主養草魚高密度池塘溶氧收支平衡的研究

龔望寶 余德光 王廣軍 謝 駿 張敬旺李志斐 郁二蒙 王海英

(中國水產科學研究院珠江水產研究所, 農業部熱帶亞熱帶水產資源利用與養殖重點實驗室, 廣州 510380)

主養草魚高密度池塘溶氧收支平衡的研究

龔望寶 余德光 王廣軍 謝 駿 張敬旺李志斐 郁二蒙 王海英

(中國水產科學研究院珠江水產研究所, 農業部熱帶亞熱帶水產資源利用與養殖重點實驗室, 廣州 510380)

采用原位生態學的方法測定廣東省中山市9口主養草魚高密度池塘中浮游植物光合作用產氧量、水柱呼吸耗氧量、底泥呼吸耗氧量和魚呼吸耗氧量, 并用數學模型計算增氧機增氧量及用差減法計算大氣擴散作用引起的得氧或失氧, 對高密度養殖池塘中溶氧收支平衡狀況進行了研究。結果顯示: 在水深為1.5—2.0 m的主養草魚高密度池塘中, 光合作用產氧量隨著水深的增加而顯著降低(P<0.05), 底層出現負值呈現氧債現象。水呼吸耗氧量在表層、中層和底層之間沒有顯著差異(P>0.05)。表層水光合作用產氧量顯著大于水呼吸耗氧量(P<0.05), 而中層和底層水光合作用產氧量卻顯著小于水呼吸耗氧量(P<0.05)。在主養草魚高密度池塘溶氧的收入中, 浮游植物光合作用產氧量、增氧機增氧量和大氣擴散溶入氧量分別占總溶氧來源的44.7%、42.3%和13.0%, 機械增氧作用已接近光合作用, 成為溶氧來源的主要貢獻者; 在池塘溶氧的支出中,水呼吸、魚呼吸和底泥呼吸耗氧量分別占總耗氧量的45.9%、45.0%和9.1%, 魚呼吸耗氧與水呼吸耗氧相當,成為水體中氧氣的主要消耗者。結果表明在草魚高密度養殖過程中, 合理使用機械增氧是池塘溶氧管理的有效措施。

草魚; 高密度; 池塘養殖; 溶氧收支

高密度精養是目前珠江流域池塘養殖的主要生產方式[1]。由于大量投餌, 高密度精養造成池塘底部殘餌和養殖動物糞便等物質大量積累, 池塘底部水體缺氧現象嚴重[2,3], 溶氧有效管理對池塘養殖動物健康維護和水環境調控日顯重要[4]。國內外在載魚量為150 kg/km2以下的斑點叉尾(Ictalurus punctatus)、日本鰻鱺(Anguilla japonica)和“四大家魚”等池塘開展了溶氧變化規律及模型預測研究[5—9],表明光合作用產氧是池塘溶氧的主要來源和水呼吸是主要的耗氧因子, 這一結果為中低密度養殖池塘溶氧管理提供了重要的參考依據。但是, 在高密度精養池塘, 增氧機的高強度運行使池塘溶氧變化特征發生了改變[10], 溶氧是池塘水質指標中的一項重要變量, 亦是高密度精養池塘人工調控的重要因子之一[11], 而對高密度池塘溶氧收入和支出平衡的研究是高產精準管理的關鍵。

草魚(Ctenopharyngodon idella)是我國大宗淡水養殖的重要魚類之一, 主養草魚高密度池塘的載魚量可達300 kg/km2以上[12], 但有關主養草魚高密度池塘溶氧收支的研究還未見報道。本研究采用原位生態學的方法測定廣東省中山市9口主養草魚高密度池塘中浮游植物光合作用產氧量、水柱呼吸耗氧量、底泥呼吸耗氧量和魚呼吸耗氧量, 并用數學模型計算增氧機增氧量及用差減法計算大氣擴散作用引起的得氧或失氧, 研究主養草魚高密度池塘養殖期間增氧與耗氧因子的變化及溶氧收支, 以期為草魚高密度養殖池塘的溶氧管理提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究地點及草魚養殖條件

實驗于2011年6月至9月在廣東省中山食品水產進出口集團有限公司坦洲養殖基地進行。選取9口主養草魚池塘作為測試對象, 魚池平均載魚量為311.26 kg/km2, 草魚占總載魚量的80%左右, 規格為2.0—3.5 kg, 混養少量鳙(Aristichthys nobilis)和鯪(Cirrhina molitorella)。水源來自西江支流, 實驗期間的水溫在29.4—32.2℃, pH在7.47—8.62, 溶氧在4.70—10.43 mg/L。實驗塘的基本情況見表1。

1.2 測定與計算方法

浮游植物光合作用產氧和水柱呼吸作用耗氧

采用黑白瓶測氧法測定浮游植物光合作用產氧和水柱呼吸作用耗氧。黑白瓶分表層、中層和底層進行懸掛, 表層懸掛在距水面下10 cm, 中層為水深的中間, 底層距池塘底部10 cm, 24h后取瓶用Winkler碘量法測溶解氧含量。取水樣同時測水溫。白瓶與黑瓶溶氧量之差為光合作用產氧量, 初始含氧量與黑瓶溶氧量之差為水呼吸耗氧量。養殖池塘日平均光合作用產氧量或水柱呼吸耗氧量按下式計算[13]: Q = [(Q表+Q中)/2×H中+(Q中+Q底)/2×(H?H中)]/H (1)式中, Q表、Q中、Q底為表、中、底層水每日每升水體的光合作用產氧量或水呼吸耗氧量(mg/L), H 為水深(m), H中為中層黑白瓶掛取深度(m), Q為平均光合作用產氧量或水柱呼吸耗氧量[mg/(L·d)]。

全水柱池水的光合作用產氧量或水呼吸耗氧量則為Q×相應塘的平均水深。

底泥呼吸耗氧 底泥呼吸耗氧用底泥呼吸器現場原位測定, 底泥呼吸器參照李德尚等[14]描述的進行制作。以6h為時間間隔測定底泥呼吸耗氧的周日節律, 取樣測定方法和計算方法采用張敬旺等[15]所用的方法。底泥耗氧率按下式計算:

式中, DOo為初始溶氧濃度(mg/L), DOt為t小時后溶氧濃度(mg/L), t為取樣間隔時間6h, V 為底泥呼吸器體積29.5 L, S為底泥呼吸器底面積 0.152 m2。

池塘底泥耗氧量[g/ (m2·d)]則為單位時間內單位面積的底泥呼吸耗氧率×24h。

魚的呼吸耗氧 草魚呼吸耗氧率測定于取樣的同時在該基地進行。實驗用水為充分曝氣的自來水, 在自然溫度下采用靜水式裝置(黑色圓形塑料桶,容積為1000 L)測得。取與實驗池塘中相同規格的單個實驗魚[(2.20 ± 0.05) kg, N =6]放入每個裝置中,用塑料薄膜封口, 共3個重復, 同時設定空白對照組, 以測定水呼吸耗氧量。容器內置一個額定功率為12W的小水泵進行攪水, 保證容器內的溶氧分布均勻, 每隔3h用虹吸法在每個裝置的3個不同位置采集水樣。采用Winkler碘量法測定溶解氧, 計算平均值。當溶解氧降低至2.0 mg/L左右停止實驗, 并觀察實驗魚活動正常。實驗結束后, 稱其體重。草魚的單位魚體重耗氧率按下式計算[16]:

單位魚體重耗氧率[mg/ (g·h)] =

式中, DOo、DOt分別為初始溶氧濃度和t 小時后溶氧濃度(mg/L), DOo′、DOt′分別為對照組初始溶氧濃度和t 小時后溶氧濃度(mg/L), V為呼吸室內水體體積(L), W為草魚體重(g), t為實驗時間(h)。

池塘魚呼吸耗氧量[g/(m2·d)]則為單位時間內單位魚體重的耗氧率×池塘載魚量×24h再除以池塘面積。

表1 主養草魚高密度池塘基本情況Tab.1 Basic conditions of C.idella-farming ponds

機械增氧 9口池塘均安裝1.5 kW的葉輪式增氧機, 各池塘的增氧機數量(表1)。實驗期間, 每天從晚上22:00開至凌晨06:00, 共8h。根據國家漁業機械儀器質量監督檢驗中心實驗室實測數據, 1.5 kW葉輪增氧機的標準氧傳遞速率在2.16—2.59 kg/h,本實驗參考顧海濤等[17]取2.30 kg/h, 實驗池塘水溫下的氧傳遞速率(Oxygen transfer rate, OTR)根據文獻[18]按照下式進行計算:

式中, Cs為水溫20℃和1個標準大氣壓時氧的飽和濃度(mg/L), SC/T 6009-1999推薦為9.17 mg/L; Cm為最低耐受氧濃度2.0 mg/L; T為實驗池塘水溫; OTRs為標準氧傳遞速率, 即2.30 kg/h; OTR20為水溫20℃時的氧傳遞速率(kg/h); OTRT為實驗池塘水溫下的氧傳遞速率(kg/h)。

水體與大氣的氧交換(溶入和釋放) 水體與大氣的氧交換量用差減法[19]求得, 即溶氧的總消耗量減去浮游植物光合作用產氧量和增氧機增氧量。

1.3 數據分析

采用Statistical 6.0對所有數據進行單因子方差分析(One-way ANOVA)。當差異顯著時, 再用Duncan’s多重比較對平均數進行比較。表中數據表示為平均數±標準差, 顯著水平為P<0.05。

2 結果

2.1 草魚養殖池塘光合作用產氧量與水呼吸耗氧量

實驗池塘各水層光合作用產氧量與水呼吸耗氧量(表2)。各池的透明度在15—29 cm, 平均為(21± 4) cm。從表2可以看出, 池塘表層、中層和底層的光合作用產氧量存在明顯差異, 隨著水深的增加, 光合作用產氧量顯著降低(P<0.05)。表層產氧量[(16.85 ± 3.49) mg/(L·d)]顯著大于中層[(2.03 ± 1.77) mg/(L·d)]和底層[(?0.12 ± 0.40) mg/(L·d)](P<0.05),底層出現負值呈現氧債現象。表層、中層和底層的水呼吸耗氧量分別為(5.76 ± 2.01)、(5.50 ± 1.63)和(4.78 ± 1.53) mg/(L·d), 各水層之間沒有顯著差異(P>0.05)。表層水光合作用產氧量顯著大于表層水呼吸耗氧量(P<0.05), 而中層和底層的光合作用產氧量均顯著小于中層和底層的水呼吸耗氧量(P<0.05)。

實驗池塘日平均光合作用產氧量與水柱呼吸耗氧量(表3)。從表3可以看出, 主養草魚高密度池塘光合作用產氧量在5.49—15.15 g/(m2·d), 平均為8.78 ± 2.56 g/(m2·d); 水柱呼吸耗氧量在3.84—12.51 g/(m2·d), 平均為(9.01 ± 2.64) g/(m2·d)。

表2 主養草魚高密度池塘光合作用產氧量和水呼吸耗氧量Tab.2 Oxygen production of photosynthesis and oxygen consumption of water respiration in high density C.idella-farming ponds (mg/L·d) (Mean ± SD, N = 9)

2.2 增氧機增氧

根據實驗池塘配置增氧機的數量、功率、開機持續時間及氧傳遞速率, 按照公式(4)和(5)計算出增氧機的增氧量(表3)。實驗池塘增氧機增氧量在6.00—13.67 g/(m2·d), 平均為(8.30 ± 2.58) g/(m2·d)。

2.3 底泥耗氧

實驗池塘的底泥耗氧率(表3、表4)。從表3可以看出, 主養草魚高密度池塘底泥耗氧量在1.09—2.60 g/(m2·d), 平均為1.78 ± 0.45 g/(m2·d)。從表4可以看出, 底泥耗氧率在0.042—0.095 g/(m2·h), 有明顯的日變化趨勢。10:00和16:00的底泥耗氧率顯著高于04:00的底泥耗氧率(P<0.05)。

2.4 魚呼吸耗氧

草魚(2.2 ± 0.05) kg/ind呼吸耗氧率和各池塘魚呼吸耗氧量(表3、表5)。從表3可以看出, 草魚呼吸耗氧量在4.16—14.65 g/(m2·d), 平均為(8.84 ± 4.12) g/(m2·d)。從表5可以看出, 草魚呼吸耗氧率晝夜波動較大, 耗氧率的高峰出現在白天, 低谷出現在夜間。9:00、12:00、15:00和18:00點的耗氧率顯著高于03:00和06:00的耗氧率。草魚的平均耗氧率為0.110 mg/(g·h)。

2.5 池塘溶氧的收支平衡

池塘溶氧的收入和支出決定著池塘的溶氧平衡狀況。各池塘的收支結果(表3)。在溶氧的來源中, 光合作用產氧量和增氧機增氧量分別占溶氧收入的44.7%和42.3%。增氧機增氧作用接近光合作用產氧作用, 成為池塘溶氧收入的主要貢獻者。

在溶氧的消耗中, 水呼吸、魚呼吸和底泥呼吸耗氧分別占溶氧支出的45.9%、45.0% 和9.1%。從結果可以看出, 魚呼吸耗氧與水呼吸耗氧的比例相當, 成為池塘溶氧的主要耗氧因子, 底泥呼吸耗氧所占比例最小。

各池塘水體與大氣交換的結果(表3)。當交換值>0時, 表明池塘通過大氣溶解而得氧; 當交換值<0時, 表明池塘通過大氣擴散而逸出氧。從表中可以看出, 各池的數值波動較大, 平均值為13.0%, 表明草魚池塘通過大氣擴散作用得氧。

3 討論

早于20世紀80年代就有研究表明[20], 傳統魚池(載魚量為84 kg/km2)的溶氧收入中, 浮游植物光合作用占90.3%; 支出中, 水呼吸、魚呼吸和底泥呼吸分別占總耗氧量的72.9%、16.1%和0.6%。本研究結果顯示, 在主養草魚高密度池塘(平均載魚量為311.26 kg/km2) 的溶氧收入中, 浮游植物光合作用產氧量和增氧機增氧量分別占總溶氧來源的44.7%和42.3%; 在溶氧的支出中, 水呼吸、魚呼吸和底泥呼吸耗氧量分別占總耗氧量的45.9%、45.0%和9.1%。與傳統魚池溶氧收支相比, 主養草魚高密度池塘的溶氧收支發生了很大改變, 增氧機增氧作用接近浮游植物光合作用, 為溶氧主要來源; 魚類呼吸耗氧比例上升, 與水呼吸耗氧比例相當, 為主要的耗氧因子; 底泥呼吸耗氧比例亦有所增加。

表4 主養草魚高密度池塘底泥耗氧率的日變化Tab.4 Diurnal variation of sediment respiration rates g/(m2·h) in high density C.idella-farming ponds (Mean ± SD, N = 9)

表5 草魚耗氧率的日變化Tab.5 Diurnal variation of respiration rates [mg/(g·h)] of adult C.idella(Means ± SD, N = 3)

增氧機是主養草魚高密度池塘的重要設備, 其增氧量占總溶氧來源的42.3%。周勁風等[21]對主養加州鱸(Micropterus salmoides)精養池塘水質模型的研究表明, 人工增氧量略大于浮游植物光合作用產氧量, 增氧機增氧已是精養池塘重要增氧措施, 精養養殖就是增氧養殖。在中國對蝦(Penaeus chinensis)養殖池塘中[22], 蝦池溶解氧處于支出大于收入的不平衡狀態, 48%的溶氧需要由機械增氧與空氣溶解補給。機械增氧成為高密度養殖池塘溶氧的主要來源, 不僅解決了魚蝦的氧氣需求, 而且還對于殘餌和糞便等有機物在池塘底部大量沉積起分解促進作用。由于底部陽光缺乏, 少有藻類光合作用, 增氧機通過攪拌和曝氣, 充分混合上層氧盈水及下層氧債水, 促進養殖水體得氧, 提高池塘底部的溶氧水平,從而提高底部的氧化還原電位, 降解底泥有害物質的積累[23,24]。

在載魚量為74.63—150 kg/ km2的傳統養魚池中, 養殖魚類的呼吸耗氧量一般占總耗氧量的5—22%[25]。在本研究中, 魚呼吸耗氧量占總耗氧量的比例高達45%, 成為主要的耗氧因子。這種耗氧方式主要隨放養密度的變化而變化。本文中的平均載魚量為311.26 kg/km2, 是傳統養殖池塘載魚量的2—3倍, 養殖密度的提高導致魚呼吸耗氧量的顯著增加。在對蝦池[26]中也有相似的研究結果, 放養密度為20 kg/km2的中國對蝦池, 其對蝦耗氧量僅占總耗氧量的3.7%; 而放養密度為200 kg/km2的南美白對蝦池, 對蝦耗氧所占比例達到72.7%, 成為主要的耗氧因子。

養魚池塘底泥原位測定耗氧速率一般為0.33—1.60 g/(m2·d)[6,19,27]。本文采用底泥呼吸器原位測定的底泥耗氧率在1.09—2.60 g/(m2·d), 平均為1.78 g/(m2·d)。研究結果比通常的魚池底泥耗氧率較高,這可能與高密度養殖有關。在高密度養殖中, 殘餌和糞便等有機物在池塘底泥中沉積, 而有機物的分解消耗大量的氧氣, 池塘底泥耗氧量隨著有機物含量的增加而增加[28]。Madenjian[29]報道, 在夏威夷載蝦量為28 kg/km2的對蝦養殖池塘中, 底泥耗氧量為7.15 g/(m2·d)。Steeby, et al.[30]報道, 在美國密西西比州西北部的斑點叉尾養殖池塘中, 載魚量僅為56 kg/km2, 但其底泥原位測定耗氧率在1.49—23.09 g/(m2·d), 平均為11.47 g/(m2·d)。本研究中的池塘載魚量為311.26 kg/km2, 但是底泥耗氧率卻明顯要低,一方面與主養草魚池塘投喂較低的能量飼料導致底泥有機質含量低有關[20]。不同餌料在投喂過程中產生的有機廢物在顆粒大小、有機質溶出速率、沉降速率等存在較大差異[31], 導致沉積物中有機物含量有很大差異[32], 進而影響沉積物耗氧。另一方面與套養鳙和鯪等可消耗部分有機物有關[33]。

實驗結果顯示主養草魚高密度池塘表層浮游植物光合作用產氧量顯著高于水呼吸耗氧量, 而中層和底層的光合作用產氧量均顯著小于其水呼吸耗氧量。同時, 本研究中的池塘平均透明度為21 cm, 說明池水中浮游生物和有機物豐富。類似的研究結果也出現在養鰻池[6]、“四大家魚”池[8]和蝦池[12,21], 表明自1 m水深以下, 光合作用極弱, 呈現氧債現象。這主要是由于養殖水體中大量有機質分解以及浮游動物和細菌等耗氧所導致的。姚宏祿[9]認為水體光合作用產氧量(P)和水呼吸耗氧量(R)及其比率(P/R)是高產魚池溶氧變化的主要矛盾, 這種矛盾與放養密度、營養鹽含量和管理技術等有關。

綜上所述, 與傳統魚類養殖池塘相比, 主養草魚高密度池塘的溶氧收支平衡已發生了很大改變,機械增氧作用接近光合作用, 成為主要的溶氧來源;魚呼吸成為主要的耗氧因子, 底泥呼吸耗氧量增加。在養殖過程中, 合理采取機械增氧措施是高密度養殖池塘水質管理的有效措施。本研究雖然通過原位生態學的方法對草魚高密度池塘養殖期間增氧與耗氧因子的變化及溶氧收支有一個較全面的認識,但下一步需要對該類型養殖池塘溶氧的晝夜和季節變化規律進行系統研究。

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THE BUDGET OF DISSOLVED OXYGEN IN HIGH DENSITY PONDS MAINLY STOCKED WITH CTENOPHARYNGODON IDELLA

GONG Wang-Bao, YU De-Guang, WANG Guang-Jun, XIE Jun, ZHANG Jing-Wang, LI Zhi-Fei, YU Er-Meng and WANG Hai-Ying
(Key Laboratory of Tropical & Subtropical Fishery Resource Application & Cultivation, Ministry of Agriculture, Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Guangzhou 510380, China)

To increase the efficiency of dissolved oxygen (DO) management in high density ponds mainly stocked with grass carp (Ctenopharyngodon idella), the present research aimed to characterize the budget of dissolved oxygen in nine fish ponds in Zhongshan, Guangdong province, China.The water depth was 1.5—2.0 m.Photosynthesis of phytoplankton and water respiration rate (WR) were determined by the clear and dark bottles method.The sediment respiration rate (SR) was measured byin siturespirometry.The fish respiration rate was determined by the respiratory chamber method.The mechanical aeration was calculated by predicting models.Atmosphere diffusion was estimated by the subtraction method.The results showed the gross oxygen production (GOP) of photosynthesis showed a decreasing trend as the water depth increased, and the value in the bottom was negative, which was the common oxygen debt phenomenon.There was no significant difference between the WR under the surface, middle layer and bottom (P>0.05).The GOP of photosynthesis in the surface was significantly higher than theWR(P<0.05), but the GOP of photosynthesis was significantly lower than theWRboth in the middle layer and in the bottom (P<0.05).The photosynthesis of phytoplankton and the mechanical aeration were the main contributors to the total oxygen production in high density ponds mainly stocked with C.idella, which accounted for 44.7% and 42.3% of the total oxygen production, respectively, but the contribution of atmosphere diffusion was the lowest and accounted for 13.0%.Among the oxygen consuming factors, the WR was the largest oxygen consumer, which accounted for 45.9% of the total oxygen consumption of water column, followed by fish respiration rate which accounted for 45.0% of the total oxygen consumption, and the proportion ofSRwas the lowest which accounted for 9.1%.

Ctenopharyngodon idella; High density; Pond culture; Dissolved oxygen budget

S963

A

1000-3207(2013)02-0208-09

10.7541/2013.6

2012-10-16;

2012-12-29

國家科技支撐計劃課題“珠江流域高產精養池塘健康養殖技術集成與示范 No.2012BAD25B04”; 現代農業產業技術體系建設專項資金 nycytx-49-13; 公益性行業(農業)科研專項“池塘復合凈化技術研究與示范 201203083” 資助

龔望寶(1979—), 女, 湖北咸寧人; 博士, 助理研究員; 主要從事水產健康養殖研究。E-mail: gwbli@163.com

余德光, 男, 副研究員; E-mail: gzyudeguang@163.com