飼料分解對不同養殖水體生態環境的影響

宣雄智，李文嘉，李紹鈺，魏鳳仙，徐 彬，王樹啟，劉金根

(1.蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008； 2.河南省農業科學院 畜牧獸醫研究所，河南 鄭州 450002； 3.汕頭大學 海洋生物研究所，廣東 汕頭515063)

養殖池塘生態系統結構簡單，主要包括養殖動物、水生生物和微生物等，系統穩定性差，一旦惡化難以自我修復[1]。高密度養殖模式下，飼料殘餌是污染養殖系統水質的主要外源物質[2]。研究表明，與養殖動物尸體和排泄物相比，殘餌是引起水質惡化的關鍵因子[3]。養殖池塘殘餌分解會降低水體pH值，增加水體化學耗氧量及氨氮等無機營養物含量，同時，在殘餌分解過程中，水體細菌尤其是條件致病菌會迅速生長繁殖，可在短時間內耗盡水體溶解氧，從而嚴重威脅養殖動物的生長[4-6]。養殖水質惡化的速度和程度與殘餌的類型和數量有關，殘餌越多，水質惡化越快[7-8]。生產中，養殖戶通常7～15 d 換一次水來改善池塘水環境，排放出的養殖廢水易導致江河水體富營養化，然而鮮有學者研究飼料殘餌分解對不同水體水質、浮游植物和可培養細菌等生態因子的影響及這些因子的變化規律。由于影響養殖水體生態環境的因子眾多，且變化規律復雜，水體環境調控始終是養殖生產中的重點和難點。為此，通過室內模擬試驗，探索飼料存在與否對不同養殖水體生態因子的影響，為養殖生產中的科學投飼及水環境精確調控提供依據。

1 材料和方法

1.1 供試飼料

商業沉性顆粒飼料模擬飼料殘餌(通威通用型淡水養殖專用飼料1038型)，采用國標法(GB/T 6432—94、GB/T 6433—2006、GB/T 6438—2007)測定該飼料營養成分(干物質)：粗蛋白含量為29.23%、粗脂肪3.12%、粗灰分11.83%、水分9.80%。

1.2 供試水體

3種試驗水體分別取自廣州市南沙區某養殖基地的養殖池塘(主養草魚、羅非魚和烏鱧)0.2 m水深處。

1.3 試驗設施

將18個40 cm×40 cm×40 cm敞口水族缸置于玻璃房內，試驗開始前用0.10 g/kg高錳酸鉀消毒清洗；試驗水溫維持在22～24 ℃，試驗周期為15 d。

1.4 試驗設計

試驗開始前，用13號浮游生物網過濾試驗養殖水體，并靜置平衡24 h以減少水體中浮游動物、固體懸浮物對試驗數據測定產生的影響[9]。將不做任何處理的草魚、羅非魚和烏鱧養殖水體設為對照組C1、對照組C2和對照組C3；將均勻投放5 g(試驗期間只投放1 次)[3]沉性顆粒飼料的3種水體分別設為試驗組T1、試驗組T2和試驗組T3，以觀測沒有或存在飼料殘餌時，不同養殖水體生態環境的變化。每個敞口水族缸中加入的水體體積均為50 L，每組3個重復，水族缸接受自然光照。

測定水體水質指標有溶解氧(DO)含量、pH值、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)含量、化學耗氧量(COD)。

1.5 樣品收集與指標測定

試驗周期15 d,每天10:00在水族缸中央離缸底20 cm處取水樣1 L用于測定試驗指標，取樣結束后用初始水體補充至原水位。

試驗水體水質指標參照于洋[10]描述的方法，水體總氮含量采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定；總磷含量采用鉬酸鹽分光光度法測定；氨氮含量采用納氏試劑光度法測定；硝酸鹽含量采用酚二磺酸光度法測定；亞硝酸鹽含量采用N-(1-奈基)-乙二胺光度法測定；溶解氧含量使用哈希 HACH HQ40d分析儀測定；pH值用梅特勒-托利多FE20型 pH計測定；化學耗氧量采用高錳酸鉀法測定。

試驗水體中可培養細菌數量參照高程等[11]描述的方法利用平板菌落計數法測定，培養基配方：牛肉膏 5 g、蛋白胨 10 g、NaCl 5 g、瓊脂15 g、水 1 000 mL、pH值 7.2～7.4。

試驗水體中浮游植物種類鑒定和密度計算于試驗開始前和試驗結束后進行。浮游植物的識別與鑒定參照胡鴻鈞等[12]的方法；浮游植物密度用浮游生物計數框測定[13]，采用Shannon-Wiener指數公式估算試驗水體浮游植物多樣性指數。

1.6 數據統計

采用SPSS 22.0軟件中Pearson簡單相關系數法分析水體不同生態因子之間的相關性，以P<0.01且相關系數絕對值大于0.75為顯著相關，用Excel 2016軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 初始水體指標及無殘餌污染時不同水體水質指標的變化

由表1可知，同一種養殖水體的對照組和試驗組之間，初始水質指標基本相同。草魚養殖水體偏堿性，pH值高于其他兩組；羅非魚養殖水體溶解氧和總磷含量較高，而烏鱧養殖水體溶解氧含量較低，但總氮、氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽含量及化學耗氧量均高于其他兩組。

表1 草魚、羅非魚、烏鱧養殖水體指標初始值Tab.1 Initial water quality parameters in aquaculture water of the grass carp,tilapia and snakehead

圖1顯示，試驗過程中C1、C2和C3組溶解氧含量均呈緩慢下降趨勢，表明3個對照組水體中生物呼吸作用消耗的溶解氧均大于浮游植物光合作用產生的氧氣。試驗第13天起至第15天結束，C2和C3組溶解氧含量分別下降1.27 mg/L和1.02 mg/L，可能與浮游植物衰亡、降解過程中消耗水體溶解氧有關。圖2顯示，試驗過程中，各對照組pH值均呈下降趨勢，相關性分析表明，各對照組水體pH值與溶解氧含量呈顯著正相關(P<0.01)(表2—4)。

圖3和圖4顯示，與試驗初相比，C1和C2組總磷含量在試驗結束時分別下降0.08 mg/L和0.04 mg/L，總氮含量分別降低0.17 mg/L和0.11 mg/L，C3組總氮、總磷含量基本穩定。圖5顯示，C1、C2和C3組氨氮含量基本穩定，變化范圍分別為0.43～0.53 mg/L、0.28～0.38 mg/L和0.55～0.69 mg/L。由此可知，水體中浮游植物生長代謝對氮、磷元素的消耗較少。

圖1 各試驗水體溶解氧含量變化趨勢Fig.1 The trend of DO content in each experimental water

圖2 各試驗水體pH值指標變化趨勢Fig.2 The trend of pH value in each experimental water

表2 草魚養殖水體(對照組)各生態因子之間的相關性Tab.2 The correlation between each ecological factor of grass carp aquaculture water(control)

注：*表示在0.01水平(雙側)上顯著相關，且相關系數絕對值大于0.75，下同。

Note: Significant correlation at 0.01 level (two-side),and the absolute value of correlation coefficient>0.75,the same below.

表3 羅非魚養殖水體(對照組)各生態因子之間的相關性Tab.3 The correlation between each ecological factor of tilapia aquaculture water(control)

圖6顯示，C1、C2和C3組水體硝酸鹽含量變化幅度均很小，無明顯變化規律。

圖7顯示，試驗過程中C1組亞硝酸鹽含量較穩定，但C2和C3組亞硝酸鹽含量在試驗后期均呈上升趨勢，出現這種差異可能是因為不同水體微生物的數量和代謝強度不同，產生的亞硝酸鹽量也不同。

表4 烏鱧養殖水體(對照組)各生態因子之間的相關性Tab.4 The correlation between each ecological factor of snakehead aquaculture water(control)

圖3 各試驗水體總磷含量變化趨勢Fig.3 The trend of TP content in each experimental water

圖4 各試驗水體總氮含量變化趨勢Fig.4 The trend of TN content in each experimental water

C1、C2和C3組水體化學耗氧量變化范圍分別為14.04～15.92 mg/L、10.40～12.65 mg/L和18.58～21.28 mg/L(圖8)，可培養細菌數的變化范圍分別是2.73×106～2.91×106cfu/mL、1.70×106～1.93×106cfu/mL和1.11×106～1.41×106cfu/mL(圖9)，兩者變化趨勢均無明顯規律。

圖5 各試驗水體氨氮含量變化趨勢Fig.5 The trend of NH3-N content in each experimental water

圖6 各試驗水體硝酸鹽含量變化趨勢Fig.6 The trend of NO3-N content in each experimental water

圖7 各試驗水體亞硝酸鹽含量變化趨勢Fig.7 The trend of NO2-N content in each experimental water

2.2 存在飼料殘餌時不同水體水質指標的變化

圖1顯示，T1、T2和T3組溶解氧含量在試驗第1天分別下降2.21 mg/L、1.14 mg/L和0.98 mg/L，試驗中后期，T1和T3組溶解氧含量呈下降趨勢，而T2組溶解氧含量較穩定，這種差異可能與水體中浮游植物種類、數量及光合作用強度有關。此外，鏡檢觀察發現，試驗結束時各試驗組中原生動物和輪蟲等數量差異較大，它們呼吸耗氧的差異也可能是造成各試驗組水體溶解氧含量變化趨勢不同的原因。

圖8 各試驗水體化學耗氧量變化趨勢Fig.8 The trend of COD in each experimental water

圖9 各試驗水體可培養細菌數量變化趨勢Fig.9 Trend of the amount of culturable bacteria in the water of each experimental

圖2顯示，各試驗組pH值均呈下降趨勢，T1和T2組pH值分別于第6天和第8天下降至最低值5.93和6.08，此后均呈上升趨勢，然而，T3組pH值則呈持續下降趨勢，表明各試驗組pH值下降速率和幅度均不相同。

圖3和圖4顯示，至試驗第5 天，T1、T2和T3組總磷含量上升0.59 mg/L、0.40 mg/L和0.42 mg/L，總氮含量分別上升2.12 mg/L、1.86 mg/L和1.69 mg/L，當總磷和總氮含量升到最高值后，均轉為下降趨勢。表2—4相關性分析結果顯示，水體總磷與總氮含量的變化趨勢呈顯著正相關(P<0.01)，但各試驗組總磷和總氮含量的變化幅度并不相同，表明飼料在不同水體環境下的分解產生總磷和總氮的速率不同。圖5顯示，至試驗第2天，T1、T2和T3組氨氮含量分別上升1.83 mg/L、1.13 mg/L和1.34 mg/L，且均在第5天達到最高值，T1組氨氮增量高于其他兩組，可能與水體微生物數量和代謝強度有關，此后，T1和T2組呈下降趨勢，T3組基本穩定。

圖6顯示，至試驗第5天，T1、T2和T3組硝酸鹽含量分別升高0.29 mg/L、0.19 mg/L和0.43 mg/L，此后，T1和T2組硝酸鹽含量繼續上升，T3組硝酸鹽含量卻基本穩定；圖7顯示各試驗組水體亞硝酸鹽含量均呈上升趨勢，這是由于一方面，微生物持續分解飼料殘餌產生亞硝酸鹽，另一方面，水體的低溶解氧環境又為亞硝酸鹽的積累創造了有利條件。

至試驗第4天，T1、T2和T3組可培養細菌數量分別升高2.28×106cfu/mL、1.96×106cfu/mL和1.50×106cfu/mL(圖9)，化學耗氧量分別升高5.78 mg/L、3.31 mg/L和4.60 mg/L(圖8)，T1組可培養細菌數和化學耗氧量的增量均高于其他兩組。表5顯示，T1組可培養細菌數和化學耗氧量呈顯著正相關(P<0.01)，即間接表明水體可培養細菌數的變化與水體有機物含量相關。圖8顯示，試驗后期各試驗組化學耗氧量均有所下降，與整個試驗過程中的最高值相比，試驗結束時，T1、T2和T3組化學耗氧量分別下降3.09 mg/L、1.42 mg/L和2.46 mg/L，表明試驗后期各水體有機物含量呈下降趨勢。

表5—7相關性分析結果表明，各試驗組水體可培養細菌數量與溶解氧含量和pH值均呈顯著負相關(P<0.01)，與水體總磷、氨氮、硝酸鹽含量均呈顯著正相關(P<0.01)，表明微生物數量在殘餌分解過程中起關鍵作用，進而影響水體惡化速度與惡化程度。

表5 草魚養殖水體(試驗組)各生態因子之間的相關性Tab.5 The correlation between each ecological factor of grass carp aquaculture water(treatment)

表6 羅非魚養殖水體(試驗組)各生態因子之間的相關性Tab.6 The correlation between each ecological factor of tilapia aquaculture water(treatment)

表7 烏鱧養殖水體(試驗組)各生態因子之間的相關性Tab.7 The correlation between each ecological factor of snakehead aquaculture water(treatment)

2.3 試驗前后浮游植物種類與數量的變化

從圖10和圖11可以看出，與試驗初相比，試驗結束時，C1、C2和C3組浮游植物密度分別上升43.50%、36.12%和27.57%，多樣性指數分別上升5.76%、8.01%和5.63%；而T1、T2和T3組浮游植物密度分別是試驗初的11.54倍、9.57倍和8.68倍，多樣性指數分別下降18.11%、12.71%和4.35%。表8顯示，試驗結束時，各對照組浮游植物種類與試驗初期相比無明顯變化；T1組的優勢種群為微囊藻屬和小球藻屬藻類、T2組的優勢種群為微囊藻屬藻類，T3組的優勢種群為針桿藻屬藻類，各試驗組浮游植物數量、種類和多樣性指數變化幅度均不同，這可能受水體多種生態因子的影響。

圖10 試驗前后不同水體浮游植物密度變化Fig.10 Changes of phytoplankton density in different waters before and after the experiment

圖11 試驗前后不同水體浮游植物多樣性指數變化Fig.11 Changes of phytoplankton diversity index in different waters before and after the experiment

門Phylum屬GenusC1/T1C2/T2C3/T3C1C2C3T1T2T3隱藻門Cryptophyta隱藻屬Cryptophyta+++綠藻門Chlorophyta小球藻屬Chlorella++++++++++++++++新月藻屬Closterium+++卵囊藻屬Oocystis+++柵藻屬Scenedesmus+++++++++++++月牙藻屬Selenastrum+綠球藻屬Chloroccum++++++++++纖維藻屬Ankistrodesmus++++衣藻屬Chlamydomonas?+鞘藻屬Oedogonium+++鼓藻屬Cosmarium++空星藻屬Coelastrum+四角藻屬Tetraedron?+集星藻屬Actinastrum+?+水綿屬Spirogyra?+十字藻屬Crucigenia+++++

續表8 試驗前后不同水體浮游植物種類組成Tab.8(Continued) The species composition of phytoplankton in each group at the begin and at the end of the experiment

注：某屬浮游植物數量占總數的比例設為Y。+： 2%≤Y<10%，++：10%≤Y<20%，+++：Y≥20%，Y<2%的不作標記。C1/T1、C2/T2、C3/T3：草魚、羅非魚、烏鱧試驗初始養殖水體；C1、C2、C3：草魚、羅非魚、烏鱧對照組試驗終末養殖水體；T1、T2、T3：草魚、羅非魚、烏鱧試驗組試驗終末養殖水體。

Note: The proportion of the amount of phytoplankton in a genus is set as Y.+:2%≤Y<10%,++:10%≤Y<20%,+++:Y≥20%,Y<2% is not marked.C1/T1,C2/T2,C3/T3:the aquaculture waters of grass carp,tilapia and snakehead at the beginning of the experiment; C1,C2,C3: the aquaculture waters of grass carp,tilapia and snakehead(control) at the end of the experiment; T1,T2,T3:the aquaculture waters of grass carp,tilapia and snakehead(treatment) at the end of the experiment.

3 結論與討論

3.1 飼料殘餌分解對不同水體水質指標的影響

溶解氧含量是指溶解于水中的氧的含量，是衡量水質的重要指標。本研究中，當水體中存在飼料殘餌時，草魚、羅非魚和烏鱧3種不同水體溶解氧含量在試驗進行24 h內便迅速下降，與石廣福[8]的研究結果一致。本研究中，各試驗組水體溶解氧含量與可培養細菌數呈顯著負相關，表明飼料分解過程中的細菌增殖是導致水體溶解氧含量降低的主要原因之一[14]。

pH值可間接反映水體溶解氧、CO2、堿度和溶解鹽等水質指標情況[15]。試驗前期，各試驗組pH值均呈下降趨勢，可能是氨氧化菌等微生物將氨氮轉化為亞硝酸鹽的過程中產生酸性物質所致[10]。試驗后期，草魚和羅非魚試驗組pH值呈上升趨勢，烏鱧水體pH值則仍呈下降趨勢，該結果可能與水體浮游植物數量有關，浮游植物數量多，則消耗的CO2多[16]，水體pH值隨之升高。

微生物在水生生態系統中扮演著分解者、轉化者、生產者等多重角色，易受外源營養物質的影響[19]，化學耗氧量則可間接反映水體中有機物的含量[15]。試驗前期，各試驗組可培養細菌數量增量依次為草魚組>羅非魚組>烏鱧組，這可能與水體浮游植物數量有關，浮游植物越多，光合作用代謝產生的可溶性有機物越多，越有利于細菌的生長繁殖[20]，試驗后期，各水體化學耗氧量有所下降，這與王方雨[15]的研究結果一致，表明微生物生長代謝有利于消除水體的有機物污染。

3.2 飼料殘餌分解對不同水體浮游植物的影響

同一屬的浮游植物對水環境的指示作用類似[21]，因此本研究僅鑒定到屬。物種多樣性可表征一定區域內生物資源豐富程度，用以描述生物群落的演替方向、速度和穩定程度[22]。有研究表明，浮游微藻對總無機氮和總無機磷的最適含量下限分別為79.9 μg/L和18.0 μg/L[23]。各試驗組水體營養鹽含量均遠高于最適含量下限值，故浮游植物迅速生長，但多樣性指數卻有所下降，這與劉乾甫等[24]的研究結果一致，表明飼料分解導致水質惡化。有研究表明，低氮磷比環境有助于藍藻和綠藻的迅速生長[25]，水體總氮和總磷含量的比例變化可能是藍藻門微囊藻屬和綠藻門小球藻屬藻類成為草魚和羅非魚試驗組的優勢種群的原因。烏鱧試驗組針桿藻屬藻類在試驗結束時成為優勢種群，可能是由于烏鱧試驗組pH值較低，低pH值環境會抑制藻類的生長，且有利于硅藻的生長繁殖[26]。

綜上，飼料分解使草魚、羅非魚和烏鱧養殖水體營養鹽含量有不同程度的上升，可培養細菌數與溶解氧含量和pH值均呈顯著負相關，與總磷、氨氮、硝酸鹽含量均呈顯著正相關，各水體浮游植物密度上升而多樣性指數下降。表明當存在飼料殘餌時，不同養殖水體部分水質指標、浮游植物密度和多樣性的變化趨勢類似，但變化幅度不同；微生物的數量是水體水質變化的關鍵因素，而浮游植物種類的變化趨勢可能與水體營養鹽含量、pH值等多種生態因子有關。