2. 上海海洋大学 农业农村部鱼类营养与环境生态研究中心, 上海 201306;
3. 上海海洋大学 水产动物遗传育种中心上海市协同创新中心, 上海 201306;
4. 杭州千岛湖发展集团有限公司, 浙江 杭州 311700
近年来,我国水产养殖业发展迅猛,养殖规模不断扩大,产量日益增长,在取得巨大的经济效益的同时,由于不科学的养殖规模、不合理的养殖布局、不环保的养殖技术破坏了水域生态系统的平衡,水环境污染事故频发[1-4]。尤其最近几年,在环保压力下,各地大量的网箱养殖被取缔,库湾(池塘)等中小型水体养殖作为我国养殖水产品重要来源所占的比例逐渐升高。养殖过程中,为了提高鱼产量往往采取高密度和高投饵的养殖方式,结果未被摄食的残饵[5-8]、水产养殖对象的排泄与分泌物等[2]导致了库湾(池塘)养殖水体内源污染严重,水环境恶化[9-11]。
目前,对养殖水体污染的治理,主要通过物理、化学技术或者生物方法。物理、化学方法主要包括底泥疏浚、水体置换、曝气、沉积物氧化、原位覆盖和化学沉淀等[12-14];生物方法包括微生物修复、水生植被修复、水生动物修复等[15-17]。王小雨等[18]在长春南湖进行的底泥疏浚实验结果表明:长春南湖的总氮、总磷浓度下降,叶绿素a浓度下降显著,水质有所好转。二氧化氯具有良好的水质净化效果,能够增加水环境中的溶解氧含量以及降低化学耗氧量和铵态氮值,减少水体富营养化[19]。SOOKNAH等[20]研究了凤眼莲、石莲花和大薸对废水的净化效果,结果表明:凤眼莲去除氮磷的效果最好。刘建康等[21]在武汉东湖进行了鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(Aristichthys nobilis)的原位围隔实验,证明用滤食浮游生物的鲢、鳙控制蓝藻水华是行之有效的。张丽彬等[22]采用室内受控生态系统进行实验,证明浮游动物具有一定的控藻作用。
由于研究者们的实验条件和实验场地等因素存在差异,无法对各处理方式之间水生态环境的修复效果进行比较分析。因此,本研究于2017年在浙江杭州千岛湖西南湖区的4个封闭养殖库湾开展实验,以非经典生物操纵为基础,通过采取不同的水体处理方式来评估对库湾水质及浮游生物的影响,从而为库湾(池塘)等中小型养殖水体的水生态环境的保护与治理提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 实验设计选取位于浙江省淳安县千岛湖西南湖区的4个封闭养殖库湾开展实验研究。通过采用库湾底部淤泥清除、缩减菜籽饼饲料投喂量和滤食性鱼类放养等相结合的处理方式来探究对库湾水域生态环境的修复。其中清淤库湾在2017年1月之前完成清淤工作,清除淤泥的深度约1.5 m,而未进行清淤的库湾的淤泥厚度约为1 m。库湾地理位置见图 1,逐月对各库湾各站点进行水体理化指标和浮游生物的监测,各库湾处理方式及库湾基本情况见表 1。实验自2017年4月起至12月止,持续9个月。
实验期间,于每月中旬采集样品一次,至12月16日实验结束时共采集样品9次。各实验库湾的水深约为6 m,用5 L采水器采集上、下层的混合水样500 mL,装入塑料瓶中,带回实验室,12 h内完成样品的测定。根据国家环保总局《水和废水监测分析方法》第4版[23]的测定方法对总氮(TN,GB 11894—1989)、总磷(TP,GB 11893—1989)和高锰酸盐指数(CODMn,GB 11892—1989)等水体化学指标进行分析。使用便携式YSI多参数水质分析仪和pH计现场测定水体温度(WT)、溶解氧(DO)和pH;透明度(SD)利用塞氏盘测定;叶绿素a浓度以及浮游藻类生物量使用藻类分析仪测定[24-26]。
1.3 浮游动物的采集与鉴定轮虫的采集、鉴定及计数方法:用5 L采水器分别于水面以下0.5 m处与3 m处采集水样,充分混合后取混合水样1 L置于塑料采样瓶中,并立即加入鲁哥试剂(15%)固定,样品带回实验室置于分液漏斗中静置沉淀48 h后浓缩定容至30 mL,然后取1 mL的浓缩混匀液于1 mL计数框内,在20 × 10倍的光学显微镜(NIKON ECLIPSE 80i)下进行全片计数,平行2次取其平均值,轮虫的鉴定及定量计算参照《中国淡水轮虫志》[27]。
浮游甲壳动物定量样品的采集、鉴定及计数方法:用10 L采水器在各采样点采集水样10 L,用13#浮游生物网(孔径112 μm)过滤浓缩至100 mL,并加入4%的甲醛溶液固定,带回实验室参照《中国动物志·淡水枝角类》[28]和《中国动物志·淡水桡足类》[29]等进行镜检鉴定与定量计算。
1.4 数据处理与分析浮游动物密度的计算公式:
式中:N为1 L水中浮游动物个体数;V为水样体积,L;Vs为沉淀的体积,mL;Va为计数框体积,mL;n为计数个数。
浮游动物生物量的计算:轮虫生物量按照体积法进行计算[30],其中桡足类(不包括无节幼体)由相近的几何形状计算出的体积,再乘以密度来加以换算成生物量[31],枝角类的生物量则是根据体长-体质量回归方程计算[32]。
浮游动物优势度计算公式:
式中:ni为第i种的个体数;N为测站所有物种总个体数;fi为第i种在各站点出现的频率;Y>0.02为优势种[33]。
采用IBM SPSS 19.0进行单因素方差分析和相关性分析,使用Prism 7.0进行绘图。
2 结果 2.1 4个库湾理化因子的变化从表 2可以看出,4个库湾之间的水温、酸碱度和溶解氧无显著性差异(P>0.05)。如图 2所示,在不同的处理方式下,各库湾透明度变化趋势不同:B1在实验前两个月透明度保持在较高水平,但随着实验的进行,B1库湾透明度急剧下降并维持在较低水平;B2的透明度高于其他库湾,且与库湾B3、B4存在显著性差异(P < 0.05);B3和B4的透明度始终维持在较低水平,两者之间无显著性差异(P>0.05)。在未清淤的情况下,通过缩减饵料的投喂量,B1的透明度显著高于B4(P < 0.05)。在所有实验库湾中,透明度与叶绿素a浓度呈极显著负相关(r=- 0.736,P < 0.001)。
图 3显示了4个实验库湾的总氮、总磷浓度的变化趋势。其中:B1的总氮和总磷浓度均随实验的进行呈升高趋势;B2的总氮和总磷浓度在整个实验阶段始终维持在较低水平;B3总氮浓度在各月份间变化幅度较大,而总磷浓度在7月达到最大值,为0.264 mg/L,但在实验后期迅速降低,至实验结束时,与B2基本保持一致;B4的总氮浓度在初始阶段处于最低水平,随着实验的进行呈升高趋势,而总磷浓度在实验结束时高于其他3个库湾,为0.083 mg/L。4个实验库湾的总氮浓度从高到低为B3>B1>B4>B2,总磷浓度从高到低为B3>B4>B1>B2,见表 2。
从各实验库湾高锰酸盐指数的变化趋势(图 4)可以看出:在整个实验过程中,B1的高锰酸盐指数缓慢升高,B2的高锰酸盐指数始终维持在较低水平,B3的高锰酸盐指数在8月份达到峰值(6.76 mg/L)后出现剧烈的下降;在实验后期,与其他3个库湾相比,B4的高锰酸盐指数处于最大值,方差分析显示B2与B3、B4均出现差异显著(P < 0.05,表 2),各库湾高锰酸盐指数从高至低依次为B3、B4、B1、B2(表 2)。
在4个实验库湾中,B4的叶绿素a浓度最高,B3次之,B2最低,为19.80 μg/L。对于清淤库湾(B2和B3),其叶绿素a的变化因是否投喂饵料呈现出不同的变化趋势,B2的叶绿素a始终保持在较低水平,B3的叶绿素a的变化趋势与总磷变化相似,在2017年6月达到最大值,方差分析得出,B2的叶绿素a浓度显著低于其他实验库湾(P < 0.05)。通过清淤,B3的叶绿素a浓度显著低于未清淤B4的叶绿素a浓度(P < 0.05)。对于未清淤库湾(B1和B4),缩减投饵量使B1的叶绿素a浓度显著低于B4(P < 0.05, 表 2)。各库湾叶绿素a的变化与总氮、总磷呈显著相关(P < 0.05)。
从各门藻类的变化趋势(图 5)来看,整个实验过程中:B1的绿藻生物量占总生物量的比例较大;B2的总藻类生物量处于较低水平,且藻类组成中各门藻类生物量均较小;B3在实验前、中期阶段蓝藻与绿藻生物量较大,总藻类生物量在6月达到最大值,为122.76 μg/L;B4出现绿藻与蓝藻交替的演变趋势,前期主要以绿藻为主,中后期主要以蓝藻为主。
由图 6可知,在实验期间,B1和B4的轮虫生物量较低,B2和B3的轮虫生物量较高。4个库湾之间的枝角类和桡足类生物量无显著性差异(P>0.05)。B3的浮游动物生物量高于其他3个库湾,且轮虫、枝角类和桡足类的生物量均高于其他3个库湾。
各库湾共出现浮游动物优势种10种。其中轮虫有3种,枝角类有3种,桡足类有4种。B1中占绝对优势的是枝角类的透明溞、长肢秀体溞和桡足类的蒙古温剑水蚤、舌状叶镖水蚤、透明温剑水蚤;B2中占绝对优势的是轮虫类的针簇多肢轮虫,枝角类的长肢秀体溞、颈沟基合溞和桡足类的蒙古温剑水蚤、透明温剑水蚤、右突新镖水蚤;B3中占绝对优势的是枝角类的长肢秀体溞和桡足类的舌状叶镖水蚤、透明温剑水蚤;B4中占绝对优势的是轮虫类的针簇多肢轮虫、罗氏异尾轮虫、椎尾水轮虫,枝角类的透明溞、长肢秀体溞和桡足类的舌状叶镖水蚤。库湾B3中的优势种最少,库湾B1和B3中轮虫未构成优势种,颈沟基合溞和右突新镖水蚤仅在库湾B2中构成优势种,舌状叶镖水蚤未在库湾B2中构成优势种,透明溞未在清淤库湾(B2和B3)中构成优势种,见表 3。
通过对浮游生物与环境因子的相关性分析(表 4)发现,在4个实验库湾中:绿藻仅与B1的理化因子具有显著相关性,与其他3个库湾无显著相关性;蓝藻生物量与B3和B4的SD呈显著负相关(P < 0.05),与B1和B2的理化因子均无显著相关性;枝角类与B1的SD呈极显著正相关(P < 0.01),B1的TP呈极显著负相关(P < 0.01),与B4的SD呈显著正相关(P < 0.05);桡足类和B1的TN呈显著负相关(P < 0.05),TP极显著负相关(P < 0.01),SD显著正相关(P < 0.05),与B4的T呈显著负相关(P < 0.05);轮虫在4个库湾中均无显著相关性(P>0.05)。
关于水体营养盐控制的研究有很多,詹旭等[34]认为引起湖泊水体富营养化的关键因子是营养盐偏高,分析了营养盐的来源形式主要是外源和内源,分别从物理、化学和生物的角度对营养盐的控制进行了论述。夏黎莉等[35]通过对鄱阳湖水体进行检测,提出通过控制氮、磷肥的输入来控制面源污染以及采用生态工程,加强保护水生植物等措施来控制水体的富营养化。杨荣敏等[36]认为当湖泊的外源污染控制后,内源污染即底泥沉积物中营养盐的释放是湖泊发生富营养化的主要因素并提出了通过底质封闭、底泥疏浚和种植水生大型植物等措施来进行治理。由于库湾的水体较小,水域生态环境较脆弱,外界环境的变化很容易造成库湾内水环境的波动。本实验研究发现,不同修复方式下,其水环境的变化不同。作为养殖库湾,其主要目的是得到更高的鱼产量,但又要满足对水质的要求。对库湾进行清淤,可以有效地降低水体中的营养盐。B2的总氮、总磷和高锰酸盐指数均显著或极显著低于其他库湾,透明度显著高于其他库湾(表 2)。王栋等[37]通过对太湖五里湖湖区进行生态清淤,可以达到降低底泥营养盐的目的。吴芝瑛等[38]在杭州西湖进行底泥疏浚工程后发现沉积物中的氮、磷含量均有明显下降,对西湖水体有改善作用,有助于富营养化的控制。水体富营养化的污染源分为外源污染和内源污染,当外源污染受到控制后,由于底泥沉积物中的营养盐释放导致水体富营养化[39],因此,清淤对水质的改善具有重要作用。另外,通过缩减饵料的投喂量,发现B1的总磷浓度低于B4(表 2)。因为投喂的菜籽饼饵料除了满足水产养殖品自身的生长需求外,还有一部分会被溶解到水体中,增加水体中的营养盐,因此,饵料的投喂量对水体中营养盐具有显著的影响,与汤叶涛等[40]和杜桂森等[41]的研究结果一致。
3.2 不同处理方式对库湾浮游生物的影响不同的处理方式导致库湾出现不同的浮游动、植物组成和变化趋势。在清淤的情况下,禁止投喂饵料的B2,其藻类生物量以及各门类的藻类生物量均显著低于B3(P < 0.05),B2的浮游动物优势种多于B3,但浮游动物生物量及各门类的生物量小于B3,说明B3中浮游动物种类的个体小。张贵刚等[42]在流溪河水库所进行的围隔实验也表明了水体营养盐的变化引起浮游动物种类组成和丰度变化,随着营养盐的升高,水体中浮游动物种类数减少,个体趋于小型化。在均未清淤的情况下,通过增加投饵量,发现B4的藻类生物量显著高于B1(表 2),其中:B4的蓝藻生物量所占的比重增大,但浮游动物之间无显著性差异(P>0.05);对于投喂饵料的B3和B4,清淤对浮游藻类产生不同的影响;B3的藻类生物量显著低于B4(P < 0.05),而水体中氮、磷含量高于B4,分析其原因,可能是B3的营养盐被固定给藻类,藻类很快被放养的鱼类利用。而对于B4,营养盐被藻类转化,在同等鱼类摄食压力的情况下,其对藻类的下行效应不足以平衡营养盐对藻类的上行效应,致使水体中藻类生物量增大。刘其根等[43]分析千岛湖在1998年和1999年暴发大面积水华可能与水体中鲢、鳙生物量的显著减少有密切关系,即水体中藻食生物的下行控制不能有效制衡由营养盐产生的上行效应,与本实验的研究结果较为一致。4个库湾间的浮游动物生物量除了B1的轮虫外,均未出现显著性差异(图 6),说明对浮游动物的影响较小。
3.3 对库湾等小型水体的管理借鉴之处由于库湾(池塘)等中小型养殖水体面积较小,水域生态环境较脆弱,外界环境的变化很容易造成水环境的波动。本实验在非经典生物操纵下,通过采取改变饵料的投喂量以及清淤的处理方式,得出在清淤不投饵的B2中,无论是在营养盐的控制还是在藻类的控制上均取得了最佳效果。然而,作为养殖库湾,其主要目的是得到更高的鱼产量,因此,在达到养殖水质要求的情况下,为了得到较高的鱼产量,应对饵料投喂采取“少量多次”的方法。对于养殖用水的处理,要根据具体的水质条件,采用合理的修复方式,实现水质改善和养殖生产的双赢。
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2. Centre for Research on Environmental Ecology and Fish Nutrition(CREEFN) of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
3. Shanghai Collaborative Innovation for Aquatic Animal Genetics and Breeding, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
4. Hangzhou Qiandao Lake Group Co. Ltd, Hangzhou 311700, Zhejiang, China