20 fg/cell計算,來完成把異養(yǎng)細菌密度轉化為以碳為單位的生物量的轉換[10],通過計算可得浮游細菌生物量。如圖5所示,1#混養(yǎng)池塘的浮游細菌生物量變化范圍是(1.16～4.82)×10-3mg/L,平均為(3.05±1.61)×10-3mg/L;2#池塘的浮游細菌生物量變化范圍是(1.10 ～5.23)×10-3mg/L,平均為(2.96±1.68)×10-3mg/L,含量皆不足總懸浮顆粒物的0.01%。

圖5 混養(yǎng)池塘浮游細菌的生物量及時間變化

2.5 有機碳含量及其分布

實驗池塘有機碳含量及其時間變化如表3所示,1#混養(yǎng)池塘的總有機碳(TOC)的變化范圍為6.18～11.56 mg/L,平均為8.29±2.53 mg/L;溶解有機碳(DOC)的變化范圍是3.68～6.76 mg/L,平均含量為5.43±2.03 mg/L;顆粒有機碳(POC)的變化范圍為2.33 ～3.68mg/L,平均含量為3.13±1.62 mg//L。2#混養(yǎng)池塘的總有機碳(TOC)的變化范圍為8.68～13.39 mg/L,平均為11.43±2.49 mg/L;溶解有機碳(DOC)的含量變化在6.12～9.01 mg/L之間,平均含量為7.01±1.27 mg/L; 顆粒有機碳(POC)的變化范圍為2.05～7.06 mg/L,平均為4.42±2.37 mg/L。經計算可知(浮游生物干重按0.4系數換算,變換趨勢相同):在兩個混養(yǎng)池塘中,總有機碳(TOC)的主要組成部分都是溶解有機碳(DOC),而腐質及浮游細菌碳是顆粒有機碳的主要組成部分,其中含量腐質碳>浮游動物碳>浮游植物碳>細菌碳(圖6)。

圖6 試驗池塘中有機碳的組成

表3 混養(yǎng)池塘有機碳含量及其時間變化

3 討論與結論

從總顆粒懸浮物含量來看,兩個實驗池塘平均含量較為接近(表3),同其他水域生態(tài)系統(tǒng)相比較,總顆粒懸浮物約為鹽堿池塘(15.53 mg/L)[13]和武漢東湖(17.58 mg/L)[10]的2～3倍左右,但遠不及對蝦養(yǎng)殖池塘(72.26 mg/L)[4]和刺參養(yǎng)殖池塘(73.10 mg/L)[1],這是因為相比自然水體與水庫,養(yǎng)殖池塘面積較小且生物放養(yǎng)密度較大,并伴有長期投鉺等人工干預措施,而相比對蝦和刺參等單一物種養(yǎng)殖池塘,“海蜇- 縊蟶-牙鲆-對蝦”的立體混養(yǎng)模式總懸浮顆粒物含量的波動更為平穩(wěn),顯示出了更強的自我調節(jié)能力;總含量雖與和淡水養(yǎng)魚池(37.53 mg/L)較為接近[14],但有機物含量比例卻相差甚遠,這主要與放養(yǎng)生物種類以及密度的不同以及水體的底質、深淺、營養(yǎng)狀況及當地的氣候條件有關,是多方面因素造成的。

與2016年同類型的混養(yǎng)模式的懸浮物結構特征的調查結果比較[2],兩個實驗池塘的總顆粒懸浮物,以及無機和有機懸浮顆粒物的含量都有所降低,但與其平均26%的有機顆粒物占比仍相似。從實驗期間的幾次結果來看,兩個池塘的有機顆粒懸浮物含量的波動一致,皆是“升-降-升-降”的趨勢,兩者的腐質與細菌的干重的波動趨勢也與之相仿且含量相差不大,有機懸浮顆粒物也皆由細菌及腐質碎屑占據主要構成,同時腐質及浮游細菌碳也是顆粒有機碳的主要組成部分,這與刺參養(yǎng)殖池塘[1]和淡水養(yǎng)魚池塘[14]等研究結果相近。反之1#混養(yǎng)池塘和2#混養(yǎng)池塘的浮游生物干重含量與波動有很大不同,這主要是因為兩個池塘的放養(yǎng)生物密度與種類不同。該種混養(yǎng)模式養(yǎng)殖對象中,縊蟶主要濾食硅藻,海蜇主要攝食浮游動物,中國明對蝦和牙鲆攝食大部分依靠人工投喂的餌料,其中牙鲆也攝食部分病弱中國明對蝦,兩者的糞便不僅為浮游單胞藻和底棲硅藻生長提供營養(yǎng),還為縊蟶提供了餌料[15],梭子蟹前期可能會攝食一些浮游藻類,后期主要與海蜇競食浮游動物[16]。2#混養(yǎng)池塘相比1#混養(yǎng)池塘擁有更大密度的縊蟶(表2),且具有1#混養(yǎng)池塘不具有的三疣梭子蟹,這導致了2#混養(yǎng)池塘較少浮游動物和浮游植物的含量與不同波動。而二者的DWP/DWZ平均值皆小于1,按照系數換算,浮游植物碳少于浮游動物碳,并不符合生態(tài)學中浮游植物碳一般要高于浮游動物碳能量流動的原理,可能是養(yǎng)殖過程中縊蟶大量濾食浮游植物所致。

水體中的總有機碳(TOC)是監(jiān)測水體有機污染物含量的主要綜合指標之一,其包括顆粒有機碳(POC)和溶解有機碳(DOC)兩部分,DOC/POC可以反映水體的富營養(yǎng)化水平。兩個池塘的DOC/POC在0.90～3.56之間波動,與對蝦養(yǎng)殖池塘[4]、刺參養(yǎng)殖池[1]、鹽堿池塘[13]以及16年的同種混養(yǎng)模式的池塘[2]的研究結果基本一致,但高于淡水高產魚池[14]。

綜合懸浮顆粒物與有機碳的含量對比以及兩個池塘的效益(表2)來看,相比已經試驗推廣施行多年的“海蜇-縊蟶-牙鲆-對蝦”混養(yǎng)模式來說,加入新的養(yǎng)殖物種——三疣梭子蟹后,有機顆粒物和有機碳的總占比提升,但浮游生物生物量下降,如要得到更好的效益以及水質狀態(tài)和水體生態(tài)平衡,還需在放養(yǎng)生物的數量比例上繼續(xù)調整。