青魚-鳙生態(tài)混養(yǎng)池塘的氮磷收支研究

劉 璐，李學(xué)梅，吳興兵，朱挺兵，楊德國，朱永久

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護重點實驗室，武漢 430223；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306)

淡水池塘養(yǎng)殖是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖主要生產(chǎn)方式，據(jù)2020年《中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》報道，2019年我國淡水池塘養(yǎng)殖總產(chǎn)量達2 230.05萬噸，約占淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的74.0%[1]。而當(dāng)前高養(yǎng)殖密度、過度投飼與施肥的養(yǎng)殖方式導(dǎo)致養(yǎng)殖內(nèi)外環(huán)境惡化，限制了池塘養(yǎng)殖業(yè)的綠色健康發(fā)展[2,3]。據(jù)估算，全國淡水池塘每年向外排放總氮(TN)38.27 萬噸，總磷(TP)3.19 萬噸[4]。因此，追溯水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的來源和歸宿，研究其對水質(zhì)的影響，對于提高氮磷利用率、發(fā)展池塘綠色生態(tài)養(yǎng)殖模式至關(guān)重要。

氮磷是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的重要基礎(chǔ)營養(yǎng)元素，參與物質(zhì)循環(huán)和能量流動，其濃度和利用率的變化對養(yǎng)殖環(huán)境有重要影響[5]。施肥、投餌等養(yǎng)殖活動，以及營養(yǎng)物質(zhì)有限的利用率等均會導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境中氮磷物質(zhì)的明顯積累[6,7]，進而引發(fā)水環(huán)境惡化、病害頻發(fā)、養(yǎng)殖產(chǎn)量下降等一系列問題，影響池塘養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3,8]。根據(jù)生態(tài)平衡、物種共生互利和對物質(zhì)的多營養(yǎng)層次利用等生態(tài)學(xué)原理建立的池塘綜合養(yǎng)殖模式，則可以充分利用養(yǎng)殖水體空間、改善生物多樣性、提高餌料資源利用率、有效降低養(yǎng)殖過程中氮、磷的積累、增強水體凈化能力、降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)境污染，帶來顯著的經(jīng)濟和生態(tài)效益[9～11]。

青魚(Mylopharyngodonpiceus)俗稱青鯇、青頭、烏青等，屬肉食性魚類，由于其個體大、肉質(zhì)嫩、營養(yǎng)價值高，深受廣大消費者喜愛，近年來的養(yǎng)殖面積也在不斷擴大。青魚-鳙生態(tài)混養(yǎng)模式[12]以青魚和鳙(Aristichthysnobilis)為主并搭配少量鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)，通過提高配養(yǎng)鳙的養(yǎng)殖密度、改用浮性飼料投喂等措施，優(yōu)化魚類養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，改善養(yǎng)殖環(huán)境，大大提高了養(yǎng)殖效益和生態(tài)效益。但關(guān)于該養(yǎng)殖模式系統(tǒng)氮磷收支的研究還未見詳細(xì)報道。因此本研究定期監(jiān)測了青魚-鳙生態(tài)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)變化，分析了水體中氮磷積累情況以及系統(tǒng)中氮磷的利用率，以期為完善青魚-鳙健康養(yǎng)殖模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與管理

試驗于2016年4-11月在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所試驗場北區(qū)(湖北荊州)進行。試驗對象為3口大小相同(面積為1 533 m2，水深為2 m)，具備獨立進排水設(shè)施的青魚-鳙混養(yǎng)池塘。試驗池塘的具體放養(yǎng)情況見表1。

表1 養(yǎng)殖池塘魚種的放養(yǎng)情況Tab.1 Stocking status of aquaculture pond

養(yǎng)殖期間，每天9:00和16:00定點投喂青魚浮性顆粒飼料(蛋白質(zhì)含量為32%)，投喂量為所有青魚體重的2%，每天觀察攝食情況及殘餌量，并根據(jù)天氣情況、水溫和青魚生長情況及時調(diào)整投喂量。每口池塘各配1臺3 kW的增氧機，晴天白天下午開2～3 h增氧，陰天白天不增氧，凌晨開5～6 h增氧。整個養(yǎng)殖期間除根據(jù)需要補充因蒸發(fā)、滲透和采樣丟失的水之外，基本不換水。

1.2 采樣及測定方法

分別于放養(yǎng)和收獲時記錄池塘各品種魚類的尾數(shù)、尾重和總重，計算各池塘各品種魚的成活率、增重率和飼料系數(shù)；隨機采集池塘各品種魚類樣本，采用凱氏定氮法(GB/T 5009.5-2003)和分光光度法(GB/T 12393-1990)測定魚體的TN、TP含量[13]。飼料中TN、TP含量測定方法同魚體樣品。計算公式如下：

成活率=終末尾數(shù)/初始尾數(shù)×100%

增重率=(終末平均體重-初始平均體重)/初始平均體重×100%

飼料系數(shù)=投喂飼料的總質(zhì)量/(總重-放養(yǎng)魚總重)

養(yǎng)殖期間除用帶刻度容器接收自然降雨估算降雨量外，還需記錄補充的水量，并測定雨水、補充水的TN和TP含量。其中養(yǎng)殖期間共降雨63.60 cm，約975.25 m3，雨水的TN、TP含量為4.93 mg/L和1.66 mg/L。養(yǎng)殖期間補充水量為1 120 m3，補充水的TN、TP含量為0.7 mg/L和0.2 mg/L。

根據(jù)Blain公式和Weilter的物質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)推算養(yǎng)殖水體中氨的揮發(fā)量，具體公式為：

F=K×ρ(NH3)[14]。

其中，F(xiàn)為氣液界面氨的通量(μ/(cm2·h))；ρ(NH3)為非離子氨質(zhì)量濃度(mg/L)；K為物質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)(cm/h)，且K=1.01+0.33U，U為風(fēng)速(m/s)。

氮、磷利用率的計算公式為：

氮、磷利用率=養(yǎng)殖生物凈產(chǎn)量的氮、磷含量/投喂餌料的氮、磷含量×100%

氮、磷收支方程為：

氮輸入(投喂飼料+放養(yǎng)魚類+初始水體+降雨+補充水)=氮輸出(收獲魚類+終末水層+氨揮發(fā)+U)；

磷輸入(投喂飼料+放養(yǎng)魚類+初始水體+降雨+補充水)=磷輸出(收獲魚類+終末水層+U)

其中，U為未測出的氮、磷，包括底泥沉積、水體滲漏和吸附等。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 11.0進行one-way ANOVA分析，采用Duncan′s多重比較進行差異顯著性檢驗，P<0.05表示差異顯著；P<0.01表示差異極顯著。采用Origin 2018繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘水體的理化指標(biāo)

表2 青魚-鳙養(yǎng)殖池塘水體的理化指標(biāo)Tab.2 Physicochemical parameters in the water bodies of the experimental ponds

2.2 收獲情況

收獲時，各池塘中青魚和鰱的成活率均>80%，增重率均>200%，鳙的成活率為40.25%～43.77%，最高增重率為167.32%。養(yǎng)殖池塘的飼料系數(shù)為2.58～2.95。見表3。

表3 養(yǎng)殖池塘的收獲情況Tab.3 The harvest of each aquaculture pond

2.3 氮磷收支估算

本養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮磷輸入和輸出情況及各項目所占比例見表4。在氮磷輸入中，飼料是養(yǎng)殖系統(tǒng)的主要輸入來源，分別占總輸入的(87.43±0.19)%和(94.52±0.09)%，顯著高于其他輸入項目。因各品種養(yǎng)殖魚類的放養(yǎng)比例和魚體氮磷含量不同，導(dǎo)致各品種養(yǎng)殖魚類的氮磷輸入量存在差異，其中青魚氮、磷輸入量顯著高于鳙、鰱。初始水層、降雨和補充水三個項目對養(yǎng)殖系統(tǒng)中氮磷貢獻較小，僅占總輸入的0.05%和0.01%。

表4 養(yǎng)殖池塘的氮磷收支情況Tab.4 Income and expenditure of nitrogen and phosphorus in each aquaculture pond

根據(jù)物質(zhì)平衡，參考張凱等[15]、陳東興等[16]的池塘營養(yǎng)物質(zhì)收支模型，分析池塘中氮磷輸出情況，結(jié)果顯示包括綜合積累(包括底泥沉積、水體滲漏、吸附等)是本養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷輸出的主要項目，占比分別達(72.07±1.04)%和(85.27±1.08)%，對養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷輸出的貢獻最大；其次為養(yǎng)殖魚類，其中青魚、鳙和鰱三者的氮輸出量存在顯著差異，青魚氮輸出量>鳙>鰱，而三者的磷輸出量差異不顯著；氨揮發(fā)的氮以及養(yǎng)殖末期水層積累的氮、磷占總支出的比例較小。

2.4 養(yǎng)殖生物對氮、磷的利用率

養(yǎng)殖生物對氮、磷的利用率見圖1。養(yǎng)殖池塘的氮、磷利用率分別為(17.51±1.06)%和(9.78±1.11)%，其中青魚、鳙和鰱對氮的利用率為(15.40±0.45)%、(0.99±0.74)%和(1.22±0.23)%；對磷的利用率為(7.76±1.10)%、(1.21±0.35)%和(0.82±0.36)%。Duncan′s多重比較結(jié)果顯示，青魚對氮、磷的利用率均顯著高于鳙、鰱(P<0.05)，而鳙和鰱之間的氮、磷利用率差異不顯著。

圖1 混養(yǎng)池塘中青魚、鳙和鰱的氮磷利用率Fig.1 The N and P utilization rates of M.piceus,A.nobilis and H.molitrix in aquaculture pond圖中同一項目標(biāo)有不同字母的數(shù)據(jù)表示相互差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 池塘水質(zhì)的變化與評價

池塘水環(huán)境是一個在時間、空間內(nèi)存在著復(fù)雜變化的體系，各水質(zhì)參數(shù)相互促進或制約，如藻類的光合作用、有機物質(zhì)氧化分解和養(yǎng)殖生物呼吸作用等影響水中DO和pH，進而影響不同形態(tài)N、P的轉(zhuǎn)化，而pH和N、P營養(yǎng)物質(zhì)又影響藻類生長繁殖，進而引起水體透明度和Chl-a含量的波動[17,18]。

3.2 氮磷收支估算

以往關(guān)于養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷收支的研究均表明，飼料是氮磷輸入的主要方式[11,18,27]，占總輸入的80%以上，在本研究中，飼料輸入氮磷為總輸入的(87.43±0.19)%和(94.52±0.09)%，與已有的研究結(jié)果相類似。在氮、磷輸出研究中，底泥積累[15]、終末水層[28]、收獲生物[29]是主要支出項目。本研究實驗結(jié)束后采集的池塘底泥樣品，因?qū)嶒灮叵掠曷┧粴?，未能測得底泥中氮磷的實際含量。但根據(jù)物質(zhì)平衡原理，估算出綜合累積(包括底泥沉積、水體滲漏、吸附等)是氮磷輸出的主要部分，分別占氮總輸出的(72.07±1.04)%，占磷總輸出的(85.27±1.08)%，與鐘全福[30]，常杰等[31]研究結(jié)果一致。進一步分析發(fā)現(xiàn)水層中磷積累遠遠少于氮積累量，這可能與二者的循環(huán)方式有關(guān)，磷為沉積性循環(huán)，大量吸附在沉積物表面并與土壤中礦質(zhì)離子(如鈣、鐵、銨等離子)形成沉淀，被固結(jié)在土壤等沉積物中[5,32,33]，而孫云飛等[29]研究表明，草魚與鰱、鯉混養(yǎng)池塘中，底泥積累氮、磷量占比為15.19%～27.60%和76.46%～80.04%，與本研究結(jié)果差異較大，說明底泥中氮磷積累量的多少因研究對象和養(yǎng)殖模式的不同而存在差異。

池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)中，大多是直接投喂外源性食物，雖然池塘系統(tǒng)對投入物質(zhì)的利用率不同，但總體上氮、磷營養(yǎng)鹽的利用率是偏低的。本研究池塘的氮利用率平均為17.51%，磷利用率平均為9.78%，高于鯽精養(yǎng)池塘的氮、磷利用率(分別為15.69%和4.67%)[26]，但低于草魚混養(yǎng)池塘中氮、磷利用率(分別為35.4%～37.9%和18.9%～20.2%)[19]。說明養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷利用率的高低與養(yǎng)殖生物種類和養(yǎng)殖模式有關(guān)。已有大量研究[29,30,34]證實池塘多品種混養(yǎng)具有良好的經(jīng)濟和生態(tài)優(yōu)勢，此外池塘混養(yǎng)鰱、鳙可以充分利用水體中的浮游植物和懸浮顆粒，有效提高氮磷利用率[29,35]。本池塘以青魚-鳙混養(yǎng)為主，搭配少量鰱，提升養(yǎng)殖池塘生態(tài)物種的多樣性、生態(tài)結(jié)構(gòu)的層次性，提高養(yǎng)殖池塘氮、磷營養(yǎng)鹽的利用率，增強養(yǎng)殖池塘的經(jīng)濟和生態(tài)雙重效益，為青魚-鳙生態(tài)混養(yǎng)池塘模式的科學(xué)性提供了理論支撐。