基于浮游生物完整性指數的不同循環饑餓投飼模式黃顙魚養殖塘水質評價
2020-11-09 03:09:31張亞軍秦秀東李恩軍程光平李文紅張偉剛孫玉章張曼崔亮趙晚晨
南方農業學報 2020年7期
張亞軍 秦秀東 李恩軍 程光平 李文紅 張偉剛 孫玉章 張曼 崔亮 趙晚晨
摘要：【目的】探索不同循環饑餓投飼模式對黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）養殖塘水質狀況的影響，篩選出基于優良水質的黃顙魚池塘養殖循環饑餓投飼模式，為其規模化生態化養殖提供科學參考。【方法】按間隔3 d（X3組）、5 d（X5組）、7 d（X7組）和10 d（X10組）饑餓1 d等4種循環饑餓投飼模式養殖黃顙魚，以正常投飼塘（X0組）為參照點，利用浮游生物完整性指數（P-IBI）評價各模式塘水體健康狀況，比較分析P-IBI評價結果和灰色關聯分析結果。【結果】最終篩選出Y2（浮游植物種類數）、Y14（浮游植物生物量）、Y19（浮游動物Margalef豐富度指數）、Y31（硅藻門相對豐度）、Y33（綠藻門相對豐度）和Y35（枝角類和橈足類相對豐度）作為構建P-IBI評價體系的指標。P-IBI分值顯示，養殖中、后期各試驗塘和參照點的水體健康狀況均有所下降，至養殖結束時，X0、X3、X5、X7和X10各組的P-IBI分值比其初始值分別下降57.66%、19.30%、11.10%、30.08%和29.91%;各試驗組的P-IBI平均值排序為X7
關鍵詞： 黃顙魚;浮游生物完整性指數;循環饑餓;水質評價
中圖分類號： S964.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2020）07-1754-10
Abstract：【Objective】This study aimed to clarify the effects of different cycle starvation feeding modes on the water quality of Pelteobagrus fulvidraco pond，and to screen out the cycle starvation feeding mode of P. fulvidraco pond farming based on excellent water quality，so as to provide scientific reference to its large-scale ecological farming. 【Method】The four feeding modes was no-feeding P. fulvidraco for 1 d with an interval of 3 d（X3 group），5 d（X5 group），7 d（X7 group） and 10 d（X10 group），respectively，with the normal feeding group（X0 group） as control. The water quality of each model pond was evaluated by Plankton Integrity Index（P-IBI） ， and results by P-IBI and gray correlation were compared. 【Result】The results showed that，Y2（phytoplankton species number），Y14（phytoplankton biomass），Y19（zooplankton Margalef abundance index），Y31（Bacillariophyta relative abundance），Y33（Chlorophyta relative? abundance），and Y35（Cladocera and Copepods relative abundance） were selected as the indicators to construct the P-IBI evaluation system. The P-IBI showed that，the water status of each experimental pond and the reference points in the middle and later stage of the breeding decreased to some degrees. By the end of the breeding，the P-IBI scores of groups X0，X3，X5，X7 and X10 decreased by 57.66%，19.30%，11.10%，30.08% and 29.91%，respectively， compared with their initial values. The P-IBI mean value of each group was sorted through small to large as groups X7
Key words： Pelteobagrus fulvidraco; plankton index of biotic integrity（P-IBI）; circular starvation; evaluation of water quality
Foundation item： Guangxi Key Research and Development Plan Project（Guike AB16380057）; Guangxi Science and Technology Major Project（Guike AA17204095-2）
0 引言
【研究意義】黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）又名黃臘丁、昂刺、黃骨魚等，屬鲇形目（Siluriformes）鲿科（Bagridae）黃顙魚屬（Pelteobagrus）。其肉質細嫩，味道鮮美，營養價值高，深受消費者喜愛。近年我國黃顙魚養殖產業發展迅猛（姚清華等，2018），但隨著養殖規模的擴大和養殖產量的提高，養殖塘生態系統受到不同程度破壞，導致養殖對象病害增多、品質下降、成活率較低及養殖成本升高，嚴重影響其養殖經濟效益（鄧先余等，2008;丁正峰等，2008）。因此，科學改進投飼模式，提高輸入飼料的利用率，以及降低殘餌和養殖魚類排泄物對養殖水環境的影響，對實現黃顙魚規模化池塘生態養殖具有重要意義。【前人研究進展】循環饑餓投飼能誘導魚類處于饑餓狀態，而在饑餓狀態下再投喂飼料，魚類會獲得補償生長（Ali et al.，2003;Peres et al.，2011;阮國良等，2016;王潤等，2018）。蘇勝彥等（2017）研究表明，循環饑餓投喂方式能激發幼魚產生補償生長效應，且飼料投喂量最少。王成桂等（2017）研究發現，饑餓可提高珍珠龍膽石斑魚[Epinephelus fuscoguttatus（♀）×E. lanceolatus（♂）]幼魚餌料利用率。王潤等（2018）研究認為，適宜的循環饑餓投飼策略能增加珍珠龍膽石斑魚食欲，提高其攝食率;同時由于飼料消化率的提高、飼料系數的降低及飼料投喂量的減少，水體水質情況得到一定程度改善。近年來，養殖水體水質評價體系變得越來越多樣化。Karr（1981）首次提出以魚類為研究對象建立生物完整性指數（Index of biotic integrity，IBI），并對北美水生態系統進行健康評價。IBI可定量描述人類干擾與生物特性間的關系，且該指數對干擾反應敏感（Ode et al.，2005）。IBI評價體系不僅通過魚類（劉春池等，2017）構建，還逐漸擴展到以浮游生物（婁方瑞等，2015）、藻類（楊燕君等，2017）、底棲動物（孔凡青等，2018）和微生物（朱文婷等，2019）構建，并應用于評價養殖水體健康狀況。浮游生物作為水生態系統中生物鏈和生產力的基礎，對水生態系統的結構及功能有重要影響（張婷等，2014），其IBI能很好地指示人為干擾導致的水質變化情況，在水質評價中已得到廣泛運用（譚巧等，2017;黎明民等，2018;崔亮等，2019）。【本研究切入點】迄今，與循環饑餓投飼有關的研究主要集中在對養殖魚類的補償生長方面，而評價此類投飼模式對養殖水環境影響方面的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】采用浮游生物完整性指數（Plankton index of biotic integrity，P-IBI）及灰色關聯分析評價4種循環饑餓投飼模式對黃顙魚養殖塘生態健康狀況的影響，以期篩選出基于優良水質的黃顙魚池塘養殖循環饑餓投飼模式，為黃顙魚規模化生態化養殖提供科學參考。
1 材料與方法
1. 1 試驗塘概況
試驗塘為廣西桂林市某農牧有限公司的9口生產性黃顙魚養殖塘，各塘面積0.40～0.65 ha，水深約2 m，土質塘堤，底泥厚度約40 cm。主養魚為平均體重0.9 g/尾的雜交黃顙魚，各塘放養密度均為45.0萬尾/ha;配養平均體重125 g/尾的鳙（120尾/ha）和46 g/尾的鯽（3300尾/ha）。試驗用飼料為廣東奧特飼料有限公司生產的海龍牌黃顙魚膨化配合飼料，粗蛋白含量≥40%。
1. 2 試驗方法
1. 2. 1 投飼模式及養殖管理 試驗設X3（間隔3 d饑餓）、X5（間隔5 d饑餓）、X7（間隔7 d饑餓）和X10（間隔10 d饑餓）4個試驗組，每組設2個平行塘，另設X0（正常投飼）為對照組。各塘均用自動投飼機投飼，按基于放養量（密度）和生長狀況估算的存塘黃顙魚重量計算各塘每天的理論投飼量，每10 d調整日投飼量1次;按設定的不同間隔周期停食，每個間隔周期停食1 d。具體投飼中，以所投飼1 h后的剩余狀況判斷當天實際投飼量及確定次日投飼量。除間隔饑餓周期外，各塘管理方法相同。試驗期共146 d。
1. 2. 2 樣品采集與分析 黃顙魚魚種放養10 d后開始采樣，之后每隔1個月左右采樣1次。采樣點設在投飼臺附近，所采水樣為0.5、1.0和1.5 m水層的混合水樣。水環境因子樣品采集與測定參照魏復盛（2002）、國家環境保護總局（2009）的方法，采集1 L水樣分至2個500 mL水樣瓶中，測定項目包括透明度（SD）、水溫（WT）、總磷（TP）、總氮（TN）、溶解氧（DO）、五日生化耗氧量（BOD5）、化學需氧量（CODMn）、氨氮（NH3-N）、亞硝態氮（NO2-N）和葉綠素a（Chla）;浮游生物樣本采集與測定參考韓茂森（1980）、張覺民和何志輝（1991）、周鳳霞和陳劍虹（2005）、翁建中（2010）的方法，分別采集浮游動物和浮游植物的水樣，將其濃縮至1 L，加入甲醛和魯哥氏液固定，帶回實驗室靜置沉淀24 h，收集底部的浮游生物，定容至50 mL，在200倍顯微鏡下鑒定到屬，并計數。計數結果在Excel 2019中進行統計。計數公式如下：
N=[n×vM×V]
式中，N為1 L水樣中的浮游生物個數（ind/L），n為計數所獲得的個體數（ind），v為沉淀體積（mL），M為計數體積（mL），V為采樣體積（L）。
1. 2. 3 P-IBI指標構建 參照楊燕君等（2017）的方法構建P-IBI評價體系，選取35個可充分反映浮游生物群落豐富度、營養結構和群落結構的指標作為P-IBI初選生物學指標（表1）。
1. 2. 4 P-IBI指數計算 參照朱文婷等（2019）的方法，通過分布范圍、判別能力和相關性分析對初選指標進行篩選，構建P-IBI評價體系;參照Blocksom等（2002）提出的比值法，對構建的P-IBI評價體系進行賦值計算。
1. 2. 5 參照點選擇 目前參照點的選取尚無統一標準。由于X0組采用持續投喂方式，可準確反映目前規模化黃顙魚養殖塘水質狀況。因此，參考Stoddard等（2006）的參照點選擇法，選取主養魚、池塘條件和日常管理等相同，且人為干預最少的X0號塘為參照點。
1. 2. 6 水質灰色關聯分析 灰色關聯分析是對系統內部事物間的狀態進行量化比較分析的方法（翟國靜，1996），利用數列的可比性定量刻畫系統內部主要因素間的相關程度（陳琴等，2019），能量化指示水質的變化情況（賴坤容和周維博，2010;王平和王云峰，2013）。將養殖塘水體作為一個灰色系統，參照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的水質分類，得出水體的水質狀況（章新等，2010），然后研究P-IBI與環境因子的相關性。
為消除不同量綱的影響，采用均值法對水環境因子實測值進行無量綱化處理，無量綱化公式如下：
Xb（K）=[X（0）b（K）1na=1nX（0）a（K）]
式中，Xb（K）為b檢測時期水域評估樣品的K項指標的無量綱化值，Xb（0）（K）為b檢測時期水域評估樣品各水質指標的實測值，Xa（0）（K）為水環境質量分類標準中各評估指標的標準值。
關聯系數計算公式如下：
εij（k）=[Δmin+ρΔmaxΔij（k）+ρΔmax]
式中，Δij（k）=|xi（k）-yi（k）|，即{xi（k）}與{yi（k）}在第k項差值的絕對值;Δmin和Δmax分別為Δij（k）的最小值和最大值;ρ為分辨系數，本研究中ρ=0.5。
關聯度計算公式如下：
ri=[1ni=1nεi（k）]
式中，n為水質評價指標個數，εi（k）為第i項k指標的關聯系數。
2 結果與分析
2. 1 不同投飼模式的投飼總量
試驗結束，各組投飼模式的投飼量如表2所示，X0組單位面積投飼量最高，為27000 kg/ha，各試驗組均低于X0組，其中X3組最低，為13922 kg/ha，比X0組少投48.44%。
2. 2 初選指標的篩選結果
通過對初選指標分布范圍的篩選，排除90%指標數值得分為0的指標Y3和Y8，用SPSS 25.0構建箱體圖，對其余指標進行判別能力篩選。依據參照點和各試驗塘監測指標25%～75%分位數的箱體圖重疊情況對各指標進行判別篩選：參照崔亮等（2019）的方法，選取試驗塘為監測點，定義監測點和參照點中位線均位于對方箱體內為IQ<1;有1個中位線位于對方箱體內定義為IQ>1;2個中位線均不在對方箱體內定義為IQ>2。去掉IQ<1的指標，篩選出Y1、Y2、Y7、Y11、Y12、Y14、Y19、Y20、Y23、Y24、Y25、Y26、Y28、Y31、Y32、Y33、Y34和Y35共18個指標。然后繼續使用SPSS 25.0對篩選出的18個指標進行Pearson相關性分析，篩選出Y2（浮游植物種類數）、Y14（浮游植物生物量）、Y19（浮游動物Margalef豐富度指數）、Y31（硅藻門相對豐度）、Y33（綠藻門相對豐度）和Y35（枝角類和橈足類相對豐度）6個指標（圖1，表3）作為本研究P-IBI評價體系的指標。
2. 3 P-IBI各指標對環境干擾的反應度判斷
循環饑餓主要是利用養殖對象的補償生長效應，間接降低養殖水體的氮、磷含量（Blanquet and Oliva-Teles，2010），進而影響浮游生物豐度。因此，本研究將所選指標Y2和Y19對環境干擾的反應度定義為下降，其余指標對環境干擾的反應度定義為上升（表4）。
2. 4 P-IBI評價標準的建立
根據各評價指標對環境干擾的反應度，利用比值法確定P-IBI各指標值，再將各指標值相加，得到該組的P-IBI分值。將參照點P-IBI分值的25%分位數（3.247）作為健康評價的標準，當試驗塘的P-IBI分值大于健康標準即視該塘為健康;將小于健康標準的范圍進行4等分，共確定健康、亞健康、一般、差和極差5個水質等級（表5）。
2. 5 P-IBI評價結果
在P-IBI評價體系中，P-IBI分值與養殖塘的水質健康狀況有關，P-IBI分值越大，代表水質健康狀況越好，反之則表示健康狀況越差。與P-IBI評價標準（表5）比對評價各組塘水質狀況，結果（表6）顯示，在4種不同投飼模式塘健康狀況中，X3組P-IBI分值變動范圍為2.559～3.671，平均值為3.183;X5組P-IBI分值變動范圍為3.220～4.486，平均值為3.693;X7組P-IBI分值變動范圍為2.208～3.470，平均值為2.862;X10組P-IBI分值變動范圍為2.493～3.763，平均值為3.048;4種投飼模式塘的P-IBI平均值排序為X7 隨著養殖進行，養殖對象生長和飼料輸入量不斷增加，養殖中、后期各試驗塘和參照點的健康狀況均有所下降，但下降程度不一致。X3組為2個健康和3個亞健康;X5組為4個健康和1個亞健康;X7組為1個健康、2個亞健康和2個一般;X10組為2個健康和3個亞健康;參照點（X0組）為3個健康、1個亞健康和1個一般（表6）。從試驗開始到結束，X0、X3、X5、X7和X10各組養殖塘P-IBI分值比其初始值分別下降57.66%、19.30%、11.10%、30.08%和29.91%;對應的P-IBI分值降幅排序為X5 2. 6 P-IBI與環境因子的相關性分析結果 使用SPSS 25.0對各組P-IBI分值和水環境因子數據進行Pearson相關性分析，結果（表7）顯示，P-IBI與WT和TP分別呈顯著正相關和負相關（P<0.05），與其他環境因子的相關性不顯著（P>0.05）。 2. 7 基于不同循環饑餓投飼模式的黃顙魚養殖塘水質灰色關聯分析結果 以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的5類水質級別為標準，對其進行無量綱化處理（表8），將無量綱化處理后的各塘實測值與其進行關聯度計算，結果如表9所示。關聯度越大，說明該水質越接近相應水質級別，判定關聯度最大時對應的水質類別即為其水質級別。由表9可知，4組試驗塘水質綜合判定均為Ⅲ類，參照點也為Ⅲ類;在動態變化上，至試驗末期參照點和X7組水質為Ⅳ類，其余試驗塘水質均為Ⅲ類。從5個監測期來看，X7、X10和X0組均有2個時期為Ⅳ類水，水質狀況相對較差;X3和X5組塘均只有1個時期為Ⅳ類水質，同時有1個時期出現Ⅱ類水質，水質狀況相對較好。 3 討論 3. 1 不同循環饑餓投飼模式對養殖塘健康狀況的影響 養殖環境中，魚類會面臨食物匱乏等極端條件，在饑餓脅迫環境下，魚類機體的能量物質會不斷被消耗（朱站英等，2012），代謝水平減弱（曾令清等，2015），免疫力降低（華雪銘等，2012），酶活性發生改變（Azodi et al.，2015）等;同時魚體通過自身代謝機能的改變以適應這種饑餓脅迫（Azodi et al.，2015）。養殖水體中的氮、磷輸入主要來自飼料，而氮、磷是構成生物體各組分的重要元素，是決定浮游生物生長的重要營養元素，對水體中的水生生物及水質狀況起著重要作用（周勁風和溫琰茂，2004;宣雄智等，2019）。不適宜的投飼模式會導致養殖塘水質敗壞，間接影響魚類的生長狀況，從而導致養殖效益極大降低;而適宜的投飼模式既能使養殖水體保持健康狀態，養殖魚類獲得補償生長，又可提高飼料利用效率，降低飼料能耗及其成本，提高經濟效益（Huang et al.，2008;Blanquet and Oliva-Teles，2010）。健康的水生態系統具有穩定性和可持續性，即在時間上具有維持其組織結構自我調節和對脅迫的恢復能力（廖靜秋和黃藝，2013）。王潤等（2018）研究發現循環饑餓模式處理下的試驗水體明顯優于持續投喂的對照水體，在間隔3 d饑餓的投飼模式下，水質狀況顯著優于持續投喂組的水質狀況。本研究中，4組試驗塘生態健康狀況總體上均優于參照塘，其中X5組塘（間隔5 d饑餓）的平均P-IBI分值最高，健康狀況最好，且健康狀況保持度較好，與王潤等（2018）的研究結果相似。分析P-IBI可知，利用饑餓可增加魚類對于飼料的利用率，減少水體中營養鹽的富集，同時通過饑餓提高養殖對象對部分浮游生物的攝食率，降低養殖水體富營養化壓力（Blanquet and Oliva-Teles，2010）。此外，循環饑餓還有助于刺激黃顙魚食欲及提升飼料利用率，減少外源飼料輸入量（韓春艷等，2014），在一定程度上改善養殖水體的水質狀況。 3. 2 P-IBI評價與水化指標間的關系 P-IBI主要受浮游生物群落結構的影響，浮游生物群落與水環境因子關系密切，其種類組成和物種多樣性隨著環境的變化而變化，不同水體中，環境因子對浮游生物群落結構的影響也有差異（張婷等，2014）。李喆等（2014）研究發現，WT、CODMn、TP和SD是影響浮游植物群落結構的主要環境因子。崔亮等（2019）研究表明，CODMn、WT和pH是與浮游生物群落結構關聯度較高的環境因子。本研究的灰色關聯分析結果表明，在5個多月（5次）的監測中，X3組和X5組的水質級別僅有1次為Ⅳ類水，且都有1次為Ⅱ類水，P-IBI評價亦顯示X5組P-IBI分值最高，表明水質好壞與環境因子和浮游生物種群組成密切相關，浮游生物多樣性從生物視角揭示了養殖水體的健康狀況。P-IBI與水環境因子相關性分析結果表明，P-IBI與WT和TP呈顯著相關，而WT的變化會導致浮游動物新陳代謝強度、生長發育和繁殖周期的改變，進而影響其群落結構的變化（Lenz et al.，2005;林青等，2014）及水體生態健康狀況。 4 結論 循環饑餓投飼模式中處于饑餓期的黃顙魚對飼料利用率較高，減少養殖塘中殘餌的富集;同時饑餓期黃顙魚直接或間接利用養殖塘中的浮游生物，在一定程度上能保持浮游生物群落結構相對穩定，達到改善水質的目的。綜合分析水質因子和P-IBI得出，間隔5 d饑餓1 d的投飼模式有助于改善黃顙魚養殖塘水質狀況。 參考文獻： 陳琴，高勝男，李恩軍，程光平，崔亮，趙學倩，何緒偉，秦秀東. 2019. 基于兩種生物浮床的養殖池塘中浮游動物多樣性與水質的灰色關聯性分析[J]. 廣東農業科學，46（2）：137-146. 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