大麻哈魚產(chǎn)卵場(chǎng)呼瑪河段水域優(yōu)勢(shì)水生植物氮、磷吸收率初探

魯萬橋，李培倫，劉偉，唐富江，王繼隆

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黑龍江流域漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，哈爾濱 150070）

大麻哈魚（Oncorhynchus keta）目前由于資源量的枯竭，被規(guī)劃為國家3 級(jí)保護(hù)動(dòng)物［1-3］，足以說明大麻哈魚的資源恢復(fù)刻不容緩，而大麻哈魚對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)的條件要求比較嚴(yán)苛，環(huán)境僻靜，水質(zhì)澄清，水流較急，水溫在5～7 ℃為宜，底質(zhì)為沙礫地［4］。呼瑪河段水域因其自身優(yōu)越條件，成為了大麻哈魚少數(shù)天然產(chǎn)卵場(chǎng)之一，由于近些年自然環(huán)境的變遷（洪水倒灌）以及人為所造成的破壞（耕田面積的增加、道橋工程建設(shè)等），導(dǎo)致該河段生境產(chǎn)生了更替的現(xiàn)象［5，6］，并滋生大量藻類等沉水性植物，且其優(yōu)勢(shì)種具有季節(jié)性變化趨勢(shì)。根據(jù)2018 年下半年多次的實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，呼瑪河段水域在秋季期間的優(yōu)勢(shì)種為普生輪藻、柔枝水蘚；冬天的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種為水綿。

在研究大麻哈魚產(chǎn)卵行為的過程中，發(fā)現(xiàn)大麻哈魚會(huì)自行清除附于底質(zhì)的其他水生植物，而大麻哈魚因上溯洄游會(huì)消耗大量的體力，繼而會(huì)嚴(yán)重影響其產(chǎn)卵量，最終導(dǎo)致大麻哈魚的繁殖量大幅度下降。因此為了更好地探究呼瑪河段大麻哈魚產(chǎn)卵場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)水生植物，于2018 年10 月至2019 年1 月進(jìn)行了多次試驗(yàn)，探究相關(guān)植物在不同氮磷濃度下的吸收速率，明確其生長機(jī)制，為修復(fù)呼瑪河段大麻哈魚產(chǎn)卵場(chǎng)提供相關(guān)依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與預(yù)處理

普生輪藻、柔枝水蘚及水棉3 種試驗(yàn)對(duì)象均采自于呼瑪河段，如圖1。準(zhǔn)備10 個(gè)承裝容器（水族桶），將3 種植物采集洗凈、稱量，并等量地放置于其中9 個(gè)容器中（剩余1 個(gè)容器為空白對(duì)照），進(jìn)行正式試驗(yàn)，而在此之前，剔除生長狀況不佳、枝葉泛黃的試驗(yàn)樣本，并進(jìn)行拍照保存。

圖1 采樣試驗(yàn)區(qū)分布

1.2 試驗(yàn)方法

在容量相同的試驗(yàn)水族箱（直徑16.2 cm，高46.5 cm）中加入同等的培養(yǎng)液（3 組試驗(yàn)培養(yǎng)液的N、P 元素來源均不一致）。每日采樣2 次（早、晚各1次），并利用AA3 儀（連續(xù)流動(dòng)營養(yǎng)鹽分析儀）對(duì)其N、P 濃度進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)分別測(cè)量其溫度、溶解氧及電導(dǎo)率等理化指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)過程可測(cè)的理化條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，試驗(yàn)跨度為7 d。每個(gè)試驗(yàn)組均設(shè)定3個(gè)平行試驗(yàn)組外加1 個(gè)空白對(duì)照組。此外，3 組試驗(yàn)水溫均保持在（19±2.5）℃，利用日光燈管作為固定光源（自每天第1 次采樣前打開，在第2 次采樣后關(guān)閉，保證了每天的有效光照時(shí)間為12 h），其光照度保持在6 680 lx。

利用公式計(jì)算N、P 元素吸收速率［7］：

式中，U為營養(yǎng)元素（N、P）平均每天的吸收速率［μmol/（g·d）］；C0為試驗(yàn)開始時(shí)培養(yǎng)液中營養(yǎng)元素的濃度（μmol/L）；Ct為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)培養(yǎng)液中營養(yǎng)鹽濃度（μmol/L）；V為所用培養(yǎng)液體積（L）；t為試驗(yàn)時(shí)間（d）；G為所添加試驗(yàn)對(duì)象同濃度梯度的平均生物量（g）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 普生輪藻、柔枝水蘚在不同N/P 濃度培養(yǎng)液的吸收速率 首先底質(zhì)的模擬，本研究利用上述所用水族桶加入等量的土（同批次大興安嶺營養(yǎng)黑土）及砂石（同款水晶砂），培養(yǎng)液則設(shè)定3 個(gè)濃度梯度分別為16∶1、40∶1以及80∶1，其中N的來源為NaNO3、尿 素；P 的來源 為KH2PO3。令NaNO3、KH2PO3為定量，利用尿素來改變N、P 元素的濃度比值，其他成分為MgSO4。保證了培養(yǎng)液P 初始濃度為2.28 mg/L，N 初始濃度則分別為36.48 mg/L（1-3 號(hào)缸、低濃度梯度）、91.20 mg/L（4-6 號(hào)缸、中濃度梯度）及182.40 mg/L（7-9 號(hào)缸、高濃度梯度）。

1.3.2 水綿在不同N/P 濃度培養(yǎng)液的吸收速率 培養(yǎng)液同樣設(shè)定3 個(gè)濃度梯度，分別為16∶1、40∶1 以及80∶1，且N、P 來源與上述培養(yǎng)液相同，而不同的是KH2PO3、尿素作為定量，利用NaNO3來改變N、P 元素的濃度比值，使培養(yǎng)液P 初始濃度為0.5 mg/L，N初始濃度則分別為8 mg/L（1-3 號(hào)缸、低濃度梯度）、20 mg/L（4-6 號(hào)缸、中濃度梯度）及40 mg/L（7-9 號(hào)缸、高濃度梯度），并無其他成分。

最后利用式（1），結(jié)合3 個(gè)試驗(yàn)對(duì)象的實(shí)際生長情況對(duì)比其種間、組間對(duì)N、P 的吸收速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同N/P 濃度下普生輪藻的吸收速率

從試驗(yàn)結(jié)果（圖2、圖3）來看，在N 吸收效果方面：低濃度試驗(yàn)組表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，中、高濃度試驗(yàn)組起伏變化比較大，不過吸收效果相當(dāng)，都相比于低濃度試驗(yàn)組高，其吸收速率（低濃度至高濃度，下同）分別為2.95、21.22、20.86 μmol/（g·d）；P 吸收效果方面：不同濃度試驗(yàn)組對(duì)其吸收效果趨勢(shì)比較相似，尤以N/P 為16∶1、氮濃度36.48 mg/L 的低濃度試驗(yàn)組效果最佳，N/P 為40、氮濃度為91.20 mg/L 次之，吸收速率分別為1.57、0.89、0.61 μmol/（g·d）；此外綜合其生長情況來看，N/P 為80∶1、N 濃度為182.40 mg/L的試驗(yàn)組，生長效果最佳，N/P 為40∶1，N 濃度為91.20 mg/L 次之，而N/P 為16∶1，N 濃度為36.48 mg/L試驗(yàn)組出現(xiàn)減重情況。

圖2 普生輪藻在不同濃度梯度下N 濃度變化趨勢(shì)

2.2 不同N/P 濃度下柔枝水蘚的吸收速率

從試驗(yàn)結(jié)果（圖4、圖5）來看，同普生輪藻相似，柔枝水蘚雖然同樣對(duì)N 吸收效果組間差異明顯，但是不同濃度試驗(yàn)組對(duì)P 吸收效果均較好，尤以N/P為80∶1、N 濃度為182.40 mg/L 的高濃度試驗(yàn)組效果最佳，N/P 為40∶1、N 濃度為91.20 mg/L 次之，對(duì)N 元素吸收速率分別為4.06、25.83、67.73 μmol/（g·d）；對(duì)P 元素吸收速率分別為1.77、1.73、1.83 μmol/（g·d）；此外從其生長情況來看，N/P 為80∶1、N 濃度為182.40 mg/L 的試驗(yàn)組，生長效果最佳，N/P 為40∶1、N 濃度為91.20 mg/L 次之，而N/P 為16∶1、N 濃度為36.48 mg/L 的試驗(yàn)組生長效果并不理想，各梯度試驗(yàn)組出現(xiàn)不同程度減重情況。

圖4 柔枝水蘚在不同濃度梯度下N 濃度變化趨勢(shì)

圖5 柔枝水蘚在不同濃度梯度下P 濃度變化趨勢(shì)

2.3 不同N/P 濃度下水綿的吸收速率

水棉對(duì)N、P 的吸收效果都比較明顯，如圖6、圖7 所示。首先在N 吸收效果方面：低濃度試驗(yàn)組＜高濃度試驗(yàn)組＜中濃度試驗(yàn)組，而吸收速率分別為9.79、15.13、11.11 μmol/（g·d）；P 吸收效果方面：不同濃度試驗(yàn)組的吸收效果也都十分理想，尤以N/P為80∶1、氮濃度為40 mg/L 的高濃度試驗(yàn)組效果最佳，N/P 為40∶1、N 濃度為20 mg/L 次之，且2 個(gè)組別差異并不明顯，3 個(gè)組別的P 元素吸收速率分別為0.60、1.13、1.14 μmol/（g·d）；此外從其生長情況來看，在本次試驗(yàn)結(jié)束后，稱取的為代謝完已經(jīng)死亡的水棉，從整體來看，中濃度梯度試驗(yàn)組死亡量最少，表明其生長情況相比于其他2 個(gè)試驗(yàn)組要好（圖8）。

圖6 水綿在不同濃度梯度下N 濃度變化趨勢(shì)

圖7 水綿在不同濃度梯度下P 濃度變化趨勢(shì)

圖8 水棉損耗情況

3 小結(jié)與討論

3.1 不同N/P 濃度對(duì)植物吸收速度的對(duì)比

3 種水生植物在不同N/P 濃度的情況下，對(duì)N、P元素的最佳吸收速率均有所不同，如表1 所示。

表1 各吸收速率情況分布 ［單位：μmol/（g·d）］

1）N 濃度在36.48～182.40 mg/L 范圍之內(nèi)，普生輪藻及柔枝水蘚均可對(duì)N、P 元素進(jìn)行有效的吸收，但是N、P 的不同比例之間，3 種試驗(yàn)樣本的日均吸收速率均不盡相同［8，9］。

2）在N吸收速率方面，普生輪藻最快吸收速率發(fā)生在N/P為40∶1時(shí)，此時(shí)日均速率為21.22 μmol/（g·d）；柔枝水蘚最快吸收速率發(fā)生在N/P 為80∶1時(shí)，此時(shí)日均速率為67.73 μmol/（g·d）；而水綿最快吸收速率則同樣發(fā)生在N/P 為40∶1時(shí)，此時(shí)日均速率為15.13 μmol/（g·d），而當(dāng)N 濃度達(dá)到一定程度時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致植物對(duì)其吸收產(chǎn)生一定影響［10］。

3）在P吸收速率方面，普生輪藻最快吸收速率發(fā)生在N/P為16∶1時(shí)，此時(shí)日均速率為1.57 μmol/（g·d）；而柔枝水蘚最快吸收速率則發(fā)生在N/P 為80∶1時(shí)，此時(shí)日均速率為1.83 μmol/（g·d）；同樣水綿最快吸收速率也發(fā)生在N/P 為80∶1時(shí)，此時(shí)日均速率為1.14 μmol/（g·d）。

4）從整體來看，N 濃度日均吸收速率均遠(yuǎn)大于P濃度日均吸收速率；此外，從上述植物試驗(yàn)后的生長情況來看，均有不同程度的減重?fù)p耗現(xiàn)象。

3.2 不同N/P 濃度對(duì)植物吸收速度的影響因素

基于上述試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行到試驗(yàn)后期底質(zhì)的釋放量以及人為擾動(dòng)因素，諸如攪動(dòng)等操作，會(huì)對(duì)試驗(yàn)有一定程度的影響，因此，在試驗(yàn)結(jié)束后針對(duì)所用底質(zhì)進(jìn)行了下述驗(yàn)證性試驗(yàn)：準(zhǔn)備上述相同的暫養(yǎng)水族桶7個(gè)，分別為1 號(hào)缸：大興安嶺營養(yǎng)黑土；2 號(hào)缸：大興安嶺營養(yǎng)黑土，采樣前進(jìn)行攪拌，使水質(zhì)中的各種元素分布均勻；3 號(hào)缸：大興安嶺營養(yǎng)黑土加水晶砂石；4 號(hào)缸：大興安嶺營養(yǎng)黑土加水晶砂石，采樣前同樣進(jìn)行攪拌；5 號(hào)缸：呼瑪河段底質(zhì)土；6 號(hào)缸：呼瑪河段底質(zhì)砂石；7 號(hào)缸：水（空白對(duì)照）。試驗(yàn)為期7 d，采樣頻率為1 次/d。結(jié)果表明，所有樣本中所測(cè)磷濃度均處于極低狀態(tài)下，因此可忽略不記，而N 濃度結(jié)果如圖9 所示。

圖9 底質(zhì)N 濃度變化

從圖9 可以看出，首先，底質(zhì)為營養(yǎng)黑土的樣本缸的N 濃度有明顯上升趨勢(shì)，表明其釋放量比較大，而從呼瑪所采集的樣本土則變化不明顯，略有起伏，幾乎與空白對(duì)照組一樣表現(xiàn)平穩(wěn)；其次，根據(jù)1、3 號(hào)與2、4 號(hào)對(duì)比可以看出有人為攪動(dòng)采樣的樣本上升趨勢(shì)相比較于沒有攪動(dòng)的樣本更趨于穩(wěn)定上升，反之，沒有攪動(dòng)采樣的樣本，上升波動(dòng)十分明顯，這也表明1、2 號(hào)中的濃度變化波動(dòng)幅度較大。

此外，培養(yǎng)液的配比也是重要影響因子之一，根據(jù)目前所配比出的溶液濃度來看，整體濃度均過大，遠(yuǎn)超過國家所規(guī)定的Ⅴ等水體質(zhì)量要求（水綿含量雖然相對(duì)接近指標(biāo)，但也超過該標(biāo)準(zhǔn)）［11］，因此不難排除植物可能是由于培養(yǎng)液的濃度過大而影響其吸收生長。

最后，即研究對(duì)象的自身生長情況，由于采樣地點(diǎn)比較偏遠(yuǎn)，所以自采樣至正式試驗(yàn)的開始，所有試驗(yàn)樣本均經(jīng)過了暫養(yǎng)至運(yùn)輸至2 次暫養(yǎng)的過程，其本身健康狀態(tài)難以保證，因此，也會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生一定程度的影響。

3.3 關(guān)于大麻哈魚產(chǎn)卵場(chǎng)修復(fù)——沉水性植物去除的策略

目前，經(jīng)過多年的調(diào)查，可保留使用的大麻哈魚產(chǎn)卵場(chǎng)已經(jīng)不多，多個(gè)產(chǎn)卵場(chǎng)亟待恢復(fù)［12］，而所面臨的問題并不相同，有人為破壞（修壩、沿岸工廠的設(shè)立以及農(nóng)田的擴(kuò)建等），還有自然因素的干擾，尤以呼瑪河段產(chǎn)卵場(chǎng)的沉水性植物最為嚴(yán)重，而針對(duì)其去除目前并沒有太好的方法，大多利用物理方法［13，14］去除（如超聲波管控、人工清除等），人工清除的方法優(yōu)勢(shì)是收效較快，在短時(shí)間內(nèi)，可以讓問題得到一定程度的解決，但是其劣勢(shì)就是無法根本去除，一段時(shí)間后，問題依舊存在，而高頻超聲波整體控藻效果并不是特別明顯［15］，這樣會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力。后有學(xué)者提出利用化學(xué)方法進(jìn)行去除，已經(jīng)有開展相關(guān)方面的研究，主要利用除草劑等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行管控［16］，但極易破壞當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)，針對(duì)目前呼瑪河的環(huán)境現(xiàn)狀并不可取，目前有專家提出利用生物方法，可通過增加食物鏈中消費(fèi)者的“消費(fèi)能力”，譬如放養(yǎng)魚類等方式［16，17］，或增加分解者的“分解能力”，諸如釋放菌群等手段［18］，以此達(dá)到刺激其對(duì)水生植物的去除目的，且相關(guān)方法早在20 世紀(jì)70 年代中葉就已經(jīng)進(jìn)行使用［19］，技術(shù)手段趨于成熟，安全穩(wěn)定。

根據(jù)目前呼瑪河段的狀況，適當(dāng)?shù)胤硼B(yǎng)鰱魚、鳙魚等植食性魚類，無法對(duì)其水域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，繼而可能誘導(dǎo)“生物入侵”等現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)合目前試驗(yàn)結(jié)果來看，通過投放無害氮磷的鹽類物質(zhì)，在噴灑適量濃度的前提下，可對(duì)相關(guān)水域的水質(zhì)起到大面積高效率的“清洗”作用，進(jìn)而達(dá)到大麻哈魚產(chǎn)卵場(chǎng)修復(fù)的目的。