两种海水混养池塘悬浮颗粒物结构及其有机碳库储量

王 璐,赵 文,魏 杰,张 湾,尹东鹏

(1.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁省水生生物学重点实验室,辽宁 大连 116023)

颗粒悬浮物主要包括浮游生物、细菌和腐质(有机碎屑)及无机质粒等,其含量及变化可以反映出水质潜在的变化趋势,是水域生态系统营养结构中的重要体现。水体中的悬浮颗粒物在经过一段时间之后,其中的一部分被滤食性动物摄食,还有一部分被微生物分解成为无机质,其余大部分同一些有机体沉降到池底,从而形成矿化物。在水域生态系统中,对颗粒悬浮物结构及其沉积作用中的动力学过程的相关研究,对深入了解其中的能量流动及物质循环具有重要意义[1]。海水池塘立体养殖模式已经在辽宁东部地区推广开展多年,其中的“海蜇(Rhopilemaesculentum)-缢蛏(Sinonovaculaconstricta)-牙鲆(Paralichthysolivaceus)-对虾(Fenneropenaeuschinensis)”——简称“蜇-贝-鱼-虾”的混合养殖模式近年在来辽宁丹东东港市最为常见,对此已有对该种混养池塘的悬浮颗粒物结构及其有机碳库储量的相关研究[2]。三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)作为我国海水养殖的主导种类之一,是重要的出口创汇品种,同时因肉味鲜美且营养丰富备受人们喜爱[3],积极拓展“海蜇-缢蛏-牙鲆-对虾-梭子蟹”生态养殖模式具有现实经济意义。因此,笔者在5个月时间里,对“海蜇-缢蛏-牙鲆-对虾”和“海蜇-缢蛏-牙鲆-对虾-三疣梭子蟹”两种池塘的立体混养模式开展了研究,测定和比较了两种池塘混养模式中水体悬浮颗粒物结构及有机碳分布特征,希望能为优化海水混合养殖池塘的生态养殖模式和水质管理方法以及探索低碳渔业提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验池塘概况

2021年4月— 8月(具体为4.24,5.29,6.29,7.27,8.27),在辽宁省丹东市东港地区选取两个混养池塘,1#池(N39°.846967,E123°.831899)和2#池(N39°.84877,E123°.833702)进行实验。其中1#混养池塘(海蜇-缢蛏-牙鲆-中国明对虾)面积为8 hm2,2#混养池塘(海蜇-缢蛏-牙鲆-中国明对虾-三疣梭子蟹)面积为8.2 hm2,两个池塘均每月换水一次,池塘换水量及月水深变化详情见表1,池塘的放养情况见表2,其中海蜇采取轮放轮捕的养殖方式,牙鲆由小规格养至大规格收获,缢蛏和中国明对虾由放苗养成至收获。

表1 混养池塘换水量及月份水深变化 m

表2 混养池塘生物放养种类密度及收益

1.2 试验方法

1.2.1 样品采集 两种混养池塘均设置3个采样点,即池塘的进水口、中心和出水口,均采集各个点位中层水样,实验期间每月对池塘水样采集1次,共采样5次。用5 L的水生-80型采水器采集池塘的有机碳及悬浮颗粒物样品和浮游植物、浮游动物以及细菌样品:浮游植物的样品需采集1 L水样,当场滴加15 mL鲁哥氏液进行固定,再静置24 h以上浓缩至50 mL用常规法镜检计数;浮游动物样品为经过25号浮游生物网过滤(孔径64 μm)50 L水样后的网内过滤物采集,获得的浮游动物样品装瓶加入5%甲醛溶液进行固定;浮游细菌的样品需采集100 mL水样,置于预先经过灭菌消毒处理后的容器瓶中,当场滴加3%无颗粒的甲醛进行固定,摇匀后保存。

1.2.2 总悬浮颗粒物及其有机质含量 将混合均匀的水样200 mL,使用经过预先处理过(450 ℃灼烧2 h,并称重获取W0)的直径为25 mm,孔径为0.2 μm 的 Whatman GF/F 玻璃纤维滤膜进行过滤,样品中悬浮物会截留在玻璃纤维滤膜上,将滤膜放在烘干箱中60 ℃下烘干72 h后称重获取W60,再将烘干样品放入马弗炉中,在550 ℃下灼烧2 h后称重获取W550(称重用超微天平完成)。根据下式进行计算:

TPM=(W60-W0)/V

POM=(W60-W550)/N

总颗粒物(TPM,total particulate matter)、颗粒有机物含量(POM,Particulate organic matter)[4]。

1.2.3 有机碳的测定 将混合均匀的水样50 mL过滤在两张孔径为0.2 μm、直径25 mm的Whatman GF/F玻璃纤维滤膜上(已高温450 ℃灼烧2 h)做为平行样,为校正滤过过程中滤膜吸收的溶解有机碳,同时将1张空白膜(450 ℃灼烧过2 h)用平行的水样滤液浸泡来作为对照,即每个池塘水样共3张滤膜,皆用浓盐酸熏蒸20 min,再置于烘干箱中60 ℃下烘干24 h[5]。水样的滤液同样用日本岛津公司生产的总有机碳分析仪(SSM-5000A)分析获得溶解有机碳(DOC,dissolved organic carbon)的浓度;烘干后的滤膜用有机碳分析仪测定获得颗粒有机碳(POC,particulate organic carbon)含量。

1.2.4 浮游生物和细菌的干重及有机碳计算 浮游植物及浮游动物样品分别使用浮游植物计数框和浮游动物计数框在实验室内使用显微镜进行种类鉴定和计数定量,再计算生物量,具体操作参照《水生生物学》[6]。浮游细菌样品内的细菌总数利用荧光显微计数法(AODC)进行定量计数[7]。按照浮游生物生物量(湿重)的1/7换算浮游生物干重[8]。腐质和浮游细菌量由有机悬浮颗粒物的含量减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数0.40换算[9-10],细菌的生物量用20 fg/cell进行换算,结果以碳表示[11];浮游细菌的干重按照系数0.10由生物量进行换算[7,12]。

2 结果与分析

2.1 总颗粒悬浮物

实验池塘颗粒悬浮物含量、构成及其时间变化如图1所示,1#混养池塘总悬浮颗粒物含量平均为44.05±10.36 mg/L,变动于33.15～56.65 mg/L之间;有机悬浮颗粒物含量平均为11.73±3.25 mg/L,变动于8.59～22.23 mg/L之间;无机悬浮颗粒物含量平均为32.32±7.18 mg/L,变动于24.55 ～39.40 mg/L之间。2#混养池塘总悬浮颗粒物含量平均为39.38±3.89 mg/L,变动于33.14 ～54.49 mg/L;有机悬浮颗粒物含量平均为13.54±3.09 mg/L,变动于8.81 ～20.45 mg/L;无机悬浮颗粒物含量平均为25.84±1.14 mg/L,变动于24.20～34.04 mg/L。1#和2#池塘的总悬浮颗粒物中有机悬浮颗粒物的占比分别为26.63%和34.39%,无机物与有机物的比例分别为2.75∶1和1.91∶1。1#混养池塘4.5月的总颗粒悬浮物和无机悬浮颗粒物含量都明显高于2#混养池塘,6、7、8月份差异减小;2#混养池塘的有机颗粒悬浮物整体小于1#混养池塘。

图1 混养池塘颗粒悬浮物含量、构成及其时间变化

2.2 浮游生物

混养池塘浮游生物干重含量、构成及其时间变化如图2所示,1#混养池塘的总浮游生物干重平均为0.569±0.247 mg/L,变化在0.306 ～0.853 mg/L之间,在有机悬浮颗粒物中占比4.85%;浮游植物占浮游生物总量的41.63%,干重变化在0.051 ～0.464 mg/L之间,平均为0.237±0.150 mg/L;浮游动物干重占浮游生物总量的58.37%,变化在0.216 ～0.580 mg/L之间,平均为0.332±0.156 mg/L。

图2 混养池塘浮游生物干重组成及其时间变化

2#混养池塘的总浮游生物干重变化在0.192 ～0.550 mg/L之间,平均为0.356±0.200 mg/L,在有机悬浮颗粒物中占比2.63%;浮游植物干重占浮游生物干重总量的23.85%,变化于0.043 ～0.185 mg/L之间,平均干重为0.085±0.070 mg/L;浮游动物干重占浮游生物干重总量的76.14%,变化于0.143 ～0.449 mg/L之间,平均干重为0.271±0.155 mg/L。

2.3 腐质和浮游细菌

两个混养池塘腐质及浮游细菌含量及其时间变化如图3所示,1#混养池塘腐质和浮游细菌含量平均为12.28±6.29 mg/L,变化范围7.09 ～21.96 mg/L;2#混养池塘腐质和浮游细菌含量平均为13.57±5.45 mg/L,变化范围8.61 ～20.35 mg/L。两个混养池塘的腐质和浮游细菌分别在有机悬浮颗粒悬浮物的构成中占比93.67%和97.59%。

图3 混养池塘腐质及浮游细菌含量及其时间变化

通过以上研究,可以看出两个混养池塘的总悬浮颗粒物在组成上以无机悬浮颗粒物为主,有机悬浮颗粒物的主要组成部分是腐质和浮游细菌(图4)。

图4 混养池塘悬浮颗粒物结构

通过以上研究,可以看出两个混养池塘的总悬浮颗粒物在组成上以无机悬浮颗粒物为主,有机悬浮颗粒物的主要组成部分是腐质和浮游细菌(图4)。

2.4 浮游细菌密度及生物量

1#池塘的浮游细菌密度变动于(0.58 ～2.41)×105cell/mL之间,平均为(1.52±0.80)×105cell/mL; 2#池塘的浮游细菌密度变动于(0.55～2.62)×105cell/mL之间,平均为(1.48±0.84)×105cell/mL。细菌的生物量按20 fg/cell计算,来完成把异养细菌密度转化为以碳为单位的生物量的转换[10],通过计算可得浮游细菌生物量。如图5所示,1#混养池塘的浮游细菌生物量变化范围是(1.16～4.82)×10-3mg/L,平均为(3.05±1.61)×10-3mg/L;2#池塘的浮游细菌生物量变化范围是(1.10 ～5.23)×10-3mg/L,平均为(2.96±1.68)×10-3mg/L,含量皆不足总悬浮颗粒物的0.01%。

图5 混养池塘浮游细菌的生物量及时间变化

2.5 有机碳含量及其分布

实验池塘有机碳含量及其时间变化如表3所示,1#混养池塘的总有机碳(TOC)的变化范围为6.18～11.56 mg/L,平均为8.29±2.53 mg/L;溶解有机碳(DOC)的变化范围是3.68～6.76 mg/L,平均含量为5.43±2.03 mg/L;颗粒有机碳(POC)的变化范围为2.33 ～3.68mg/L,平均含量为3.13±1.62 mg//L。2#混养池塘的总有机碳(TOC)的变化范围为8.68～13.39 mg/L,平均为11.43±2.49 mg/L;溶解有机碳(DOC)的含量变化在6.12～9.01 mg/L之间,平均含量为7.01±1.27 mg/L; 颗粒有机碳(POC)的变化范围为2.05～7.06 mg/L,平均为4.42±2.37 mg/L。经计算可知(浮游生物干重按0.4系数换算,变换趋势相同):在两个混养池塘中,总有机碳(TOC)的主要组成部分都是溶解有机碳(DOC),而腐质及浮游细菌碳是颗粒有机碳的主要组成部分,其中含量腐质碳>浮游动物碳>浮游植物碳>细菌碳(图6)。

图6 试验池塘中有机碳的组成

表3 混养池塘有机碳含量及其时间变化

3 讨论与结论

从总颗粒悬浮物含量来看,两个实验池塘平均含量较为接近(表3),同其他水域生态系统相比较,总颗粒悬浮物约为盐碱池塘(15.53 mg/L)[13]和武汉东湖(17.58 mg/L)[10]的2～3倍左右,但远不及对虾养殖池塘(72.26 mg/L)[4]和刺参养殖池塘(73.10 mg/L)[1],这是因为相比自然水体与水库,养殖池塘面积较小且生物放养密度较大,并伴有长期投铒等人工干预措施,而相比对虾和刺参等单一物种养殖池塘,“海蜇- 缢蛏-牙鲆-对虾”的立体混养模式总悬浮颗粒物含量的波动更为平稳,显示出了更强的自我调节能力;总含量虽与和淡水养鱼池(37.53 mg/L)较为接近[14],但有机物含量比例却相差甚远,这主要与放养生物种类以及密度的不同以及水体的底质、深浅、营养状况及当地的气候条件有关,是多方面因素造成的。

与2016年同类型的混养模式的悬浮物结构特征的调查结果比较[2],两个实验池塘的总颗粒悬浮物,以及无机和有机悬浮颗粒物的含量都有所降低,但与其平均26%的有机颗粒物占比仍相似。从实验期间的几次结果来看,两个池塘的有机颗粒悬浮物含量的波动一致,皆是“升-降-升-降”的趋势,两者的腐质与细菌的干重的波动趋势也与之相仿且含量相差不大,有机悬浮颗粒物也皆由细菌及腐质碎屑占据主要构成,同时腐质及浮游细菌碳也是颗粒有机碳的主要组成部分,这与刺参养殖池塘[1]和淡水养鱼池塘[14]等研究结果相近。反之1#混养池塘和2#混养池塘的浮游生物干重含量与波动有很大不同,这主要是因为两个池塘的放养生物密度与种类不同。该种混养模式养殖对象中,缢蛏主要滤食硅藻,海蜇主要摄食浮游动物,中国明对虾和牙鲆摄食大部分依靠人工投喂的饵料,其中牙鲆也摄食部分病弱中国明对虾,两者的粪便不仅为浮游单胞藻和底栖硅藻生长提供营养,还为缢蛏提供了饵料[15],梭子蟹前期可能会摄食一些浮游藻类,后期主要与海蜇竞食浮游动物[16]。2#混养池塘相比1#混养池塘拥有更大密度的缢蛏(表2),且具有1#混养池塘不具有的三疣梭子蟹,这导致了2#混养池塘较少浮游动物和浮游植物的含量与不同波动。而二者的DWP/DWZ平均值皆小于1,按照系数换算,浮游植物碳少于浮游动物碳,并不符合生态学中浮游植物碳一般要高于浮游动物碳能量流动的原理,可能是养殖过程中缢蛏大量滤食浮游植物所致。

水体中的总有机碳(TOC)是监测水体有机污染物含量的主要综合指标之一,其包括颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)两部分,DOC/POC可以反映水体的富营养化水平。两个池塘的DOC/POC在0.90～3.56之间波动,与对虾养殖池塘[4]、刺参养殖池[1]、盐碱池塘[13]以及16年的同种混养模式的池塘[2]的研究结果基本一致,但高于淡水高产鱼池[14]。

综合悬浮颗粒物与有机碳的含量对比以及两个池塘的效益(表2)来看,相比已经试验推广施行多年的“海蜇-缢蛏-牙鲆-对虾”混养模式来说,加入新的养殖物种——三疣梭子蟹后,有机颗粒物和有机碳的总占比提升,但浮游生物生物量下降,如要得到更好的效益以及水质状态和水体生态平衡,还需在放养生物的数量比例上继续调整。