大棚繁育克氏原螯蝦種苗對養(yǎng)殖水體營養(yǎng)鹽的影響

劉國鋒 徐增洪 朱光艷 水 燕 何 俊 張憲中

(1.中國水產(chǎn)科學研究院淡水漁業(yè)研究中心,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稲漁綜合種養(yǎng)生態(tài)重點實驗室,無錫 214081;2.無錫市水產(chǎn)技術推廣總站,無錫 214101)

2019年全國克氏原螯蝦(Procambarus clarkia,俗稱小龍蝦)養(yǎng)殖總產(chǎn)量達208.96萬噸,養(yǎng)殖總面積達128.6萬公頃,有產(chǎn)量報告的養(yǎng)殖省份多達23個;小龍蝦產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達4110億元,同比增長19.28%,養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)值約710億元,同比增加4.11%[1]。小龍蝦產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增加,在積極響應國家“供給側改革”和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調整的同時,也為廣大養(yǎng)殖戶脫貧致富、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的提質增效提出了新思路。然而,受限于種苗繁育技術影響,克氏原螯蝦土池繁育種苗的供應量成為當前小龍蝦養(yǎng)殖規(guī)模擴大的瓶頸。針對這一現(xiàn)狀,眾多學者和養(yǎng)殖戶采用大棚-土池的育苗方式,在種苗供應中實現(xiàn)了早出苗、出大苗的目的[2,3],從而促進了我國小龍蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

然而,在溫室大棚進行小龍蝦種苗繁育期間,高密度投放親本蝦、高密度繁育種苗和高強度投喂飼料,尤其是在大棚保溫措施作用下,營底棲生活的小龍蝦不再打洞冬眠,其活動能力增強。在這種情況下,受飼料投喂和生物擾動等多因素影響,單位面積小龍蝦的密度遠高于常規(guī)水體,將會對養(yǎng)殖水體的營養(yǎng)鹽循環(huán)變化產(chǎn)生強烈的干擾活動,尤其是殘餌和蝦糞便溶解在水體中后,將加劇水體營養(yǎng)鹽污染負荷。但這種“人為+生物”的擾動作用對水體中營養(yǎng)鹽循環(huán)的作用如何,以及對養(yǎng)殖水體水質變化情況如何,目前尚未見到相關報道[4]。因此,本文以2018年10月—2019年4月溫室大棚中高密度繁育小龍蝦種苗過程中水體營養(yǎng)鹽變化為研究對象,通過在一個生產(chǎn)周期中定期采集樣品,研究在人為和生物的共同作用下對養(yǎng)殖水體水環(huán)境的影響,并評價養(yǎng)殖尾水水質變化情況,從而為后期尾水治理提供理論依據(jù)和支撐作用。

1 材料與方法

1.1 實驗處理與樣品采集

本研究地點為江蘇省無錫市惠山區(qū)惠民農(nóng)業(yè)合作社(N 31°44.8005＇,E 120°10.2468＇)。大棚面積為2670 m2,內有4條長寬為70 m×6 m的環(huán)形水道為育苗池,每2條水道通過溝渠相連,每條環(huán)形水道的水深保持在80 cm。育苗池中布設微孔曝氣和推水設備,以保持水體處于微流動和持續(xù)增氧。同時根據(jù)水體中酸堿度情況,采用潑灑石灰水調整水體的pH。2018年9月底大棚育苗池灌水、投放親本蝦(親本蝦投放密度為300 g/m2,也即200 kg/667 m2)并穩(wěn)定20d后,保證親本蝦適應水體環(huán)境、育苗池水體環(huán)境條件穩(wěn)定,于2018年10月中旬開始采樣。

樣品采集點設在水道中間位置,采集水樣時用采水器采集水體的上中下三層,取其混合樣,裝入干凈的水瓶中,然后盡快帶回實驗室進行分析。同時用多參數(shù)便攜式水質測定儀測定水體的溶解氧(Dissolved oxygen,DO)、酸堿度和總溶解性固體物(TDS)等。每個月用彼得遜采泥器采集表層0—5 cm的底泥,帶回實驗室后冷凍干燥、待處理。實驗期間以外部露天養(yǎng)殖池塘為對照(由于池塘中親本蝦均進洞冬眠,水體和表層底泥營養(yǎng)鹽均無明顯變化,相關監(jiān)測數(shù)據(jù)未在文中顯示)。

1.2 樣品分析

帶回實驗室的水樣立即處理。水樣的總氮(TN)、總磷(TP)和化學需氧量(COD)的測定參見文獻[5],水溶性-P的含量是把水樣經(jīng)GF/C(Whatman)濾紙過濾后利用全自動化學分析儀測定(SmartChem 200);采集的底泥樣品用冷凍干燥機干燥后研磨,過篩后分析,底泥的總氮(TN)、總磷(TP)和土壤有機質(SOM)測定方法參見文獻[6,7]。同時定期用小孔地籠采集蝦苗,用千分之一天平進行重量測定。實驗數(shù)據(jù)用Excel 2016、Origin 8.5和SPSS19.0處理。

1.3 水質評價標準和方法

水質評價標準,依據(jù)《漁業(yè)水質標準》(GB11607-1989)、《地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值表》(GB3838-2002)和《農(nóng)用水源環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》(NY/T 396-2000),并參考湖泊水環(huán)境評價指標開展水質環(huán)境評價[8]。

評價方法: 依據(jù)地表水環(huán)境質量標準和漁業(yè)水質標準,采用單項污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行水質評價。

2 結果

2.1 水體基本理化指標變化

水體中溶解氧(DO)在養(yǎng)殖過程中變化不大,基本保持在5.5 mg/L以上,水體中溶解氧含量能保證親本蝦不會缺氧。水體中DO含量也表明采用微孔曝氣和推水設備可以有效保證水體溶氧水平,為親本蝦生長和蝦苗的順利繁育創(chuàng)造了條件;pH則在養(yǎng)殖過程中因添加石灰水而出現(xiàn)較大的波動(圖1a),其最高值達到8.90。較高的pH和充足的曝氣,有助于水體抑制有害菌的發(fā)生和物質充分混合,同時也抑制了水體中重金屬等可能存在的危害[9,10]。

圖1 大棚高密度繁育蝦苗育苗池水體基本理化性質變化Fig.1 Physicochemical properties of water in the pond of greenhouse high-density breeding shrimp seedlings

水體水溫(WT)從10月至來年1月底前呈持續(xù)下降趨勢(圖1b),但在塑料大棚內,其溫度要高于同期室外氣溫5—10℃,具有較好的保溫效果,有助于親本蝦活動與幼苗生長,這也是水體中濁度呈現(xiàn)持續(xù)增加的原因之一。由于持續(xù)投喂飼料和蝦的活動,導致水體鹽度有小幅度上升(圖1c),同時水體中氧化性物質含量增加,尤其是在12月份,水體氧化還原電位高達100.8 mV,高位值維持到1月份,隨后開始下降。這也與水體水溫變化較為一致(圖1b),12月與來年1月份為氣溫最低期間,雖然大棚保溫提高了育苗池溫度,但該期間水溫10—12℃徘徊,低于15℃,親本蝦的活動能力受到抑制。有研究表明在10℃下小龍蝦將停止攝食,水溫10—15℃將減少攝食活動[11]。因此在12月至來年2月之間,小龍蝦攝食量較低,投喂飼料大部分溶解在水體中,且較低水溫抑制了微生物等活性,造成殘餌和糞便等分解較慢,因此水體的Eh值較高。隨著進入2月份后溫度回升,物質分解加快,水體的Eh值開始下降,這與水體中總溶解性固體物(TDS)和電導率(EC)處于較高含量表現(xiàn)較為一致(圖1d)。劉國興等[12]研究表明,在較高密度養(yǎng)殖小龍蝦過程中,增加小龍蝦相互打斗的概率和飼料系數(shù),從而惡化水體,這與本研究結果類似。但水質下降的根本原因是持續(xù)不斷投喂的飼料無法全部被攝食,同時進入水體中的殘餌和排泄的糞便超過了水體自凈能力,導致水體水質下降,這也是當前水產(chǎn)養(yǎng)殖中造成水體富營養(yǎng)化、水質下降的主因之一[13]。

2.2 水體中可溶性營養(yǎng)鹽含量

圖2 大棚高密度繁育蝦苗育苗池水體可溶性營養(yǎng)鹽含量變化Fig.2 Soluble nutrient content in the water body of the nursery pond of greenhouse high-density breeding shrimps

2.3 水體TN、TP和COD含量

水體中TN、TP和COD總體呈增加趨勢(圖3)。水體中TN含量變幅為2.09—2.69 mg/L,自開始投放親本蝦養(yǎng)殖到種苗繁育結束,其含量增加了29%;水體COD含量變幅為42.40—53.20 mg/L,增幅為25%;TP含量變幅為0.19—0.45 mg/L,其含量增幅為145%。水體TN、TP和COD含量變化,主要是持續(xù)投喂飼料,這表明高密度繁育種苗過程中,飼料投喂對水體中氮磷營養(yǎng)鹽含量增加具有顯著影響。即使在12月至來年1月水溫下降期間,其濃度未受影響。

圖3 大棚高密度繁育蝦苗育苗池水體 TN、TP 和 COD 含量變化Fig.3 The TN,TP and COD contents in the pond of greenhouse high-density breeding shrimp seedlings

2.4 表層底泥TN、TP和SOM含量變化

表層底泥中TN、TP變化與水體中的類似趨勢,其含量變幅分別為1032—1279和623—1004 mg/kg,增幅分別為24%和23%。在進入11月份后表層底泥中TN含量出現(xiàn)快速增加,直至種苗繁育結束時(來年4月份種苗起捕、銷售),表現(xiàn)為含量上升。底泥中TP含量自10月份到來年1月份之前其含量變幅不大,基本在630 mg/kg附近;在進入1月份后其含量開始增加,并在2月份達到高峰為1004 mg/kg,隨后又下降,這與上覆水中可溶性營養(yǎng)鹽含量變化趨勢較為近似(圖2)。這種現(xiàn)象可能是在前期蝦攝食活動強度低、飼料中營養(yǎng)鹽聚集,而在進入來年2月中下旬后隨著水溫升高、幼苗長大后連同親本蝦的攝食活動變強,同時水體中浮游生物開始繁殖,導致水體中和表層底泥中的易溶性營養(yǎng)鹽被快速利用(相關數(shù)據(jù)另文詳述),導致其含量下降。

表層底泥中有機質(SOM)含量總體平衡,后期(2—3月)略有增加的變化趨勢(圖4)。其含量從10月份的12.00 mg/kg增加,到來年3月份達到高峰,其含量為16.35 mg/kg,隨后降低,至4月份繁殖結束降為14.28 mg/kg,其增幅達到41%,表明養(yǎng)殖過程中持續(xù)的飼料投喂、糞便排泄和蝦擾動表層底泥等快速增加了表層底泥中有機質含量。

圖4 大棚高密度繁育蝦苗育苗池表層底泥 TN、TP 和 SOM 含量變化Fig.4 The TN,TP and SOM contents in the surface sediment of the nursery pond for high-density shrimp breeding in greenhouse

2.5 水環(huán)境質量評價

利用水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[8]計算的幾個關鍵指標的指數(shù)值均處于較高值(表1),尤其是TLI(TP)、TLI(TN)、LLI (COD)和LLI (-N)均隨養(yǎng)殖時間的增加、飼料投入等因素影響而增加(其指數(shù)值變幅分別為67.88—82.34、77.02—81.28、100.80—106.84和66.03—86.88)。雖然利用湖泊等大水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進行養(yǎng)殖水體的評價不太合適[14,15],但作為封閉的小型水體,利用不同的評價指數(shù)法可以提供不同的視角,從不同角度反映出相應的變化趨勢。

表1 育苗池水體的指數(shù)評價結果Tab.1 Index evaluation results of water body in seedling pool

3 討論

3.1 飼料投喂和生物擾動對養(yǎng)殖水體營養(yǎng)鹽變化的影響

當前我國小龍蝦養(yǎng)殖規(guī)模處于歷史新高,尤其是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在發(fā)布關于“稻漁綜合種養(yǎng)生產(chǎn)技術指南”后[16],各地快速推進小龍蝦稻蝦養(yǎng)殖共作生產(chǎn)模式。截至2019年年底,全國小龍蝦養(yǎng)殖面積達128.7萬公頃,較2018年同比增長14.80%;按養(yǎng)殖方式水域分,稻田養(yǎng)殖面積105.7萬公頃,占小龍蝦養(yǎng)殖總面積的85.96%;池塘精養(yǎng)面積80.6萬畝,蝦蟹混養(yǎng)面積8.3萬公頃,藕蝦套養(yǎng)面積2.3萬公頃,其他2.2萬公頃,分別占4.18%、6.43%、1.77%和1.66%[1]。小龍蝦養(yǎng)殖規(guī)模的增加對廣大農(nóng)民增收致富、脫貧致富乃至養(yǎng)殖技術的提升均有重要意義。然而,養(yǎng)殖規(guī)模的擴大造成現(xiàn)有土池繁育種苗產(chǎn)能無法滿足市場需求,采用大棚育苗已經(jīng)成為當前種苗繁育的重要生產(chǎn)模式[3,17],從而為眾多養(yǎng)殖戶提供了優(yōu)質種苗。

在本研究中發(fā)現(xiàn),尤其是在進入2月份后,孵化出的蝦苗快速生長,幼蝦的生物量和數(shù)量均出現(xiàn)大幅增長(圖5),從2月的3.22 g/ind.和239 ind./kg到4月份的27.17 g/ind.和142 ind./kg,同期稻田育出的蝦苗生物量和數(shù)量變幅較小(2月份為1.10 g/ind.和314 ind./kg,4月份為7.34 g/ind.、190 ind./kg)[2,3]。溫室大棚中高密度繁育種苗,在較高水溫作用下,持續(xù)投喂大量飼料(在整個育苗期間,共投喂飼料合計2000 kg,其中回捕親本蝦500 kg,蝦苗產(chǎn)量為3000 kg)帶來的高營養(yǎng)鹽輸入、單位面積較高密度的生物等多種干擾活動,將會對水體營養(yǎng)鹽增加、表層底泥擾動產(chǎn)生強烈的影響(圖2—4)。張碩等[18]研究發(fā)現(xiàn)縊蟶(Sinonovacula constricta)擾動后,沉積物中TN含量增加,且促進了有機態(tài)和硫化物結合態(tài)向不可轉化態(tài)轉變。吳方同等[19]研究發(fā)現(xiàn)在較高水溫、pH條件下,會促進水絲蚓的活動,進而加速底泥中的總氮釋放。因此在本研究過程中,較高的水溫、pH和微流水循環(huán)均會刺激小龍蝦親本蝦和幼苗的活動能力,從而促進水體中顆粒物的降解、表層底泥中氮磷營養(yǎng)鹽向上覆水中釋放。

圖5 克氏原螯蝦大棚育苗和稻田育苗的種苗生物量變化Fig.5 Seedling biomass of Procambarus clarkii raised in greenhouses and paddy fields

有研究表明,湖泊中河蜆的擾動會促進底泥有機質和含磷代謝產(chǎn)物的分解,從而促進底泥中磷酸根向上覆水中釋放[20]。同時,對淺水湖泊中風浪擾動對磷的釋放研究發(fā)現(xiàn),風浪擾動初期會引起沉積物磷的暴發(fā)性釋放,風浪后期含量會重新恢復到初始的低水平[21]。這些研究結果表明,風浪帶動的表層底泥擾動、生物體擾動作用均會對表層底泥中氮磷釋放產(chǎn)生明顯影響。生物量的增加,形成了每只蝦子所占有的水域面積較少,造成單位面積水體的蝦子數(shù)量和密度增加(親本蝦和蝦苗,換算為單位面積的密度約為280 ind./m2),生物擾動能力和強度均有提高,從而促進了水體和表層底泥中物質的循環(huán)變化,引起上覆水和表層底泥中的TN、TP和SOM增加。

3.2 養(yǎng)殖活動對養(yǎng)殖水-土系統(tǒng)中營養(yǎng)鹽積聚的效應

在溫室大棚高密度繁育小龍蝦種苗過程中,持續(xù)不斷的投喂飼料(受水體濁度大、透明度低,以及工人只是按照經(jīng)驗投喂等因素影響),造成多余的殘餌會溶解在水體中;同時,抱卵親本蝦在較高的水溫中,減少了掘洞、冬眠等行為,從而增加了對底棲環(huán)境的擾動作用和向水體中的糞便排泄,提高了水體中以氮磷為主的營養(yǎng)鹽含量和水體中COD含量快速升高(圖2和圖 3)。通過對相關環(huán)境因子的相關性分析(表2),結果表明飼料投喂量對水體和表層底泥中營養(yǎng)鹽含量、水體濁度、鹽度、電導率和總溶解性固體物等均具有較強正相關性(相關系數(shù)＞0.6),水體中較高電導率(圖1d)受水體中離子種類、濃度影響,較高的電導率值也表明水體中各種離子尤其是可溶性營養(yǎng)鹽的含量處于較高值,這些均表明了持續(xù)的飼料投喂、蝦的生物擾動作用均促進了物質循環(huán)轉化。雖然到目前尚未見到小龍蝦生物擾動作用對水體、底泥中營養(yǎng)鹽的釋放/吸附效果,但根據(jù)一些研究者對水絲蚓、搖蚊幼蟲和河蜆等底棲動物的生物擾動作用看,大部分在靜止水體中會出現(xiàn)營養(yǎng)鹽的吸附作用(因底層水體缺氧,生物擾動后造成磷酸根等被鐵錳氧化物絡合、化合沉淀等),而在氧氣充足的水體中則出現(xiàn)營養(yǎng)鹽向上覆水中釋放,并從可轉化態(tài)、易溶態(tài)向難溶態(tài)轉化[18,19,22—24]。

表2 飼料投喂量與水體中各指標間的相關關系Tab.2 Correlation between feed dosage and various indexes in water body

在本研究中,水體TN、TP呈現(xiàn)持續(xù)增加的變化趨勢(圖3),其含量變幅分別為2.09—2.69和0.19—0.45 mg/L,水體中TP含量增幅最大,高達145%,其最主要的來源就是人工投喂飼料。表層底泥中TN、TP和SOM含量分別為1032—1279、623—1004和12.00—14.28 mg/kg,增幅分別為24%、23%和41%,均表現(xiàn)為快速增加的趨勢,與上覆水體中變化趨勢一致;底泥中TP增幅要顯著低于上覆水中TP的增幅,這可能是因為投喂的飼料水溶性較好,且經(jīng)過蝦攝食、消化排泄到水體中并經(jīng)過生物擾動、微生物分解等活動,磷主要以顆粒態(tài)和可溶態(tài)存在于水體中,因而沉降于底泥中的反而是占比較少,這與水體和底泥中總磷含量變化趨勢一致(圖3和圖 4)。

3.3 高密度繁育蝦苗對水質影響及對策

高密度繁育小龍蝦種苗,在生產(chǎn)中具有積極的現(xiàn)實意義,可以為小龍蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供最基本的生產(chǎn)物資,為養(yǎng)殖戶取得較高收益奠定了重要的物質基礎。但從對環(huán)境影響的角度看,其持續(xù)的物質投入、強烈的人為作用和生物擾動等多種因素影響下,加速了水-土系統(tǒng)中物質的循環(huán)、遷移和轉化進程,表現(xiàn)為短期內水體中氮磷營養(yǎng)鹽含量、水體污染指數(shù)均超過現(xiàn)行漁業(yè)水環(huán)境和地表水環(huán)境質量標準。當前我國政府正在努力建設“山清水秀”的優(yōu)美環(huán)境,水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的凈化治理是其中一個必須面對的問題[25]。

根據(jù)本研究過程,水體中各項營養(yǎng)指標均出現(xiàn)明顯增加,尤其是水體和表層底泥中氮磷、有機質均增幅明顯。如果直接排入外部,不但會造成外部水體環(huán)境壓力,且水體中氮磷營養(yǎng)鹽處于流失狀態(tài),形成極大的浪費。因此,針對這種情況,建議構建凈化池,通過種/養(yǎng)植凈化能力強的水生植物、水生生物等進行水體凈化,如漂浮植物鳳眼蓮、空心菜、銅銹環(huán)棱螺及濾食性魚類等,植物可進行生物肥料制作等,凈化后的水體再回流到稻田或養(yǎng)殖池塘中,形成“水體凈化-營養(yǎng)鹽回收-再利用”的循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟模式[26—28],從而形成資源節(jié)約、高效利用的現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。

4 結論

當前克氏原螯蝦養(yǎng)殖在增加漁民收入、豐富人民生活水平中具有重要作用。然而在養(yǎng)殖過程中因種苗供應能力常導致集中供應、區(qū)域發(fā)展不平衡和規(guī)格偏小等問題。因此,嘗試采用溫室大棚進行克氏原螯蝦種苗的冬季保溫育苗方式,研究結果表明該措施可以有效緩解以上問題并取得較好效果。但高密度種蝦和種苗的繁育,帶來了養(yǎng)殖水體的營養(yǎng)鹽含量快速增加,成為后期需要注意的環(huán)境問題。本研究表明: (1)溫室大棚高密度繁育克氏原螯蝦種苗過程中,受人為干預和生物擾動影響,水體DO、WT、濁度、EC和TDS等均具有較高含量,水體不存在缺氧現(xiàn)象,為蝦生長提供了較好的物質條件。(2)受持續(xù)飼料投入和蝦攝食等影響,上覆水中TN、TP和可溶性營養(yǎng)鹽-P及COD含量較高,較高的營養(yǎng)鹽含量為后期養(yǎng)殖尾水的治理帶來新的要求。(3)受飼料投入和生物活動等作用,養(yǎng)殖期間表層底泥的TN、TP和有機質含量均有增加,有機質的增幅最高達41%,表明過量的飼料進入到水體和底泥中是養(yǎng)殖環(huán)境惡化的主因。