徐華兵, 王龍樂, 曾權輝, 王首吉, 梅志平, 杜虹,
1.汕頭大學海洋生物研究所, 汕頭 515063 2.汕頭大學生物系, 汕頭 515063
水下LED光照對凡納濱對蝦養(yǎng)殖水體環(huán)境因子和浮游植物群落變化的影響
徐華兵1, 王龍樂2, 曾權輝2, 王首吉1, 梅志平1, 杜虹2,*
1.汕頭大學海洋生物研究所, 汕頭 515063 2.汕頭大學生物系, 汕頭 515063
為了研究水下LED光照對凡納濱對蝦養(yǎng)殖環(huán)境的影響, 從2013年5月到12月對架設水下LED光源和未加光源的養(yǎng)殖池塘進行水質和浮游植物樣品的分析。結果顯示, 在有水下 LED(LED組)和未裝光源(對照組)的養(yǎng)殖池塘內溫度、堿度、pH、透明度、總懸浮物、溶解氧、硅酸鹽和磷酸鹽變化趨勢均相似。養(yǎng)殖前期LED組和對照組各項指標變化相似。在養(yǎng)殖中期LED組的葉綠素a含量高于對照組, 說明水下LED有助于提高微藻生物量的積累。同時養(yǎng)殖中期LED組的浮游植物群落的多樣性指數和均勻度指數高于對照組, 說明水下LED光照有助于提高浮游植物群落穩(wěn)定性。而在養(yǎng)殖后期LED組的硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量低于對照組, 說明水下LED光照有助于水質的穩(wěn)定。養(yǎng)殖周期內LED組和對照組優(yōu)勢種變化趨勢體現為前期藍藻-綠藻-硅藻, 中期藍藻-綠藻(少量)和后期藍藻-綠藻。
光源; 凡納濱對蝦; 養(yǎng)殖環(huán)境; 浮游植物
光照是影響對蝦生長的重要環(huán)境因素之一, 已有很多文獻發(fā)現不同的光照對蝦的行為、攝食、生長有較大的影響[1–3]。采用不同的傳統(tǒng)光源光照(熒光燈、日光燈和金屬鹵化物燈)[4–6]時,,凡納濱對蝦在金屬鹵化物燈的照射下能夠快速的生長, 同時含有更高的蝦青素含量。而目前傳統(tǒng)光源的缺點是包含了大部分不適合對蝦生長的光譜。研究發(fā)現不同光譜光照對凡納濱對蝦產生不同的影響, 在從藍色光譜到綠色光譜的周期性變化和規(guī)律性變化的條件下,獲得最大的特定生長率[3,7]。目前新型的白色發(fā)光二極管(LED)主要的光譜就集中在藍色和綠色光譜間,同時LED相對于傳統(tǒng)光源還具有環(huán)保、低耗電量、小型化和壽命長等優(yōu)點[8]。而有關LED對凡納濱對蝦的影響還鮮有報道。
在養(yǎng)殖水體中微藻是對蝦生活環(huán)境中重要組成部分, 由于微藻含有豐富的蛋白、色素等營養(yǎng)物質能夠滿足對蝦生長的需要, 在養(yǎng)殖前期部分微藻是對蝦幼苗的天然活餌料。另外微藻能夠吸收水體內的主要營養(yǎng)鹽和有害物質, 凈化水體環(huán)境, 從而保持對蝦健康的生長[9]。研究發(fā)現LED光照對微藻的生長、生化組成和對水體營養(yǎng)鹽的吸收有很大的影響, 然而不同的微藻對特定的光譜具有選擇性[10–12],對于養(yǎng)殖環(huán)境中不同的微藻組成的環(huán)境, 哪種光譜更適合用于光源也鮮有報道。由于LED光源含有不同于傳統(tǒng)光源的光譜, 因此有必要研究LED光照對養(yǎng)殖池塘環(huán)境中浮游植物和環(huán)境因子影響。
本研究嘗試在對蝦養(yǎng)殖池塘水下架設白色LED光照, 通過監(jiān)測水體水質理化因子變化、浮游植物群落結構的變化和對蝦生長, 評估增加水下白色LED光照對養(yǎng)殖生態(tài)和對蝦生長的影響, 旨在為對蝦養(yǎng)殖生產的環(huán)境調控提供參考依據。
本研究和美國 Once公司合作, 采用該公司生產的白色LED燈進行實驗, 該燈已經過防水處理。在廣東省汕頭市牛田洋養(yǎng)殖區(qū)選取6個凡納濱對蝦養(yǎng)殖池塘, 在3個池塘(0.82±0.1) hm2水下各安裝6盞LED作為實驗組(pond-L)(安裝方式見圖1), 3個未安裝 LED 的池塘(0.72±0.29) hm2作為對照組(pond-C)。LED光照時間為晚上6點到次日早上6點。養(yǎng)殖期間水體鹽度變化范圍0.8—1.9, 水深1 m左右, 養(yǎng)殖的密度約為每平方米170條。養(yǎng)殖期間的飼料投放和對蝦的捕獲等工作由合作的養(yǎng)殖戶進行。實驗從2013年5月31日開始到12月28日結束, 在8月3日到11月9日期間每隔兩周采一次樣外, 其他時間段均為每隔一周采樣。采樣點設置在圖1的紅色位置, 采樣時間為早上8點到10點。將整個養(yǎng)殖階段分為養(yǎng)殖初期(5月31日到7月31日, 共 9次采樣)、養(yǎng)殖中期(8月1日到10月31日, 共7次采樣)和養(yǎng)殖后期(11月1日至12月28日, 共8次采樣)。

圖1 LED安裝示意圖Fig.1 The sketches of the installation of LED
水溫(T)、溶解氧(DO)、鹽度(S)和 pH 由美國Smartroll便攜式水質測定儀測定。透明度(Tran)用黑白盤法現場測定。在每個池塘水面下0.5 m處用2.5 L采水器各采水樣1份, 充分混勻, 按不同的理化指標分裝水樣, 并迅速對一些需要處理樣品按要求進行0—4 ℃冷藏, 帶回實驗室檢測。主要測定的指標包括: 堿度(ALK)、總懸浮物(TSS)、亞硝酸氮(NO2--N)、硝酸氮(NO3--N)、總氨氮(TAN)、、總氮(TN)、活性磷酸鹽(PO43--P)、總磷(TP)、硅酸鹽(SiO32--Si)和葉綠素 a(Chl a)。硝酸鹽測定參照Bulgariu等[13]進行測定, 總氨氮測定采用水楊酸分光光度法(中華人民共和國國家環(huán)境保護標準 HJ 536—2009), 其他參考《海洋監(jiān)測規(guī)范》(2007)。
采樣時, 在每個池塘的3個采樣點水下0.5 m處用2.5 L采水器各采水樣1份, 取1 L倒入聚乙烯塑料瓶, 加入5%盧戈氏液固定, 靜置24—48 h濃縮到50 mL后, 進行浮游植物的定量檢測。同時, 參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(2007)進行浮游植物定性樣品的采集, 采集浮游植物樣品定容至100 mL, 加入1 mL甲醛固定, 進行浮游植物的定性檢測。浮游植物的定性和定量檢測均送往南海水產所進行。
自2012年6月29日至11月16日, 每周一次早上8:00用蝦網在每個蝦池抓獲30條蝦, 測量蝦長和蝦重。
用 PRIMER5.0版軟件計算浮游植物群落的種類數(S)、Shannon-Weiner多樣性指數(H)和Pilou均勻度指數(J)。用SPSS18.0進行統(tǒng)計分析(以p< 0.05作為差異顯著水平), Origin8.0進行繪圖。
養(yǎng)殖期間隨著季節(jié)的變化, 蝦池水溫逐漸降低,最低溫出現在12月19日(圖2a)。LED組和對照組的堿度變化趨勢相似, 養(yǎng)殖開始到養(yǎng)殖中期蝦池的堿度值逐漸升高, 但在10月初出現驟減, 隨后又緩慢上升(圖2b)。養(yǎng)殖期間LED組和對照組的pH變化接近, LED組和對照組的pH均在6月中下旬達到峰值, 隨后逐漸下降(圖2c)。凡納濱對蝦適宜pH在7.5—8.6之間, 養(yǎng)殖期間LED組和對照組93.05%的pH值均在此范圍內。
LED組和對照組的水體透明度變化趨勢較為接近。養(yǎng)殖初期, 由于引入新的水源, 水體中浮游植物濃度較低, 透明度較高。隨著時間推移浮游植物濃度增加, 透明度在養(yǎng)殖前期驟減, 隨后穩(wěn)定在 20—30 cm內。養(yǎng)殖前期兩組透明度沒有明顯差異, 而養(yǎng)殖中期對照組透明度大部分時間高于LED組, 且在9月30日顯著高于LED組(p<0.05), 后期LED組則均高于對照組(圖2d)。
LED組和對照組的葉綠素a濃度與透明度的變化趨勢相反, 養(yǎng)殖初期濃度較低, 中后期較高(圖2e)。養(yǎng)殖前期兩組葉綠素a濃度沒有明顯差異, 中期LED組的葉綠素a濃度高于對照組, 并且LED組的葉綠素a濃度在8月17日到9月14日顯著高于對照組(p<0.05)。后期除了12月28日, 其他時間對照組的葉綠素a濃度均高于LED組。LED組和對照組的總懸浮物變化與葉綠素a變化趨勢相似, 和透明度變化趨勢相反(圖2f), 僅在8月31日LED組的總懸浮濃度顯著高于對照組(p<0.05)。兩組溶解氧變化相近, 監(jiān)測期間溶氧大于4 mg·L-1達到76.39%(圖 2g)。
隨著養(yǎng)殖的進行, 總氨氮的濃度逐漸增加, 養(yǎng)殖前期和中期總氨氮的含量較低, 后期含量增高不利于凡納濱對蝦生長(圖2j)。養(yǎng)殖期間硝酸鹽和亞硝酸鹽的變化趨勢相似, 在養(yǎng)殖初期達到一個峰值后降到很低濃度。養(yǎng)殖中后期兩組硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度略有增加, 但對照組在后期硝酸氮和亞硝酸氮急劇增加(圖2h和圖2i), 在養(yǎng)殖結束時分別達到最大值 6.90 mg·L-1和 2.66 mg·L-1。活性磷酸鹽和活性硅酸鹽均表現出養(yǎng)殖前期含量較高, 中后期含量較低的趨勢(圖2k和圖2l)。
在整個養(yǎng)殖期間, 兩組總氮的濃度逐漸增加,在養(yǎng)殖中期 LED組的總氮濃度均高于對照組(圖2m)。從9月14日到10月26日的連續(xù)四次采樣結果顯示LED組總氮的濃度顯著高于對照組。養(yǎng)殖期間總磷的最大值出現在養(yǎng)殖中期, 養(yǎng)殖中期LED組的總磷濃度大部分時間高于對照組, 且在9月30日和10月26日LED組總磷的濃度顯著高于對照組,而養(yǎng)殖前期和后期兩組總磷的濃度相近(圖2n)。


圖2 養(yǎng)殖期間LED組和對照組水質因子變化Fig.2 The change of water quality between LED group and control group during culture period
養(yǎng)殖期間LED組和對照組共鑒定出微藻 8 門293 種, 其中綠藻125 種, 藍藻47 種, 硅藻48 種,裸藻 47 種, 隱藻 12種, 黃藻 7種, 甲藻 5 種, 金藻 2 種。種類最多的是綠藻門, 占種類數的42.66%,其次是硅藻門, 占 16.38%, 藍藻和裸藻門各占16.04%(圖3)。
在整個養(yǎng)殖周期, LED組和對照組均呈現出綠藻生物量前期較高, 中期逐漸降低, 到后期又逐漸增加, 最高達 58.8%。藍藻的生物量則與綠藻相反,中期最多, 最高達91.74%。整個養(yǎng)殖周期優(yōu)勢種的變化為前期綠藻-藍藻-硅藻, 中期藍藻-綠藻, 后期綠藻-藍藻(圖4)。

圖3 養(yǎng)殖期間浮游植物門類比例Fig.3 The percentage of phytoplankton phyla during the culture period

圖4 養(yǎng)殖期間LED組(左)對照組(右)浮游植物門類比例變化Fig.4 The percentage change of phyla phytoplankton phyla between LED group and control group during culture period
在本次研究中, 將每次取樣中個體的數量占總數量10%以上的定為優(yōu)勢種, 在1%—10%范圍內的定為常見種, 在1%以下的定為稀有種[14]。LED組和對照組藻相分布在不同時期均存在差異(表1)。養(yǎng)殖前期LED組和對照組共同出現的優(yōu)勢種有藍藻門的平裂藻、色球藻、隱球藻、束絲藻、綠藻門的柵藻、衣藻和硅藻門中的囊裸藻、小環(huán)藻、舟形藻。只在LED組出現的有藍隱藻, 而只在對照組出現的有十字藻、直鏈藻、月牙藻、實球藻和卵囊藻。在養(yǎng)殖中期的優(yōu)勢種大量出現的平裂藻、色球藻、隱球藻和尖頭藻, 只在LED組出現的有柵藻, 僅在對照組出現的是歐氏藻。養(yǎng)殖后期優(yōu)勢種主要有平裂藻、色球藻、隱球藻、束球藻、柵藻和衣藻。僅在 LED組出現的優(yōu)勢種有腔球藻、網球藻和隱桿藻, 僅在對照組出現的十字藻和集胞藻。
整個養(yǎng)殖周期中藍藻門的平裂藻、色球藻、隱球藻為 LED組和對照組主要的優(yōu)勢種, 其中隱球藻在前期和中期作為優(yōu)勢種出現的概率小于平裂藻和色球藻, 而后期隱球藻出現的概率增加, 與平裂藻和色球藻出現的概率相似。束絲藻在養(yǎng)殖前期和養(yǎng)殖中期均是 LED組和對照組池塘中常見的優(yōu)勢種, 而在后期則未形成優(yōu)勢種。尖頭藻是養(yǎng)殖中期才形成為LED組和對照組優(yōu)勢種, 在 LED組出現的概率大于對照組。綠藻門中的柵藻在前期和后期均為LED組和對照組的優(yōu)勢種, 但是僅在中期LED光照組出現。
養(yǎng)殖期間, LED組和對照組浮游植物的豐度呈現出前期較低, 養(yǎng)殖中期高, 后期逐漸降低。養(yǎng)殖期間出現三次峰值, 分別在7月27日、8月31日、10月12日。而在8月17日、9月30日、11月16日細胞豐度出現三次驟降。LED組浮游植物豐度變化范圍是 2.267×104—1.769×109cells·L-1, 平均值為 3.462×108cells·L-1。對照組浮游植物豐度變化范圍是 1.187×104—2.124×109cells·L-1, 平均值為 4.323×108cells·L-1(圖 5a)。
LED組和對照組浮游植物多樣性指數和均勻度指數變化如圖5所示。LED組的浮游植物多樣性指數和均勻度指數在養(yǎng)殖中期的大部分時間均高于對照組。并且LED組的浮游植物多樣性指數和均勻度指數在8月3日均顯著高于對照組(p<0.05)。在LED組多樣性指數變化范圍為0.98—3.92, 平均值為2.94±0.53,對照組變化范圍為 1.12—4.13, 平均值為 2.82±0.65。LED組均勻度指數變化范圍為 0.19—0.81, 平均值為0.62±0.11, 對照組變化范圍為 0.22—0.84, 平均值為0.6±0.14。兩組浮游植物種類數無明顯差異, LED組變化范圍為26—94, 均值為49.24±13.68, 對照組變化范圍為 30—81, 均值為 47.21±11.73(圖5)。

圖5 養(yǎng)殖期間LED組和對照組浮游植物細胞濃度(圖5a)、多樣性指數(圖5b)、均勻度指數(圖5c)和種類數變化(圖5d)Fig.5 Cell density, diversity index, evenness index and species number of phytoplankton between LED group and control group during culture period
自6月29日到11月16日進行對蝦的采樣, 11月16日后由于溫度降低, 蝦網無法捕獲對蝦, 遂停止采樣。在這期間LED組和對照組對蝦的體重和體長隨著養(yǎng)殖的進行逐漸增大, 但是兩組間沒有顯著性差異(圖 6)。LED 組對蝦體重變化范圍為 0.54—7.36 g, 均值為(2.57±1.4) g。對照組體長變化范圍為0.54—8.44 g, 均值為(2.86±1.63) g。LED組對蝦體長變化范圍為3.27—7.72 cm, 均值為(5.2±1.00) cm。對照組體長變化范圍為 3.29—7.89 cm, 均值為(5.4±1.04) cm。
目前, 關于在海水養(yǎng)殖中增加水下LED光照來改善水體養(yǎng)殖環(huán)境的研究鮮有報道。本次實驗, 在低鹽度凡納濱對蝦養(yǎng)殖池塘水下架設白色LED光照是一次新的嘗試。夜間水下添加人工LED后, 會增加水中光照, 對養(yǎng)殖池塘的環(huán)境產生影響。其中最先受到影響的是浮游植物, 額外的光照能夠促進浮游微藻的生長, 從而吸收更多的營養(yǎng)鹽, 導致水體的N、P含量減少, 有利于改善水體的環(huán)境。同時藻體夜間的光合作用能夠釋放 O2, 提高夜間水體內的溶解氧, 有利于高密度的養(yǎng)殖。
本次實驗中, 養(yǎng)殖期間 LED組和對照組水體中的溫度、堿度、pH、透明度、總懸浮物、溶解氧、硅酸鹽和磷酸鹽沒有明顯差異。但養(yǎng)殖后期LED組的硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度明顯低于對照組, 亞硝酸鹽是一種具有潛在毒性的無機氮化合物, 它能同血紅蛋白結合形成高鐵血紅蛋白, 從而使血紅蛋白失去攜氧能力, 誘發(fā)動物病變, 不利于對蝦生長。同時養(yǎng)殖后期對照組池塘的硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度變化差異很大, 水質不穩(wěn)定。水質的穩(wěn)定與否和浮游植物的生長是密切相關的。浮游植物種類越多或各種類的個體數量分布越均勻, 多樣性指數越高, 說明浮游植物群落組成的重復性小, 群落的穩(wěn)定性大, 水環(huán)境狀況良好[15]。在本次實驗中養(yǎng)殖中期LED組有較高的多樣性指數和均勻度指數, 且在8月3日顯著高于對照組(p<0.05), 說明了水中增加光照對促進池塘中微藻的群落穩(wěn)定性有幫助。多樣性指數和均勻度指數增加的原因可能是因為原先某些藻類在水面下由于光照傳播距離很短無法得到充足的光照無法繁殖, 在水下增加光照后改善了生存條件, 促進了這些藻類的生長和繁殖, 從而使多樣性指數和均勻度指數得到提高。所以增加水下LED光照有助于提高水質的穩(wěn)定。

圖6 養(yǎng)殖期間凡納濱對蝦生長變化Fig.6 The growth of Litopenaeus vannamei during the culture period
養(yǎng)殖期間LED組和對照組的浮游植物在不同的養(yǎng)殖階段的組成不同, 但兩組之間的變化趨勢大體相似。在本次研究中前期養(yǎng)殖水體內的浮游植物優(yōu)勢種主要有硅藻, 綠藻和藍藻, 種類豐度較低, 生物量很少。隨著養(yǎng)殖的進行, 微藻生物量的增加, 水體的透明度降低(小于 20 cm), 水中光照減弱, 水溫和pH值較高, 且營養(yǎng)豐富更適合藍藻的生長[16–17], 遂逐漸形成以藍藻為主要優(yōu)勢種,還有少量綠藻優(yōu)勢種。其中尖頭藻僅在養(yǎng)殖中期形成優(yōu)勢種。后期水體溫度降低不利于某些微藻的生長, 有些藍藻和綠藻則僅在夏天水溫較高時出現[18], 但后期優(yōu)勢種由藍藻和綠藻為主, 而綠藻的生物量增多, 后期隱球藻形成優(yōu)勢種的頻率明顯高于養(yǎng)殖前期和中期。實驗結果顯示在養(yǎng)殖中期LED組葉綠素a含量高于對照組, 且在8月17日到9月14日的差異達到顯著水平(p<0.05)。說明增加水下白色LED光照能促進微藻的快速生長。主要的原因可能是增加了光照時間, 延長了微藻的生長時間, 使微藻大量繁殖。另一方面白色LED包含大部分藍色光譜和綠色光譜, 研究發(fā)現藍綠光譜能夠在海水中很好地穿透, 同時大量微藻內含有能夠捕獲藍綠光譜的色素[19], 從而有助于相關微藻的生長。但是研究表明不同微藻對于不同光譜具有特定的選擇性[10–12], 本實驗現有的數據還無法說明這種LED促進了哪些種類微藻的生長, 需要進一步的研究。
本次實驗通過添加水下LED光照, 監(jiān)測整個養(yǎng)殖周期過程中水體環(huán)境因子和浮游植物群落的變化。實驗結果表明水下添加白色LED光源在一定程度上有助于減少部分對對蝦生長有害環(huán)境因子的濃度, 有利于養(yǎng)殖環(huán)境中水質的穩(wěn)定, 同時也促進了浮游植物的生長和群落的穩(wěn)定性。但整個研究過程中也存在一些不足之處。例如, 由于水體浮游微藻的平均細胞豐度可達3.9×108cells·L-1, 光線在水體傳播距離很短(不超過 0.5米), 安置的 LED數量不足。此外實驗中選取的是傳統(tǒng)的土池, 每個養(yǎng)殖池塘的底質環(huán)境存在很大差別, 池塘邊生長著各類水生植物也對養(yǎng)殖環(huán)境產生很大影響, 對實驗結果產生影響。
致謝:感謝汪洋、肖喜林、溫金艷、史姍姍和陸晨陽等協助采樣并提供部分數據。
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The effect of underwater LED on the environmental factors of water and community composition of phytoplankton
XU Huabing1, WANG Longle2, ZENG Quanhui2, WANG Shouji1, MEI Zhiping1, DU Hong2,*
1.Marine Biology Institute,Shantou University,Shantou515063,China2.Department of Biology,Shantou University,Shantou515063,China
In order to investigate the effect of underwater white LED on the cultural environment ofLitopenaeus vannamei,this study investigated the water quality and phytoplankton through 24 samplings in three ponds installed underwater LEDs(LED group) and three ponds without LEDs (the control group) during May 2013 to December 2013.The results show that the time courses of temperature, alkalinity, pH, transparency, total suspended solids, dissolved oxygen, silicate and phosphate were similar between two groups.For the remaining variables, in earlier stage, they were similar for the two groups.In mid stage, the contents of total nitrogen, total phosphorus and chlorophyll a in the LED group were higher than those in the control group, manifesting that underwater LED contributed to the accumulation of biomass of microalgae.In the mid stage,the index for diversity and evenness of phytoplankton community in the LED group were higher than those in the control group, but the difference was not significant.In later stage, the contents of nitrate and nitrite were lower in the LED group than those in the control group, revealing that underwater LED contributed to the stability of water quality.During the cultural period, the time course of dominant species between LED group and the control group reflected as Cyanophyta-Chlorophyta-Bacillariophyta in the earlier stage, Cyanophyta- Chlorophyta (few) in mid stage and Cyanophyta-Chlorophyta in later stage.
light source;Litopenaeus vannamei; cultural environment; phytoplankton
10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.014
X826
A
1008-8873(2017)05-104-10
徐華兵, 王龍樂, 曾權輝, 等.水下LED光照對凡納濱對蝦養(yǎng)殖水體環(huán)境因子和浮游植物群落變化的影響[J].生態(tài)科學, 2017,36(5): 104-113.
XU Huabing, WANG Longle, ZENG Quanhui, et al.The effect of underwater LED on the environmental factors of water and community composition of phytoplankton[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 104-113.
2016-08-18;
2016-10-29
廣東省海洋與漁業(yè)局科技推廣專項項目(A201405B06)
徐華兵(1990—), 男, 博士研究生, 安徽安慶人, 水生環(huán)境保護與修復, E-mail: xuhuabing1990@163.com
*通信作者:杜虹, 女, 博士, 教授, 主要從事生態(tài)學研究, E-mail: hdu@stu.edu.cn