高密度、集约化的养殖方式已成为中国淡水渔业支柱产业之一, 这种养殖方式创造了巨大经济产值和社会效益的同时也对环境造成了巨大的负面影响。淡水池塘养殖是一种受人为调控影响较大的营养型养殖系统, 高密度的投饵养殖方式导致残饵、粪便、排泄物等在池塘底部大量积累, 导致池塘水体的有机污染和富营养化。尤其是残饵的积累, 一方面增加了养殖成本, 另一方面加重了水体的污染压力, 从而引起病原菌滋生, 养殖动物疾病暴发。
在不同来源的有机质中, 其化学组成成分和稳定性同位素组成特征会存在差异, 通过利用有机质化学组成成分和稳定性同位素地球化学特征来定量化推断沉积物中有机质的来源是当今水域生态研究的热点之一, 如 Mangaliso 等利用碳氮稳定性同位素示踪水产养殖产生有机质的扩散范围,Sarà 等利用碳氮稳定性同位素研究水产养殖污染物对沉降颗粒和沉积物的影响。目前对淡水池塘的研究多集中在利用沉积物的化学指标、生物指标来定性描述养殖对沉积环境的影响, 缺少定量化的研究。残饵是淡水养殖过程中外源有机质的主要输入源, 本研究通过对主养黄颡鱼与主养草鱼池塘沉降颗粒碳氮营养物质的含量以及有机物质碳氮稳定性同位素组成特征的研究, 定量评估人为有机物质(残饵)在两种养殖模式沉降颗粒中所占的比重,进而为达到有效控制池塘自身污染和改良污染池塘的目的, 为淡水养殖产业的健康可持续发展提供理论证据。
1 材料与方法
1.1 实验设计
本研究于 2012年 4—10月在荆州市公安县崇湖渔场东北湖分场华中农业大学科研教学试验基地进行。每一种养殖模式设置 3 个重复: 选取主养草鱼和主养黄颡鱼的池塘各三口, 池塘面积均为6667 m2, 水深 1.5—2.3 m, 鱼苗投放如表 1。实验池塘采用半封闭式养殖, 主养草鱼池塘投喂海大牌草鱼膨化饲料,主养黄颡鱼池塘投喂海大牌黄颡鱼配合饲料; 两种主养模式池塘中配合饲料投喂量约为鱼总重量的 3%—5%养殖过程中每一种养殖模式统一补水和换水。【表1】
1.2 采样与分析分法
样品采集时间为 4—10 月的每月中旬左右, 沉降颗粒的采集是采用沉降颗粒收集装置(图 1 所示,h=35 cm, d=11 cm)进行, 每一口池塘选择 5 个沉降颗粒采样点(分别位于池塘对角线的等分点处), 放置 72h 后回收, 回收时静置 2h 后小心弃去上层多余的清液, 取下样品管, 在 60℃下烘干至恒重后研磨,置于干燥器中保存备用。对应在沉降颗粒采样点采集上中下水层混合水样 200 mL, 使用预先在 450℃下 灼 烧 4h 左 右 除 去 有 机 碳 的 玻 璃 纤 维 滤 膜(Whatman GF/F, 直径 47 mm, 孔径 0.7 μm)抽滤收集悬浮颗粒物, 滤膜冷冻保存。用彼得森采泥器在上述沉降颗粒的采样点处采集表层沉积物样品, 同样在 60℃下烘干、研磨、过筛并保存。本研究中收集鱼后肠肠含物作为鱼类的粪便, 同时收集两种养殖模式投喂的饲料, 在 60℃下烘干、研磨、封口袋封装后保存于干燥器中。
沉降颗粒、悬浮颗粒物、沉积物和饲料中总氮(Total nitrogen, TN)、总碳(Total carbon, TC)采用Thermo Flash 2000 元素分析仪进行测定; 沉降颗粒和悬浮颗粒中总有机碳(Total organic carbon, TOC)、总有机氮(Total organic nitrogen, TON)和碳氮稳定性同位素分析先用足量1 mol/L HCl 浸泡淋洗24h, 除去可能存在的无机碳, 然后用蒸馏水淋洗至水呈中性, 再将其置于 60℃下烘干至恒重。最后, 处理过的样品中 TOC 和 TON 采用 Thermo Flash 2000 元素分析仪进行测定; 沉降颗粒、悬浮颗粒、沉积物和饲料中碳氮稳定性同位素比用稳定性同位素比质谱仪 IRMS (Thermo-MAT253)进行测定。样品中碳、氮稳定性同位素以 δ 值的形式给出, 计算公式为δX=[(R待测样品/R标准物质) –1] ×103, 其中 X 为13C 或15N;R 为13C/12C 或15N/14N。碳氮稳定同位素值分别以相对于国际标准的 PDB 和大气氮的 δ 值报道。每测定10 个样品插入 1 个标准样品, 并随机挑选 1—2 个样品进行复测。样品 δ13C 和 δ15N 重视精度为±0.3%。
采用 SPSS 17.0 软件进行数据统计分析。针对样品中 TN、TC、TON、TOC 以及 δ13C、δ15N 做时间序列的相关性分析。通过 t 检验(平均值成对二样本分析)比较单个月份内不同养殖模式间的差异,方差分析前先进行正态分布和方差齐性检验。以P<0.05 作为差异显着水平。本研究利用碳氮稳定性同位素混合模型对沉降颗粒中人为有机质来源进行了初步定量估算。假定池塘中沉降颗粒有机质主要来自残饵、粪便和悬浮颗粒物(Particulate organicmatter, POM)三种的混合, 则人为有机质(残饵)输入贡献率可用碳稳定性同位素质量平衡混合模型计算:【1】
式中: 下标Ｘ、Ｙ、Ｚ和Ｍ分别为饲料、粪便、POM和沉降颗粒, f 为每种物质在沉降颗粒中占的百分比,δ13C、δ15N 代表每一种物质的稳定性碳氮同位素比值。
2 结果
2.1 两种主养模式池塘中沉降颗粒碳氮营养含量的季节变化特征
沉降颗粒中 TN、TC、TOC 以及 TON 都呈现出明显的季节变化(图 2)。主养黄颡池塘 TOC 含量变化为 4.86—7.14 mg/g, 均值为 5.82 mg/g; TON 含量变化为 0.59—0.90 mg/g, 均值为 0.72 mg/g; TC 含量变化为 5.42—8.57 mg/g, 均值为 6.86 mg/g; TN 含量变化在 0.66—1.13 mg/g, 均值为 0.83 mg/g。时间序列的相关性统计分析结果表明: 主养黄颡鱼池塘沉降颗粒中 TN (r= –0.80, P<0.05), TC (r= –0.79, P<0.05),TON (r= –0.74, P<0.05)与 TOC (r= –0.65, P<0.05)均随着养殖时间的推移, 其含量有显着下降趋势。主养草鱼池塘 TOC 含量变化在 2.53—5.45 mg/g, 均值为 3.90 mg/g; TON 含量变化在 0.40—0.62 mg/g, 均值为 0.52 mg/g; TC 含量变化在 3.09—7.19 mg/g, 均值为 4.98 mg/g; TN 含量变化在 0.35—0.86 mg/g, 均值为 0.58 mg/g。时间序列相关性统计分析结果表明,主养草鱼池塘沉降颗粒中 TN (r= –0.93, P<0.05), TC(r= –0.96, P<0.05), TON (r= –0.95, P<0.05)与 TOC(r= –0.97, P<0.05)均随着养殖时间的推移, 其含量有显着下降趋势。此外, 主养黄颡鱼池塘沉降颗粒中 TN、TC、TON 和 TOC 含量均显着高于主养草鱼池塘(df=30, tTN=11.3, P<0.01; tTC=9.2, P<0.01; tTON=10.3, P<0.01; tTOC=8.6, P<0.01)。
本研究对两种主养模式中的沉积物、饲料、悬浮颗粒中 TN、TC、TOC 以及 TON 含量测定如表2, 主养黄颡鱼模式中沉积物、饲料、悬浮颗粒中TN、TC、TOC 以及 TON 含量均大于主养草鱼池塘。
2.2 两种主养模式池塘中沉降颗粒碳氮稳定同位素含量的季节变化特征
如图 3所示, 主养黄颡鱼池塘沉降颗粒有机质δ15N 值的变化范围是 5.0%—6.9%, 平均值为 6.2%,δ13C 值的变化范围是 –26%— –24.2%, 平均值为–25.3%; 主养草鱼池塘沉降颗粒有机质 δ15N 值的变化范围是 4.5%—6.5%, 平均值为 5.9%, δ13C 值的变化范围是–26.5%— –24.5%, 平均值为–25.4%。
时间序列相关性统计结果显示两种主养模式中沉降颗粒碳氮稳定性同位素含量无显着的季节变化特征(r草δ15N=0.31, P>0.05; r草δ13C=0.63, P>0.05; r黄δ15N=0.11,P>0.05; r黄δ13C=0.45, P>0.05); 两种模式中沉降颗粒有机质δ15N 值的变化与 δ13C 值的变化均显着正相关:
主养黄颡鱼池塘沉降颗粒δ15N 值与 δ13C 值显着正相关(r=0.462, P<0.05); 主养草鱼池塘沉降颗粒 δ15N值与 δ13C 值显着正相关(r=0.537, P<0.05)。此外, 两种主养池塘沉降颗粒中δ15N 值与 δ13C 值没有显着差别(df=30, tδ15N=1.1, P>0.05; tδ13C=0.6, P>0.05)。
2.3 沉降颗粒物中碳氮比值变化以及与稳定碳氮同位素的相关性
如图 4 所示, 主养黄颡鱼池塘沉降颗粒有机质C/N 比值的变化范围是 5.0—8.1, 平均值为 7.1; 主养草鱼池塘沉降颗粒有机质 C/N 比值的变化范围是6.1—7.8, 平均值为 7.0。统计结果显示两种主养模式中沉降颗粒中 C/N 比值没有显着差异(df=30,t=0.1, P>0.05)。
如图 5 所示, 主养黄颡鱼池塘沉降颗粒中氮稳定同位素与 C/N 比值之间存在显着的正相关关系(r=0.128, P<0.05), 碳稳定性同位素与 C/N 比值之间存在不显着的负相关关系(r= –0.063, P>0.05)。主养草鱼池塘沉降颗粒中氮稳定性同位素与 C/N 比值之间存在显着的负相关关系(r= –0.292, P<0.01), 碳稳定性同位素与 C/N 比值之间存在显着的负相关关系(r= –0.218, P<0.01)。
2.4 沉降颗粒中有机质来源分析
本研究利用碳氮稳定性同位素混合模型计算出两种主养模式池塘沉降颗粒中人为有机质(残饵)贡献率的计算结果为(图 6): 主养黄颡鱼沉降颗粒人为有机质(残饵)贡献率为 15.6%—35.4%, 随着养殖时间的推移饵料贡献率逐渐降低(r= –0.537, P<0.05)。
主养草鱼沉降颗粒人为有机质(残饵)贡献率为30.1%—70.1%, 随着养殖时间的推移饵料贡献率逐渐降低(r= –0.800, P<0.01)。
3 讨论
3.1 沉降颗粒中 TN、TC、TON 和 TOC 含量变化
沉降颗粒是指在水体范围内发生的物理、化学及生物学过程所产生的沉降物, 而沉降是养殖水体物质循环的重要特征, 主要包括浮游植物、浮游动物、鱼类排泄物、残饵和再悬浮的底泥等。淡水池塘养殖为受人为因素影响较大的小型生态系统,自身调节能力较差, 内部群落结构简单, 加之水生动物摄食运动及风力混合运动的作用造成沉降颗粒沉积量波动较大。本研究中两种养殖模式池塘沉降颗粒中的 TN、TC、TON 和 TOC 含量均随着养殖时间的推移呈显着下降趋势, 可能的原因为沉降颗粒中残饵数量、浮游生物数量减少, 同时风力和鱼类活动增强引起底泥再悬浮, 造成沉积颗粒中无机物含量增高而有机物含量下降。与赵文等在研究刺参养殖池塘以及盐碱池塘中颗粒悬浮物结构及其沉积作用的实验结果相符合。主养黄颡鱼沉降颗粒中 TON 占到 TN 的 71%—98%, TOC 占到 TC 的63%— 94%; 主养草鱼沉降颗粒中 TON 占到 TN 的70%— 95%, TOC 占到 TC 的 74%—94%。这一结果表明两种主养模式沉降颗粒中主成分为有机质, 同时这两种主养模式中有机物质的含量略高于对虾养殖池塘中总悬浮颗粒物中颗粒有机物所占比例62%, 略高于刺参养殖悬浮颗粒中有机质所占比例69.13%, 可能原因是水深、鱼种的放养量、投饲、生活习性和施肥数量不同导致等。在本研究中主养黄颡鱼沉降颗粒中 TN、TC、TON 和 TOC 含量均高于主养草鱼, 由于沉降颗粒的来源主要包括浮游植物、浮游动物、鱼类排泄物、残饵和尘埃泥沙等,而主养黄颡鱼池塘所用饲料、沉积物、悬浮颗粒中TN 和 TC 含量均高于主养草鱼池塘, 这可能是引起主养黄颡鱼池塘沉降颗粒中 TN、TC、TON 和 TOC均高于主养草鱼池塘的主要原因。
3.2 沉降颗粒碳氮稳定性同位素含量的季节变化特征
不同来源的有机质中 C/N 比值具有明显的差异,C/N 比值也常被用来指示有机质的潜在输入源。
在本研究中两种主养模式中沉降颗粒中 C/N 比值没有明显的季节变化, 同时两者间没有显着差异, C/N比值在 6 月、7 月较高, 可能受外源输入影响较大,或有机质降解过程中含氮蛋白的优先降解释放。
与 C/N 比值相比较, 碳氮稳定性同位素在有机质溯源定量分析研究中更具有准确性。两种主养模式中沉降颗粒δ15N 出现季节性波动变化没有明显规律, 是因为由于氮的硝化作用、反硝化作用、同化作用和异化作用引起氮同位素的分馏反馈在氮同位素的组成上, 同时沉积颗粒越细, 稳定氮同位素比值就越高, 底栖藻类含量越高, 稳定氮同位素相对较高, 人为氮污染源的输入对稳定氮同位素的组成存在一定的改造作用。主养黄颡鱼池塘沉降颗粒有机质 δ13C 值的变化范围是–26%— –24.2%, 平均值为–25.3%; 主养草鱼池塘沉降颗粒有机质δ13C 值的变化范围略大于主养黄颡鱼池塘, 为–26.5%—–24.5%, 平均值为–25.4%。
碳稳定性同位素的时空变异特征是多种因素耦合作用的结果, 研究发现沉积物粒径和底栖藻类对碳稳定性同位素影响不容忽视, 底栖藻类含量越多和沉积颗粒越粗, 稳定碳同位素值相对较高, 同时人为碳源的输入对稳定碳同位素的组成也存在一定影响。本研究中两种主养模式沉降颗粒中 δ13C 的值分别在 5 月、6 月(主养黄颡鱼)和 9 月、10 月(主养草鱼)有较大值, 可能受外源输入影响较大, 且随着温度升高同位素分馏降低, 或初级季节性生产力增大; 养殖中期 δ13C 比值减小, 可能由于有机质分解导致碳同位素分馏效应增加, 导致 δ13C 比值降低, 或水体中溶解性无机碳浓度降低。假如,C/N 比值能严格体现受有机质输入源的影响, 则碳稳定性同位素应该与 C/N 比值有较理想的负相关关系, 两种主养模式沉降颗粒中碳稳定性同位素与C/N 比值之间存在较理想的负相关关系, 说明该研究中两种养殖模式外源有机质输入的同源性, 均主要受到投喂饵料的影响。本研究对象为群落结构较简单, 人为控制力度大的池塘养殖系统, δ13C 和δ15N 在季节上的波动性, 反映出两种主养模式池塘在养殖过程中受到人为干扰控制以及系统内部自身生物群落结构变化的影响。
3.3 沉降颗粒中有机质来源分析
稳定性同位素技术是现代生态学研究中一门新兴技术, 在生态学研究的诸多领域中展现了广阔的应用前景, 大量研究表明碳氮稳定性同位素可以用来示踪不同物源的贡献, Ye 等首次利用 δ13C定量化报道了养殖源有机碳对沉积物总有机碳的贡献; Yamada 等利用稳定同位素技术评估了网箱养殖对沉积环境的影响。
两种主养模式池塘从养殖初期到末期沉降颗粒中饵料贡献率均显着降低(主养黄颡鱼池塘: r=–0.537, P<0.05; 主养草鱼池塘: r= –0.800, P<0.01),同时主养草鱼池塘残饵在沉降颗粒中的贡献率显着高于主养黄颡鱼池塘。这主要是由于养殖过程中养殖管理方式和水体系统内生物综合作用结果, 其中养殖管理方式包括投喂饲料颗粒大小的选择和调整,合理的投饲频度和投喂时间, 池塘水深和水体理化性质的调节等。Seymour 等在研究挪威集约化养殖降低养殖污染方法中已经验证这些均能提高饲料利用率, 同时 Phillips 等研究大马哈鱼的网箱养殖对环境的影响得出水体系统内鱼的摄食率会随着水温的提高而上升, 养殖系统中水体的流速、盐度、理化性质以及生物的自净能力也会影响有机质的沉降效果。研究表明, 随着温度升高, 草鱼和黄颡鱼的摄食率增强, 对饵料利用率提高导致残饵量降低, 同时由于风力和鱼类活动增强引起底泥再悬浮,造成沉积颗粒中无机物含量增高而有机物含量下降,Sarà 等在研究蚌的养殖中已经验证。这一系列原因导致了这两种养殖模式沉降颗粒有机质人为饵料贡献率随着养殖时间的推移残饵贡献率逐渐降低。
因此, 本研究表明在整个养殖过程中, 两种主养模式池塘人为有机质(残饵)在沉降颗粒贡献率逐渐下降的原因主要是由于池塘水体中浮游生物的季节波动、主养鱼类摄食能力的提高以及鱼类活动能力增强导致底层再悬浮颗粒增加等原因共同作用的结果。同时主养草鱼池塘残饵在沉降颗粒中的贡献率显着高于主养黄颡鱼池塘亦可能是两种不同主养对象对饵料摄食能力的差异所致。
4 结论
(1) 从养殖初期至末期, 两种养殖模式池塘沉降颗粒中的 TC、TN、TON 和 TOC 含量均呈下降趋势, 并且主养黄颡鱼池塘沉降颗粒中碳氮的含量显着高于主养草鱼池塘。(2)主养黄颡鱼池塘沉降颗粒有机质 δ15N 值的变化范围是 4.6%—9.1%, 平均值为 6.2%, δ13C 值的变化范围是–26.6%— –24.1%,平均值为–25.3%; 主养草鱼池塘沉降颗粒有机质δ15N 值的变化范围是 3.8%—8.0%, 平均值为 5.9%,δ13C 值的变化范围是–26.8%— –24.1%, 平均值为–25.4%。整个养殖的过程中无显着变化趋势。(3)利用碳氮稳定性同位素混合模型计算出, 主养黄颡鱼沉降颗粒有机质人为饵料贡献率为 15.6%—35.4%, 随着养殖时间的推移饵料贡献率逐渐降低(r= –0.537, P<0.05); 主养草鱼沉降颗粒有机质人为饵料贡献率为 30.1%—70.1%, 随着养殖时间的推移饵料贡献率逐渐降低(r= –0.800, P<0.01)。
