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  南方水产科学   2018, Vol. 14 Issue (5): 53-59.  DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.05.007
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张凯, 李志斐, 谢骏, 余德光, 王广军, 龚望宝, 郁二蒙, 田晶晶. 生态基对大口黑鲈池塘养殖系统水质及能量收支的影响研究[J]. 南方水产科学, 2018, 14(5): 53-59. DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.05.007.
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ZHANG Kai, LI Zhifei, XIE Jun, YU Deguang, WANG Guangjun, GONG Wangbao, YU Ermeng, TIAN Jingjing. Effect of eco-substrates on water quality and energy budget of largemouth bass (Micropterus salmoides) aquaculture system [J]. South China Fisheries Science, 2018, 14(5): 53-59. DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.05.007.
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资助项目

中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 (2016HY-ZC0502);广州市科技计划项目 (201707010311);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-46-17);国家科技支撑计划项目(2012BAD25B04)

作者简介

张 凯(1984 — ),男,博士,助理研究员,从事水产健康养殖研究。E-mail:zhangkaiec@163.com

通信作者

谢 骏(1965 — ),男,博士,研究员,从事水产健康养殖研究。E-mail:xiejunhy01@126.com

文章历史

收稿日期:2018-04-26
修回日期:2018-06-03
生态基对大口黑鲈池塘养殖系统水质及能量收支的影响研究
张凯 1,2, 李志斐 1,2, 谢骏 1,2, 余德光 1,2, 王广军 1,2, 龚望宝 1,2, 郁二蒙 1,2, 田晶晶 1,2    
1. 中国水产科学研究院珠江水产研究所,农业农村部热带亚热带水产资源利用与养殖重点实验室,广东 广州 510380;
2. 广东省水产养殖污染修复生态工程技术研究中心,广东 广州 510380
摘要:为摸清生态基养殖池塘系统的能量流动规律,以放置生态基的大口黑鲈 (Micropterus salmoides) 池塘为研究对象,采用原位实验方法,研究了生态基对大口黑鲈池塘养殖系统的水质及能量收支的影响。实验期间,生态基可显著降低池塘水体中氨氮、硝态氮、总氮及总磷含量(P<0.05),但对亚硝态氮、磷酸盐、底泥总氮和总磷含量无显著影响(P>0.05);饵料投入是系统能量输入的主要来源,分别占对照组和实验组总输入能的53.26%和55.02%,其次为浮游生物生产,两组分别为45.92%和44.22%;浮游生物呼吸是能量输出的主要途径,分别占对照组和实验组总输出能的60.01%和56.68%,其次为养殖生物收获,两组分别为28.78%和31.99%;生态基实验组生物净产出能、光合能转化效率、饲料能转化效率及总能量转化效率均显著高于对照组(P<0.05),而单位净产量耗饲料能和单位净产量耗总能则显著低于对照组(P<0.05)。结果表明,在大口黑鲈池塘放置生态基能改善池塘环境,有效提高系统产出量及能量利用效率。
关键词生态基    大口黑鲈    能量收支    池塘养殖系统    
Effect of eco-substrates on water quality and energy budget of largemouth bass (Micropterus salmoides) aquaculture system
ZHANG Kai1,2, LI Zhifei1,2, XIE Jun1,2, YU Deguang1,2, WANG Guangjun1,2, GONG Wangbao1,2, YU Ermeng1,2, TIAN Jingjing1,2    
1. Key Laboratory of Tropical &  Subtropical Fishery Resource Application &  Cultivation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Guangzhou 510380, China;
2. Guangdong Ecological Remediation of Aquaculture Pollution Research Center, Guangzhou 510380, China
Abstract: To find out the rule of the energy flowing of aquaculture ponds with eco-substrate, we carried out an experiment (the pond with eco-substrates as the treatment group and the pond without eco-substrate as the control group) and studied the effect of eco-substrates on the environment and energy budget of largemouth bass (Micropterus salmoides) aquaculture system. The results show that the eco-substrates could reduce the ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in the water significantly (P<0.05), but there was no effect on the nitrite nitrogen, soluble reactive phosphate in the water and total nitrogen, total phosphorus in the sediments (P>0.05). In the study, forage fish was the main source of input energy in both two groups, which accounted for 53.26% and 55.02% of the total input energy, respectively. The primary production of phytoplankton was also the important source of input energy, accounting for 44.22% and 45.92% of the total input energy, respectively. The major output of energy was the respiration of plankton followed by the harvest of cultured animals, accounting for 56.68%, 60.01% and 28.78%, 31.99%, respectively. The treatment group had higher net biological output energy, photosynthetic conversion efficiency, feed energy conversion efficiency and total energy conversion efficiency (P<0.05), but lower feed energy consumption per unit of net yield and total energy consumption per unit of net yield (P<0.05). Therefore, the eco-substrates could improve the pond environment, increase the production and enhance the energy utilization efficiency effectively.
Key words: eco-substrates    Micropterus salmoides    energy budget    pond culture system    

大口黑鲈(Micropterus salmoides)隶属于鲈形目、太阳鱼科、黑鲈属,适应力强,在我国大多数省份均能进行养殖,全国年产量约33×104 t [1-3]。然而,随着池塘集约化养殖模式的发展,大口黑鲈池塘养殖业亦进入了“高投入、高消耗”的发展模式,其养殖活动对自身及周边生态系统造成破坏。因此,强化大口黑鲈养殖池塘系统环境修复、减少养殖污染尤为迫切。

生态基是生物膜的载体,而生物膜是微生物聚集体,包含水、细菌以及细菌分泌的胞外聚合物、营养物质、细菌代谢产物和裂解产物等[4]。研究表明,生态基可以改变养殖系统的水质[5-6]及群落结构[7-8],进而改变养殖系统原有的物质循环途径。物质是能量的载体,物质的合成和分解伴随着能量流动[9]。能量流动是养殖系统的重要过程及功能之一[10],是衡量系统稳定与否的重要指标。研究其收支转化规律可深入了解养殖系统结构和功能,对提高系统生产力具有重要意义。目前,国内外学者已分别研究了综合养殖池塘的能量利用和转化情况[11-12]、高产对虾池塘[13-14]及工厂化养殖系统[15]的能量流动状况。但有关生态基的使用对大口黑鲈养殖生态系统能量流动影响的研究尚未见报道。

鉴于此,本研究以池塘原位实验方法,对放置生态基的大口黑鲈池塘养殖各环节的能量收支和转换效率进行研究,并与普通大口黑鲈养殖池塘进行比较,以期为大口黑鲈池塘养殖提供理论参考。

1 材料与方法 1.1 研究地点

本研究在佛山市三水区华淼水产合作社进行。实验池塘为矩形,水深约2.0 m,长约160 m,宽约65 m,面积约1 hm2。使用阿科蔓生态基(梅瑞地安水生科技公司,美国),梳状构造。该生态基具有较大的比表面积(132.9 m2·m–2),同时为各附着生物设计了不同直径的孔洞,以利于细菌、浮游生物和其他生物的附着、生长和繁殖。以放置阿科蔓生态基的大口黑鲈养殖池塘为实验组,每块生态基面积为3.0 m2 (2.0 m×1.5 m),其上部固定于穿过池塘对角线的铁丝上,底部系坠石,使其完全展开。相邻两块生态基间隔2.5 m,以保证水体流动。每公顷池塘放置面积为75 m2。未放置生态基的大口黑鲈养殖池塘为对照组,每组处理3个重复,共使用6个池塘,在实验开始前1个月用生石灰消毒。

大口黑鲈鱼种放养时间为2016年4月初。鱼种放养前用5%盐水浸泡消毒5 min。每口池塘分别放养来源相同、规格一致且健康的大口黑鲈鱼种 [体长(5.0±0.4) cm,体质量(12.3±1.1) g],放养密度为80 000尾·hm−2。投喂饵料鱼,每天9:00和16:30各投喂1次,日投喂量为鱼体质量的3%~5%,并根据摄食和天气情况,随时调整投喂量。每个池塘安置5台增氧机,晴天中午开增氧机2 h,晚上开增氧机,防止浮头发生。

1.2 参数测定

实验时间为2016年4—11月,实验期间每30 d取样1次。

用便携式多参数水质分析仪(YSI Professional Plus,美国)现场测定池塘中层水体的温度(T)、溶解氧(DO)、pH。水样采集使用五点采样法。所采集的水样在48 h内测定水体总氮(TN)、氨氮(TAN)、硝态氮 $({\rm NO}^{-}_{3}$ -N) 、亚硝态氮 $({\rm NO}^{-}_{2} $ -N)、总磷(TP)和磷酸盐 $({\rm PO}^{3-}_4$ -P),测定方法参照Tu等[16]和Laskov等[17]。用元素分析仪(Elementar Ⅲ,德国瓦里安公司)测定底泥TN含量,用碱熔法(HJ 632—2011)测定底泥TP含量。

太阳能数据由佛山市气象局提供。初级生产力用黑白瓶法测定[18]。分别取池塘表层(0.2 m)、中层(0.75 m)、底层(1.5 m)水样,装入250 mL的玻璃瓶中,然后挂回原池塘,挂瓶深度与采水深度一致。每层挂2个黑瓶、2个白瓶。同时测定不同水层的原初DO。挂瓶24 h后取回,用Winkler法测定各瓶水体DO,计算水体初级毛产量、净产量及呼吸量。按照1 mg O2=14.56 J[19]的当量关系换算为能量。

采样时,分别剪取位于表层(0.2 m)、中层(0.75 m)、底层(1.5 m)的生态基代表性样方(2 cm×2 cm),置于250 mL黑白瓶中,每层挂2个黑瓶、2个白瓶。同时测定不同水层的原初DO,并设原池塘水样挂瓶培养对照,测定生态基上附生生物的生产量及呼吸量。按照1 mg O2=14.56 J[19]的当量关系换算为能量。

底泥沉积样品由底泥采集器(PVC材质,直径90 mm,高55 cm)采集。采集器管口用0.8 cm大小网眼的尼龙网覆盖。采集器取回实验室,待沉淀完毕,吸出上层水,用大型培养皿收集沉积物,60 ℃烘干后粉碎。在放养、收获时各取一定量的大口黑鲈样品。在养殖过程中留存一定量的饵料鱼样品,60 ℃烘干后粉碎。定期剪取一定面积(10 cm×10 cm)的生态基,超声波分离附生生物,60 ℃烘干后粉碎。用氧弹仪(PARR-1281,美国)分别测定底泥、大口黑鲈、饵料鱼、附生生物能量含量。用总有机碳分析仪测定水体及降雨中总有机碳(TOC)含量,按照Zhang等[20]方法换算为能量。不同物质的能量折算系数见表 1

表 1 不同养殖模式的投入产出物质能量折算系数 Tab.1 Conversion coefficients of energy for input and output materials in different groups
1.3 计算公式

将所有投入和产出物质均转化为能量(MJ)。池塘养殖系统能量转化效率按以下公式计算[11]

光能利用率=池塘初级生产力(MJ)/池塘接收的太阳辐射能(MJ)×100%

光合能转化效率=池塘生物净产出能(MJ)/池塘接收的太阳辐射能(MJ)×100%

饲料能转化效率=池塘生物净产出能(MJ)/投入饲料能(MJ)×100%

总能量转化效率=池塘生物产出能(MJ)/池塘总输入能(MJ)×100%

单位净产量耗饲料能=投入饲料能(MJ)/池塘生物净产出量(kg)

单位净产量耗总能=池塘总投入能(MJ)/池塘生物净产出量(kg)

总输入能=投入生物能(MJ)+投入饲料能(MJ)+池塘初级生产力(MJ)

总投入能=投入生物能(MJ)+投入饲料能(MJ)

1.4 数据处理

所有数据用SPSS 21.0软件对数据进行分析,采用独立样本t检验进行分析处理,以P<0.05作为差异显著性水平。

2 结果 2.1 水质

实验期间,两组池塘水温为22.9~32.4 ℃,DO为3.65~8.39 mg·L−1,pH为7.59~8.13。两组池塘水体、底泥无机营养盐含量见表 2。实验组池塘水体氨氮、硝态氮、总氮和总磷含量显著低于对照组(P<0.05)。但两组池塘亚硝态氮、磷酸盐、底泥总氮和总磷含量无明显差异(P>0.05)。

表 2 实验期间各养殖模式的水质状况 Tab.2 Water quality in different groups during experiment n=3
2.2 养殖生物收获情况

不同处理下养殖鱼类收获情况见表 3。实验组大口黑鲈的成活率和产量均显著高于对照组(P<0.05),饵料系数显著低于对照组(P<0.05)。但两组池塘收获时大口黑鲈个体平均质量无显著差异(P>0.05)。

表 3 不同处理组收获情况 Tab.3 Harvest information of cultured animals in different groups
2.3 能量输入

各处理组能量输入情况见表 4。对照组和实验组能量来源包括浮游生物生产、附生生物生产、饵料投入、养殖生物投入、初始水体输入和降雨输入。其中,饵料投入所占比例最高,对照组和实验组分别为53.26%和55.02%;其次为浮游生物生产,分别占总输入能的45.92%和44.22%;对照组和实验组的养殖生物投入、初始水体输入、降雨输入分别占总输入能的0.44%、0.33%、0.05%和0.40%、0.31%、0.04%。此外,实验组附生生物生产占总投入能的0.01%。

表 4 不同处理组的能量输入 Tab.4 Inputs of energy in different groups
2.4 能量输出

各处理组能量输出情况见表 5。对照组和实验组能量去向包括浮游生物呼吸、附生生物呼吸、底泥呼吸、底泥沉积、水体积累、养殖生物收获和附生生物收获。其中浮游生物呼吸占总输出能的比例最高,对照组和实验组分别为60.01%和56.68%;其次为养殖生物收获,分别占两组总输出能的28.78%和31.99%;对照组和实验组的底泥呼吸、底泥沉积、水体积累分别占总输出能的2.17%、8.90%、0.14%和2.86%、8.37%、0.10%。此外,实验组附生生物呼吸和收获分别占总输出能的0.01%和0.001 5%。

表 5 不同处理组的能量输出 Tab.5 Outputs of energy in different groups
2.5 能量的利用和转化效率

不同处理组的能量利用和转化效率见表 6。实验组和对照组的光能利用率无显著差异(P>0.05),实验组的生物净产出能、光合能转化效率、饲料能转化效率和总能量转化效率均显著高于对照组(P<0.05),而单位净产量耗饲料能和单位净产量耗总能则显著低于对照组(P<0.05)。

表 6 不同处理组的能量利用和转化效率 Tab.6 Energy conversion coefficients in different groups
3 讨论 3.1 生态基对大口黑鲈池塘水质的影响

水中DO和pH是养殖生物生存及生长的重要环境条件,本研究中两组池塘水体DO和pH均处于适宜范围,且均无显著性差异(P>0.05)。

生态基是生物膜的载体,具有良好的好氧、兼性和厌氧微生物生存环境。好氧层进行有机物的降解和硝化反应,将 $ {\rm NH}_{4}^{+}$ 转化为 ${\rm NO}_{2}^{-}$ ${\rm NO}_3^-$ ;缺氧层进行反硝化作用,将 ${\rm NO}_{2}^{-}$ ${\rm NO}_3^-$ 转化为气态氮并释放[6]。Collos等[21]研究发现生物膜上的氮循环细菌(如亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌)可将氨氮、亚硝态氮和硝态氮等代谢为氮气排出;藻类可吸收无机氮转化为自身组成成分[22];异养细菌亦可将无机氮同化为菌体组成成分[23]。通过上述3种途径,生态基可降低养殖水体无机氮水平。因此,本研究中尽管实验组大口黑鲈成活率、投喂量和产量均高于对照组(表 3~表 5),但实验组池塘水体亚硝态氮含量与对照组无差异(P>0.05),而氨氮、硝态氮和总氮含量则显著低于对照组(P<0.05)。

生态基亦可通过直接或间接途径降低系统水体磷含量。1)生态基上的聚磷菌直接将水体中的磷同化为自身组成成分或转化为稳定的矿化结构[24],随着生物膜脱落,沉积在底泥中;生态基上附着的其他细菌、藻类和水生植物亦可吸收利用水体中的磷[25]。2)生态基的使用会改变系统的微生物群落组成[26],而水体和底泥中的微生物(解磷菌、聚磷菌等)在磷的循环中起着重要作用[27],进而间接影响磷的循环。本研究中实验组池塘水体总磷含量显著低于对照组(P<0.05),但生态基上附着生物的呼吸和收获占总输出能的比例较低,因此推测生态基主要通过间接作用影响磷循环,具体机理尚需深入研究。

有研究表明,生态基的使用会促进水体颗粒悬浮物的吸附和沉降[7]。悬浮物的吸附和沉降会将水体部分氮、磷带入底泥中。宋协法等[28]研究发现生态基上形成的生物膜吸附和沉淀的悬浮颗粒为对虾提供了额外的食物。本研究中两组池塘底泥氮、磷含量无明显差异(P>0.05)。生态基吸附和沉降的颗粒悬浮物是否为大口黑鲈所摄食,进而减少其沉积量,从而导致两组池塘底泥氮、磷含量无差异,还需进一步研究。

3.2 生态基对大口黑鲈池塘能量收支的影响

本研究中,两组池塘能量输入的主要来源均为饵料投入,分别占53.26%和55.02%,与其他研究相比[13,29],处于较高水平。这与养殖品种及模式不同有关,本研究对象大口黑鲈为吃食性鱼类,而研究池塘为高密度精养池塘,故饵料投入较高。浮游生物初级生产亦是两组池塘能量输入的重要来源,分别占44.22%(实验组)和45.92%(对照组)。浮游生物呼吸是能量输出的主要途径,分别占实验组和对照组的56.68%和60.01%,其次为养殖生物收获,两组分别为31.99%和28.78%,与草鱼混养生态系统[29]、梭子蟹混养系统[30]基本一致。由于较高的产量及饵料投入,生态基池塘的附生生物生产能、饵料投入能、总投入能、附生生物呼吸能、养殖生物收获能和附生生物收获能均显著高于对照组池塘(P<0.05)。与底泥氮、磷含量趋势一致,本研究中两组池塘底泥沉积能无显著差异(P>0.05),是否与大口黑鲈的摄食有关尚需进一步研究。此外,本研究中两组池塘的总输入能均高于总输出能,其差值为池塘水体反射的辐射能、水体蒸发耗能、水体与大气之间热量交换过程中的能量损失、水体与底泥之间热量交换过程中的能量损失等[31]。本研究没有进行相关的数据测定,有待进一步探讨。

浮游植物通过光合作用将太阳能转换为生物能,进而传递到食物链中。因此,浮游植物初级生产力是生态系统食物链或食物网的基础。在本研究中,两组池塘生态系统接受的太阳辐射总能为4 167 MJ·m−2,两组池塘光能利用率分别为1.14%和1.20%,远高于三江平原鲤鱼池塘光能利用率(0.204%~0.308%)[32]和草鱼混养池塘光能利用率(0.25%)[29],亦高于盐碱地池塘系统(0.29%~0.62%)[33]及青鱼养殖系统(0.61%~0.96%)[34],这与实验地点、养殖品种及模式差异有关[30]。在本研究中,两组池塘浮游生物生产力无显著差异(P>0.05),致使两组池塘光能利用率之间无显著差异(P>0.05)。

本研究实验组的生物净产出能、光合能转化效率、饲料能转化效率及总能量转化效率均显著高于对照组(P<0.05),而单位净产量耗饲料能和单位净产量耗总能则显著低于对照组(P<0.05),说明在大口黑鲈高产精养池塘放置生态基高效可行。生态基是生物膜的载体,生物膜上不同生物群落共同作用于养殖系统,促进养殖水体中有机物的降解和无机盐的吸收,进而净化水质,减少水体中有害物质对养殖生物的影响[35-37]。生态基上附着的生物(原生动物、植物、浮游动物等)、有机颗粒等可为养殖生物提供部分饵料,有利于降低养殖生物的饵料系数[38];此外,生态基还可以改变水体细菌群落组成,减少养殖水体和养殖鱼类肠道中条件致病菌的存在,降低发病率[7]。因此,本研究中实验组大口黑鲈成活率和产量均显著高于对照组(P<0.05),饵料系数显著低于对照组(P<0.05)。而实验组产量的提高使其具有较高的生物净产出量及净产出能。因此,相比对照组,实验组具有较高的生物净产出能、光合能转化效率、饲料能转化效率和总能量转化效率,以及较低的单位净产量耗饲料能和单位净产量耗总能。

致谢:对参与实验的王金林、李建松、张植强、吴敬荣等人和为本研究提供实验场地的佛山市三水区华淼水产合作社,谨致谢忱!

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