浅水刺参养殖池塘两种底质中微藻形态功能群及其密度影响因素

石 楷，王 敏，邢荣莲*，曹学彬，姜爱莉

(1.烟台大学生命科学学院，山东 烟台 264005；2.山东东方海洋科技股份有限公司国家级海藻与海参工程技术研究中心，山东 烟台 264003)

刺参(Apostichopusjaponicus)是公认的名贵海珍品，其沿岸池塘养殖模式具有成本低、易管理等优点，在我国北方地区得到了快速的发展，成为刺参养殖的主要模式之一[1]。刺参的生长状况除受池塘自然环境影响外，因其具有匍匐潜行并以池塘底泥中腐殖质和有益藻类为食的特性，所以底质中有益藻的种类和密度的变化也会严重影响刺参的生长和品质[2]。底质中的硅藻是公认的刺参优良鲜活饵料，在池塘生态系统中作为初级生产者存在，是底质中物质、能量、信息进行交换交流的基础，对维持池塘生态系统的稳定具有关键作用[3-4]。目前，对底栖微藻种群的研究主要采用将样品中每种藻的种属一一镜鉴后分别计数，统计分析其密度和优势种属的方法，该方法工作量较大，对某些特殊生态功能类型的分析略显繁琐[5-6]。在对刺参养殖池塘底质中有益微藻评价时，采用更加简便、直观的方法对其类群进行总体归类和分析将更具有实际意义。

以藻类的生理特征和环境分布为基础进行分组是藻类鉴别的研究热点之一[7]。Salmaso等(2007)基于藻类自身的形态和功能特征定义了形态功能群(Morphologically Based Functional Group， MBFG)[8]；Kruk等(2010)以前人研究为基础提出了更为简便的形态功能群，该形态功能群共定义了7个仅基于藻类的形态特征的功能群，划分依据是藻类的大小和比表面积，以及有无鞭毛、硅质细胞壁、胶被和伪空胞，该方法减少了藻类归类研究的工作量，使藻类演替与生态环境的关系更加明了[9]。杨毓等(2017)采用该方法对深水型水库进行研究，获得了深水型水库中藻类与环境因子的相关关系，为深水型水库的管理提供了简便直观的指导与建议[10]。在Kruk等提出的形态功能群归类方法中，形态功能群Ⅵ仅包含一类藻——硅藻，而硅藻正是刺参养殖池塘底质中的有益藻[9]。因此，在进行仅针对硅藻类群密度变化的研究时，该归类方法简化了对微藻属、种鉴定的繁琐过程，利于刺参养殖池塘生态环境中有益藻类总体类群评价探究。

池塘底质的构成不同对底栖藻类的组成及其密度具有不同的影响，而目前对底栖藻类相关的研究主要集中于单一底质中水质环境对藻类密度的影响，很少从底质出发去分析[5,11]。本研究采用形态功能群归类方法，结合冗余分析(Redundancy Analysis， RDA)，研究刺参养殖池塘两种类型表层底质(泥沙底质和淤泥底质)中微藻类群以及影响其密度变化的因素，探究形态功能群归类方法在刺参养殖池塘中应用的可行性，分析了不同底质中有益藻类密度变化与水温和营养盐的关系，为刺参养殖池塘生态系统组成和功能评价提供参考，为刺参养殖池塘科学养护提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 取样区域与方法

1.1.1 池塘概况 实验于2018年4—11月在烟台牟平刺参养殖池塘进行。随机选取管理模式相同、使用年限在7～10 a的3个泥沙底质、3个淤泥底质刺参养殖池塘作为研究对象。泥沙底质(粒径为50～1 000 μm)池塘水深为1.5～2.0 m，面积约为7 hm2；淤泥底质(粒径为2～50 μm)池塘水深为1.5～2.0 m，面积约为10 hm2。

1.1.2 样品采集 每个池塘设定6个采样点，每月采样1次。使用自行研制的采样器[12]采集表层(0～5 cm)泥样。采样时发现两种底质表层泥样均有明显颜色分层，因此将其分为上层(0～2 cm)和下层(3～5 cm)分别分析。样品采集后使用无菌海水进行冲洗并用福尔马林固定以待观察。

1.2 藻类检测及归类

使用光学显微镜在1 000倍油镜下进行微藻的物种鉴定[13]与计数。根据Kruk等的研究成果对样品中检测出的微藻进行分组(图1)[9]。

图1 藻类形态功能群归类[9]Fig.1 Algal MBFG classification

1.3 营养盐测定方法

1.4 数据分析

采用SPSS 13.0进行数据统计分析，采用CANOCO 4.5软件对数据进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 藻类形态功能群分布

经过鉴定发现，两种底质中共有33种微藻。各形态功能群优势微藻种类如表1所示，形态功能群Ⅵ即硅藻类占有绝对优势，其中数量较多的底栖硅藻种类为菱形藻属(Nitzschia)、卵形藻属(Cocconeis)、舟形藻属(Navicula)。两种底质中微藻类形态功能群归类结果一致，均可分为2个形态功能群，即Ⅴ、Ⅵ。其中藻类形态功能群Ⅴ密度最大值为(15±2) cells/cm3，且出现次数较少，形态功能群Ⅵ密度最大值为(700±17) cells/cm3，且在采样期间均存在，因此仅对形态功能群Ⅵ的密度影响因素进行冗余分析。

表1 藻类形态功能群优势藻类

2.2 藻类形态功能群Ⅵ密度变化特征

两种底质中藻类形态功能群Ⅵ密度月变化均呈现先增加后减少的趋势(图2)。泥沙底质上层和下层的形态功能群Ⅵ密度均在9月达到峰值，分别为(700±17) cells/cm3和(230±9) cells/cm3，9月以后上层和下层密度均迅速减少，分别下降到20～35 cells/cm3和7～45 cells/cm3；淤泥底质上层中藻类形态功能群Ⅵ密度在8月达到峰值[(580±12) cells/cm3]，下层中密度在采样期间并未发现明显的变化，维持在1～23 cells/cm3。两种底质中藻类形态功能群Ⅵ密度皆随着深度的增加而减少。

图2 两种底质中形态功能群Ⅵ密度变化Fig.2 Density changes in MBFG Ⅵ in two different sediments

2.3 形态功能群Ⅵ密度与水温及营养盐的关系

2.3.1 形态功能群Ⅵ密度与水温及营养盐的冗余分析 图3、4分别为两种底质中形态功能群Ⅵ密度与水温及营养盐冗余分析结果。在泥沙底质的冗余分析中(图3)，前两个冗余轴解释了数据总差异的84.6%，硅酸盐浓度、水温、亚硝态氮、铵态氮、总氮、活性磷酸盐、总磷浓度与轴1呈正相关，相关系数分别为0.912 1、0.689 7、0.596 0、0.514 6、0.199 7、0.097 4、0.015 3；硝态氮浓度与轴1呈负相关，相关系数为-0.857 8；上、下层底质中的形态功能群Ⅵ与轴1呈明显的正相关，表示这两处的形态功能群Ⅵ受硅酸盐浓度(正相关)、硝态氮浓度(负相关)、水温(正相关)、亚硝态氮浓度(正相关)、铵态氮浓度(正相关)影响较大。

图3 泥沙底质中形态功能群Ⅵ密度与水温及营养盐的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of the cell densities of MBFG Ⅵ, water temperatures and nutrients in sandy sedimentsSⅥ、BⅥ分别代表上层密度、下层密度。

在淤泥底质池塘的冗余分析中(图4)，前两个冗余轴解释了数据总差异的79.7%，水温、硅酸盐、活性磷酸盐、总磷、亚硝态氮浓度与轴1呈正相关，相关系数分别为0.814 1、0.698 2、0.356 7、0.166 9、0.073 7；硝态氮、铵态氮、总氮浓度与轴1呈负相关，相关系数分别为-0.761 8、-0.484 6、-0.207 2；上、下层底质中的形态功能群Ⅵ与轴1呈明显的正相关，表示这两处的形态功能群Ⅵ受水温(正相关)、硝态氮浓度(负相关)、硅酸盐浓度(正相关)影响较大。

图4 淤泥底质中形态功能群Ⅵ密度与水温及营养盐的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of the cell densities of MBFG Ⅵ, water temperatures and nutrients in muddy sediments

由冗余分析结果可以看出，两种底质中形态功能群Ⅵ密度与水温及营养盐具有良好的相关性，但相关关系存在差异。

2.3.2 形态功能群Ⅵ密度与水温的关系 通过冗余分析排序结果可以发现，两种底质中形态功能群Ⅵ密度变化均与水温密切相关(图5)。两种底质上层中形态功能群Ⅵ密度与水温变化趋势基本一致，随着水温的逐渐升高，密度也呈现增加趋势。泥沙底质下层密度变化趋势与上层相似，淤泥底质下层密度并未出现明显变化。当水温高于20 ℃时底质中形态功能群Ⅵ密度较高，水温低于20 ℃时底质中密度迅速降低。

图5 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与水温变化关系Fig.5 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with water temperatures in two different sediments

图6 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与总磷浓度变化关系Fig.6 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with TP contents in two different sediments

图7 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与活性磷酸盐浓度变化关系Fig.7 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

2.3.3 形态功能群Ⅵ密度与总磷浓度的关系 两种底质池塘中总磷浓度变化情况如图6所示。泥沙底质池塘中总磷浓度呈现出先增加后降低再增加的趋势，在6月达到最高值，上层底质中形态功能群Ⅵ密度在4—10月与总磷浓度变化趋势相似但具有一定的延后性，在7—11月下层底质中形态功能群Ⅵ密度的变化趋势与总磷浓度变化趋势相反；采样期间淤泥底质池塘中总磷浓度处于波动状态，7—9月变化趋势呈先升高后降低，与上层底质中形态功能群Ⅵ密度变化趋势相同。

2.3.4 形态功能群Ⅵ密度与活性磷酸盐浓度的关系 泥沙底质池塘中活性磷酸盐浓度在采样期间波动较大(图7)，在7—10月与上、下层底质中形态功能群Ⅵ密度变化趋势相反，呈先降低后升高趋势；淤泥底质池塘中活性磷酸盐浓度整体呈上升趋势，在7—9月变化趋势为先升高后降低，与上层底质中形态功能群Ⅵ密度变化联系密切。

2.3.5 形态功能群Ⅵ密度与总氮浓度的关系 由图8可以看出泥沙底质池塘中总氮浓度在4—7月处于上下浮动状态，在7月后呈先升高后降低的趋势，与上、下层中形态功能群Ⅵ密度变化趋势相吻合；通过图8可以发现淤泥底质池塘中总氮浓度在4—9月变化不大，9月以后随上层底质中形态功能群Ⅵ密度迅速降低而大幅上升。

2.3.6 形态功能群Ⅵ密度与硝态氮浓度之间的关系 硝态氮浓度变化情况如图9所示，两种底质池塘中硝态氮浓度变化趋势均为先下降后上升。泥沙底质池塘中硝态氮浓度变化趋势与上、下层密度变化趋势相反，9月上、下层底质中形态功能群Ⅵ密度达到峰值时池塘中硝态氮浓度降至最低值。淤泥底质池塘中硝态氮浓度最低值在7月出现，其变化趋势与上层底质中形态功能群Ⅵ密度变化趋势基本相反。

2.3.7 形态功能群Ⅵ密度与亚硝态氮浓度的关系 由图10可以看出泥沙底质池塘中亚硝态氮浓度在4—8月波动较小，其变化趋势在8—11月与上、下层底质中形态功能群Ⅵ密度变化趋势相近且在9月时共同达到峰值； 淤泥底质池塘中亚硝态氮浓度在4—8月变化较为平稳，8—10月随着上层底质中形态功能群Ⅵ密度的降低而呈现出迅速上升趋势。

2.3.8 形态功能群Ⅵ密度与铵态氮浓度之间的关系 泥沙底质池塘中铵态氮浓度(图11)在4—7月变化不大，7月后其变化趋势为先增加后降低，与上、下层底质中形态功能群Ⅵ密度变化趋势相似且均在9月达到峰值；淤泥底质池塘中铵态氮浓度在采样期间并未发生明显变化，与底质中形态功能群Ⅵ密度相关性较小。

图8 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与总氮浓度变化关系Fig.8 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with TN contents in two different sediments

图9 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与硝态氮浓度变化关系Fig.9 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

图10 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与亚硝态氮浓度变化关系Fig.10 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

2.3.9 形态功能群Ⅵ密度与活性硅酸盐浓度的关系 两种底质池塘中活性硅酸盐浓度在采样期间变化趋势均为先增加后降低(图12)，分别在8月(泥沙底质)、7月(淤泥底质)达到峰值。泥沙底质池塘中活性硅酸盐浓度在6—10月变化较为明显，变化趋势与上下层底质中形态功能群Ⅵ密度变化趋势相近；淤泥底质中活性硅酸盐浓度在采样期间均处于迅速变化中，上层底质中形态功能群Ⅵ密度与活性硅酸盐浓度联系密切但具有一定的延后性。

图11 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与铵态氮浓度变化关系Fig.11 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

图12 两种底质中形态功能群Ⅵ密度与活性硅酸盐浓度变化关系Fig.12 Relations of cell densities of MBFG Ⅵ with contents in two different sediments

2.4 讨论

2.4.1 藻类形态功能群在刺参养殖池塘中的应用 Kruk等把微藻按形态功能分为7个组群，其所研究的各门类700余种浮游生态类型微藻在7个形态功能群中均有分布，且不同门类藻会被归为同一组群[9]。底栖生态类型微藻所属门类相对较少，以硅藻、绿藻、蓝藻为主[15]，因此两种底质样品中底栖微藻按形态功能仅归为Ⅴ、Ⅵ两组群，其中形态功能群Ⅵ的密度远远多于其他形态功能群，且仅由一个门类微藻组成——硅藻。硅藻在刺参养殖池塘中作为有益藻类存在，对维持池塘生态系统的稳定具有关键作用且是刺参优良的鲜活饵料[2,16]。当对池塘底质中藻类与环境之间的关系进行分析时，可以采用形态功能群快速识别藻类所属的形态功能群组别，对藻类整体，并非单独种类进行统计分析，这使藻类的研究工作得到简化[10]，可更加快速地反映藻类密度与环境及刺参健康生长状况的相关关系，使评估不同类型底质中有益藻存在状态和特征更加直观，并间接反映出影响刺参健康生长繁殖的养殖环境状况。

形态功能群归类方法以形态功能为依据，未考虑毒素、色素等成分因素。通常有毒藻类在研究赤潮藻、贝类毒素、鱼类毒素时作为主要的考量因素[17]，可能需要单独归类分析，而在刺参养殖池塘中通常不发生由产毒藻形成的赤潮，而且目前在世界范围内发现的产毒硅藻(对人有害)非常罕见，仅见于拟菱形藻属(Pesudo-nitzschia)中的26个种，多为浮游型[18-19]，尚未有底栖硅藻对海参生长繁殖产生不利影响的报道。养殖环境底栖微藻的色素是研究目的无需考量的归类因素。因此，形态功能群归类方法未考虑毒素、色素等因素进行归类，在使用时虽然具有一定的局限性，但在特殊目的和生态环境研究应用中表现出更简洁的优点，因此将该归类法应用在刺参养殖生态环境的底质微藻归类研究中非常适合。

2.4.2 两种底质中藻类形态功能群Ⅵ密度的影响因素 两种底质上层中形态功能群Ⅵ的密度变化存在明显的月份演替，通过冗余分析发现底质中形态功能群Ⅵ密度变化受到水温和营养盐的共同影响，但不同底质中形态功能群Ⅵ密度变化所受水温和营养盐的影响不尽相同。在泥沙底质中，形态功能群Ⅵ密度主要受营养盐活性硅酸盐浓度的影响，但在淤泥底质中形态功能群Ⅵ密度主要受水温的影响，其次才是硝态氮浓度和活性硅酸盐浓度的影响。因此，不同底质养殖池塘在实际生产中应采取相应的管理模式。

藻类作为光合自养生物，适宜的光照、温度等环境因素是其生长的必需条件[20]，下层底质光照、温度较上层底质明显不足，因此两种底质下层中形态功能群Ⅵ密度明显低于上层，且各月密度变化不大，该特性在底质颗粒较小、透光性较差的淤泥底质中表现得尤为明显。此外，底质中藻类密度还与营养盐浓度密切相关[5,11]，由于上覆水对上层底质的渗透效果要高于下层底质，因此上层底质中形态功能群Ⅵ的密度与各营养盐浓度联系会更加密切，养殖时应更加注意对上层底质(0～2 cm)的监测和养护；不同颗粒组成的底质对营养盐吸附和释放的速度不同，底质颗粒粒径越小、比表面积越大，其吸附营养盐的能力越强[21]，受不同底质颗粒粒径大小不同所影响，上覆水对不同底质所产生的渗透效果也不尽相同[22-23]，泥沙底质颗粒与淤泥底质颗粒相比粒径较大，上覆水对泥沙底质下层的渗透效果更好，泥沙底质下层形态功能群Ⅵ密度与营养盐浓度联系也较淤泥底质下层更加密切，且与上层间密度差异较小，所以更适合作为刺参饵料生物硅藻的生长基质。两种底质中活性硅酸盐浓度都是影响形态功能群Ⅵ密度的重要因素，这完全符合硅元素是硅藻类生长必需元素的规律，适当补充硅酸盐可有效提高刺参养殖池塘中底栖硅藻密度；水溶性硝态氮更容易被硅藻所利用[6]，通过冗余分析发现，硝态氮浓度在两种底质中均与形态功能群Ⅵ密度呈负相关且影响较大，因此在刺参养殖过程中监测到硝态氮浓度大幅降低时，应适当添加硝态氮以增加底栖硅藻密度，从而保障刺参摄食不受影响；两种底质中亚硝态氮浓度在4—8月比较稳定，而在9—10月突然剧增，这与藻类消亡导致水体中亚硝态氮无法进行转换有关[24]，所以当池塘内出现亚硝态氮浓度剧增现象时，应为刺参及时补充饵料。

综上所述，刺参养殖池塘底质中形态功能群Ⅵ密度变化受水温、营养盐、底质组成及其深度密切影响，但不同底质的池塘中水温和营养盐对形态功能群Ⅵ密度的影响存在差异：泥沙底质中形态功能群Ⅵ密度主要受营养盐的影响，淤泥底质中形态功能群Ⅵ密度主要受水温的影响，两种底质池塘上层底质中形态功能群Ⅵ密度更易受水温和营养盐所影响。因此在刺参养殖时应根据底质颗粒的构成对养殖池塘进行更加科学的养护。

3 结论

(1)形态功能群分类方法在刺参养殖池塘表层底质微藻类群的聚类分析研究中是可行的。两种底质表层中底栖藻类皆以硅藻为主，其作为底栖性摄食的刺参的有益饵料藻类，以唯一门类在形态功能群分类中被归为形态功能群Ⅵ，结合数据分析可简化刺参养殖池塘底栖藻类分布规律研究工作。

(2)养殖时应根据池塘底质类型差异制定相应管理和养护方法。在泥沙底质中，活性硅酸盐浓度是影响形态功能群Ⅵ密度的首要因素，次要影响因素是硝态氮浓度和水温；而在淤泥底质中，水温是影响形态功能群Ⅵ密度的首要因素，此外硝态氮浓度和活性硅酸盐浓度也对形态功能群Ⅵ密度产生了较大影响。

(3)两种底质上层中形态功能群Ⅵ密度更易受水温和营养盐影响，养殖时应更加注意对上层底质(0～2 cm)的监测和养护；形态功能群Ⅵ密度在泥沙底质上层与下层间差异较小，更适合作为刺参饵料生物硅藻的生长基质。