分區集群式清潔養殖池塘浮游生物群落結構及水環境特征

張家衛,趙 文,*,丁建華,張 晨,李 媛,蔡志龍

1 大連海洋大學,遼寧省水生生物學重點實驗室, 大連 116023 2 山西省水產技術推廣站, 太原 030002

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分區集群式清潔養殖池塘浮游生物群落結構及水環境特征

張家衛1,趙 文1,*,丁建華2,張 晨1,李 媛1,蔡志龍1

1 大連海洋大學,遼寧省水生生物學重點實驗室, 大連 116023 2 山西省水產技術推廣站, 太原 030002

以傳統模式養殖池作對照,研究了分區集群式清潔養殖模式池塘浮游生物群落結構及其水環境特征。結果表明,集群模式池塘網箱內外TN(總氮)分別為1.22 mg/L和1.31 mg/L,TP(總磷)分別為0.169 mg/L和0.170 mg/L,傳統模式TN、TP分別為1.76 mg/L和0.689 mg/L。共檢出浮游植物6門169種,綠藻門占優。密集養殖區(網箱內)浮游植物生物量為24.54 mg/L,多樣性指數2.52,清潔區(網箱外)生物量23.51 mg/L,多樣性指數2.47；共檢出浮游動物183種,輪蟲類占優。密集養殖區浮游動物生物量3.53 mg/L,多樣性指數1.82,清潔區生物量2.95 mg/L,多樣性指數1.86,傳統模式浮游植物、浮游動物生物量分別為49.12、0.53 mg/L,多樣性指數分別為2.06、1.79。與傳統模式相對比,集群模式池塘TN、TP降低,藍藻比例下降,浮游植物生物量減少,浮游動物生物量增大,生物多樣性指數提高,水環境有一定改善。

分區集群式清潔養殖；浮游生物；群落結構；多樣性指數；水環境特征

近年來,國內水產養殖業發展迅速,由于經濟發展以及人類對水產品需求的增大,養殖行業增產增收是面臨的一個主要問題,但是需求加劇與產量銳減的矛盾則亟待解決[1-2]。眾所周知,池塘養殖是我國漁業生產的主要方式之一,同時也是便于推廣的一種養殖方式,然而,由于池塘自身的封閉性以及傳統養殖池塘殘餌和糞便累積超過水體自凈能力,隨著養殖周期的增加,殘餌、糞便累積等導致池塘氮、磷含量上升,造成養殖池塘富營養化,養殖水體環境污染,最終使得魚產力下降或魚類死亡。因此,推廣發展高效、環境友好型節水漁業成為水產養殖持續發展的首選[3]。

池塘分區集群式清潔養殖(partition cluster clean aquaculture in ponds, PCCA)[4]是不同于傳統混養方式的池塘養殖新模式,即健康養殖條件下將魚類集群圈養于池塘小范圍區域(即密集養殖區),通過設備控制魚類糞便的排泄區域(即沉淀排污區),做到及時將糞便清除到池塘外凈化區,以降低魚類糞便、殘餌等對水體的污染及溶解氧消耗,使池塘中大部分水體轉變為水質凈化區域,最后形成池塘內分區、養殖魚類集群、精確投餌和及時清除糞便及殘餌的池塘清潔養殖模式[5]。

本文以傳統養殖池為對照,研究了池塘分區集群式清潔養殖池浮游生物群落結構及水環境特征,以期為推廣和應用這種模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗條件及魚種投放

1.1.1 試驗地點

試驗在山西省永濟市溫流水良種系育場進行。

1.1.2 試驗池塘及用水

試驗選取面積為2.67 hm2的池塘3口,分別編號為實驗一組,實驗二組,對照組,實驗組為集群模式,對照組為傳統模式。其中實驗組每口池塘網箱兩組(24m×3m×2m/組),體積144 m3。實驗組每口池塘配有兩個微孔爆氣推水設備(主要用于推動池塘水流循環流動)以及一個底層增氧設施,對照塘為一個底層增氧設施和兩個移動增氧機。實驗用水為地下井水,養殖過程中保持水深2.3m。

1.1.3 苗種投放、飼喂及池塘清潔

試驗于2015年7月5日按全池面積投放草魚魚苗,規格為186 g/尾,其中集群模式實驗一組4.50× 104尾/hm2,實驗二組2.15× 104尾/hm2,傳統模式(對照組)2.25× 104尾/hm2。試驗期間飼喂為美國大豆協會——國際項目提供配方生產的32/3成魚浮性膨化飼料,每天9:00 和15:00 投喂餌料,投餌量根據天氣和水溫的變化采用90%飽飼投喂法,增氧機開放時間為19:00 至翌日9:00。

針對集群模式的糞便和殘餌收集,其清潔系統見圖1,在養殖網箱底部有一沉淀收集系統,魚類糞便及殘餌通過網箱進入沉淀箱,進而通過人工吸污方式,將沉淀箱中的廢料吸出至池塘邊的沉淀池,用作肥料。

圖1 網箱及排污模式Fig.1 The drainage pattern of net cages

圖2 試驗池塘分布以及采樣斷面示意圖 Fig.2 Distribution and sampling section diagram for experimental ponds

1.2 試驗設計

1.2.1 采樣站位及樣品采集

試驗池塘分布和設置如圖2所示,以草魚池塘為研究對象,集群模式兩個池塘分別于兩個養殖網箱各設置一個斷面采集混合樣(2個),網箱周圍設置5個采樣斷面,并區分表底層采集斷面混合樣(10個)。對照組傳統模式采集時在池塘周圍以及中間各設置一個采樣斷面采集混合樣品(表底各1個)。

浮游生物采集包括定性、定量兩部分,其中浮游植物按采樣點分別采集1L定量樣品,然后分別采集1L樣品用作浮游植物以及小型和微型浮游動物定性使用,現場用15mL魯哥氏液固定；大中型浮游動物采集時,用25#浮游生物網過濾采水25L用作定量樣品,然后用25#網濾水適量作定性樣品,用5%甲醛溶液固定。

1.2.2 采樣時間

在將人工繁育魚苗投放之后,分別于7月中旬,8月上下旬,9月上下旬對試驗池塘進行相關指標采集與測定。

1.2.3 指標與樣品檢測

1.3 數據分析

所有實驗數據均通過軟件Excel 2007、SPSS 13.0、Canoco 4.5分析處理,數據差異性通過t檢驗比較。

1.3.1 Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數

本文通過Shannon-Wiener多樣性指數(H′)[19]反映集群式養殖模式的生物多樣性,通過計算Pielou均勻度指數(J)[20]來反映浮游生物分布均勻程度：

J=H′/log2S

式中,Pi為為第i種的個體密度在總個體密度中的比例,S為總種數。

1.3.2 優勢種

浮游生物的優勢種根據每個種的優勢度(Y)來確定：

Y=(ni/N)×fi

式中,ni為第i種的個體數,N為所有種類總個體數,fi為出現頻率。Y≥0.02時為優勢種[21]。

1.3.3 投資回報率

投資回報率計算公式：

投資回報率(ROI)= 年利潤或年均利潤/ 投資總額×100%

2 結果與分析

2.1 池塘水質理化指標

試驗池塘水質理化指標總結于表1和圖3。由表1可見,山西永濟在7—9月處于高溫期,平均水溫在25—26℃之間；pH實驗組均值8.46,對照組為8.28；鹽度分別為2.4 和2.5；透明度分別為0.32,0.27m。集群模式化學需氧量均值為7.82 mg/L,傳統模式13.09 mg/L；溶解氧在兩種模式下分別為8.01 mg/L和 6.12 mg/L。經過統計分析,傳統模式的化學耗氧量顯著高于集群模式(P<0.05),溶氧相對偏低但差異不顯著。

由圖2可見,實驗組的總氮總磷水平顯著低于對照池塘(圖3)；實驗組亞硝酸鹽含量比對照組高,氨氮含量整體差異不大；集群模式葉綠素a含量顯著低于傳統模式；實驗組網箱內外比較,總體差異不大,但網箱內亞硝酸鹽含量相對高于網箱外(圖3)。

表1 兩種養殖模式池塘的水質理化指標

圖3 兩種養殖模式池塘氮磷及葉綠素a含量及其動態Fig.3 The concentration and dynamics of nitrogen, phosphorus and chlorophyll-a in two kinds of culture models ponds

2.2 浮游生物

2.2.1 種類組成與優勢種

試驗期間共檢出浮游植物6門169種,其中集群模式6門153種,傳統模式5門74種。集群模式養殖中,密集養殖區6門111種,其中綠藻門68種,硅藻門,裸藻門分別13種,藍藻門10種,隱藻和甲藻分別為5種,2種。清潔區6門144種,各門類分別為90,18,17,11,6種和2種。優勢類群為綠藻門、硅藻門和藍藻門(圖4)。優勢有綠藻門的衣藻(Chlamydomonassp.)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)、四足十字藻(Crucigeniatetrapedia)、旋轉單針藻(Monoraphidiumcontortum)光滑柵藻(Scenedesmusecornis),硅藻門的梅尼小環藻(Cyclotellameneghiniana)、線形菱形藻(Nitzschialinearis)以及藍藻門的微小色球藻(Chroococcusminutus)、細小平裂藻(Merismopediaminima)席藻屬(Phormidiumsp.)。各組網箱內外優勢種較一致,但組間差別較明顯。

圖4 兩種養殖池塘浮游植物的種類組成百分比Fig.4 The percent of phytoplankton composition in two kinds of culture model ponds

調查期間共檢出浮游動物4大類183種,其中集群養殖模式4類172種,傳統養殖池塘2大類45種。分區集群式養殖中,密集養殖區4類158種,其中原生動物56種,輪蟲90種,枝角類7種,橈足類5種。清潔區4類117種,各類分別為35,76,3,3種。在優勢種種類組成中,輪蟲類占比最優,原生動物次之,枝角類和橈足類較少(圖5)。優勢種有球形砂殼蟲(Difflugiaglobulosa)、旋回俠盜蟲(Strombilidiumviride)、淡水筒殼蟲(Tintinbidiumfluviatile)、鉤鐘蟲(Vorticellaconvallaria)、角突臂尾輪蟲(Brachionusangularis)、萼花臂尾輪蟲(Brachionuscalyciflorus)、壺狀臂尾輪蟲(Brachionusurceus)、羅氏異尾輪蟲(Trichocercarousseleti)、針簇多肢輪蟲(Polyarthratrigla)、長足輪蟲(Rotarianeptunia)、遠東裸腹溞(Moinaweismanni)、無節幼體(Naupliuslarva)。

圖5 兩種養殖模式池塘的浮游動物種類組成百分比Fig.5 The percent of zooplankton species composition in two kinds of culture model ponds

2.2.2 密度和生物量

試驗池塘浮游生物密度和生物量總結于表2和圖6、圖7。由表2可見,實驗組浮游植物密度與生物量均值低于對照組(P<0.05),對照組的密度以及生物量變化波動幅度較大；實驗組浮游動物的密度與生物量高于對照組(P<0.05)；總體來說,9月底收魚期各個池塘的密度與生物量均較7月中旬養殖初期有所降低。

表2 試驗池塘浮游生物的密度及生物量

實驗組池塘浮游植物密度優勢類群為綠藻,而對照池則為藍藻,生物量優勢類群均為硅藻(圖6)。浮游動物密度和生物量優勢類群均為輪蟲,而實驗組類群多樣,有原生動物、輪蟲、枝角類和橈足類,而對照組僅有原生動物和輪蟲(圖7)。

圖6 兩種模式池塘浮游生物各類群密度與生物量百分比Fig.6 The percent composition of density and biomass of plankton in two kinds of culture model ponds

2.2.3 多樣性指數

從圖7可見,實驗期間,浮游植物實驗1、2兩組多樣性指數均大于2(H′>2),且最大值達到2.8左右,均勻度指數均大于0.6(J′>0.6),最大值為0.8左右,對照組僅在7月16日數值較低,其他時間基本也處于較高水平。說明各組水體浮游植物群落結構完整且穩定。浮游動物實驗1、2兩組多樣性指數均大于1(H′>1),且最大值達到2.5左右,均勻度指數除7月實驗2組外均大于0.5(J′>0.6),最大值為0.899,對照組僅在7月16日數值較低,其他時間基本也處于較高水平。說明各組水體浮游動物群落結構比較完整。

圖7 試驗池塘浮游生物多樣性指數、均勻度指數及其動態Fig.7 The variations of diversity indices and evenness of plankton in experimental ponds

2.2.4 浮游生物群落結構與水體理化因子關系的典型相關分析(CCA)

浮游生物群落結構與水體理化因子關系的典型相關分析結果總結于圖8。從圖8可見,,在一定程度上,浮游動物密度和多樣性指數、浮游植物多樣性指數和均勻度指數與NH4-N、TN、S(鹽度)表現出顯著正相關(P<0.05),與NO2-N呈負相關(P<0.05)；浮游生物生物量與pH,COD、SD關系密切(P<0.05)；浮游植物密度受溶氧、溫度的影響較大(P<0.05)。

圖8 浮游生物指標與環境因子的CCA三維排序圖 Fig.8 CCA ordination map of the main plankton and environmental factor SD：透明度transparency,DO:溶氧dissolved oxygen,T:溫度temperature,S:鹽度salinity,TP:總磷,TN:總氮,NO2-N:亞硝酸氮,NH4-N:氨氮,Chl-a:葉綠素a,pH:酸堿度,pd(phyplankton density),pb(phyplankton biomass),pH′(phyplankton Shannon-Weiner index),pJ(phyplankton Pielou index),zd(zooplankton density),zb(zooplankton biomass),zh′(zooplankton Shannon-Weiner index),zJ(zooplankton Pielou index)分別表示浮游植物和浮游動物密度、生物量、多樣性指數、均勻度指數；PZ：浮游生物生物量

2.3 不同養殖模式的產量比較

收獲日期為2015年10月15日,通過100 d養殖,兩種養殖模式下的收獲結果總結于表3。由表3可見,集群養殖模式高密度養殖下,平均體重相對較小,但飼料轉化效率增大,魚類成活率提高,產量以及投資回報率都有提升。

3 結論與討論

3.1 集群養殖模式對浮游生物群落結構及水環境的影響

研究表明,生態系統中環境因子的改變直接影響浮游生物的群落結構[22-23]。N、P是浮游植物組成的基本元素[24- 26],浮游植物種類不同,元素含量不同[27],養殖水體中的 N、P元素含量能夠影響浮游植物的群落結構組成[28]。池塘分區集群式清潔養殖模式是為了使池塘在人工吸污異地處理后,達到一個較強的自凈化的目的,使得魚類糞便以及殘餌不能長時間積累,從而改善養殖水環境,提高養殖水域生境使其更加安全[4]。本試驗表明,分區集群式清潔養殖模式一定程度上降低了TP、TN、NO2-N、NH4-N、COD,改善了養殖水域環境。以往的研究[29- 32]表明浮游動物物種組成及其豐度與水體的營養狀態是密切相關的,水體中的氮、磷是影響浮游動物豐度的重要因素。本試驗表明集群養殖模式池塘與傳統養殖模式相比較,浮游植物物種數明顯增多,密度和生物量大大降低,多樣性指數增大；浮游動物種數也增多,密度和生物量均明顯增大。雖然浮游植物密度和生物量相對降低,但是結構更加完整穩定,雖然藍藻比例仍有優勢,但相比較傳統養殖池塘有一定降低,說明水質得到了適當改善。按照多樣性指數與水體污染程度關系[24],多樣性指數越高,說明水體狀況越好。通過對比,實驗塘浮游植物、浮游動物的多樣性指數、均勻度指數均高于傳統養殖池塘,表明實驗塘的水體狀態高于傳統養殖池塘。

表3 兩種養殖模式下的收獲結果

3.2 兩種養殖模式的產出對比

楊建雷[33],李瑞嬌[34],張念[35]對主養草魚的傳統養殖池塘浮游生物群落結構做了細致研究,對比此次研究成果,通過對兩種養殖模式下池塘收獲的統計分析結果,可以看出池塘分區集群式新型養殖模式下,魚種的成活率增大,飼料利用效率升高,這就使得養殖成本降低,同時平均產量相對傳統模式顯著增高,投資回報率大,利潤增多。說明該模式對水產養殖業的發展和效益有顯著幫助。

通過上述實驗研究結果表明,池塘分區集群式清潔養殖這種新型養殖模式在一定程度上降低了養殖水環境的總氮、總磷以及化學需氧量,降低了藍藻比例,生物多樣性指數升高,使得浮游生物結構更加多樣穩定,降低了殘餌糞便的累積,有效的改善了水體環境,為養殖魚類提供了較好的生存環境,提高了平均產量,可適宜推廣。

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The plankton community structure and water environment features in ponds under partition cluster clean aquaculture

ZHANG Jiawei1, ZHAO Wen1,*, DING Jianhua2, ZHANG Chen1, LI Yuan1,CAI Zhilong1

1KeyLaboratoryofHydrobiologyinLiaoningProvince,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China2ShanxiAquaticProductTechnologyPromotionDepartment,Taiyuan030002,China

The structure of plankton community and water environment features in ponds under partition cluster clean aquaculture were studied by using the traditional model pond as control. Through collecting water samples and monitoring water chemistry index, some indicators include phytoplankton species, density, biomass and so on were identified. The differences between cluster aquaculture model and traditional aquaculture model in phytoplankton community structure and water chemistry index were analyzed using related statistical methods. The results indicated that the TN concentration both inside and outside of cages set in the new model pond are 1.22 mg/L and 1.31 mg/L, respectively. TP concentration are 0.169 mg/L and 0.170 mg/L, respectively. However, TN and TP concentration were 1.76 mg/L and 0.689 mg/L, respectively in traditional aquaculture ponds. A total of 6 phylum and 169 species of phytoplankton were detected, and green algae was the dominant taxonomy. The next is Cyanophyta and Baccillariophyta. And the dominant species are also concentrated in the three species. Phytoplankton biomass of intensive aquaculture area was 24.54 mg/L, diversity index was 2.52, and biomass and diversity index of clean area was 23.51 mg/ L and 2.47, respectively. A total of 183 species of zooplankton were identified in the survey area, and the maximum dominant species occurred in rotifer. The next is Protozoa, and the least are Cladocera and Copepoda. Zooplankton biomass of intensive aquaculture area was 3.53 mg/L, diversity index was 1.82. Biomass and diversity index of clean area were 2.95 mg/L and 1.86, respectively. Biomass of phytoplankton and zooplankton in traditional aquaculture ponds were 49.12 mg/L and 0.53 mg/L, respectively. And their diversity index were 2.06 and 1.79, respectively. Compared with the traditional model, at the new model pond, stool accumulation was reduced, TN and TP concentration were decreased, the decline in the proportion of cyanobacteria, phytoplankton biomass decreased, the increase in zooplankton biomass and improve the biodiversity index and water environment has been improved to some extent. And provide a better living environment for farmed fish. The reslut showed that the state of experiment pond is higher than traditional pond. At the same time, contrast with production of two aquaculture model. It indicated that the fishes survival rate increased in cluster model, and feeding efficiency significantly increased, the production significantly increased relative to the traditional aquaculture model and rate of return on investment is very large. Last, the partition cluster clean aquaculture model have a significant help to aquaculture development and benefit, and it is suitable for promotion.

partition cluster clean aquaculture; plankton; community structure; diversity index; water environment features

2016- 03- 02; 網絡出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603020357

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaowen@dlou.edu.cn

張家衛,趙文,丁建華,張晨,李媛,蔡志龍.分區集群式清潔養殖池塘浮游生物群落結構及水環境特征.生態學報,2017,37(10):3577- 3585.

Zhang J W, Zhao W, Ding J H, Zhang C, Li Y,Cai Z L.The plankton community structure and water environment features in ponds under partition cluster clean aquaculture.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3577- 3585.