2. 全国水产技术推广总站 中国水产学会 北京 100125
2. National Fisheries Technology Promotion Station, Chinese Fisheries Society, Beijing 100125, China
水体沉降颗粒物在不投饵刺参(Apostichopus japonicus)养殖池塘中具有重要的生态功能，其来源于参池水体，经水流的运输降至池底，既是刺参的重要天然饵料，又是构成沉积物的物质来源(Boyd, 2004; 赵文等, 2009)。沉降颗粒过少，刺参摄食需求受限，会影响养殖效果，但沉降颗粒在池底堆积，会造成池塘"老水"、致病菌增多等有害现象发生，严重时甚至造成刺参死亡(郑忠明, 2009; 皮坤等, 2015; Callender et al, 1982)。参池不同于海洋和大型湖泊，通常深度较浅且封闭，底泥易在风浪、换水和潮汐等扰动作用下形成再悬浮，后经矿化、降解等作用释放到水体，适量的有机转化在促进水中生物生长的同时，降低了底质环境压力，但过量的转化会引起水体富营养化(Yahel et al, 2008; 舒廷飞等, 2002; 乔延龙等, 2019)。因此，沉降颗粒物的科学调控对于刺参养殖起着至关重要的作用。
海参池塘养殖中，传统的纳潮换水作业是水质管理的主要方式。纳潮换水的频率和换水量一方面能够实现水质更新，另一方面能够减少沉降颗粒在池底的积累(卢超超等, 2014)，但换水作业影响有限，无法将多余的沉降颗粒物排出。因此，在换水的基础上，寻求一种合理的方法处理多余的沉降颗粒物，对于养殖系统营养要素的循环具有积极意义。近年来，在纳潮换水的基础上，辅助微孔曝气增氧的参池管理方式得到了广泛推广(陈国海, 2018; 顾海涛等, 2017)，该技术在提高水体溶氧的同时，会促进底泥中好氧微生物繁殖，增强沉积物酶活性，使有机化合物转化为浮游生物所利用的营养物质(徐皓等, 2017; 顾海涛等, 2017)。许宽等(2012)和凌芬等(2013)曾就河道底泥进行实验，发现曝气组底泥中有机氮的去除率较对照组高5%，曝气组底泥中有机质较对照组低35.1%，说明微孔曝气能加速底泥有害物质分解，并依靠物质流动的方式影响水域环境。
养水机是本团队研发的一款新型参池水质管理设备，相关研究证明(孙广伟等, 2020; 林青等, 2019; 王祖峰, 2016)，该设备具有打破参池温、盐跃层(年最大温、盐差分别为0.7℃、6.65)、提高溶氧含量(年平均溶氧为8.39 mg/L)、提高养殖产量30%等优势。但从颗粒物质沉降的角度，深入探讨养水机运行对参池环境的影响还未涉及。因此，本研究选择自然纳潮管理方式下的参池作为空白对照，并对配备微孔曝气增氧机和养水机设备的参池颗粒物质沉降量、沉降颗粒物的分布以及与沉降颗粒物相关的底泥和水体指标进行采集测定，旨在通过比较、分析不同参池管理方式的差异，探究参池管理新思路。
1 材料与方法 1.1 实验参池参池选自大连市青堆子海域(39.78°N，123.32°E)的宝发海珍品有限公司，养殖品种为仿刺参。将相邻且管理情况一致(不投饵、不投药、苗种密度规格一致)的9口参池分为3组，即养水机组、自然纳潮组和微孔曝气组，每组设3个重复。各参池均为矩形池塘(600 m×85 m×1.2~2 m)，南深北浅，泥沙池底，进、排水口分别位于池塘最南端和最北端。每月大潮后进行换水，冬季结冰后无换水，夏季除养水机池塘外均出现跃层现象。实验期间，各参池水温变化范围为‒2.1℃~27.5℃，盐度为29.9~36.3，pH值为7.3~8.6，溶氧为4.2~13.9 mg/L。
1.2 实验设备养水机(专利号: ZL200610077526.5)由进水口吸入表层池水，经进水管和动力与净化装置，由专用喷头从底层水平喷出，其中动力与净化装置由机箱和生物滤料构成(图 1)。运行前，按使用说明接种商品EM菌；专用喷头动力为750 W，出水量为12 m3/h；微孔曝气设备属于面增氧设备，运行时产生上浮气泡，具体工作机理参考陈国海(2018)。养水机与微孔曝气设备均放置于各组参池池底的进水口处，养水机每日21:00—次日09:00工作，冬季(12~2月)工作1 h；微孔曝气设备仅在参池缺氧时工作，冬季管道冻结无法工作。
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图 1 养水机模拟图 Fig.1 Simulation diagram of water quality regulator |
2015年10月—2016年9月，每月换水后1 d，在各池中轴线的进水口、池塘中部、排水口底部分别放置沉降颗粒收集装置(图 2)，收集沉降颗粒物样品，每点放置3个作为重复，6 d后收回。收集装置由PVC圆柱管制成，高为35 cm，直径为11 cm，上端用尼龙网遮盖，防止大型水生动物进入，下端嵌套重物，防止漂浮(Takesue et al, 2009; Storlazzi et al, 2009; Whyte et al, 1990)。同时，用直径为5 cm的柱形采泥器采集各参池进水口、中部、排水口的表层(0~10 cm)泥样，用采水器采集各参池进水口、中部、排水口的表层、中层、底层1 L混合水体水样(泥样和水样每份均采集3个作为重复)。
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图 2 沉降颗粒物收集装置 Fig.2 Settled particles collection device |
分别同步测定3组参池的进水口、中部、排水口颗粒物质的沉降量，以及底泥和水体中的相关指标，泥样指标包含有机质含量、弧菌(Vibrio)数量，水样指标包含"三氮一磷"[氨氮(NH4-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)和活性磷酸盐(PO4-P)]含量，浮游植物生物量以及群落净初级生产力[数据均以平均值±标准差(Mean±SD)表示]。
1.4.1 颗粒物质沉降量回收的颗粒物质静置2 h后，利用虹吸法去除上清液，将沉降颗粒物倒入培养皿，转至烘箱，在60℃下烘干至恒重后研磨，用电子天平称重之后，装入密封袋在干燥器中保存。
各参池不同位置及平均沉降量按公式(1)、(2)计算：
| $ {Q_{\rm{A}}} = {\rm{D}}{{\rm{W}}_{\rm{A}}}/(t \times A) $ | (1) |
| $ Q = \left({{Q_{\rm{A}}} + {Q_{\rm{B}}} + {Q_{\rm{C}}}} \right)/3 $ | (2) |
式中，进水口、中部、排水口各位置的干质量和颗粒物沉降量分别记为DWA、DWB、DWC和QA、QB、QC，池塘颗粒物月平均沉降量为Q，t为收集时间，A为装置横截面积。
1.4.2 有机质含量和弧菌数量采集的表层底泥去除杂质，转至60℃烘箱，烘干后，过100目筛并保存。有机质含量使用灼烧法测定(GB 17378.5-2007)，弧菌数量采用培养基法测定(TCBS培养基)。
1.4.3 营养盐浓度、浮游生物量及初级生产力采集的混合水样，经0.45 μm无菌滤膜过滤，过滤后的水样中，NH4-N使用次溴酸钠氧化法测定，NO2-N使用锌铬还原法测定，NO3-N使用萘乙二胺分光光度法测定，PO4-P使用磷钼蓝分光光度法测定(GB/T 12763.4-2007)；采集的1瓶水样送至北京百迈客公司镜检以测定浮游生物量及种类组成；净初级生产力采用黑白瓶法测定。
1.5 数据处理与分析使用EXCEL2010对1.4中各指标月数据按季节(春：3—5月、夏：6—8月、秋：9—11月、冬：12— 2月)整理，使用SPSS 25.0对整理后的数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和双变量相关性分析，以P < 0.05和P < 0.01分别作为显著差异水平和极显著差异水平。
2 结果 2.1 参池颗粒物质平均沉降量的季节特征分别按照四季变化测定3组参池的颗粒物质平均沉降量(以下简称沉降量)(图 3)。从图 3可以看出，各参池沉降量在周年内均呈春、冬季低，夏、秋季高的变化特征，养水机池塘、自然纳潮池塘和微孔曝气池塘沉降量四季变化范围分别为7.49~30.33、10.39~ 5.38、10.31~24.94 g/(m2∙d)。统计分析表明，在相同季节，不同组别的参池沉降量具有不同差异水平。春、秋两季各组参池沉降量差异均不显著(P > 0.05)；夏季养水机池塘沉降量显著高于另外2种参池(P < 0.01)，且另外2种参池之间差异不显著(P > 0.05)；冬季养水机池塘沉降量显著低于另外2种参池(P < 0.05)，且另外2种参池之间差异不显著(P > 0.05)。
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图 3 参池颗粒物质平均沉降量的季节特征 Fig.3 Seasonal characteristics of average sedimentary in sea cucumber ponds 不同字母表示差异显著。下同 Different letters indicated significant different. The same as below |
分别按照四季变化测定3组参池进水口、中部、排水口的颗粒物质平均沉降量，如图 4所示。结果显示，除夏季外，养水机池塘沉降量在水平方向上呈进水口≈中部≈排水口分布特征；除冬季外，自然纳潮与微孔曝气池塘颗粒物质沉降量在水平方向上均呈进水口 > 中部≈排水口的分布特征。养水机池塘、自然纳潮池塘、微孔曝气池塘进水口沉降量变化范围分别为7.36~38.79、10.66~47.04、8.19~48.69 g/(m2∙d)，中部沉降量变化范围分别为8.98~36.21、10.30~ 17.56、11.81~18.13 g/(m2∙d)，排水口沉降量变化范围分别为6.13~15.99、9.67~11.54、9.14~10.94 g/(m2∙d)。在相同季节，养水机池塘进水口沉降量均低于另外2组参池，中部、排水口均高于另外2组参池。统计分析表明，各参池沉降量在不同水平位置上具有不同差异水平。除夏季外，在相同季节，养水机池塘各处沉降量差异不显著(P > 0.05)；夏季养水机池塘排水口沉降量显著低于进水口和中部(P < 0.05)；在春、夏、秋三季，自然纳潮和微孔曝气池塘进水口沉降量均显著高于中部和排水口(P < 0.05)；在相同季节，自然纳潮和微孔曝气池塘中部和排水口的沉降量差异均不显著(P > 0.05)；在冬季，3组参池各处沉降量差异均不显著(P > 0.05)。
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图 4 参池颗粒物质平均沉降量的水平分布特征 Fig.4 Horizontal distribution characteristics of average sedimentary in sea cucumber ponds |
分别按照四季变化测定各组参池底泥中有机质含量和弧菌数量(表 1、表 2)。从表 1和表 2可以看出，在相同季节，养水机池塘有机质含量、弧菌数量总体上均为最低，微孔曝气池塘次之，自然纳潮池塘最高，但秋季养水机和自然纳潮池塘弧菌数量接近，微孔曝气池塘最高。统计分析表明，在相同季节，养水机池塘有机质含量均显著低于自然纳潮池塘(P < 0.05)，而与微孔曝气池塘差异不显著(P > 0.05)；自然纳潮池塘有机质含量在夏季显著高于微孔曝气池塘(P < 0.05)，在其余季节与微孔曝气池塘差异不显著(P > 0.05)；自然纳潮池塘弧菌数量在春、夏季显著高于另外2组参池(P < 0.05)，而另外2组参池差异不显著(P > 0.05)；秋、冬季3组参池弧菌数量差异不显著(P > 0.05)。
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表 1 参池底泥有机质含量的季节变化 Tab.1 Seasonal variation of organic matter content in sea cucumber pond sediment/% |
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表 2 参池底泥弧菌数量的季节变化 Tab.2 Seasonal variation of the Vibrio bacteria number in sea cucumber pond sediment/(CFU∙mL–1) |
分别按照四季变化测定各参池水体中NH4-N、NO2-N、NO3-N、PO4-P、浮游植物生物量和净初级生产力(表 3、表 4)。"三氮一磷"含量(表 3)结果显示，在相同季节，养水机池塘水体NH4-N浓度均为最低，NO3-N浓度在春、夏、冬三季为最低，而秋季浓度介于另外2组参池之间，NO2-N、PO4-P浓度与另外2组参池近似。浮游植物生物量和净初级生产力(表 4)结果显示，在相同季节，养水机池塘浮游植物生物量和净初级生产力均为最高，微孔曝气池塘次之，自然池塘最低。统计分析表明，在相同季节，各参池水体氮、磷营养盐浓度均无显著差异(P > 0.05)；养水机池塘夏季浮游植物生物量显著高于另外2组参池(P < 0.05)，其余季节与另外2组参池差异不显著(P > 0.05)；在相同季节，自然纳潮与微孔曝气池塘浮游植物生物量无显著差异(P > 0.05)；养水机池塘春、夏、秋季净初级生产力显著高于自然纳潮池塘(P < 0.05)，而与微孔曝气池塘差异不显著(P > 0.05)；自然纳潮池塘春季净初级生产力显著低于微孔曝气池塘(P < 0.05)，而夏、秋季与微孔曝气池塘差异不显著(P > 0.05)；冬季3组参池净初级生产力均为差异不显著(P > 0.05)。
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表 3 参池水体营养盐含量的季节变化 Tab.3 Seasonal variation of nutrient content in sea cucumber pond water/(mg∙L–1) |
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表 4 参池水体浮游植物生物量和净初级生产力的季节变化 Tab.4 Seasonal variation of phytoplankton biomass, and net primary productivity in sea cucumber pond water |
各组参池中颗粒物质平均沉降量与各指标的相关性见表 5。各参池颗粒物质平均沉降量均与NO3-N呈负相关，与其他指标均呈正相关。养水机池塘颗粒物质平均沉降量与NO2-N呈显著正相关(P < 0.05)，与浮游生物量、净初级生产力呈极显著正相关(P < 0.01)，与NO3-N呈极显著负相关(P < 0.01)。自然纳潮池塘颗粒物质平均沉降量与NO2-N、浮游植物生物量呈极显著正相关(P < 0.01)，与NO3-N呈显著负相关(P < 0.05)。微孔曝气池塘颗粒物质平均沉降量与NO2-N呈显著正相关(P < 0.05)，与浮游植物生物量、净初级生产力呈极显著正相关(P < 0.01)，与NO3-N呈极显著负相关(P < 0.01)。
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表 5 参池平均沉降量与各指标的相关性 Tab.5 The correlation between the average sedimentary and other indicators in sea cucumber ponds |
本研究各组颗粒物质平均沉降量均呈春、冬季低，夏、秋季高的变化特征，变化范围为7.49~ 25.38 g/(m2∙d)，与任贻超(2012)、赵文等(2009)的研究结果吻合。在自然情况下，参池中颗粒物质沉降量呈"沿程衰减"的水平分布趋势，与史鹏程等(2020)、朱晓磊等(2016)的研究结果吻合。根据各组参池的换水条件一致，纳潮带入各池内的外源性颗粒物质数量近似相同的实验条件，分析3种管理方式下池塘颗粒物质平均沉降量的季节及水平分布差异，发现其差异主要由各组参池的内源性颗粒物质数量差异引起。
3.1 参池中颗粒物质沉降量的季节变化比较不同组别之间的沉降量，养水机池塘夏季极显著高于另外2组参池(P < 0.01)，冬季显著低于另外2组参池(P < 0.05)，自然纳潮池塘与微孔曝气池塘颗粒物质平均沉降量差异不显著(P > 0.05)。因此，认为养水机池塘夏季差异主要源于底泥–水体之间物质交换能力的不同，而冬季差异主要源于颗粒物质自身性质的不同。
夏季养水机池塘显著高于另外2组参池原因主要有3个方面。首先，在底泥再悬浮方面，皮坤等(2015)和于海波等(2013)观测发现，草鱼、对虾等游动会引起池塘底泥再悬浮，因此，推测养水机以750 W动力持续作用于池塘底部，其射出的水流扰动引起底泥的再悬浮是不可避免的。其次，在浮游植物生物量方面，养水机池塘夏季浮游植物生物量[(31.50± 9.34) mg/L]为全年最高水平(表 4)，显著高于另外2组参池(P < 0.05)，浮游植物作为内源性颗粒物质的重要组成部分，凋亡后沉至池底也会造成沉降量升高。另外，在水体分层方面，余真真等(2011)和张岩松等(2004)指出，水分层现象源于水体垂直交换能量的缺失，会抑制悬浮物质的沉降作用。养水机将上层低密度水抽至底层喷出形成强制对流的设计，在王祖峰(2016)等研究已验证其打破跃层的效果，因此，夏季池塘跃层出现期间，养水机运行可以提高沉降量。
冬季养水机池塘显著低于另外2组参池的原因：从影响夏季沉降量的3个方面看，首先养水机冬季运行时间从12 h/d减少到1 h/d (设备维护运行)，对水体扰动显著降低，各参池底泥再悬浮能力近似相同；其次冬季参池中，浮游植物少、且3组参池无差异；另外冬季表、底层水体的垂直对流强烈(张玉荣等, 2016)不具备水体分层条件。因此，上述3个方面内容不具备造成冬季沉降量差异的条件。但已有研究(虞兰兰等, 2011; 鲍献文等, 2011; 柴蓓蓓, 2012)普遍认为，冬季颗粒物质自身性质会显著影响其在池塘中的沉降过程。上述研究发现，冬季封冰后，沉积物中泥沙等无机颗粒显著减少，而以微生物残体的有机颗粒沉降为主。其特征是粒径较小、沉降速度慢、易受水流等扰动的影响，甚至形成反向输送。因此，认为冬季养水机1 h/d运行的水体扰动制约了浮游植物的沉降作用，可能是造成养水机池塘冬季沉降量降低的主要原因。
3.2 参池中颗粒物质沉降的水平分布比较不同组别之间的沉降颗粒物水平分布，自然纳潮和微孔曝气池塘沉降量总体均呈现"沿程衰减"的水平分布趋势，进水口沉降量与中部和排水口差异显著(P < 0.05)，尤其表现在春、夏、秋三季(冬季因无换水，本文不做讨论)；而养水机池塘沉降量分布均匀，各处沉降量差异不显著(P > 0.05)，其成因与池塘换水和池塘内物质交换有关。
自然纳潮和微孔曝气池塘总体呈"沿程衰减"的水平分布特征的原因：任朝亮等(2014)研究发现，水体沉降颗粒物的分布情况与水体中悬浮物的分布直接相关，其中，悬浮物主要包括泥沙颗粒、浮游植物、有机碎屑等。各组参池在纳潮时，较大的泥沙颗粒受重力作用，在进水口先行沉降，较小的浮游植物、有机碎屑等虽然沉降较慢，但在静水条件下，悬浮物浓度将以进水口为中心，向周围区域辐射衰减分布，缓慢垂直沉降。在实验条件下，自然纳潮和微孔曝气池塘结束换水后，较好的静水条件为沉降颗粒物在进水口的辐射衰减分布和垂直沉降提供了优势条件。
养水机池塘总体上呈分布均匀特征的原因：首先，在外源性悬浮物扩散分布方面，本研究中的养水机以750 W的动力每天运行12 h，从进水口向出水口方向进行强制水体对流，打破了池塘结束换水后的静水条件，对较小的浮游植物、有机碎屑，甚至部分较大的泥沙颗粒形成了向出水口方向的输送，沉降颗粒物在水平混合作用下完成了垂直沉降过程。据前文所述，部分沉降颗粒物甚至出现再悬浮，移动后再沉降的现象。其次，在内源性浮游植物繁殖方面，林青等(2019)调查发现，养水机扰动促进了不同位置底泥分解，释放出来的营养物质促进了浮游植物均匀生长。结合上文中养水机池塘夏季浮游植物生物量最高[(31.50±9.34) mg/L]的结论，反映了养水机池塘中内源性浮游植物对沉降量的贡献。
至于养水机池塘夏季排水口处颗粒物质沉降量与进水口、中部2处存在显著差异(P < 0.05)，可能是由夏季换水量大、所含泥沙较多，而养水机的功率有限，产生的水体扰动无法影响大颗粒泥沙的先行沉降规律所致。
3.3 参池中颗粒沉降物的分解与营养循环比较3种管理方式下沉积物相关指标发现，养水机池塘夏季沉降量虽最高，但夏季有机质含量[(0.96±0.07)%]和弧菌数量[(683.33±645.78) CFU/mL]均为最低，说明养水机管理方式既能促进颗粒物质沉降，增加海参天然饵料，又能避免有机质的过量积累，防止弧菌引发的恶劣环境。究其原因如下：首先，养水机扰动作用促进有机质转化释放。根据Gale等(1994)的观点，再悬浮是底泥有机质向水体迁移释放的主要方式，养水机对底层水体的扰动为再悬浮创造了条件。根据党子乔(2017)对池塘沉积物–水界面的氮磷通量研究，养水机池塘全年均为正释放通量，且高于另外2组参池，而自然纳潮和微孔曝气池塘NO3-N、NH4-N在7、8月甚至出现了负通量，说明养水机有助于底泥营养物质的有效释放。其次，生物包抑制弧菌繁殖，养水机的生物包中接种的异养菌随着工作水流释放到池底环境中，形成优势菌群，参与有机质降解(娄斯艺, 2018)，抑制弧菌繁殖。张敏(2017)研究也发现，养水机池塘异养菌年均数量(84736 CFU/mL)显著高于自然纳潮池塘(64602 CFU/mL)和微孔曝气池塘(70311 CFU/mL)异养菌年均数量。另外，高溶氧环境保障了有机质氧化反应的进行。王祖峰(2016)观测显示，养水机将表层高溶氧水体强制与底层水体交换，可有效解决底层水体缺氧问题，避免了弧菌的厌氧发酵。本研究在实验现场发现底泥不发黑、不臭的现象，也说明养水机池塘具有良好的底质环境。
在上述讨论的基础上，分析3组参池水体营养盐含量无显著差异(P > 0.05)(表 4)，发现养水机池塘尽管颗粒物质沉降量最多，底泥有机质中有效释放的营养物质也未在营养盐层面形成积累，而是通过各季节较高的浮游植物生物量和净初级生产力水平的形式得到了表现。这与杨东方等(2007)和熊倩等(2015)的相关研究结论一致。氮、磷营养盐是浮游植物生长的必需物质，目前研究普遍认为(施沁璇等, 2021; 曲克明等, 2000)浮游植物生长最适N/P为16∶1 (Redfield比)，越接近该比例，越有利于浮游植物的生长。养水机、自然纳潮和微孔曝气池塘的N/P周年均值分别为21.5、32.25和26.33，养水机池塘N/P最接近Redfield比，是浮游植物生长优势的关键因素，与本研究中，养水机池塘中观测到的浮游植物生物量优势和在现场观察到大型水生植物和藻类被抑制的现象是一致的。
综上所述，夏季养水机池塘颗粒物质沉降量极显著高于另外2组参池，其水平分布较另外2组参池更均匀。同时期底泥有机质含量、弧菌总数，水体中营养盐含量，浮游植物生物量、净初级生产力等指标，表现出具有促进底泥–水体之间营养物质循环、改善池塘水质、提高生产力水平的优势。与实践上淤泥少、无杂草、少病害的现象一致。而微孔曝气组尽管与自然纳潮组没有表现出显著差异，但在降低有机质积累、抑制弧菌、促进浮游植物生长、提高生产力等方面也表现出一定的优势，作者认为实验中微孔曝气设备仅针对解决夏季缺氧的问题，其运行方式和运行时间可能制约了参池池水和底质的改良效果。因此推测，在海参养殖池塘管理上，辅助适宜的设备管理将成为产业技术研究新的领域；另外，从水体动力学角度开展池塘养殖系统相关研究，可能给传统上偏重理化因子与生态系统相关性的研究带来新的理论突破。
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