3種仿刺參養殖池塘底質特性的研究

劉 冉，吳 雪，王 琛，崔龍波

( 煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005 )

3種仿刺參養殖池塘底質特性的研究

劉 冉，吳 雪，王 琛，崔龍波

( 煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005 )

為研究3種仿刺參養殖池塘底質的特點，于2014年4—6月檢測了砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘底泥的粒度組成、7項理化指標及8類細菌數量特點。試驗結果顯示，3種池塘底質分別屬于含礫泥質砂質底、粉砂質砂質底和砂質粉砂質底；底泥pH值波動均不大；氧化還原電位的變化范圍分別為-336.83～-233.83 mV、-340.77～-310.30 mV和-380.66～-369.77 mV；硫化物含量分別為29.64～386.83 μg/g、47.6～507.50 μg/g和160.16～991.04 μg/g；砂質底池塘總氮、總磷、有機碳含量較少，泥沙質底總氮含量超標嚴重，泥質底總磷含量超標，且有機碳含量遠高于其他兩種底質池塘。3種底質池塘底泥中氨化細菌、反硝化細菌的數量均遠高于亞硝化細菌的數量，還原性物質大量積累；泥沙質底池塘弧菌和硫還原細菌數量較多。結果表明，3種底質池塘底泥所存在的共性問題是底泥氧化還原電位偏低，硫化物含量較高；其差異性體現在砂質底池塘各指標波動較大，泥沙質底池塘總氮含量超標，有害細菌滋生，泥質底池塘底泥總磷含量超標，有機碳含量較高。

仿刺參；池塘；底質

仿刺參(Apostichopusjaponicus)是一種底棲生物，以攝入底泥中的營養物質為生。而底泥是海水中各種顆粒性物質的沉積地，同時又是水體各種溶解性物質的重要來源，因而底質的好壞對仿刺參的生長有著重要的影響。為此，本實驗室曾對某一養殖區的仿刺參養殖池塘的底泥理化指標和細菌數量的變化規律進行了探討[1]。然而，各地區地理環境的差異導致不同仿刺參養殖池塘的底質各不相同，主要有砂質底、泥沙質底和泥質底等類型。不同的底質類型對仿刺參池塘生態系統的結構和功能會產生重要影響，一方面，不同類型的底質適宜不同微生物的生長，使得不同底質池塘中的細菌組成及數量有著明顯的差別，對底泥中營養物質的代謝途徑也有所不同；另一方面，不同類型的底質其底泥的吸附能力和緩沖能力也存在差異，進而影響底泥或水體中生物可利用性營養的組成與含量，在一定程度上決定了細菌等生物的群落組成[2]。目前國內外學者主要探討不同底質類型的湖泊、海洋等其底泥(沉積物)對水質或底質某些理化指標的影響[3,4]。然而，不同底質的仿刺參養殖池塘其底泥各自的特點，它們之間的共同點和差異，以及如何影響仿刺參的生長等問題，是筆者開展此項研究的出發點。筆者對山東省內分布的3種底質類型的仿刺參養殖池塘的底泥理化指標和細菌數量進行比較探討，以期為科學調控仿刺參養殖環境提供依據，為后期研發適宜于不同底質池塘的改良劑提供方向。

1 材料與方法

1.1 試驗池塘

分別對砂質底、泥沙質底和泥質底的仿刺參養殖池塘進行調查，其中砂質底和泥沙質底仿刺參養殖池塘位于山東省萊州市仿刺參養殖區內，砂質底池塘面積為2×104～3×104m2，水深1.8～2.0 m；泥沙質底池塘面積為5000～6000 m2，水深1.8～2.0 m；泥質底仿刺參養殖池塘位于山東省東營市仿刺參養殖區，池塘面積4×104～5×104m2，水深1.0～1.5 m。養殖用水均為海灣海水，池塘底部附著基為巖石、網片和地籠。3種底質的仿刺參養殖池塘均為2～3年塘，定期換水，其中砂質底和泥沙質底池塘定期投喂餌料，而泥質底池塘不投餌。

1.2 樣品采集

于2014年4—6月(仿刺參活動旺盛期)，每月初采樣1次，每種底質調查3個池塘，每個池塘設5個采樣點。使用Ekman-Binge/Lenz采泥器(德國HYDRO-BIOS公司)采集距表層0～2 cm的底泥，取適量底泥用于理化指標及細菌數量的測定。

1.3 理化指標的檢測

檢測底泥粒度組成、pH、氧化還原電位、硫化物、有機碳、總氮、總磷和陽離子交換量。粒度組成采用篩分法和激光粒度分布儀檢測[5]，底泥pH和氧化還原電位采用美國奧力龍5-star水質分析儀現場檢測，硫化物、有機碳、總氮、總磷的檢測方法參照海洋監測規范[6]。陽離子交換量采用EDTA-銨鹽快速法檢測[7]。

1.4 細菌的檢測

檢測底泥中異養細菌、芽孢桿菌(Bacillus)、弧菌(Vibrio)、氨化細菌、反硝化細菌、亞硝化細菌、硫氧化細菌和硫還原細菌的數量。培養基配方、細菌稀釋及檢測方法參照水生微生物學試驗法[8]。異養細菌、芽孢桿菌及弧菌計數采用平板計數法，氨化細菌、反硝化細菌、亞硝化細菌、硫氧化細菌和硫還原細菌計數采用稀釋培養計數法。

1.5 數據處理

運用Excel進行數據統計，采用IBM SPSS Statistics 19軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 3種底質仿刺參養殖池塘底泥的粒度組成

采用國際上應用較廣的尤登—溫德華粒度分級方案，即礫(>2 mm)、砂(2～0.063 mm)、粉砂(0.063～0.0039 mm)和黏土(<0.0039 mm)，對從山東萊州和東營采集的3種仿刺參養殖池塘底泥進行粒度分析。經篩分和激光粒度分布儀檢測，砂質底仿刺參養殖池塘底泥的粒度組成為：礫石27.28%，砂64.94%，粉砂6.26%，黏土1.49%；泥沙質底仿刺參養殖池塘底泥的粒度組成為：砂69.68%，粉砂23.85%，黏土6.46%；泥質底仿刺參養殖池塘底泥的粒度組成為：砂15.76%，粉砂72.21%，黏土12.02%。采用Fork(福克)沉積物三角粒度圖對仿刺參養殖池塘底泥進行系統命名[9]，試驗所檢測的砂質底仿刺參養殖池塘的底質為含礫泥質砂；泥沙質仿刺參養殖池塘的底質為粉砂質砂；泥質底仿刺參養殖池塘的底質為砂質粉砂。

2.2 3種底質仿刺參養殖池塘底泥理化指標的變化

2.2.1 3種底質仿刺參養殖池塘pH和氧化還原電位的變化

砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘pH值在4、5、6月分別為7.51～7.80、7.32～7.57和7.40～7.51，3種底質池塘底泥pH值的波動均不大(圖1a)；氧化還原電位均為負值，在4、5、6月分別為-336.83～-233.83 mV、-340.77～-310.30 mV和-380.66～-369.77 mV(圖1b)。

圖1 養殖池塘底泥pH和氧化還原電位的變化

2.2.2 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中硫化物含量的變化

砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘底泥中硫化物含量在4、5、6月分別為29.64～386.83 μg/g、47.66～507.50 μg/g和160.16～991.04 μg/g。泥沙質底和泥質底池塘底泥硫化物含量不斷上升，說明底泥硫化物不斷積累。砂質底池塘底泥硫化物含量相對較低，但波動較大，這可能與砂質底池塘底泥顆粒較大，對硫化物的吸附能力較弱有關。泥質底池塘底泥硫化物含量一直處于較高水平(圖2)。

相關性分析發現，泥沙質底池塘底泥中硫化物的含量分別與硫還原細菌、反硝化細菌和亞硝化細菌的數量呈極顯著正相關，與底泥中總磷含量和氨化細菌數量呈顯著正相關，這與么宗利等[10-11]的研究基本一致；而泥質底池塘底泥中硫化物含量僅與底泥中有機碳含量呈顯著正相關；砂質底池塘底泥硫化物含量未與任何其他指標發生顯著的相關性。

圖2 養殖池塘底泥硫化物的變化

2.2.3 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中有機碳、總氮和總磷含量的變化

砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘底泥有機碳含量在4、5、6月分別為0.15%～0.28%、0.29%～0.37%和0.45%～0.53%(圖3a)；總氮含量分別為0.161～0.249 mg/g、0.483～0.682 mg/g和0.354～0.403 mg/g(圖3b)；總磷含量分別為0.116～0.407 mg/g、0.178～0.231 mg/g和0.160～0.723 mg/g(圖3c)。

圖3 養殖池塘底泥有機碳、總氮和總磷的變化

泥沙質底仿刺參養殖池塘底泥總氮含量最高，這可能與養殖戶的投餌有關。泥質底仿刺參養殖池塘總磷和有機碳含量均遠高于其他兩種底質池塘，這可能與泥質底池塘底泥顆粒最小，底泥吸附能力較強有關。另外泥質底池塘所在位置位于黃河入海口附近，黃河水中帶來的大量有機物和營養鹽，可能也是造成其底泥中有機碳和總磷含量遠高于其他兩種底質池塘的原因。

2.2.4 3種底質仿刺參養殖池塘底泥陽離子交換量的變化

砂質底、泥沙質底、泥質底仿刺參養殖池塘底泥陽離子交換量在4、5、6月分別為0.30～1.88 cmol/kg、4.69～8.11 cmol/kg、8.57～18.45 cmol/kg(圖4)。泥質底池塘底泥陽離子交換量最大，而砂質底池塘底泥陽離子交換量最小，緩沖能力也就最小。這主要是由于底泥陽離子交換量的大小受底泥粒度組成和有機質含量的影響，粒度越細，有機物含量越多底泥陽離子交換量也就越大。

圖4 養殖池塘底泥陽離子交換量的變化

2.3 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中細菌數量的變化

2.3.1 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中異養細菌、弧菌及芽孢桿菌數量的變化

砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘底泥中異養細菌密度在4、5、6月分別為8.92×104～2.27×106cfu/g、6.70×105～1.34×106cfu/g和4.68×104～1.29×105cfu/g；弧菌密度分別為3.32×103～4.43×103cfu/g、4.40×104～8.54×104cfu/g和1.52×102～1.77×103cfu/g；芽孢桿菌密度分別為2.87×103～6.15×104cfu/g、1.40×104～3.00×104cfu/g和2.85×103～1.10×104cfu/g(圖5)。

泥沙質底仿刺參養殖池塘中弧菌數量遠高于其他兩種底質的仿刺參養殖池塘，且弧菌占異養細菌的比例可達8.92%。弧菌是條件致病菌，與仿刺參的多種疾病有關，池塘中弧菌數量越高，仿刺參患病的幾率也就越大，因而應加強對泥沙質底池塘的防范。砂質底池塘底泥異養細菌數量在5月份出現驟減，這提示我們池塘環境可能發生了劇烈變化，影響異養細菌生長。

圖5 養殖池塘底泥異養細菌、弧菌及芽孢桿菌的數量變化

2.3.2 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中氮循環細菌數量的變化

在砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘底泥中，4、5、6月份氨化細菌密度分別為1.00×106～1.01×107cfu/g、1.10×106～3.30×106cfu/g和1.57×106～4.97×106cfu/g；反硝化細菌密度分別為1.63×102～1.95×104cfu/g、1.34×104～1.16×105cfu/g和1.73×103～2.02×104cfu/g；亞硝化細菌密度分別為3.00×101～6.50×101cfu/g、6.90×102～1.70×103cfu/g和2.17×101～4.07×102cfu/g(圖6)。3種底質仿刺參養殖池塘氨化細菌和反硝化細菌密度均遠大于亞硝化細菌的密度，使得還原性物質大量積累。

圖6 養殖池塘底泥氨化細菌、反硝化細菌及亞硝化細菌數量的變化

2.3.3 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中硫循環細菌數量的變化

砂質底、泥沙質底和泥質底仿刺參養殖池塘底泥中硫氧化細菌密度在4、5、6月分別為5.50×102～1.40×104cfu/g、4.00×101～8.50×101cfu/g和1.88×103～3.80×103cfu/g；硫還原細菌密度分別為1.83×103～2.65×104cfu/g、1.50×104～7.22×104cfu/g和1.30×103～4.67×104cfu/g(圖7)，底泥中硫還原細菌的密度均出現了增長。

圖7 養殖池塘底泥硫氧化細菌和硫還原細菌數量的變化

泥沙質底仿刺參養殖池塘中硫氧化細菌的數量遠低于其他兩種池塘，而硫還原細菌的數量遠大于其他兩種底質的仿刺參養殖池塘，可以預見該池塘底泥中的硫化物將會大量積累，這與該池塘底泥中硫化物的變化趨勢相同。5月份砂質底仿刺參養殖池塘底泥中硫氧化細菌大幅下降，這可能與該池塘底泥硫化物在5月份增高有關，硫化物大量積累，對硫氧化細菌產生抑制作用。

3 討 論

3.1 3種底質類型養殖池塘底泥物理性質特點

3種底質的仿刺參養殖池塘其底泥粒度組成有所不同，砂質底池塘底泥主要以砂礫為主，泥沙質池塘底泥主要以砂為主，而泥質底池塘底泥主要以粉砂為主。3種底質類型的底泥具有不同的物理性質，砂質底池塘底泥粒度最大，底泥顆粒間的孔隙度最大，底泥的通透性就相對較好，含氧量較高，但底質結構易發生變化；而泥質底池塘底泥粒度最小，底泥顆粒間的孔隙度也最小，氣體交換的條件就相對較差，但底質結構相對穩定[12]。

3.2 3種底質仿刺參養殖池塘底泥化學性質特點

3種底質仿刺參養殖池塘底泥化學性質存在許多共同特點，底泥氧化還原電位均隨時間呈下降趨勢，且均處于高度還原化狀態(Chien等[13]指出，當底泥氧化還原電位小于-100 mV時，底質環境即處于高度還原化狀態)。底泥長期處于還原化狀態會促進還原性細菌的生長，消耗水中大量氧氣，使得還原性物質大量積累，從而進一步降低底泥氧化還原電位，形成惡性循環，使養殖池塘底部長期處于缺氧狀態，威脅仿刺參的生長。調查期間大部分池塘底泥硫化物的含量均超過海洋沉積物質質量第一類標準(300 μg/g)[14]，硫化物污染嚴重。本研究還發現，3種底質的仿刺參養殖池塘底泥中硫化物的含量均隨時間推移呈上升趨勢，這與對乳山灣及蝦貝養殖池塘的調查結果一致[15-16]。沉積物中的硫化物主要來源于硫還原細菌對硫酸鹽的還原作用，隨著水溫的升高，細菌代謝增強，消耗大量氧氣，使得底泥處于缺氧環境，氧化還原電位降低，處于還原狀態的底泥促進硫還原細菌的還原作用，而硫化物的產生反過來又進一步降低底泥氧化還原電位[17]。本次調查的3種底質仿刺參養殖池塘的底泥有機碳含量均小于沉積物主要污染物評價標準規定的3%[18]，均未超標，且低于王巖等[19]報道的羅非魚與對蝦混養的海水圍隔底泥有機碳的含量(0.40%～1.48%)，這可能與仿刺參的沉積食性有關，仿刺參對底泥中有機物的掃食可促進底泥有機物的再利用，從而降低底泥有機碳的含量[20]。

3種底質的仿刺參養殖池塘底泥化學性質也存在諸多差異。泥質底仿刺參養殖池塘底泥硫化物含量遠高于其他兩種底質的池塘，砂質底池塘硫化物含量波動較大。相關性分析發現，泥質底池塘中底泥硫化物的含量僅與底泥有機碳含量呈顯著正相關，說明其底泥硫化物的含量主要受底泥中較高含量的有機碳的影響，較多有機質的存在為微生物提供了必要生存條件，在有氧條件下，底泥中的有機物被好氧細菌降解，消耗氧氣，降低氧化還原電位，從而產生較多的硫化物；而在缺氧條件下，硫還原細菌等還原性細菌消耗有機物，產生硫化氫等還原性物質，氧化還原電位進一步降低；泥沙質底池塘底泥中硫化物的含量與底泥中多個理化指標表現出顯著或極顯著的相關性，說明該種底質的底泥中硫化物含量的變化受多種因素的綜合影響；而在砂質底池塘由于其底泥粒度較大，底泥緩沖能力較弱，極易受外界因素的干擾，底泥中硫化物的含量也隨之出現波動，因而未能與其他指標產生強烈的聯系。另外根據沉積物主要污染物評價標準(總氮含量<0.55 mg/g，總磷含量<0.60 mg/g，有機質含量<3%)[18]可以看出，所調查的3種底質的仿刺參養殖池塘中，泥沙質底池塘底泥的總氮含量超標，泥質底池塘底泥的總磷含量超標。泥質底仿刺參養殖池塘底泥總磷、有機碳含量均明顯高于其他兩種池塘，總氮含量也相對較高，這可能與該池塘底泥顆粒最細，底泥吸附能力較強，對營養鹽的釋放量較小有關[21-22]，隨著養殖的進行，其受內源性污染的風險也更大[23]。養殖期間，泥沙質底池塘大量投喂餌料，而泥質底池塘并未投餌，這可能是造成前者底泥雖然不及后者底泥顆粒細，但底泥總氮含量卻遠高于后者，并出現超標現象的主要原因。

3.3 3種底質仿刺參養殖池塘底泥中細菌數量的特點

熊千齡[24]認為底泥顆粒越小，其中含有的營養物質也就越豐富，能為更多的細菌生長提供能量，因此泥土底質中的細菌數量一般高于沙土底質。然而筆者調查發現，盡管泥沙質池塘底泥中細菌數量較砂質底仿刺參養殖池塘多，但泥質底池塘中異養細菌和弧菌數量卻較少，這可能是由于泥質底池塘底泥顆粒太細，氧氣不易進入，而異養細菌和弧菌的生長代謝需要氧氣，因而異養細菌和弧菌的生長受到抑制。另外，該種底質的池塘在本次調查前夕剛剛對底質進行了改良，在一定程度上也降低了底泥中異養細菌和弧菌的數量。3種池塘中弧菌數量均與芽孢桿菌數量的變化趨勢相反，這與李爍寒等[25]的研究相一致。有研究指出，芽孢桿菌能產生多種抗菌物質，能夠抑制弧菌的生長[26]。而弧菌是條件致病菌，與仿刺參的發病有關，芽孢桿菌與弧菌的這一拮抗關系，為生態防治池塘中弧菌的增殖提供了一條思路。

4 結 論

3種底質養殖池塘的底質存在共同的問題：池塘底泥氧化還原電位均較低，處于高度還原化狀態，硫化物含量較高，還原性細菌大量滋生。與此同時也存在差異：砂質底仿刺參養殖池塘底泥粒徑較大，底泥中總氮、總磷及有機碳的含量均較低，硫化物含量波動較大，池塘環境不穩定；泥沙質底仿刺參養殖池塘底泥中總氮含量超標，底泥硫還原細菌及弧菌數量較高；而泥質底仿刺參養殖池塘底泥中較高的有機碳含量是引起其底泥硫化物含量較高的重要原因，同時其底泥中總磷含量超標。不同底質類型的仿刺參養殖池塘具有其特有的性質，可根據其底質特點開發有針對性的底質改良劑，提高養殖效率。

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CharacteristicsinSeaCucumberApostichopusjaponicusCulturePondswithThreeDifferentSediments

LIU Ran, WU Xue, WANG Chen, CUI Longbo

( College of Life Science, Yantai University, Yantai 264005，China )

In order to study the sedimentary characteristics of sandy, sedimentary and silty substrate culture ponds for sea cucumberApostichopusjaponicus, size class of sediment, 7 physiochemical indices and numbers of 8 classes of bacteria were tested from April to June in 2014. The results showed that sedimentary types of the three different sedimentary ponds were pebbly muddy sand, silty sand and sandy silt, respectively. The pH values of sediments changed, and the variation ranges of redox potential were -336.83—-233.83 mV, -340.77—-310.30 mV and -380.66—-369.77 mV, respectively. The variation ranges of sulfide content were 29.64—386.83 μg/g, 47.6—507.50 μg/g and 160.16—-991.04 μg/g, respectively. The contents of total nitrogen, total phosphorus and organic carbon were the least in sediments of sandy substrate ponds, the total nitrogen content of sediments was overproof greatly in sedimentary substrate ponds, the total phosphorus content of sediments was overproof in sandy substrate ponds, and the organic carbon content was higher than those in the other ponds. The numbers of ammoniated bacteria and denitrifying bacteria in the three types of ponds were much higher than those of bacterial nitrification, which led to an accumulation of reducing substances. The numbers of sulfur-reducing bacteria were much higher than those of sulfur-oxidizing bacteria in sedimentary substrate ponds, indicating that sulfide was accumulated. The findings indicated that the common problems of the three types of ponds were the facts that the redox potential was low and the sulfide content was high. Meanwhile, there were some differences among groups, with great fluctuation in indices in sandy substrate ponds, and the total nitrogen content of sediment was overproof seriously and harmful bacterias bred in sedimentary substrate ponds. The total phosphorus content was overproof and the content organic matter was rather high in sediments of sandy substrate ponds.

Apostichopusjaponicus； pond； sediment

10.16378/j.cnki.1003-1111.2017.01.005

S912

A

1003-1111(2017)01-0029-07

2015-12-10；

2016-03-14.

山東省科技發展計劃項目(2014GSF117010)；煙臺大學研究生科技創新基金資助項目(YJSY201417).

劉冉(1988—)，女，碩士研究生；研究方向：海洋動物細胞學. E-mail：734581413@163.com. 通訊作者：崔龍波(1962—)，男，教授，博士，碩士生導師；研究方向：海洋動物細胞學. E-mail：lbcui@163.com.