柄海鞘—微藻—刺参混养系统对水体中氮的修复潜力

陈丽红　邢荣莲　姜爱莉　滕立　王长海

摘要：为评估1种新型柄海鞘-微藻-刺参混养系统对水体中氮的修复潜力，于不同季节在山东莱州养殖基地进行海区围隔养殖，设置刺参套养组和柄海鞘-微藻-刺参混养组：刺参套养组按小规格刺参（S）10～15 indm2，大规格刺参（L）5～6 indm2养殖；混养组在此基础上增加微藻500 cellmL，柄海鞘800 gm3（湿质量密度）。主要研究不同季节不同养殖模式下水体中NH4+-N、NO3--N、NO2--N和总氮浓度的变化情况。结果表明，投饵和不投饵2种养殖模式下，混养组的几种氮浓度均略高于刺参套养组，但远低于刺参单独饲养和柄海鞘单独饲养2种养殖模式下氮的排放量之和。混养系统的3种生物通过在生态位和食物链上互利共生，可有效降低氮排放量，表明混养系统在氮循环利用中具有修复潜力。

关键词：柄海鞘；微藻；刺参；混养；海鞘；氮排放

中图分类号： S9672；X1714文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0289-03

收稿日期：2016-06-02

基金项目：国家自然科学基金（编号：31572622、31070368）；山东省自然科学基金（编号：ZR2014CM031、2014ZRB019DU）。

作者简介：陈丽红（1980—），山东烟台人，硕士，讲师，主要从事海洋微藻研究。Tel：（0535）6881942；E-mail：linachenlihong@hotmailcom。

通信作者：姜爱莉，博士，教授，主要从事海洋生态系统研究。Tel：（0535）6881942；E-mail：jal9035@163com。

随着人们生活水平和健康意识的提高，对海参的需求量也不断增加1]，海参人工养殖业随之快速发展，养殖区域主要集中在沿海附近，养殖面积的迅速扩张以及集约化的养殖方式，既影响海域水质，又降低海参品质2]。

为改善上述困境，实现可持续发展。研究者近年来不断尝试生态养殖，将不同种类生物进行混合养殖或综合养殖是目前最有效的方式之一3-5]。笔者所在课题组依据生态位原理6]，选用滤食性动物柄海鞘，建立了1种新型的柄海鞘-微藻-刺参混养系统，且已在实验室验证了其有效性和可行性。本研究设计海区养殖的围隔试验，以山东莱州某养殖基地为试验地点，研究刺参套养和柄海鞘-微藻-刺参混养情况下水体中氮元素的变化水平，评估混养系统对海水中氮的修复潜力，旨在建立一种切实可行的自然生态养殖方法。

1材料与方法

11试验设计

本研究在山东莱州某一养殖基地进行。试验海区采用网状围隔生态学方法，以竹竿为支撑框架，外覆网孔为05 cm的聚乙烯网，四面的网衣下部埋入泥下30 cm。塘内共设试验围隔20个，每个围隔的大小为8 m×8 m，围隔高度约为 2 m，每个网围隔内放置附着基32组。围隔配以充气泵增氧，每天06：30及18：30各开1次，每次2 h。养殖期间，春夏秋季根据潮汐情况进行换水，平均每天换掉池塘内30%～50%的水。冬季水温较低时根据水质情况进行换水。

试验前7 d接种底栖硅藻和其他浮游微藻（扁藻、小球藻、角毛藻、底栖硅藻），试验过程中维持水体中的藻类密度约为500 cellmL。3～5 d后按试验设计放入一定规格和数量的刺参；柄海鞘采用吊养方式，将附着柄海鞘的尼龙绳悬吊于养殖围隔的水下，距水面约50～75 cm。每个围隔分别吊养试验设计规格和数量的柄海鞘。试验刺参规格为大规格刺参（L）：（250±20） g，小规格刺参（S）：（50±20） g。

根据实验室水箱试验和池塘养殖结果设定养殖生物密度，按照养殖业中通常采用的大小刺参混合套养2]等情况设置4个处理组：A组为小规格刺参（S）10～15 indm2，大规格刺参（L）5～6 indm2，不投饵；B组为小规格刺参（S）10～15 indm2，大规格刺参（L）5～6 indm2，柄海鞘800 gm3（湿质量密度），不投饵；C组为小规格刺参（S）10～15 indm2，大规格刺参（L）5～6 indm2，投饵；D组为小规格刺参（S）10～15 indm2，大规格刺参（L）5～6 indm2，柄海鞘800 gm3（湿质量密度），投饵。每个处理设置5个重复。试验過程及时将死亡生物取出，并补充同规格的生物，保持养殖过程中生物数量稳定。

投饵模式为每3 d投喂1次，干质量投饲率为全部刺参总体湿质量的5%（刺参饵料主要成分：粗蛋白15%，粗脂肪2%～5%，粗纤维10%，粗灰分45%，购自青岛大海帝饲料有限公司），投喂前先用少量海水浸泡，投喂时均匀泼洒于养殖围隔中，使之在底部均匀分布。刺参夏眠期间停止投喂。

本研究自2012年10月10日开始，2013年11月20日结束，按照刺参的生长规律，整个试验分为以下几个阶段：（1）2012年10月10日—2012年11月25日，刺参第1个秋季生长期；（2）2012年11月26日—2013年2月10日，刺参冬眠期；（3）2013年2月11日—2013年6月30日，刺参春季生长期；（4）2013年7月01日—2013年10月25日，刺参夏眠期；（5）2013年10月26日—2013年11月20日，刺参第2个秋季生长期。

按照刺参的养殖规律2]，2012年11月10日和2013年6月12日分别出参1次，收获体长15～20 cm（体质量150～300 g）的刺参，每次出参后补充（50±20） g小规格刺参。

12监测方法

每天09：00—09：30用YSI-6920M多参数水质监测仪在线测定水体的温度、盐度、pH值和溶解氧的量。

每10～15 d取1次海水样品，测定养殖水体的理化因子。测定日08：00用有机玻璃采水器在距水面03～05 m水层处采取水样，测定水体的营养盐等指标。endprint

13统计分析

使用SPSS 110软件和Duncans极差法对数据进行统计分析，P<005作为差异显著的标准。

2结果与分析

21试验期间基本试验环境的变化

试验过程中不同围隔的水温、盐度、pH值等指标均无显著差异。试验期间水体pH值为789～843，溶解氧（dissolved oxygen）的含量为 516～718 mgL，整个试验期间海水的盐度为291‰～321‰。整个试验过程中，1月份水溫最低，最低的为41 ℃；8月份最高，最高的达到267 ℃（图1、图2）。总体而言，试验环境基本在刺参和柄海鞘的适宜生长范围内，对刺参和柄海鞘生长不会产生较大影响。

22试验期间水体中氮素指标变化

氨态氮是刺参和海鞘主要的氮排泄物7-8]，2种生物代谢率直接影响养殖环境中的氨氮浓度。从图3中可以看出，氨态氮在整个试验周期中波动较大。养殖初期，由于养殖生物的引入，水体氨态氮含量持续升高，进入冬季后，刺参和柄海鞘代谢率降低，且在水体中微藻的作用下，氨态氮含量有所降低。春季刺参和柄海鞘进入快速生长期，生长代谢旺盛，产生并排泄大量氨态氮，引起水体氨态氮浓度升高，但是春季微藻繁殖生长也加快，在此过程中可加快将水体中的氨态氮转化为自身生物量，因而水体中氨态氮总体增长缓慢，这一趋势一直持续到夏季刺参夏眠期。之后随着刺参夏眠代谢的减缓，氨态氮浓度缓慢下降，夏眠结束后开始回升。

在刺参养殖系统中引入海鞘后，海鞘代谢会产生较多氨态氮8]，因而水体中的氨态氮浓度高于刺参单独养殖组，但是在微藻的协同作用下，两者之间的差异并不显著，只有在7—10月期间，由于海鞘没有夏眠过程，混养组水体中的氨态氮浓度显著高于刺参套养组（P<005）。此阶段微藻的生长繁殖较快，刺参的夏眠促进了底泥中底栖硅藻数量的增加9]，这些微藻会消耗掉大量的溶解性营养盐，这对水质的保持也起到积极的作用。

投饵和不投饵2种模式比较，由于投喂的饵料不会被完全摄食，因此投饵组水体中的氨态氮浓度大体上显著高于不投饵组（P<005）。夏眠期间不投喂，因此与其他阶段相比，这一阶段2种模式水体中的氨态氮浓度差异较小。

综上而言，整个养殖周期中，刺参柄海鞘混养组与刺参套养组相比，混养组的氨态氮浓度略高，但两者的氨态氮浓度差异不显著，这也充分表明混养系统可有效降低水体中的氨态氮浓度。

养殖初期随着水体中氨态氮（图3）水平的逐渐升高，亚硝态氮（NO2--N）（图4）和总氮（图5）水平也缓慢升高，而图6表明，硝态氮（NO3--N）的浓度变化较小。2012年11月10日出参并补充小规格刺参，不久刺参进入冬眠期，代谢基本停滞，低温条件下柄海鞘和微藻及细菌的代谢均保持在较低水平，这一时期（2012年11月26日—2013年2月10日）水体中各种形态的氮浓度均呈下降趋势。之后随着水温的升高，刺参进入春季生长期，代谢率逐渐升高，水体中氨态氮浓度逐渐升高，亚硝态氮浓度变化不大，而硝态氮和总氮浓度仍表现为持续的下降趋势，主要原因可能是由于冬眠期刺参生物扰动作用的减弱引起底泥中微藻增殖9]，微藻对硝态氮的利用率高于氨态氮，在此过程中消耗掉水体中大量的硝态氮和亚硝氮10]；另外此时在养殖系统中以小规格刺参为主，对微藻的摄食能力弱于大规格刺参，也有利于微藻的快速繁殖，使总氮维持在较低水平。4月中旬之后，刺参和柄海鞘均进入快速生长期，代谢率大幅度提升，对微藻的摄食需求也随之增加，表现为水体中各硝态氮和总氮浓度逐渐升高，亚硝态氮浓度仍处于较低水平。7月份刺参夏眠之后，由于氨态氮浓度降低，水体中总氮浓度开始下降，而硝态氮、亚硝态氮浓度仍缓慢升高，刺参和海鞘的主要氮代谢形态是氨态氮，因而在各种形态氮中，氨态氮的变化与这2种生物的生长相关性较强，而占比重较小的硝态氮和亚硝态氮则更多受到水体中微藻和细菌的影响。

试验组间比较可知，2种养殖模式（投饵和不投饵）下，刺参套养组的几种氮浓度整体上略低于刺参和柄海鞘混养组，主要原因可能是混养组中柄海鞘的代谢提高了氮的浓度。养殖系统中引入柄海鞘后，由于柄海鞘没有夏眠期，而且夏季是柄海鞘的快速生长期，其较高的代谢率对水体氮浓度的提高起到了一定的作用，而其强大的滤水作用有效减少了水体悬浮微藻的量，但对于刺参的优质饵料——底栖硅藻并没有太大作用。2种养殖模式比较可知，投饵组的氮浓度整体上显著高于不投饵组（P<005）。虽然混养组氮浓度要略高于刺参套养组，但远低于刺参单独饲养和柄海鞘单独饲养2种养殖模式下氮排放水平之和（数据另有文章发表），充分表明混养系统对水体中氮浓度的修复潜力。

3讨论

养殖水体中氮的浓度远高于磷的浓度11]，饵料投放通常是水体中氮的主要来源， 其中只有很小一部分的氮转换为刺参生物量12]。各种养殖模式下，氨态氮都是最主要的无机氮形式，刺参和海鞘氮的主要排泄物均为氨态氮（70%～85%）13]。本研究表明，混养系统可将养殖水体中的部分氮排泄物吸收利用，从而使水体中的氮浓度保持在较低水平，说明该混养系统在氮的利用循环中具有较强的可行性。

养殖水体中的氮循环变化大多是生物学变化，受生物学活性调节14]。混养系统重视以自养生物为基础的食物链调节作用。柄海鞘和刺参均为异养生物，微藻为自养型生物，可吸收水体中柄海鞘和刺参代谢产生的氮、磷并转化为有机体，还可作为柄海鞘和海参饵料，降低人工投饵量，有助于降低水体的富营养化水平15-16]。

柄海鞘属于滤食性动物，生态位与养殖贝类相同17]，具有很强的净水能力18]，养殖方式一般采用绳子附着生长，不占据很大空间，不影响池底采光。在混养系统中柄海鞘可滤除过量的微藻，并通过摄食减少水体悬浮的有机颗粒含量。同时，微藻和柄海鞘排泄的假粪可成为底栖海参的食物来源19]，满足了海参部分摄食需要，通过海参的摄食可有效清除富含的有机质，净化水质。上述3种生物在水体中分别占据不同的空间位置，在食物链上存在互利关系。三者构成的生态系统正常运转时，有机物质可被充分吸收利用，减少营养物质排放量，减少人为调节和环境污染。endprint

参考文献：

1]ZK（#]Kinch J，Purcell S，Uthicke S，et al Papua New Guinea：a hot spot of sea cucumber fisheries in the Western Central PacificJ] FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper，2008，516：57-77

2]张春云，王印庚，荣小军，等 国内外海参自然资源、养殖状况及存在问题J] 海洋水产研究，2004，25（3）：89-97

3]Chopin T，Robinson S M C，Troell M，et al Multi-trophic integration for sustainable marine aquacultureC]The Encyclopedia of Ecology，Ecological Engineering，2008：2463-2475

4]Soto K Integrated mariculture：a global reviewJ] FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper，2009，529：183

5]王吉桥，杨义，程鑫，等 不同密度的皱纹盘鲍（Haliotis discus hannai Ino）与仿刺参（Apostichopus japonicus Selenka）混养的研究J] 现代渔业信息，2007，22（10）：3-7

6]Bosma R H，Verdegem M C Sustainable aquaculture in ponds：principles，practices and limitsJ] Livestock Science，2011，139（12）：58-68LM]

7]ZK（#]Yang H S，Zhou Y，Zhang T，et al Metabolic characteristics of sea cucumber Apostichopus japonicus （Selenka） during aestivationJ] Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，2006，330（2）：505-510

8]张晓凌 柄海鞘摄食、呼吸和排泄的研究D] 青岛：中国海洋大学，2004

9]张志南 水层-底栖耦合生态动力学研究的某些进展J] 青岛海洋大学学报（自然科学版），2000，30（1）：115-122

10]ZK（#]许忠能，林小涛，林继辉，等 营养盐因子对细基江蓠繁枝变种氮、磷吸收速率的影响J] 生态学报，2002，22（3）：366-374

11]王岩，齐振雄 不同单养和混养海水实验围隔的氮磷收支J] 汕头大学学报（自然科学版），1998，13（2）：71-75

12]Funge-Smith S J，Briggs M R P Nutrient budgets in intensive shrimp ponds：implication for sustainabilityJ] Aquaculture，1998，164（1234）：117-133

13]樊绘曾 海参：海中人参——关于海参及其成分保健医疗功能的研究与开发J] 中国海洋药物，2001（4）：37-44

14]Boyd C E Aquaculture pond fertilization：impacts of nutrient input on productionM] New York：Wiley-Blackwell，2012：219

15]江红霞，郑怡 8种微藻抗菌活性研究J] 福建师范大学学报（自然科学版），2002，18（2）：117-120

16]Neori A，Krom M D，Ellner S P，et al Seaweed biofilters as regulators of water quality in integrated fish-seaweed culture unitsJ] Aquac，1996，141（34）：183-199

17]Jiang A L，Lin J，Wang C H，et al Physiological energetics of the ascidian Styela clava in relation to body size and temperatureJ] Comparative Biochemistry and Physiology Part A：Molecular & Integrative Physiology，2008，149（2）：129-136

18]Ribes M，Coma R，Atkinson M J，et al Sponges and ascidians control removal of particulate organic nitrogen from coral reef waterJ] Limnology and Oceanography，2005，50（5）：1480-1489

19]秦傳新，张立勇，方涛，等 复合式循环养殖系统——“藻塘”与“食藻动物塘”研究进展J] 宁波大学学报（理工版），2007，20（1）：31-37endprint