泥蚶動態能量收支模型參數的測定

姜 波，何 京，鄭俠飛，何 琳，林志華,

( 1.上海海洋大學，水產科學國家級實驗教學示范中心，上海 201306； 2.浙江萬里學院， 浙江水產種質資源高效利用技術研究重點實驗室，浙江 寧波 315100； 3.浙江萬里學院，寧海海洋生物種業研究院，浙江 寧波 315604 )

個體動態能量收支模型主要描述生物個體從食物中獲取的能量如何在個體生理機能維持、生長和繁殖等主要生命活動中進行能量分配[1]。動態能量收支模型遵循k分配原則，即生物體通過攝食吸收的能量首先儲存于生物體內，儲備能量的固定分數(k)用于生物體的生長和軀體維持，并優先用于生命基本活動。剩余的能量分數(1-k)用于胚胎發育和幼體成熟或成體的繁殖，即配子的產生和產卵[2-4]。因此，動態能量收支模型可以用來描述生物個體在其整個生活史中為維持生長、成熟和繁殖而吸收和利用環境中的能量的速率，從而能夠預測生物個體在一段時間內的生長和發育狀況，并且可根據養殖區域內的餌料豐度來評估養殖區的環境容納量[5]。根據動態能量收支模型的定義，模型主要由變量、基本參數以及復合參數這3個部分組成，變量主要分為餌料密度、體積和存儲能量，這些變量在生物體整個生命活動周期中是隨生物個體生長而變化的；基本參數包括形狀系數、阿倫紐斯溫度、維持生命所需的能量、形成單位體積所需的能量、單位體積最大儲存能量以及儲備能量等；復合參數則根據基本參數構成，例如維持速率的常數m是單位體積最大儲存能量與形成單位體積所需能量的比值。基本參數值的獲取是構建動態能量收支模型的核心，而模型的參數值通常是固定的，但由于環境因素以及自身內部因素的影響，參數值可能會隨著生長而變化，如攝食率和吸收率都會隨著體質量的增加而有所下降[6]。因此，獲取準確的基本參數值對動態能量收支模型的構建至關重要。

泥蚶(Tegillarcagranosa)俗稱“血蚶”，屬軟體動物門雙殼綱列齒目蚶科蚶屬，是一種廣溫、廣鹽、埋棲型貝類，廣泛分布于中國南北沿海地區[7-8]。泥蚶的養殖方式主要分為池塘蝦貝混養和灘涂養殖，即人工營養型養殖和自養型養殖。近年來，隨著泥蚶養殖規模的不斷擴大，采用這兩種養殖模式養殖泥蚶在獲得經濟收益的同時，也面臨著養殖密度不合理而導致泥蚶生長滯緩、病害死亡等問題，制約了產業的可持續發展[9]。蝦貝混養池塘中，由于養殖密度不適宜導致了大量的餌料殘留，易造成水體富營養化，并引起pH下降、細菌性疾病流行和底質惡化，進而改變養殖環境，直接影響泥蚶的生理指標，最終造成泥蚶大量死亡[10-11]。而灘涂養殖則容易出現營養限制，即養殖密度過大限制了泥蚶的生長，并且酸化的海水會抑制泥蚶的新陳代謝和攝食活力，破壞內殼表面的完整性和損害鈣化過程，導致泥蚶的適應能力下降和養殖產量降低[12]。合理的養殖容量應該兼顧生態環境和經濟收益。動態能量收支模型依據動態能量收支理論，能夠更加直觀地模擬貝類的生長狀況，清晰地反映生物個體在其整個生命周期內的能量流動以及外部環境因素對其攝食和代謝的影響，而通過建立動態能量收支模型可用于評估養殖容量，從而實現可持續健康發展。筆者通過室內生理試驗來確定構建泥蚶生長模型所需的6個基本參數，旨在為構建泥蚶動態能量收支模型提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 形狀系數

試驗泥蚶取自浙江省臺州市三門縣養殖戶，隨機挑選泥蚶118枚，分別測定泥蚶的殼長(L)、總濕質量(m)和軟體部組織濕質量(mW)。泥蚶體積一般不能直接測量，假設泥蚶的軟體部密度ρ=1 g/cm3[13]，通過排水法獲得泥蚶的體積，此時軟體部濕質量等于泥蚶體積(V)，根據公式(1)計算貝殼形狀系數(δm)：

mW=ρ(δm×L)3

(1)

1.2 阿倫紐斯溫度 (TA)

將泥蚶按照殼長分為小規格、中規格、大規格3組，暫養水溫(20±1) ℃，每日定量投喂牟氏角毛藻(Chaetocerosmuelleri)，每2 d換水1次，暫養7 d后開始試驗。設置10、15、20、25、30、35 ℃ 6個溫度梯度，每個溫度梯度設置5個平行，2個空白對照。每個藍蓋瓶(500 mL)中放入1枚泥蚶，利用Presens十通道光纖溶氧儀測定溶解氧質量濃度，試驗期間水浴控溫，待殼張開后開始計時，試驗時間2 h。單位體積干質量耗氧率[RO，mg/(h·g)]按公式(2)計算：

RO=[(ρ0-ρ1)×V]/(md×t)

(2)

式中，ρ0和ρ1分別為初始和結束時的溶解氧的含量(mg/L)，V為試驗用容量瓶的體積(L)，md和t分別為試驗開始時軟體部干質量(g)和試驗持續時間(h)。

將泥蚶的耗氧率與水溫的熱力學溫度進行線性回歸分析，所得斜率(a)的絕對值即為阿倫紐斯溫度(TA)，按公式(3)計算：

lnRO=a×T-1+b

(3)

式中，a為線性回歸方程的斜率，T為水溫的熱力學溫度(K)，b為線性回歸方程的截距。

1.3 動態能量收支模型關鍵參數的測定

選取殼長 (3.018±0.132) cm和總濕質量 (10.690±0.144) g的泥蚶300枚進行饑餓試驗。試驗開始前進行為期7 d的暫養，水溫控制在 (20±1) ℃，早晚投喂牟氏角毛藻各1次，待其成活率穩定后，利用循環水裝置進行饑餓試驗。試驗期間不投餌，每7 d換水1次，海水為砂濾海水。每隔7 d取泥蚶5枚，每個藍蓋瓶(500 mL)中放入1枚泥蚶，蓋緊橡皮塞，水浴20 ℃控溫。利用磁力攪拌器保持藍蓋瓶中上下溶解氧水平大致相同，Presens十通道光纖溶氧儀測定其耗氧率變化，待泥蚶殼張開后開始計時，試驗時間2 h。試驗結束后，另取泥蚶15枚，測定其殼長、總濕質量、軟體部組織濕質量、軟體部組織干質量。其中：總濕質量為貝類陰干0.5 h后的全質量；軟體部組織濕質量為貝類剝離全部組織的鮮質量；軟體部組織干質量為軟組織在60 ℃烘箱烘干72 h后的質量；軟組織有機物含量(%)則為烘干后的軟組織在450 ℃高溫爐中灼燒后的質量差與軟組織干質量的比值。當軟體部組織干質量不再降低且呼吸耗氧率保持穩定時，饑餓試驗結束(49 d)。

當軟體部組織干質量不再隨著饑餓時間的推移而下降，干質量基本保持穩定時的有機物質量即為貝類結構物質的質量([EG])：

[EG]=m1×k×w1/(Tr×V)

(4)

式中，m1為軟組織干質量保持穩定時的質量(g)，k為有機物能值(23 kJ/g)[14-15]，w1為饑餓試驗結束后軟組織有機物含量(%)，Tr為生長轉化系數(Tr=40%)[15]，V為泥蚶的體積(cm3)。

當耗氧率基本保持穩定時，此時的耗氧率即為

(5)

式中，Rt為饑餓試驗耗氧率基本穩定時的耗氧率[mg/(g·h)]，E0為O2的能量值(1 mol O2=20.3 J)[16]，t為時間轉化系數(1 d=24 h)，ρ0為O2在20 ℃下的密度(1.229 mg/mL)[17]，V為泥蚶的體積(cm3)。

泥蚶存儲能量為試驗開始與試驗結束后泥蚶結構物質能量之差，單位體積最大存儲能量([EM])按下式計算：

[EM]=(m0×w0-m1×w1)×k/V

(6)

式中，m0為饑餓試驗開始前軟組織干質量的初始值(g)，w0為試驗開始前軟組織有機物含量(%)。

儲備能量(μE)為單位體積最大儲能能量之差與初始時干質量與結束時干質量之差的比值，其計算公式如下：

μE=k× (m0×w0-m1×w1)/(m0-m1)

(7)

1.4 數據處理

利用SPSS 26.0軟件對殼長與軟體部濕質量和軟體部濕質量的立方根進行線性回歸分析；采用單因素方差分析比較每個溫度下規格對泥蚶耗氧率的影響，并用多重比較方法檢驗不同規格泥蚶耗氧率的差異性。試驗結果以平均值±標準差表示，P<0.05為顯著差異，P<0.01為極顯著差異。

2 結果與分析

2.1 形狀系數

試驗用泥蚶殼長1.848～3.902 cm，軟體部濕質量0.755～1.466 g。泥蚶殼長(L)與軟體部濕質量(mw)回歸分析呈冪函數關系：mW=0.0556L3.1831(r2=0.9256)(圖1)，根據公式(1)對泥蚶軟體部濕質量的立方根和殼長進行線性回歸，所得的斜率即為形狀系數，其值為0.405(圖1)。

圖1 泥蚶軟體部濕質量與殼長的關系

2.2 阿倫紐斯溫度

測定阿倫紐斯溫度所用泥蚶基本生物學參數見表1、圖2。由圖2可見，泥蚶耗氧率隨個體殼長的增加而降低，且3種規格泥蚶耗氧率的變化曲線基本一致，均出現2個峰值。在10～20 ℃，泥蚶耗氧率隨溫度的上升而增加；在25 ℃出現拐點，耗氧率降低，在30 ℃達到最大值；之后，隨著溫度的升高，泥蚶干質量耗氧率呈下降趨勢。單因素方差分析結果表明，水溫為20 ℃和25 ℃時，3種規格泥蚶耗氧率存在極顯著差異(P<0.01)。水溫為30 ℃和35 ℃時，3種規格泥蚶耗氧率存在顯著差異(P<0.05)。水溫為10 ℃和15 ℃時，3種規格泥蚶耗氧率無顯著差異(P>0.05)，低溫對泥蚶呼吸影響較小。多重比較結果表明：在20、25、35 ℃條件下，小規格泥蚶的耗氧率顯著高于中規格和大規格的泥蚶(P<0.05)；在30 ℃條件下，小規格泥蚶的耗氧率顯著高于大規格泥蚶，小規格泥蚶與中規格泥蚶的耗氧率的差異性不顯著(P>0.05)。

圖2 溫度對不同規格泥蚶耗氧率的影響

表1 試驗所用泥蚶的基本生物學特性

3種規格組(小規格、中規格、大規格)泥蚶耗氧率與水溫的熱力學溫度倒數的線性回歸關系(圖3)分別為：

圖3 不同規格泥蚶耗氧率與熱力學溫度倒數的關系

lnRO=-5577.3T-1+19.481(r2=0.87)；

lnRO=-4767T-1+16.226(r2=0.73)；

lnRO=-4144.1T-1+13.843(r2=0.71)。

根據公式(3)計算阿倫紐斯溫度，為(4830±586) K。

2.3 模型幾個主要參數

饑餓試驗所選用的泥蚶生物學數據見表2。饑餓試驗持續49 d結束，此時，泥蚶單位體積干質量耗氧率由0.89 mg/(g·h)降至0.22 mg/(g·h)，軟體部干質量由(0.51±0.04) g降至(0.30±0.01) g，軟體部干質量、干質量耗氧率分別下降了41.2%和75.3%(圖4、圖5)。試驗前后泥蚶軟體部有機物含量分別為(87.3±3.3)%和(77.7±4.2)%(表3)。

表2 饑餓試驗所選用泥蚶的生物學數據

圖4 泥蚶耗氧率隨饑餓時間的變化情況

圖5 泥蚶軟體部組織干質量、存儲物質干質量及結構物質干質量隨饑餓時間的變化情況

饑餓試驗7 d后，泥蚶的耗氧率下降趨勢最大，隨著饑餓時間的持續泥蚶耗氧率逐漸趨于穩定，最終穩定在0.22 mg/(g·h)(圖4)，根據公式(5)計算單位時間單位體積維持生命活動所需的能量為(32.2±2.4) J/cm3·d(表3)。

饑餓35 d后，泥蚶軟體部干質量不再下降，基本維持在(0.30±0.01) g，軟組織有機物含量保持在(77.7±4.2)%(表3)，再根據有機物能值(23 kJ/g)、形狀系數以及生長轉化系數(40%)計算形成單位體積結構物質所需的能量為(5475±94) J/cm3(表3)。

泥蚶最大存儲能量為饑餓試驗前結構物質能量與饑餓試驗結束后結構物質能量之差，根據公式(6)轉化為單位體積最大存儲能量為(2026±80) J/cm3(表3)。

泥蚶的儲備能量則根據結構物質的儲能能量之差與試驗前后軟體部干質量之差來計算，為(23 376±690) J/g(表3)。

表3 模型關鍵參數的計算結果

3 討 論

3.1 貝類形狀系數

形狀系數決定了生物體的特定長度與結構體質量的關系，這意味著每種生物體都有其特定的形狀系數。貝類的形狀系數可通過測定干質量或者殼長與體積的方法獲得，但前者獲取的形狀系數存在較大誤差，因此筆者選擇測定殼長和體積來計算，但體積一般難以測定，可通過間接法測定。測定貝類體積的方法通常分為兩種：一是馬鈴薯填充法，即用密度為1 cm/g的馬鈴薯果肉填充空貝殼，根據填充前后的質量差轉化為體積，最后結合形狀系數的計算公式計算形狀系數；二是利用排水法，根據密度將軟體部濕質量轉化為體積來獲得形狀系數。前者測得生物量要比實際生物量大，使得形狀系數偏大；后者操作方便，數據較為準確。目前有關貝類形狀系數的報道顯示，雙殼類貝類形狀系數為0.175～0.374，如長牡蠣(Crassostreagigas)[16]為0.175，文蛤(Meretrixmeretrix)[18]為0.374，蝦夷扇貝(Patinopectenyessoensis)[19]為0.32，縊蟶(Sinonovaculaconstricta)[20]為0.345。本試驗結果顯示，泥蚶的形狀系數為0.405，與已報道的雙殼類貝類相比其值較高，這可能與泥蚶生長緩慢，且1齡后泥蚶生長速度由殼長增長變緩向體質量增長加速轉變有關。

3.2 阿倫紐斯溫度

動態能量收支理論使用阿倫紐斯方程來描述生物個體的生理速率對溫度的依賴，即阿倫紐斯溫度。貝類所有的生理活動幾乎都與溫度相關，絕大多數貝類的耗氧率、排氨率、攝食率在一定溫度范圍內均隨溫度的上升呈指數相關。蝦夷扇貝的耗氧率和排氨率隨溫度升高而上升，在14.5 ℃達到最大值，此后隨著溫度的上升耗氧率和排氨率開始下降[21]。背角無齒蚌(Anodontawoodiana)、河蜆(Corbiculafluminea)、褶紋冠蚌(Cristariaplicata)以及銅銹環棱螺(Bellamyaaeruginosa)的攝食率在適宜溫度范圍內隨著溫度上升而增大[22]。泥蚶的攝食率在一定鹽度范圍內隨鹽度上升而增大，超過一定鹽度范圍后，攝食率逐漸下降，但下降幅度不顯著[23]。因此，阿倫紐斯溫度的測定可根據貝類的耗氧率、排氨率或者生長率與水溫和食物的關系等來計算。筆者根據泥蚶耗氧率與水溫的熱力學溫度來計算阿倫紐斯溫度，其值為(4830±586) K。目前有關貝類阿倫紐斯溫度的報道不多，已知廣溫種鳥尾蛤(Cerastodermaedule)[17]、澳洲牡蠣(Crassostreavirginica)[24]和菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)[25]的阿倫紐斯溫度均為5800 K，冷水種蝦夷扇貝[19]的阿倫紐斯溫度為4160 K。泥蚶屬于廣溫種，其值高于低溫種蝦夷扇貝，但低于已知的廣溫種鳥尾蛤、澳洲牡蠣和菲律賓蛤仔，這與泥蚶在25 ℃時的耗氧率下降有關。有研究表明，同一鹽度條件下泥蚶耗氧率隨著溫度的上升出現兩個溫度拐點，在23 ℃和31 ℃時耗氧率下降[26-27]，與本試驗結果相互印證。這與大部分貝類在一定溫度范圍內耗氧率隨溫度的升高而上升并出現一個溫度拐點的現象相違背[28-30]，筆者認為出現差異的原因在于不同試驗條件導致且在不同季節馴化試驗貝類試驗結果存在差異，這一現象在紫貽貝(Mytilusgalloprovincialis)[31]中也有發現，其耗氧率變化趨勢在不同時間馴化存在差異。

3.3 模型幾個主要參數

所有參數均與貝類的肥滿度有關。貝類肥滿度將直接影響參數的準確性。因此，試驗所用貝類應當挑選個體飽滿、生長活力良好的個體。在進行饑餓試驗時，試驗所用貝類應避開繁殖季節，此時的貝類性腺發育成熟，在饑餓過程中貝類為維持生命活動會消耗性腺中的儲存能量，試驗結束時測得的貝類結構物質(軟體部質量)和軟體部有機物含量偏大，最終造成單位體積所需能量偏小和最大儲存能量偏大。

4 結 論