淺水刺參養殖池塘兩種底質中微藻形態功能群及其密度影響因素

石 楷，王 敏，邢榮蓮*，曹學彬，姜愛莉

(1.煙臺大學生命科學學院，山東 煙臺 264005；2.山東東方海洋科技股份有限公司國家級海藻與海參工程技術研究中心，山東 煙臺 264003)

刺參(Apostichopusjaponicus)是公認的名貴海珍品，其沿岸池塘養殖模式具有成本低、易管理等優點，在我國北方地區得到了快速的發展，成為刺參養殖的主要模式之一[1]。刺參的生長狀況除受池塘自然環境影響外，因其具有匍匐潛行并以池塘底泥中腐殖質和有益藻類為食的特性，所以底質中有益藻的種類和密度的變化也會嚴重影響刺參的生長和品質[2]。底質中的硅藻是公認的刺參優良鮮活餌料，在池塘生態系統中作為初級生產者存在，是底質中物質、能量、信息進行交換交流的基礎，對維持池塘生態系統的穩定具有關鍵作用[3-4]。目前，對底棲微藻種群的研究主要采用將樣品中每種藻的種屬一一鏡鑒后分別計數，統計分析其密度和優勢種屬的方法，該方法工作量較大，對某些特殊生態功能類型的分析略顯繁瑣[5-6]。在對刺參養殖池塘底質中有益微藻評價時，采用更加簡便、直觀的方法對其類群進行總體歸類和分析將更具有實際意義。

以藻類的生理特征和環境分布為基礎進行分組是藻類鑒別的研究熱點之一[7]。Salmaso等(2007)基于藻類自身的形態和功能特征定義了形態功能群(Morphologically Based Functional Group， MBFG)[8]；Kruk等(2010)以前人研究為基礎提出了更為簡便的形態功能群，該形態功能群共定義了7個僅基于藻類的形態特征的功能群，劃分依據是藻類的大小和比表面積，以及有無鞭毛、硅質細胞壁、膠被和偽空胞，該方法減少了藻類歸類研究的工作量，使藻類演替與生態環境的關系更加明了[9]。楊毓等(2017)采用該方法對深水型水庫進行研究，獲得了深水型水庫中藻類與環境因子的相關關系，為深水型水庫的管理提供了簡便直觀的指導與建議[10]。在Kruk等提出的形態功能群歸類方法中，形態功能群Ⅵ僅包含一類藻——硅藻，而硅藻正是刺參養殖池塘底質中的有益藻[9]。因此，在進行僅針對硅藻類群密度變化的研究時，該歸類方法簡化了對微藻屬、種鑒定的繁瑣過程，利于刺參養殖池塘生態環境中有益藻類總體類群評價探究。

池塘底質的構成不同對底棲藻類的組成及其密度具有不同的影響，而目前對底棲藻類相關的研究主要集中于單一底質中水質環境對藻類密度的影響，很少從底質出發去分析[5,11]。本研究采用形態功能群歸類方法，結合冗余分析(Redundancy Analysis， RDA)，研究刺參養殖池塘兩種類型表層底質(泥沙底質和淤泥底質)中微藻類群以及影響其密度變化的因素，探究形態功能群歸類方法在刺參養殖池塘中應用的可行性，分析了不同底質中有益藻類密度變化與水溫和營養鹽的關系，為刺參養殖池塘生態系統組成和功能評價提供參考，為刺參養殖池塘科學養護提供可靠的理論依據。

1 材料與方法

1.1 取樣區域與方法

1.1.1 池塘概況 實驗于2018年4—11月在煙臺牟平刺參養殖池塘進行。隨機選取管理模式相同、使用年限在7～10 a的3個泥沙底質、3個淤泥底質刺參養殖池塘作為研究對象。泥沙底質(粒徑為50～1 000 μm)池塘水深為1.5～2.0 m，面積約為7 hm2；淤泥底質(粒徑為2～50 μm)池塘水深為1.5～2.0 m，面積約為10 hm2。

1.1.2 樣品采集 每個池塘設定6個采樣點，每月采樣1次。使用自行研制的采樣器[12]采集表層(0～5 cm)泥樣。采樣時發現兩種底質表層泥樣均有明顯顏色分層，因此將其分為上層(0～2 cm)和下層(3～5 cm)分別分析。樣品采集后使用無菌海水進行沖洗并用福爾馬林固定以待觀察。

1.2 藻類檢測及歸類

使用光學顯微鏡在1 000倍油鏡下進行微藻的物種鑒定[13]與計數。根據Kruk等的研究成果對樣品中檢測出的微藻進行分組(圖1)[9]。

圖1 藻類形態功能群歸類[9]Fig.1 Algal MBFG classification

1.3 營養鹽測定方法

1.4 數據分析

采用SPSS 13.0進行數據統計分析，采用CANOCO 4.5軟件對數據進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 藻類形態功能群分布

經過鑒定發現，兩種底質中共有33種微藻。各形態功能群優勢微藻種類如表1所示，形態功能群Ⅵ即硅藻類占有絕對優勢，其中數量較多的底棲硅藻種類為菱形藻屬(Nitzschia)、卵形藻屬(Cocconeis)、舟形藻屬(Navicula)。兩種底質中微藻類形態功能群歸類結果一致，均可分為2個形態功能群，即Ⅴ、Ⅵ。其中藻類形態功能群Ⅴ密度最大值為(15±2) cells/cm3，且出現次數較少，形態功能群Ⅵ密度最大值為(700±17) cells/cm3，且在采樣期間均存在，因此僅對形態功能群Ⅵ的密度影響因素進行冗余分析。

表1 藻類形態功能群優勢藻類

2.2 藻類形態功能群Ⅵ密度變化特征

兩種底質中藻類形態功能群Ⅵ密度月變化均呈現先增加后減少的趨勢(圖2)。泥沙底質上層和下層的形態功能群Ⅵ密度均在9月達到峰值，分別為(700±17) cells/cm3和(230±9) cells/cm3，9月以后上層和下層密度均迅速減少，分別下降到20～35 cells/cm3和7～45 cells/cm3；淤泥底質上層中藻類形態功能群Ⅵ密度在8月達到峰值[(580±12) cells/cm3]，下層中密度在采樣期間并未發現明顯的變化，維持在1～23 cells/cm3。兩種底質中藻類形態功能群Ⅵ密度皆隨著深度的增加而減少。

圖2 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度變化Fig.2 Density changes in MBFG Ⅵ in two different sediments

2.3 形態功能群Ⅵ密度與水溫及營養鹽的關系

2.3.1 形態功能群Ⅵ密度與水溫及營養鹽的冗余分析 圖3、4分別為兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與水溫及營養鹽冗余分析結果。在泥沙底質的冗余分析中(圖3)，前兩個冗余軸解釋了數據總差異的84.6%，硅酸鹽濃度、水溫、亞硝態氮、銨態氮、總氮、活性磷酸鹽、總磷濃度與軸1呈正相關，相關系數分別為0.912 1、0.689 7、0.596 0、0.514 6、0.199 7、0.097 4、0.015 3；硝態氮濃度與軸1呈負相關，相關系數為-0.857 8；上、下層底質中的形態功能群Ⅵ與軸1呈明顯的正相關，表示這兩處的形態功能群Ⅵ受硅酸鹽濃度(正相關)、硝態氮濃度(負相關)、水溫(正相關)、亞硝態氮濃度(正相關)、銨態氮濃度(正相關)影響較大。

圖3 泥沙底質中形態功能群Ⅵ密度與水溫及營養鹽的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of the cell densities of MBFG Ⅵ, water temperatures and nutrients in sandy sedimentsSⅥ、BⅥ分別代表上層密度、下層密度。

在淤泥底質池塘的冗余分析中(圖4)，前兩個冗余軸解釋了數據總差異的79.7%，水溫、硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、亞硝態氮濃度與軸1呈正相關，相關系數分別為0.814 1、0.698 2、0.356 7、0.166 9、0.073 7；硝態氮、銨態氮、總氮濃度與軸1呈負相關，相關系數分別為-0.761 8、-0.484 6、-0.207 2；上、下層底質中的形態功能群Ⅵ與軸1呈明顯的正相關，表示這兩處的形態功能群Ⅵ受水溫(正相關)、硝態氮濃度(負相關)、硅酸鹽濃度(正相關)影響較大。

圖4 淤泥底質中形態功能群Ⅵ密度與水溫及營養鹽的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of the cell densities of MBFG Ⅵ, water temperatures and nutrients in muddy sediments

由冗余分析結果可以看出，兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與水溫及營養鹽具有良好的相關性，但相關關系存在差異。

2.3.2 形態功能群Ⅵ密度與水溫的關系 通過冗余分析排序結果可以發現，兩種底質中形態功能群Ⅵ密度變化均與水溫密切相關(圖5)。兩種底質上層中形態功能群Ⅵ密度與水溫變化趨勢基本一致，隨著水溫的逐漸升高，密度也呈現增加趨勢。泥沙底質下層密度變化趨勢與上層相似，淤泥底質下層密度并未出現明顯變化。當水溫高于20 ℃時底質中形態功能群Ⅵ密度較高，水溫低于20 ℃時底質中密度迅速降低。

圖5 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與水溫變化關系Fig.5 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with water temperatures in two different sediments

圖6 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與總磷濃度變化關系Fig.6 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with TP contents in two different sediments

圖7 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與活性磷酸鹽濃度變化關系Fig.7 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

2.3.3 形態功能群Ⅵ密度與總磷濃度的關系 兩種底質池塘中總磷濃度變化情況如圖6所示。泥沙底質池塘中總磷濃度呈現出先增加后降低再增加的趨勢，在6月達到最高值，上層底質中形態功能群Ⅵ密度在4—10月與總磷濃度變化趨勢相似但具有一定的延后性，在7—11月下層底質中形態功能群Ⅵ密度的變化趨勢與總磷濃度變化趨勢相反；采樣期間淤泥底質池塘中總磷濃度處于波動狀態，7—9月變化趨勢呈先升高后降低，與上層底質中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢相同。

2.3.4 形態功能群Ⅵ密度與活性磷酸鹽濃度的關系 泥沙底質池塘中活性磷酸鹽濃度在采樣期間波動較大(圖7)，在7—10月與上、下層底質中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢相反，呈先降低后升高趨勢；淤泥底質池塘中活性磷酸鹽濃度整體呈上升趨勢，在7—9月變化趨勢為先升高后降低，與上層底質中形態功能群Ⅵ密度變化聯系密切。

2.3.5 形態功能群Ⅵ密度與總氮濃度的關系 由圖8可以看出泥沙底質池塘中總氮濃度在4—7月處于上下浮動狀態，在7月后呈先升高后降低的趨勢，與上、下層中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢相吻合；通過圖8可以發現淤泥底質池塘中總氮濃度在4—9月變化不大，9月以后隨上層底質中形態功能群Ⅵ密度迅速降低而大幅上升。

2.3.6 形態功能群Ⅵ密度與硝態氮濃度之間的關系 硝態氮濃度變化情況如圖9所示，兩種底質池塘中硝態氮濃度變化趨勢均為先下降后上升。泥沙底質池塘中硝態氮濃度變化趨勢與上、下層密度變化趨勢相反，9月上、下層底質中形態功能群Ⅵ密度達到峰值時池塘中硝態氮濃度降至最低值。淤泥底質池塘中硝態氮濃度最低值在7月出現，其變化趨勢與上層底質中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢基本相反。

2.3.7 形態功能群Ⅵ密度與亞硝態氮濃度的關系 由圖10可以看出泥沙底質池塘中亞硝態氮濃度在4—8月波動較小，其變化趨勢在8—11月與上、下層底質中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢相近且在9月時共同達到峰值； 淤泥底質池塘中亞硝態氮濃度在4—8月變化較為平穩，8—10月隨著上層底質中形態功能群Ⅵ密度的降低而呈現出迅速上升趨勢。

2.3.8 形態功能群Ⅵ密度與銨態氮濃度之間的關系 泥沙底質池塘中銨態氮濃度(圖11)在4—7月變化不大，7月后其變化趨勢為先增加后降低，與上、下層底質中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢相似且均在9月達到峰值；淤泥底質池塘中銨態氮濃度在采樣期間并未發生明顯變化，與底質中形態功能群Ⅵ密度相關性較小。

圖8 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與總氮濃度變化關系Fig.8 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with TN contents in two different sediments

圖9 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與硝態氮濃度變化關系Fig.9 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

圖10 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與亞硝態氮濃度變化關系Fig.10 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

2.3.9 形態功能群Ⅵ密度與活性硅酸鹽濃度的關系 兩種底質池塘中活性硅酸鹽濃度在采樣期間變化趨勢均為先增加后降低(圖12)，分別在8月(泥沙底質)、7月(淤泥底質)達到峰值。泥沙底質池塘中活性硅酸鹽濃度在6—10月變化較為明顯，變化趨勢與上下層底質中形態功能群Ⅵ密度變化趨勢相近；淤泥底質中活性硅酸鹽濃度在采樣期間均處于迅速變化中，上層底質中形態功能群Ⅵ密度與活性硅酸鹽濃度聯系密切但具有一定的延后性。

圖11 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與銨態氮濃度變化關系Fig.11 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

圖12 兩種底質中形態功能群Ⅵ密度與活性硅酸鹽濃度變化關系Fig.12 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

2.4 討論

2.4.1 藻類形態功能群在刺參養殖池塘中的應用 Kruk等把微藻按形態功能分為7個組群，其所研究的各門類700余種浮游生態類型微藻在7個形態功能群中均有分布，且不同門類藻會被歸為同一組群[9]。底棲生態類型微藻所屬門類相對較少，以硅藻、綠藻、藍藻為主[15]，因此兩種底質樣品中底棲微藻按形態功能僅歸為Ⅴ、Ⅵ兩組群，其中形態功能群Ⅵ的密度遠遠多于其他形態功能群，且僅由一個門類微藻組成——硅藻。硅藻在刺參養殖池塘中作為有益藻類存在，對維持池塘生態系統的穩定具有關鍵作用且是刺參優良的鮮活餌料[2,16]。當對池塘底質中藻類與環境之間的關系進行分析時，可以采用形態功能群快速識別藻類所屬的形態功能群組別，對藻類整體，并非單獨種類進行統計分析，這使藻類的研究工作得到簡化[10]，可更加快速地反映藻類密度與環境及刺參健康生長狀況的相關關系，使評估不同類型底質中有益藻存在狀態和特征更加直觀，并間接反映出影響刺參健康生長繁殖的養殖環境狀況。

形態功能群歸類方法以形態功能為依據，未考慮毒素、色素等成分因素。通常有毒藻類在研究赤潮藻、貝類毒素、魚類毒素時作為主要的考量因素[17]，可能需要單獨歸類分析，而在刺參養殖池塘中通常不發生由產毒藻形成的赤潮，而且目前在世界范圍內發現的產毒硅藻(對人有害)非常罕見，僅見于擬菱形藻屬(Pesudo-nitzschia)中的26個種，多為浮游型[18-19]，尚未有底棲硅藻對海參生長繁殖產生不利影響的報道。養殖環境底棲微藻的色素是研究目的無需考量的歸類因素。因此，形態功能群歸類方法未考慮毒素、色素等因素進行歸類，在使用時雖然具有一定的局限性，但在特殊目的和生態環境研究應用中表現出更簡潔的優點，因此將該歸類法應用在刺參養殖生態環境的底質微藻歸類研究中非常適合。

2.4.2 兩種底質中藻類形態功能群Ⅵ密度的影響因素 兩種底質上層中形態功能群Ⅵ的密度變化存在明顯的月份演替，通過冗余分析發現底質中形態功能群Ⅵ密度變化受到水溫和營養鹽的共同影響，但不同底質中形態功能群Ⅵ密度變化所受水溫和營養鹽的影響不盡相同。在泥沙底質中，形態功能群Ⅵ密度主要受營養鹽活性硅酸鹽濃度的影響，但在淤泥底質中形態功能群Ⅵ密度主要受水溫的影響，其次才是硝態氮濃度和活性硅酸鹽濃度的影響。因此，不同底質養殖池塘在實際生產中應采取相應的管理模式。

藻類作為光合自養生物，適宜的光照、溫度等環境因素是其生長的必需條件[20]，下層底質光照、溫度較上層底質明顯不足，因此兩種底質下層中形態功能群Ⅵ密度明顯低于上層，且各月密度變化不大，該特性在底質顆粒較小、透光性較差的淤泥底質中表現得尤為明顯。此外，底質中藻類密度還與營養鹽濃度密切相關[5,11]，由于上覆水對上層底質的滲透效果要高于下層底質，因此上層底質中形態功能群Ⅵ的密度與各營養鹽濃度聯系會更加密切，養殖時應更加注意對上層底質(0～2 cm)的監測和養護；不同顆粒組成的底質對營養鹽吸附和釋放的速度不同，底質顆粒粒徑越小、比表面積越大，其吸附營養鹽的能力越強[21]，受不同底質顆粒粒徑大小不同所影響，上覆水對不同底質所產生的滲透效果也不盡相同[22-23]，泥沙底質顆粒與淤泥底質顆粒相比粒徑較大，上覆水對泥沙底質下層的滲透效果更好，泥沙底質下層形態功能群Ⅵ密度與營養鹽濃度聯系也較淤泥底質下層更加密切，且與上層間密度差異較小，所以更適合作為刺參餌料生物硅藻的生長基質。兩種底質中活性硅酸鹽濃度都是影響形態功能群Ⅵ密度的重要因素，這完全符合硅元素是硅藻類生長必需元素的規律，適當補充硅酸鹽可有效提高刺參養殖池塘中底棲硅藻密度；水溶性硝態氮更容易被硅藻所利用[6]，通過冗余分析發現，硝態氮濃度在兩種底質中均與形態功能群Ⅵ密度呈負相關且影響較大，因此在刺參養殖過程中監測到硝態氮濃度大幅降低時，應適當添加硝態氮以增加底棲硅藻密度，從而保障刺參攝食不受影響；兩種底質中亞硝態氮濃度在4—8月比較穩定，而在9—10月突然劇增，這與藻類消亡導致水體中亞硝態氮無法進行轉換有關[24]，所以當池塘內出現亞硝態氮濃度劇增現象時，應為刺參及時補充餌料。

綜上所述，刺參養殖池塘底質中形態功能群Ⅵ密度變化受水溫、營養鹽、底質組成及其深度密切影響，但不同底質的池塘中水溫和營養鹽對形態功能群Ⅵ密度的影響存在差異：泥沙底質中形態功能群Ⅵ密度主要受營養鹽的影響，淤泥底質中形態功能群Ⅵ密度主要受水溫的影響，兩種底質池塘上層底質中形態功能群Ⅵ密度更易受水溫和營養鹽所影響。因此在刺參養殖時應根據底質顆粒的構成對養殖池塘進行更加科學的養護。

3 結論

(1)形態功能群分類方法在刺參養殖池塘表層底質微藻類群的聚類分析研究中是可行的。兩種底質表層中底棲藻類皆以硅藻為主，其作為底棲性攝食的刺參的有益餌料藻類，以唯一門類在形態功能群分類中被歸為形態功能群Ⅵ，結合數據分析可簡化刺參養殖池塘底棲藻類分布規律研究工作。

(2)養殖時應根據池塘底質類型差異制定相應管理和養護方法。在泥沙底質中，活性硅酸鹽濃度是影響形態功能群Ⅵ密度的首要因素，次要影響因素是硝態氮濃度和水溫；而在淤泥底質中，水溫是影響形態功能群Ⅵ密度的首要因素，此外硝態氮濃度和活性硅酸鹽濃度也對形態功能群Ⅵ密度產生了較大影響。

(3)兩種底質上層中形態功能群Ⅵ密度更易受水溫和營養鹽影響，養殖時應更加注意對上層底質(0～2 cm)的監測和養護；形態功能群Ⅵ密度在泥沙底質上層與下層間差異較小，更適合作為刺參餌料生物硅藻的生長基質。