柴正晴, 李瑞環(huán),2, 寧志銘,3, 董書航, 寧曉燕,4, 劉素美,5

(1. 中國海洋大學 深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心和海洋化學理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100；2. 中國科學院南海海洋研究所， 廣東 廣州 510301； 3. 廣西大學海洋學院， 廣西 南寧 530004；4. 海洋高等研究院， 山東 青島 266237； 5. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室， 山東 青島 266237)

中國是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，是世界上最大的貝、藻類養(yǎng)殖國家。在養(yǎng)殖海灣，水產(chǎn)養(yǎng)殖導致的環(huán)境問題會反過來限制養(yǎng)殖水域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展[1-2]。許多研究表明，高密度筏式養(yǎng)殖對潮流具有阻礙作用，使得表層流速減慢，導致養(yǎng)殖海灣內(nèi)外水交換滯緩，對生源要素的輸送和循環(huán)產(chǎn)生影響[3-6]。為了應對這一問題，多營養(yǎng)層次的綜合養(yǎng)殖模式(Integrated Multi-trophic Aquaculture, IMTA)被廣泛應用[7]。

本文通過現(xiàn)場受控培養(yǎng)實驗，對比貝類單養(yǎng)、大型藻類單養(yǎng)及貝藻混養(yǎng)模式下水體營養(yǎng)鹽含量的變化及浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的變化進行了對比，關(guān)注不同模式下營養(yǎng)鹽對養(yǎng)殖活動的響應，進一步探究了不同模式的養(yǎng)殖活動對養(yǎng)殖海域生態(tài)環(huán)境帶來的影響。

1 研究區(qū)域、樣品采集及研究方法

1.1 研究區(qū)域

2013年7月28日—8月7日(夏季)，在黃海西部的桑溝灣內(nèi)選擇位于貝藻混養(yǎng)區(qū)的站位MC(37°05′E, 122°33′N)進行現(xiàn)場圍隔實驗。

1.2 圍隔實驗及樣品采集

實驗所用圍隔袋子由較厚的，長、寬、高各1 m的透明聚乙烯塑料膜做成，體積約為1 m3，共5個。圍隔袋固定在由鐵架和浮漂制成的浮床上，底部封閉，頂部向大氣敞開，開口位置比水面高約0.5 m，浮床固定在灣內(nèi)距離楮島碼頭約500 m的閑置魚排上。圍隔內(nèi)光照、水溫、水流擾動等情況與現(xiàn)場水體保持一致，但不與周邊水體進行水交換。采用采樣后添加營養(yǎng)鹽的方式，分別在實驗的第三天和第六天向圍隔中添加NaNO3、KH2PO4、Na2SiF6儲備液，以補充圍隔內(nèi)的營養(yǎng)鹽消耗，使圍隔水體營養(yǎng)鹽濃度盡量與周圍水體營養(yǎng)鹽的濃度保持一致。

桑溝灣內(nèi)養(yǎng)殖的濾食性貝類主要為櫛孔扇貝和長牡蠣，采用筏式養(yǎng)殖，養(yǎng)殖周期一般為5—11月，海帶養(yǎng)殖周期通常為11月至次年4—5月[14]。由于實驗在7—8月進行，該季節(jié)灣內(nèi)海帶已收獲，灣內(nèi)養(yǎng)殖大型藻類以龍須菜為主，因此選用櫛孔扇貝與龍須菜為養(yǎng)殖物種進行培養(yǎng)實驗。櫛孔扇貝、龍須菜及營養(yǎng)鹽的添加方式及各圍隔袋營養(yǎng)鹽初始濃度及貝藻含量如表1所示。對照1和對照2 為對照實驗，對照1中僅添加櫛孔扇貝作為養(yǎng)殖物種，兩個對照袋中均不添加營養(yǎng)鹽。實驗原本采用梯度添加櫛孔扇貝的方式，設(shè)置了4只、7只、10只扇貝的實驗組，對照組取中間值的添加量，即7只。從營養(yǎng)鹽及葉綠素的樣品檢測的結(jié)果來看，各梯度之間數(shù)據(jù)結(jié)果差距不大。為了使實驗結(jié)果的展示更加簡明，并方便與對照組進行比較，本文僅選取添加了7只扇貝的實驗組進行分析，將櫛孔扇貝用托盤懸掛于圍隔袋子中。圍隔袋設(shè)置好后，立即測定各圍隔中的水文參數(shù)，同時采集并測定此時各圍隔內(nèi)營養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度，即為初始濃度。之后在實驗的1～6天和第9天每天采集一次營養(yǎng)鹽及葉綠素a樣品，并測定圍隔內(nèi)的水文參數(shù)。水樣采集后，立即使用0.4 μm的聚碳酸酯膜過濾，濾液倒入125 mL事先用1 mol·L-1鹽酸浸泡并用Milli-Q水洗凈的聚四氟乙烯瓶中，-20 ℃冷凍保存，用來測定營養(yǎng)鹽。用干凈的鋁箔包裹過完水樣的0.4 μm的聚碳酸酯膜，并記錄體積，-20 ℃冷凍保存，用來測定總?cè)~綠素a含量。分級葉綠素a水樣先經(jīng)200 μm 篩絹過濾，然后用20、2、0.2 μm三種孔徑濾膜過濾，獲得不同粒級樣品，同樣在-20 ℃下避光冷凍保存，帶回實驗室后立即進行分析測定。

表1 圍隔受控培養(yǎng)實驗營養(yǎng)鹽初始濃度添加情況及養(yǎng)殖物種添加情況Table 1 Initial concentration of nutrients and addition of nutrients and cultured species in mesocosm /(μmol·L-1)

為了確定營養(yǎng)鹽添加的濃度與比例，查找了桑溝灣養(yǎng)殖海域營養(yǎng)鹽含量比值的長期變化。在進行對比后，選擇了2003年[15]和2006年[16]的DSi/DIN(0.41、0.37)值作為參考，最終確定圍隔中添加營養(yǎng)鹽的DSi/DIN為32/12(0.375)。同時，2003與2006年的調(diào)查結(jié)果顯示，夏季桑溝灣DIN/DIP分別為70.1、105，DIP平均含量分別為0.24、0.12 μmol·L-1；由于夏季桑溝灣本就存在磷限制的現(xiàn)象[11]，且部分圍隔中養(yǎng)殖了大型藻類，會大量消耗營養(yǎng)鹽，因此為防止圍隔中出現(xiàn)嚴重磷限制，最終確定了DIP的添加量為0.25 μmol·L-1，添加的DIN/DIP為32/1?；谝陨希诘?天和第6天采樣后分別添加8.00、0.25、3.00 mmol的NaNO3、KH2PO4、Na2SiF6儲備液至圍隔袋中，營養(yǎng)鹽添加的濃度分別為6.15、0.19、2.31 μmol·L-1，氮、磷、硅添加濃度的比例為32/1/12。

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 理化因子變化

如圖1，由于受控實驗是開放的體系，各圍隔水溫差距較小，變化范圍均在19.6～24.7 ℃。其中培養(yǎng)的第一天和第八天因為有降雨，引起水溫下降。DO在6.61～11.6 mg·L-1范圍內(nèi)波動變化，沒有明顯的規(guī)律性。添加了龍須菜的MC2、MC3兩個圍隔，因為大型藻類光合作用釋放氧氣，DO均值稍高于其他圍隔。pH范圍為8.295～8.841，和DO有相似的變化趨勢，DO濃度高時pH也相應變高。MC2、MC3中pH均值稍高，說明龍須菜的添加引起pH升高。第一天(7月30日)采樣時，正在下雨，且現(xiàn)場霧很大，能見度低，降雨使得圍隔上層水體中鹽度顯著降低。一般采樣時會將探頭下放至圍隔深度的約二分之一處測定，而第一天采樣時受限于環(huán)境條件，探頭放的可能不夠深，且采樣前未將圍隔內(nèi)水體混合均勻，所以導致測出的鹽度過低。之后采樣時，未再出現(xiàn)相同的情況，因此鹽度的測定不再受影響，恢復至正常水平。

圖1 圍隔袋內(nèi)溫度、鹽度、溶解氧(DO)、pH的變化Fig.1 Changes of temperature, salinity, dissolved oxygen (DO) and pH in mesocosm

2.2 養(yǎng)殖活動對營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)組成的影響

圖2 圍隔袋內(nèi)溶解無機態(tài)營養(yǎng)鹽含量及組成變化Fig. 2 Changes of dissolved inorganic nutrients content and composition in mesocosm

本實驗所用大型藻類為龍須菜，生長過程中不吸收DSi，因此DSi的降低均是由浮游植物的吸收利用所導致。各圍隔中Chla含量的變化如圖3所示，在實驗的前三天，MC1、MC2、MC3中的Chla均呈先上升后下降的趨勢。盡管在三個圍隔中MC3中的DIN、DIP降低的比例最高，圍隔內(nèi)溶氧含量的增加也最為明顯，但Chla增加的比例(3.3%)卻遠遠小于其他兩個圍隔(MC1, 52.9%; MC2, 24.5%)，說明大部分的營養(yǎng)鹽均被龍須菜所吸收。大型藻類對營養(yǎng)鹽的競爭利用，限制了MC3中浮游植物的生長。MC2中雖然也養(yǎng)殖了大型藻類，但貝類的排泄釋放起到了補充營養(yǎng)鹽的作用。此外，通過MC1、MC2與空白組的對比，可知扇貝的養(yǎng)殖可以增加水體內(nèi)浮游植物對DSi的消耗。有研究指出，貝類喜歡攝食脂肪類含量高的顆粒物質(zhì)，且高脂肪酸的餌料能夠促進扇貝的攝食速率。由于甲藻細胞脂肪酸含量高于硅藻，因此扇貝對甲藻有更強的攝食選擇性[19-20]。許多研究均表明，貝類的養(yǎng)殖導致桑溝灣甲藻的豐度顯著降低，而硅藻的優(yōu)勢度則增加[21-23]，這可能是MC1、MC2中DSi迅速降低的原因之一。

圖3 圍隔袋內(nèi)葉綠素a(Chl a)含量的變化Fig.3 Changes of Chl a concentration in mesocosm

2.3 養(yǎng)殖活動對溶解有機態(tài)營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的影響

圖4 圍隔帶袋內(nèi)溶解有機態(tài)及總?cè)芙鈶B(tài)營養(yǎng)鹽含量及DON (a)、DOP (b)的濃度占比變化情況Fig.4 The concentration of dissolved organic and total nutrients and the proportions of DON (a) and DOP (b) in mesocosm

從DON與DOP的含量變化上來看，添加了扇貝的圍隔內(nèi)觀察到溶解有機態(tài)營養(yǎng)鹽的積累更為明顯，這可能是由于貝類排泄中含有較多的有機成分導致的。實驗中出現(xiàn)的DOP的降低可能是由于該季節(jié)存在磷限制的情況，無機磷供應不足，因此部分DOP被浮游植物吸收利用所導致。許多研究均發(fā)現(xiàn)，在無機磷匱乏的海域，溶解有機磷可以通過浮游植物自身的生物化學作用和酶水解等作用作為補充磷源被浮游植物吸收利用[32-34]。第一天被貝類單養(yǎng)的圍隔MC1、對照1中TDN/TDP為50/1、36/1，實驗結(jié)束時為61/1、72/1。從營養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)變化上來看，含磷營養(yǎng)鹽的累積不如含氮營養(yǎng)鹽明顯，這可能與桑溝灣水體中磷的含量本身較低有關(guān)。

2.4 養(yǎng)殖活動對浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的影響

圍隔中葉綠素a含量整體呈降低趨勢(見圖3)。實驗的前三天，MC1、MC2、MC3中Chla含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，第2天為Chla在前三天的峰值。MC1中貝類排泄帶來的營養(yǎng)鹽刺激了浮游植物的生長，因此水體Chla升高最明顯。MC2中藻類與貝類的作用相互抵消，因此Chla的變化趨勢雖然與MC1相似，但相對滯后。此外這三個圍隔中第3～6天中所觀察到的Chla的升高均是由于添加營養(yǎng)鹽引起的。由于是采樣后添加營養(yǎng)鹽，因此在MC1、MC3均是在第四天觀察到峰值，分別為3.42和3.19 μg·L-1。MC2在第六天才觀察到峰值，為2.86 μg·L-1?？傮w來看，貝藻混養(yǎng)的體系MC2中浮游植物生長變化相對遲緩，對營養(yǎng)鹽添加的反應也不如MC1、MC3靈敏，可見貝藻混養(yǎng)更有助于維持養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

從培養(yǎng)的第3天開始，扇貝濾食作用變得明顯。貝類單養(yǎng)的圍隔MC1、對照1內(nèi)浮游植物構(gòu)成由micro-級浮游植物為主轉(zhuǎn)為pico-級浮游植物為主(見圖5)。這一變化與扇貝的濾食選擇性相關(guān)。許多研究表明濾食性貝類對粒徑較大的食物有著更高的攝食效率，對于2 μm以下的食物截留率較低，這是由扇貝的器官結(jié)構(gòu)和攝食機制導致的[27,35-36]。此外，在藻類單養(yǎng)的圍隔MC3中，也出現(xiàn)了浮游植物粒徑構(gòu)成向小型化轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，培養(yǎng)一段時間后micro-級浮游植物的占比顯著降低。這可能是由于大型藻類與浮游植物競爭利用營養(yǎng)鹽導致水體營養(yǎng)鹽的匱乏，而粒徑較小的pico-級和nano-級浮游植物擁有更大的比表面積，在吸收營養(yǎng)鹽時比micro-級浮游植物更具有競爭力，因此可以更好的適應低營養(yǎng)鹽的環(huán)境[35-36]。因此大型藻類的養(yǎng)殖同樣會促使水體內(nèi)浮游植物向小型化發(fā)展。MC2中的浮游植物同時受到貝類濾食及大型藻類競爭利用營養(yǎng)鹽的影響，浮游植物構(gòu)成也由micro-級浮游植物為主轉(zhuǎn)為pico-級浮游植物為主。許多對桑溝灣養(yǎng)殖海區(qū)內(nèi)浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在桑溝灣內(nèi)濾食性貝類養(yǎng)殖區(qū)和貝藻混養(yǎng)區(qū)，浮游植物均出現(xiàn)小型化趨勢，nano-級和pico-級浮游植物占總浮游植物的比例高于海帶養(yǎng)殖區(qū)[39-41]。以上結(jié)果說明在水產(chǎn)養(yǎng)殖體系中，貝類與藻類養(yǎng)殖都會使水體浮游植物向小型化發(fā)展，促使nano-級和pico-級浮游植物成為優(yōu)勢種。隨著培養(yǎng)時長的增加，各圍隔中pico-級浮游植物的占比開始回落，但Chla的總量并沒有明顯的回升，說明當大部分大粒級的浮游植物被濾食以后，小粒級的浮游植物也被扇貝攝食。

圖5 圍隔袋內(nèi)Chl a含量變化及不同粒級Chl a所占比例(FChl a)Fig.5 The change of Chl a concentration and the proportion of Chl a in different particle size fractions in the enclosure bag

3 結(jié)論

本文通過圍隔實驗，探究了不同養(yǎng)殖模式下，養(yǎng)殖海灣內(nèi)營養(yǎng)鹽與浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的變化特征。主要有以下幾項結(jié)論：

(2)貝類的濾食作用使硅藻在浮游植物群落中的優(yōu)勢度增加，因此會加速水體硅酸鹽的消耗，改變養(yǎng)殖水體的氮、磷、硅比值。

(3)貝類的選擇性濾食使養(yǎng)殖水體內(nèi)浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)向小型化轉(zhuǎn)變，nano-級和pico-級浮游植物更具優(yōu)勢。同時當大型藻類養(yǎng)殖導致營養(yǎng)鹽供應不足時，也會使水體浮游植物向小型化發(fā)展。因此在貝藻綜合養(yǎng)殖模式下，浮游植物偏小型化，nano-級和pico-級浮游植物更易成為優(yōu)勢種。