皮 坤 張 敏 李庚辰 熊 鷹 李 娟 李保民

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 淡水水產(chǎn)健康養(yǎng)殖湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430070)

人工餌料對(duì)主養(yǎng)黃顙魚和主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)的同位素示蹤

皮 坤 張 敏 李庚辰 熊 鷹 李 娟 李保民

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 淡水水產(chǎn)健康養(yǎng)殖湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430070)

研究假定池塘中沉降顆粒有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自殘餌、糞便和懸浮顆粒物三種的混合, 利用碳氮穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)對(duì)主養(yǎng)草魚(Ctenopharyngodon idellus)和主養(yǎng)黃顙魚(Pelteobaggrus fulvidraco)池塘沉降顆粒中人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)來(lái)源進(jìn)行定量研究, 同時(shí)分析了不同主養(yǎng)模式池塘沉降顆粒中碳氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化特征。結(jié)果表明: 兩種主養(yǎng)模式池塘沉降顆粒中總氮(Total nitrogen, TN)、總碳(Total carbon, TC)、總有機(jī)碳(Total organic carbon, TOC)以及總有機(jī)氮(Total organic nitrogen, TON)都呈現(xiàn)出從養(yǎng)殖初期到末期逐漸降低的趨勢(shì);并且主養(yǎng)黃顙魚池塘顆粒沉降物中TN、TC、TON和TOC含量均顯著高于主養(yǎng)草魚池塘。主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)碳氮穩(wěn)定性同位素(δ13C和δ15N)平均值分別為–25.3‰和6.2‰; 主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ13C和δ15N的平均值分別為–25.4‰和5.9‰。利用同位素混合模型計(jì)算出兩種主養(yǎng)模式池塘沉降顆粒中人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)貢獻(xiàn)率分別為15.6%—35.4%(主養(yǎng)黃顙魚池塘)和30.1%—70.1%(主養(yǎng)草魚池塘), 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明, 兩種主養(yǎng)模式池塘從養(yǎng)殖初期到末期沉降顆粒中餌料貢獻(xiàn)率均顯著降低(主養(yǎng)黃顙魚池塘: r=–0.537, P ＜0.05; 主養(yǎng)草魚池塘: r= –0.800, P＜0.01)。

草魚; 黃顙魚; 混養(yǎng); 有機(jī)質(zhì); 沉降顆粒; 穩(wěn)定性同位素

高密度、集約化的養(yǎng)殖方式已成為中國(guó)淡水漁業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一[1], 這種養(yǎng)殖方式創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和社會(huì)效益的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了巨大的負(fù)面影響[2,3]。淡水池塘養(yǎng)殖是一種受人為調(diào)控影響較大的營(yíng)養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng), 高密度的投餌養(yǎng)殖方式導(dǎo)致殘餌、糞便、排泄物等在池塘底部大量積累, 導(dǎo)致池塘水體的有機(jī)污染和富營(yíng)養(yǎng)化[4—6]。尤其是殘餌的積累, 一方面增加了養(yǎng)殖成本, 另一方面加重了水體的污染壓力, 從而引起病原菌滋生, 養(yǎng)殖動(dòng)物疾病暴發(fā)[7]。

在不同來(lái)源的有機(jī)質(zhì)中, 其化學(xué)組成成分和穩(wěn)定性同位素組成特征會(huì)存在差異[8,9], 通過(guò)利用有機(jī)質(zhì)化學(xué)組成成分和穩(wěn)定性同位素地球化學(xué)特征來(lái)定量化推斷沉積物中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源是當(dāng)今水域生態(tài)研究的熱點(diǎn)之一[10—12], 如Mangaliso等利用碳氮穩(wěn)定性同位素示蹤水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)的擴(kuò)散范圍[13], Sarà等利用碳氮穩(wěn)定性同位素研究水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物對(duì)沉降顆粒和沉積物的影響[14]。目前對(duì)淡水池塘的研究多集中在利用沉積物的化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)來(lái)定性描述養(yǎng)殖對(duì)沉積環(huán)境的影響[15,16], 缺少定量化的研究。殘餌是淡水養(yǎng)殖過(guò)程中外源有機(jī)質(zhì)的主要輸入源, 本研究通過(guò)對(duì)主養(yǎng)黃顙魚與主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒碳氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量以及有機(jī)物質(zhì)碳氮穩(wěn)定性同位素組成特征的研究, 定量評(píng)估人為有機(jī)物質(zhì)(殘餌)在兩種養(yǎng)殖模式沉降顆粒中所占的比重,進(jìn)而為達(dá)到有效控制池塘自身污染和改良污染池塘的目的, 為淡水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供理論證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2012年4—10月在荊州市公安縣崇湖漁場(chǎng)東北湖分場(chǎng)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研教學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。每一種養(yǎng)殖模式設(shè)置3個(gè)重復(fù): 選取主養(yǎng)草魚和主養(yǎng)黃顙魚的池塘各三口, 池塘面積均為6667 m2, 水深1.5—2.3 m, 魚苗投放如表1。實(shí)驗(yàn)池塘采用半封閉式養(yǎng)殖, 主養(yǎng)草魚池塘投喂海大牌草魚膨化飼料,主養(yǎng)黃顙魚池塘投喂海大牌黃顙魚配合飼料; 兩種主養(yǎng)模式池塘中配合飼料投喂量約為魚總重量的 3%—5%養(yǎng)殖過(guò)程中每一種養(yǎng)殖模式統(tǒng)一補(bǔ)水和換水。

1.2 采樣與分析分法

樣品采集時(shí)間為 4—10月的每月中旬左右, 沉降顆粒的采集是采用沉降顆粒收集裝置(圖 1所示, h=35 cm, d=11 cm)進(jìn)行, 每一口池塘選擇5個(gè)沉降顆粒采樣點(diǎn)(分別位于池塘對(duì)角線的等分點(diǎn)處), 放置72h后回收, 回收時(shí)靜置2h后小心棄去上層多余的清液, 取下樣品管, 在60℃下烘干至恒重后研磨,置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?duì)應(yīng)在沉降顆粒采樣點(diǎn)采集上中下水層混合水樣200 mL, 使用預(yù)先在450℃下灼燒 4h左右除去有機(jī)碳的玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F, 直徑47 mm, 孔徑0.7 μm)抽濾收集懸浮顆粒物, 濾膜冷凍保存。用彼得森采泥器在上述沉降顆粒的采樣點(diǎn)處采集表層沉積物樣品, 同樣在60℃下烘干、研磨、過(guò)篩并保存。本研究中收集魚后腸腸含物作為魚類的糞便, 同時(shí)收集兩種養(yǎng)殖模式投喂的飼料, 在 60℃下烘干、研磨、封口袋封裝后保存于干燥器中。

沉降顆粒、懸浮顆粒物、沉積物和飼料中總氮(Total nitrogen, TN)、總碳(Total carbon, TC)采用Thermo Flash 2000元素分析儀進(jìn)行測(cè)定; 沉降顆粒和懸浮顆粒中總有機(jī)碳(Total organic carbon, TOC)、總有機(jī)氮(Total organic nitrogen, TON)和碳氮穩(wěn)定性同位素分析先用足量1 mol/L HCl 浸泡淋洗24h, 除去可能存在的無(wú)機(jī)碳, 然后用蒸餾水淋洗至水呈中性, 再將其置于 60℃下烘干至恒重[17]。最后, 處理過(guò)的樣品中TOC和TON采用Thermo Flash 2000元素分析儀進(jìn)行測(cè)定; 沉降顆粒、懸浮顆粒、沉積物和飼料中碳氮穩(wěn)定性同位素比用穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀IRMS (Thermo-MAT253)[18]進(jìn)行測(cè)定。樣品中碳、氮穩(wěn)定性同位素以 δ值的形式給出, 計(jì)算公式為δX=[(R待測(cè)樣品/R標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)) –1] ×103, 其中X為13C或15N; R為13C/12C或15N/14N。碳氮穩(wěn)定同位素值分別以相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的PDB和大氣氮的δ值報(bào)道。每測(cè)定10個(gè)樣品插入1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品, 并隨機(jī)挑選1—2個(gè)樣品進(jìn)行復(fù)測(cè)。樣品δ13C和δ15N重視精度為±0.3‰。

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)樣品中TN、TC、TON、TOC以及δ13C、δ15N做時(shí)間序列的相關(guān)性分析。通過(guò)t檢驗(yàn)(平均值成對(duì)二樣本分析)比較單個(gè)月份內(nèi)不同養(yǎng)殖模式間的差異,方差分析前先進(jìn)行正態(tài)分布和方差齊性檢驗(yàn)。以P＜0.05作為差異顯著水平。本研究利用碳氮穩(wěn)定性同位素混合模型對(duì)沉降顆粒中人為有機(jī)質(zhì)來(lái)源進(jìn)行了初步定量估算。假定池塘中沉降顆粒有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自殘餌、糞便和懸浮顆粒物(Particulate organic matter, POM)三種的混合, 則人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)輸入貢獻(xiàn)率可用碳穩(wěn)定性同位素質(zhì)量平衡混合模型[19]計(jì)算:式中: 下標(biāo)X、Y、Z和M分別為飼料、糞便、POM和沉降顆粒, f為每種物質(zhì)在沉降顆粒中占的百分比, δ13C、δ15N代表每一種物質(zhì)的穩(wěn)定性碳氮同位素比值。

圖1 沉降顆粒收集裝置示意圖Fig. 1 Collected trap of sedimentary particle

2 結(jié)果

2.1 兩種主養(yǎng)模式池塘中沉降顆粒碳氮營(yíng)養(yǎng)含量的季節(jié)變化特征

沉降顆粒中TN、TC、TOC以及TON都呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化(圖2)。主養(yǎng)黃顙池塘TOC含量變化為4.86—7.14 mg/g, 均值為5.82 mg/g; TON含量變化為0.59—0.90 mg/g, 均值為0.72 mg/g; TC含量變化為5.42—8.57 mg/g, 均值為6.86 mg/g; TN含量變化在0.66—1.13 mg/g, 均值為0.83 mg/g。時(shí)間序列的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明: 主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒中TN (r= –0.80, P＜0.05), TC (r= –0.79, P＜0.05), TON (r= –0.74, P＜0.05)與TOC (r= –0.65, P＜0.05)均隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移, 其含量有顯著下降趨勢(shì)。主養(yǎng)草魚池塘TOC含量變化在2.53—5.45 mg/g, 均值為3.90 mg/g; TON含量變化在0.40—0.62 mg/g, 均值為0.52 mg/g; TC含量變化在3.09—7.19 mg/g, 均值為4.98 mg/g; TN含量變化在0.35—0.86 mg/g, 均值為0.58 mg/g。時(shí)間序列相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒中TN (r= –0.93, P＜0.05), TC (r= –0.96, P＜0.05), TON (r= –0.95, P＜0.05)與TOC (r= –0.97, P＜0.05)均隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移, 其含量有顯著下降趨勢(shì)。此外, 主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒中TN、TC、TON和TOC含量均顯著高于主養(yǎng)草魚池塘(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)。

本研究對(duì)兩種主養(yǎng)模式中的沉積物、飼料、懸浮顆粒中TN、TC、TOC以及TON含量測(cè)定如表2, 主養(yǎng)黃顙魚模式中沉積物、飼料、懸浮顆粒中TN、TC、TOC以及TON含量均大于主養(yǎng)草魚池塘。

2.2 兩種主養(yǎng)模式池塘中沉降顆粒碳氮穩(wěn)定同位素含量的季節(jié)變化特征

如圖3所示, 主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ15N值的變化范圍是5.0‰—6.9‰, 平均值為6.2‰, δ13C值的變化范圍是–26‰— –24.2‰, 平均值為–25.3‰; 主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ15N值的變化范圍是 4.5‰—6.5‰, 平均值為 5.9‰, δ13C值的變化范圍是–26.5‰— –24.5‰, 平均值為–25.4‰。時(shí)間序列相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示兩種主養(yǎng)模式中沉降顆粒碳氮穩(wěn)定性同位素含量無(wú)顯著的季節(jié)變化特征(r草δ15N=0.31, P＞0.05; r草δ13C=0.63, P＞0.05; r黃δ15N=0.11, P＞0.05; r黃δ13C=0.45, P＞0.05); 兩種模式中沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ15N值的變化與δ13C值的變化均顯著正相關(guān):主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒δ15N值與δ13C值顯著正相關(guān)(r=0.462, P＜0.05); 主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒 δ15N值與δ13C值顯著正相關(guān)(r=0.537, P＜0.05)。此外, 兩種主養(yǎng)池塘沉降顆粒中δ15N值與δ13C值沒(méi)有顯著差別(df=30, tδ15N=1.1, P＞0.05; tδ13C=0.6, P＞0.05)。

表2 顆粒沉降物主要物質(zhì)來(lái)源碳氮含量特征Tab. 2 Concentrations of carbon and nitrogen of sedimentary particle in two aquaculture models

圖2 兩種養(yǎng)殖模式中沉降顆粒碳氮營(yíng)養(yǎng)含量的季節(jié)變化特征(圖中數(shù)據(jù)為平均值, 誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差線)Fig. 2 Temporal variations of carbon and nitrogen concentrations of sedimentary particle in two aquaculture models(Values are means, error bars reflect standard deviation)

圖3 兩種主養(yǎng)模式池塘中沉降顆粒穩(wěn)定碳氮同位素含量的季節(jié)變化特征(圖中數(shù)據(jù)為平均值, 誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差線)Fig. 3 Temporal variations of stable carbon and nitrogen isotope of sedimentary particle in two aquaculture models (Values are means, error bars reflect standard deviation)

2.3 沉降顆粒物中碳氮比值變化以及與穩(wěn)定碳氮同位素的相關(guān)性

如圖 4所示, 主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)C/N比值的變化范圍是 5.0—8.1, 平均值為 7.1; 主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)C/N比值的變化范圍是6.1—7.8, 平均值為 7.0。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示兩種主養(yǎng)模式中沉降顆粒中 C/N 比值沒(méi)有顯著差異(df=30, t=0.1, P＞0.05)。

如圖 5所示, 主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒中氮穩(wěn)定同位素與 C/N比值之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.128, P＜0.05), 碳穩(wěn)定性同位素與C/N比值之間存在不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= –0.063, P＞0.05)。主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒中氮穩(wěn)定性同位素與C/N比值之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= –0.292, P＜0.01), 碳穩(wěn)定性同位素與C/N比值之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= –0.218, P＜0.01)。

圖 4 兩種主養(yǎng)模式中沉降顆粒中碳氮比含量的季節(jié)變化(圖中數(shù)據(jù)為平均值, 誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差線)Fig. 4 The temporal variation of the ratios of carbon to nitrogen of sedimentary particle in two aquaculture models (Values are means, error bars reflect standard deviation)

2.4 沉降顆粒中有機(jī)質(zhì)來(lái)源分析

本研究利用碳氮穩(wěn)定性同位素混合模型計(jì)算出兩種主養(yǎng)模式池塘沉降顆粒中人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)貢獻(xiàn)率的計(jì)算結(jié)果為(圖6): 主養(yǎng)黃顙魚沉降顆粒人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)貢獻(xiàn)率為 15.6%—35.4%, 隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移餌料貢獻(xiàn)率逐漸降低(r= –0.537, P＜0.05)。主養(yǎng)草魚沉降顆粒人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)貢獻(xiàn)率為30.1%—70.1%, 隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移餌料貢獻(xiàn)率逐漸降低(r= –0.800, P＜0.01)。

3 討論

圖5 兩種主養(yǎng)模式中沉降顆粒中穩(wěn)定碳氮同位素與C/N相關(guān)關(guān)系Fig. 5 Relationship between stable carbon and nitrogen isotope and C/N ratio of sedimentary particle in two aquaculture models

3.1 沉降顆粒中TN、TC、TON和TOC含量變化

沉降顆粒是指在水體范圍內(nèi)發(fā)生的物理、化學(xué)及生物學(xué)過(guò)程所產(chǎn)生的沉降物, 而沉降是養(yǎng)殖水體物質(zhì)循環(huán)的重要特征, 主要包括浮游植物、浮游動(dòng)物、魚類排泄物、殘餌和再懸浮的底泥等[20]。淡水池塘養(yǎng)殖為受人為因素影響較大的小型生態(tài)系統(tǒng),自身調(diào)節(jié)能力較差, 內(nèi)部群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 加之水生動(dòng)物攝食運(yùn)動(dòng)及風(fēng)力混合運(yùn)動(dòng)的作用造成沉降顆粒沉積量波動(dòng)較大[21—23]。本研究中兩種養(yǎng)殖模式池塘沉降顆粒中的TN、TC、TON和TOC含量均隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移呈顯著下降趨勢(shì), 可能的原因?yàn)槌两殿w粒中殘餌數(shù)量、浮游生物數(shù)量減少, 同時(shí)風(fēng)力和魚類活動(dòng)增強(qiáng)引起底泥再懸浮, 造成沉積顆粒中無(wú)機(jī)物含量增高而有機(jī)物含量下降。與趙文等在研究刺參養(yǎng)殖池塘以及鹽堿池塘中顆粒懸浮物結(jié)構(gòu)及其沉積作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合[24]。主養(yǎng)黃顙魚沉降顆粒中TON占到TN的71%—98%, TOC占到TC的63%— 94%; 主養(yǎng)草魚沉降顆粒中TON占到TN的70%— 95%, TOC占到TC的74%—94%。這一結(jié)果表明兩種主養(yǎng)模式沉降顆粒中主成分為有機(jī)質(zhì), 同時(shí)這兩種主養(yǎng)模式中有機(jī)物質(zhì)的含量略高于對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘中總懸浮顆粒物中顆粒有機(jī)物所占比例62%[24], 略高于刺參養(yǎng)殖懸浮顆粒中有機(jī)質(zhì)所占比例69.13%[23], 可能原因是水深、魚種的放養(yǎng)量、投飼、生活習(xí)性和施肥數(shù)量不同導(dǎo)致等。在本研究中主養(yǎng)黃顙魚沉降顆粒中TN、TC、TON和TOC含量均高于主養(yǎng)草魚, 由于沉降顆粒的來(lái)源主要包括浮游植物、浮游動(dòng)物、魚類排泄物、殘餌和塵埃泥沙等[25,26],而主養(yǎng)黃顙魚池塘所用飼料、沉積物、懸浮顆粒中TN和TC含量均高于主養(yǎng)草魚池塘, 這可能是引起主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒中TN、TC、TON和TOC均高于主養(yǎng)草魚池塘的主要原因。

圖 6 兩種主養(yǎng)模式沉降顆粒中有機(jī)質(zhì)人為輸入貢獻(xiàn)率的變化(圖中數(shù)據(jù)為平均值, 誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差線)Fig. 6 The contribution of anthropogenic input to sedimentary particle in two aquaculture models(Values are means, error bars reflect standard deviation)

3.2 沉降顆粒碳氮穩(wěn)定性同位素含量的季節(jié)變化特征

不同來(lái)源的有機(jī)質(zhì)中C/N比值具有明顯的差異, C/N比值也常被用來(lái)指示有機(jī)質(zhì)的潛在輸入源[27]。在本研究中兩種主養(yǎng)模式中沉降顆粒中C/N比值沒(méi)有明顯的季節(jié)變化, 同時(shí)兩者間沒(méi)有顯著差異, C/N比值在 6月、7月較高, 可能受外源輸入影響較大,或有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程中含氮蛋白的優(yōu)先降解釋放[28]。與C/N比值相比較, 碳氮穩(wěn)定性同位素在有機(jī)質(zhì)溯源定量分析研究中更具有準(zhǔn)確性[29—32]。兩種主養(yǎng)模式中沉降顆粒δ15N出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)變化沒(méi)有明顯規(guī)律, 是因?yàn)橛捎诘南趸饔?、反硝化作用、同化作用和異化作用引起氮同位素的分餾反饋在氮同位素的組成上, 同時(shí)沉積顆粒越細(xì), 穩(wěn)定氮同位素比值就越高, 底棲藻類含量越高, 穩(wěn)定氮同位素相對(duì)較高, 人為氮污染源的輸入對(duì)穩(wěn)定氮同位素的組成存在一定的改造作用[33]。主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ13C值的變化范圍是–26‰— –24.2‰, 平均值為–25.3‰; 主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ13C值的變化范圍略大于主養(yǎng)黃顙魚池塘, 為–26.5‰—–24.5‰, 平均值為–25.4‰。

碳穩(wěn)定性同位素的時(shí)空變異特征是多種因素耦合作用的結(jié)果, 研究發(fā)現(xiàn)沉積物粒徑和底棲藻類對(duì)碳穩(wěn)定性同位素影響不容忽視, 底棲藻類含量越多和沉積顆粒越粗, 穩(wěn)定碳同位素值相對(duì)較高[34], 同時(shí)人為碳源的輸入對(duì)穩(wěn)定碳同位素的組成也存在一定影響。本研究中兩種主養(yǎng)模式沉降顆粒中δ13C的值分別在5月、6月(主養(yǎng)黃顙魚)和9月、10月(主養(yǎng)草魚)有較大值, 可能受外源輸入影響較大, 且隨著溫度升高同位素分餾降低, 或初級(jí)季節(jié)性生產(chǎn)力增大[35,36]; 養(yǎng)殖中期δ13C比值減小, 可能由于有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致碳同位素分餾效應(yīng)增加, 導(dǎo)致δ13C比值降低, 或水體中溶解性無(wú)機(jī)碳濃度降低[28]。假如, C/N比值能嚴(yán)格體現(xiàn)受有機(jī)質(zhì)輸入源的影響, 則碳穩(wěn)定性同位素應(yīng)該與C/N比值有較理想的負(fù)相關(guān)關(guān)系[37], 兩種主養(yǎng)模式沉降顆粒中碳穩(wěn)定性同位素與C/N比值之間存在較理想的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明該研究中兩種養(yǎng)殖模式外源有機(jī)質(zhì)輸入的同源性, 均主要受到投喂餌料的影響。本研究對(duì)象為群落結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 人為控制力度大的池塘養(yǎng)殖系統(tǒng), δ13C和δ15N 在季節(jié)上的波動(dòng)性, 反映出兩種主養(yǎng)模式池塘在養(yǎng)殖過(guò)程中受到人為干擾控制以及系統(tǒng)內(nèi)部自身生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響。

3.3 沉降顆粒中有機(jī)質(zhì)來(lái)源分析

穩(wěn)定性同位素技術(shù)是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究中一門新興技術(shù), 在生態(tài)學(xué)研究的諸多領(lǐng)域中展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景[37], 大量研究表明碳氮穩(wěn)定性同位素可以用來(lái)示蹤不同物源的貢獻(xiàn)[38—40], Ye等首次利用δ13C定量化報(bào)道了養(yǎng)殖源有機(jī)碳對(duì)沉積物總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)[41]; Yamada等利用穩(wěn)定同位素技術(shù)評(píng)估了網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)沉積環(huán)境的影響[42]。

兩種主養(yǎng)模式池塘從養(yǎng)殖初期到末期沉降顆粒中餌料貢獻(xiàn)率均顯著降低(主養(yǎng)黃顙魚池塘: r=–0.537, P＜0.05; 主養(yǎng)草魚池塘: r= –0.800, P＜0.01),同時(shí)主養(yǎng)草魚池塘殘餌在沉降顆粒中的貢獻(xiàn)率顯著高于主養(yǎng)黃顙魚池塘。這主要是由于養(yǎng)殖過(guò)程中養(yǎng)殖管理方式和水體系統(tǒng)內(nèi)生物綜合作用結(jié)果, 其中養(yǎng)殖管理方式包括投喂飼料顆粒大小的選擇和調(diào)整,合理的投飼頻度和投喂時(shí)間, 池塘水深和水體理化性質(zhì)的調(diào)節(jié)等。Seymour等在研究挪威集約化養(yǎng)殖降低養(yǎng)殖污染方法中已經(jīng)驗(yàn)證這些均能提高飼料利用率[43,44], 同時(shí) Phillips等研究大馬哈魚的網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響得出水體系統(tǒng)內(nèi)魚的攝食率會(huì)隨著水溫的提高而上升, 養(yǎng)殖系統(tǒng)中水體的流速、鹽度、理化性質(zhì)以及生物的自凈能力也會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的沉降效果[45]。研究表明, 隨著溫度升高, 草魚和黃顙魚的攝食率增強(qiáng), 對(duì)餌料利用率提高導(dǎo)致殘餌量降低, 同時(shí)由于風(fēng)力和魚類活動(dòng)增強(qiáng)引起底泥再懸浮,造成沉積顆粒中無(wú)機(jī)物含量增高而有機(jī)物含量下降, Sarà等在研究蚌的養(yǎng)殖中已經(jīng)驗(yàn)證。這一系列原因?qū)е铝诉@兩種養(yǎng)殖模式沉降顆粒有機(jī)質(zhì)人為餌料貢獻(xiàn)率隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移殘餌貢獻(xiàn)率逐漸降低[46]。因此, 本研究表明在整個(gè)養(yǎng)殖過(guò)程中, 兩種主養(yǎng)模式池塘人為有機(jī)質(zhì)(殘餌)在沉降顆粒貢獻(xiàn)率逐漸下降的原因主要是由于池塘水體中浮游生物的季節(jié)波動(dòng)、主養(yǎng)魚類攝食能力的提高以及魚類活動(dòng)能力增強(qiáng)導(dǎo)致底層再懸浮顆粒增加等原因共同作用的結(jié)果。同時(shí)主養(yǎng)草魚池塘殘餌在沉降顆粒中的貢獻(xiàn)率顯著高于主養(yǎng)黃顙魚池塘亦可能是兩種不同主養(yǎng)對(duì)象對(duì)餌料攝食能力的差異所致。

4 結(jié)論

(1) 從養(yǎng)殖初期至末期, 兩種養(yǎng)殖模式池塘沉降顆粒中的TC、TN、TON和TOC含量均呈下降趨勢(shì), 并且主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒中碳氮的含量顯著高于主養(yǎng)草魚池塘。(2)主養(yǎng)黃顙魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì) δ15N值的變化范圍是 4.6‰—9.1‰, 平均值為 6.2‰, δ13C值的變化范圍是–26.6‰— –24.1‰,平均值為–25.3‰; 主養(yǎng)草魚池塘沉降顆粒有機(jī)質(zhì)δ15N值的變化范圍是3.8‰—8.0‰, 平均值為5.9‰, δ13C值的變化范圍是–26.8‰— –24.1‰, 平均值為–25.4‰。整個(gè)養(yǎng)殖的過(guò)程中無(wú)顯著變化趨勢(shì)。(3)利用碳氮穩(wěn)定性同位素混合模型計(jì)算出, 主養(yǎng)黃顙魚沉降顆粒有機(jī)質(zhì)人為餌料貢獻(xiàn)率為 15.6%—35.4%, 隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移餌料貢獻(xiàn)率逐漸降低(r= –0.537, P＜0.05); 主養(yǎng)草魚沉降顆粒有機(jī)質(zhì)人為餌料貢獻(xiàn)率為30.1%—70.1%, 隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移餌料貢獻(xiàn)率逐漸降低(r= –0.800, P＜0.01)。

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CARBON AND NITROGEN STABLE ISOTOPES AS TRACERS TO SOURCE ARTIFICIAL ORGANIC MATTER OF SEDIMENTARY PARTICLE IN GRASS CARP AND YELLOW CATFISH POLYCULTURED PONDS

PI Kun, ZHANG Min, LI Geng-Chen, XIONG Ying, LI Juan and LI Bao-Min
(Freshwater Aquaculture Collaborative Innovation Center of Hubei Province, College of Fisheries, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Carbon and nitrogen stable isotopes were as tracers to source artificial organic matter in which Ctenopharyngodon idellus or Pelteobaggrus fulvidraco were mainly cultured, and meanwhile the characteristic of carbon and nitrogen nutrient in the deposited particulate matter in different culture modes were also analyzed. Results showed that Total nitrogen (TN), Total carbon (TC), Total organic carbon (TOC) and Total organic nitrogen (TON) concentrations of the deposited particulate matter declined from April to October. Nitrogen and carbon concentration in sedimentary particles of Pelteobaggrus fulvidraco ponds were significantly higher than that of Ctenopharyngodon idellus ponds. The average content of δ15N and δ13C of organic matter in the deposited particulate matter were 6.2‰ and –25.3‰ in Pelteobaggrus fulvidraco-cultured ponds, 5.9‰ and –25.4‰ in Ctenopharyngodon idellus-cultured ponds, respectively. The contribution rate of residual feeds to the organic matter in the deposited particulate matter ranged from 15.6% to 35.4% in Pelteobaggrus fulvidraco-cultured ponds and from 30.1% to 70.1% in Ctenopharyngodon idellus-cultured ponds. Meanwhile, the contribution of residual feeds to organic matter in two polycultured models significantly decreased during this cultural period (Pelteobaggrus fulvidraco-cultured ponds, r= –0.537, P＜0.05; Ctenopharyngodon idellus-cultured ponds, r= –0.800, P＜0.01).

Ctenopharyngodon idellus; Pelteobaggrus fulvidraco; Polyculture; Organic matter; Sedimentary particles; Stable isotope

S912

A

1000-3207(2014)05-0929-09

10.7541/2014.138

2013-09-26;

2014-02-17

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203083); 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金培育專項(xiàng)(2013PY078); 國(guó)家大宗淡水魚類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(nycytx-49-09)資助

皮坤(1987—), 男, 湖北襄陽(yáng)人; 碩士; 主要從事養(yǎng)殖池塘水環(huán)境調(diào)控與修復(fù)方面研究。E-mail: 578580944@qq.com

張敏(1978—), 女, 副教授, 主要從事淡水生態(tài)學(xué)與地球化學(xué)循環(huán)方面的研究。E-mail: zhm7875@mail.hzau.edu.cn