三沙灣養殖衍生有機物沉降對多毛類優勢種營養生態特征的影響

張鵬展，付 婧，周 進

(1.上海海洋大學水產與生命學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090)

三沙灣位于福建省東北部，是我國近海典型的養殖海灣。海灣內養殖活動包括魚類網箱養殖、海藻吊繩養殖和鮑魚筏式養殖等類型，大黃魚(Pseudosciaenacrocea)網箱養殖規模較大。2020年三沙灣大黃魚養殖產量達17.9萬t，占全國大黃魚養殖總產量70%以上[1-2]。網箱養殖屬于投喂型生產方式，養殖過程中產生數量可觀的網箱養殖衍生有機物(aquaculture-derived organic matter, AOM)，AOM主要包括殘餌和糞便[3]。氮、磷含量較高的AOM以溶解態和顆粒態兩種形式釋放到環境中。溶解態AOM在水動力作用下被稀釋和擴散，顆粒態AOM沉降至沉積物中。沉積物中的AOM被底棲生物攝食，影響生態系統物質循環和能量流動[4]。

大型底棲動物是海洋生態系統中重要的生物類群，環節動物門多毛綱動物是海洋大型底棲動物中較為習見的門類[5]。多毛類動物攝食方式較為多樣，包括植食性、濾食性、底泥食性、雜食性和肉食性多種類型。AOM沉降至沉積物環境后，可能被底泥食性和雜食性多毛類動物攝食，多毛類動物營養生態特征隨之發生改變[6]。針對三沙灣內網箱養殖活動對大型底棲動物的影響已有部分研究[7-10]。已有研究多聚焦底棲動物群落結構，圍繞區域內養殖活動對底棲動物營養生態特征的影響至今未見報道。

現階段，碳、氮穩定同位素(δ13C和δ15N)示蹤技術是研究海洋動物營養生態特征的主流方法[11]。選擇貝類作為海洋食物鏈中的基準生物，利用δ15N可計算物種營養級，揭示種群在食物網中所處位置[12]。利用δ13C結合數學模型方法可計算物種的食源結構。近年來，配合δ13C使用的數學模型方法不斷升級更新，按時間先后順序包括簡單線性混合模型[13]、多元線性混合模型(IsoSource[14])和貝葉斯混合模型(MixSIR[15]、SIAR[16]和SIMMR[17]等)等。貝葉斯混合模型SIMMR采用迭代計算原理，考慮多重食源信息，現已被廣泛應用于大型底棲動物營養生態學研究[18-19]。

本研究以穩定同位素示蹤結合數學模型方法研究三沙灣典型水動力條件下AOM沉降對區域底棲生物優勢物種營養生態特征的影響，揭示網箱養殖活動的底棲生態環境效應，以期為環境友好型網箱養殖模式構建和三沙灣水產養殖可持續發展策略制定奠定理論基礎。

1 材料和方法

1.1 采樣站位的布設

選擇三沙灣內3種典型水深條件養殖水域作為實驗區域，3個實驗區域水深分別為16.0 m、30.7 m和22.5 m(圖1)，在各實驗區域主導流向上分別設置1個采樣斷面，各斷面布設5個采樣站位，各斷面上采樣站位分別距離實驗網箱中心0 m、400 m、800 m、1 500 m和2 300 m。實驗區域周圍僅有少量海藻養殖，未受區域以外網箱養殖影響。

圖1 三沙灣3種不同水動力特征采樣斷面示意圖

1.2 實驗區域養殖概況

實驗區域1養殖網箱中心坐標為26°44′ N、119°46′ E，區域內共有普通養殖網箱(長×寬×高：3 m × 3 m × 4 m)100個；區域2養殖網箱中心坐標為26°40′ N、119°47′ E，區域內共有普通養殖網箱100個；區域3養殖網箱中心坐標為26°36′ N、119°51′ E，區域內共有普通養殖網箱120個。實驗區域養殖年限均為3年以上，各區域大黃魚年產量均超100 t。本研究采樣時實驗區域網箱內養殖個體為2020年或2021年春季苗，養殖個體體質量約為數十克至數百克不等。日常養殖中實驗網箱投喂商業顆粒餌料或冰鮮餌料(小雜魚研磨成的肉糜)，投喂頻率為每日一次。

1.3 樣品的采集

大型底棲動物樣品采集于2021年9月24—29日。利用箱式采集器(表面積0.04 m2)采集沉積物樣品，沉積物樣品使用孔徑0.5 mm篩網沖洗樣品。同步采集表層(0～1 cm)沉積物樣品，帶回實驗室內在-20 ℃條件下冷凍保存。

研究區域內采集大型底棲動物潛在食源：殘餌、糞便、海藻(海帶Laminariajaponica和龍須菜Gracilarialemaneiformis)、顆粒有機物(particulate organic matter, POM)、浮游動物和底棲微藻。殘餌樣品取自各實驗網箱。糞便樣品采集采用擠壓法，在各實驗網箱區分別收集20尾以上個體大小不一的大黃魚，擠壓大黃魚腹部收集糞便樣品，樣品使用Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過濾，濾膜樣品在60 ℃條件下烘干后用錫箔紙包裹干燥保存。海帶和龍須菜樣品在研究區域附近隨機采集，實驗室內-20 ℃條件下冷凍保存。POM樣品采集時，在采樣站位0.5 m水深處采集2 L海水，使用孔徑125 μm網篩移除水體樣品中的大型顆粒和雜質，樣品使用500 ℃預燒后的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過濾，濾膜樣品在60 ℃條件下烘干后用錫箔紙包裹干燥保存。采用淺水Ⅰ型浮游生物網(孔徑0.505 mm)自水體底層至表層垂直拖網獲取浮游動物樣品，浮游動物樣品置于蒸餾水中過夜以排清腸含物，樣品使用Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上過濾，濾膜樣品在60 ℃條件下烘干后用錫箔紙包裹干燥保存。底棲微藻在潮下帶含量較低，本研究底棲微藻樣品采自實驗區域鄰近的潮間帶，樣品采集和保存方法參照已有同類研究[20]。底棲微藻樣品僅采自實驗區域1和3，區域2底棲微藻δ13C和δ15N取區域1和3的平均數值。

1.4 樣品準備、前處理與分析

按照底棲物種的數量優勢判定優勢種[7]，本研究認定實驗區域大型底棲動物群落的優勢物種為歐努菲蟲(Onuphiseremita)、不倒翁蟲(Sternaspisscutata)、角海蛹(Ophelinaacuminata)、索沙蠶屬一種(Lumbrinerissp.)和絲異須蟲(Heteromastusfiliformis)，5個優勢物種皆為環節動物門多毛綱動物，其中索沙蠶屬一種本文均簡稱為索沙蠶。歐努菲蟲在本研究的3個采樣斷面均有出現，不倒翁蟲和角海蛹在采樣斷面1和2中出現，索沙蠶和絲異須蟲僅出現于采樣斷面1。優勢物種樣品在60 ℃條件下烘干，樣品采集和處理方法參照已有同類研究[8]。采集實驗區域內具有數量優勢的雙殼類樣品，樣品處理方法同上述多毛類動物。樣品烘干后研磨，研磨樣品干燥保存待測。用于δ13C分析的樣品使用1.2 mol·L-1的鹽酸酸化處理，處理后樣品使用Whatman徑跡蝕刻過濾膜(0.2 μm)過濾，濾膜樣品使用蒸餾水潤洗3遍后在60 ℃條件下烘干。

測試沉積物粒徑時，取適量冷凍樣品，樣品融化后放置于燒杯中用玻璃棒攪拌均勻，裝瓶后在超聲清洗機中分散5～10 min使其充分分散。沉積物粒徑使用BT-9300S激光粒度分布儀測定。結果顯示，研究區域沉積物中值粒徑以<3.9 μm和3.9～62.5 μm為主，二者占比為95.2%～100%。根據福克-洛克三角分級和命名法，三沙灣采樣區域底質類型為泥質砂，粉砂和泥的占比分別為77%和23%。樣品研磨及酸化處理方法同底棲生物樣品。

海帶和龍須菜樣品解凍后用蒸餾水清洗表面附著的雜質，清洗后的樣品在60 ℃條件下烘干處理。殘餌、糞便和海藻等食源樣品研磨及酸化處理方法同底棲生物樣品。

樣品δ13C和δ15N利用深圳市華科精信檢測科技有限公司的DELTA V Advantage 同位素比率質譜儀(isotope ratio mass spectrometer)進行測定。穩定同位素豐度按以下公式計算得出：

X(‰)=[(R樣品/R標準)-1]× 103

式中，X為δ13C或δ15N，R樣品為樣品碳同位素比值(13C/12C)或氮同位素比值(15N/14N)，R標準為國際標準物質PDB的碳同位素比值或標準大氣氮同位素比值；δ13C分析精度為0.1‰，δ15N分析精度為0.2‰。

1.5 數據處理與分析

1.5.1 顯著性檢驗

使用Lillie和Levene檢驗方法檢驗各組數據正態性和方差齊性。本研究中的多組數據不能同時符合正態性和方差齊性要求，因此數據空間差異(采樣斷面或站位之間)分析使用非參數檢驗方法。使用Wilcoxon秩和檢驗判斷不倒翁蟲、角海蛹和底棲微藻的δ13C和δ15N在兩個采樣斷面之間是否存在顯著差異。使用Kruskal-Wallis 檢驗判斷不同食源之間、不同多毛類優勢種之間，以及歐努菲蟲、沉積物和POM的δ13C和δ15N在不同斷面之間是否有顯著差異。以上檢驗均使用R4.1.1軟件完成。

1.5.2 優勢種營養級的計算

動物組織δ15N富集程度較為穩定，據此計算動物物種的營養級(trophic level, TL)。營養級的計算采用如下公式：

TL優勢種=λ+(δ15N優勢種-δ15N基線生物)/TEF

式中，TL優勢種為待確定物種的營養級；λ為基準生物的營養級，本研究中基準生物的選擇參考已有同類研究，即認定雙殼類為基準生物，營養級為2[19-20]；δ15N優勢種為待確定物種δ15N；δ15N基線生物為雙殼類δ15N平均值；TEF(trophic enrichment factor)為營養富集因子，本研究沿用已有文獻中的結論TEF=3.4‰[21]。

1.5.3 優勢種食物貢獻率的計算

采用基于貝葉斯統計原理的SIMMR模型計算底棲物種的食源結構[17]。本研究采集殘餌、糞便、海帶、龍須菜、POM、浮游動物和底棲微藻等底棲動物潛在食源樣品，三沙灣內浮游動物和龍須菜δ13C和δ15N與底棲優勢物種接近(圖2)，海帶δ13C[(-14.61±2.01)‰]大于底棲優勢物種，浮游動物、龍須菜和海帶應非三沙灣內底棲優勢物種食源。SIMMR模型計算時的潛在食源包括殘餌、糞便、POM和底棲微藻。模型中營養判別因子Δδ15N設定為(3.4±0.1)‰，Δδ13C設定為(1.0±0.1)‰[20]。SIMMR模型計算使用R4.1.1軟件的SIMMR程序包完成。

2 結果與分析

2.1 潛在食源碳、氮穩定同位素特征

殘餌、糞便、底棲微藻和POM等底棲物種食源δ13C和δ15N變化較大，變化范圍分別為-25.51‰～-12.71‰和3.30‰～12.91‰，不同食源之間δ13C和δ15N存在顯著差異(Kruskal-Wallis檢驗，P<0.001)。海帶δ13C最高(各研究區域平均值)，POM δ13C最低。龍須菜、殘餌和浮游動物δ15N較高，底棲微藻δ15N最低(圖2)。

特定食源δ13C和δ15N在不同研究區域之間存在差異，沉積物δ13C和δ15N、顆粒有機物和底棲微藻δ15N在區域之間存在顯著差異(Kruskal-Wallis檢驗，P<0.05)。

2.2 多毛類優勢種穩定同位素特征

多毛類優勢種δ13C和δ15N變化范圍分別為-21.82‰～-16.87‰和7.05‰～12.98‰(表1，圖2)，不同優勢物種δ15N之間存在顯著差異(Kruskal-Wallis檢驗，P<0.001)。角海蛹δ13C最高(各研究區域平均值)，索沙蠶和歐努菲蟲δ15N最高，不倒翁蟲δ13C和δ15N均為最低。歐努菲蟲δ13C和δ15N在研究區域之間存在顯著差異(Kruskal-Wallis檢驗，P<0.01)。

圖2 三沙灣多毛類優勢種及其潛在食源碳、氮穩定同位素特征

表1 三沙灣多毛類優勢種δ13C和δ15N組成

2.3 多毛類優勢種營養級

三沙灣雙殼類樣品δ13C平均值為(-19.14±0.15)‰，δ15N平均值為(8.59±1.07)‰。5種多毛類優勢種營養級如表1所示。雜食性索沙蠶和歐努菲蟲營養級最高，兩種營養級分別為2.79和2.78；底泥食性絲異須蟲和角海蛹次之，營養級分別為2.62和2.41；不倒翁蟲營養級最低為1.81。

2.4 多毛類優勢種食源貢獻率

SIMMR模型計算結果顯示，AOM對歐努菲蟲、角海蛹、索沙蠶、絲異須蟲和不倒翁蟲的食物貢獻率分別為(68.4±17.2)%、(61.7±22.0)%、(54.9±13.4)%、(36.4±8.3)%和(18.3±13.2)%(圖3)。其中糞便在AOM中的比例大于殘餌。底棲微藻是三沙灣底棲動物的重要食物來源，對以上5種底棲優勢物種的食源貢獻率分別為(22.5±15.6)%、(33.0±18.7)%、(30.7±15.0)%、(47.6±22.6)%和(76.6±14.1)%。POM對底棲優勢物種的食源貢獻率小于10%。

圖3 潛在食源對多毛類優勢種歐努菲蟲(a)、角海蛹(b)和索沙蠶(c)的食物貢獻率

3 討論

3.1 三沙灣內多毛類優勢種的營養級

海洋多毛類動物物種多樣性較高，攝食類型多樣，δ15N水平變化范圍較大。三沙灣多毛類動物δ15N水平處于已有相關報道數據中的中等水平，與我國近岸海域內已有的報道結果大致相當，與國外報道結論存在一定差異。至今，我國渤海[22](小清河口及其鄰近海域，平均值為11.17‰)、黃海[23](平均值為10.59‰)、東海[24](北部海域，平均值為10.88‰)海域多毛類動物δ15N水平已有報道，報道數據與三沙灣多毛類δ15N平均值較為接近[(10.54±1.48)‰]。國外針對多毛類動物δ15N水平報道數據變化較大，如地中海西北部海域 Gulf of Lions多毛類δ15N平均值僅為7.16‰[25]，日本Ariake海灣沿岸潮間帶區域多毛類δ15N平均值可達13.57‰[26]。

本研究結果顯示，三沙灣內數量優勢多毛類動物營養級變化范圍為1.8～2.8，顯示多毛類動物在三沙灣海洋生態系統中屬于較低層級的異養生物。在海洋生態系統中，雙殼類生物濾食水體中的顆粒有機物通常被作為計算消費者營養級的基準生物，營養級被認定為2.0[19-20]。腹足類和甲殼類海洋生物營養級通常高于雙殼類生物，魚類在食物網中營養級相對較高(通常大于3.0)[19-20]。三沙灣內數量優勢多毛類動物營養級與雙殼類生物大致相當，此營養特征與多毛類動物攝食習性相關。絲異須蟲、角海蛹和不倒翁蟲為底泥食性，攝取利用沉積物中的有機顆粒物，歐努菲蟲和索沙蠶為雜食性，兼食沉積物中的有機顆粒物[27]。三沙灣內優勢多毛類動物在生態系統中屬于較低層級，應是高營養層級動物的潛在食源。

3.2 三沙灣多毛類優勢種的食源結構

在三沙灣內，AOM(包括殘餌和糞便)、海帶、龍須菜、顆粒有機物、浮游動物和底棲微藻為大型底棲動物潛在食源。三沙灣內底棲動物潛在食源δ13C、δ15N水平與已有研究大致相當。溫帶區域咸淡水交匯水域顆粒有機物的δ13C通常介于海洋和陸源物質之間，變化范圍為-26‰～-20‰，三沙灣內顆粒有機物δ13C平均值為-24.04‰。底棲微藻δ13C變化范圍可達-24‰～-14‰[28]，三沙灣內δ13C平均值為-22.63‰。三沙灣海帶高δ13C特征與東海其他區域基本一致[29]。

不同潛在食源之間δ13C和δ15N有顯著差異，說明同位素圖能夠有效刻畫底棲物種和潛在食源之間的關系。使用經典分餾系數(平均δ15和δ13C分別為3.4‰和1.0‰[21])方法可以定性判斷底棲物種食源。三沙灣內浮游動物和龍須菜的δ13C和δ15N水平與底棲優勢物種接近(相差<1‰)，海帶和底棲優勢物種δ13C差值(4‰以上)遠大于δ13C分餾系數(1‰)，浮游動物、龍須菜和海帶應不是三沙灣內底棲優勢物種食源。δ13C結合模型方法計算結果顯示，AOM對歐努菲蟲、角海蛹、索沙蠶、絲異須蟲和不倒翁蟲的食物貢獻率維持在較高比例，分別為68.4%、61.7%、54.9%、36.4%和18.3%。底棲微藻也是三沙灣內多毛類動物的重要食源，對以上5種多毛類的食物貢獻率分別為22.5%、33.0%、30.7%、47.6%和76.6%。

①數據來源于本實驗室未發表數據。

3.3 網箱養殖對多毛類優勢種營養特征的影響

三沙灣內數量優勢多毛類動物的營養級分布格局體現了區域內養殖活動的影響作用。在未受擾動的自然水域內，底泥食性多毛類動物利用沉積物中植物性食源，雜食性多毛類動物兼食植物和動物性食源，經典營養級理論認為雜食者營養級較高，底泥食者營養級較低[25-26, 30]。三沙灣內多毛類動物營養級總體上遵從此分布格局，然而部分不同食性多毛類營養級之間差異較小。例如，雜食性索沙蠶和歐努菲蟲營養級分別為2.79和2.78，底泥食性絲異須蟲和角海蛹營養級分別為2.62和2.41。此現象應與AOM作為不同攝食類型多毛類物種的共同食物有關，較為均質性的食源降低了不同食性多毛類營養級之間的差異性。

三沙灣內AOM對多毛類優勢種食源的較高貢獻率體現了海灣的養殖水域屬性。自然水域內，底棲微藻對底棲動物食源通常具有較高貢獻，如KANAYA等[31]指出,在日本河口底棲硅藻對兩種多毛類的食物貢獻率分別為50%和32%;JI等[20]研究了海州灣底棲微藻、POM和陸源有機物對中國明對蝦(Penaeuschinensis)食物的貢獻，結果表明底棲微藻在中國明對蝦的食物來源中占據絕對優勢，食物貢獻率可達90%。而在養殖水域，底棲物種更偏好攝食AOM，此結論也被多篇文獻證實，如ROUSSEL等[32]指出,在法國典型鮭魚養殖區無脊椎動物對AOM的攝食比例可達72%～88%;GAO等[33]指出,在香港西部滘西灣復合魚類養殖區AOM對貽貝(Pernaviriolis)食物占比甚至可達95%。

養殖水域內AOM沉降對多毛類優勢種營養生態特征的影響較為復雜。相同食性的不同物種對于AOM沉降的響應存在差異，如本研究中同為雜食性的歐努菲蟲和索沙蠶對AOM的偏好程度不同，歐努菲蟲高于索沙蠶。歐努菲蟲隸屬于歐努菲蟲科，索沙蠶隸屬于索沙蠶科，個體攝食器官不同可能影響兩類群對AOM的攝食和利用效率，歐努菲蟲個體較大，上下顎強壯，咽部肌肉發達，具有較高的攝食靈活性[27, 34-35]。本研究涉及的3種底泥食性多毛類營養級存在差異，例如不倒翁蟲營養級為1.8，低于絲異須蟲和角海蛹。底泥食性多毛類動物的攝食方式較為被動，選擇性不強，同區域內底泥食性多毛類動物營養級存異說明底棲生物對AOM的同化效率具有種間差異性。日本沿岸的研究結果表明，網箱養殖區雜食性多毛類營養級較高，底泥食性多毛類營養級相對較低[6]。北大西洋沿岸水域研究指出，與未攝食AOM的多毛類相比，攝食AOM的同種多毛類營養級呈現下降趨勢[36]。三沙灣與國外類似研究結論的差異性應與AOM同化效率的種間差異性相關。歐努菲蟲δ13C和δ15N水平在不同水深采樣區域之間呈現顯著差異，表明底棲物種營養級除受形態學特征、攝食習性和食源結構影響外，不同水動力條件(水深差異、海流流速差異等)也會影響多毛類營養級結構。

3.4 基于底棲物種營養生態特征的養殖環境效應分析

基于大型底棲動物角度闡釋水產養殖活動影響已有較多研究案例。已有研究多利用底棲生物群落結構(物種組成、豐度、生物量、多樣性等)、群落結構參數和環境因子的關系(相關性分析、聚類分析、相似性分析、NMDS分析等)等方法揭示養殖的底棲生態環境效應[37-39]。大型底棲動物群落結構變化機制較為復雜，養殖活動并不一定導致群落結構變化，群落結構變化為養殖活動和其他外源影響共同作用的結果。在三沙灣內，已有研究表明大型底棲動物群落結構參數并不能很好地反映網箱養殖的環境影響，三沙灣網箱養殖活動并未改變區域大型底棲動物群落結構[7-10]。AOM沉降是水產養殖活動環境效應的“源”，沉降的AOM是底棲動物潛在的食源，基于營養生態學角度研究水產養殖活動的環境效應應為比較奏效的技術方法[6, 33, 36]。

高強度網箱養殖引發AOM在養殖水域沉積物中累積[3]。根據本課題組研究數據，三沙灣網箱養殖區及其鄰近水域沉積物碳源中AOM比例約為20%①。本文研究結果表明，三沙灣網箱養殖產生的AOM已是區域底棲物種的重要食源，養殖活動產生了較為明顯的生態環境效應。AOM沉降對大型底棲動物營養生態特征的影響機制較為復雜，生物個體生物學特征和生態學習性以及區域自然地理條件共同制約物種營養生態過程。

致謝：感謝實驗網箱區養殖戶對養殖相關信息的提供和樣品采集的幫助。感謝上海海洋大學碩士研究生姚楠和陳朗對本研究樣品采集、底棲動物粗分和前處理的幫助。