柄海鞘—微藻—刺參混養系統對水體中氮的修復潛力

陳麗紅　邢榮蓮　姜愛莉　滕立　王長海

摘要：為評估1種新型柄海鞘-微藻-刺參混養系統對水體中氮的修復潛力，于不同季節在山東萊州養殖基地進行海區圍隔養殖，設置刺參套養組和柄海鞘-微藻-刺參混養組：刺參套養組按小規格刺參（S）10～15 indm2，大規格刺參（L）5～6 indm2養殖；混養組在此基礎上增加微藻500 cellmL，柄海鞘800 gm3（濕質量密度）。主要研究不同季節不同養殖模式下水體中NH4+-N、NO3--N、NO2--N和總氮濃度的變化情況。結果表明，投餌和不投餌2種養殖模式下，混養組的幾種氮濃度均略高于刺參套養組，但遠低于刺參單獨飼養和柄海鞘單獨飼養2種養殖模式下氮的排放量之和。混養系統的3種生物通過在生態位和食物鏈上互利共生，可有效降低氮排放量，表明混養系統在氮循環利用中具有修復潛力。

關鍵詞：柄海鞘；微藻；刺參；混養；海鞘；氮排放

中圖分類號： S9672；X1714文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0289-03

收稿日期：2016-06-02

基金項目：國家自然科學基金（編號：31572622、31070368）；山東省自然科學基金（編號：ZR2014CM031、2014ZRB019DU）。

作者簡介：陳麗紅（1980—），山東煙臺人，碩士，講師，主要從事海洋微藻研究。Tel：（0535）6881942；E-mail：linachenlihong@hotmailcom。

通信作者：姜愛莉，博士，教授，主要從事海洋生態系統研究。Tel：（0535）6881942；E-mail：jal9035@163com。

隨著人們生活水平和健康意識的提高，對海參的需求量也不斷增加1]，海參人工養殖業隨之快速發展，養殖區域主要集中在沿海附近，養殖面積的迅速擴張以及集約化的養殖方式，既影響海域水質，又降低海參品質2]。

為改善上述困境，實現可持續發展。研究者近年來不斷嘗試生態養殖，將不同種類生物進行混合養殖或綜合養殖是目前最有效的方式之一3-5]。筆者所在課題組依據生態位原理6]，選用濾食性動物柄海鞘，建立了1種新型的柄海鞘-微藻-刺參混養系統，且已在實驗室驗證了其有效性和可行性。本研究設計海區養殖的圍隔試驗，以山東萊州某養殖基地為試驗地點，研究刺參套養和柄海鞘-微藻-刺參混養情況下水體中氮元素的變化水平，評估混養系統對海水中氮的修復潛力，旨在建立一種切實可行的自然生態養殖方法。

1材料與方法

11試驗設計

本研究在山東萊州某一養殖基地進行。試驗海區采用網狀圍隔生態學方法，以竹竿為支撐框架，外覆網孔為05 cm的聚乙烯網，四面的網衣下部埋入泥下30 cm。塘內共設試驗圍隔20個，每個圍隔的大小為8 m×8 m，圍隔高度約為 2 m，每個網圍隔內放置附著基32組。圍隔配以充氣泵增氧，每天06：30及18：30各開1次，每次2 h。養殖期間，春夏秋季根據潮汐情況進行換水，平均每天換掉池塘內30%～50%的水。冬季水溫較低時根據水質情況進行換水。

試驗前7 d接種底棲硅藻和其他浮游微藻（扁藻、小球藻、角毛藻、底棲硅藻），試驗過程中維持水體中的藻類密度約為500 cellmL。3～5 d后按試驗設計放入一定規格和數量的刺參；柄海鞘采用吊養方式，將附著柄海鞘的尼龍繩懸吊于養殖圍隔的水下，距水面約50～75 cm。每個圍隔分別吊養試驗設計規格和數量的柄海鞘。試驗刺參規格為大規格刺參（L）：（250±20） g，小規格刺參（S）：（50±20） g。

根據實驗室水箱試驗和池塘養殖結果設定養殖生物密度，按照養殖業中通常采用的大小刺參混合套養2]等情況設置4個處理組：A組為小規格刺參（S）10～15 indm2，大規格刺參（L）5～6 indm2，不投餌；B組為小規格刺參（S）10～15 indm2，大規格刺參（L）5～6 indm2，柄海鞘800 gm3（濕質量密度），不投餌；C組為小規格刺參（S）10～15 indm2，大規格刺參（L）5～6 indm2，投餌；D組為小規格刺參（S）10～15 indm2，大規格刺參（L）5～6 indm2，柄海鞘800 gm3（濕質量密度），投餌。每個處理設置5個重復。試驗過程及時將死亡生物取出，并補充同規格的生物，保持養殖過程中生物數量穩定。

投餌模式為每3 d投喂1次，干質量投飼率為全部刺參總體濕質量的5%（刺參餌料主要成分：粗蛋白15%，粗脂肪2%～5%，粗纖維10%，粗灰分45%，購自青島大海帝飼料有限公司），投喂前先用少量海水浸泡，投喂時均勻潑灑于養殖圍隔中，使之在底部均勻分布。刺參夏眠期間停止投喂。

本研究自2012年10月10日開始，2013年11月20日結束，按照刺參的生長規律，整個試驗分為以下幾個階段：（1）2012年10月10日—2012年11月25日，刺參第1個秋季生長期；（2）2012年11月26日—2013年2月10日，刺參冬眠期；（3）2013年2月11日—2013年6月30日，刺參春季生長期；（4）2013年7月01日—2013年10月25日，刺參夏眠期；（5）2013年10月26日—2013年11月20日，刺參第2個秋季生長期。

按照刺參的養殖規律2]，2012年11月10日和2013年6月12日分別出參1次，收獲體長15～20 cm（體質量150～300 g）的刺參，每次出參后補充（50±20） g小規格刺參。

12監測方法

每天09：00—09：30用YSI-6920M多參數水質監測儀在線測定水體的溫度、鹽度、pH值和溶解氧的量。

每10～15 d取1次海水樣品，測定養殖水體的理化因子。測定日08：00用有機玻璃采水器在距水面03～05 m水層處采取水樣，測定水體的營養鹽等指標。endprint

13統計分析

使用SPSS 110軟件和Duncans極差法對數據進行統計分析，P<005作為差異顯著的標準。

2結果與分析

21試驗期間基本試驗環境的變化

試驗過程中不同圍隔的水溫、鹽度、pH值等指標均無顯著差異。試驗期間水體pH值為789～843，溶解氧（dissolved oxygen）的含量為 516～718 mgL，整個試驗期間海水的鹽度為291‰～321‰。整個試驗過程中，1月份水溫最低，最低的為41 ℃；8月份最高，最高的達到267 ℃（圖1、圖2）。總體而言，試驗環境基本在刺參和柄海鞘的適宜生長范圍內，對刺參和柄海鞘生長不會產生較大影響。

22試驗期間水體中氮素指標變化

氨態氮是刺參和海鞘主要的氮排泄物7-8]，2種生物代謝率直接影響養殖環境中的氨氮濃度。從圖3中可以看出，氨態氮在整個試驗周期中波動較大。養殖初期，由于養殖生物的引入，水體氨態氮含量持續升高，進入冬季后，刺參和柄海鞘代謝率降低，且在水體中微藻的作用下，氨態氮含量有所降低。春季刺參和柄海鞘進入快速生長期，生長代謝旺盛，產生并排泄大量氨態氮，引起水體氨態氮濃度升高，但是春季微藻繁殖生長也加快，在此過程中可加快將水體中的氨態氮轉化為自身生物量，因而水體中氨態氮總體增長緩慢，這一趨勢一直持續到夏季刺參夏眠期。之后隨著刺參夏眠代謝的減緩，氨態氮濃度緩慢下降，夏眠結束后開始回升。

在刺參養殖系統中引入海鞘后，海鞘代謝會產生較多氨態氮8]，因而水體中的氨態氮濃度高于刺參單獨養殖組，但是在微藻的協同作用下，兩者之間的差異并不顯著，只有在7—10月期間，由于海鞘沒有夏眠過程，混養組水體中的氨態氮濃度顯著高于刺參套養組（P<005）。此階段微藻的生長繁殖較快，刺參的夏眠促進了底泥中底棲硅藻數量的增加9]，這些微藻會消耗掉大量的溶解性營養鹽，這對水質的保持也起到積極的作用。

投餌和不投餌2種模式比較，由于投喂的餌料不會被完全攝食，因此投餌組水體中的氨態氮濃度大體上顯著高于不投餌組（P<005）。夏眠期間不投喂，因此與其他階段相比，這一階段2種模式水體中的氨態氮濃度差異較小。

綜上而言，整個養殖周期中，刺參柄海鞘混養組與刺參套養組相比，混養組的氨態氮濃度略高，但兩者的氨態氮濃度差異不顯著，這也充分表明混養系統可有效降低水體中的氨態氮濃度。

養殖初期隨著水體中氨態氮（圖3）水平的逐漸升高，亞硝態氮（NO2--N）（圖4）和總氮（圖5）水平也緩慢升高，而圖6表明，硝態氮（NO3--N）的濃度變化較小。2012年11月10日出參并補充小規格刺參，不久刺參進入冬眠期，代謝基本停滯，低溫條件下柄海鞘和微藻及細菌的代謝均保持在較低水平，這一時期（2012年11月26日—2013年2月10日）水體中各種形態的氮濃度均呈下降趨勢。之后隨著水溫的升高，刺參進入春季生長期，代謝率逐漸升高，水體中氨態氮濃度逐漸升高，亞硝態氮濃度變化不大，而硝態氮和總氮濃度仍表現為持續的下降趨勢，主要原因可能是由于冬眠期刺參生物擾動作用的減弱引起底泥中微藻增殖9]，微藻對硝態氮的利用率高于氨態氮，在此過程中消耗掉水體中大量的硝態氮和亞硝氮10]；另外此時在養殖系統中以小規格刺參為主，對微藻的攝食能力弱于大規格刺參，也有利于微藻的快速繁殖，使總氮維持在較低水平。4月中旬之后，刺參和柄海鞘均進入快速生長期，代謝率大幅度提升，對微藻的攝食需求也隨之增加，表現為水體中各硝態氮和總氮濃度逐漸升高，亞硝態氮濃度仍處于較低水平。7月份刺參夏眠之后，由于氨態氮濃度降低，水體中總氮濃度開始下降，而硝態氮、亞硝態氮濃度仍緩慢升高，刺參和海鞘的主要氮代謝形態是氨態氮，因而在各種形態氮中，氨態氮的變化與這2種生物的生長相關性較強，而占比重較小的硝態氮和亞硝態氮則更多受到水體中微藻和細菌的影響。

試驗組間比較可知，2種養殖模式（投餌和不投餌）下，刺參套養組的幾種氮濃度整體上略低于刺參和柄海鞘混養組，主要原因可能是混養組中柄海鞘的代謝提高了氮的濃度。養殖系統中引入柄海鞘后，由于柄海鞘沒有夏眠期，而且夏季是柄海鞘的快速生長期，其較高的代謝率對水體氮濃度的提高起到了一定的作用，而其強大的濾水作用有效減少了水體懸浮微藻的量，但對于刺參的優質餌料——底棲硅藻并沒有太大作用。2種養殖模式比較可知，投餌組的氮濃度整體上顯著高于不投餌組（P<005）。雖然混養組氮濃度要略高于刺參套養組，但遠低于刺參單獨飼養和柄海鞘單獨飼養2種養殖模式下氮排放水平之和（數據另有文章發表），充分表明混養系統對水體中氮濃度的修復潛力。

3討論

養殖水體中氮的濃度遠高于磷的濃度11]，餌料投放通常是水體中氮的主要來源， 其中只有很小一部分的氮轉換為刺參生物量12]。各種養殖模式下，氨態氮都是最主要的無機氮形式，刺參和海鞘氮的主要排泄物均為氨態氮（70%～85%）13]。本研究表明，混養系統可將養殖水體中的部分氮排泄物吸收利用，從而使水體中的氮濃度保持在較低水平，說明該混養系統在氮的利用循環中具有較強的可行性。

養殖水體中的氮循環變化大多是生物學變化，受生物學活性調節14]?；祓B系統重視以自養生物為基礎的食物鏈調節作用。柄海鞘和刺參均為異養生物，微藻為自養型生物，可吸收水體中柄海鞘和刺參代謝產生的氮、磷并轉化為有機體，還可作為柄海鞘和海參餌料，降低人工投餌量，有助于降低水體的富營養化水平15-16]。

柄海鞘屬于濾食性動物，生態位與養殖貝類相同17]，具有很強的凈水能力18]，養殖方式一般采用繩子附著生長，不占據很大空間，不影響池底采光。在混養系統中柄海鞘可濾除過量的微藻，并通過攝食減少水體懸浮的有機顆粒含量。同時，微藻和柄海鞘排泄的假糞可成為底棲海參的食物來源19]，滿足了海參部分攝食需要，通過海參的攝食可有效清除富含的有機質，凈化水質。上述3種生物在水體中分別占據不同的空間位置，在食物鏈上存在互利關系。三者構成的生態系統正常運轉時，有機物質可被充分吸收利用，減少營養物質排放量，減少人為調節和環境污染。endprint

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