不同管理方式下参池外源性沉降颗粒有机质的贡献率

2022-09-21王玉龙张津源李乐洲杨耿介雷兆霖

水产科学 2022年5期

王玉龙，张津源，杨申，李乐洲，杨耿介，雷兆霖，周玮

( 1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023；2.大连海葵环境监测科技有限公司，辽宁大连 116000；3.上海译枢通信技术有限公司，上海 201210 )

颗粒物的生产、沉降和分解是调控海洋中生源要素循环的重要过程[1]，其中的有机质主要由浮游生物提供[2]。对于不投饵的仿刺参养殖池塘来说，沉降颗粒有机质一方面是养殖池塘内有机物与无机物相互转化的重要载体，其沉降至池塘底部，经微生物分解向水体中释放营养盐，再被浮游生物所利用。有研究发现，近岸海湾底泥有机质分解释放的营养盐，能提供湾内浮游生物需氮量的8%和需磷量的20%[1]。另一方面沉降颗粒有机质是仿刺参重要的食物来源[3]，主要由外源输入、新生和再悬浮构成[4]。虽然通过换水可以增加养殖池塘内养殖生物的饵料量，但是换水频率的增加不利于池塘底部有机质的积累[5]，从而不利于仿刺参的生长。因此，在养殖池塘换水频率一定时，加快养殖池塘内的物质循环过程，可以为仿刺参提供更多的饵料。

传统的自然纳潮管理池塘主要通过换水的方式增加仿刺参饵料，而这种方式受外界环境的影响较大，如在风的作用下使养殖池塘底泥再悬浮，增加营养盐的释放量，从而对养殖池塘内增加浮游植物量的作用有限。因此，随着养殖技术的快速发展，近年来逐步使用微孔曝气设备辅助自然纳潮管理池塘，取得了较好的成效。微孔曝气管理方式在增加水体溶解氧含量、提高物质循环速率以及提高养殖生物产量等方面取得了不错的成果[6-8]，但在生产实践过程中也暴露出一些问题，如在使用过程中存在易堵塞和维护费用高等问题[9-10]。因此笔者所在研究团队研发了养水机，它是一种新型的水质管理设备。该种管理方式在实际仿刺参池塘养殖生产中，相较于前两种管理方式已经表现出优势[11-13]。然而，目前3种管理方式对养殖池塘内物质循环的对比研究主要涉及的是微生物和营养盐的定性描述[14-15]，缺少定量研究。因此，笔者利用稳定性同位素技术对沉降颗粒有机质进行定量化的研究。

稳定性同位素技术主要利用不同来源有机质中的稳定性同位素C、N含量差异，来辨别有机质的来源和示踪不同物源的贡献[16-18]。另外，一些不同来源的不同有机质中的δ13C范围接近，因此结合碳氮比对有机质来源进行辅助区分是有必要的[19]。Ye等[20]首次利用δ13C定量化研究了养殖源有机碳对沉积物总有机碳的贡献。近年来，该技术在研究养殖池塘中不同源沉降颗粒有机质贡献率中得到了一些应用[21-22]。笔者旨在研究不同管理方式下仿刺参养殖池塘中外源性沉降颗粒有机质的贡献率，对比不同管理方式下池塘内的物质循环情况，为今后仿刺参养殖池塘的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验池塘

试验从2016年3月至2016年9月在大连市青堆子海域的自然纳潮池塘(N 39°47′11.76″，E 123°19′14.88″)、微孔曝气池塘(N 39°47′14.28″，E 123°19′31.80″)和养水机池塘(N 39°47′13.20″，E 123°19′22.80″)中进行。池塘每次换水3～5 d，在每月大潮(农历初一、十五)期间进行。试验池塘均为矩形池塘，面积为5.1 hm2，池塘内南深北浅，泥沙质底。试验期间3种池塘不投饵，进行统一管理。

1.2 试验设备

养水机(图1)是笔者所在研究团队自主研发的新型水质调控装置(专利号：ZL200610077526.5)。其工作原理是通过进水管道将池塘表层溶解氧含量相对较高的水引入到底层动力泵，通过动力泵将表层溶解氧含量高的水射入底层水体中，实现表底层水体强制交换，使得养殖池塘水体的流动加快，并增加底层水体的溶解氧含量。此外，水体的强制交换过程有利于养殖池塘表、底层水体的混合，阻止养殖池塘水体温度和盐度的分层，避免出现因水体分层而产生的底层水体缺氧现象。养水机位于池塘进水口最低处，水泵功率750 W，喷头出水量为12 m3/h，每日21:00至翌日9:00，工作12 h。

图1 养水机模拟Fig.1 Simulation diagram of water quality regulator

微孔曝气主要由供气装置、气体传输管道和微孔曝气管3部分组成。其工作原理是将空气压缩后通过安装在池底的曝气管，以微气泡的形式向水中扩散，达到快速增加水体溶解氧含量的目的。微孔曝气设备日常在池塘水体缺氧时开启，在阴雨天和夏季高温期适当增加开机时间。

1.3 样品采集

每月纳潮(农历十五)开始前1 d，在池塘南北方向上均匀设置3个采样点，使用采泥器采集表层沉积物。将其倒入培养皿，在60 ℃下烘干至恒等质量后研磨，装入密封袋在干燥器中保存[21]。同时，在这3个采样点处采集水体表层、中层和底层水样各100 mL，3层的水样充分混合后取样200 mL。使用预先在450 ℃下灼烧约4 h去除有机碳的玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F，直径47 mm，孔径0.7 μm)抽滤悬浮颗粒物，滤膜冷冻保存[21]。上述样品的采集均设置3个平行。

每月纳潮(农历十五)结束第1天，在池塘南北方向上均匀设置3个采样点，放置沉降颗粒收集装置[21]，进行池塘内沉降颗粒物的收集，放置72 h并在纳潮开始前收回池塘内沉降颗粒物收集装置。每月纳潮期间，将沉降颗粒收集装置放置潮沟底层(设置3个相同的沉降颗粒收集装置作为平行)。回收的沉降颗粒收集装置要静置2 h后去除上清液，将沉降颗粒物倒入培养皿，在60 ℃下烘干至恒等质量后研磨，装入密封袋在干燥器中保存[21]。上述样品的采集均设置3个平行。

1.4 样品测定

使用菲尼根Flash 2000 HT型元素分析仪和菲尼根Delta V Advantage同位素质谱仪对沉降颗粒物、悬浮颗粒物和表层沉积物样品中的总氮、总有机碳、13C和15N进行测定。样品在测定总有机碳前需要用盐酸浸泡淋洗、蒸馏水淋洗和烘干。样品中的碳氮稳定性同位素以δ值衡量，δ(‰)为样品中两种同位素比值相对于某一标准对应比值的相对千分差，计算公式：

δX=[(RS/RD)-1]×1000‰

式中，X代表13C或15N，R为13C丰度与12C丰度之比或15N丰度与14N丰度之比，RS为试验时采集到沉降颗粒物样品的稳定同位素的丰度比，RD为选取的稳定同位素测试标准物的丰度比。

表1 3种池塘水质及浮游植物生物量变化Tab.1 Changes in water quality and phytoplankton biomass in three types of ponds

13C和15N的标准物分别为拟箭石(PDB)和大气中的氮气。δ13C和δ15N的分析结果误差范围为±0.15‰。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2019和SPSS 23.0进行数据统计分析。按照水温将3—9月划分为仿刺参生长期和休眠期[23]，其值以平均值±标准差表示。差异显著性分析，以P<0.05为差异显著。

养殖仿刺参池塘中沉降颗粒有机质主要来自池塘内沉积物、悬浮颗粒物和外海潮水中沉降颗粒物的混合[4]，则外源性沉降颗粒有机质贡献率应用稳定性同位素碳氮质量平衡方程[24]计算：

δ13CM=fX·δ13CX+fY·δ13CY+fZ·δ13CZ

(1)

δ15NM=fX·δ13NX+fY·δ13NY+fZ·δ13NZ

(2)

1=fX+fY+fZ

(3)

式中，下标X、Y、Z和M分别为潮水中沉降颗粒物、沉积物、悬浮颗粒物和池塘中的沉降颗粒物，f为不同来源物质在沉降颗粒中的百分比，δ13C、δ15N为稳定性碳氮同位素比值。

2 结果

2.1 池塘水质及浮游植物生物量变化

3种池塘的温度，盐度，pH，浮游植物生物量，氨氮、亚硝态氮、硝态氮和活性磷酸盐质量浓度变化趋势一致。其中水温和浮游植物生物量均为夏眠期高于生长期，而盐度和pH则是生长期略高于夏眠期。3种池塘间温度，盐度，pH，氨氮、亚硝态氮、硝态氮和活性磷酸盐质量浓度在生长期和夏眠期均差异不显著(P>0.05)。3种池塘的浮游植物生物量在生长期差异不显著(P>0.05)，在夏眠期养水机池塘的浮游植物生物量与自然纳潮池塘的差异显著(P<0.05)，但是自然纳潮池塘的浮游植物生物量与微孔曝气池塘的差异不显著(P>0.05)。3种池塘的浮游植物生物量，无论是在仿刺参生长期还是在夏眠期均为养水机池塘的最高，自然纳潮池塘的最低。

2.2 碳氮比的变化特征

3种池塘沉降颗粒有机质在仿刺参生长期和夏眠期的碳氮比见表2。3种池塘中沉降颗粒有机质碳氮比均为夏眠期高于生长期。但是3种池塘间碳氮比差异不显著(P>0.05)。试验期间3种池塘(自然纳潮、微孔曝气和养水机池塘)碳氮比的变化分别为2.13～9.02、3.15～11.55和3.19～10.20。平均值分别为5.38、6.22和5.68。

表2 3种池塘沉降颗粒有机质碳氮比的变化Tab.2 Changes in C/N ratios of organic matter in sediment particles in the three types of ponds

2.3 碳氮稳定同位素含量变化特征

3种池塘沉降颗粒有机质在仿刺参生长期和夏眠期的δ(13C)值见表3。3种池塘沉降颗粒有机质δ(13C)值均呈现出夏眠期比生长期偏高的趋势。在试验期间3种池塘(自然纳潮、微孔曝气和养水机池塘)δ(13C)值的变化分别为-20.34‰～-17.48‰、-20.59‰～-18.04‰和-20.60‰～-17.11‰；平均值分别为-19.04‰、-19.21‰和-18.41‰。3种池塘间δ(13C)值差异不显著(P>0.05)。

表3 3种池塘中沉降颗粒有机质碳稳定性同位素的变化 ‰Tab.3 Variation in carbon stable isotopes of particulate organic matter in the three types of ponds

3种池塘沉降颗粒有机质在仿刺参生长期和夏眠期的δ(15N)值见表4。3种池塘沉降颗粒有机质δ(15N)值结果显示，夏眠期比生长期更富集15N。在试验期间3种池塘(自然纳潮、微孔曝气和养水机池塘)中沉降颗粒物的δ(15N)值的变化分别为4.99‰～9.33‰、5.29‰～10.86‰和5.63‰～11.36‰；平均值分别为7.23‰、7.14‰和7.67‰。3种池塘间δ(15N)值差异不显著(P>0.05)。

表4 3种池塘中沉降颗粒有机质氮稳定性同位素的变化 ‰Tab.4 Variation in nitrogen stable isotopes in organic matter of sedimentation particles in the three types of ponds

2.4 外源性颗粒有机质贡献率的变化特征

应用稳定性同位素碳氮质量平衡方程计算得到3种池塘外源性沉降颗粒有机质在仿刺参生长期和夏眠期的贡献率(表5)。3种池塘的贡献率均为夏眠期低于生长期。在生长期3种池塘间的贡献率差异不显著(P>0.05)；而夏眠期养水机池塘的外源性沉降颗粒有机质贡献率显著低于自然纳潮池塘和微孔曝气池塘(P<0.05)，而自然纳潮池塘和微孔曝气池塘差异不显著(P>0.05)。养水机池塘沉降颗粒有机质的平均贡献率最低，自然纳潮池塘的平均贡献率最高。在试验期间3种池塘(自然纳潮、微孔曝气和养水机池塘)外源性沉降颗粒有机质的贡献率变化分别为78.23%～90.16%、74.89%～89.02%和73.32%～86.87%；平均值分别为84.48%、81.96%和81.01%。

表5 3种池塘外源性沉降颗粒有机质贡献率的变化 %Tab.5 Changes in organic matter contribution rate of exogenous settling particles in the three types of ponds

3 讨论

3.1 沉降颗粒中有机质来源分析

本试验中3种池塘沉降颗粒有机质碳氮比、δ13C和δ15N均出现夏眠期高于生长期的变化趋势，这与任贻超等[4,25]的研究结果一致。碳氮比变化的原因主要有两个：首先，水温升高浮游植物光合作用增强，进而磷限制增强导致细胞蛋白质减少；其次，有机质中氮的分解速率要快于碳[26-27]。δ13C和δ15N的变化主要与水温升高有关，水温升高会直接导致浮游植物同位素分馏作用减弱，并间接使得水体中二氧化碳含量降低以及营养盐来源发生改变，从而进一步加快了浮游植物中的δ13C和δ15N在温度升高时发生变化的趋势[28-32]。

碳氮比可以指示有机质的潜在来源，如陆源有机质碳氮比一般大于12，海源有机质碳氮比一般为6～9，藻类碳氮比为4～10[33-34]。与本试验结果对比可以发现，3种池塘中沉降颗粒有机质主要来源于海洋的藻类。然而有机质的转化和微生物的活动，会导致碳氮比发生变化[35]，所以碳氮比并不能严格地反映物源特征，要联合δ13C和δ15N来进行有机质来源的判断。已有研究显示：陆源有机质δ13C为-28‰～-26‰，δ15N平均为2.7‰；海源有机质δ13C为-22‰～-19‰，δ15N平均为6.5‰；藻类δ13C平均为-18‰，δ15N平均为5.1‰[16,25,36-39]。与本试验中3种池塘的δ13C和δ15N对比发现，池塘中沉降颗粒有机质主要来源于海洋藻类。

仿刺参夏眠期3种池塘碳氮比的最大值均大于9，说明有一定量的陆源有机质进入池塘，这个现象在δ13C结果中有同样的表现。有研究显示，水温每升高1 ℃，浮游植物δ13C会增加0.2‰～0.5‰[40-41]。根据本试验中的水温和δ13C可以得知，沉降颗粒有机质的δ13C增加量要低于实际增长量。又因为陆源有机质δ13C偏负，所以可以推断有机质中混有一定量的陆源有机质，进而减缓了δ13C的增加速率。综上所述，可以推断养殖池塘内的有机质主要来源于海洋藻类，但随着降雨量的增多，地表径流量增大，使得池塘内有机质中混有的陆源有机质增多。

3.2 外源性沉降颗粒有机质的贡献率分析

试验期间3种池塘外源性沉降颗粒有机质的贡献率均呈下降的趋势。这是由于水温升高导致池塘内浮游植物和底栖藻类生物量快速增加，在高温期达到周年最大值[42-43]。3种池塘的浮游生物量的大幅度升高也证明了这一点。然而，水温升高又会导致池塘附近海域海水中浮游植物固碳量减少[1]，因此贡献率呈下降趋势，这与尹佳等[44]在青堆子湾的观测结果一致。

总体来看，养水机池塘在仿刺参生长期和夏眠期的贡献率都是最低的，说明养水机池塘对于换水补充养殖生物饵料的依赖程度相对较低。假设1次换水进入3种池塘中的外源性沉降颗粒有机质的量相同，那么养水机池塘和微孔曝气池塘总沉降颗粒有机质的平均量分别比自然纳潮池塘多 4.28%和3.07%。仿刺参养殖池塘中的颗粒有机质含量与池塘中浮游植物生物量正相关[4,45]。因此，养水机池塘内的物质循环要快于其他2种池塘，有利于浮游植物的生长和繁殖。影响浮游植物生长的因素重要性由大到小为营养盐、温度和光照[46]。在仿刺参的生长期，养殖池塘水体未出现明显的水体分层，不会阻碍营养盐向上层水体输送。3种池塘的温度、营养盐含量以及浮游生物量差异不显著(P>0.05)，因此在仿刺参生长期3种池塘贡献率差异也不显著(P>0.05)。

在仿刺参生长期，养水机池塘和微孔曝气池塘的平均浮游植物生物量和底泥有机质含量比自然纳潮池塘分别高27.79%和43.37%、7.79%和14.42%[13]，并且在仿刺参生长期的3种养殖池塘中，只有养水机池塘的氮和磷全为正通量[15]，说明养水机产生的水体扰动加快了池塘内的物质循环速率。但从3种池塘的贡献率之差来看，并没有浮游植物生物量之差大，这可能跟池塘内扰动造成浮游植物群落结构改变有关[47]。对于养殖池塘内的物质循环，微生物的作用不容忽视。由3种池塘对比试验发现[48]，养水机池塘环境中春季菌群α多样性要高于其他2种池塘，说明养水机池塘在维持养殖池塘生态系统稳定和降低养殖生物发病方面要好于其他2种池塘[49]，这对于早春时节免疫力处于低谷期的仿刺参来说十分关键[50]。因此，养水机在仿刺参生长期不仅可以加快物质循环速率提供更多的有机质，而且还可以为仿刺参的生长提供更稳定的生长环境。

仿刺参夏眠期养殖池塘水体易出现水体分层现象，导致水体的流动性和溶解氧含量发生改变，造成养殖池塘内藻类繁殖速率减慢。有研究表明，水体溶解氧含量高和水流扰动会对硅藻生长繁殖有明显促进作用[51-52]。养水机和微孔曝气设备虽然工作原理不同，但都能够增加底层水体溶解氧含量，对水体去分层有一定效果[11,53]。然而微孔曝气设备在实际使用中，开机使用时间相对较短，对于水体分层去除效果不理想。因此养水机池塘的外源性沉降颗粒有机质贡献率与微孔曝气池塘的差异显著(P<0.05)。自然纳潮池塘无法自行消除水体分层和提高水体溶解氧含量，所以在仿刺参夏眠期自然纳潮池塘的贡献率与养水机池塘的差异显著(P<0.05)。

夏眠期大规格仿刺参会停止摄食，此时池塘底泥中有机质达到全年最大量[4]。有机质大量分解会快速降低池塘底层溶解氧含量，有机质在缺氧的情况下分解会产生一些有害物质危及养殖生物。对应的解决措施有：一方面，通过加快营养盐释放，增加浮游植物量来提高水体的溶解氧含量；另一方面，通过换水改善水质环境。对不投饵的仿刺参单养池塘进行换水时，会将64.7%以上的氮和磷排出池塘，而换进来的又有35.9%的氮和74.2%的磷积累在养殖池塘底部[4,54]。因此养殖池塘内物质循环速率高，有助于在高温期池塘换水频率提高时排出更多的氮和磷，进而减少池底有机质积累提高水质环境。本试验结果显示，养水机池塘和微孔曝气池塘沉降颗粒的碳氮比低于自然纳潮池塘，说明这2种池塘的沉降颗粒中含有较低量的不稳定有机质[52]，在其沉降过程中有机质的分解速率比自然纳潮池塘快。此外，有研究发现[13]，在仿刺参休眠期养水机池塘底泥中有机质含量最低，间接证明了养水机池塘的物质循环速率最快。本试验结果显示，3种池塘的营养盐含量差异不显著(P>0.05)，但养水机池塘的浮游植物量显著高于其他2种池塘。说明养水机池塘物质循环一部分被浮游植物所利用，一部分随换水排出池塘；而微孔曝气池塘释放出的营养盐更多的是随换水排出池塘。这可能是因为微孔曝气设备开启时，其对浮游植物的繁殖产生了一定的抑制[55]，进而减少了浮游植物对营养盐的利用。