基于两种生物浮床的养殖池塘中浮游动物多样性与水质的灰色关联性分析

陈 琴，高胜男，李恩军，程光平，崔 亮，赵学倩，何绪伟，秦秀东

（1.广西大学动物科学技术学院/广西高校水生生物健康养殖与营养调控重点实验室，广西 南宁 530005；2. 桂林市第二水产养殖场，广西 桂林 541000）

【研究意义】浮游动物作为水生态系统的重要组成部分，不仅可以作为鱼苗的重要开口饵料，同时也是鳙（Aristichthys nobilis）等滤食鱼类的主要饵料。此外，浮游动物还能制约水中微生物和浮游植物大量繁殖，有效降低水体富营养化程度，对保持水生态系统的稳定性具有重要作用［1-2］。浮游动物的生长繁殖受水环境影响大，对水环境变化敏感，其多样性水平反映了水体健康状况，是水质监测和水生态环境评价的重要指标生物，进行水质因子对浮游动物多样性影响程度的研究对养殖水体的调控和生态修复具有重要意义。

【前人研究进展】有学者通过对海湾及河口地区浮游动物群落进行研究，分析了水文参数对浮游动物的影响［3-5］，研究了水库湖泊水域浮游动物的群落动态特征及相关因子的影响［6-7］。目前关于淡水养殖池塘浮游动物的研究相对较少，多以鲢鳙、草鱼、团头鲂等鲤科鱼类为主要研究对象，如李学梅等［8］研究了鳙鱼池塘中浮游动物群落结构特征，李志斐等［9］研究了草鱼等主养6种鱼类的养殖池中浮游动物的群落结构。目前利用灰色关联性分析水质因子多为评价水质等级，如娄方瑞等［10］利用灰色关联分析研究了水库水体中浮游生物完整性指数与水体理化因子的关系。近年来，对黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）的研究主要集中在繁殖育种、养殖模式和营养评价等方面［11-14］，对黄颡鱼养殖池塘浮游动物Shannon-Wiener 多样性指数（H）和Pielou 均匀度指数（J）多样性与水质因子间的关联性分析尚未见报道。【本研究切入点】黄颡鱼是一种杂食性底栖鱼类，其蛋白质含量高且脂肪含量低，具有较高的经济价值和市场需求［15-18］。生物浮床是利用浮床植物对水体氮磷等物质的吸收作用来调控和修复水质的一种有效技术手段。本研究以水葫芦浮床和水花生浮床的黄颡鱼养殖池为实验塘，对比两种生物浮床对水质的调控及对浮游动物的影响，利用灰色关联分析法分析诸水质因子与浮游动物H值和J值的关联性。与其他分析方法相比，灰色关联分析法充分考虑水环境的不确定性，因此在利用信息效率和精度方面有较大优势［19-20］。【拟解决的关键问题】采用H和J分析两种生物浮床养殖塘中浮游动物的多样性；利用灰色关联分析浮游动物多样性与主要水环境因子的关联性，从浮游动物群落结构的角度探究两种生物浮床的优劣。

1 材料与方法

1.1 实验塘概况

实验塘为广西桂林市第二水产养殖场的4号、5号生产性池塘，面积均为1.13 hm2，平均水深约1.8 m，塘堤为片石水泥沙浆砌体，底泥厚度约50 cm。

2017年5月20日，两试验塘放养均重0.026 g的全雄黄颡鱼苗种各32万尾、均重650 g鲢鱼种各720尾、均重920 g鳙鱼各100尾。水葫芦浮床塘设水葫芦浮床，水花生浮床塘设水花生浮床，浮床面积均为700 m2，占池塘面积的6%。水质监测期间，水葫芦浮床塘和水花生浮床塘的配合饲料总输入量分别为14.2 t和17.0 t。试验期为174 d。

1.2 采样点设置和采样频率

采样点为每口塘“长边”的中部，离“浮床”约15 m、离塘堤约1.2 m处。

鱼种放养当天开始采样，之后每隔30 d左右采样1次。采样期为1个养鱼周期（2017年5月21日至11月14日），共采样6次。

1.3 样本采集和分析方法

浮游动物定性、定量样本采集及种类鉴定、计数、分析等参照文献［21-28］等资料要求进行。采集浮游动物样品的同时，用便携式水质分析仪现场测定水温（WT）、溶氧（DO）及pH值，用透明度盘测定水体透明度（SD）。其余水质指标的测定在实验室中完成：采用萘乙二胺分光光度法测定亚硝酸盐氮(NO2-N）浓度，纳氏试剂法测定水中氨态氮(NH3-N)浓度，钼酸铵分光光度法测定总磷（TP）浓度，碱性过硫酸钾法测定总氮（TN）浓度，碱性高锰酸钾法测定化学需氧量（CODMn），碘量法测定5日生化需氧量（BOD5）。水样采集和测定方法参考国家标准GB11892—89、国家环境保护标准HJ535—2009、水利行业标准SL88—2012和《水和废水监测分析方法》等［21］。

1.4 数据处理

1.4.1 浮游动物多样性指数计算及水质评价标准实验数据处理及分析采用 Excel 2007。生物量计算采用体积换算法［24］。采用H、J和Margalef 丰富度指数（D）分析浮游动物多样性特征，H值计算公式为：

式中，ni为第i种的个体数，N为总个体数。

J反映浮游动物分布均匀程度，计算公式为：

式中，S为群落中生物的总种数。

D用于对相似环境条件下群落种类的多样性比较，公式为：

式中，S为群落中生物的总种数，N为个体总数。

H值大小分为5个级别：H＜0.6，评价等级为1级，表示多样性差；0.6＜H＜1.5，评价等级为2级，表示多样性一般；1.6＜H＜2.5，评价等级为3级，表示多样性较好；2.6＜H＜3.5，评价等级为4级，表示多样性丰富；H＞3.5，评价等级为5级，表示多样性非常丰富［29］。以H指标评价养殖水体污染状况标准为：0≤H≤1，重污染；1＜H≤2，α-中污型；2＜H≤3，β-中污型；3＜H＜4，无/轻污染；H≥4，清洁能源［30-31］。

1.4.2 灰色关联分析 灰色关联分析是对系统内部事物之间的状态进行量化比较分析的方法［32］，利用数列的可比性定量地刻画系统内部主要因素之间的相关程度。在系统发展过程中，如果两个因素变化的趋势具有一致性，表示二者的关联程度较高，反之关联程度较低。

把水体环境作为一个灰色系统，采用Excel 2007分析浮游动物H和J与 WT、DO、pH、NH3-N、NO2-N等水质指标的灰色关联性；以浮游动物H值和J值为参考序列X0，以WT、DO、pH、NH3-N、NO2-N、COD、BOD5、TP、TN 和SD等10个水环境指标为比较序列Xi（i＝1，2，3，……，10），计算10个理化指标与H和J的关联度，确定这10个理化指标对浮游动物多样性的影响程度。

为消除不同量纲的影响，使用均值法对原始数据进行无量纲化处理，然后再进行关联系数计算，从而得出关联度［33-34］。无量纲化公式如下：

式中，Xb（K）为b检测时期水域评估样品的K项指标的无量纲化值；Xb（0）（K）为b检测时期水域评估样品各水质指标的实测值；Xa（0）（K）为水环境质量分类标准中各评估指标的标准值。

关联系数计算公式如下：

式 中，Δij（k）=，为与在第k项差值的绝对值；Δmin、Δmax为Δij(k)的最小值和最大值；ρ为分辨系数，一般取值在0～1范围内，此处取ρ＝0.5。

关联度计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 浮游动物群落结构特征及动态变化

通过对2个监测池塘一个养殖周期共6次样品的鉴定分析，共检测到浮游动物4大类23属（表1），优势种均为轮虫类，且以臂尾轮虫属、晶囊轮虫属占优势。其中，水葫芦浮床塘检出4大类23属：原生动物门3属，占13.0%；轮虫类10属，占43.5%；枝角类6属，占26.1%；桡足类4属，占17.4%。水花生浮床塘检出4大类18属：原生动物门2属，占11.1%；轮虫类9属，占50.0%；枝角类4属，占22.2%；桡足类3属，占16.7%。相对来说，水葫芦浮床塘浮游动物种（属）多于水花生浮床塘，前者比后者高27.7%，表明水葫芦浮床塘浮游动物的多样性水平高于水花生浮床塘。

从表1及图1、图2可以看出，水葫芦浮床塘、水花生浮床塘浮游动物种类最多均出现在7月，分别为16属和15属；最低值均出现在10月，分别为7属和4属；优势种均为轮虫类。

表1 黄颡鱼养殖池塘浮游动物种类组成Table 1 Species composition of zooplankton in culture pond of Pelteobagrus fulvidraco

图1 水葫芦浮床塘浮游动物种群组成动态变化Fig. 1 Dynamic changes of zooplankton population in water hyacinth floating bed pond

图2 水花生浮床塘浮游动物种群组成动态变化Fig.2 Dynamic changes of zooplankton population in alligator weed floating bed pond

2.2 浮游动物生物量、密度及丰富度指数的动态变化

水葫芦浮床塘浮游动物平均密度和生物量分别为1 233 ind/L和22.606 mg/L，水花生浮床塘的平均密度和生物量分别为702 ind/L和6.799 mg/L。前者的密度和生物量比后者分别高75.6%和232.5%。由图3可知，水葫芦浮床塘、水花生浮床塘浮游动物密度和生物量的季节变化趋势相似，其中密度均呈现从5月份开始逐渐增大，在8月份达到峰值，分别为3 972、1 592 ind/L；生物量则在7月份达到最大值，分别为62.3、24.9 mg/L，至10月份达最低值，为0.74、0.13 mg/L。

图3 生物浮床池塘浮游动物密度及生物量变化Fig. 3 Change of zooplankton density and biomass in biological floating bed ponds

由表2可以看出，除11月份水花生浮床塘的D值较高外，其他时间水葫芦浮床的D值均高于水花生浮床塘，认为水葫芦浮床塘的浮游动物丰富度高于水花生浮床塘。

表2 生物浮床池塘浮游动物丰富度指数（D）季节变化Table 2 Seasonal variation of zooplankton richness index （D） in biological floating bed ponds

由表3可知，水葫芦浮床塘和水花生浮床塘的桡足类分别占浮游动物生物量的81.42%和67.60%；其次是枝角类，分别占13.30%和18.34%；第三为轮虫类，分别占5.27%和14.06%；原生动物为0。

2.3 浮游动物多样性指数动态变化及水质评价

H值是编排被检测生物的种类和数量分布、定量显示生物个体和生物种在群落中关系的信息［35］。浮游生物的多样性对其生存的河流、湖泊、海洋等生态系统结构和功能的多样性起着重要作用［36］，被视为水体生态系统质量的指示剂［37］。

H值越大，水体越清洁。

表3 生物浮床池塘浮游动物生物量变化及占比Table 3 Zooplankton biomass and its percentage in biological floating bed ponds

由表4可知，水葫芦浮床塘浮游动物H值的季节性变化范围为1.28～2.71，最大值出现在7月、为2.71，最小值出现在8月、为1.28，总体状况为β-中污型；水花生浮床浮游动物H值的季节性变化范围为0.838～2.83，最大值出现在11月、为2.83，最小值出现在8月、为0.838，总体状况为α-中污型。从H均值看，水葫芦浮床塘为2.05，水花生浮床塘为1.89，前者略高于后者，认为水葫芦浮床塘水质相对优于水花生浮床塘。

表4 生物浮床池塘浮游动物多样性指数、污染状况及营养类型Table 4 Zooplankton diversity index, pollution status and nutrient types of biological floating bed ponds

2.4 池塘水质理化指标

由表5可看出，监测水体的的主要物理因子(SD、WT、pH)季节性变化较明显，WT受气温变化的影响，最高值出现在盛夏的8月、9月，最低值出现在11月；SD和pH受养殖季节的影响，二者均呈“W”形变化趋势。主要水化因子(DO、NH3-N、NO2-N、COD、BOD5、TP、TN)季 节 性变化差异较大，存在较大的空间变异，水体处于中污型状态。由于周围没有生活污水直接排入池塘，故认为养殖产生的废水是导致水体污染的主要原因，其波动与池塘的养殖品种、载鱼量和生物浮床等有较大关系。

表5 生物浮床池塘水质理化指标Table 5 Physical and chemical index of water in biological floatind bed ponds

2.5 浮游动物多样性指数与水质因子的灰色关联分析

生物多样性是衡量一个区域生物资源丰富程度的一个客观指标，H值越高，群落结构越稳定。分别以浮游动物H值和J值为参考序列X0，以WT、DO、pH、NH3-N、NO2-N、COD、BOD5、TP、TN和SD等 10个水环境指标为比较序列Xi（i＝1，2，3，……10），计算10个理化指标与浮游生物H值和J值的关联度，结果（表6）表明，pH是第一影响因子，水葫芦浮床塘、水花生浮床塘pH与H值和J值的关联度分别为0.863、0.797，0.901、0.825；其次为WT，与H值和J值的关联度分别为0.827、0.743，0.846、0.760；第三影响因子为DO，与H值和J值的关联度分别为0.808、0.805，0.830、0.714。综合来看，主要水质因子对浮游动物多样性的影响力从大到小依次为pH＞WT＞DO＞COD＞SD＞BOD5＞NH3-N＞TN＞TP＞NO2-N。

表6 生物浮床塘水质因子与多样性指数（H）和均匀度指数（J）的关联度及其排序Table 6 Correlation degree of water quality factors with diversity index (H) and evenness index (J) and their ranking in biological floating bed ponds

3 讨论

3.1 水质因子对浮游动物的影响

在灰色关联分析中，关联度大小是各因子间相互影响、相互作用的外在表现。本研究利用灰色关联法分析水质指标与浮游动物关联程度大小，结果表明，物理因子中pH对浮游动物多样性指数的影响最大，WT次之，SD最小；在水化因子方面，DO、COD、BOD5是影响浮游动物多样性指数的关键因子，TN、TP、NO2-N对浮游动物多样性指数的影响较小。这与前人研究结论相似，如姜英等［38］指出浮游动物的密度与pH值显著相关，物种数及生物量与WT显著相关。在养殖生产中，是否可以通过调控主要水质因子来提高或抑制养殖塘浮游动物多样性，以提升养殖塘的生态水平，还有待进一步研究。

3.2 养殖鱼类对浮游动物群落的影响

浮游动物的群落结构受很多因素影响，其中池塘主养鱼类就是一个重要因素。赵忠波［1］指出，鱼类可以通过捕食作用来控制和调节水体中浮游动物的群落结构。Tatrai 等［39］研究表明，杂食性鱼类相对于虑食性鱼类来说，对浮游生物群落结构的影响更加复杂，对浮游生物群落结构影响的上行效应比下行效应更加明显。这是因为杂食性鱼类的活动不仅能混合水体的分层，还能使上下水层的营养盐分布更加均匀，并通过搅动底泥将其中的营养物质释放出来，加速浮游生物的生长和繁殖，同时改变和调控浮游生物的群落结构。本研究仅从单方面探究主要水质因子对浮游动物的影响，而黄颡鱼作为杂食性鱼类，其对浮游动物的影响有待进一步研究。

3.3 两种生物浮床对水质的调控及浮游动物作用

近年来，池塘水质修复的生态技术发展很快［40-42］，其中浮床植物系统是一种较新的水质原位修复和控制技术。由于不同植物的生理特性不同、净化富营养化水质的效果不同，因此选择出适合环境特点、具有较高净化能力又有一定经济价值的浮床植物，是人工生物浮床要解决的关键问题之一［43］。李先宁等［44］研究认为，生物浮床通过浮床植物根部的吸收、吸附作用来消减水体中的氮磷等有机物质，对TN、TP的去除率高达 83.7% 和 90.7%，并通过调控水质来影响浮游植物的生长进而影响浮游动物。孔燕［45］指出，水葫芦分泌的化感物质会抑制藻类生长，可以有效净化水体，缓解水体富营养化。本研究运用灰色关联分析两种生物浮床对浮游动物丰富度、多样性及水质因子等方面的影响，结果表明水葫芦浮床塘的浮游动物种类、密度和生物量均高于水花生浮床塘；根据浮游动物多样性指数（H）与水质评价标准比较，水葫芦浮床塘为β-中污型，水花生浮床塘为α-中污型。综合分析认为，设置水葫芦浮床较水花生浮床能更好地调控水质及浮游动物的种群结构。

4 结论

通过对设置两种生物浮床的黄颡鱼养殖塘浮游动物及主要水质因子进行一个养殖周期监测，运用灰色关联分析得出以下结论：（1）水葫芦浮床塘的浮游动物丰度和多样性水平均高于水花生浮床塘；两种生物浮床塘浮游动物 Shannon-Wiener 多样性指数（H）的动态变化趋势大致相似。（2）在监测水域的理化因子中，pH与浮游动物多样性的关联度最高，其次为WT、DO和COD；关联度最低的为TN、TP、NO2-N。（3）水葫芦浮床较水花生浮床在净化水体、缓解水体富营养化方面略胜一筹。

在水生态系统中，浮游动物群落结构和种类组成上的变化不但可以反映水污染程度，还能反映污染的发展方向。通常浮游动物种类增多、种群密度降低，表明水体污染程度较小、水质较好；反之，则表示水体污染的程度较大、水质较差［46］。渔业作为养殖水域的重要调控手段之一，当推生态优先、绿色发展，切实贯彻“绿水青山就是金山银山”的生态理念，而设置生物浮床是一种较好的生态养殖模式。鉴于本研究采样时间和样品数量有限，要广泛地推广和应用此生态养殖模式，还需要作进一步深入探讨。