强降雨对鱼菜共生池塘水质和浮游植物及细菌群落结构的影响

温晴宇，李文红，徐 鹏，杨 卓，胡 宏

(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，南宁 530004)

1 材料与方法

1.1 试验池塘概况

试验在广西大学动物科学技术学院水产教学基地的4张多品种养殖池塘(1～4#池塘)进行，各池塘面积均为1000 m2，水深1.5～1.8 m，主养鲢(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙(Aristichthysnobilis)，配养鲫(Carassiusauratus)、鲮(Cirrhinusmolitorella)和胡子鲶(Clariasfuscus)。根据气象预报信息，受台风“森拉克”影响，2020年8月2—7日广西南宁市有强降雨。分别于强降雨前(8月1日)和强降雨后(8月8日)对养殖池塘进行水质、浮游植物和细菌群落结构检测。期间记录8月2—7日的总降水量为123.5 mm，气温从32.9 ℃降至27.0 ℃后又回升至29.5 ℃。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 以设置空心菜浮床覆盖率为18%的3#和4#池塘为处理组(A组)，无浮床的1#和2#池塘为对照组(B组)。为防止鱼类啃食空心菜根系，浮床载体采用双层PE网。

1.2.2 水样采集与检测 分别于8月1日和8月8日上午9：00天气晴朗无云时采集水样。水样的采集、运输及保存严格按照HJ 493—2009《水质、样品的保存和管理技术规定》执行，其中，一部分水样经0.45 μm滤膜抽滤(FY-2C-N型旋片真空泵)后用于水质指标检测，另一部分经0.22 μm醋酸纤维素滤膜抽滤(FY-2C-N型旋片真空泵)后，滤膜放入无菌离心管中液氮保存，用于核酸提取。

水样DNA提取与细菌16S rRNA序列V3～V4区扩增委托上海美吉生物医药科技有限公司完成，扩增引物为338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)，利用Illumina MiSeq测序平台进行高通量测序分析。

1.2.3 浮游植物样品采集与鉴定 参考章宗涉和黄祥飞[16]的淡水浮游生物研究方法，采集试验池塘的浮游植物样品并进行定性和定量，参考胡鸿钧和魏印心[17]的方法对浮游植物进行鉴定与计数。

根据下列公式计算A和B组池塘浮游植物的优势度指数(Y)以确定优势种(Y>0.02)，并计算Shannon指数(H′)、Pielou指数(J)和Margalef指数(d)。

Y=ni×fr/N

J=H′/log2S

d=(S-1)/lnN

式中，ni为物种i的密度，fi为物种i出现的频率，N为所有物种的总密度，r为种类数，Pi代表第i种密度占总密度的比例，S为总种数。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行整理；细菌基因序列利用Usearch按97%相似度进行分类操作单元(OTU)聚类，以QIIME对各样品进行均一化处理，并与SILVA数据库比对进行物种注释，以Mothur进行多样性指数计算，以SPSS 21.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 强降雨对渔鱼菜共生池塘水质的影响

表1 A和B组池塘水体理化因子的变化情况

2.2 强降雨对鱼菜共生池塘浮游植物群落结构的影响

2.2.1 对浮游植物种类组成的影响 如图1所示，试验期间在A组池塘中共检出浮游植物6门31属49种，强降雨前后分别有38和39种，其种类组成均为绿藻—硅藻—蓝藻型，绿藻门种类占比在强降雨后增加6.82%，硅藻门和蓝藻门种类分别降低5.87%和3.04%；在B组池塘共检出浮游植物6门31属50种，强降雨前后分别有28和40种，其种类组成由绿藻—蓝藻—裸藻型转变为绿藻—硅藻—蓝藻型，绿藻门、蓝藻门和裸藻门种类占比在强降雨后分别降低1.79%、1.43%和5.36%，硅藻门种类则增加11.79%。说明夏季强降雨可明显改变B组池塘的浮游植物种类组成，但对A组池塘影响不明显，即设置空心菜浮床池塘浮游植物种类组成的稳定性高于无浮床池塘。

图1 A和B组池塘浮游植物种类组成的变化情况Fig.1 Changes of phytoplankton species composition in ponds of group A and group B

如表2所示，夏季强降雨前后A组池塘分别有12和11个浮游植物优势种，其优势度指数平均分别为0.069和0.073。其中，强降雨前以颗粒直链藻为绝对优势种，其优势度指数为0.234；强降雨后颗粒直链藻的优势度减少为0.173，卵形隐藻、铜绿微囊藻和长形蓝隐藻成为新的优势种，而点形平裂藻的优势度指数由强降雨前的0.166增加至0.203，成为新的绝对优势种。强降雨前后B组池塘分别有4和8个浮游植物优势种，其优势度指数平均分别为0.219和0.085。其中，强降雨前以尖头颤藻为绝对优势种，优势度指数为0.637；强降雨后尾裸藻、颗粒直链藻、长形蓝隐藻、卵形隐藻、肘状针杆藻和铜绿微囊藻成为新的优势种。可见，夏季强降雨后A组池塘中颗粒直链藻的优势度明显减少，B组池塘中颗粒直链藻的优势度明显增加，而A和B组池塘中长形蓝隐藻和卵形隐藻的优势度均增加；A组池塘浮游植物的优势种数多于B组池塘，优势种的平均优势度低于B组池塘，因此A组池塘浮游植物优势种组成的稳定性高于B组，即设置空心菜浮床池塘浮游植物优势种组成的稳定性高于无浮床池塘。

表2 A和B组池塘浮游植物优势种的优势度指数变化情况

如图2所示，夏季强降雨后A组池塘浮游植物蓝藻门和隐藻门的相对丰度分别增加9.10%和6.14%，绿藻门、硅藻门和裸藻门的相对丰度分别减少3.11%、11.62%和0.55%；B组池塘浮游植物蓝藻门的相对丰度减少40.88%，绿藻门、硅藻门、隐藻门和裸藻门的相对丰度分别增加6.97%、15.97%、9.01%和8.49%。说明夏季强降雨对A和B组池塘浮游植物门水平相对丰度的影响存在差异，以A组池塘浮游植物相对丰度组成的稳定性高于B组池塘，即设置空心菜浮床池塘的浮游植物相对丰度组成稳定性高于无浮床池塘。

图2 A和B组池塘浮游植物门水平相对丰度的变化情况Fig.2 Changes of horizontal relative abundance of phyla phytoplankton in ponds of group A and group B

2.2.2 对浮游植物丰度、总生物量和多样性指数的影响 如表3所示，夏季强降雨后A组池塘浮游植物的丰度下降12.46%，总生物量显著增加405.26%；B组池塘浮游植物的丰度显著下降68.01%，总生物量显著增加152.33%；强降雨前A组池塘的Shannon指数、Pielou指数和Margalef指数分别为2.68、0.54和2.02强降雨后3种指数均有所上升，分别为2.80、0.55和2.24，但变化不显著；而B组池塘的Shannon指数、Pielou指数和Margalef指数在强降雨后分别较强降雨前显著增加97.93%、80.65%和60.65%，总生物量显著增加152.33%。说明夏季强降雨后B组池塘的浮游植物丰度显著下降，多样性、均匀度和丰富度显著上升，而A组池塘浮游植物的这些指标变化均不明显，但强降雨后A和B 2组池塘浮游植物的总生物量均显著增加，即设置空心菜浮床池塘的浮游植物丰度和多样性指数稳定性均高于无浮床池塘。

表3 A和B组池塘浮游植物丰度、总生物量和多样性指数的变化情况

2.3 强降雨对鱼菜共生池塘水体细菌群落结构的影响

对A和B组池塘水体样品的有效序列按97%相似性标准进行OTU聚类，A和B组池塘的水体样品在强降雨前分别可划分为927和709个OUTs，在强降雨后可划分为800和753个OUTs。从表4可看出，所有样本的覆盖率均在99.00%以上，说明测序深度可较好地反映A和B组池塘中水体细菌的真实情况；强降雨后A组池塘水体细菌的Chao1指数、ACE指数和Shannon指数分别下降26.06%、25.83%和17.41%，Simpson指数上升438.89%；B组池塘水体细菌的Chao1指数、ACE指数和Simpson指数分别上升11.77%、28.49%和12.85%，Shannon指数下降3.16%。说明夏季强降雨后A组池塘水体细菌的丰度下降，而B组池塘水体细菌的丰度上升，A和B组池塘水体细菌的多样性均下降，但A组池塘的降幅远高于B组池塘，即设置空心菜浮床池塘水体细菌多样性指数的稳定性低于无浮床池塘。

表4 A和B组池塘水体菌群结构的Alpha多样性指数变化

经高通量测序及数据分析后，A和B组池塘水体的细菌归属于44门128纲305目481科834属。如图3～4所示，在门分类水平上，平均相对丰度排名前3位的门类为蓝细菌门(Cyanobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteriota)。其中，与强降雨前相比，A组池塘水体在强降雨后蓝细菌门的相对丰度增加26.29%，变形菌门和放线菌门分别减少10.70%和7.63%；而B组池塘水体蓝细菌门和放线菌门的相对丰度分别增加0.47%和15.63%，变形菌门的相对丰度减少16.74%。在属分类水平上，A组池塘水体在强降雨后CL500-29_marine_group和Mycobacterium的相对丰度分别减少2.89%和4.80%，Cyanobium_PCC-6307和hgcl_clade的相对丰度分别增加26.53%和1.64%；而B组池塘水体在强降雨后Planktothrix_NIVA-CYA_15和norank_f_Methylococcaceae的相对丰度分别减少0.69%和9.75%，hgcl_clade和CL500-29_marine_group的相对丰度分别增加15.25%和2.14%。

综上所述，强降雨后在门分类水平上A组池塘水体放线菌门的相对丰度减少，而B组池塘水体放线菌门的相对丰度增加；A和B组池塘中蓝细菌门的相对丰度均增加，变形菌门的相对丰度均减少；在属分类水平上A组池塘水体CL500-29_marine_group的相对丰度减少，而B组池塘CL500-29_marine_group的相对丰度增加；A和B组池塘水体hgcl_clade的相对丰度均增加，Mycobacterium的相对丰度均减少。

3 讨 论

图3 A和B组池塘水体细菌在门分类水平上物种相对丰度的变化Fig.3 Changes in relative abundance of species at phyla level in the pond waters of group A and group B

图4 A和B组池塘水体细菌在属分类水平上物种相对丰度的变化Fig.4 Changes in relative abundance of species at genus level in the pond waters of group A and group B

本研究中，强降雨后设置空心菜浮床池塘和无浮床池塘的浮游植物总生物量均显著增加，与Gierach等[7]的研究结果相似，说明强降雨后鲢鳙鱼类摄食强度下降和强降雨对水体环境的扰动均有利于大型浮游植物生长；设置空心菜浮床池塘的浮游植物种类组成、丰度和多样性指数均无显著变化，而无浮床池塘的浮游植物种类数显著增加42.86%，其种类组成由绿藻—蓝藻—裸藻型转变为绿藻—硅藻—蓝藻型，硅藻门种类占比增加11.79%，Shannon指数、Pielou指数和Margalef指数均显著增加，丰度显著降低，说明无浮床池塘水体受降雨干扰程度较大，设置空心菜浮床池塘浮游植物的群落结构更稳定；强降雨后设置空心菜浮床池塘和无浮床池塘浮游植物的多样性均有不同程度增加，可能是由强降雨导致水体混合干扰增加水体生态系统的时空异质性所致[23]。

对处于夏季的富营养化水体而言，强降雨中光照限制是水体浮游植物结构发生变化的主要驱动力[24]，通常导致水体浮游植物群落结构从由适应强光环境的蓝藻主导向由耐弱光的硅藻主导转变[8]。本研究结果与上述研究结果吻合，设置空心菜浮床池塘中蓝藻门浮游植物大部分为较耐受弱光的种类，如颗粒直链藻即为较耐受弱光的浮游植物，受强降雨影响较小。本研究中，强降雨后浮游植物的丰度均有不同程度下降，与王为民等[25]的研究结果一致，但与Paerl等[10]的研究结果存在差异，究其原因可能是强降雨对浮游植物的影响存在滞后性，强降雨导致的剧烈物理冲击与光照强度减弱可引起浮游植物丰度在短期内下降。

本研究结果表明，强降雨后设置空心菜浮床池塘水体细菌的相对丰度下降，而无浮床池塘水体细菌的相对丰度上升，可能是无浮床池塘水体受暴风雨搅动作用较大，使底泥中的细菌扩散至水体中增加水体细菌丰度的缘故；强降雨后水体的细菌群落多样性均有所下降，推测是水体营养水平增加所致[26]；设置空心菜浮床池塘水体的细菌多样性降幅远高于无浮床池塘，可能与空心菜根系细菌多样性较低且受暴雨冲击散落至水体中较少有关[27]。本研究中检出的水体细菌优势属中，强降雨后设置空心菜浮床池塘的有益微生物CL500-29_marine_group和Mycobacterium的相对丰度下降，hgcl_clade相对丰度仅上升1.64%，说明水体细菌群落对碳的利用能力减弱[28-30]，而无浮床池塘CL500-29_marine_group和hgcl_clade的相对丰度上升，其中hgcl_clade的相对丰度上升15.25%，说明水体细菌群落对碳的利用能力增强。因此，生产上可在强降雨后使用微生物制剂调节水质，以维持池塘微生态系统的稳定，确保养殖动物健康生长。

4 结 论

与无浮床池塘相比，夏季强降雨后鱼菜共生池塘水质和浮游植物群落的稳定性更高，更有利于水产养殖动物生长，但水体细菌群落的丰度和多样性下降。生产上可在强降雨后使用微生物制剂调节水质，以维持池塘微生态系统的稳定，确保养殖动物健康生长。