流速对封闭循环水养殖大菱鲆生长、摄食及水质氮素的影响

孙国祥, 李 勇, 田 喆, 刘 鹰, 高婷婷, 柳 阳, 刘佳亮

(1. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院 研究生院, 北京 100049; 3. 青岛理工大学,山东 青岛 266033, 4. 山东东方海洋科技股份有限公司, 山东 烟台 264003)

流速对封闭循环水养殖大菱鲆生长、摄食及水质氮素的影响

孙国祥1,2, 李 勇1, 田 喆3, 刘 鹰1, 高婷婷1, 柳 阳1,2, 刘佳亮4

(1. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院 研究生院, 北京 100049; 3. 青岛理工大学,山东 青岛 266033, 4. 山东东方海洋科技股份有限公司, 山东 烟台 264003)

在封闭循环水高密度养殖条件下(平均密度14.1 kg/m2±0.51 kg/m2), 设置4个流速梯度(200, 400,600, 800 L/h,分别以A～D组表示), 挑选相近体质量(200.3g±7.6 g)的大菱鲆进行42 d养殖试验, 每个梯度设置3个重复, 每个重复55尾鱼, 研究流速对封闭循环水养殖大菱鲆生长、摄食以及水质氮素的影响。试验结果表明： (1) 大菱鲆(Scophthatmus maximusL)特定生长率、增质量率、摄食量随流速增大先快速上升后缓升趋稳, 饲料系数则相反。B、C、D 3组特定生长率、摄食量分别显著高于A组30.77%～52.31%、17.30%～22.05%; 饲料系数则显著低于A组13.83%～22.34%; (2) 养殖水体中总氨氮、非离子氨及亚硝酸氮浓度随流速的增大先快速下降后缓降趋稳。B、C、D 3组水质总氨氮氨浓度均显著低于A组53.70%～79.07%; (3) 根据流速对特定生长率、水体总氨氮二者的影响, 得出养殖的生态适宜流速为625 L/h。再结合流速对水循环动力的影响, 得出养殖的生态经济适宜流速为480 L/h。

封闭循环水; 流速; 摄食; 生长; 水质; 大菱鲆(Scophthatmus maximusL)

近10年来, 水产养殖对环境的影响日益引起关注[1], 特别是传统的不受约束的水产养殖模式具有水资源浪费、环境污染等负面影响。封闭循环水养殖用水率是普通流水养殖的 1/80～1/25, 且污染物通过处理可降低至最小限度, 既减少了废物排放, 又实现了资源的重复利用[2]。鱼类排泄氮和过量投喂后的残饵是循环水养殖水体污染的主要来源[3]。因此,精准投喂饲料和减少鱼体排氮对减轻循环水养殖水处理负荷、保持水环境稳定具有重要意义[4]。目前封闭循环水养殖模式, 在西方发达国家达到广泛应用[5], 但在中国还处于初级阶段。适合中国国情的封闭循环水养殖关键生产技术与工艺, 还需进一步深入研究和开发。

国外已有关于流速对大西洋鲑鱼(Salmo salarL.)[6]、虹鳟鱼(Oncorhynchus mykiss)[7]生长影响的报道,国内也有关于流速对红鳍银鲫(Barbodes schwanenfeld)耗氧率[8]、西伯利亚鲟(Acipenser baer)幼鱼生长[9]影响的报道, 但其养殖模式均为开放式普通流水养殖,而关于封闭循环水条件下流速对鱼类生长、摄食等影响的研究尚未见有报道。

本研究在封闭循环水养殖条件下, 试验探寻了不同流速对高密度养殖大菱鲆(Scophthatmus maximusL)生长、摄食及水质氮素的影响, 确定了养殖的生态适宜流速与生态经济适宜流速, 为现代工厂化养殖大菱鲆兼顾生长性能、水质污染、动力耗费等因素而确定适宜流速, 提供科学依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 实验饲料

实验饲料选用进口优质海水鱼膨化饲料, 饲料营养水平测定如下： 干物质95.21%, 粗蛋白53.01%,钙 5.21%, 总磷 3.43%, 粗脂肪 13.68%, 粗灰分15.18%。

1.2 实验设计与动物分组

采用单因素随机实验设计, 设置 4个流速梯度(200, 400, 600, 800 L/h, 分别以A～D组表示), 每个梯度设3个重复, 每个重复55尾鱼。实验用大菱鲆选自山东东方海洋科技股份有限公司开发区养殖基地, 经消毒处理后, 置于循环水系统中驯化2周, 挑选相近体质量(200.3g±7.6 g)的大菱鲆660尾, 随机分配到各实验组中。

1.3 养殖管理

实验于2009年12月～2010年1月在山东东方海洋科技股份有限公司开发区养殖基地进行, 共计42 d。封闭循环水系统由固液分离装置、生物过滤装置、消毒增氧装置、有机物去除装置、控温装置、养殖桶组成。养殖桶内水体积为 400 L, 底面积 0.8 m2, 养殖密度为(14.1±0.51)kg/m2。试验期间温度(15.0±0.3)℃,盐度 23±1, pH 为 7.20～7.50,溶解氧(DO)＞6.00 mg/L。试验期间光照周期为 12 h(黑暗)：12 h(光照)。每天投喂 2 次(8：00,20：00), 每次进行饱食投喂, 半小时后捞出养殖桶内残饵, 计算残饵量及实际摄食量。每次投喂后排出25%(100L)养殖水并及时添加新水。

1.4 指标测定

试验开始和结束时, 停食 1 d, 称质量, 按公式计算增质量、增质量率、特定生长率、饲料系数、存活率及摄食量。

1.4.1 生长、摄食、饲料转化指标计算

增质量(g)=末质量-始质量

增质量率(%)=(末质量-始质量)/始质量×100

特定生长率(%/d)=100×(Ln末质量-Ln始质量)/试验天数

摄食量(g/尾)= 总摄食量/处理鱼数

饲料系数=摄食量/(末质量-始质量) ×100%存活率(%)=末鱼数/始鱼数×100

1.4.2 水体氮素指标测定

水体氮素的测定分别在第 13、20、27、34、41天进行。早晨正常投喂, 采食结束后捞出残饵, 排出25%(100 L)养殖水并及时添加新水,然后开始计时, 6 h后取水样, 测定水样中总氨氮和亚硝酸氮并计算非离子氨。总氨氮(total ammonia nitrogen, 简称TAN)测定采用纳氏试剂法[10]; 亚硝酸氮(Nitrite, NO2--N)测定参照国家标准(GB 17378.4-1998)奈乙二胺分光光度法[11]; 非离子氨(unionized ammonia nitrogen,简称UIA-N)根据以下公式计算[12]。

1.5 统计分析

试验数据采用 SPSS18软件进行单因素方差分析, 多重比较采用LSD和Duncan’s进行; 采用回归分析建立多项式曲线模型; 结果数据均以“平均值±标准误”表示。

2 结果

2.1 生长、摄食、饲料转化结果

2.1.1 生长性能结果

由表1可以看出, 在不同流速梯度下, 各组生长表现出显著性差异(P＜0.05)或极显著性差异(P＜0.01), 但存活率则相同(均为100%)。末均质量、增质量、增质量率、特定生长率都随流速的增大先快速上升后缓升趋稳。末均质量、增质量方面, B、C、D组均极显著高于A组(P＜0.01)。增质量率和特定生长率方面, 与 A组相比, B组表现出显著性差异(P＜0.05), C组、D组则表现出极显著性差异(P＜0.01);B组与C组无显著性差异(P＞0.05), 而与D组则有显著性差异(P＜0.05); C组与D组则无显著性差异(P＞0.05)。对流速与特定生长率进行3次回归曲线拟合,结果见图1。

表1 不同流速对大菱鲆生长、摄食的影响Tab. 1 Effects of different flow rates on growth and feed intake of turbots (n=3; Mean ± SE)

图1 不同流速对大菱鲆特定生长率的影响Fig. 1 Effects of different flow rates on the specific growth rate (SGR) of turbots (Scophthatmus maximus L)

由图 1可见, 特定生长率随流速加快有先增大后缓升趋于稳定的趋势, 其关系表述如下：

其中RSG为特定生长率,F为流速。通过计算得出当流速为 742.29 L/h时特定生长率取得最大值为0.9943%/d。

2.1.2 摄食、饲料转化结果

由表1可以看出, 在不同流速梯度下, 各组间摄食量和饲料系数表现出显著差异(P＜0.05)或极显著差异(P＜0.01)。随流速的增大摄食量也表现出先快速上升后缓升趋稳趋势, 与生长性能变化特征相似;而饲料系数随流速的变化规律则正好与摄食相反。B、C、D 3组摄食量均极显著高于A组(P＜0.01),但此3组之间无显著性差异(P＞0.05)。B、C、D3组饲料系数均显著(P＜0.05)或极显著性(P＜0.01)高于A组,但此3组之间同样无显著性差异(P＞0.05)。

试验期间大菱鲆日摄食量变化如图 2 所示, 不同流速下大菱鲆日摄食量呈波浪式趋势。

图2 试验期间大菱鲆日摄食量变化Fig. 2 Variation of daily feed intake for turbots (Scophthatmus maximus L)

2.2 水质氮素结果

水质氮素测定在试验第13、20、27、34、41天进行, 水中总氨氮、非离子氨及亚硝酸氮浓度测定和计算结果见表2。

由表2可以看出, 随着流速的增大, 总氨氮、非离子氨及亚硝酸氮浓度都表现出先快速下降后缓降趋稳的趋势。与实验组A相比, B、C、D3组的总氨氮浓度都表现出显著性差异(P＜0.05)或极显著性差异(P＜0.01), 而 B、C、D3组之间则无显著性差异(P＞0.05)。非离子氨则随取样时间不同而有所差异：与A相比, C、D两组都表现出极显著性差异(P＜0.01),而B组则在第13天、第20天表现出无显著性差异(P＞0.05),在第27天、34天、41天表现出显著性差异(P＜0.05)或极显著性差异(P＜0.01)。亚硝酸氮方面,与 A组相比, B、C、D 3组都表现出显著性差异(P＜0.05,day13)或极显著性差异(P＜0.01,第 34 天、第41天),而B、C、D3组之间则无显著性差异(P＞0.05,第13天、第27天、第34天、第41天)。不同取样时间内水中总氨氮及亚硝酸氮浓度随流速变化如图3、图4所示。

2.3 两种适宜流速的确定

确定适宜流速, 主要应兼顾3方面, 即动物生长速度较佳、水质氮素较低、水循环动力较节省。根据本试验生长数据及试验期间总氨氮平均含量, 通过 2次曲线拟合得出流速对水中总氨氮和大菱鲆特定生长率的影响如图5所示。

流速对TAN、SGR的影响可用如下数学表达式表示：

通过相关计算得出, 当F=625 L/h时, SGR(1.0461%/d)与 TAN(0.3258 mg/L)的差值最大, 即在此流速下大菱鲆的特定生长率较高而同时水中总氨氮浓度较低, 作为大菱鲆封闭循环水养殖的生态适宜流速。

表2 流速对水质总氨氮(mg/L)、非离子氨(μg /L)及亚硝酸氮质量浓度(mg/L)的影响Tab. 2 Effects of flow rates on concentrations of TAN,UIA-N, and NO2--N in water (Mean±SE, n=3)

图3 不同取样时间内流速对水中总氨氮质量浓度的影响Fig. 3 Effects of flow rates on TAN concentration on different sample days

图4 不同取样时间内流速对水中亚硝酸氮质量浓度的影响Fig. 4 Effects of flow rates on NO2--N concentration on different sample days

图5 流速对水中总氨氮质量浓度和大菱鲆特定生长率的影响Fig. 5 Effects of flow rates on TAN concentration and the SGR of turbot (Scophthatmus maximus L)

3 讨论

3.1 流速对大菱鲆生长的影响

国内针对流速的研究较少且研究内容差异较大。宋波澜等[8]研究了不同流速下红鳍银鲫趋流行为与耗氧率的变化, 结果表明趋流率、摆尾频率和耗氧率随流速增大表现出先增大后减小并趋于稳定的趋势。黄宁宇等[9]报道了流速、温度对西伯利亚鲟幼鱼生长的影响, 结果表明在同一温度下, 鲟幼鱼的增质量、体长、生长效率、特定生长率及日增质量等指标随流速增大而增大, 饲料系数则逐渐降低, 其中鲟幼鱼的生长效率与流速之间存在显著正相关性。国外已有关于流速的研究, FiveIstad等[13]研究得出, 降低流速对大西洋鲑鱼生长有明显的负作用,但流速过高同样对鱼类生长有负作用。以上前人研究结果均在开放式流水养殖条件下获得, 而封闭循环水养殖条件下流速对动物生长影响的研究报道未见得。本试验结果表明, 大菱鲆特定生长率随流速增加表现出先增加后趋于稳定的趋势, 与水质氮素变化特征相吻合, 既流速低梯度增加时, 水质有害氮显著减少, 大菱鲆生长性能随之增加; 而流速高梯度增加, 水质有害氮未有进一步减少, 从而生长性能表现出差异不显著。

3.2 流速对大菱鲆摄食的影响

摄食量的多少是影响鱼类生长速度的关键因素,而鱼类的摄食量受到诸如遗传、水体环境、饲料、生长、养殖管理等因素的影响[14]。关于封闭循环水系统流速对摄食量的影响研究报道目前还尚未见到。本试验结果表明, 流速对大菱鲆摄食量的影响与对其特定生长率的影响一致, 即摄食量随流速的增大先快速上升后缓升趋稳, 而饲料系数随流速的变化规律则正好相反。出现这一现象和规律主要与水环境、生长、密度有关。Kulczykowska等[15]研究了摄食节律以及环境条件对鱼类摄食的调节, 认为较差的水质条件、较高的密度等会引起鱼类的应激反应, 并通过神经激素调节影响鱼类的食欲进而影响摄食量。Schram等[16]报道了水体氨氮对非洲鲶鱼摄食、生长及血液指标的影响, 较高氨氮会极显著的影响鱼类摄食以及特定生长率。本试验有害氮浓度随流速的增加表现出先降低后趋于稳定的趋势。流速A中有害物质总氨氮、亚硝酸氮、非离子氨含量显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)高于 B、C、D3 组, 有害物质浓度过高影响鱼的食欲导致摄食量减少, 进而影响鱼类生长, 生长缓慢直接减少采食, 双重作用, 因而摄食量与生长速度显著(P＜0.05)低于 B、C、D3组。而B、C两组中有害氮浓度较低且无显著性差异,从而两组鱼的摄食量和生长受影响较小, 呈现差异不显著; D组有害氮浓度最低, 因此摄食量和生长速度最高。这一结果分析与 Kulczykowska[15]及Schram[16]的研究相一致。

3.3 流速对水质氮素指标的影响

生物滤器是封闭循环水养殖系统的关键组成部分, 主要用于去除氨氮、亚硝酸氮、有机物、二氧化碳和增氧。Franco-Nava等[17]认为一定的流速会提高生物滤器的去除能力从而改善水质。傅雪军等[18]研究了水温、进水氨氮浓度、水力停留时间对生物膜消氨效果的影响, 表明氨氮去除率随水力停留时间的延长而减小。FiveIstad等[13]在研究中发现, 水中总氨氮浓度随流速下降而上升, 低流速(0.16～0.21)L/(kg/min)下总氨氮浓度比高流速(0.49-0.59)L/(kg/min)显著上升。本研究表明, 水中总氨氮浓度随流速增加先速降后缓降趋稳, 与生长性能和摄食量变化规律相一致。与前人研究结果有相似但不完全一致, 属不同试验的梯度设计及其他条件差异所致。本试验所得结果特征及规律更加客观或符合实际, 造成这一特征的原因分析是： 流速低梯度增加时, 循环次数增加, 生物滤器硝解氮素的次数加大,水质有害氮减少; 流速高梯度增加时, 生物滤器硝解氮素功能趋于饱和或达到上限, 因循环次数增加的氮素硝化和降解增加效应弱化, 所以水中总氨氮等有害氮未有显著减少。

在循环水养殖系统中, 一般通过生物滤器的硝化作用把氨氮转化成亚硝酸氮, 并进一步转化成硝酸态氮, 在此转化过程中, 氨氮氧化速率是限速参数[22],而氨氮浓度、溶解氧、有机物、水流、温度、pH等构成影响氨氮转化速率的主要因素[23]。本研究表明, 亚硝酸氮浓度随流速增大先快速下降后缓降趋稳, 其变化范围为0.04mg/L(第41天, D组)～0.25 mg/L(第27天, A组), 这与总氨氮、非离子氨的变化趋势一致。 Ling等[24]研究了底物浓度对硝化速率的影响, 结果表明低氨氮浓度条件下可以建立一级反应动力学, 即随着底物浓度的增加, 硝化速率将呈线性增加。按这一理论, 本试验中低流速梯度的总氨氮浓度大, 其作为反应底物将促进硝化速率, 导致产生较多的亚硝酸氮, 而试验中测定的不同流速梯度的亚硝酸氮含量与此推断相符。Zhu等[25]通过相关实验证明, 增大水流是一种提高固定膜生物滤器的硝化效率的有效方法,本实验结果与此相一致。曲克明等[26]的研究表明, 在封闭循环水养殖中, 养殖水体更容易产生和积累亚硝酸氮。本研究结果表明,流速梯度A中亚硝酸氮浓度表现出明显的积累趋势,另外 3个梯度积累趋势并不明显, 造成该差异的原因为流速增加导致水体氨氮浓度降低, 作为反应底物的氨氮浓度降低导致转换成的亚硝酸氮浓度降低,因此这3个梯度亚硝酸氮积累趋势并不明显。

3.4 具有重要实践价值的两种最适流速

流速是封闭循环水[3]和流水养殖中[27]的一项关键参数, 因此确定适宜流速是实现养殖高效、经济的关键技术之一。国内针对封闭循环水养殖适宜流速的研究尚未见报道。国外的研究当中, Schram[27]报到了 18℃流水养殖条件下流速对大菱鲆幼鱼生长的影响, 得出大菱鲆幼鱼的特定生长率最大(1.24%/d)时的流速为921.20 L/h。Fivelstad[6]研究得出增大流速有利于流水养殖水体中游离二氧化碳等有害物质浓度的降低。以上研究均在流水养殖模式下得出, 并且只是单纯考虑流速对生长或有害代谢物的影响。

本研究首次在封闭循环水养殖条件下研究流速对200 g左右大菱鲆生长及水中TAN等有害物质的影响, 并创新提出两种适宜流速指标值： 基于生长较快和TAN浓度较小的养殖生态适宜流速(625 L/h);基于生长较快、水循环动力较节省及TAN浓度较小的养殖生态经济适宜流速(480 L/h)。该结果不仅丰富了封闭循环水养殖模式关键技术参数的内容和确定方法, 而且对中国方兴未艾的封闭循环水养殖产业的清洁、节能、低碳等优势发挥, 具有重要指导和参考价值。通过与Schram[27]研究比较, 大菱鲆幼鱼(10 g)最大生长率时的流速与本研究中大菱鲆(200 g )最适流速有所差异, 但不同流速对不同大菱鲆生长及水质的影响规律相近。因此, 本研究所得最适流速具有较大的适用性。同时, 关于不同体质量大菱鲆生长的最适流速有待深入研究。

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Effects of flow rate on the growth, feed intake and water nitrogen in a closed recirculation aquaculture system of turbots (Scophthatmus maximusL.)

SUN Guo-xiang1,2, LI Yong1, TIAN Zhe3, LIU Ying1, GAO Ting-ting1, LIU Yang1,2,LIU Jia-liang4
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Qingdao Technological University, Qingdao 266033,China, 4. Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd., Yantai 264003, China)

Jan., 24, 2011

closed recirculation aquaculture system; flow rate; feed intake; growth; water quality; turbot (Scophthatmus maximusL)

Effects of flow rate on the feed intake, growth and water quality of turbot culture were investigated in a closed recirculation aquaculture system. Fish with a mean initial weight of 200.3 g±7.6 g were reared at four different flow rates (200, 400, 600, 800L/h) in 400 L tanks for 42 days. Six hundred and sixty fish were randomly allotted in four treatment groups with three replicates for each treatment at a stocking density of 14.1 ± 0.51 kg/m2.Feed intake, specific growth rate and weight gain rate were increasing rapidly first and then slowly with the increase of flow rate, while food conversion rate showed a reverse pattern. The specific growth rate of group B, C, and D were significantly higher than group A by 30.77%～52.31%, while feed conversion rate ws lower than group A by 13.83%～22.34%. Concentrations of total ammonia nitrogen (TAN), unionized ammonia nitrogen (UIA-N), and nitrite () were decreased rapidly first and then slowly with the increase of flow rate. The ammonia nitrogen ofgroup B, C, and D were significantly higher than group A by 53.70%～79.07%. The optimal ecological flow rate was calculated to be 625 L/h, based on the specific growth rate with total ammonia nitrogen in water. Another optimal ecological economical flow rate was calculated to be 480 L/h, based on the specific growth rate with power consumption and TAN in water.

S967.9

A

1000-3096(2011)05-0053-08

2011-01-24;

2011-03-25

国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目(2006AA100305); 国家农业科技成果转化资金资助项目(2008GB2C100109)

孙国祥(1984-), 男, 硕士研究生, 主要从事水产动物生态营养与清洁饲料研究, E-mail： sunguoxiang2008@hotmail.com; 李勇, 通信作者, 电话： 0532-82898724, E-mail： lyzhy678@hotmail.com

谭雪静)