集裝箱循環水養殖系統中浮游植物群落結構特征及影響因素

王龍燕，閔文武，王金樂，陳飛雄,3，周其椿,吳俁學

(1 貴州省生物研究所，貴州 貴陽 550009;2 貴州省農業科學院水產研究所，貴州 貴陽 550025；3 貴州省特種水產工程技術中心，貴州 貴陽 550025)

集裝箱循環水養殖系統(CRAS)是以集裝箱為養殖載體，應用高新技術有效控制養殖環境和養殖過程，實現分區養殖、易位處理和循環利用，具有節地、節水和高產等優點，是促進漁業生產高質量發展的有效技術模式[1]。應用該系統養殖羅非魚(Oreochromismossambicus)、草魚(Ctenopharyngodonidella)、大鱗鲃(Barbuscapito)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)、鯉魚(Cyprinuscarpio)等品種取得了良好的經濟和社會效益[2-6]。但集約化、高密度的養殖必然帶來污染物的大量排放，識別系統排放尾水中的主要污染物并提高污染物的處理效率成為當前研究的熱點[7-9]。“集裝箱+生態池塘”是集養殖生產和尾水處理的綜合養殖系統，具有雙高效的優勢，是農業農村部2018—2020年主推的養殖模式之一[10]。

浮游植物是水生態系統中主要生物群落之一，是構成水生態系統中多元化營養鏈的第一步，是浮游動物和底棲動物等水生動物的主要攝食對象[11-12]，是水環境健康狀況的重要指示生物[13-14]。在池塘循環流水養殖和人工濕地-池塘復合養殖系統等綜合養殖模式中關于浮游植物的研究已有報道[15-18]，“集裝箱+生態池塘”循環水養殖系統中浮游植物的研究尚未見報道。

通過對系統內水質指標和浮游植物進行檢測，分析系統尾水污染狀況，探索浮游植物變動規律，為科學管理和調節系統水質質量，提高系統養殖效益提供理論指導，為推廣應用集裝箱循環水養殖新模式提供科學依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 “集裝箱+生態池塘”循環水養殖系統構建

試驗基地集裝箱(6.1 m×2.8 m×2.4 m)共20個，養殖水體容積為25 m3/個，養殖魚類品種為鯉魚、草魚、大口黑鱸(Micropterussalmoides)、黃顙魚、斑點叉尾鮰(IetalurusPunetaus)和長吻鮠(Leiocassislongirostris)。系統水流方向為集裝箱養殖區→物理過濾區→一級沉淀池→二級沉淀池→生態凈化池塘→集裝箱養殖區的循環(圖1)。系統每天早上6時開始每隔3 h循環處理一次，每次1 h，每次通過2臺轉鼓微濾機輪流進行過濾，每天循環6次把養殖水體全部更換，每次循環回用水量的70%為生態凈化池塘水體， 30%為水庫新水。

圖1 “集裝箱+生態池塘”循環水養殖系統水流方向示意圖

物理過濾區配置2臺120目轉鼓微濾機，單臺水處理量為80 m3/h。生態池塘由一級沉淀池、二級沉淀池和生態凈化塘組成，一級沉淀池(18 m2)由3個逐級降低的階梯式水池(長×寬×深：6 m×1 m×1 m)連接組成，一級沉淀池尾水逐級漫水進入二級沉淀池，二級沉淀池(長×寬×深：6 m×4 m×1.5 m，24 m2)由鏤空磚墻圍砌而成，二級沉淀池與生態凈化塘頂高程相同，水通過磚墻縫隙進入生態凈化塘，生態凈化塘面積4 000 m2，平均水深2.0 m。一級沉淀池種植有粉綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)，布滿沉淀池；二級沉淀池采用浮筏種植有粉綠狐尾藻和豆瓣菜(Nasturtiumofficinale)，分別占二級沉淀池面積的80%和5%，一級和二級沉淀池中水生植物在試驗期內未進行采收。生態凈化塘內放養鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙(Hypophthalmichthysnobilis)，放養密度為鰱(300 g/尾)100尾/畝(1畝=0.067 hm2)，鳙(200 g/尾)100尾/畝，試驗期內未見死亡，也未進行捕撈。

1.2 樣本采樣及分析鑒定

1.3 數據處理及分析

運用浮游植物物種數、密度、生物量、Shannon-wiener 多樣性指數和Margalef豐富度指數進行浮游植物多樣性及群落結構特征分析，運用污染物去除率(E)進行尾水治理效果分析[24]，采用單因子污染物指數法(Pij)和總污染指數(S)識別尾水中主要污染物和污染程度[25]，浮游植物優勢物種根據優勢度指數(Y)判定[26]，Y>0.02即為優勢種，Y、E、Pij和S計算公式如下：

Y=Fi×Pi

(1)

(2)

(3)

S=∑pij

(4)

式中：Y為優勢度指數，Fi為第i個物種出現頻率(出現樣點數/總采樣點數)；Pi為第i個物種相對豐度(i物種豐度/總物種豐度)；E為污染物去除率，%；CA和CB分別為系統A和B點污染物質量濃度(mg/L)。Pij為污染物i的標準指數，Cij為污染物i在監測點j的實測質量濃度(mg/L)；Csi為水質參數i的地表水水質標準，根據河段水功能區劃分，本研究依據國家標準[27]Ⅲ類水質標準進行計算。S為總污染物指數。

運用PRIMER 5計算浮游植物Shannon-wiener 多樣性指數和Margalef豐富度指數，運用Excel office 2019和SPSS 19.0進行數據統計處理，A、B兩點水質及浮游植物群落結構差異采用方差分析和t檢驗。運用CANOCO 4.5 分析浮游植物與環境因子之間的關系，先用浮游植物密度進行去趨勢對應分析(Detrended correspondence analysis,DCA)，結果中Lengths of gradient第一軸值大于4時，選擇典范對應分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)，介于3～4之間選用CCA和線性模型的冗余分析(Redundancy analysis，RDA)均可，小于3時選擇RDA。選用Y>0.000 1的物種進行DCA、CCA和RDA分析，分析前對生物數據和環境數據(除pH外)進行lg(x+1)轉換，運用前選法(Forward selection)和999次蒙特卡洛置換檢驗(Monte Carlo permutation test)識別各環境因子的貢獻率。

2 結果

2.1 系統水處理效率及污染指數

系統T、pH和DO變化情況如表1所示， A和B的T整體表現為從1月至8月不斷升高并達到最高值，9月至12月不斷降低，夏季和冬季水溫差異顯著(P<0.05)，A點T比B點高0.6℃，整體增加4.23%，但差異不顯著。pH和DO月變化差異不顯著，尾水通過凈化后pH和DO均有不同程度升高，分別升高5.17%和23.49%。

表1 系統T、pH和DO月變化情況

圖2 A和B污染物質量濃度變化及去除率

表2 系統和TP污染指數

2.2 浮游植物種類組成及優勢種

系統中共檢出浮游植物7門58屬98種，其中綠藻門46種，占整個浮游植物物種組成的46.94%，硅藻門和裸藻門均為16種，分別占16.33%，藍藻門8種，占8.16%，甲藻門7種，占7.14%，隱藻門3種，占3.06%，金藻門2種，占2.04%。A點檢出浮游植物76種，B點檢出81種，均以綠藻門為主，如圖3所示，硅藻門、裸藻門和甲藻門種類數量為B>A，藍藻門、綠藻門和金藻門種類數量為B

浮游植物優勢度指數Y>0.000 1的物種統計如表3所示，A、B兩點共62種，其中A點54種，0.000 10.02的物種共5種；B點52種，0.000 10.02的物種共4種。

表3 浮游植物優勢種(Y>0.000 1)

(續表)

2.3 浮游植物群落結構特征

系統浮游植物密度和生物量組成如圖3所示。

圖3 浮游植物密度和生物量組成

A點浮游植物密度和生物量平均值分別為12.25×106cell/L，和26.69 mg/L。密度組成以綠藻門為主，占55.22%，其次是藍藻門，占31.48%，第三為硅藻門，占6.12%，其他門類占7.18%。3月密度極顯著高于其他月份(P<0.01)，為48.67×106cell/L，9月最低為0.91×106cell/L。 生物量組成以硅藻門為主，占60.19%，其次是綠藻門，占19.10%，第三為裸藻門，占8.76%，其他門類占11.95%。12月生物量最高，為89.99 mg/L，9月最低為0.74 mg/L。

B點浮游植物密度和生物量平均值為11.67×106cell/L和34.23mg/L。密度組成以綠藻門為主，占51.20%，其次是藍藻門，占33.22%，第三為隱藻門，占6.42%，其他門類占9.16%，3月份密度最高，為43.47×106cell/L，且極顯著高于其他月份(P<0.01)，10月密度最低為1.17×106cell/L。生物量組成以硅藻門為主，占54.50%，其次是綠藻門，占23.32%，第三為隱藻門，占14.47%，其他門類占7.71%，3月生物量最高為87.41mg/L，9月最低為2.75 mg/L。

A和B點浮游植物Shannon-wiener多樣性指數平均值分別為1.87和1.93，A點4月最高(2.64)11月最低(0.81)，B點7月最高(2.43)11月最低(1.12)。A和B浮游植物Margalef豐富度指數平均值分別為0.63和0.64，A點4月最高(0.86)11月最低(0.26)，B點10月最高(0.83)11月最低(0.38)。

2.4 浮游植物群落結構與環境因子響應關系

表4 環境因子與排序軸1、2的相關系數

圖4 浮游植物密度與環境因子RDA排序

3 討論與分析

3.1 系統尾水污染物現狀

魚類養殖密度和飼料投喂量是影響尾水中污染物質量濃度的重要指標，該系統為2019年7月建成投產，2020年4月、5月和6月正處于大部分魚類快速生長成熟的階段，大量的投飼和高密度的養殖，導致4月、5月和6月尾水污染物濃度較其他月份高，且5月總污染指數顯著高于其他月份。同時，魚類活動和殘飼的耗氧增加導致水體DO下降，導致DO含量較其他月份低的結果一致。2020年7月初大部分商品魚已經出售，單位水體魚類存塘和密度明顯降低，餌飼投喂量也相應降低，尾水中污染物質量濃度隨之下降。本試驗中，由于缺乏對應時間的魚類養殖密度和餌飼投喂量具體指標值，其與排放尾水的質量濃度之間的相互關系需要開展進一步的測定和分析。

3.2 系統水處理效果及影響因素

3.3 浮游植物群落結構及主要影響因素

吳振斌等[41]研究了武漢東湖官橋人工濕地-池塘組合系統中浮游生物群落結構，結果顯示試驗池塘檢出浮游植物6門49屬，以綠藻為優勢種群，藻類密度與和生物量與TP均顯著相關。王璐等[16]研究了主養團頭魴搭配少量鰱鳙的人工濕地-池塘復合養殖系統中浮游植物生態特征，結果顯示檢出浮游植物8門91種，以綠藻種類最多，藍藻密度最高，密度和生物量平均值分別為1.52×109個/L和9.8 mg/L，浮游植物種類豐度受到多個環境因子的影響，本文結果與以上研究結果相似。B點浮游植物多樣性指數高于A點，說明通過凈化區處理，尾水水質得到改善，從而改善浮游植物群落結構，提高生物多樣性。

依附集裝箱循環水養殖衍生的“集裝箱+生態池塘”“集裝箱+稻漁綜合種養”“集裝箱+魚菜共生”等養殖技術是一個工業技術和農業技術集成的產物，對推動漁業轉型升級具有重要作用，但“集裝箱+”模式存在的水環境控制難度大，養殖密度達不到設計要求，設備及運行成本過高等問題依然是限制該模式發展的主要因素，應加強標準化“集裝箱+”模式的研究，提高養殖經濟及生態效率，推進集裝箱循環水養殖高質量發展。

4 結論

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