強降雨對魚菜共生池塘水質和浮游植物及細菌群落結構的影響

溫晴宇，李文紅，徐 鵬，楊 卓，胡 宏

(廣西大學動物科學技術學院/廣西高校水生生物健康養殖與營養調控重點實驗室，南寧 530004)

1 材料與方法

1.1 試驗池塘概況

試驗在廣西大學動物科學技術學院水產教學基地的4張多品種養殖池塘(1～4#池塘)進行，各池塘面積均為1000 m2，水深1.5～1.8 m，主養鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙(Aristichthysnobilis)，配養鯽(Carassiusauratus)、鯪(Cirrhinusmolitorella)和胡子鯰(Clariasfuscus)。根據氣象預報信息，受臺風“森拉克”影響，2020年8月2—7日廣西南寧市有強降雨。分別于強降雨前(8月1日)和強降雨后(8月8日)對養殖池塘進行水質、浮游植物和細菌群落結構檢測。期間記錄8月2—7日的總降水量為123.5 mm，氣溫從32.9 ℃降至27.0 ℃后又回升至29.5 ℃。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 以設置空心菜浮床覆蓋率為18%的3#和4#池塘為處理組(A組)，無浮床的1#和2#池塘為對照組(B組)。為防止魚類啃食空心菜根系，浮床載體采用雙層PE網。

1.2.2 水樣采集與檢測 分別于8月1日和8月8日上午9：00天氣晴朗無云時采集水樣。水樣的采集、運輸及保存嚴格按照HJ 493—2009《水質、樣品的保存和管理技術規定》執行，其中，一部分水樣經0.45 μm濾膜抽濾(FY-2C-N型旋片真空泵)后用于水質指標檢測，另一部分經0.22 μm醋酸纖維素濾膜抽濾(FY-2C-N型旋片真空泵)后，濾膜放入無菌離心管中液氮保存，用于核酸提取。

水樣DNA提取與細菌16S rRNA序列V3～V4區擴增委托上海美吉生物醫藥科技有限公司完成，擴增引物為338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)，利用Illumina MiSeq測序平臺進行高通量測序分析。

1.2.3 浮游植物樣品采集與鑒定 參考章宗涉和黃祥飛[16]的淡水浮游生物研究方法，采集試驗池塘的浮游植物樣品并進行定性和定量，參考胡鴻鈞和魏印心[17]的方法對浮游植物進行鑒定與計數。

根據下列公式計算A和B組池塘浮游植物的優勢度指數(Y)以確定優勢種(Y>0.02)，并計算Shannon指數(H′)、Pielou指數(J)和Margalef指數(d)。

Y=ni×fr/N

J=H′/log2S

d=(S-1)/lnN

式中，ni為物種i的密度，fi為物種i出現的頻率，N為所有物種的總密度，r為種類數，Pi代表第i種密度占總密度的比例，S為總種數。

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2010進行整理；細菌基因序列利用Usearch按97%相似度進行分類操作單元(OTU)聚類，以QIIME對各樣品進行均一化處理，并與SILVA數據庫比對進行物種注釋，以Mothur進行多樣性指數計算，以SPSS 21.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 強降雨對漁魚菜共生池塘水質的影響

表1 A和B組池塘水體理化因子的變化情況

2.2 強降雨對魚菜共生池塘浮游植物群落結構的影響

2.2.1 對浮游植物種類組成的影響 如圖1所示，試驗期間在A組池塘中共檢出浮游植物6門31屬49種，強降雨前后分別有38和39種，其種類組成均為綠藻—硅藻—藍藻型，綠藻門種類占比在強降雨后增加6.82%，硅藻門和藍藻門種類分別降低5.87%和3.04%；在B組池塘共檢出浮游植物6門31屬50種，強降雨前后分別有28和40種，其種類組成由綠藻—藍藻—裸藻型轉變為綠藻—硅藻—藍藻型，綠藻門、藍藻門和裸藻門種類占比在強降雨后分別降低1.79%、1.43%和5.36%，硅藻門種類則增加11.79%。說明夏季強降雨可明顯改變B組池塘的浮游植物種類組成，但對A組池塘影響不明顯，即設置空心菜浮床池塘浮游植物種類組成的穩定性高于無浮床池塘。

圖1 A和B組池塘浮游植物種類組成的變化情況Fig.1 Changes of phytoplankton species composition in ponds of group A and group B

如表2所示，夏季強降雨前后A組池塘分別有12和11個浮游植物優勢種，其優勢度指數平均分別為0.069和0.073。其中，強降雨前以顆粒直鏈藻為絕對優勢種，其優勢度指數為0.234；強降雨后顆粒直鏈藻的優勢度減少為0.173，卵形隱藻、銅綠微囊藻和長形藍隱藻成為新的優勢種，而點形平裂藻的優勢度指數由強降雨前的0.166增加至0.203，成為新的絕對優勢種。強降雨前后B組池塘分別有4和8個浮游植物優勢種，其優勢度指數平均分別為0.219和0.085。其中，強降雨前以尖頭顫藻為絕對優勢種，優勢度指數為0.637；強降雨后尾裸藻、顆粒直鏈藻、長形藍隱藻、卵形隱藻、肘狀針桿藻和銅綠微囊藻成為新的優勢種?？梢?，夏季強降雨后A組池塘中顆粒直鏈藻的優勢度明顯減少，B組池塘中顆粒直鏈藻的優勢度明顯增加，而A和B組池塘中長形藍隱藻和卵形隱藻的優勢度均增加；A組池塘浮游植物的優勢種數多于B組池塘，優勢種的平均優勢度低于B組池塘，因此A組池塘浮游植物優勢種組成的穩定性高于B組，即設置空心菜浮床池塘浮游植物優勢種組成的穩定性高于無浮床池塘。

表2 A和B組池塘浮游植物優勢種的優勢度指數變化情況

如圖2所示，夏季強降雨后A組池塘浮游植物藍藻門和隱藻門的相對豐度分別增加9.10%和6.14%，綠藻門、硅藻門和裸藻門的相對豐度分別減少3.11%、11.62%和0.55%；B組池塘浮游植物藍藻門的相對豐度減少40.88%，綠藻門、硅藻門、隱藻門和裸藻門的相對豐度分別增加6.97%、15.97%、9.01%和8.49%。說明夏季強降雨對A和B組池塘浮游植物門水平相對豐度的影響存在差異，以A組池塘浮游植物相對豐度組成的穩定性高于B組池塘，即設置空心菜浮床池塘的浮游植物相對豐度組成穩定性高于無浮床池塘。

圖2 A和B組池塘浮游植物門水平相對豐度的變化情況Fig.2 Changes of horizontal relative abundance of phyla phytoplankton in ponds of group A and group B

2.2.2 對浮游植物豐度、總生物量和多樣性指數的影響 如表3所示，夏季強降雨后A組池塘浮游植物的豐度下降12.46%，總生物量顯著增加405.26%；B組池塘浮游植物的豐度顯著下降68.01%，總生物量顯著增加152.33%；強降雨前A組池塘的Shannon指數、Pielou指數和Margalef指數分別為2.68、0.54和2.02強降雨后3種指數均有所上升，分別為2.80、0.55和2.24，但變化不顯著；而B組池塘的Shannon指數、Pielou指數和Margalef指數在強降雨后分別較強降雨前顯著增加97.93%、80.65%和60.65%，總生物量顯著增加152.33%。說明夏季強降雨后B組池塘的浮游植物豐度顯著下降，多樣性、均勻度和豐富度顯著上升，而A組池塘浮游植物的這些指標變化均不明顯，但強降雨后A和B 2組池塘浮游植物的總生物量均顯著增加，即設置空心菜浮床池塘的浮游植物豐度和多樣性指數穩定性均高于無浮床池塘。

表3 A和B組池塘浮游植物豐度、總生物量和多樣性指數的變化情況

2.3 強降雨對魚菜共生池塘水體細菌群落結構的影響

對A和B組池塘水體樣品的有效序列按97%相似性標準進行OTU聚類，A和B組池塘的水體樣品在強降雨前分別可劃分為927和709個OUTs，在強降雨后可劃分為800和753個OUTs。從表4可看出，所有樣本的覆蓋率均在99.00%以上，說明測序深度可較好地反映A和B組池塘中水體細菌的真實情況；強降雨后A組池塘水體細菌的Chao1指數、ACE指數和Shannon指數分別下降26.06%、25.83%和17.41%，Simpson指數上升438.89%；B組池塘水體細菌的Chao1指數、ACE指數和Simpson指數分別上升11.77%、28.49%和12.85%，Shannon指數下降3.16%。說明夏季強降雨后A組池塘水體細菌的豐度下降，而B組池塘水體細菌的豐度上升，A和B組池塘水體細菌的多樣性均下降，但A組池塘的降幅遠高于B組池塘，即設置空心菜浮床池塘水體細菌多樣性指數的穩定性低于無浮床池塘。

表4 A和B組池塘水體菌群結構的Alpha多樣性指數變化

經高通量測序及數據分析后，A和B組池塘水體的細菌歸屬于44門128綱305目481科834屬。如圖3～4所示，在門分類水平上，平均相對豐度排名前3位的門類為藍細菌門(Cyanobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteriota)。其中，與強降雨前相比，A組池塘水體在強降雨后藍細菌門的相對豐度增加26.29%，變形菌門和放線菌門分別減少10.70%和7.63%；而B組池塘水體藍細菌門和放線菌門的相對豐度分別增加0.47%和15.63%，變形菌門的相對豐度減少16.74%。在屬分類水平上，A組池塘水體在強降雨后CL500-29_marine_group和Mycobacterium的相對豐度分別減少2.89%和4.80%，Cyanobium_PCC-6307和hgcl_clade的相對豐度分別增加26.53%和1.64%；而B組池塘水體在強降雨后Planktothrix_NIVA-CYA_15和norank_f_Methylococcaceae的相對豐度分別減少0.69%和9.75%，hgcl_clade和CL500-29_marine_group的相對豐度分別增加15.25%和2.14%。

綜上所述，強降雨后在門分類水平上A組池塘水體放線菌門的相對豐度減少，而B組池塘水體放線菌門的相對豐度增加；A和B組池塘中藍細菌門的相對豐度均增加，變形菌門的相對豐度均減少；在屬分類水平上A組池塘水體CL500-29_marine_group的相對豐度減少，而B組池塘CL500-29_marine_group的相對豐度增加；A和B組池塘水體hgcl_clade的相對豐度均增加，Mycobacterium的相對豐度均減少。

3 討 論

圖3 A和B組池塘水體細菌在門分類水平上物種相對豐度的變化Fig.3 Changes in relative abundance of species at phyla level in the pond waters of group A and group B

圖4 A和B組池塘水體細菌在屬分類水平上物種相對豐度的變化Fig.4 Changes in relative abundance of species at genus level in the pond waters of group A and group B

本研究中，強降雨后設置空心菜浮床池塘和無浮床池塘的浮游植物總生物量均顯著增加，與Gierach等[7]的研究結果相似，說明強降雨后鰱鳙魚類攝食強度下降和強降雨對水體環境的擾動均有利于大型浮游植物生長；設置空心菜浮床池塘的浮游植物種類組成、豐度和多樣性指數均無顯著變化，而無浮床池塘的浮游植物種類數顯著增加42.86%，其種類組成由綠藻—藍藻—裸藻型轉變為綠藻—硅藻—藍藻型，硅藻門種類占比增加11.79%，Shannon指數、Pielou指數和Margalef指數均顯著增加，豐度顯著降低，說明無浮床池塘水體受降雨干擾程度較大，設置空心菜浮床池塘浮游植物的群落結構更穩定；強降雨后設置空心菜浮床池塘和無浮床池塘浮游植物的多樣性均有不同程度增加，可能是由強降雨導致水體混合干擾增加水體生態系統的時空異質性所致[23]。

對處于夏季的富營養化水體而言，強降雨中光照限制是水體浮游植物結構發生變化的主要驅動力[24]，通常導致水體浮游植物群落結構從由適應強光環境的藍藻主導向由耐弱光的硅藻主導轉變[8]。本研究結果與上述研究結果吻合，設置空心菜浮床池塘中藍藻門浮游植物大部分為較耐受弱光的種類，如顆粒直鏈藻即為較耐受弱光的浮游植物，受強降雨影響較小。本研究中，強降雨后浮游植物的豐度均有不同程度下降，與王為民等[25]的研究結果一致，但與Paerl等[10]的研究結果存在差異，究其原因可能是強降雨對浮游植物的影響存在滯后性，強降雨導致的劇烈物理沖擊與光照強度減弱可引起浮游植物豐度在短期內下降。

本研究結果表明，強降雨后設置空心菜浮床池塘水體細菌的相對豐度下降，而無浮床池塘水體細菌的相對豐度上升，可能是無浮床池塘水體受暴風雨攪動作用較大，使底泥中的細菌擴散至水體中增加水體細菌豐度的緣故；強降雨后水體的細菌群落多樣性均有所下降，推測是水體營養水平增加所致[26]；設置空心菜浮床池塘水體的細菌多樣性降幅遠高于無浮床池塘，可能與空心菜根系細菌多樣性較低且受暴雨沖擊散落至水體中較少有關[27]。本研究中檢出的水體細菌優勢屬中，強降雨后設置空心菜浮床池塘的有益微生物CL500-29_marine_group和Mycobacterium的相對豐度下降，hgcl_clade相對豐度僅上升1.64%，說明水體細菌群落對碳的利用能力減弱[28-30]，而無浮床池塘CL500-29_marine_group和hgcl_clade的相對豐度上升，其中hgcl_clade的相對豐度上升15.25%，說明水體細菌群落對碳的利用能力增強。因此，生產上可在強降雨后使用微生物制劑調節水質，以維持池塘微生態系統的穩定，確保養殖動物健康生長。

4 結 論

與無浮床池塘相比，夏季強降雨后魚菜共生池塘水質和浮游植物群落的穩定性更高，更有利于水產養殖動物生長，但水體細菌群落的豐度和多樣性下降。生產上可在強降雨后使用微生物制劑調節水質，以維持池塘微生態系統的穩定，確保養殖動物健康生長。