2018,
Vol. 27
2. 上海海洋大学 农业部淡水水产种质资源重点实验室, 上海 201306;
3. 上海市水产养殖工程技术研究中心, 上海 201306;
4. 上海高校知识服务平台 上海海洋大学水产动物遗传育种协同创新中心, 上海 201306
河蟹学名中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)，属甲壳动物纲(Crustacea)、十足目(Decapoda)、方蟹科(Grapsidae)、绒螯蟹属(Eriocheir)，是我国极为重要的水产经济类甲壳动物，养殖面积一直居我国特种水产养殖前列[1]。随着河蟹养殖产业的壮大，养殖模式不断革新，在生态养殖的理念下，某些养殖技术环节是否一定需要存在争论，其中传统观念施肥一直是幼蟹养殖过程的重要环节。一方面通过施肥可以为水生植物提供必要的营养元素，也可以培育浮游植物改善水体的溶氧环境，并在促进浮游植物繁殖的同时，促进浮游动物生长，为仔蟹提供鲜活饵料[2]；但另一方面施肥也会导致养殖水体耗氧有机物和营养盐的积累与富集[3]，加之养殖池塘面积较小，水体自净能力有限，养殖池塘的径流、淋溶和换排水，极易增加养殖水体乃至周围水域环境的富营养化和蓝藻水华的暴发机率。当前国内外学者对于施肥在水产养殖应用进行了大量的研究，主要集中在施肥种类、施肥方法和施肥频率等[4-5]。然而涉及幼蟹养殖中是否需要施肥的问题却缺乏研究。
当前对于幼蟹养殖水体是否需要施肥的问题缺乏研究，目前池塘在生产上依旧靠经验进行施肥，施肥造成环境问题日趋严重，不仅与当前倡导的生态养殖理念背道而驰，而且严重制约了河蟹产业的可持续发展。所以探寻幼蟹养殖池塘是否要施肥的研究势在必行。
1 材料与方法 1.1 实验地点实验在上海福岛水产养殖专业合作社进行。养殖地点在上海市崇明区新河镇新建村，位于北纬31°73′、东经121°40′。池塘水源为长江支流。
1.2 实验材料实验蟹为中华绒螯蟹，其苗种由上海市河蟹产业技术体系苗种基地提供；实验池塘分为施肥池塘和不施肥池塘两组，各有3个重复。6口面积为2 333 m2的幼蟹培育池并排排列，均由同一河道同一进水渠进水。防逃设施齐全，均有单独的进排水口，为半封闭式养殖模式。
1.3 实验设计实验以池塘外河道水(A组)为空白对照，设不施肥池塘(B组)、施肥池塘(C组)。沉水植物伊乐藻(Elodea nuttallii)均种在池底四周，靠岸，水较浅的地方，池塘中间水较深的地方移栽浮水水生植物水花生(Alternanthera philoxeroides)，用毛竹打桩固定，两者约占池塘面积的50%。实验肥料为常州宏宝生物科技有限公司生产的多功能生物型水产发酵肥，主要成分为N、P、K元素、有机质、活性微生物和微量元素。具体施肥情况见表 1。两组池塘在幼蟹下塘前每口塘均施肥20 kg培养饵料生物为水生植物提供必要营养元素。实验从2016年6月1日至2016年10月30日共150天，对池塘水质指标进行监测。
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表 1 平均每口池塘的施肥情况 Tab.1 Average amount of fertilizer applied to each pondkg |
所有池塘除施肥区别外，其他日常管理极力保持一致。5月下旬，每口池塘投放0.005 g/只大眼幼体5.25 kg，实验池塘水位相同，定期清除水花生，保持其面积约占池塘的50%。
1.4 采样与分析方法实验期间，每月采样两次，共采样9次，采样在8:00~9:30进行。在池塘四周靠岸边约1.0 m处30 cm深处各采集中层水1.0 L，同一池塘分别采取4点，然后混合池塘4点水样后取其中的1.0 L作为水样。在河道进水泵四周固定4个点采集水源水。用专业的有机玻璃采水器采集水样。水温(T)和溶解氧(dissolved oxygen, DO)用YSI550A便携式溶氧仪现场测定，pH采用pHSJ-3F型实验室pH酸度计测定。其他水质指标检测方法均参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[6]。化学需氧量(Chemical oxygen demand)用高锰酸钾法(CODMn)；总磷(total phosphorus, TP)和磷酸盐(PO43--P)用钼锑抗分光光度法；总氮(total nitrogen, TN)用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；硝酸盐(NO3--N)采用紫外分光光度法；亚硝酸盐(NO2--N)用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；铵态氮(NH4+-N)用纳氏试剂光度法；总硬度用EDTA滴定法；钙镁总硬度统计分析时将其换算成以CaCO3表示硬度。叶绿素a用丙酮分光光度法(chlorophyll a, Chl.a)。
1.5 统计分析所有数据均在Excel中统计，并用SPSS 20.0和OriginPro 9.1进行单因素方差分析和聚类分析。
2 结果 2.1 实验池塘氮、磷输入量实验周期结束后，对两组池塘的饲料投喂量和两组池塘施肥量进行统计，通过对饲料和肥料中相应氮磷比例进行换算，得出两组池塘饲料和施肥输入的氮、磷量(表 2)。
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表 2 池塘投饵和施肥输入实验池塘的氮、磷量 Tab.2 Inputted nitrogen and phosphorus contents in the pond by feeding and fertilizing |
不施肥池塘幼蟹总产量为1 635 kg，施肥池塘幼蟹总产量为1 680 kg。两组池塘差异不显著(P>0.05), 见表 3。
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表 3 不同处理组幼蟹收获生产数据 Tab.3 Harvested production of juvenile crab from different treatment groups |
试验期间水温(T)变化范围为19.1~30.3 ℃，其中6—8月的水温持续升高，9—10月的水温随季节变化而逐渐下降。水源和两组幼蟹池塘的水温差异较小(图 1)。DO绝大部分时间低于5.0 mg/L，水源和两组幼蟹池塘DO波动范围较大。水源DO显著高于两组幼蟹池塘(P＜0.05)，不施肥池塘DO显著高于施肥池塘(P＜0.05，见图 2。
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图 1 不同处理组池塘水温的变化动态
Fig. 1 The change of mean water temperature in different treatment groups
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图 2 不同处理组溶氧的变化动态
Fig. 2 The change of mean dissolved oxygen in different treatment groups
同列数据后不同小写字母表示同一时间不同处理间差异显著(P＜0.05)
The different letters indicated significant levels among the different treatments from the same measured date |
pH波动的范围为7.15~7.98，呈先下降后不断升高的趋势，水源和两组幼蟹池塘pH无显著差异(P>0.05)，见图 3。总硬度变化范围为0.023~0.195 mg/L，两组幼蟹池塘总硬度均呈先下降后升高再持续下降的趋势。施肥池塘总硬度显著高于不施肥池塘(P＜0.05)，水源在养殖中后期9—10月总硬度显著高于两组幼蟹池塘(P＜0.05)，见图 4。
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图 3 不同处理组pH的变化动态
Fig. 3 The change of pH in the different treatment groups
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图 4 不同处理组总硬度的变化动态
Fig. 4 The change of total hardness in the different treatment groups
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养殖周期末对水源(A)、不施肥幼蟹池塘(B)和施肥幼蟹池塘(C)各阶段所监测的营养盐指标、富营养化指标和有机污染物指标进行方差分析和统计(表 4)。
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表 4 不同处理组水质因子的对比 Tab.4 Comparison of water quality factors among the different treatment groups |
TN变化范围为0.986~1.085 mg/L，均呈先升高后降低趋势。实验期间两组幼蟹池塘大部分时间TN差异不显著(P>0.05，表 4)。NH4+-N呈平稳后期显著上升的趋势。其中池塘施肥后NH4+-N显著高于不施肥池塘(P＜0.05)。其他时间两组幼蟹池塘NH4+-N无显著差异(P>0.05，表 4)。NO2--N呈平稳后期显著升高趋势。池塘施肥后NO2--N显著高于不施肥池塘(P＜0.05)。其他时间两组幼蟹池塘NO2--N无显著差异(P>0.05)。养殖末期10月水源NO2--N显著低于两组幼蟹池塘(P＜0.05，表 4)。NO3--N的变化范围为0.003~0.010 mg/L，其中水源NO3--N显著高于两组幼蟹池塘(P＜0.05)，施肥池塘在6月11日和10月11日NO3--N显著高于不施肥池塘(P＜0.05)。其他时间段两组幼蟹池塘NO3--N无显著差异(P>0.05)。TP的变化范围为0.06~0.128 mg/L。并表现出和PO43--P大体一致趋势。PO43--P变化范围均为0.023~0.035 mg/L，其中施肥池塘PO43--P显著高于不施肥池塘和水源(P＜0.05)，见表 4。
2.5.2 富营养化指标变化Chl. a的变化范围为0.004~0.321 mg/L，其随养殖时间延长呈显著升高趋势(表 4)。其中施肥池塘Chl.a显著高于不施肥池塘和水源(P＜0.05)，6月下旬和7月上旬水源显著高于两组幼蟹池塘(P＜0.05)。
2.5.3 有机污染指标变化CODMn变化范围为6.63~11.01 mg/L；两组幼蟹池塘均呈先上升后下降再升高趋势(表 4)。池塘施肥后短时间内CODMn显著高于不施肥池塘(P＜0.05)，其他时间两组幼蟹池塘CODMn无显著差异(P>0.05)。养殖中后期(9—10月)水源CODMn显著低于两组幼蟹池塘(P＜0.05)，见表 4。
2.6 水质指标时间尺度的聚类分析图根据养殖周期采样时间的变化对水源和幼蟹池塘水质指标进行聚类分析后得出，无论是水源(图 5a)还是不施肥池塘(图 5b)和施肥池塘(图 5c)均可以分成3个部分及春秋养殖期(6月和9月)、夏高温养殖期(7—8月)以及冬养殖末期(10月份)。幼蟹养殖周期的水质变化具有一定的季节性特征。
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图 5 水质指标时间尺度聚类分析
Fig. 5 Time scale cluster analysis of water quality indexes
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养殖池塘N、P营养盐和有机质的沉积主要取决于不同养殖模式下的饲养管理。传统养殖模式水体施肥一直是养殖周期必要的环节。而本实验通过严格控制两组池塘饲料投喂，优化放养密度，在养殖末期得出水源除溶氧和总氮外均达到地表水环境标准的Ⅱ级标准，而总氮则达到地表水环境标准的Ⅲ级标准。结果表明，水源的总体水质状况优于幼蟹池塘(表 4)，而两组池塘饲料投喂量相同前提下(池塘投饵累积量小于1 000 kg/hm2)，不施肥池塘N、P营养盐、富营养化和有机污染指标均低于施肥池塘(表 4)，并达到地表水环境标准的Ⅲ级以上标准[7]，且水质因子总体未出现超标现象。说明实验期间水源水质优良且投饵管理较为适中，不会对幼蟹池塘水质造成不良影响。研究发现，施肥与不施肥池塘养殖末期幼蟹产量、回捕率和变异系数均未有显著性差异(表 3)。这表明不施肥池塘未因缺少施肥而造成综合效益的下降，且总体水质优于施肥池塘。池塘施肥会造成N、P过多积累(表 2)，过多N、P积累是影响施肥池塘水质变化的重要因素。有学者研究发现，饲料和施肥的使用对池塘水体N、P影响不同[8]，通常投饵会促使水体N的含量升高，水体施肥会造成P的含量升高[9]，这与本实验中两组幼蟹池塘TN大部分时间未有显著差异，而施肥池塘TP和PO43--P显著高于不施肥池塘的结果相一致。WANG等[10]研究得出，养殖中未被摄食的饵料以及水产动物所产生排泄物以有机质存在，其作用和功能在一定程度上和有机肥作用相似，因此在投喂配合饲料养殖模式下可大幅降低池塘施肥。李志波等[11]则认为过多N、P积累并不能被充分利用，其中一部分可在水中进行分解形成可溶性N、P营养元素，另一部分则沉积于池塘底质中，沉积于池塘底质N、P可受水体微生物分解代谢对池塘水体产生不利影响，进而危害幼蟹生长。河蟹属底栖动物可搅动底质，会提高沉积有机物和N、P的扩散范围[12]，同时还会促进底质厌氧有机物和氧气接触，催化其氧化分解[13]并向水中释放N、P[14]，从而破坏池塘水生态系统稳定。
3.2 施肥对幼蟹池塘水质因子和水源环境的影响实验中幼蟹养殖池塘的水质变化主要受到投饵、施肥以及换排水的剧烈影响，处于波动之中[8]。本实验结果表明，施肥不会对幼蟹池塘水温和pH产生显著影响。水温是河蟹生长重要的影响因素之一[15]，河蟹对温度适应范围较广，在1~35 ℃条件下均可生存[1]，养殖周期水温满足幼蟹生长。而实验中两组幼蟹池塘水体pH较为稳定，且水体呈弱碱性，利于幼蟹正常生长。
养殖期间，施肥池塘DO显著低于不施肥池塘，并随养殖时间延长，两组幼蟹池塘DO均呈下降趋势。这表明池塘施肥会造成池塘水体DO下降的风险[16]。施肥虽可为水体的浮游植物提供必要的N、P营养元素，同时也造成了需氧有机物负荷增加[17]，促使DO下降。本研究中随着养殖时间延长有机物持续性积累，导致养殖后期DO下降[18]。通常水温也是水体DO的负相关因素[19]，高温可提高微生物活动促进有机物分解导致DO下降[13]，因此在高温季节需要注意DO对河蟹产生不利影响。
本研究发现，池塘施肥会造成短时间内TN、NH4+-N、NO2--N和NO3--N显著升高。范翠翠等[2]研究表明水体施肥会促使水体NH4+-N和NO3--N迅速升高并在3天后达到高峰一周后迅速下降趋于稳定。因此需要关注施肥造成的短期影响，池塘施肥会引起需氧有机物聚集，促使DO下降，并进一步引起有机氮的厌氧分解产生NH4+-N和NO2--N[8]。NO2--N积累同时还受到温度[20]、pH[21]的影响，pH为7~9，水温为30 ℃时活动最强[18]。NO2--N极不稳定且危害巨大。极易造成水产动物中毒缺氧死亡[22]。但研究发现，两组池塘TN、NH4+-N、NO2--N和NO3--N大部分时间无显著差异，这表明施肥提高了浮游植物丰富度，并促进浮游植物去除和利用NH4+-N[23]，同时也反映了水中NO2--N和NO3--N硝化和反硝化作用[24-25]进行顺利。随着养殖时间的深入幼蟹池塘持续性残饵有机物积累分解和幼蟹生长代谢排氨[15]作用，引起养殖后期幼蟹池塘TN、NH4+-N、NO2--N和NO3--N显著升高，因此在养殖后期需要密切关注N升高对幼蟹带来不利影响。
本研究得出，施肥会引起池塘TP、PO43--P和Chl.a的含量显著升高。池塘中N、P主要来源于配合饲料、动物排泄物和施肥所产生[26]。本实验两组池塘饲料投喂和放养密度相同前提下，得出施肥池塘TP、PO43--P和Chl.a含量依然显著高于不施肥池塘。而相关学者研究发现，池塘N主要来源于饲料输入和养殖生物的排泄[9]，这表明影响两组池塘TP变化最主要因素是施肥。但也有学者研究得出施肥不会对草鱼-鲢鱼混养池塘TP和PO43--P产生显著性差异[23]，研究表明浮游植物吸收利用P元素明显[27]，白鲢以浮游植物为主食，且套养密度高[23]。导致草鱼-鲢鱼混养池塘消耗P显著从而促使TP、PO43--P稳定。本实验发现，施肥可造成TP升高和DO下降，并能进一步促使池塘底质厌氧菌参与离子氧化还原和有机质矿化引起PO43--P升高[18]。P是水体富营养化的重要因子，也是浮游植物必需生长元素。Chl.a可表示水体中浮游植物变化，间接反映出池塘水体富营养程度[28]。研究表明，水体藻类的生长受到N、P营养盐、光照强度、T和pH等综合影响[29]。其中N、P是影响水体中浮游植物生物量和Chl.a含量的关键性因素[30]。过多P元素积累会促使Chl.a显著性升高[28]。Chl.a过高不仅会影响浮游植物的群落结构和均匀度，还增加蓝藻水华的暴发机率[28-29]。
研究表明，池塘施肥后有机物在短时间内快速聚集，是促进水体短时间CODMn含量上升的重要原因[12]。但实验期间大部分时间两组幼蟹池塘CODMn并无显著差异。据相关研究表明池塘持续性投饵造成有机物积累是池塘CODMn升高的最主要因素[26]，CODMn是水体有机污染物含量的一项重要指标, 能够反映水体的污染程度，并证实水温越高养殖水体内的水生生物代谢活动能力增强，有机物积累更加丰富[31]。而养殖后期持续性饲饵积累导致池塘有机负荷增加促使了池塘CODMn升高。这一结果与GREEN和BOYD[32]得出的结论一致。
养殖期间，通过对水源监测发现，水源NO3--N显著高于幼蟹养殖池塘，且实验周期中水源PO43--P和Chl.a有个别时间点存在超标的现象。NO3--N过高表明河道DO含量较高硝化作用强，因其水生植物密度低，水生植物则可以吸收利用NO3--N[33]因缺乏水生植物导致NO3--N升高。水源PO43--P和Chl.a超标说明幼蟹养殖对外界水源产生了不良影响，有学者研究表明，河蟹养殖周期中日常换排水会造成11.64%~12.90%和6.41%~8.45%的N、P排放到天然水体中造成水源的污染[34]。李青青等[35]得出池塘施有机肥可通过池塘土壤径流、淋溶等多种途径侵蚀水源。由此可见施肥造成环境问题日趋严峻。
本实验周期末发现，不施肥池塘在养殖后期也会出现NH4+-N、CODMn和Chl.a含量升高的现象，这说明养殖后期幼蟹育肥上市对饲料需求增高，增量投饵会对水质产生不利影响，有关养殖后期适应的饲料投喂量与河蟹增长和水域生态环境之间关系有待于进一步探讨研究。本研究可见，幼蟹池塘水质总体指标相对良好。这表明池塘中套种水生植物的重要性，王文林等[36]证实，伊乐藻可吸收TP起到净化水质的作用，正常时伊乐藻对TP去除率能达到32%，而衰亡后去除率仅有11.2%，且水生植物衰亡还会释放N、P。因此保持池塘中水体植物的密度，并做到定时清除多余和衰亡的水生植物以保证池塘水质稳定。
3.3 幼蟹池塘季节性特征研究发现，两组幼蟹池塘的水质变化呈现显著的季节性特征。水质因子季节性变化幅度超过两组幼蟹池塘之间的水质因子变化差异。这与王小冬等[17]监测结果相一致。其中N、P不间断输入和自然气候因素，是影响幼蟹池塘水质变化的主要因素[12]。随着养殖时间的持续，两组幼蟹池塘CODMn、和Chl.a呈上升趋势，而DO和总硬度呈下降趋势，在养殖后期9—10月两组幼蟹池塘TN、NH4+-N和NO2--N呈显著上升趋势。基本与王高龙等[15]得出的结果相似。根据水质变化的季节性特点，需要合理控制各阶段的饲料投喂严控施肥，避免过多的N、P积累造成水体的DO下降和NH4+-N、NO2--N、和CODMn的升高对河蟹生长产生危害。尤其需要在高温季节防控。高温季节河蟹生长代谢加快，对饲饵的需求量升高，导致河蟹排泄物增多从而造成水质恶化。与CODMn等变化相反，总硬度随着时间深入呈不断下降的趋势。河蟹属于甲壳动物，生长蜕壳需要大量Ca2+和Mg2+[37]，随着河蟹生长蜕壳增重对Ca2+和Mg2+需求增大导致养殖后期水体硬度的下降。实践养殖中常使用生石灰来清除病害物和提高水体硬度，考虑到生石灰也可同时增加水体pH[11], 当水体pH偏高时需要避免造成NH3中毒[38], 故需要结合池塘水质条件合理优化生石灰使用方案。综上可得根据季节变化的差异，制定日常管理对提高河蟹养殖环境效益和经济效益具有一定指导意义。
4 结论综上研究得出，在投喂饲料的养殖模式下幼蟹池塘施肥会造成池塘水体TP、PO43-P和Chl.a显著高于不施肥池塘，水质因子过高有破坏池塘水环境稳态造成富营养化的风险。通过对两组幼蟹池塘的综合效益分析得出，两者未有显著差异(表 3)，幼蟹池塘施肥不仅生产成本增高，还会造成N、P元素积累过多，从而对幼蟹生长产生不利影响。故而更推荐不施肥幼蟹养殖模式去饲养，这不仅符合生态养殖的理念，更维护了河蟹幼蟹池塘生态环境的平衡，对河蟹健康可持续发展具有重要的价值意义。
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2. Key Laboratory ofFreshwater Aquatic Genetic Resources, Ministry ofAgriculture, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
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