池塘循環流水養殖模式中浮游植物群落結構的空間變化研究

張曉蕾，王 強，張國奇，周 陸，李廷發，張 玉，趙思雅

（1.華東師范大學，上海 201100； 2.上海市松江區水產良種場，上海 201616；3.鯤瑛 (上海) 生物科技有限公司，上海 201613）

池塘養殖是中國一種主要的淡水養殖方式，2018年中國淡水池塘養殖面積為266.7×104hm2，占總淡水養殖面積的51.8%[1]。但隨著水產養殖規模的不斷擴大，池塘養殖帶來的環境問題也日益突出，例如魚類吃剩的殘餌以及魚類的排泄物分解會使水體中不同形態的氮、磷物質濃度升高[2-3]，不僅會影響養殖物種的正常生長及品質，也容易導致養殖周邊的水質惡化[4-5]。因此，為了更加合理地利用自然資源，減小對環境的負面影響，實現水產養殖業健康可持續發展，開發環境友好的養殖技術迫在眉睫。池塘循環流水養殖模式 (In-pond raceway system, IPRS) 是基于池塘的集約化生產系統，是一種高產、高效且環保的養殖方式[6]。每個系統根據養殖水體面積確定水槽數量，魚放養于水槽中，池塘的其余部分用于養殖水體凈化[7]。池塘中養殖槽前段的推水增氧設備能將養殖水從養殖區推入凈化區，通過凈化區中的植物浮床、濾食性魚類等對養殖水體中的高濃度氮、磷等營養鹽進行吸收凈化，凈化后的水體再次被推入養殖區，不斷循環。

浮游植物是IPRS中水生生態系統的重要生物類群，一些浮游植物在生長同化過程會消除水體中的氮元素[8]，而藍藻門的一些浮游植物會利用空氣中的氮氣，發生固氮過程[9]。浮游植物的分泌物同樣會對微生物的群落結構造成影響[10-12]。因此，浮游植物的種類及密度對水體中氮、磷等營養物質的循環具有重要意義。此外，由于浮游植物生命周期短，對環境變化響應迅速[13]，常被作為水質健康狀況的重要指示生物[14]。

對于IPRS而言，經過凈水區后水質能否達到養殖用水要求是該系統成功的關鍵。目前有關IPRS的研究主要圍繞該系統的經濟效益及養殖系統的優化[8,15-17]，而對池塘循環系統內部凈水區的水質及生態特點卻少有關注。為進一步了解該系統水體循環過程中生態結構的動態變化，揭示該系統內凈水區水質的變化特點，本文研究了生長季草魚(Ctenopharyngodon idella) 養殖的IPRS中浮游植物的群落結構特征，為優化IPRS提供理論支持和實踐指導，進而促進水產養殖業的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 養殖系統概況

本文以上海市松江區水產良種場IPRS為研究對象。該系統池塘近正方形，總面積26 680 m2，池深1.8 m。該系統內集聚養殖池規格為長22 m×寬5 m×深1.8 m，共10條，其兩端開口，均設有攔魚網，集聚式養殖池下游連接集污收集池。上游安裝曝氣推水設備，將養殖區水體推入凈化區。凈化區共約400 m，通過植物浮床、濾食性魚類等作用對養殖尾水進行凈化處理，水體凈化后再次進入養殖區。

試驗期間，養殖區的草魚數量約為3×104尾，質量約 1×105kg，密度約 152 尾·m?3；凈化池中鳙 (Aristichthys nobilis) 約900尾，1 500 kg，鰱 (Hypophthalmichthys molitrix) 約 2 300尾，3 000 kg。投喂餌料使用浮性膨化飼料，粗蛋白質量分數在32%以上，以“定位、定時、定量、定質”的原則，每日投餌3次。隨溫度升高，魚類攝食能力增強，每日增加投餌至4次。日投餌量視魚類攝食及活動情況、水溫和天氣情況而定。隨著魚體的增大，餌料粒徑由4 mm×3 mm逐漸增加到10 mm×8 mm。

1.2 樣品采集及測定

于2020年7月—9月對該池塘3個采樣點進行采樣，每次采樣時間在上午10:00—11:00，以最大程度減小實驗誤差。采樣位點見圖1，位點1位于養殖槽末端，由于大量的殘餌以及魚類的排泄，導致該位點水體中含有大量的氮磷等營養物質；位點2位于凈化池中段，位點1與位點2之間設置了植物浮床，通過植物對水體中的營養鹽進行吸收，植物浮床同時為微生物提供了適宜生境，硝化細菌、反硝化細菌等的作用有助于降低水體中氮、磷營養鹽濃度；位點3位于凈化池末段 (即養殖槽前端)，為約300 m的開放水體空間。

圖1 池塘循環流水養殖系統示意圖Figure 1 Diagram of in-pond raceway system

1.2.1 水質樣品采集及測定 使用容積為2.5 L的采水器分別在每個采樣點的水面以下0.5 m取水樣1 L，帶回實驗室測定總氮 (TN)、氨氮、硝酸鹽、總磷 (TP)、電導率 (EC)、pH、懸浮物。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定 (HJ636—2012)，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定 (GB/T 11893—1989)，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定 (HJ535—2009)，硝酸鹽采用紫外分光光度法測定 (HJ/T 346—2007)，pH采用便攜式pH計測定，電導率采用便攜式電導率儀測定，懸浮物采用重量法測定 (GB/T 11901—1989)。

1.2.2 浮游植物樣品采集及測定 使用容積為2.5 L的采水器分別在每個采樣點的水面以下0.5 m取水樣1 L，加入魯哥試劑對浮游植物進行固定。固定后的浮游植物樣品靜置沉淀48 h后進行沉淀和濃縮供鏡檢。在顯微鏡下對浮游植物固定樣品進行種類鑒定及計數。

1.3 數據分析

1.3.1 優勢度的計算 Mcnaughton優勢度指數(Y)：

式中ni為第i個浮游植物種類的個體數量(個)；N為浮游植物個體的總數 (個)；fi為第i種在研究期間出現的月份頻率。本研究將Y＞0.02的浮游植物定為優勢種[18]。

1.3.2 多樣性指數的計算 采用浮游生物的Shannon-Wiener指數 (H')、Pielou均勻度指數 (J')對該系統中浮游生物多樣性進行分析評價。各指數的計算公式為：

式中S為總物種數 (個)；Pi為浮游生物物種i在總個體中所占的比例，Pi=ni/N；ni物種i的個體數；N為所有種類個體數 (個)。Hmax為H'的最大值，其值等于lnS。

1.3.3 浮游植物群落結構與環境因子的關系分析

運用Canoco 5.0軟件對系統內浮游生物優勢種豐度與環境因子進行排序分析。首先對浮游生物優勢種與環境數據進行lg(x+1) 轉換 (不包括pH)，使其趨于正態分布。然后進行除趨勢對應分析 (detrended correspondence analysis, DCA)，以確定其屬于單峰型分布或線性分布，根據第一軸長度選擇適當的排序方法，若第一長軸小于3則采用基于線性的冗余分析 (Redundancy analysis, RDA)，若大于4，則選用典范對應分析 (Canonical correspondence analysis, CCA)，若介于3～4，則2種分析方法均可。本文DCA結果顯示浮游植物及浮游動物的第一軸長度均小于3，因此選擇冗余分析對浮游生物與環境因子的關系進行研究。

2 結果

2.1 水質指標的空間變化情況

水質指標的空間變化情況見表1。試驗期間，水溫變化介于22.4～32.5 ℃，各位點的溫度差異較小；懸浮物位點2最低，位點3最高；位點1至位點3，硝酸鹽、氨氮、總氮、總磷、電導率均有所下降；pH在7上下波動，水質偏中性；3個位點的氮磷比約為2.3。

表1 水質指標的空間變化情況Table 1 Spatial changes in water-quality index

表1 水質指標的空間變化情況Table 1 Spatial changes in water-quality index

位點1 Site 1水質指標Water-quality index位點2 Site 2位點3 Site 3懸浮物 Suspended matter/(mg·L?1) 68±19.5 53±12.0 77±14.3硝酸鹽 Nitrate/(mg·L?1) 0.89±0.60 0.85±0.61 0.84±0.63氨氮 Ammonia nitrogen/(mg·L?1) 4.51±0.79 4.32±1.00 4.23±0.82總氮 Total nitrogen/(mg·L?1) 9.06±1.23 8.35±0.65 8.64±0.21總磷 Total phosphorus/(mg·L?1) 4.07±0.83 4.00±0.82 3.97±0.83電導率 Electrical conductivity/(μs·cm?1) 424±5.7 413±8.3 410±7.9 pH 7±0.62 7.07±0.40 7.10±0.43溫度 Temperature/℃ 26.3±4.4 26.6±4.0 26.4±4.0氮磷比 Ratio of nitrogen and phosphorus 2.3±0.2 2.2±0.4 2.3±0.5

2.2 浮游植物群落結構的空間變化

2.2.1 種類組成與優勢種 試驗期間共鑒定出池塘中浮游植物7門99種，分別為硅藻門、綠藻門、藍藻門、裸藻門、隱藻門、甲藻門、金藻門。其中綠藻門種類數最多 (54種)，其次為藍藻門(18種)，再次為硅藻門 (16種)，裸藻門、隱藻門、甲藻門、金藻門種類數較少，分別為6種、3種、1種、1種 (圖2)。將優勢度大于0.02的種類作為優勢種，試驗期間優勢種共16種，其中藍藻門占比最大 (9種)，分別為中華平裂藻 (Merismopediasinica)、銀灰平裂藻 (M.glauca)、鈍頂螺旋藻 (Spirulinaplatensis)、銅綠微囊藻 (Microcystis aeruginosa)、水華微囊藻 (M.flosaquae)、不定微囊藻 (M.incerta)、小形色球藻 (Chroococcusminor)、點形粘球藻 (Gloeocapsapunctata)、微小平裂藻(M.tenuissima)；綠藻門共5種，分別為四角十字藻 (Crucigenia quadrata)、四足十字藻 (C.tetrapedia)、直角十字藻 (C.rectangularis)、四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)、雙尾柵藻 (S.bicaudatus)；硅藻門共2種，分別為小環藻 (Cyclotellasp.)、模糊直鏈藻 (Melosiraambigua)。

圖2 池塘中浮游植物種類組成百分比Figure 2 Composition of phytoplankton species in ponds

對浮游植物種類組成進行空間分析，位點1至位點3種類數有下降的趨勢，位點1共鑒定出71種，位點2鑒定出67種，位點3鑒定出61種，均為綠藻門種類數最多，其次為藍藻門(表2)。

表2 浮游植物種類數的空間變化Table 2 Spatial changes in number of phytoplankton species

2.2.2 浮游植物密度及生物量 浮游植物的密度、生物量及變化見表3、表4、圖3。各月位點2、3的浮游植物密度均高于位點1，位點2較位點1平均增加了65%，位點3較位點1平均增加了44%。8月、9月位點3的浮游植物密度均大于位點1，小于位點2。浮游植物生物量的變化與密度的變化趨勢相同，均為位點2和3大于位點1，8月、9月位點3的浮游植物生物量均大于位點1，小于位點2。

表3 浮游植物密度與生物量的空間變化Table 3 Spatial changes of phytoplankton density and biomass

表4 浮游植物主要類群密度的空間變化Table 4 Spatial changes in density of major phytoplankton groups

圖3 浮游植物密度與生物量的空間變化Figure 3 Spatial changes of phytoplankton density and biomass

對池塘內不同位點的主要浮游植物種類進行分析。試驗期間池塘中浮游植物的密度優勢類群均為藍藻門。位點2的藍藻、硅藻、綠藻的豐度與生物量均值均高于位點1、3，位點3的綠藻、硅藻的豐度與生物量均值與位點1相近，位點3的藍藻密度與生物量高于位點1。具體變化見圖4。

圖4 藍藻、綠藻、硅藻的密度與生物量的空間變化Figure 4 Spatial changes of density and biomass of Cyanophyta, Chlorophyta and Bacillariophyta

對池塘中不同位點的浮游植物的相對密度變化進行分析。試驗期間均為藍藻門的相對密度最大，其次為綠藻門，再次為硅藻門，裸藻門、隱藻門、甲藻門、金藻門的相對密度均較小。從位點1至位點3藍藻的相對密度不斷增加，分別為69.2%、73.8%、78.0%，硅藻及綠藻的相對密度均不斷減少，從位點1至位點3綠藻的相對密度分別為16.0%、14.5%、10.9%，硅藻的相對密度分別為14.6%、11.3%、10.9% (圖5)。

圖5 池塘中浮游植物相對密度的空間變化Figure 5 Spatial changes of relative density of phytoplankton

2.2.3 多樣性指數與均勻度 浮游植物的多樣性指數與均勻度詳見表5，變化情況見圖6。總體上位點2的多樣性均值與均勻度均大于位點3及位點1。位點1與位點3之間變化波動較大。

表5 浮游植物多樣性指數與均勻度指數的空間變化Table 5 Spatial variation of Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index of phytoplankton

圖6 池塘中浮游植物香農-威納多樣性指數與均勻度指數的空間變化Figure 6 Spatial changes of Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index of phytoplankton

2.3 浮游植物與環境因子的關系分析

在分析浮游植物與環境因子的關系時，選擇池塘內的浮游植物優勢種以及主要的環境因子。選擇的環境因子為溫度、總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽、懸浮物、電導率和pH，共8種，選用的浮游植物優勢種共16種。首先分別對浮游植物優勢種的密度與主要環境因子進行除趨勢對應分析 (DCA)，得出第一長軸小于3，因此均采用冗余分析方法(RDA)。冗余分析的排序圖結果見圖7。

圖7 池塘中浮游植物與環境因子的冗余分析排序圖藍色箭頭代表選用的浮游植物優勢種；ga.小環藻屬；gb.模糊直鏈藻；la.四角十字藻；lb.四足十字藻；lc.直角十字藻；ld.雙尾柵藻；le.四尾柵藻；ba.中華平裂藻；bb.銀灰平裂藻；bc.鈍頂螺旋藻；bd.銅綠微囊藻；be.水華微囊藻；bf.不定微囊藻；bg.小形色球藻；bh.點形粘球藻；bj.微小平裂藻；紅色箭頭代表環境變量；TP.總磷；Tem.溫度；TN.總氮；NO3.硝酸鹽；SS.懸浮物；EC.電導率；pH.酸堿度；NH4.氨氮Figure 7 RDA sequencing map of phytoplankton and environmental factors in pondThe blue arrows represent selected phytoplankton dominant species;ga.Cyclotella sp.; gb.M.granulata; la.C.quadrata; lb.C.tetrapedia;lc.C.rectangularis; ld.S.bicaudatus; le.S.quadricauda; ba.M.sinica;bb.M.glauca; bc.S.platensis；bd.M.aeruginosa; be.M.flosaquae;bf.M.incerta; bg.C.minor; bh.G.punctata; bj.M.tenuissima; the red arrows represent environmental factors; TP.Total phosphorus;Tem.Temperature; TN.Total nitrogen; NO3.Nitrate;SS.Suspended substance; EC.Electrical conductivity;pH.Acid-base scale; NH4.Ammonia nitrogen

浮游植物的分析結果顯示，軸1可解釋浮游植物變化的70.85%，軸1與軸2累計可解釋浮游植物變化的82.96%，浮游植物前兩軸與環境因子的相關性系數均為1，說明該排序軸能夠很好地反映浮游植物豐度變化與環境因子的關系。試驗期間藍藻門的主要優勢種中華平裂藻與總磷、溫度呈正相關，與硝酸鹽呈負相關；不定微囊藻的細胞密度與總磷、溫度呈正相關，與硝酸鹽、電導率呈顯著負相關；硅藻門主要優勢種小環藻的密度與硝酸鹽呈正相關，與總磷、pH呈負相關。

3 討論

IPRS中的推水裝置以約0.5 m·s?1的速度推水，該裝置將密集養殖區中由于魚類排泄及殘餌而富含氮、磷營養鹽的養殖污水推入凈化區，凈化區中的植物浮床能夠直接吸收利用水體中的氮、磷營養鹽[19]，另外植物根系能夠為微生物提供更大的生存面積，有利于硝化細菌、反硝化細菌等的生長和繁殖，促進硝化作用、反硝化作用[20]，凈化區中的鰱、鯽 (Carassius auratus) 同樣能夠吸收利用水體中的營養鹽，從而使得池塘不同位點營養鹽等其他環境因子發生變化。而浮游植物對環境因子的響應迅速，且不同浮游植物對環境變化具有不同的響應機制[21]，因此會導致不同位點的浮游植物群落結構產生明顯差異。

本研究結果顯示，IPRS中的推水及凈化系統影響了不同位點的浮游植物群落結構。凈化區中段及末段浮游植物的密度較養殖區均有顯著增加，可能是由于養殖區高密度的魚類活動導致水體懸浮物增加，從而形成光限制，抑制浮游植物生長；另外懸浮物顆粒還會吸附藻細胞沉降，也會降低水體中浮游植物的密度[22-24]試驗期間浮游植物的優勢類群為藍藻門，總體來看凈化區中段及末段的藍藻門豐度與生物量均高于養殖區。許多藍藻具有固氮能力[25-26]，這會導致外源氮負荷增加，而這也是藍藻在低氮磷比水體中易占優勢的重要原因之一。Howarth等[27]研究表明，在富營養化水體中藍藻固氮對于水體中總氮負荷貢獻介于6%～82%。當水體中氮磷比小于13時藍藻會進行固氮作用，且氮磷比越小，藍藻的固氮作用越大[9]。在該池塘中不同位點的氮磷比均約為2.3∶1，說明藍藻的固氮作用會貢獻一部分外源氮負荷。凈化區的藍藻生物量均高于養殖區，說明凈化區通過藍藻的固氮作用向水體中輸入的氮可能大于養殖區。硅藻、綠藻的密度與生物量均為凈化區中段最高。試驗期間各月凈化區中段浮游植物的多樣性指數與均勻度均大于養殖區末段和前段。多樣性指數與均勻度越高，說明水體狀況越好，因此凈化區中段的水體較養殖區前后段的浮游植物群落結構穩定性更高。

由于不同浮游植物具有不同的生理特征，因此適宜其生存的環境也有所差異，環境因子的變化也會對浮游生物的密度產生相應的影響。綜合考慮冗余分析的結果，循環池塘流水養殖水體浮游植物密度的變化主要與溫度、氮、磷營養鹽有關。藍藻門主要優勢種均與溫度呈正比，說明藍藻在溫度較高的環境中也能很好生存。有研究表明由于藍藻適宜在高溫環境下生長，耐低光照度和較高的pH，因此容易在夏季成為優勢種，且抑制其他種類的生長[28]。冗余分析結果顯示，硅藻門的主要優勢種均與溫度呈負相關，Silva等[29]研究發現硅藻偏好低溫環境，喜在18 ℃以下的水體中生存，而本次試驗期間平均溫度較高，這可能是導致試驗期間硅藻豐度遠低于藍藻的原因之一。由于浮游植物能夠利用水體中的氮、磷等營養物質，因此水體中的氮、磷營養元素含量會影響浮游植物的群落結構。冗余分析結果表明，藍藻密度與總磷濃度呈正相關，與硝酸鹽濃度呈負相關；硅藻密度與硝酸鹽成正相關，與總磷呈負相關。試驗期間水體中的氮磷比均約為2.3∶1，為氮營養鹽限制，藍藻能夠在較廣的氮磷比范圍內良好生長[28]，這可能是系統內藍藻豐度占很大優勢的另一原因。李卓佳等[30]研究也表明綠藻喜在高氮磷比的水體中生存，而藍藻能夠耐受較低氮磷比的生存環境，但水體中藍藻豐度過大對養殖水體健康不利[31]。