套養池塘主要養殖階段浮游生物的群落結構特征

傅建軍，安睿，朱文彬，王蘭梅，羅明坤，董在杰,

（1.中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，農業農村部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，江蘇 無錫 214081；2.南京農業大學無錫漁業學院，江蘇 無錫 214128）

浮游生物主要包括浮游植物和浮游動物，是水域生態系統的重要組成部分[1]。浮游植物作為水域生態系統的初級生產者，為浮游動物提供主要的營養來源，對所處水域環境變化響應敏感。浮游動物以浮游植物為食，也是魚類的重要食物來源，在水域生態系統的食物鏈中起著承上啟下作用，是水域環境變化的一個重要生物指標[2,3]。水域環境變化直接影響浮游生物的群落結構，目前有關河流、湖泊和水庫等開放水體的浮游生物群落結構特征的研究較多[4-7]，主要探究其季節性變化規律及與水體理化指標的關系等。在養殖池塘中，浮游生物群落結構特征同樣與水體理化因子密切相關。李志斐等[8]研究了珠三角高產養殖池塘浮游動物群落結構，發現浮游動物群落結構與水溫、光照、pH 和營養鹽等非生物因素有關。宋慶洋等[9]研究發現，氮、磷是稻蝦共作水體浮游植物生長的限制因子。此外，針對主要養殖階段和特定養殖模式的池塘浮游生物群落結構特征也開展了一些研究[10-15]，而針對常規淡水魚套養池塘的浮游生物群落結構及與水體理化指標的相關性研究較少。隨著長江禁捕政策的出臺以及對養殖水體污染控制的要求不斷提高，保質保量滿足人們對水產品需求，是水產養殖業需要亟待解決的問題。池塘養殖依然是中國水產養殖的主要生產模式，鯉（Cyprinus carpio）和尼羅羅非魚（Oreochromis niloticus）作為世界的重要水產養殖對象，在中國水產養殖中同樣具有重要地位，且以池塘養殖模式為主要生產方式[16]。在養殖池塘中，通過套養鰱（Hypophthalmichthys molitrix）和鳙（H.nobilis）等濾食性魚類，可以充分利用餌料資源和水體生態位，具有改善水體養殖環境等作用[10,17]，而綠色高效養殖方式有待進一步探究。本研究通過觀測和分析鯉、羅非魚魚種培育階段套養鰱、鳙的池塘主要生長期內水體理化指標、浮游生物群落結構等，以期為池塘套養模式下的水質和浮游生物動態變化特征提供數據參考，并為長江中下游地區開展的養殖模式優化和提高提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗于2019 年5—9 月魚種培育的主要生長階段開展，在中國水產科學研究院淡水漁業研究中心宜興屺亭科研實驗基地2 口池塘，分別主養鯉（“福瑞鯉2 號”）（A 塘，約3 000 m2）和尼羅羅非魚（“中威1 號”）（B 塘，約3 000 m2），套養鰱和鳙，采用投喂人工飼料的方式進行常規魚種培育。于4 月下旬，在每m3水體的A 塘和B 塘（水深約2 m）中分別投放體長約2 cm 的鯉和羅非魚6 尾；均套養鰱和鳙（100 g 左右），每10 m3各投放3 尾。在魚苗放養15 d 后至起捕（羅非魚移入溫室）前15 d，視天氣變化情況，每間隔15～25 d，選擇連續晴天5 d 于上午（8：00—9：00）依次采集水樣（共8 次）。

1.2 水樣采集和檢測

在為期150 d 的養殖期間，于5 月15 日、5 月30 日、6 月20 日、7 月11 日、7 月23 日、8 月8 日、8月21 日和9 月12 日對2 口池塘分別采集水樣，共計16 個樣本，依次記為T1A、T1B、T2A、T2B、T3A、T3B、T4A、T4B、T5A、T5B、T6A、T6B、T7A、T7B、T8A和T8B。水樣采集中，考慮到池塘中水體理化指標和浮游生物可能受風向等因素影響，每次采樣分別采集池塘5 個點（4 個邊的中點離岸0.5 m 和池中心，水下0.5 m 處）進行混樣用于水體理化指標檢測和浮游生物觀察。

池塘水溫（TEM）和酸堿度（pH）使用便攜式pH計現場測定，化學需氧量（COD）用重鉻酸鹽法（GB/T11914-1989）測定；氮循環中總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）和亞硝酸氮（NO2--N）含量分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T11894-1989）、納氏試劑比色法（GB/T7479-1987）和N-（1-萘基）-乙二胺光度法（GB/T13580.7-1992）測定；總磷（TP）含量采用鉬酸銨分光光度法（GB/T11893-1989）。

1.3 浮游生物采集和測定

浮游植物檢測中，取1 L 水樣用1%的魯哥氏液固定，樣品帶回實驗室靜置24 h 后，通過虹吸管取上清液，濃縮至30 mL，用于鑒定計數。浮游動物定量樣品采集20 L 水樣，經25 號（200 目，孔徑64 μm）浮游生物網過濾濃縮，放入50 mL 塑料瓶中加入5%福爾馬林溶液固定后，樣本帶回實驗室靜置沉降、濃縮后計數。浮游生物鑒定中，對每個樣本均檢測3 次取均值。

浮游生物分類參照《中國淡水藻類》[18]和《淡水微型生物圖譜》[19]。浮游植物和浮游動物定性樣品分別采用25 號和13 號（125 目，孔徑為112 μm）浮游生物網在水中做“∞”形回旋3 min，采集樣品，將網內濃縮液置于100 mL 塑料水樣瓶中，分別用1%的魯哥氏液和5%的福爾馬林溶液固定，帶回實驗室顯微鏡下觀察分類。

1.4 數據分析

利用Excel 軟件整理水質理化指標數據和浮游生物數據、繪制趨勢圖和柱狀圖；用SPSS 22.0（IBM Corp.，Armonk，NY，USA）進行兩兩組間差異分析（T檢驗）、單因素多組方差分析（F 檢驗）和組間多重比較（Duncan 法）?；诟∮紊锏拿芏扔嬎愀魑锓N優勢度（Y），公式如下：

式中，ni為第i 個浮游植物（或浮游動物）種類的個體數，N 為浮游植物（或浮游動物）總數；fi是第i 個物種在各樣本中出現的頻率；將Y＞0.02 的浮游生物確定為優勢種。

利用vegan 包（https://CRAN.R-project.org/package=vegan）分析各水樣的α 多樣性（計算Shannon-Weiner 指數H'、Simpson 指數D 和Pielou 物種均勻度J）、去趨勢對應分析（Detrended correspondence analysis，DCA）和主成分分析（Principal component analysis，PCA）；結合水體理化指標和浮游生物豐度數據開展冗余分析（Redudancy analysis，RDA），在構建各理化因子回歸模型的過程中采用向后選擇法進行校正，依次剔除共線性因子，并基于AIC 確定最佳模型；利用ggplot2 包[20]繪制PCA 和RDA 的散點圖；利用pheatmap 包（https://CRAN.R-project.org/packag e=pheatmap）繪制熱圖，熱圖尺度為優勢度的Z-score 校正值，樣本聚類采用歐氏距離（Euclidean distance）。上述工具包在R 程序（https://www.r-project.org）運行。

2 結果與分析

2.1 水體理化因子變化與分析

實驗期間，水溫范圍為23.0～35.8 ℃，pH 介于7.33～7.87 之間，其他理化指標如表1 所示。單因素方差分析顯示，各時期間2 個池塘的各理化指標差異極顯著（P＜0.01）。整體而言，總氮和氨氮濃度呈上升趨勢，養殖中后期趨于穩定；養殖期間亞硝酸氮濃度較低，總磷呈先上升、后下降的趨勢，其中2 個池塘總氮和總磷的含量變化趨勢如圖1 所示。

表1 不同采樣時期池塘水體理化指標的變化（均值±標準差）Tab.1 Changes in physicochemical indices in the test ponds during different sampling periods (Mean±SD)

圖1 不同池塘在試驗期間總氮（a）和總磷（b）濃度的變化曲線Fig.1 Line plots of total nitrogen (a) and total phosphorus (b) concentrations in different ponds

2.2 浮游生物群落結構及物種多樣性

本實驗共檢測到浮游植物8 門77 屬179 種，其中綠藻39 屬106 種，占物種總數的59.22%；藍藻13 屬23 種，占12.85%；硅藻12 屬21 種，占11.73%；裸藻4 屬18 種，占10.06%；甲藻4 屬4 種，占2.23%；隱藻2 屬2 種，占1.68%；金藻2 屬3 種，占1.68%；黃藻1 屬1 種，占0.56%。本實驗共檢測到浮游動物72 種，其中枝角類20 種，占27.78%；橈足類11 種，占15.28%；輪蟲30 種，占41.67%；原生動物11 種，占15.28%。各水樣不同門類浮游生物的群落結構比例見圖2 所示。其中，浮游植物主要以藍藻門和綠藻門為主；浮游動物主要以輪蟲類和原生動物為主，橈足類最少。養殖后期，橈足類的密度更少。對16 個水樣浮游生物豐度的α 多樣性分析表明（表2），池塘Shannon-Wiener 指數介于2.535～3.457 之間；Simpson 指數介于0.800～0.957 之間；種類均勻度（Pielou）介于0.573～0.772 之間。

表2 浮游生物生物多樣性指數變化（均值±標準差）Tab.2 Changes in the diversity index of plankton in the polyculture ponds (Mean ± SD)

圖2 不同水樣的浮游植物（a）和浮游動物（b）群落結構Fig.2 Community structure of phytoplankton (a) and zooplankton (b) in different water samples

2.3 不同養殖階段浮游生物時序性變化

基于浮游生物密度數據的主成分分析（圖3-a）發現，相近時期樣本聚類較近，說明養殖過程浮游生物的群落結構呈現明顯的時序性變化。根據PCA結果，主要養殖階段大致可分為3 個時期，即早期（T1 和T2，記為P1）、中期（T3、T4 和T5，記為P2）和后期（T6、T7 和T8，記為P3）。依據上述3 個時期（P1、P2 和P3）的劃分，共發現45 種浮游生物（28 種浮游植物，17 種浮游動物）在至少1 個時期的優勢度Y＞0.02，整個養殖階段優勢度最高的3 種浮游植物依次為細小平裂藻（M.tenuissima）（0.102）、微小平裂藻（M.minima）（0.036）和偽魚腥藻（Pseudanabaena sp.）（0.031）；整個養殖階段優勢度最高的3種浮游動物依次為針簇多肢輪蟲（Polyarthra trigla）（0.291）、裂痕龜紋輪蟲（Anuraeopsis fissa（0.129）和暗小異尾輪蟲（Trichocerca pusilla）（0.106）?；谶@45 種浮游生物優勢度進行熱圖和聚類分析（圖3-b），結果顯示樣本能依據時序聚為3 個分枝；此外，可以直觀發現不同時期的浮游生物優勢度分布存在差異。

圖3 基于各水樣浮游生物豐度值的PCA 散點圖（a）和熱圖（b）Fig.3 PCA scatter plot (a) and heat map (b) based on plankton abundance values in each water sample

上述45 個浮游生物的優勢度差異分析表明，20 種浮游生物的優勢度呈現出兩兩時期間顯著性差異（P＜0.05，表3）。其中，微囊藻（Microcystis sp.）在3 個時期的優勢度間均存在顯著差異（P＜0.05），其優勢度隨著養殖進程逐漸升高；而雙尾柵藻（Scenedesmus bicaudatus）的優勢度變化趨勢為隨著養殖進程逐漸降低，養殖后期（P3）的優勢度顯著低于早期（P1）和中期（P2）（P＜0.05）。此外，水華束絲藻（Aphanizomenon flosaquae）、雙對柵藻（S.bijuga）、四尾柵藻（S.quadricauda）和二角盤星藻（Pediastrum duplex）在養殖早期（P1）的優勢度顯著高于中期（P2）和后期（P3）（P＜0.05）；變異直鏈藻（Melosira varians）、雙尾柵藻小型變種（S.bicaudatus var.parvus）和轉板藻（Mougeotia sp.）在養殖后期（P3）的優勢度顯著高于早期（P1）和中期（P2）（P＜0.05）；銅線形十字藻（Crucigenia fenestrata）和雙尾柵藻四棘變種（S.bicaudatus var.quadrispina）在養殖中期（P2）的優勢度顯著高于早期（P1）和后期（P3）（P＜0.05）；而直角十字藻（Crucigenia rectangularis）在養殖早期（P1）和后期（P3）的優勢度顯著高于養殖中期（P2）（P＜0.05）。

2.4 浮游生物群落變化的驅動因子分析

16 個樣本浮游生物密度的DCA 分析表明，最大軸長為2.42（小于3），適合線性模型的RDA 分析?；赗DA 分析的最佳回歸模型，剔除存在顯著共線性的因子，最終保留對本研究階段浮游生物變化最具影響的理化因子，發現亞硝酸氮和總氮濃度與池塘浮游植物豐度相關性較強（圖4-a），水溫、pH 和亞硝酸氮濃度與實驗池塘浮游動物豐度相關性較強（圖4-b）。為了進一步揭示各水體理化因子對特定優勢種的影響，開展了20 個優勢種（3 個養殖時期間優勢度變化顯著的浮游生物）密度與水體理化因子的相關性分析，發現其中14 種浮游生物的密度與水體理化因子間存在顯著線性關系（P＜0.05，表4）。其中，微囊藻、變異直鏈藻、美麗盤藻（Gonium formosum）、直角十字藻、雙尾柵藻小型變種和轉板藻的密度與總氮呈正相關；雙尾柵藻和四尾柵藻四棘變種（S.quadricauda var.quadrispina）的密度與總氮呈負相關。

圖4 浮游植物（a）和浮游動物（b）群落結構與理化因子RDA 分析結果Fig.4 RDA analysis between phytoplankton (a) and zooplankton (b) community structure and physicochemical factors

3 討論

3.1 水體理化理化指標和浮游生物群落變化

水體理化指標不僅影響養殖魚類的生存和生長，也是維持養殖水體穩定的重要組成[21]。本研究中，養殖中后期池塘的水質屬富營養型，較適宜于浮游生物的繁殖，這與實驗周期處于養殖魚類主要生長季節有關。鯉和羅非魚攝食能力較強，養殖期間投喂飼料較多，通過殘餌和魚類排泄物等將氮、磷元素帶入水體[22,23]。在養殖后期各項理化指標下降或上升減緩，這與水溫逐漸降低導致魚類攝食、排泄等生命代謝活動減弱以及套養鰱、鳙攝食浮游生物轉化營養鹽有關。依據多樣性指數對水質的評價標準[24]，本實驗養殖水體具有豐富或較豐富的浮游生物種類，但是，在養殖中后期存在富營養化和水體理化指標較高等問題，這需要引起重視。因此，認為常規套養鰱鳙的高密度池塘養殖模式，在控制水體富營養化方面的效果，還存在進一步優化的空間。

池塘養殖中，浮游生物群落結構往往呈現明顯時空變化特征[1,5,12,23]。本研究中，浮游生物優勢種及其密度存在明顯的時序性變化，尤以浮游植物的變化更為明顯。本實驗套養池塘的浮游植物以綠藻門和藍藻門為主，與宋慶洋等[9]在稻蝦共作水體和張曉蕾等[14]在循環流水養殖水體中發現的浮游植物組成結構相似，這可能與養殖水體營養鹽濃度的波動范圍相近有關。而在養殖過程中，浮游植物的增殖又受到諸多因素影響。在養殖前期，光照增強、營養鹽增加及魚類排泄物增多促進了浮游植物的繁殖[25]。隨著養殖魚類的生長，對浮游植物攝食壓力增加，會抑制其生物量的進一步增長。本實驗池塘浮游動物趨于小型化，以輪蟲和原生動物占優勢。這與楊建雷等[10]在混養池塘和李學梅等[11]在池塘養殖中的研究結果類似，分析是由于鰱鳙等濾食性魚類對枝角類和橈足類及大型輪蟲具有更強的攝食壓力導致。

3.2 浮游生物群落變化與驅動因子分析

冗余分析表明，影響浮游植物和浮游動物群落結構變化的主要理化因子存在差異。浮游植物作為初級生產者，對水環境因子較為敏感；水環境因子中氮磷營養鹽濃度是影響浮游植物生長的關鍵因子[26]。陳思等[12]研究發現，營養鹽、鹽度和pH 是影響蝦蟹混養池塘浮游植物群落結構特征的主要環境因子。本研究發現，亞硝酸氮和總氮濃度是影響浮游植物豐度的主要環境因子，驗證了氮元素是池塘養殖中浮游植物動態變化的重要驅動因子。結合浮游生物與理化指標的關聯分析不難發現，水溫和磷元素同樣顯著影響部分浮游植物的豐度。浮游動物的種群結構和分布同樣受環境因子影響，如適宜的水溫促進浮游生物生長和繁殖，影響水體浮游動物的群落結構特征。浮游動物的變化還受到養殖魚類投喂、攝食和生命活動等影響，其中包括魚類對浮游植物（上行效應）和浮游動物的攝食（下行效應）等[10,11,23]。李志斐等[8]發現，高產養殖池塘的TP和pH 是影響浮游動物群落結構的主要因素。本研究發現，pH、水溫和亞硝酸氮的濃度是影響池塘浮游動物動態變化的主要因素。

不同研究發現水體理化因子對浮游生物影響效應存在差異，可能與相應水體具有不同本底條件有關。如某些理化因子對浮游生物的生長和繁殖具有重要作用，但在相應水體和實驗期間較穩定，研究中就難以揭示其重要性和相關性。就具體環境因子和浮游生物豐度的關聯性分析結果而言，對特定環境因子較敏感的物種，有望作為指示物種應用于水質調控等養殖管理過程。

3.3 結論與展望

本研究發現，長江中下游地區套養池塘主要養殖階段的浮游生物群落結構存在明顯的時序性變化特征；養殖階段水體理化指標變化較快、差異較大，浮游生物的優勢種對各水體理化指標的響應程度不一。研究結果可為所在地區套養池塘的水質監測和調控及管理提供數據參考。本研究在池塘數量和養殖周期等方面還存在一定局限性，在后續的研究中建議增加池塘（或養殖模式）的數量，延長實驗周期，進一步探討池塘養殖下浮游生物的變化規律及與理化因子的關系。