刺參—柄海鞘養殖系統水體和表層沉積物中磷的賦存狀態

姚亞楠++姜愛莉++邢榮蓮

摘要：以刺參-柄海鞘復合養殖系統為對象，分析傳統養殖模式和刺參-柄海鞘養殖模式下的水體磷含量及表層沉積物中磷的賦存狀態。結果表明：與傳統的養殖模式相比，刺參-海鞘混養組在投餌和不投餌模式下水體和表層沉積物中各種磷形態含量均高于刺參套養組；表層沉積物中總磷含量為358.600～598.700 mg/kg，其中有機形態磷含量低于無機形態磷，無機磷中鐵鋁結合態磷約占20%，鈣結合態磷約占80%。這說明刺參-柄海鞘復合養殖系統不會導致沉積物中磷的過量積累，系統受污染程度較小，為刺參的健康養殖提供了科學依據。

關鍵詞：刺參；海鞘；表層沉積物；磷形態

中圖分類號： X171.1文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0316-04

刺參是一種高蛋白、低脂肪、低糖、無膽固醇的營養保健品，具有很高的食用價值[1]，刺參養殖現已成為北方沿海水產養殖產業重要經濟支柱之一。我國刺參最主要的生產模式為池塘養殖，養殖方式多以投餌為主，水域環境惡化、疾病危害加重等已成為制約該產業健康發展的瓶頸。造成此問題的主要原因是刺參養殖系統屬于半人工控制的生態系統，對于外來干擾自我調節能力小[2]，殘餌、糞便及生物殘骸等廢物堆積在養殖池底，導致養殖池塘生源要素磷的過度積累[3]。在一定條件下，沉積物中的磷可向上覆水體釋放，從而造成“內源污染”[4]，養殖池塘富營養化。

刺參-海鞘復合養殖系統利用養殖系統中的生物間互利機制[5]，以微藻為攝取型生物控制水體營養鹽水平，利用固著型濾食動物柄海鞘使水層的生物量向底質轉移，為刺參提供食物，刺參通過攝食和生物擾動改善底質環境，降低水體污染，增強系統的自我調節能力。本試驗以該系統為研究對象，分析養殖過程中水體磷含量及表層沉積物磷賦存狀態，以期了解池塘的富營養化程度，有效估測池塘的污染風險，旨在為刺參的健康養殖提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗在萊州養殖基地進行，參池為16個5 m×5 m×4 m 的池塘。試驗所用微藻為煙臺大學海洋生化工程研究所保存的單細胞藻類（扁藻、小球藻、角毛藻、底棲硅藻）。藻種大規模培養后接種于池塘，成年、健康的柄海鞘從未受污染的煙臺海域櫛孔扇貝養殖器具上采集。

1.2試驗設計

試驗前7 d排干池塘內的水，暴曬池塘底部，之后鋪上約6～8 cm厚的底泥（放入前用孔徑為1 mm的篩絹網過濾及高錳酸鉀消毒處理），底泥之上布置1～2 kg的石頭，按相同的布局分散在池底部，為刺參提供適宜的生活環境，增加刺參在箱底的活動面積，提高攝食率。按設置放置附著基并加池塘水（水深為1.5～2.5 m）以培養附著基上的微生物，接種培養單細胞藻類，3～5 d后藻類密度達到約500個/mL。按試驗要求加入一定規格和數量的刺參和柄海鞘，柄海鞘采用吊養方式，將附著柄海鞘的尼龍繩懸吊于養殖池中，距水面約50～75 cm。

試驗設4個處理組：A[小規模刺參（S） 10～15 ind/m2，大規格刺參（L）5～6 ind/m2，不投餌]、B[小規格刺參（S） 10～15 ind/m2，大規格刺參（L）5～6 ind/m2，柄海鞘 800 g/（wt·m3），不投餌]、C[小規格刺參（S）10～15 ind/m2，大規格刺參（L）5～6 ind/m2，投餌]、D[小規格刺參（S）10～15ind/m2，大規格刺參（L）5～6 ind/m2，柄海鞘800 g/（wt·m3），投餌]。每個處理設置3個重復，試驗過程及時將死亡生物取出，并補充同規格的生物，保持養殖過程中生物數量穩定。

投餌模式每3 d投喂1次，干質量投飼率為全部刺參全體濕質量的5%（刺參餌料主要成分包括粗蛋白15%、粗脂肪2%～5%、粗纖維10%、粗灰分45%，購自山東青島大海帝飼料有限公司），投喂前先用少量海水浸泡，投喂時均勻潑灑于養殖池中，使之在池底的分布保持均勻。刺參夏眠期間停止投喂。

每個池塘配備2臺增氧機，每天06：30及18：30各開1次，每次2 h。養殖期間，根據潮汐情況進行換水，平均每天換掉池塘內30%～50%的水。冬季水溫較低時，根據水質情況進行換水[6]。

按照刺參的生長規律，整個試驗分為以下階段：

1.3試驗方法

1.3.1水體的采樣及分析方法

每隔15～20 d于 08：00 用有機玻璃采水器在水面0.3～0.5 m水層處采取水樣，按照《海洋調查規范》[7]測定水體的總磷（TP）和活性磷酸磷（PO3-4-P）的含量。

1.3.2沉積物的采樣、處理及分析方法

每隔15～20 d于08：00用自制抽屜式采泥器采集表層5 cm沉積物，剔除沉積物樣品中礫石及動植物殘體，實驗室陰涼通風處進行初步晾干，再將沉積物樣品攤在清潔的塑料薄膜上，用玻璃棒進行初步研磨，研磨時挑出沉積物中的動植物殘體和石粒等，同時注意不要用力過大，以免使沉積物失去原有的組成結構。樣品完全風干后，在研缽中研磨，過100目篩，保存備用。

采用歐洲標準測試委員會框架下發展的SMT法分析沉積物中磷賦存狀態[8-9]。分別測定沉積物中的鐵鋁結合態磷（Fe/Al-P）、鈣結合態磷（Ca-P）、無機磷（IP）及有機磷（OP）的含量，并計算無機磷（IP）和有機磷（OP）在沉積物磷形態中所占比例。

1.4數據分析

采用SPSS 13.0進行數據分析，以P<0.05 為差異顯著，P<0.01為差異極顯著水平。

2結果與分析

2.1水體中磷水平的變化

總磷的含量范圍為26.290～41.550 μg/L，活性磷酸鹽的含量范圍為11590～19.770 μg/L。試驗期間水體中的總磷水平和活性磷酸鹽水平的變化趨勢基本一致，都是先逐漸升高，進入10月之后，隨著水溫逐漸降低，磷水平逐漸降低。

2種投餌模式下，刺參-海鞘混養組（B和D）的2種磷水平均略高于刺參套養組（A和C），差異不顯著（P>0.05），主要原因是混養組中柄海鞘在養殖過程中代謝產生一定量的磷。

2.2沉積物中磷形態的變化

2.2.1沉積物中總磷水平變化圖3表示，試驗期間沉積物中總磷（TP）水平變化曲線，沉積物中總磷含量為358.600～598.700 mg/kg。不投餌模式下，刺參套養組（A）總磷水平呈下降趨勢，這是由于刺參代謝產生的無機磷和少量有機磷少于攝入的有機磷；投餌模式下，刺參套養組（C）總磷水平基本不變，這是因為刺參攝食餌料，對沉積物中磷的攝入量相應減少。在刺參套養系統中引入柄海鞘（B和D）之后，沉積物中總磷水平隨養殖時間的延長而增加，這是因為柄海鞘在一定程度上起促進池塘沉積物有機物積累的作用。尤其是在刺參夏眠期間，此時柄海鞘代謝旺盛[10]，產生大量的假糞沉積于池底，底棲硅藻大量繁殖，致使總磷水平提高幅度較大。2種投餌模式下，刺參套養組總磷水平均極顯著低于刺參-海鞘混養組（P<0.01）。

圖4、圖5分別表示試驗期間沉積物中有機磷（OP）和無機磷水平變化曲線，有機磷含量為145.400～302.200 mg/kg，無機磷含量為192.500～358.700 mg/kg。試驗過程中沉積物中有機磷水平的變化與刺參的生長周期相符，在刺參的夏眠期和冬眠期沉積物中有機磷水平呈上升趨勢，無機磷水平下降；而刺參生長期有機磷水平均呈下降趨勢，且刺參秋季生長期有機磷水平高于春季生長期有機磷水平，無機磷則與有機磷水平呈相反態勢。這主要是因為刺參是典型的沉積食性動物，以攝食沉積物的有機質為營養，包括殘餌、微生物（混在泥沙中的底棲硅藻、細菌、原生動物、藍藻等）和動、植物的有機碎屑及糞便等，可以有效降低沉積物的積累。進入夏眠期和冬眠期之后，刺參停止攝食[11]，使有機磷積累較多，同時底棲硅藻得以繁殖，有機質增加，并且底棲硅藻大量吸收無機磷，促使沉積物中無機磷釋放。刺參、柄海鞘混養模式下，在刺參夏眠期無機磷水平基本保持不變，這是因為柄海鞘在此階段處于代謝盛期，產生大量無機磷，為底泥中微藻的生長提供了磷源。

2種投餌模式下，刺參套養與刺參-海鞘混養組相比，后者有機磷和無機磷水平均較高，兩者差異極顯著（P<001），可能是由于柄海鞘排泄假糞，增加沉積物表面有機質，有機磷水平上升，同時柄海鞘代謝產生無機磷，水體中浮游微藻被柄海鞘攝食，對水體中無機磷吸收量減少，無機磷水平上升。

2.2.3沉積物中無機磷和有機磷所占比例圖6-a、圖6-b 分別表示4個處理組在試驗期間沉積物中有機磷和

無機磷所占比例的變化曲線。有機磷只有部分可被礦化為生物可利用的磷形態，且需要適宜的環境條件[12]。試驗期間沉積物中磷的形態以無機磷為主，有機磷在沉積物中的含量相對無機磷明顯偏低，且每個處理組之間有機磷含量的變化與刺參的生長階段相符，有機磷礦化被釋放到上覆水的潛力并不大。刺參-海鞘混養組和刺參套養組相比較，無機磷所占比例升高，有機磷所占比例降低，可見刺參、海鞘混養可有效降低池塘磷污染風險。

2.2.4沉積物中鐵鋁結合態磷和鈣結合態磷水平的變化

圖7、圖8分別表示試驗期間沉積物中鐵鋁結合態磷（Fe/Al-P）水平和鈣結合態磷（Ca-P）水平的變化曲線。鈣結合態磷主要包括自生成因或生物成因的自生磷灰石磷以及與自生碳酸鈣共沉淀或外源輸入的各種難溶性的磷酸鈣礦物[13]。鐵鋁結合態磷主要指通過物理和化學作用吸附在鐵、鋁氧化物和氫氧化物膠體表面上的磷[14]，從鐵鋁結合態磷的含量和分布可以推測污染物種類、沉積底質類型、沉積環境的氧化還原度等重要信息，目前判斷沉積物污染程度的依據之一即是鐵鋁結合態磷水平[15]，污染較重的沉積物中鐵鋁結合態磷含量明顯升高。

試驗期間，沉積物中鐵鋁結合態磷的含量范圍為 36.900～74.800 mg/kg，鈣結合態磷的含量范圍為153.400～283.000 mg/kg。2種投餌模式下，刺參套養組與刺參-海鞘混養組相比較，后者鐵鋁結合態磷和鈣結合態磷水平均較高，兩者差異極顯著（P<0.01）。由圖7、圖8可知，2種磷水平變化與無機磷水平變化基本呈相同態勢，在刺參春季生長期和秋季生長期均呈上升趨勢，在刺參夏眠期和冬眠期均呈下降趨勢。鈣結合態磷所占比例較大，約為無機磷的80%，且隨著刺參的生長階段變化幅度不大，主要是因為鈣結合態磷屬于較穩定的磷組分，難以被生物所利用[16]。鐵鋁結合態磷約占無機磷的20%，說明養殖系統污染較輕，并且隨著刺參的生長階段變化幅度較大，因為鐵結合態磷不穩定，水體的氧化還原條件、酸堿性、生物作用等對其穩定性均構成影響，當鐵離子表現為二價態時，易導致鐵結合態磷分解而進入水體[17]。

3結論

相同投餌模式下，刺參-海鞘混養組沉積物中各種磷水平均高于刺參傳統套養組，總磷含量為435.100～598.700 mg/kg，沉積物中有機磷含量明顯低于無機磷，有機磷礦化的潛力不大；無機磷中，活性較弱、基本不會進入上覆水的鈣結合態磷占80%，鐵鋁結合態磷只占無機磷含量的20%。

研究結果表明，刺參-柄海鞘復合養殖系統不會導致沉積物中磷的過量積累和水體富營養化，不易引起生態風險。

參考文獻：

[1]黃華偉，王印庚. 海參養殖的現狀和存在問題及前景展望[J]. 中國水產，2007，10：50-53.

[2]Bonanni P，Caprioli R，Ghiara E，et al. Sediment and interstitial water chemistry of the Orbeteflo lagoon （Grosseto，Italy）：nutrient diffusion across the water-sediment interfere[J]. Hydrobiologia，1992，235：553-568.

[3]Zhou H D，Jiang C L，Zhu L Q，et al. Impact of pond and fence aquaculture on environment[J]. Water Science and Engineering，2011，4（1）：92-100.

[4]趙建剛，喬永民. 汕頭灣沉積物磷的形態分布與季節變化特征研究[J]. 環境科學，2012，33（6）：1823-1831.

[5]Ju B，Chen L H，Xing R L，et al. A new integrated multi-trophic aquaculture system consisting of Styela clava，microalgae，and Stichopus japonicus[J]. Aquaculture International，2015，23（2）：471-497.

[6]高景山.北方地區刺參池塘養殖技術[J]. 中國畜牧獸醫文摘，2011，27（4）：64-65.

[7]國家海洋局. GB/T 12763—2007海洋調查規范[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[8]Bala K P M，Ramanathan A L. Characterization of phosphorus fractions in the sediments of a tropical intertidal mangrove ecosystem[J]. Wetlands Ecology and Management，2010，18（2）：165-175.

[9]Pardo P，Lopez-sanchez J F，Rauret G. Relationship between phosphorus fraction and major components in sediments using the SMT harmonised extraction procedure[J]. Anal Bioche，2003，376：248-254.[ZK）]

[10]張曉凌.柄海鞘攝食、呼吸和排泄的研究[D]. 青島：中國海洋大學，2004.

[11]袁秀堂，楊紅生，陳慕雁，等. 刺參夏眠的研究進展[J]. 海洋科學，2007，31（8）：88-90.

[12]李楠，單保慶，張洪，等. 沉積物中有機磷在pH和溫度影響下的礦化機制[J]. 環境科學，2011，32（4）：1008-1014.

[13]van Cappellen P，Berner R A. A mathematical model for the early diagenesis of phosphorus statue and fluorine in marine sediments：apatite precipitation[J]. Am. J. Sci.，1998，288：289-333.

[14]李江，金相燦，姜霞，等. 太湖不同營養水平湖區沉積理化性質和磷的垂向變化[J]. 環境科學研究，2007，20（4）：64-68.

[15]岳偉忠. 珠江口柱狀沉積物磷的分布特征及其環境意義[J]. 熱帶海洋學報，2005，24（1）：21-27.

[16]Bostrm B，Persson G，Broberg B. Bioavailability of different phosphorus forms in freshwater systems[J]. Hydrobiologia，1988，170（1）：133-155.

[17]潘成榮，汪家權，鄭志俠，等. 巢湖沉積物中氮與磷賦存形態研究[J]. 生態與農村環境學報，2007，23（1）：43-47.