2022, Vol. 46
文章信息
- 李乐洲, 孙广伟, 张东升, 王玉龙, 杨耿介, 芦宇婷, 卢宏博, 周玮. 2022.
- LI Le-zhou, SUN Guang-wei, ZHANG Dong-sheng, WANG Yu-long, YANG Geng-jie, LU Yu-ting, LU Hong-bo, ZHOU Wei. 2022.
- 养水机工作时长对参池氮磷营养盐及初级生产力的影响
- Influence of operating time of the water quality regulator on nitrogen and phosphorus content as well as primary productivity of the sea cucumber-reared ponds
- 海洋科学, 46(2): 105-112
- Marina Sciences, 46(2): 105-112.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20210320001
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文章历史
- 收稿日期：2021-03-20
- 修回日期：2021-05-23
2. 全国水产技术推广总站 中国水产学会, 北京 100125;
3. 大连海洋大学 海洋科技与环境学院, 辽宁 大连 116023
2. National Fisheries Technology Promotion Station, Chinese Fisheries Society, Beijing 100125, China;
3. College of Ocean Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China
海参养殖池塘中氮(N)、磷(P)营养盐是池塘初级生产力和食物链的基础, 但同时也是引起池塘富营养化的根源[1-3]。养殖户为调水增产常常盲目投药, 虽可暂时缓解问题, 但药物残留在池中又为生产和食品安全埋下了隐患。近年来随着增氧机、耕水机在实际生产中的普及, 养殖户可不依靠传统投药而通过辅助养殖设备对N、P营养盐进行调控, 保障有足够的生产力供刺参摄食的同时, 防治池塘水质恶化, 保障食品安全[4-6]。
养水机(ZL200610077526.5)是针对池塘水分层及缺氧问题研发的一种新型池塘养殖设备。前期研究显示, 养水机每日工作12 h较未配装养水机的池塘全年平均降低氨氮含量28.6%, 提高活性无机磷含量13.3%, 提高初级生产力24.6%, 证明养水机对池塘N、P营养盐以及初级生产力有明显的调控作用[7]。同时本团队实时监测池塘常规水质指标时发现, 养水机工作12 h的过程中温度、盐度、pH、溶解氧会随着工作时长增加而不断变化, 且其他相关池塘养殖设备工作时长与水质指标也表现出一定相关性。李立森等[8]发现叶轮增氧机工作180 min后才可使池塘1.5 m深处溶氧与表层一致; 李彬等[9]研究表明, 微孔曝气增氧机工作2 h对参池增氧缓慢, 工作8 h后可显著增氧, 连续增氧7 d可使亚硝酸盐氮(NO2-N)、化学需氧量(COD)分别降低0.011 mg/L、4.31 mg/L; Boyd[10]证实池塘底层溶氧含量会随着曝气系统工作时间的增加而提高直至与表层溶氧一致; Lawson等[11]报道池塘水体循环能力与增氧机工作时间正相关。综上, 故推论养水机以每日不同的工时运行, 长期以往会对池中营养盐及生产力产生不同影响。
本团队依据养殖生产实际需求和养水机每日工作时间占比将养水机工时设为每日6、12、18 h三组, 各组均按设定工时运行1 a, 对周年内每组池塘中N、P营养盐浓度, 无机氮组成以及初级生产力等相关指标按季节进行观测, 比较分析三组实验组结果差异, 在探究养水机在不同工时下对上述指标影响的同时, 为后期养水机在生产中的使用提供理论指导。
1 材料方法 1.1 实验池塘介绍实验池塘取自大连青堆子养殖海域(39.78°N, 123.32°E)的9口池底质地、池塘规模、水深、换水管理、投苗情况相同且实验期间均不投饵、不投药的刺参(Stichopus japonicus)单养池塘, 每相邻的3口池塘为一组实验组, 各池塘实验期间基本情况如表 1所示。
| 池塘组别 | 6 h | 12 h | 18 h |
| 池底质地 | 泥沙 | ||
| 池塘规模(长×宽×高) | 600 m×100 m×3 m | ||
| 水深/m | 1.2~2.0 | ||
| 换水管理投苗密度/(个∙亩–1) | 北进南排; 春、夏、秋三季每月大潮后换水3~5 d; 冬季无换水10 751.236 | ||
| 水温/℃ | 2.15~31.93 | 2.19~32.10 | 2.19~32.40 |
| 盐度 | 24.60~35.48 | 24.54~35.33 | 24.52~35.25 |
| pH | 7.81~8.75 | 7.76~8.71 | 7.83~8.79 |
| 溶解氧质量浓度/(mg∙L–1) | 4.85~9.63 | 5.21~9.71 | 5.50~10.05 |
养水机及其组件模拟图如图 1所示。养水机均置于各池塘排水口底部, 工作时由动力装置将表层水从进水口吸入, 经进水管进入净化装置, 后由专用喷头在池底射出, 喷头功率为750 W, 出水量12 m3/h。设置养水机每日分别于04: 00—10: 00、04: 00—16: 00、04: 00—22: 00定时启闭工作。
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| 图 1 养水机及其组件模拟图 Fig. 1 Simulation diagram of water quality regulator and its components |
分别将2018年3月5日、6月30日、9月30日和12月30日作为春、夏、秋、冬四季采样时间, 并在海参高温死亡期(8月7日)也进行了采样。每次采样在池塘换水前3 d进行, 采集以池塘中轴线为基准的不同养水机工作时长下的池塘进水口、中部、排水口的表、中、底三层混合水样1 L(每份样品均取3个作为重复)。水样定量后参照GB/T 12763.4—2007[12]测定水体氮、磷浓度, 其中硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、氨氮(NH4-N)浓度分别采用锌-铬还原法、重氮-偶氮法、水杨酸钠法测定, 磷酸盐(PO4-P)浓度采用磷钼蓝法测定; 无机氮(DIN)浓度计算公式为: c(DIN)=c(NO2-N+NO3-N+NH4-N), 同时对三种形式的氮在DIN中的占比进行计算, 并引入氧化参数K以说明氧化反应程度。
初级生产力的测定参照SL 354-2006[13]黑白瓶法。即按照表层水透明度的1、0.5、0.25、0.1倍将各池塘分为0~30 cm、30~50 cm、50~100 cm、100~ 150 cm四个水层, 分别采集各池塘4层水并注入对应水层250 mL的黑、白瓶以及初始瓶中, 记录初始瓶中溶解氧(DO), 并将各黑、白瓶挂瓶24 h(每层均挂置3个黑、白瓶作为重复), 后用温克勒(Winkler)法[12]测定溶解氧各瓶DO含量。各水层初级生产力毛产量(GPP) = DO白瓶 – DO黑瓶, 呼吸量(Ra) = DO初始 – DO黑瓶, 净产量(NPP) = GPP-Ra, 本研究中采用池塘水柱生产力反映池塘日生产力, 即各水层GPP之和、Ra之和、NPP之和; P/R系数为GPP与Ra的比值。
通过采用SPSS 25.0的One-way ANOVA和LSD多重比较, 分析各季节养水机不同工作时长对营养盐浓度和日生产力的影响, 以P < 0.05为差异显著, P < 0.01为差异极显著, 各数据条上不同的小写字母(a, b, c)和大写字母(X, Y)分别表示组内差异和组间差异。
2 结果 2.1 养水机不同工作时长下DIN、K、PO4-P的季节变化由养水机相同工作时长下在不同季节的统计学差异可知。图 2a显示3组实验组DIN浓度均在秋季达到峰值且3组DIN浓度在秋季均显著高于其他季节(P < 0.05); 18 h组DIN浓度在冬季显著高于春季、夏季和高温期(P < 0.05)。对于K, 6 h组K值在各季节均无统计学差异(P > 0.05); 12 h组K值在高温期显著低于其他季节(P < 0.05); 18 h组K值在高温期显著低于其他季节(P < 0.05), 在夏季显著低于春季和秋季(P < 0.05)且与冬季无统计学差异(P > 0.05)(图 2b)。对于PO4-P, 3组实验组PO4-P浓度均在高温期达到峰值且6 h和12 h组高温期浓度均显著高于其他季节(P < 0.05); 18 h组PO4-P浓度在高温期和秋季无统计学差异(P > 0.05)但均显著高于春季、夏季和冬季(P < 0.05); 12 h组PO4-P浓度在秋季显著高于春季、夏季和冬季(P < 0.05)(图 2c)。
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| 图 2 各组池塘DIN浓度、氧化参数K、PO4-P浓度的季节变化 Fig. 2 Seasonal variation of DIN, K, PO4-P in each group of ponds |
由养水机在相同季节不同工作时长下的统计学差异可知。3组实验组DIN浓度在春季、夏季、高温期均无统计学差异(P > 0.05); 6 h组DIN浓度在秋季显著低于18 h组(P < 0.05); 12 h组DIN浓度在秋季与6 h组和18 h组均无统计学差异(P > 0.05)。对于K, 6 h组K值在春季、夏季显著低于12 h和18 h组(P < 0.05), 在秋季、冬季显著低于18 h组(P < 0.05)而与12 h组无统计学差异(P > 0.05); 12 h组K值在秋季显著低于18 h组(P < 0.05), 其余季节均与18 h组无显著差异(P > 0.05); 3组K值在高温期均无显著差异(P > 0.05)。对于PO4-P, 3组实验组PO4-P浓度在各季节均无统计学差异(P > 0.05)。
2.2 养水机不同工作时长下DIN中NO3-N、NO2-N、NH4-N占比的季节变化3组池塘各时期的DIN组成如图 3所示。3组池塘DIN中的NO2-N在各季节占比均为最少, 6 h、12 h、18 h组NO2-N占比分别在3.69~13.08%、5.81~ 20.00%、5.66~26.04% 之间波动; 6 h组池塘DIN组成中NH4-N浓度总体上占比最高, 周年内在45.03~ 68.85%之间波动; 12 h组池塘DIN组成中NO3-N浓度占比最高, 周年内在23.96~53.34%之间波动; 18 h组池塘DIN组成中夏季和高温期NH4-N浓度占比最高分别为44.81%、58.52%, 而在春、秋、冬三季NO3-N所占比例最高分别为39.58%、64.73%、56.39%。
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| 图 3 各组池塘DIN中NO3-N、NO2-N、NH4-N占比的季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of the proportions of NO3-N, NO2-N and NH4-N in DIN in each group of ponds |
由养水机相同工作时长下在不同季节的统计学差异可知。图 4a和图 4c显示3组实验组GPP、NPP均在高温期达到峰值且均显著大于其他各季节(P < 0.05); 3组实验组GPP、NPP在夏季与秋季均显著大于春季与冬季(P < 0.05); 3组实验组Ra在夏季、高温期和秋季显著大于春季和冬季(P < 0.05)(图 4b); 3组实验组P/R在春季均显著大于夏季、高温期和秋季(P < 0.05); 12h组P/R在冬季显著大于夏季、高温期和秋季(P < 0.05) (图 4d); 3组实验组GPP、NPP在夏季与秋季之间, Ra、P/R在夏季、高温期和秋季之间, GPP、NPP、Ra、P/R在春季与冬季之间均无统计学差异(P > 0.05)。
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| 图 4 各组池塘GPP、Ra、NPP、P/R的季节变化 Fig. 4 Seasonal variation of GPP, Ra, NPP, P/R in each group of ponds |
由养水机在相同季节不同工作时长下的统计学差异可知。3组实验组GPP、NPP在春季、夏季、秋季均无统计学差异(P > 0.05); 6 h组GPP、NPP在高温期时均显著小于12 h和18 h组(P < 0.05); 12 h和18 h组GPP、NPP在高温期时无统计学差异(P > 0.05); 3组实验组Ra在各季均无统计学差异(P > 0.05); 3组实验组P/R在春季、夏季、高温期和秋季均无统计学差异(P > 0.05); 12 h组P/R在冬季显著大于6 h、18 h组(P < 0.05)。
3 讨论 3.1 养水机不同工作时长对氮、磷营养盐的影响本实验中各组池塘DIN、PO4-P均以高温期为界呈春夏低、秋冬高的季节特征, 虽与杨晓龙等[14]调查发现青堆子养殖海域营养盐呈夏秋低、春冬高的季节特征不一致, 但比较各季节数据也较为接近。这种季节特征差异的形成原因主要受2018年大连罕见连续高温天气影响, 藻类固氮作用、生物残体分解矿化作用增强所致[15-16]。另外, NH4-N、NO2-N、NO3-N浓度随着池塘氧化还原条件的变化在不断发生着循环转化, 相关研究普遍表明[2, 17-19], DIN中NH4-N和NO3-N占绝大多数比例, 而NO2-N作为硝化过程的中间产物, 性质极不稳定占比较少, 与本实验图 3的结果规律一致。
根据本实验图 2结果, 3组池塘的DIN在秋季和冬季存在显著差异且PO4-P在各季均无显著差异, 表明养水机工作时长仅在秋、冬两季对DIN浓度有影响。分析其原因在于高温期后各池底积累了较多的生物残体, 雷衍之[20]曾证实底层搅动以及垂直对流能够促进水生生物残体中的营养盐由池底向水体迁移, 养水机工作正具备以上两种水流作用, 养水机工作时间的延长便提高了高温期后底-水营养盐的迁移作用, 故表现出秋、冬两季18 h组DIN浓度显著高于6 h组的结果。同时, 分析3组池塘的PO4-P在秋、冬未表现出显著差异的原因在于天然水体中PO4-P自身浓度较少且较易被水生植物利用[1-2, 20]。本实验结果中DIN、PO4-P浓度均符合二类海水水质标准(GB 3097—1997)[21]要求适用于海水池塘养殖, 因此, 延长养水机工时促进池底营养盐向水体迁移不但不会造成水体富营养化, 还减轻了池底环境压力。
另外由图 2(b)可知, 12 h组除高温期和秋季外、18 h组除高温期外的其他季节氧化参数K均显著大于6 h组。K值反映了各组池塘水体的氧化反应程度, 该值越高说明池塘水体中N的硝化作用越强, 即NH4-N有向NO3-N转化的趋势[20], 这与图 3中6 h组DIN以NH4-N为主, 而12 h、18 h组DIN以NO3-N为主的结果一致。分析产生上述差异原因在于池塘氧化环境与池塘水体溶解氧含量及水体交换能力呈正相关关系, 而养水机工作时长从6 h组提升至12 h、18 h持续表底水交换增多的同时必然会提高池塘溶氧含量, 且孙广伟等[22]在的前期研究中也指出6 h、12 h、18 h组池塘年平均溶解氧含量分别为8.13 mg/L、7.78 mg/L、6.64 mg/L。12 h、18 h组池塘较6 h组池塘拥有较好的氧化环境, 可避免有毒氨氮、硫化物等物质的滋生, 对于海水池塘养殖是极有利的。
综上, 养殖过程中养水机工作时长由6 h增至12 h、18 h, 一方面可显著通过促进高温期后底-水营养盐迁移提高营养盐浓度, 另一方面可通过促进池塘良好氧化环境的形成提高氮硝化。在此基础上, 比较12 h组和18 h组对于营养盐的调控效果, 18 h组冬季的DIN、秋季的K值要显著大于12 h组, 因此对于营养盐的调控效果养水机工作时长排序为18 h≥12 h > 6 h。
3.2 养水机不同工作时长对池塘水体初级生产力的影响池塘初级生产力反映了池塘水体生物生产力和渔业生产力, 来源包括纳潮换水所带入的外源部分和池中自主产生的内源部分[23]。由于各实验组纳潮来源于同一潮沟且换水时间、换水量均一致, 因此, 科学合理的提高池塘内源初级生产力利于增产增收。
自养生物依靠无机营养生活和繁殖, 而本研究中3组池塘内无机营养盐基本无显著差异(图 2), 故各实验组池塘自养生物的生物量全年均较为接近, Ra全年均无显著差异, 该结果与本实验结果图 4(b)相吻合。尽管自养生物的生物量是决定初级产量的主要因素, 但相关研究也指出光照、水温、水体流动性也会影响自养生物固定能量或有机合成的能力进而影响初级产量[24-26]。
首先, 由于各实验组池塘相邻且处于同一养殖海域, 光照(除高温期外)、水温均一致, 而12 h、18 h组的养水机的每日运行时间较长, 池塘水体流动性优于6 h组, 尽管图 4中3组池塘GPP、NPP除高温期外无显著差异(P > 0.05), 但6 h组池塘水体流动性偏差引起了GPP、NPP全年处于最低的结果。其次, 高温期时大型藻类滋生阻碍光线照入, 浮游藻类生长困难, 据林青等[27]报道养水机运行可显著提高水体透明度, 延长养水机每日工作时长能够增强浮游藻类的光合强度, 故表现出12 h、18 h组的GPP、NPP在高温期显著高于6 h组的结果。另外, 有研究表明底泥再悬浮也会提高初级生产力[28], 作者也在前期发表论文中论述了养水机扰动底泥形成再悬浮的能力[29], 延长养水机工作时长会增强底泥扰动强度, 进而促进池底有机质矿化加速养分循环提高生产力, 这也是12 h、18 h组GPP、NPP全年稍高的原因之一。最后, 尽管12 h组GPP、NPP全年与18 h组无显著差异, 但12 h组GPP、NPP在各季节均稍大于18 h组, 分析其原因在于18 h池塘的养水机较12 h池塘的养水机多工作的6 h为夜间(16: 00—22: 00), 此时已无阳光射入水体, 养水机运行无法加快自养生物产出反而加速生产量的消耗, 但这种消耗也是极低的, 因此呈现18 h组池塘的GPP、NPP略低于12 h组池塘的结果。
研究表明池塘NPP/GPP周年均值约在50%左右[23], 而3组池塘NPP/GPP周年均值均在60%以上(6 h、12 h、18 h组池塘NPP/GPP周年均值分别为61.34%、66.10%、66.57%), 分析原因在于, 养水机运行遏制了大型藻类的增长、增强了水体流动性进而保障了水体光照充足。P/R系数通常用来反映初级生产力利用率, 本实验3组池塘与传统刺参养殖池塘一致, P/R系数均大于1, 即初级生产量利用率较低, 池内存有较多的残饵、残体、粪便等[23, 26]。P/R系数较高造成的刺参死亡灾害虽暂未见报道, 但长期积累必然会对水质产生危害。因此, 作者认为养殖期间配备养水机不断增加初级产量保证刺参摄食的同时, 可改传统刺参单养模式为参虾、参贝混养模式, 以保证初级产量充分利用并为养殖户增产, 还可适当增加换水频率强制排除初级生产力冗余。
综上, 养殖过程中养水机工作时长由6 h增至12 h、18 h, 一方面可以提高池塘内源性初级生产力, 另一方面还可改善池塘初级生产力结构, 对于初级生产力的调控效果养水机工作时长排序为12 h > 18 h > 6 h。
4 总结海参池塘养殖过程中辅助配备养水机设备可有效调控营养盐及初级生产力, 且养水机的工作时长能够显著影响调控效果。3组工作时长中6 h组的各项指标调控效果最差, 而18 h组对于营养盐的调控效果略微优于12 h组, 12 h组对于初级生产力的调控效果最优, 同时考虑到成本及设备使用寿命问题, 养殖过程中养水机工作时长以12 h最佳、18 h次之、6 h最差。