柄海鞘—微藻—刺參混養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)水體中氮的修復(fù)潛力

陳麗紅　邢榮蓮　姜愛莉　滕立　王長(zhǎng)海

摘要：為評(píng)估1種新型柄海鞘-微藻-刺參混養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)水體中氮的修復(fù)潛力，于不同季節(jié)在山東萊州養(yǎng)殖基地進(jìn)行海區(qū)圍隔養(yǎng)殖，設(shè)置刺參套養(yǎng)組和柄海鞘-微藻-刺參混養(yǎng)組：刺參套養(yǎng)組按小規(guī)格刺參（S）10～15 indm2，大規(guī)格刺參（L）5～6 indm2養(yǎng)殖；混養(yǎng)組在此基礎(chǔ)上增加微藻500 cellmL，柄海鞘800 gm3（濕質(zhì)量密度）。主要研究不同季節(jié)不同養(yǎng)殖模式下水體中NH4+-N、NO3--N、NO2--N和總氮濃度的變化情況。結(jié)果表明，投餌和不投餌2種養(yǎng)殖模式下，混養(yǎng)組的幾種氮濃度均略高于刺參套養(yǎng)組，但遠(yuǎn)低于刺參單獨(dú)飼養(yǎng)和柄海鞘單獨(dú)飼養(yǎng)2種養(yǎng)殖模式下氮的排放量之和。混養(yǎng)系統(tǒng)的3種生物通過在生態(tài)位和食物鏈上互利共生，可有效降低氮排放量，表明混養(yǎng)系統(tǒng)在氮循環(huán)利用中具有修復(fù)潛力。

關(guān)鍵詞：柄海鞘；微藻；刺參；混養(yǎng)；海鞘；氮排放

中圖分類號(hào)： S9672；X1714文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）21-0289-03

收稿日期：2016-06-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31572622、31070368）；山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2014CM031、2014ZRB019DU）。

作者簡(jiǎn)介：陳麗紅（1980—），山東煙臺(tái)人，碩士，講師，主要從事海洋微藻研究。Tel：（0535）6881942；E-mail：linachenlihong@hotmailcom。

通信作者：姜愛莉，博士，教授，主要從事海洋生態(tài)系統(tǒng)研究。Tel：（0535）6881942；E-mail：jal9035@163com。

隨著人們生活水平和健康意識(shí)的提高，對(duì)海參的需求量也不斷增加1]，海參人工養(yǎng)殖業(yè)隨之快速發(fā)展，養(yǎng)殖區(qū)域主要集中在沿海附近，養(yǎng)殖面積的迅速擴(kuò)張以及集約化的養(yǎng)殖方式，既影響海域水質(zhì)，又降低海參品質(zhì)2]。

為改善上述困境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。研究者近年來不斷嘗試生態(tài)養(yǎng)殖，將不同種類生物進(jìn)行混合養(yǎng)殖或綜合養(yǎng)殖是目前最有效的方式之一3-5]。筆者所在課題組依據(jù)生態(tài)位原理6]，選用濾食性動(dòng)物柄海鞘，建立了1種新型的柄海鞘-微藻-刺參混養(yǎng)系統(tǒng)，且已在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了其有效性和可行性。本研究設(shè)計(jì)海區(qū)養(yǎng)殖的圍隔試驗(yàn)，以山東萊州某養(yǎng)殖基地為試驗(yàn)地點(diǎn)，研究刺參套養(yǎng)和柄海鞘-微藻-刺參混養(yǎng)情況下水體中氮元素的變化水平，評(píng)估混養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)海水中氮的修復(fù)潛力，旨在建立一種切實(shí)可行的自然生態(tài)養(yǎng)殖方法。

1材料與方法

11試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在山東萊州某一養(yǎng)殖基地進(jìn)行。試驗(yàn)海區(qū)采用網(wǎng)狀圍隔生態(tài)學(xué)方法，以竹竿為支撐框架，外覆網(wǎng)孔為05 cm的聚乙烯網(wǎng)，四面的網(wǎng)衣下部埋入泥下30 cm。塘內(nèi)共設(shè)試驗(yàn)圍隔20個(gè)，每個(gè)圍隔的大小為8 m×8 m，圍隔高度約為 2 m，每個(gè)網(wǎng)圍隔內(nèi)放置附著基32組。圍隔配以充氣泵增氧，每天06：30及18：30各開1次，每次2 h。養(yǎng)殖期間，春夏秋季根據(jù)潮汐情況進(jìn)行換水，平均每天換掉池塘內(nèi)30%～50%的水。冬季水溫較低時(shí)根據(jù)水質(zhì)情況進(jìn)行換水。

試驗(yàn)前7 d接種底棲硅藻和其他浮游微藻（扁藻、小球藻、角毛藻、底棲硅藻），試驗(yàn)過程中維持水體中的藻類密度約為500 cellmL。3～5 d后按試驗(yàn)設(shè)計(jì)放入一定規(guī)格和數(shù)量的刺參；柄海鞘采用吊養(yǎng)方式，將附著柄海鞘的尼龍繩懸吊于養(yǎng)殖圍隔的水下，距水面約50～75 cm。每個(gè)圍隔分別吊養(yǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)格和數(shù)量的柄海鞘。試驗(yàn)刺參規(guī)格為大規(guī)格刺參（L）：（250±20） g，小規(guī)格刺參（S）：（50±20） g。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水箱試驗(yàn)和池塘養(yǎng)殖結(jié)果設(shè)定養(yǎng)殖生物密度，按照養(yǎng)殖業(yè)中通常采用的大小刺參混合套養(yǎng)2]等情況設(shè)置4個(gè)處理組：A組為小規(guī)格刺參（S）10～15 indm2，大規(guī)格刺參（L）5～6 indm2，不投餌；B組為小規(guī)格刺參（S）10～15 indm2，大規(guī)格刺參（L）5～6 indm2，柄海鞘800 gm3（濕質(zhì)量密度），不投餌；C組為小規(guī)格刺參（S）10～15 indm2，大規(guī)格刺參（L）5～6 indm2，投餌；D組為小規(guī)格刺參（S）10～15 indm2，大規(guī)格刺參（L）5～6 indm2，柄海鞘800 gm3（濕質(zhì)量密度），投餌。每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)過程及時(shí)將死亡生物取出，并補(bǔ)充同規(guī)格的生物，保持養(yǎng)殖過程中生物數(shù)量穩(wěn)定。

投餌模式為每3 d投喂1次，干質(zhì)量投飼率為全部刺參總體濕質(zhì)量的5%（刺參餌料主要成分：粗蛋白15%，粗脂肪2%～5%，粗纖維10%，粗灰分45%，購自青島大海帝飼料有限公司），投喂前先用少量海水浸泡，投喂時(shí)均勻潑灑于養(yǎng)殖圍隔中，使之在底部均勻分布。刺參夏眠期間停止投喂。

本研究自2012年10月10日開始，2013年11月20日結(jié)束，按照刺參的生長(zhǎng)規(guī)律，整個(gè)試驗(yàn)分為以下幾個(gè)階段：（1）2012年10月10日—2012年11月25日，刺參第1個(gè)秋季生長(zhǎng)期；（2）2012年11月26日—2013年2月10日，刺參冬眠期；（3）2013年2月11日—2013年6月30日，刺參春季生長(zhǎng)期；（4）2013年7月01日—2013年10月25日，刺參夏眠期；（5）2013年10月26日—2013年11月20日，刺參第2個(gè)秋季生長(zhǎng)期。

按照刺參的養(yǎng)殖規(guī)律2]，2012年11月10日和2013年6月12日分別出參1次，收獲體長(zhǎng)15～20 cm（體質(zhì)量150～300 g）的刺參，每次出參后補(bǔ)充（50±20） g小規(guī)格刺參。

12監(jiān)測(cè)方法

每天09：00—09：30用YSI-6920M多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀在線測(cè)定水體的溫度、鹽度、pH值和溶解氧的量。

每10～15 d取1次海水樣品，測(cè)定養(yǎng)殖水體的理化因子。測(cè)定日08：00用有機(jī)玻璃采水器在距水面03～05 m水層處采取水樣，測(cè)定水體的營(yíng)養(yǎng)鹽等指標(biāo)。endprint

13統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 110軟件和Duncans極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<005作為差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)果與分析

21試驗(yàn)期間基本試驗(yàn)環(huán)境的變化

試驗(yàn)過程中不同圍隔的水溫、鹽度、pH值等指標(biāo)均無顯著差異。試驗(yàn)期間水體pH值為789～843，溶解氧（dissolved oxygen）的含量為 516～718 mgL，整個(gè)試驗(yàn)期間海水的鹽度為291‰～321‰。整個(gè)試驗(yàn)過程中，1月份水溫最低，最低的為41 ℃；8月份最高，最高的達(dá)到267 ℃（圖1、圖2）。總體而言，試驗(yàn)環(huán)境基本在刺參和柄海鞘的適宜生長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)刺參和柄海鞘生長(zhǎng)不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

22試驗(yàn)期間水體中氮素指標(biāo)變化

氨態(tài)氮是刺參和海鞘主要的氮排泄物7-8]，2種生物代謝率直接影響?zhàn)B殖環(huán)境中的氨氮濃度。從圖3中可以看出，氨態(tài)氮在整個(gè)試驗(yàn)周期中波動(dòng)較大。養(yǎng)殖初期，由于養(yǎng)殖生物的引入，水體氨態(tài)氮含量持續(xù)升高，進(jìn)入冬季后，刺參和柄海鞘代謝率降低，且在水體中微藻的作用下，氨態(tài)氮含量有所降低。春季刺參和柄海鞘進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)代謝旺盛，產(chǎn)生并排泄大量氨態(tài)氮，引起水體氨態(tài)氮濃度升高，但是春季微藻繁殖生長(zhǎng)也加快，在此過程中可加快將水體中的氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為自身生物量，因而水體中氨態(tài)氮總體增長(zhǎng)緩慢，這一趨勢(shì)一直持續(xù)到夏季刺參夏眠期。之后隨著刺參夏眠代謝的減緩，氨態(tài)氮濃度緩慢下降，夏眠結(jié)束后開始回升。

在刺參養(yǎng)殖系統(tǒng)中引入海鞘后，海鞘代謝會(huì)產(chǎn)生較多氨態(tài)氮8]，因而水體中的氨態(tài)氮濃度高于刺參單獨(dú)養(yǎng)殖組，但是在微藻的協(xié)同作用下，兩者之間的差異并不顯著，只有在7—10月期間，由于海鞘沒有夏眠過程，混養(yǎng)組水體中的氨態(tài)氮濃度顯著高于刺參套養(yǎng)組（P<005）。此階段微藻的生長(zhǎng)繁殖較快，刺參的夏眠促進(jìn)了底泥中底棲硅藻數(shù)量的增加9]，這些微藻會(huì)消耗掉大量的溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽，這對(duì)水質(zhì)的保持也起到積極的作用。

投餌和不投餌2種模式比較，由于投喂的餌料不會(huì)被完全攝食，因此投餌組水體中的氨態(tài)氮濃度大體上顯著高于不投餌組（P<005）。夏眠期間不投喂，因此與其他階段相比，這一階段2種模式水體中的氨態(tài)氮濃度差異較小。

綜上而言，整個(gè)養(yǎng)殖周期中，刺參柄海鞘混養(yǎng)組與刺參套養(yǎng)組相比，混養(yǎng)組的氨態(tài)氮濃度略高，但兩者的氨態(tài)氮濃度差異不顯著，這也充分表明混養(yǎng)系統(tǒng)可有效降低水體中的氨態(tài)氮濃度。

養(yǎng)殖初期隨著水體中氨態(tài)氮（圖3）水平的逐漸升高，亞硝態(tài)氮（NO2--N）（圖4）和總氮（圖5）水平也緩慢升高，而圖6表明，硝態(tài)氮（NO3--N）的濃度變化較小。2012年11月10日出參并補(bǔ)充小規(guī)格刺參，不久刺參進(jìn)入冬眠期，代謝基本停滯，低溫條件下柄海鞘和微藻及細(xì)菌的代謝均保持在較低水平，這一時(shí)期（2012年11月26日—2013年2月10日）水體中各種形態(tài)的氮濃度均呈下降趨勢(shì)。之后隨著水溫的升高，刺參進(jìn)入春季生長(zhǎng)期，代謝率逐漸升高，水體中氨態(tài)氮濃度逐漸升高，亞硝態(tài)氮濃度變化不大，而硝態(tài)氮和總氮濃度仍表現(xiàn)為持續(xù)的下降趨勢(shì)，主要原因可能是由于冬眠期刺參生物擾動(dòng)作用的減弱引起底泥中微藻增殖9]，微藻對(duì)硝態(tài)氮的利用率高于氨態(tài)氮，在此過程中消耗掉水體中大量的硝態(tài)氮和亞硝氮10]；另外此時(shí)在養(yǎng)殖系統(tǒng)中以小規(guī)格刺參為主，對(duì)微藻的攝食能力弱于大規(guī)格刺參，也有利于微藻的快速繁殖，使總氮維持在較低水平。4月中旬之后，刺參和柄海鞘均進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，代謝率大幅度提升，對(duì)微藻的攝食需求也隨之增加，表現(xiàn)為水體中各硝態(tài)氮和總氮濃度逐漸升高，亞硝態(tài)氮濃度仍處于較低水平。7月份刺參夏眠之后，由于氨態(tài)氮濃度降低，水體中總氮濃度開始下降，而硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮濃度仍緩慢升高，刺參和海鞘的主要氮代謝形態(tài)是氨態(tài)氮，因而在各種形態(tài)氮中，氨態(tài)氮的變化與這2種生物的生長(zhǎng)相關(guān)性較強(qiáng)，而占比重較小的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮?jiǎng)t更多受到水體中微藻和細(xì)菌的影響。

試驗(yàn)組間比較可知，2種養(yǎng)殖模式（投餌和不投餌）下，刺參套養(yǎng)組的幾種氮濃度整體上略低于刺參和柄海鞘混養(yǎng)組，主要原因可能是混養(yǎng)組中柄海鞘的代謝提高了氮的濃度。養(yǎng)殖系統(tǒng)中引入柄海鞘后，由于柄海鞘沒有夏眠期，而且夏季是柄海鞘的快速生長(zhǎng)期，其較高的代謝率對(duì)水體氮濃度的提高起到了一定的作用，而其強(qiáng)大的濾水作用有效減少了水體懸浮微藻的量，但對(duì)于刺參的優(yōu)質(zhì)餌料——底棲硅藻并沒有太大作用。2種養(yǎng)殖模式比較可知，投餌組的氮濃度整體上顯著高于不投餌組（P<005）。雖然混養(yǎng)組氮濃度要略高于刺參套養(yǎng)組，但遠(yuǎn)低于刺參單獨(dú)飼養(yǎng)和柄海鞘單獨(dú)飼養(yǎng)2種養(yǎng)殖模式下氮排放水平之和（數(shù)據(jù)另有文章發(fā)表），充分表明混養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)水體中氮濃度的修復(fù)潛力。

3討論

養(yǎng)殖水體中氮的濃度遠(yuǎn)高于磷的濃度11]，餌料投放通常是水體中氮的主要來源， 其中只有很小一部分的氮轉(zhuǎn)換為刺參生物量12]。各種養(yǎng)殖模式下，氨態(tài)氮都是最主要的無機(jī)氮形式，刺參和海鞘氮的主要排泄物均為氨態(tài)氮（70%～85%）13]。本研究表明，混養(yǎng)系統(tǒng)可將養(yǎng)殖水體中的部分氮排泄物吸收利用，從而使水體中的氮濃度保持在較低水平，說明該混養(yǎng)系統(tǒng)在氮的利用循環(huán)中具有較強(qiáng)的可行性。

養(yǎng)殖水體中的氮循環(huán)變化大多是生物學(xué)變化，受生物學(xué)活性調(diào)節(jié)14]。混養(yǎng)系統(tǒng)重視以自養(yǎng)生物為基礎(chǔ)的食物鏈調(diào)節(jié)作用。柄海鞘和刺參均為異養(yǎng)生物，微藻為自養(yǎng)型生物，可吸收水體中柄海鞘和刺參代謝產(chǎn)生的氮、磷并轉(zhuǎn)化為有機(jī)體，還可作為柄海鞘和海參餌料，降低人工投餌量，有助于降低水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平15-16]。

柄海鞘屬于濾食性動(dòng)物，生態(tài)位與養(yǎng)殖貝類相同17]，具有很強(qiáng)的凈水能力18]，養(yǎng)殖方式一般采用繩子附著生長(zhǎng)，不占據(jù)很大空間，不影響池底采光。在混養(yǎng)系統(tǒng)中柄海鞘可濾除過量的微藻，并通過攝食減少水體懸浮的有機(jī)顆粒含量。同時(shí)，微藻和柄海鞘排泄的假糞可成為底棲海參的食物來源19]，滿足了海參部分?jǐn)z食需要，通過海參的攝食可有效清除富含的有機(jī)質(zhì)，凈化水質(zhì)。上述3種生物在水體中分別占據(jù)不同的空間位置，在食物鏈上存在互利關(guān)系。三者構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有機(jī)物質(zhì)可被充分吸收利用，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排放量，減少人為調(diào)節(jié)和環(huán)境污染。endprint

參考文獻(xiàn)：

1]ZK（#]Kinch J，Purcell S，Uthicke S，et al Papua New Guinea：a hot spot of sea cucumber fisheries in the Western Central PacificJ] FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper，2008，516：57-77

2]張春云，王印庚，榮小軍，等 國(guó)內(nèi)外海參自然資源、養(yǎng)殖狀況及存在問題J] 海洋水產(chǎn)研究，2004，25（3）：89-97

3]Chopin T，Robinson S M C，Troell M，et al Multi-trophic integration for sustainable marine aquacultureC]The Encyclopedia of Ecology，Ecological Engineering，2008：2463-2475

4]Soto K Integrated mariculture：a global reviewJ] FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper，2009，529：183

5]王吉橋，楊義，程鑫，等 不同密度的皺紋盤鮑（Haliotis discus hannai Ino）與仿刺參（Apostichopus japonicus Selenka）混養(yǎng)的研究J] 現(xiàn)代漁業(yè)信息，2007，22（10）：3-7

6]Bosma R H，Verdegem M C Sustainable aquaculture in ponds：principles，practices and limitsJ] Livestock Science，2011，139（12）：58-68LM]

7]ZK（#]Yang H S，Zhou Y，Zhang T，et al Metabolic characteristics of sea cucumber Apostichopus japonicus （Selenka） during aestivationJ] Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，2006，330（2）：505-510

8]張曉凌 柄海鞘攝食、呼吸和排泄的研究D] 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2004

9]張志南 水層-底棲耦合生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究的某些進(jìn)展J] 青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，30（1）：115-122

10]ZK（#]許忠能，林小濤，林繼輝，等 營(yíng)養(yǎng)鹽因子對(duì)細(xì)基江蘺繁枝變種氮、磷吸收速率的影響J] 生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22（3）：366-374

11]王巖，齊振雄 不同單養(yǎng)和混養(yǎng)海水實(shí)驗(yàn)圍隔的氮磷收支J] 汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，13（2）：71-75

12]Funge-Smith S J，Briggs M R P Nutrient budgets in intensive shrimp ponds：implication for sustainabilityJ] Aquaculture，1998，164（1234）：117-133

13]樊繪曾 海參：海中人參——關(guān)于海參及其成分保健醫(yī)療功能的研究與開發(fā)J] 中國(guó)海洋藥物，2001（4）：37-44

14]Boyd C E Aquaculture pond fertilization：impacts of nutrient input on productionM] New York：Wiley-Blackwell，2012：219

15]江紅霞，鄭怡 8種微藻抗菌活性研究J] 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，18（2）：117-120

16]Neori A，Krom M D，Ellner S P，et al Seaweed biofilters as regulators of water quality in integrated fish-seaweed culture unitsJ] Aquac，1996，141（34）：183-199

17]Jiang A L，Lin J，Wang C H，et al Physiological energetics of the ascidian Styela clava in relation to body size and temperatureJ] Comparative Biochemistry and Physiology Part A：Molecular & Integrative Physiology，2008，149（2）：129-136

18]Ribes M，Coma R，Atkinson M J，et al Sponges and ascidians control removal of particulate organic nitrogen from coral reef waterJ] Limnology and Oceanography，2005，50（5）：1480-1489

19]秦傳新，張立勇，方濤，等 復(fù)合式循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)——“藻塘”與“食藻動(dòng)物塘”研究進(jìn)展J] 寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2007，20（1）：31-37endprint