徐姍楠,陳作志,黃洪輝,黃小平,李適宇

(1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510275;2.農(nóng)業(yè)部海水養(yǎng)殖生態(tài)與質(zhì)量控制重點開放實驗室,中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,廣東廣州510300;3.中國科學(xué)院海洋生物資源可持續(xù)利用重點實驗室,中國科學(xué)院南海海洋研究所,廣東廣州510301)

近年來,被譽為“藍色農(nóng)業(yè)”的海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,逐漸成為開發(fā)利用海洋資源的重要產(chǎn)業(yè)[1]。海水養(yǎng)殖業(yè)在帶來重要經(jīng)濟與社會效益的同時,也影響了近海的生態(tài)環(huán)境,其中養(yǎng)殖水環(huán)境的污染已成為制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的最突出問題[2]。因此,如何凈化養(yǎng)殖水體,改善養(yǎng)殖水環(huán)境,保證養(yǎng)殖系統(tǒng)的生態(tài)安全和食品健康,是管理者、研究人員和水產(chǎn)從業(yè)者所面臨共同挑戰(zhàn)。紅樹林種植-養(yǎng)殖生態(tài)耦合模式即利用紅樹植物有效吸收水產(chǎn)動物生長過程中代謝產(chǎn)生的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),從而降低養(yǎng)殖自身污染,改善海區(qū)環(huán)境,避免養(yǎng)殖海區(qū)富營養(yǎng)化,從而促進養(yǎng)殖水產(chǎn)動物健康生長。經(jīng)實踐證明[3],紅樹林種植-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)是一種新型的、環(huán)境友好的灘涂海水養(yǎng)殖模式。

在特定的生態(tài)系統(tǒng)中,各種生物種群之間的攝食關(guān)系、營養(yǎng)物質(zhì)和能量流動是生態(tài)學(xué)研究的難題。目前,對天然紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)關(guān)系及食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)已有了充分的研究[4-6],然而,人工紅樹林種植-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)中養(yǎng)殖動物的食物來源以及紅樹植物與養(yǎng)殖動物之間的互利耦合機制還未見報道。本研究以穩(wěn)定同位素技術(shù)為手段,結(jié)合胃含物分析法,追蹤和比較了不同生境中(紅樹林種植-養(yǎng)殖耦合人工系統(tǒng)和無紅樹林的對照養(yǎng)殖塘)大規(guī)格尼羅羅非魚Oreochrom is niloticus的食物來源,初步評價了不同養(yǎng)殖系統(tǒng)中初級生產(chǎn)力對魚類的能量貢獻,為建立健康、安全、高效的灘涂養(yǎng)殖模式及其推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究地點位于深圳市寶安區(qū)沙井鎮(zhèn)海上田園風光旅游區(qū)(113°45′53.0″E,22°43′14.4″N)內(nèi)的紅樹林種植-養(yǎng)殖系統(tǒng)示范區(qū)。該地區(qū)瀕臨珠江口東海岸,灘涂資源豐富,從東北向西南每隔2～3 km有一條河涌入海,成片魚塘分布于河涌之間。魚塘與河涌由圍堤相隔,漲潮時(平均高潮位2.40 m,平均低潮位1.04 m)海水進入河涌,并通過水閘控制流入或流出魚塘。該區(qū)域?qū)倌蟻啛釒ШＱ蠹撅L氣候,全年溫暖濕潤,雨量充沛,年平均氣溫24℃,多年平均降雨量1 875 mm。

在國家863計劃的支持下,我們于2007年4月構(gòu)建了紅樹林種植-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng),由1個種植木欖Bruguiera gym norrhiza純林、1個種植紅海欖Rhizophora stylosa純林、1個種植木欖-紅海欖混交林(種植比1∶1),1個不種紅樹植物的對照塘組成,面積共9.85×105m2,塘內(nèi)養(yǎng)殖水直接由海排入且養(yǎng)殖過程不換水。采用種植島的方式種植紅樹,均以1年生樹苗種植,種植面積占養(yǎng)殖塘總面積的15%。2007年8月分別在不同系統(tǒng)中投放尼羅羅非魚苗種,魚苗體長20～30 mm,平均體質(zhì)量(0.22±0.05)g,均不投餌,在天然條件下養(yǎng)殖。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)1 a后的監(jiān)測結(jié)果表明,在新型種植-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)中,木欖-紅海欖混交林養(yǎng)殖塘的紅樹生長良好,對養(yǎng)殖水體的凈化能力也較純林種植塘更強。本研究的尼羅羅非魚樣品均來自木欖-紅海欖混交林養(yǎng)殖塘和無紅樹的對照塘內(nèi),紅樹處理塘以T(Treatment pond)表示,對照塘以C(Control pond)表示。

1.2 樣品處理與分析

1.2.1 胃含物分析法 2008年9月至2009年1月間采用手拋網(wǎng)和刺網(wǎng)進行游泳動物采樣,以10 mm體長段為取樣間隔單位,共采集尼羅羅非魚樣品125尾,樣品體長范圍為100～280 mm,其中紅樹處理塘65尾,對照塘60尾。在紅樹塘采集的65尾中,其中空胃10個,攝食率為84.6%;對照塘60尾中,其中空胃11個,攝食率為81.7%。從尼羅羅非魚體內(nèi)取出消化道后編號,并用紗布包好置于10%福爾馬林溶液中固定保存。小型食料生物種類借助雙筒解剖鏡和顯微鏡進行鑒定和計數(shù)。餌料生物的殘體以及不易被消化之器官、肢體或外殼作為鑒定的依據(jù),然后計數(shù)胃含物中各種餌料的質(zhì)量和出現(xiàn)頻率,以分析魚類的食性組成[7]。

用于評價餌料重要性的指標為:

1.2.2 穩(wěn)定同位素分析 在采集尼羅羅非魚樣品的同時,現(xiàn)場使用浮游生物網(wǎng)同步采集其可能攝食的餌料。對尼羅羅非魚及其餌料生物分別進行處理:除去消化道的尼羅羅非魚,取其背鰭周圍肌肉適量,混合相同體長組樣品,3～5尾混成1個樣。底棲動物:用采泥器(0.025 m2)進行采集,每站采集4次,合并為1個樣品,泥樣放入底棲動物旋渦分選裝置淘洗,三層套篩進行分離與篩檢,及時除去胃含物并用純水沖洗。動物組織樣品冷藏帶回實驗室后,用凍干機(Toffod T YD-2)進行凍干處理(-60℃)48 h,最后用石英缽充分研磨后以備同位素分析。對于植物樣品,每個混合樣由10株紅樹植物的葉子混合而成,蒸餾水沖洗除去附著的碎屑,在60℃下烘干至恒質(zhì)量,磨細過1 mm網(wǎng)篩,封口袋干燥保存。有機碎屑樣品:小心采集表層1 cm沉積物樣品,60℃下烘干至恒質(zhì)量,過0.42 mm網(wǎng)篩以去除粗糙顆粒(主要是草根和貝殼等),混勻磨細,干燥保存。底棲微藻:在潮灘或種植島的可見底棲硅藻斑塊上,鋪上經(jīng)前處理的商業(yè)沙薄層,用過濾的塘內(nèi)水保持沙濕潤。1～2 h后,取下尼龍網(wǎng)及其上層沙放入燒杯內(nèi),用蒸餾水沖洗攪拌,將懸浮物(不含沙)過濾到GF/C濾膜上。帶回實驗室酸化處理后保存[8]。浮游生物:取10 L海水,先過JP36#(0.169 mm)篩絹過濾去除浮游動物,然后將過濾液用0.035 mm生物網(wǎng)采集浮游植物,分別收集并過濾到GF/C濾膜上,之后處理方法與底棲微藻同。

穩(wěn)定同位素分析在中國林業(yè)科學(xué)研究院穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析實驗室進行,采用最新一代的同位素比率質(zhì)譜儀(Finnigan MAT Delta V advantage)和元素分析儀(Flash EA 1112 HT)進行測定。為了保證測試結(jié)果的準確性,每測試5個樣品后加測1個標準樣。碳氮穩(wěn)定同位素比值精密度為±0.02×10-3;碳氮含量精密度為0.71%和0.31%。測得樣品的碳氮百分含量用%表示,碳氮穩(wěn)定同位素比值以國際通用的δ值表示:

其中,R=13C/12C或15N/14N,δ值越小表示樣品重同位素(13C或15N)含量越低。碳氮穩(wěn)定同位素不同來源的餌料貢獻比例采用Phillips[9]以質(zhì)量守恒模型為基礎(chǔ)編寫的IsoSource1.3.1軟件計算。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)用單因子方差(ANOVA)及Duncan多重比較進行分析處理,所得數(shù)據(jù)均以平均值±標準差表示。

2 結(jié) 果

2.1 胃含物分析結(jié)果

鏡檢結(jié)果顯示,紅樹塘和對照塘中,尼羅羅非魚的主要食物組成基本相同,主要以有機碎屑、泥土、浮游生物、底棲微藻為主,其中有機碎屑和泥土出現(xiàn)的頻率均為100%。從食物的重量百分比可看出,紅樹塘中羅非魚的主要食物為有機碎屑、藍藻、凋落物和硅藻,這4種生物的重量百分比和為71.59%,而對照塘中的主要食物為有機碎屑、藍藻、泥土和長尾類,其重量百分和為61.90%(表1)。紅樹塘中羅非魚攝食種類的多樣性也高于對照塘。紅樹塘中的羅非魚除攝食有機碎屑、浮游生物、凋落物等主要食物外,還攝食少量的腹足類、甲殼類以及仔魚等(表1)。

2.2 穩(wěn)定同位素特征

用于同位素分析的尼羅羅非魚樣品體長范圍為100～280 mm。紅樹塘中羅非魚δ13C值的范圍為-23.52‰～-19.02‰,δ15N的范圍為10.04‰～13.95‰。對照塘中羅非魚的δ13C的范圍為-22.8‰～-19.50‰,δ15N的范圍為10.62‰～13.40‰。與對照塘相比,紅樹塘中羅非魚的δ13C值的范圍較寬,變化較大,而δ15N比值相對比較接近,這說明紅樹塘中羅非魚的食物種類多樣,碳的來源較為復(fù)雜,而氮來源相對穩(wěn)定。對于同一體長組,對照塘羅非魚的碳、氮同位素的富集度往往高于紅樹塘(表2)。

表1 紅樹林種植-養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)中尼羅羅非魚的食物組成Table 1 Diet composition ofO reochrom is niloticusin the mangrove and plantation-aquaculture ecological coupling systems

表2 不同池塘中尼羅羅非魚的δ13C和δ15N的測試結(jié)果Table 2 Summary ofδ13C andδ15N signatures of O reochrom is niloticusin different ponds

分析尼羅羅非魚可能餌料的碳、氮同位素比值見表3。根據(jù)捕食者的C、N同位素比值與其生境中所攝取餌料的同位素相一致的原則,判斷紅樹林種植—養(yǎng)殖耦合系統(tǒng)中尼羅羅非魚可能的食物,包括有機碎屑、底棲微藻、浮游植物、浮游動物、紅樹植物凋落物、底棲動物和仔魚等。在不同的系統(tǒng)中,各餌料生物的同位素比值也不盡相同。其中,浮游生物、底棲微藻和有機碎屑的碳同位素比值基本一致(P>0.05);浮游植物的氮同位素比值則差異極顯著(P<0.001),這可能與它們的優(yōu)勢種組成有關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),紅樹塘中浮游植物主要以小球藻Chlorella vulgaris、條紋小環(huán)藻Cyclotella stelligera為主,而對照塘則主要以小顫藻Oscillatoria tenuis占優(yōu)勢。此外,維管束植物的碳氮同位素比值相差較大,這主要是由于它們的植物類型不同。紅樹塘的維管束植物主要是C3途徑的木欖和紅海欖,而對照塘的維管束植物為C4途徑的野生鹽沼植物:喜鹽草和二藥藻。

表3 不同池塘中尼羅羅非魚可能餌料的δ13C和δ15N的測試結(jié)果Table 3 Summary ofδ13C andδ15N of potential food sources of Oreochrom is niloticusin different ponds

3 討 論

尼羅羅非魚是世界范圍內(nèi)沿岸、河口、灘涂等水域養(yǎng)殖的主要魚類,也是我國集約化養(yǎng)殖的主要種類[10]。以往的研究表明,尼羅羅非魚是攝食浮游生物為主的雜食性魚類[11-14],主要攝食碎屑、藻類、輪蟲、枝角類,以浮游動物為主,這與我們進行同位素分析的結(jié)果差別較大。根據(jù)各種可能餌料和尼羅羅非魚同位素比值的結(jié)果(圖1),有機碎屑、浮游植物、植物凋落物和底棲微藻是其主要食物,這與胃含物的觀察結(jié)果是一致的,只是在不同系統(tǒng)中各餌料生物對尼羅羅非魚的貢獻比例不同。

圖1 紅樹塘(T)和對照塘(C)中尼羅羅非魚及其潛在食源的δ13C和δ15N值Fig.1 δ13C和δ15N of food sources forO reochrom is niloticusin different ponds

利用IsoSource軟件計算各種餌料生物對尼羅羅非魚的貢獻比例,紅樹塘中羅非魚的主要餌料為有機碎屑,浮游植物和凋落物,這3種的貢獻比例依次5%～55%、10%～40%和15%～26%,其它餌料的貢獻比例依次為底棲微藻2%～8%、浮游動物0%～2%。對照塘中羅非魚的主要餌料為有機碎屑、浮游植物、凋落物、底棲微藻、浮游動物,它們的餌料貢獻比例分別為8%～64%、25%～55%、1%～12%、0%～5%和0%～3%?？梢?盡管尼羅羅非魚的食物來源豐富,然而,無論在紅樹塘還是對照塘中,有機碎屑對尼羅羅非魚食物組成的貢獻比例都超過50%,這說明尼羅羅非魚是典型的碎屑食性魚類。

在天然紅樹林區(qū),初級生產(chǎn)對對消費者的能量貢獻關(guān)系比較復(fù)雜。Rodell等[15]發(fā)現(xiàn)紅樹碎屑很難被消費者所同化,原因是碎屑的不溶解性和高的C/N比。理論模擬也發(fā)現(xiàn)[16],潮汐的稀釋作用會使得紅樹林輸出的有機質(zhì)對周圍的生態(tài)系統(tǒng)的影響不明顯。本文研究表明植物凋落物也是尼羅羅非魚胃含物的主要成分。紅樹塘的尼羅羅非魚食物來源中,植食性占了較大比重,其中,為15%～26%主要來源于紅樹凋落物。在對照塘中,凋落物的比例為1%～12%,主要來自于灘涂上的鹽沼植物。對不同棲息地間尼羅羅非魚的同位素分析結(jié)果表明,對照塘中羅非魚的13C/12C值明顯高于紅樹塘,分析可能與其食物來源及種類有關(guān)。紅樹塘中尼羅羅非魚的餌料主要為有機碎屑、浮游植物、植物凋落物等,其中,浮游植物以小球藻和條紋小環(huán)藻為主,植物凋落物主要來自C3途徑的紅樹植物;而對照塘中,尼羅羅非魚的主要餌料為有機碎屑、浮游植物、凋落物、底棲微藻和浮游動物。其中,浮游植物以小顫藻占優(yōu)勢,植物凋落物則主要來自C4系列的鹽沼植物?？梢?尼羅羅非魚的攝食習性與其棲息環(huán)境有著密切的關(guān)系。

δ15N值的高低可用來考察生物的食物組成中動物性食源的攝入狀況[17]。因為較高的δ15N值,反映了較高的蛋白攝入量。一般食肉動物體內(nèi)的δ15N比值高于食草動物的,食浮游動物的魚類高于浮游植物食性的魚類[18]。從不同棲息地間尼羅羅非魚的δ15N測定值可看出,對照塘δ15N略高于紅樹塘,說明對照塘中的魚類攝食了較多的浮游動物,而紅樹塘的羅非魚則攝食了較多的浮游植物和紅樹凋落物,這與我們胃含物分析的觀測結(jié)果也是一致的。

在胃含物分析中,泥土曾是尼羅羅非魚胃含物的主要組成部分,在紅樹塘和對照塘的羅非魚中出現(xiàn)的頻率均為100%。然而,從穩(wěn)定同位素分析結(jié)果來看,泥土卻對羅非魚的食物毫無貢獻,分析認為這可能與其取食習性有關(guān),高比例的泥土可能是羅非魚在攝食底層碎屑時所帶入。魚類、雙殼類和甲殼類的貢獻比例也較小,這幾種可能是羅非魚的偶然性食物。

[1] 張福綏.21世紀我國的藍色農(nóng)業(yè)[J].中國工程科學(xué),2000,2(12):21-27.

[2] 董雙林,潘克厚,UWE B.海水養(yǎng)殖對沿岸生態(tài)環(huán)境影響的研究進展[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000,30(4):575-582.

[3] CHU H Y,CHEN N C,YEUNGM C,et al.Tide-tank system s imulating mangrove wetland for removal of nutrients and heavy metals from wastewater[J].Water Science and Technology,1998,38(1):361-368.

[4] SHUKIA V P.Modelling the dynamicsofwetland macrophytes:Keoladeo National Park wetland,India[J].EcologicalModelling,1998,109:99-114.

[5] N IEKERSON D J.Trade-offs ofmangrove area development inthe Philippines[J].Ecological Economics,1998,28(2):279-298.

[6] NAGELKERKEN I,FAUNCE C H.Colonisation of artificial mangroves by reef fishes in a marine sea scope[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2007,75:417-422.

[7] HYSLOP E J.Stomach contents analysis-A review of methods and their application[J].Journal of Fish Biology,1980,17:411-429.

[8] JACOB U,M INTENBECK K,BREY T,et al.Stable isotope food web studies:a case for standardized sample treatment[J].Marine Ecology Progress Series,2005,287:251-253.

[9] PH ILL IPS D L,GREGG J W.Source partitioning using stable isotope:coping with too many sources[J].Ecologia,2003,136(2):261-269.

[10] 李家樂,李思發(fā).中國大陸尼羅羅非魚引進及其研究進展[J].水產(chǎn)學(xué)報,2001,25(1):90-95.

[11] 王天宇.尼羅羅非魚的食性觀察[J].淡水漁業(yè),1981,2:47-48.

[12] 胡玫,張中英.尼羅羅非魚仔魚、稚魚和幼魚消化系統(tǒng)的發(fā)育及其食性的研究[J].水產(chǎn)學(xué)報,1983,7(3):207-217.

[13] GETACHE W T,FERNANDO C H.The food habits of an herbivorous fish(Oreochrom is niloticus Linn.)in Lake Awasa,Ethiopia[J].Hydrobiologia,1989,174:195-200.

[14] TADESSE Z.The nutritional status and digestibility of Oreochrom is niloticusL.diet in Lake Langeno,Ethiopa[J].Hydrologia,1999,416:97-106.

[15] RODELL IM R,GEAR ING J N,GEAR ING P J,et al.Stable isotope ratio as a tracer of mangrove carbon in Malaysian ecosystem s[J].Oecologia,1984,61(3):326-333.

[16] ODUM W E.Dual gradient concept of detritus transport and processing in estuaries[J].Bulletin of Marine Science,1984,35(3):510-521.

[17] HILL A M,SINARSD M,LODGED M.Invasion of an occupied niche by the crayfish Orconectes rusticus:potential importance of growth and mortality[J].Oecologia,1993,94:303-306.

[18] WHITLEDGE GW,RABENIC F.Energy sources and ecological role of crayfishes in an Ozark stream:insights from stable isotope and gut analysis[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,1997,54:2555-2563.