方格星蟲灘涂養殖對沉積物TOC和TN垂直分布的影響*

劉旭佳,黃國強,陸 潔,彭銀輝,潘繪竹,劉永宏

(1.廣西科學院,廣西海洋科學院(廣西紅樹林中心),廣西近海海洋環境科學重點實驗室,廣西南寧 530007;2.廣西中醫藥大學海洋藥物研究院,廣西南寧 530200;3.廣西海洋環境監測中心站,廣西北海 536000;4.北部灣大學海洋學院,廣西海洋生物多樣性養護重點實驗室,廣西欽州 535011)

方格星蟲(Sipunculusnudus)隸屬星蟲動物門(Sipuncula)[1],在我國廣西北部灣地區分布資源最多,同時也是廣西沿海灘涂養殖的重要物種之一,在廣西沿海的漁業經濟中占據重要地位[2-5]。方格星蟲是一種底棲無脊椎動物,主要以表層沉積物中有機質、細菌和碎屑為食物來源。方格星蟲主要通過攝食將表層有機顆粒向深層搬運與封存[6,7]。當大規模高密度養殖時,可能會導致局部沉積物環境富營養化,對區域養殖容量產生重要影響,在一定理化條件下有機質集中分解釋放時,會消耗大量氧氣,導致底質和水質環境惡化[6]。目前,對方格星蟲的研究主要集中在繁育、營養以及生態習性等方面[4,6-10],其中李俊偉等[11,12]研究了方格星蟲擾動對沉積物及間隙水的影響,蘇治南等[13]研究了方格星蟲采捕過程對海草床生物群落的影響,而關于方格星蟲不同養殖密度對灘涂沉積物的影響還未見報道。本研究通過灘涂圍隔實驗,研究方格星蟲不同養殖密度對灘涂沉積物TOC和TN垂直分布的季節含量變化的影響,為評估方格星蟲灘涂養殖對灘涂環境的影響提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗地點與時間

實驗在方格星蟲自然分布區域內進行,地點位于廣西北海市銀海區福成鎮竹林鹽場攔海大壩外灘涂(圖1),坐標21°26′5.49″N, 109°16′42.78″E,時間為2015年1月至2016年1月。

圖1 實驗地點

1.2 圍隔埋設

在灘涂大潮期間,待潮水退至低潮線時,將15個直徑為200 cm、高100 cm的PVC板圍隔按10 m間距埋設在沙灘上。在埋設圍隔的過程中,挖出約80 cm的沙層,將其中的方格星蟲、沙蠶(Nereissuccinea)、雙殼貝類等大型底棲生物清除,沙層無需人工攪動。將圍隔放置穩妥后,用橡皮錘將圍隔敲壓至只高出沉積物10 cm,最后將沙回填。圍隔上沿用孔徑為1 cm的尼龍漁網覆蓋,防止大型動物進入(圖2)。

圖2 圍隔埋設與漁網覆蓋

1.3 實驗設計

方格星蟲灘涂養殖圍隔實驗共設計5個密度處理組,分別為0(空白對照)、5、10、15、20 ind./m2,每個圍隔投放方格星蟲的數量分別為0、18、36、54、72條,方格星蟲投放規格為(0.51±0.14) g/ind.,養殖1年,每個處理設置3個重復,15個圍隔隨機分配。實驗期間,每2個月取樣測定灘涂沉積物中總有機碳(TOC)和總氮(TN)含量。

1.4 樣品采集、處理與測定

根據潮汐漲落和天氣的實際情況,采樣日期分別為2015年1月22日、2015年3月28日、2015年5月25日、2015年8月5日、2015年10月14日、2015年12月11日和2016年1月21日。使用有機玻璃柱狀沉積物采樣器(直徑5 cm、長度100 cm)進行采樣,同時配有手柄和錘,確保取到100 cm深度的樣品。將圍隔距圓心距離等分為圓心區、中間區和邊沿區,每次取樣在這3個區隨機取樣1管,100 cm柱狀沉積物按10 cm分層取樣,然后帶回實驗室處理。

帶回實驗室的樣品立即稱量后放入玻璃表面皿中,在70 ℃烘干至恒重,粉碎,60目過篩后裝瓶,放置干燥器中保存。測試前將樣品按需要量取出,用濃鹽酸熏蒸24 h除去無機碳,然后70 ℃烘干至恒重后保存待測。沉積物TOC和TN含量利用Perkin-Elmer 240C 元素分析儀(Perkin-Elmer Company,USA)進行測定。

1.5 統計分析

采用SPSS 20.0進行單因素方差分析和Duncan′s多重比較,以P<0.05作為統計差異顯著標準。

2 結果與分析

2.1 不同養殖密度處理圍隔中方格星蟲生長情況

由表1可知,10 ind./m2處理組方格星蟲成活率和平均體質量最大,分別為(61.1±36.1)%和(5.21±0.69) g/ind.,不同處理組間無顯著差異(P>0.05)。不同養殖密度處理方格星蟲總質量之間存在顯著差異,5 ind./m2處理組顯著低于20 ind./m2處理組(P<0.05)。

表1 不同養殖密度處理圍隔中方格星蟲生長狀況

2.2 不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC與TN垂直分布及季節變化

實驗開始時,圍隔中灘涂沉積物在0 ind./m2養殖密度處理、不同深度下的TOC與TN含量如表2所示。從表2可以看出,圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量分布比較均勻,其中淺層TOC含量略高于深層。

表2 2015年1月22日空白對照處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量

由表3可知,方格星蟲養殖2個月后,不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量基本呈現出由表層向深層增加的趨勢,不同深度間TOC含量存在統計學差異,而空白對照處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量垂直分布相對較均勻。不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物在各深度下TN含量均無顯著差異,僅在30 cm深度不同養殖密度下存在顯著差異(P<0.05)。

表3 2015年3月28日不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量

由表4和表5可知,隨著實驗時間的延長,在2015年5月25日和2015年8月5日,所有處理組圍隔中灘涂沉積物TOC含量基本上呈現出隨著深度增加而升高的趨勢,且不同深度間TOC含量有統計學差異。5個養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物在不同深度下TN含量均無顯著差異(P>0.05)。

表4 2015年5月25日不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量

表5 2015年8月5日不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量

由表6可知,在2015年10月14日,只有10 ind./m2養殖密度處理的圍隔中灘涂沉積物TOC含量存在顯著差異,呈現出隨著深度增加而升高的趨勢,其余圍隔中灘涂沉積物TOC含量隨深度增加略有上升,但差異不顯著。在30、40、60、70、80、90 cm深度下,10 ind./m2養殖密度處理TOC含量顯著高于5 ind./m2(P<0.05),其余處理組間差異不顯著(P>0.05)。5個養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物在不同深度下TN含量均無顯著差異(表6)。

表6 2015年10月14日不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量

2015年12月11日,5個養殖密度處理下圍隔中灘涂沉積物TOC含量基本呈現出隨著深度增加而升高的趨勢,但僅5 ind./m2和15 ind./m2養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量在垂直分布上未達差異顯著水平(表7)。在60 cm和100 cm深度下,不同養殖密度處理之間TOC含量存在統計學差異。100 cm深度下,不同養殖密度處理之間TN含量存在顯著差異,其中20 ind./m2養殖密度處理圍隔灘涂沉積物中TN含量顯著高于5 ind./m2(P<0.05)。

表7 2015年12月11日不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量

由表8可知,2016年1月21日,所有圍隔中灘涂沉積物TOC含量基本呈現出隨著深度增加而升高的趨勢,但只有0 ind./m2和5 ind./m2養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量在垂直分布上達到顯著水平(P<0.05)。100 cm深度下,不同養殖密度處理之間圍隔中灘涂沉積物TN含量存在顯著差異,其中5、10、15、20 ind./m2養殖密度處理下圍隔中灘涂沉積物TN含量顯著高于0 ind./m2(P<0.05)。

整體來看,圍隔中沉積物TOC含量的垂直分布存在季節變動,5、8、10月TOC含量隨著溫度的升高在垂直分布上存在明顯差異。在2016年溫度最低的1月,10、15、20 ind./m2高養殖密度處理下對TOC擾動較大,垂直分布無顯著差異。沉積物中TN含量的垂直分布與TOC明顯不同,在整個實驗周期的不同取樣時間始終保持較高的均勻性,未出現過隨深度增加升高或降低的現象。

2.3 不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC與TN平均含量的季節變化

不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC與TN平均含量的季節變化如圖3和圖4所示。從圖3可以看出,10 ind./m2養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量未出現明顯的季節差異。整體來看,所有養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量呈現“V”型季節變化規律(圖3),而TN含量呈現“∧”型季節變化規律(圖4)。

圖4 不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TN平均含量的季節變動

不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN的全年平均含量如圖5所示。整體上來看,空白對照處理圍隔中灘涂沉積物TOC全年平均含量高于15、20 ind./m2養殖密度處理,而沉積物TN全年平均含量均低于其余養殖密度處理。

圖5 不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN的全年平均含量

3 討論

3.1 方格星蟲不同養殖密度處理圍隔中生長情況

方格星蟲在不同養殖密度下灘涂養殖1 a,成活率和平均體質量未呈現出顯著差異,其中10 ind./m2處理的成活率與平均體質量分別為(61.1±36.1)%和(5.21±0.69) g/ind.,略高于其余養殖密度處理。文雪等[6]在北海市福成鎮竹林村沿海灘涂進行方格星蟲人工養殖試驗,大規格苗種(體質量0.39 g、養殖密度22.8 ind./m2)養殖423 d,成蟲平均體質量達到11.11 g/ind.,養殖成活率為74.85%。文雪等[7]在北海市合浦縣西場鎮沿海灘涂進行小規格和大規格方格星蟲養殖試驗,小規格(體質量0.05 g,養殖密度30.9 ind./m2)、大規格(體質量0.39 g,養殖密度22.6 ind./m2)經過439 d養殖周期,平均體質量分別為10.2、11.6 g/ind.,成活率分別為45.4%和70.3%。本研究野外實驗放養的方格星蟲苗種為大規格,養殖成活率與文雪等[6,7]的生產數據比較接近,但是實驗結束后方格星蟲的平均體質量卻較低。本次野外灘涂實驗雖然與文雪等[6]的研究屬于同一片養殖海區,但是灘涂養殖容量未開展相關研究,除了實驗周期短100多天外,體質量差異較大的原因還有待進一步深入研究。結合本研究生長情況和文獻結果推斷,廣西北海市沿海灘涂的方格星蟲養殖密度可以達到20 ind./m2,其明確的養殖容量仍需進一步實驗研究。

3.2 方格星蟲不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC和TN含量的垂直分布

本研究中,方格星蟲不同養殖密度灘涂養殖對圍隔中沉積物TOC含量分布有顯著影響,隨著灘涂養殖的進行,TOC含量存在隨著深度增加而升高的趨勢,說明方格星蟲生物擾動能夠加速沉積物中TOC分層分布的出現。沉積物中主要是顆粒性有機碳,方格星蟲對顆粒性有機碳造成下行遷移[11]。方格星蟲攝食表層沉積物中的有機質,一部分有機質轉化為自身生物量,通過掘穴、排泄等活動將表層有機質向深層搬運、遷移以及封存[11],這與前人研究中星蟲類通過攝食和排泄活動將有機物和營養元素帶入沉積物并向沉積物深層輸送的結果一致[14-16]。本研究結果表明,15 ind./m2和20 ind./m2高養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC全年平均含量低于空白對照處理,說明方格星蟲是一種灘涂低碳養殖品種。空白對照與不同養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC含量出現季節變化規律,推測與沉積物中微生物活動有關,北海5-10月平均氣溫25-29 ℃,沉積物中微生物活躍,微生物代謝會消耗大量的有機質。

研究表明,方格星蟲營穴居生活,在灘涂沉積物上會留下明顯“蟲眼”結構,結構中富含氧化后的白色細沙[12],因此方格星蟲不同養殖密度生理活動會造成沉積物有機質、含氧量等理化因子的改變,很有可能導致細菌群落差異。方格星蟲鉆潛深度閾值為70 cm,90%以上的方格星蟲潛沙深度在50 cm以內[17]。李俊偉等[11,12]的室內研究結果指出,方格星蟲養殖區域表層(0-3 cm)和中層(3-20 cm)有機質含量積累程度較高,方格星蟲對表層物質的遷移深度可達20-30 cm,這與方格星蟲的主要活動深度一致。不同季節的TOC含量隨著深度的增加有升高的趨勢,大部分采樣月份在100 cm深度下的沉積物TOC含量明顯高于表層至40 cm深度,推測可能是隨著深度增加,方格星蟲等大型底棲生物活動逐漸減弱,沉積物中有機物的分解過程較慢導致累積。

灘涂沉積物TN含量垂直分布較均勻,基本不受方格星蟲養殖的影響,可能是由于沉積物中的氮主要為溶解態的無機氮,并且實驗灘涂為砂質沉積物,透水性較好,對氮的吸附和保存能力要比顆粒更細的泥沙沉積物弱[18,19],其垂直分布的主要影響因素為沉積物的間隙水運動,由于潮流的影響,使沉積物中氮與海水交換迅速[20],因而沉積物中氮含量垂直分布較均勻。本研究中方格星蟲不同養殖密度處理圍隔中沉積物TN含量基本高于空白對照,可能是方格星蟲將表層沉積物下層遷移后分解以及方格星蟲本身的排泄活動,導致底層沉積物有機質及間隙水中硝氮、氨氮等含量增加。在本研究的養殖密度下,方格星蟲灘涂養殖會引起沉積物中TN的少量增加,但不會引起TOC和TN的明顯積累而導致沉積物環境惡化。

4 結論

本研究采用灘涂圍隔法探究方格星蟲不同養殖密度對沉積物TOC和TN含量的影響。結果顯示,10 ind./m2養殖密度處理方格星蟲成活率和規格最高,分別為(61.1±36.1)%和(5.21±0.69) g/ind.。方格星蟲不同養殖密度對圍隔中灘涂沉積物TOC含量垂直分布產生顯著影響,而TN含量垂直分布比較均勻,15 ind./m2和20 ind./m2養殖密度處理圍隔中灘涂沉積物TOC的全年平均含量低于空白對照,表明方格星蟲屬于海域灘涂低碳養殖物種。本研究未測定沉積物間隙水的無機氮與有機氮含量,后續將進一步深入研究沉積物總氮的季節變化規律,以期為方格星蟲灘涂養殖容量規劃提供科學依據。