循環水養殖池塘中浮游動植物功能群特征及水質評價

向勁，吳啟藩，宋銳，彭治桃，李金龍，高峰，謝敏，程小飛

（1.湖南省水產科學研究所，湖南 長沙 410153；2.湖南省水產原種場，湖南 長沙 410153）

池塘循環水養殖模式又稱池塘工程化循環水養殖模式（in-pond raceway system，IPRS）的推水設施，使水槽集約養殖區與外圍生態凈化區水體交換，搭配殘餌糞便收集處理系統，實現健康、高效養殖，是目前我國池塘養殖轉型升級的重要方向[1]。在斑點叉尾（Ictalurus punctatus）、草魚（Ctenopharyngodon idella）、大口黑鱸（Micropterus salmoides）、吉富羅非魚（GIFT Oreochromis niloticus）等經濟魚類在循環水養殖模式效果得到一致認可后，該養殖模式的生態效益評價隨之受到了關注[2,3]。監測精養池塘水質時，浮游動植物的群落結構變化常被作為重要依據，與水質理化因子結果共同反映水生態變化情況[4,5]。

較為傳統的浮游動、植物生態評價方法有指示生物、現存量富營養化分級指示、Shannon-weiner 多樣性指數、Simpson 指數、Margalef 指數和Pielou 均勻度指數等。在監測不同類型水體環境時，不同種類浮游植物的生存條件偏好差異常常被忽略，評價結果不能完全體現水環境特征。為解決這一問題，引入了“功能群（functional groups）”概念，以進一步闡明浮游植物群落結構組成與環境因子之間的內在聯系。Reynolds、Judit Padisák 等在林氏分類法基礎上，根據生境特征將浮游植物分為39 個功能群[6,7]。在近年的水生態學監測中，結合各水域實際情況，廣泛應用浮游植物功能群生境特征的指示作用評價水質[8,9]。浮游動物功能群系統的構建工作起步較晚，應用范圍不夠全面，此類研究多集中于海洋浮游動物生態調查中。安睿等[10]在研究三江平原濕地環境時，首次構建了淡水環境的浮游動物功能群系統，依據浮游動物營養層次及體型、捕食特征差異，分為原生動物濾食者（PF）、原生動物捕食者（PC）、輪蟲濾食者（RF）、輪蟲捕食者（RC）、小型浮游動物濾食者（SCF）、小型浮游動物捕食者（SCC）、中型浮游動物濾食者（MCF）、中型浮游動物捕食者（MCC）、大型浮游動物濾食者（LCF）和大型浮游動物捕食者（LCC）共10 個浮游動物功能群。之后，由于調查的水域類型及生態研究的側重點常存在差異，為了更簡便、高效地開展水生態調查，相繼調整了浮游動物功能群的劃分[11,12]。

目前，浮游植物功能群的水生態評價方法主要有Q 指數法，是Judit Padisák 等綜合多類水環境特征，對各功能群差異化賦值，結合生物量計算出的Q 值，結果所處范圍表征水體的污染等級[7]。根據浮游動物指示生物的環境敏感度和耐受性差異評估水體污染程度，是浮游動物功能群進行生態評價的重要方法[12]。浮游動植物在水生態系統物質循環中分別作為次級、初級生產力發揮重要作用，包含食性特征的浮游動物功能群系統與浮游植物之間或存在更加系統的制約作用[13]。養殖池塘中圍繞浮游植物與浮游動物不同種類之間的相關性研究較多，而以功能群為單位的關聯性研究鮮見報道[14,15]。

本研究首次以浮游生物功能群的方法評估了循環水養殖池塘剛投入使用及運行一年后的水質，系統分析該養殖模式對水生態環境的中長期影響，探討浮游動植物功能群的演替規律與相互作用，可為推廣池塘循環水養殖模式和浮游生物功能群的研究提供基礎數據與理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣地點與時間

2017 年底，長沙鄉里里手農業科技發展有限公司（28°38′N，112°88′E）擴建了12.7 hm2粗養池塘，改造了循環水養殖模式，新建了40 條長22 m、寬5 m、深2.7 m 的養殖水槽。水槽兩端有配套的推水設施和底部集污設施。2018 年共有24 條水槽投放魚種進行精養，水槽外水體主要放養2、3 齡的鰱、鳙、草魚及鯉，密度分別為1 200 kg·hm-2、600 kg·hm-2、120 kg·hm-2與480 kg·hm-2。2018 及2019 年3 月下旬，根據該基地各功能水域的特點，共設9 個采樣點：1、2、3 在推水設施上游區域，4、5、6 分布于養殖水槽中和7、8、9 為水槽下游區域（圖1），反映循環水養殖模式剛投入使用階段和養殖一年后的水質狀態。

圖1 循環水養殖平面圖（a）和采樣點設置圖（b）Fig.1 Plan of recirculating aquaculture (a) and sampling sites (b)

1.2 樣品采集與處理

水質理化指標：水溫、溶氧量、pH 用美國賽維YSI ProPlus 便攜式多參數水質測量儀、透明度用塞氏盤現場測定，氨氮、總磷、硫化物及亞硝酸鹽含量水樣固定后，帶回實驗室按地表水環境質量標準（GB3838-2002）[16]測定。

浮游動植物的采集、鑒定及計數參照《中國淡水藻類》[17]與《內陸水域漁業自然資源調查手冊》[18]進行。

1.3 功能群劃分

依照Judit Padisák 等整理的39 個功能群框架作為浮游植物功能群劃分依據。

在安睿等[9]的研究基礎上，對浮游動物功能群的劃分做了三點調整：一是食性特征相似、食物鏈位置重疊，將中型浮游動物濾（捕）食功能群并入大型浮游動物濾（捕）食功能群中；二是根據體型特征，將輪蟲捕食者功能群中的晶囊輪蟲（Asplanchna）等大規格種類移入大型浮游動物捕食者功能群中；三是根據浮游動物的浮游與底棲習性差異，增設喜底棲生活的捕食與濾食功能群。最終將浮游動物劃分為8 個功能群（表1），以期更好體現浮游動物水生態環境以及與浮游植物群落結構之間的關聯特征。

表1 浮游動物功能群的劃分Tab.1 Division of functional groups of zooplankton

1.4 數據分析

采用Pinkas 等[19]提出的相對重要性指數（index of relative important，IRI）計算功能群的優勢度，具體公式為:

式中：N%表示某一浮游動（植）物功能群的豐度在群落中所占百分比；F%為該功能群出現的樣點數占總樣點數的百分比。當IRI≥1 000 為優勢功能群，100≤IRI＜1 000 為常見功能群，100＞IRI 時為少見功能群。

Q 指數法是將浮游植物各功能群的生物量分布，以公式量化的形式進行水生態評價的方法[7]，其公式為：

式中：ni為第i 種功能群的生物量，N 為各功能群生物量之和，Pi為第i 種功能群的生物量與全體生物量之比，F 為第i 種功能群對應的常數，根據水域類型、水體面積、水深、鈣-堿含量、水體交換等生境條件進行差異化賦值，本研究中根據Padisak等的水質評價方法中第三種水域類型對F 進行賦值，Q 表示水質污染狀態，值越大說明水質污染越輕。Q 為0～1 為極重污染，1～2 為重污染，2～3 為中污染，3～4 為輕污染，4～5 為無污染。

用WPSoffice 整理數據，制作表格；采用SPSS22.0軟件進行顯著性差異分析（ANOVA）；用origin 2021軟件完成功能群間的Pearson 相關性分析及制圖。

2 結果與分析

2.1 水體理化因子測定結果

實驗期間監測的8 項環境因子結果均符合地表水Ⅲ類標準（表2），2018 年與2019 年水溫、pH、氨氮及硫化物含量具有顯著差異（P＜0.05）。2019年監測時水溫較2018 年同期稍低，pH、氨氮及硫化物含量均顯著升高（P＜0.05）。

表2 池塘水體理化因子變化Tab.2 Changes in physical and chemical factors in the ponds

2.2 水體中浮游植物功能群分布特征

將鑒定到的68 種（屬）浮游植物劃分為23 個浮游植物功能群（表3），2018 年與2019 年均發現19 個功能群。2018 年的優勢功能群為功能群E、D，常見功能群3 個，按IRI 值從高至低依次為：功能群P、J 和X3；2019 年的優勢功能群為：功能群TD 和J，常見功能群10 個，依次為功能群D、T、P、X1、X3、K、H1、Y、W0及W1。

表3 浮游植物功能群特征及相對重要性指數變化Tab.3 Characteristics of phytoplankton functional groups and IRI changes

2018 年與2019 年浮游植物的豐度分別為（5.10±2.63）×106cells·L-1和（7.52±3.70）×106cells·L-1。圖2 為各區域的浮游植物豐度變化。2019 年浮游植物豐度與點位間的差異值較2018 年有所增長，無顯著性差異（P＞0.05）。

圖2 各區域浮游植物豐度的年際變化Fig.2 Interannual variation of phytoplankton abundance in each region

以浮游植物功能群Q 指數法進行生態評價，根據各功能群的參數F（表3）計算出群落污染指數Q值。2018 與2019 年分別為3.41 和3.99，均處于輕污染狀態（3≤Q＜4）。

2.3 浮游動物功能群分布特征

調查期間，共采集并鑒定浮游動物34 種（屬），其中2018 年為29 種（屬），2019 年為26 種（屬），均劃分為6 個功能群。表4 為各功能群的相對重要性指數和主要出現種屬，2018 年優勢功能群為PSF 及PMF，2019 年變化為PMF、PLF 及PSP，功能群BF與PLP 相對較穩定。

表4 浮游動物功能群相對重要性指數變化及主要出現種屬Tab.4 IRI changes and main species in zooplankton functional groups

2018 與2019 年浮游動物的豐度分別為（314.37±144.72）ind./L 和（339.56±196.22）ind./L，生物量分別為（0.62±0.32）mg/L 和（1.04±0.70）mg/L。由圖3 可知，2019 年推水設施上游區域的浮游動物生物量較2018 年降低，水槽養殖區和推水設施下游的生物量及各點位的差值均增長，但差異無顯著性（P＞0.05）。

圖3 各區域浮游動物生物量的年際變化Fig.3 Interannual variation of zooplankton biomass in each region

以功能群中各主要種屬的生態特性代表該功能群的生境特征。2018 年優勢功能群PSF（以富營養化中小型輪蟲為主）的IRI 指數較2019 年銳減93.4%，2019 年的優勢功能群PLF、PSP 及PMF 的IRI 指數較2018 年有較大幅度的提高（表4）。

2.4 浮游動物與浮游植物功能群間的相關性分析

兩年間浮游動物與浮游植物功能群分別進行的Pearson 相關性熱圖分析顯示（圖4），相關系數的位置代表結果為顯著性相關（P＜0.05）。浮游動物與浮游植物功能群之間的顯著關系均為正相關，且二者相關性的年度差異較大。2018 年，浮游微型濾食功能群PMF 受到小個體浮游植物為主的功能群X1和X3的促進作用，浮游小型濾食功能群PSF 受到浮游植物功能群W1、L0、G 的促進作用，浮游大型濾食功能群PLF 受到浮游植物功能群LM 和G 的促進作用，浮游大型捕食功能群PLP 也受到浮游植物功能群G 的促進作用。2019 年，浮游小型濾食功能群PSF 受到浮游植物功能群K 的促進作用，底棲濾食功能群BF 受到適應攪動生境的針桿藻、小環藻及喜附沉水植物為主的浮游植物功能群B、D 及TD的促進作用，浮游微型濾食功能群PMF、浮游大型濾食功能群PLF、浮游小型捕食功能群PSP 和浮游大型捕食功能群PLP 均受到浮游植物功能群W1和X2的促進作用。

圖4 浮游動物與浮游植物功能群之間的Pearson 相關性分析熱圖Fig.4 Heat map of Pearson correlation between functional groups of zooplankton and phytoplankton

3 討論

3.1 浮游動、植物群落結構變化及功能群特征

調查期間，浮游植物功能群的變化更多體現在各功能群的相對重要性指數而不是功能群的種類和數量上。與緯度相近地區的循環水養殖模式比較，浮游植物數量與武漢地區較接近，但遠低于上海地區，放養密度與日常管理存在較大差異或是造成這一差異的主要原因[20,21]。池塘水體受到頻繁攪動，光照、養分等生境條件隨著其位置變化而改變，是浮游植物群落演替的重要因素[22]。王博涵等[23]和劉乾甫等[24]分別研究了河流生態系統與傳統池塘浮游植物功能群的關聯，結果表明功能群D 更適應水層混合度及渾濁度較高的水體，藍于倩等[25]發現，功能群P 對水體攪動混合具有較強的適應性。錢奎梅等[26]監測鄱陽湖水質得到功能群H1更適應分層、低氮生境。而李磊等[27]發現更適合靜止水體的功能群Y 與適合混合水體生境的功能群T 同為小關水庫中常見功能群，其主要原因可能為人工放閘劇烈紊動導致水庫的水層混合程度出現空間差異。一般認為，小型水體較大型水面的浮游植物優勢度更集中，使得浮游植物群落變化受水環境影響的敏感性更強，不同功能群之間演替特征更加明顯[28]。本研究中，2018 年的優勢功能群與常見功能群表現出小型水體、耐受弱光、水層混合度高、富二氧化碳生境等生態特征。經過一年循環水養殖生產，浮游植物功能群變化較大，2018 年的優勢功能群E、D在2019 年被功能群TD 和J 所取代，2019 年新出現的常見功能群T、X1、K、H1、Y、W0與W1反映出水層混合頻繁及淺水特征。綜上所述，調查期間池塘生境特征在2018 年整體表現為水層混合度高，2019年的水層混合頻繁但不均衡現象明顯。

與浮游植物相似，浮游動物種類在養殖前后的變化較小且功能群一致。浮游動物生物量的增長比豐度更明顯，反映出浮游動物的個體大型化趨勢。徐航英等[11]采用浮游動物功能群對浙江省8 處水源地水庫進行水質調查研究，發現大型濾食類浮游動物在冬、春季時對水體營養狀態影響更大，這與本研究結果基本一致。各功能群的生物量結果顯示，浮游大型捕食PLP 與浮游大型濾食功能群PLF始終占絕對優勢。相關性分析顯示，浮游植物功能群W1和X2與大型浮游動物功能群為顯著正相關關系。功能群W1和X2的現存量較少推測浮游動物功能群演替的首要驅動力并非浮游植物的上行控制效應，而更可能是浮游動物群落生態穩定性的自然演替趨勢[29,30]，或是以大型浮游動物為食的濾食性魚類套養密度不夠[31]。這一結論在王亞寧等[32]的研究結果中得到了佐證。大體型浮游動物枝角類較輪蟲類的捕食效率更高，當發生食物類資源競爭時，枝角類具有更大的競爭優勢。

3.2 水質評價

調查期間，水體各項理化因子均符合地表水Ⅲ類標準，其中總磷與亞硝酸鹽含量較穩定，氨氮及硫化物含量明顯上升，說明一年后循環水養殖池塘部分富營養化，但仍符合養殖水質標準。在水環境監測與水質評價中，單一污染物指標多根據有害和有毒物質對人類健康產生影響的閾值來制定，相較而言，利用浮游動、植物群落與水環境的關系，以生態系統的角度為環境質量的監測和評價提供依據，更能反映出水文環境、水動力及人為活動干擾等變化，對水質的評價結果更具穩定性及持續性[33]。

浮游植物作為水生態系統的重要組成部分，反映水體營養狀態的變化較為靈敏，常作為生物監測指標來評定水質[34]。閔文武等[35]進一步認為，浮游植物功能群對水體生境類型、環境因子的差異等具有表征作用。Q 指數評價法以浮游植物功能群的劃分為依據，更加重視每種生物對環境因素改變的耐受及適應范圍，在水質評價中更容易發現水質變化的驅動因子[36]。本研究中，前后兩次的Q 指數結果顯示池塘水質處于輕污染狀態，且有小幅好轉的趨勢。

浮游動物的生活方式與活動能力異于浮游植物，浮游動物指示生物法對水生態環境變化的響應更加靈敏和直接[37]。2018 年，浮游動物優勢功能群PSF 包含的主要種類有β-中污帶指示生物的螺形龜甲輪蟲（Keratella cochlearis）和長三肢輪蟲（Filinia longisela）及寡污帶指示種的刺蓋異尾輪蟲（Trichocerca capucina）。2019 年，IRI 指數明顯增長的優勢功能群PLF、PSP 及PMF 的主要種類中，冠砂殼蟲（Difflugia corona）、長額象鼻溞（Bosmina longirostris）、短尾秀體溞（Diaphanosoma brachyurum）為寡污帶指示種，針簇多肢輪蟲（Polyarthra trigla）、淡水筒殼蟲（Tintinnidium fluviatile）、鐘形鐘蟲（Vorticella campanula）為β-中污帶指示種。優勢功能群中主要現存及變化種類均代表寡污帶和β-中污帶生境特征，反映池塘整體處于β-中污-寡污的營養狀態。

盡管以上三種水質評價方法的側重點有所差異，但均顯示池塘為輕污染狀態，符合養殖標準且較穩定。浮游植物豐度及浮游動物生物量在不同功能水域的比較結果中，推水設施上游的浮游動植物均有降低，水槽養殖與推水設施下游區域整體呈增長趨勢。說明經過一年的循環水養殖，池塘水質雖然未發生明顯惡化，但水槽養殖區域的浮游生物有非顯著性增長，且不同點位間差異更加明顯。

3.3 浮游動物與浮游植物功能群的相關性

對池塘中浮游生物群落特征的研究多側重于浮游植物或浮游動物與水體理化因子間的分析，往往忽略了食物鏈的上下行關系，尤其是浮游動物與浮游植物之間的相互作用。有研究發現，浮游植物與浮游動物功能群的豐度表現出顯著正相關時，很可能是浮游植物為對應的浮游動物功能群提供了餌料所致[38]。本研究中浮游動物功能群的劃分依據包含體型、捕食與活動類型等特征，以體現浮游動物與浮游植物群落之間直接或者間接捕食關系。Pearson 相關性分析結果中，與微型、小型濾食性浮游動物功能群PMF、PSF 顯著正相關的浮游植物主要有功能群W1、L0、K、X1、X2、X3和G。這些浮游植物功能群多由適應富營養或帶鞭毛的小型浮游植物組成。與大型、底棲類濾食性浮游動物功能群PLF、BF 顯著正相關的有浮游植物功能群LM、G、W1、X2、B、D 及TD。這些浮游植物功能群可分為兩部分，一部分（功能群W1、X2、G、LM）是與微型、小型濾食浮游動物功能群同樣顯著正相關的富營養小型浮游植物，另一部分（功能群B、D、TD）是適應中營養生境的硅藻及附著類綠藻。此外，浮游植物功能群G、W1及X2與捕食類浮游動物（功能群PSP、PLP）和微型、小型濾食者浮游動物（功能群PMF、PSF）均表現出顯著正相關關系。因此認為，中小型個體浮游植物對捕食類浮游動物的促進作用至少有兩種途徑，一種為直接的被捕食關系，另一種可能以微型、小型濾食類浮游動物作為食物鏈中間環節進行傳導。

循環水養殖一年后，池塘中浮游動植物種類與功能群數量變化較穩定，但各功能群的相對重要性指數變化較大。水層混合的不均衡或為浮游植物功能群劇烈演替的主要驅動力。濾食性魚類套養數量不足，以及基于浮游動物群落生態穩定性的自然演替，是浮游動物大型化趨勢的主要原因，在后續養殖生產中有必要加大在外塘套養鰱鳙的密度。

小型濾食類浮游動物主要受耐富營養、帶鞭毛、較小體型的浮游植物功能群W1、L0、K、X1、X2、X3及G 的促進作用，大型濾食類浮游動物主要受到兩大類浮游植物功能群的促進作用，一類為耐富營養的小型浮游植物功能群LM、G、W1及X2，另一類為包括附著類綠藻及適應中營養生境的硅藻等組成的功能群B、D 和TD。浮游植物功能群G、W1和X2對捕食類浮游動物的促進作用可能包括直接上行效應或以食物鏈間接傳導兩種途徑。

綜合池塘理化指標與浮游動植物功能群方法評定水質變化，該水體處于輕-中污染狀態，符合養殖水質標準且整體較穩定。在后續的監測中，有必要圍繞水槽內的養殖強度、水槽外的鰱鳙套養密度及循環水設施的日常管理等開展更加深入的研究。