大麻哈魚產卵場呼瑪河段水域優勢水生植物氮、磷吸收率初探

魯萬橋，李培倫，劉偉，唐富江，王繼隆

（中國水產科學研究院黑龍江水產研究所/農業農村部黑龍江流域漁業資源環境科學觀測實驗站，哈爾濱 150070）

大麻哈魚（Oncorhynchus keta）目前由于資源量的枯竭，被規劃為國家3 級保護動物［1-3］，足以說明大麻哈魚的資源恢復刻不容緩，而大麻哈魚對產卵場的條件要求比較嚴苛，環境僻靜，水質澄清，水流較急，水溫在5～7 ℃為宜，底質為沙礫地［4］。呼瑪河段水域因其自身優越條件，成為了大麻哈魚少數天然產卵場之一，由于近些年自然環境的變遷（洪水倒灌）以及人為所造成的破壞（耕田面積的增加、道橋工程建設等），導致該河段生境產生了更替的現象［5，6］，并滋生大量藻類等沉水性植物，且其優勢種具有季節性變化趨勢。根據2018 年下半年多次的實地考察發現，呼瑪河段水域在秋季期間的優勢種為普生輪藻、柔枝水蘚；冬天的絕對優勢種為水綿。

在研究大麻哈魚產卵行為的過程中，發現大麻哈魚會自行清除附于底質的其他水生植物，而大麻哈魚因上溯洄游會消耗大量的體力，繼而會嚴重影響其產卵量，最終導致大麻哈魚的繁殖量大幅度下降。因此為了更好地探究呼瑪河段大麻哈魚產卵場的優勢水生植物，于2018 年10 月至2019 年1 月進行了多次試驗，探究相關植物在不同氮磷濃度下的吸收速率，明確其生長機制，為修復呼瑪河段大麻哈魚產卵場提供相關依據及理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與預處理

普生輪藻、柔枝水蘚及水棉3 種試驗對象均采自于呼瑪河段，如圖1。準備10 個承裝容器（水族桶），將3 種植物采集洗凈、稱量，并等量地放置于其中9 個容器中（剩余1 個容器為空白對照），進行正式試驗，而在此之前，剔除生長狀況不佳、枝葉泛黃的試驗樣本，并進行拍照保存。

圖1 采樣試驗區分布

1.2 試驗方法

在容量相同的試驗水族箱（直徑16.2 cm，高46.5 cm）中加入同等的培養液（3 組試驗培養液的N、P 元素來源均不一致）。每日采樣2 次（早、晚各1次），并利用AA3 儀（連續流動營養鹽分析儀）對其N、P 濃度進行測定，同時分別測量其溫度、溶解氧及電導率等理化指標，對試驗過程可測的理化條件進行實時監控，試驗跨度為7 d。每個試驗組均設定3個平行試驗組外加1 個空白對照組。此外，3 組試驗水溫均保持在（19±2.5）℃，利用日光燈管作為固定光源（自每天第1 次采樣前打開，在第2 次采樣后關閉，保證了每天的有效光照時間為12 h），其光照度保持在6 680 lx。

利用公式計算N、P 元素吸收速率［7］：

式中，U為營養元素（N、P）平均每天的吸收速率［μmol/（g·d）］；C0為試驗開始時培養液中營養元素的濃度（μmol/L）；Ct為試驗結束時培養液中營養鹽濃度（μmol/L）；V為所用培養液體積（L）；t為試驗時間（d）；G為所添加試驗對象同濃度梯度的平均生物量（g）。

1.3 試驗設計

1.3.1 普生輪藻、柔枝水蘚在不同N/P 濃度培養液的吸收速率 首先底質的模擬，本研究利用上述所用水族桶加入等量的土（同批次大興安嶺營養黑土）及砂石（同款水晶砂），培養液則設定3 個濃度梯度分別為16∶1、40∶1以及80∶1，其中N的來源為NaNO3、尿 素；P 的來源 為KH2PO3。令NaNO3、KH2PO3為定量，利用尿素來改變N、P 元素的濃度比值，其他成分為MgSO4。保證了培養液P 初始濃度為2.28 mg/L，N 初始濃度則分別為36.48 mg/L（1-3 號缸、低濃度梯度）、91.20 mg/L（4-6 號缸、中濃度梯度）及182.40 mg/L（7-9 號缸、高濃度梯度）。

1.3.2 水綿在不同N/P 濃度培養液的吸收速率 培養液同樣設定3 個濃度梯度，分別為16∶1、40∶1 以及80∶1，且N、P 來源與上述培養液相同，而不同的是KH2PO3、尿素作為定量，利用NaNO3來改變N、P 元素的濃度比值，使培養液P 初始濃度為0.5 mg/L，N初始濃度則分別為8 mg/L（1-3 號缸、低濃度梯度）、20 mg/L（4-6 號缸、中濃度梯度）及40 mg/L（7-9 號缸、高濃度梯度），并無其他成分。

最后利用式（1），結合3 個試驗對象的實際生長情況對比其種間、組間對N、P 的吸收速率。

2 結果與分析

2.1 不同N/P 濃度下普生輪藻的吸收速率

從試驗結果（圖2、圖3）來看，在N 吸收效果方面：低濃度試驗組表現相對穩定，中、高濃度試驗組起伏變化比較大，不過吸收效果相當，都相比于低濃度試驗組高，其吸收速率（低濃度至高濃度，下同）分別為2.95、21.22、20.86 μmol/（g·d）；P 吸收效果方面：不同濃度試驗組對其吸收效果趨勢比較相似，尤以N/P 為16∶1、氮濃度36.48 mg/L 的低濃度試驗組效果最佳，N/P 為40、氮濃度為91.20 mg/L 次之，吸收速率分別為1.57、0.89、0.61 μmol/（g·d）；此外綜合其生長情況來看，N/P 為80∶1、N 濃度為182.40 mg/L的試驗組，生長效果最佳，N/P 為40∶1，N 濃度為91.20 mg/L 次之，而N/P 為16∶1，N 濃度為36.48 mg/L試驗組出現減重情況。

圖2 普生輪藻在不同濃度梯度下N 濃度變化趨勢

2.2 不同N/P 濃度下柔枝水蘚的吸收速率

從試驗結果（圖4、圖5）來看，同普生輪藻相似，柔枝水蘚雖然同樣對N 吸收效果組間差異明顯，但是不同濃度試驗組對P 吸收效果均較好，尤以N/P為80∶1、N 濃度為182.40 mg/L 的高濃度試驗組效果最佳，N/P 為40∶1、N 濃度為91.20 mg/L 次之，對N 元素吸收速率分別為4.06、25.83、67.73 μmol/（g·d）；對P 元素吸收速率分別為1.77、1.73、1.83 μmol/（g·d）；此外從其生長情況來看，N/P 為80∶1、N 濃度為182.40 mg/L 的試驗組，生長效果最佳，N/P 為40∶1、N 濃度為91.20 mg/L 次之，而N/P 為16∶1、N 濃度為36.48 mg/L 的試驗組生長效果并不理想，各梯度試驗組出現不同程度減重情況。

圖4 柔枝水蘚在不同濃度梯度下N 濃度變化趨勢

圖5 柔枝水蘚在不同濃度梯度下P 濃度變化趨勢

2.3 不同N/P 濃度下水綿的吸收速率

水棉對N、P 的吸收效果都比較明顯，如圖6、圖7 所示。首先在N 吸收效果方面：低濃度試驗組＜高濃度試驗組＜中濃度試驗組，而吸收速率分別為9.79、15.13、11.11 μmol/（g·d）；P 吸收效果方面：不同濃度試驗組的吸收效果也都十分理想，尤以N/P為80∶1、氮濃度為40 mg/L 的高濃度試驗組效果最佳，N/P 為40∶1、N 濃度為20 mg/L 次之，且2 個組別差異并不明顯，3 個組別的P 元素吸收速率分別為0.60、1.13、1.14 μmol/（g·d）；此外從其生長情況來看，在本次試驗結束后，稱取的為代謝完已經死亡的水棉，從整體來看，中濃度梯度試驗組死亡量最少，表明其生長情況相比于其他2 個試驗組要好（圖8）。

圖6 水綿在不同濃度梯度下N 濃度變化趨勢

圖7 水綿在不同濃度梯度下P 濃度變化趨勢

圖8 水棉損耗情況

3 小結與討論

3.1 不同N/P 濃度對植物吸收速度的對比

3 種水生植物在不同N/P 濃度的情況下，對N、P元素的最佳吸收速率均有所不同，如表1 所示。

表1 各吸收速率情況分布 ［單位：μmol/（g·d）］

1）N 濃度在36.48～182.40 mg/L 范圍之內，普生輪藻及柔枝水蘚均可對N、P 元素進行有效的吸收，但是N、P 的不同比例之間，3 種試驗樣本的日均吸收速率均不盡相同［8，9］。

2）在N吸收速率方面，普生輪藻最快吸收速率發生在N/P為40∶1時，此時日均速率為21.22 μmol/（g·d）；柔枝水蘚最快吸收速率發生在N/P 為80∶1時，此時日均速率為67.73 μmol/（g·d）；而水綿最快吸收速率則同樣發生在N/P 為40∶1時，此時日均速率為15.13 μmol/（g·d），而當N 濃度達到一定程度時，也會導致植物對其吸收產生一定影響［10］。

3）在P吸收速率方面，普生輪藻最快吸收速率發生在N/P為16∶1時，此時日均速率為1.57 μmol/（g·d）；而柔枝水蘚最快吸收速率則發生在N/P 為80∶1時，此時日均速率為1.83 μmol/（g·d）；同樣水綿最快吸收速率也發生在N/P 為80∶1時，此時日均速率為1.14 μmol/（g·d）。

4）從整體來看，N 濃度日均吸收速率均遠大于P濃度日均吸收速率；此外，從上述植物試驗后的生長情況來看，均有不同程度的減重損耗現象。

3.2 不同N/P 濃度對植物吸收速度的影響因素

基于上述試驗的結果，發現進行到試驗后期底質的釋放量以及人為擾動因素，諸如攪動等操作，會對試驗有一定程度的影響，因此，在試驗結束后針對所用底質進行了下述驗證性試驗：準備上述相同的暫養水族桶7個，分別為1 號缸：大興安嶺營養黑土；2 號缸：大興安嶺營養黑土，采樣前進行攪拌，使水質中的各種元素分布均勻；3 號缸：大興安嶺營養黑土加水晶砂石；4 號缸：大興安嶺營養黑土加水晶砂石，采樣前同樣進行攪拌；5 號缸：呼瑪河段底質土；6 號缸：呼瑪河段底質砂石；7 號缸：水（空白對照）。試驗為期7 d，采樣頻率為1 次/d。結果表明，所有樣本中所測磷濃度均處于極低狀態下，因此可忽略不記，而N 濃度結果如圖9 所示。

圖9 底質N 濃度變化

從圖9 可以看出，首先，底質為營養黑土的樣本缸的N 濃度有明顯上升趨勢，表明其釋放量比較大，而從呼瑪所采集的樣本土則變化不明顯，略有起伏，幾乎與空白對照組一樣表現平穩；其次，根據1、3 號與2、4 號對比可以看出有人為攪動采樣的樣本上升趨勢相比較于沒有攪動的樣本更趨于穩定上升，反之，沒有攪動采樣的樣本，上升波動十分明顯，這也表明1、2 號中的濃度變化波動幅度較大。

此外，培養液的配比也是重要影響因子之一，根據目前所配比出的溶液濃度來看，整體濃度均過大，遠超過國家所規定的Ⅴ等水體質量要求（水綿含量雖然相對接近指標，但也超過該標準）［11］，因此不難排除植物可能是由于培養液的濃度過大而影響其吸收生長。

最后，即研究對象的自身生長情況，由于采樣地點比較偏遠，所以自采樣至正式試驗的開始，所有試驗樣本均經過了暫養至運輸至2 次暫養的過程，其本身健康狀態難以保證，因此，也會對試驗產生一定程度的影響。

3.3 關于大麻哈魚產卵場修復——沉水性植物去除的策略

目前，經過多年的調查，可保留使用的大麻哈魚產卵場已經不多，多個產卵場亟待恢復［12］，而所面臨的問題并不相同，有人為破壞（修壩、沿岸工廠的設立以及農田的擴建等），還有自然因素的干擾，尤以呼瑪河段產卵場的沉水性植物最為嚴重，而針對其去除目前并沒有太好的方法，大多利用物理方法［13，14］去除（如超聲波管控、人工清除等），人工清除的方法優勢是收效較快，在短時間內，可以讓問題得到一定程度的解決，但是其劣勢就是無法根本去除，一段時間后，問題依舊存在，而高頻超聲波整體控藻效果并不是特別明顯［15］，這樣會耗費大量的人力、物力。后有學者提出利用化學方法進行去除，已經有開展相關方面的研究，主要利用除草劑等化學物質進行管控［16］，但極易破壞當前的生態系統，針對目前呼瑪河的環境現狀并不可取，目前有專家提出利用生物方法，可通過增加食物鏈中消費者的“消費能力”，譬如放養魚類等方式［16，17］，或增加分解者的“分解能力”，諸如釋放菌群等手段［18］，以此達到刺激其對水生植物的去除目的，且相關方法早在20 世紀70 年代中葉就已經進行使用［19］，技術手段趨于成熟，安全穩定。

根據目前呼瑪河段的狀況，適當地放養鰱魚、鳙魚等植食性魚類，無法對其水域進行實時監測，繼而可能誘導“生物入侵”等現象的發生，結合目前試驗結果來看，通過投放無害氮磷的鹽類物質，在噴灑適量濃度的前提下，可對相關水域的水質起到大面積高效率的“清洗”作用，進而達到大麻哈魚產卵場修復的目的。