孫國祥, 李 勇, 田 喆, 劉 鷹, 高婷婷, 柳 陽, 劉佳亮

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049; 3. 青島理工大學,山東 青島 266033, 4. 山東東方海洋科技股份有限公司, 山東 煙臺 264003)

流速對封閉循環(huán)水養(yǎng)殖大菱鲆生長、攝食及水質氮素的影響

孫國祥1,2, 李 勇1, 田 喆3, 劉 鷹1, 高婷婷1, 柳 陽1,2, 劉佳亮4

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049; 3. 青島理工大學,山東 青島 266033, 4. 山東東方海洋科技股份有限公司, 山東 煙臺 264003)

在封閉循環(huán)水高密度養(yǎng)殖條件下(平均密度14.1 kg/m2±0.51 kg/m2), 設置4個流速梯度(200, 400,600, 800 L/h,分別以A～D組表示), 挑選相近體質量(200.3g±7.6 g)的大菱鲆進行42 d養(yǎng)殖試驗, 每個梯度設置3個重復, 每個重復55尾魚, 研究流速對封閉循環(huán)水養(yǎng)殖大菱鲆生長、攝食以及水質氮素的影響。試驗結果表明： (1) 大菱鲆(Scophthatmus maximusL)特定生長率、增質量率、攝食量隨流速增大先快速上升后緩升趨穩(wěn), 飼料系數(shù)則相反。B、C、D 3組特定生長率、攝食量分別顯著高于A組30.77%～52.31%、17.30%～22.05%; 飼料系數(shù)則顯著低于A組13.83%～22.34%; (2) 養(yǎng)殖水體中總氨氮、非離子氨及亞硝酸氮濃度隨流速的增大先快速下降后緩降趨穩(wěn)。B、C、D 3組水質總氨氮氨濃度均顯著低于A組53.70%～79.07%; (3) 根據(jù)流速對特定生長率、水體總氨氮二者的影響, 得出養(yǎng)殖的生態(tài)適宜流速為625 L/h。再結合流速對水循環(huán)動力的影響, 得出養(yǎng)殖的生態(tài)經濟適宜流速為480 L/h。

封閉循環(huán)水; 流速; 攝食; 生長; 水質; 大菱鲆(Scophthatmus maximusL)

近10年來, 水產養(yǎng)殖對環(huán)境的影響日益引起關注[1], 特別是傳統(tǒng)的不受約束的水產養(yǎng)殖模式具有水資源浪費、環(huán)境污染等負面影響。封閉循環(huán)水養(yǎng)殖用水率是普通流水養(yǎng)殖的 1/80～1/25, 且污染物通過處理可降低至最小限度, 既減少了廢物排放, 又實現(xiàn)了資源的重復利用[2]。魚類排泄氮和過量投喂后的殘餌是循環(huán)水養(yǎng)殖水體污染的主要來源[3]。因此,精準投喂飼料和減少魚體排氮對減輕循環(huán)水養(yǎng)殖水處理負荷、保持水環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義[4]。目前封閉循環(huán)水養(yǎng)殖模式, 在西方發(fā)達國家達到廣泛應用[5], 但在中國還處于初級階段。適合中國國情的封閉循環(huán)水養(yǎng)殖關鍵生產技術與工藝, 還需進一步深入研究和開發(fā)。

國外已有關于流速對大西洋鮭魚(Salmo salarL.)[6]、虹鱒魚(Oncorhynchus mykiss)[7]生長影響的報道,國內也有關于流速對紅鰭銀鯽(Barbodes schwanenfeld)耗氧率[8]、西伯利亞鱘(Acipenser baer)幼魚生長[9]影響的報道, 但其養(yǎng)殖模式均為開放式普通流水養(yǎng)殖,而關于封閉循環(huán)水條件下流速對魚類生長、攝食等影響的研究尚未見有報道。

本研究在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖條件下, 試驗探尋了不同流速對高密度養(yǎng)殖大菱鲆(Scophthatmus maximusL)生長、攝食及水質氮素的影響, 確定了養(yǎng)殖的生態(tài)適宜流速與生態(tài)經濟適宜流速, 為現(xiàn)代工廠化養(yǎng)殖大菱鲆兼顧生長性能、水質污染、動力耗費等因素而確定適宜流速, 提供科學依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 實驗飼料

實驗飼料選用進口優(yōu)質海水魚膨化飼料, 飼料營養(yǎng)水平測定如下： 干物質95.21%, 粗蛋白53.01%,鈣 5.21%, 總磷 3.43%, 粗脂肪 13.68%, 粗灰分15.18%。

1.2 實驗設計與動物分組

采用單因素隨機實驗設計, 設置 4個流速梯度(200, 400, 600, 800 L/h, 分別以A～D組表示), 每個梯度設3個重復, 每個重復55尾魚。實驗用大菱鲆選自山東東方海洋科技股份有限公司開發(fā)區(qū)養(yǎng)殖基地, 經消毒處理后, 置于循環(huán)水系統(tǒng)中馴化2周, 挑選相近體質量(200.3g±7.6 g)的大菱鲆660尾, 隨機分配到各實驗組中。

1.3 養(yǎng)殖管理

實驗于2009年12月～2010年1月在山東東方海洋科技股份有限公司開發(fā)區(qū)養(yǎng)殖基地進行, 共計42 d。封閉循環(huán)水系統(tǒng)由固液分離裝置、生物過濾裝置、消毒增氧裝置、有機物去除裝置、控溫裝置、養(yǎng)殖桶組成。養(yǎng)殖桶內水體積為 400 L, 底面積 0.8 m2, 養(yǎng)殖密度為(14.1±0.51)kg/m2。試驗期間溫度(15.0±0.3)℃,鹽度 23±1, pH 為 7.20～7.50,溶解氧(DO)＞6.00 mg/L。試驗期間光照周期為 12 h(黑暗)：12 h(光照)。每天投喂 2 次(8：00,20：00), 每次進行飽食投喂, 半小時后撈出養(yǎng)殖桶內殘餌, 計算殘餌量及實際攝食量。每次投喂后排出25%(100L)養(yǎng)殖水并及時添加新水。

1.4 指標測定

試驗開始和結束時, 停食 1 d, 稱質量, 按公式計算增質量、增質量率、特定生長率、飼料系數(shù)、存活率及攝食量。

1.4.1 生長、攝食、飼料轉化指標計算

增質量(g)=末質量-始質量

增質量率(%)=(末質量-始質量)/始質量×100

特定生長率(%/d)=100×(Ln末質量-Ln始質量)/試驗天數(shù)

攝食量(g/尾)= 總攝食量/處理魚數(shù)

飼料系數(shù)=攝食量/(末質量-始質量) ×100%存活率(%)=末魚數(shù)/始魚數(shù)×100

1.4.2 水體氮素指標測定

水體氮素的測定分別在第 13、20、27、34、41天進行。早晨正常投喂, 采食結束后撈出殘餌, 排出25%(100 L)養(yǎng)殖水并及時添加新水,然后開始計時, 6 h后取水樣, 測定水樣中總氨氮和亞硝酸氮并計算非離子氨?？偘钡?total ammonia nitrogen, 簡稱TAN)測定采用納氏試劑法[10]; 亞硝酸氮(Nitrite, NO2--N)測定參照國家標準(GB 17378.4-1998)奈乙二胺分光光度法[11]; 非離子氨(unionized ammonia nitrogen,簡稱UIA-N)根據(jù)以下公式計算[12]。

1.5 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用 SPSS18軟件進行單因素方差分析, 多重比較采用LSD和Duncan’s進行; 采用回歸分析建立多項式曲線模型; 結果數(shù)據(jù)均以“平均值±標準誤”表示。

2 結果

2.1 生長、攝食、飼料轉化結果

2.1.1 生長性能結果

由表1可以看出, 在不同流速梯度下, 各組生長表現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05)或極顯著性差異(P＜0.01), 但存活率則相同(均為100%)。末均質量、增質量、增質量率、特定生長率都隨流速的增大先快速上升后緩升趨穩(wěn)。末均質量、增質量方面, B、C、D組均極顯著高于A組(P＜0.01)。增質量率和特定生長率方面, 與 A組相比, B組表現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05), C組、D組則表現(xiàn)出極顯著性差異(P＜0.01);B組與C組無顯著性差異(P＞0.05), 而與D組則有顯著性差異(P＜0.05); C組與D組則無顯著性差異(P＞0.05)。對流速與特定生長率進行3次回歸曲線擬合,結果見圖1。

表1 不同流速對大菱鲆生長、攝食的影響Tab. 1 Effects of different flow rates on growth and feed intake of turbots (n=3; Mean ± SE)

圖1 不同流速對大菱鲆特定生長率的影響Fig. 1 Effects of different flow rates on the specific growth rate (SGR) of turbots (Scophthatmus maximus L)

由圖 1可見, 特定生長率隨流速加快有先增大后緩升趨于穩(wěn)定的趨勢, 其關系表述如下：

其中RSG為特定生長率,F為流速。通過計算得出當流速為 742.29 L/h時特定生長率取得最大值為0.9943%/d。

2.1.2 攝食、飼料轉化結果

由表1可以看出, 在不同流速梯度下, 各組間攝食量和飼料系數(shù)表現(xiàn)出顯著差異(P＜0.05)或極顯著差異(P＜0.01)。隨流速的增大攝食量也表現(xiàn)出先快速上升后緩升趨穩(wěn)趨勢, 與生長性能變化特征相似;而飼料系數(shù)隨流速的變化規(guī)律則正好與攝食相反。B、C、D 3組攝食量均極顯著高于A組(P＜0.01),但此3組之間無顯著性差異(P＞0.05)。B、C、D3組飼料系數(shù)均顯著(P＜0.05)或極顯著性(P＜0.01)高于A組,但此3組之間同樣無顯著性差異(P＞0.05)。

試驗期間大菱鲆日攝食量變化如圖 2 所示, 不同流速下大菱鲆日攝食量呈波浪式趨勢。

圖2 試驗期間大菱鲆日攝食量變化Fig. 2 Variation of daily feed intake for turbots (Scophthatmus maximus L)

2.2 水質氮素結果

水質氮素測定在試驗第13、20、27、34、41天進行, 水中總氨氮、非離子氨及亞硝酸氮濃度測定和計算結果見表2。

由表2可以看出, 隨著流速的增大, 總氨氮、非離子氨及亞硝酸氮濃度都表現(xiàn)出先快速下降后緩降趨穩(wěn)的趨勢。與實驗組A相比, B、C、D3組的總氨氮濃度都表現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05)或極顯著性差異(P＜0.01), 而 B、C、D3組之間則無顯著性差異(P＞0.05)。非離子氨則隨取樣時間不同而有所差異：與A相比, C、D兩組都表現(xiàn)出極顯著性差異(P＜0.01),而B組則在第13天、第20天表現(xiàn)出無顯著性差異(P＞0.05),在第27天、34天、41天表現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05)或極顯著性差異(P＜0.01)。亞硝酸氮方面,與 A組相比, B、C、D 3組都表現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05,day13)或極顯著性差異(P＜0.01,第 34 天、第41天),而B、C、D3組之間則無顯著性差異(P＞0.05,第13天、第27天、第34天、第41天)。不同取樣時間內水中總氨氮及亞硝酸氮濃度隨流速變化如圖3、圖4所示。

2.3 兩種適宜流速的確定

確定適宜流速, 主要應兼顧3方面, 即動物生長速度較佳、水質氮素較低、水循環(huán)動力較節(jié)省。根據(jù)本試驗生長數(shù)據(jù)及試驗期間總氨氮平均含量, 通過 2次曲線擬合得出流速對水中總氨氮和大菱鲆特定生長率的影響如圖5所示。

流速對TAN、SGR的影響可用如下數(shù)學表達式表示：

通過相關計算得出, 當F=625 L/h時, SGR(1.0461%/d)與 TAN(0.3258 mg/L)的差值最大, 即在此流速下大菱鲆的特定生長率較高而同時水中總氨氮濃度較低, 作為大菱鲆封閉循環(huán)水養(yǎng)殖的生態(tài)適宜流速。

表2 流速對水質總氨氮(mg/L)、非離子氨(μg /L)及亞硝酸氮質量濃度(mg/L)的影響Tab. 2 Effects of flow rates on concentrations of TAN,UIA-N, and NO2--N in water (Mean±SE, n=3)

圖3 不同取樣時間內流速對水中總氨氮質量濃度的影響Fig. 3 Effects of flow rates on TAN concentration on different sample days

圖4 不同取樣時間內流速對水中亞硝酸氮質量濃度的影響Fig. 4 Effects of flow rates on NO2--N concentration on different sample days

圖5 流速對水中總氨氮質量濃度和大菱鲆特定生長率的影響Fig. 5 Effects of flow rates on TAN concentration and the SGR of turbot (Scophthatmus maximus L)

3 討論

3.1 流速對大菱鲆生長的影響

國內針對流速的研究較少且研究內容差異較大。宋波瀾等[8]研究了不同流速下紅鰭銀鯽趨流行為與耗氧率的變化, 結果表明趨流率、擺尾頻率和耗氧率隨流速增大表現(xiàn)出先增大后減小并趨于穩(wěn)定的趨勢。黃寧宇等[9]報道了流速、溫度對西伯利亞鱘幼魚生長的影響, 結果表明在同一溫度下, 鱘幼魚的增質量、體長、生長效率、特定生長率及日增質量等指標隨流速增大而增大, 飼料系數(shù)則逐漸降低, 其中鱘幼魚的生長效率與流速之間存在顯著正相關性。國外已有關于流速的研究, FiveIstad等[13]研究得出, 降低流速對大西洋鮭魚生長有明顯的負作用,但流速過高同樣對魚類生長有負作用。以上前人研究結果均在開放式流水養(yǎng)殖條件下獲得, 而封閉循環(huán)水養(yǎng)殖條件下流速對動物生長影響的研究報道未見得。本試驗結果表明, 大菱鲆特定生長率隨流速增加表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢, 與水質氮素變化特征相吻合, 既流速低梯度增加時, 水質有害氮顯著減少, 大菱鲆生長性能隨之增加; 而流速高梯度增加, 水質有害氮未有進一步減少, 從而生長性能表現(xiàn)出差異不顯著。

3.2 流速對大菱鲆攝食的影響

攝食量的多少是影響魚類生長速度的關鍵因素,而魚類的攝食量受到諸如遺傳、水體環(huán)境、飼料、生長、養(yǎng)殖管理等因素的影響[14]。關于封閉循環(huán)水系統(tǒng)流速對攝食量的影響研究報道目前還尚未見到。本試驗結果表明, 流速對大菱鲆攝食量的影響與對其特定生長率的影響一致, 即攝食量隨流速的增大先快速上升后緩升趨穩(wěn), 而飼料系數(shù)隨流速的變化規(guī)律則正好相反。出現(xiàn)這一現(xiàn)象和規(guī)律主要與水環(huán)境、生長、密度有關。Kulczykowska等[15]研究了攝食節(jié)律以及環(huán)境條件對魚類攝食的調節(jié), 認為較差的水質條件、較高的密度等會引起魚類的應激反應, 并通過神經激素調節(jié)影響魚類的食欲進而影響攝食量。Schram等[16]報道了水體氨氮對非洲鯰魚攝食、生長及血液指標的影響, 較高氨氮會極顯著的影響魚類攝食以及特定生長率。本試驗有害氮濃度隨流速的增加表現(xiàn)出先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢。流速A中有害物質總氨氮、亞硝酸氮、非離子氨含量顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)高于 B、C、D3 組, 有害物質濃度過高影響魚的食欲導致攝食量減少, 進而影響魚類生長, 生長緩慢直接減少采食, 雙重作用, 因而攝食量與生長速度顯著(P＜0.05)低于 B、C、D3組。而B、C兩組中有害氮濃度較低且無顯著性差異,從而兩組魚的攝食量和生長受影響較小, 呈現(xiàn)差異不顯著; D組有害氮濃度最低, 因此攝食量和生長速度最高。這一結果分析與 Kulczykowska[15]及Schram[16]的研究相一致。

3.3 流速對水質氮素指標的影響

生物濾器是封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的關鍵組成部分, 主要用于去除氨氮、亞硝酸氮、有機物、二氧化碳和增氧。Franco-Nava等[17]認為一定的流速會提高生物濾器的去除能力從而改善水質。傅雪軍等[18]研究了水溫、進水氨氮濃度、水力停留時間對生物膜消氨效果的影響, 表明氨氮去除率隨水力停留時間的延長而減小。FiveIstad等[13]在研究中發(fā)現(xiàn), 水中總氨氮濃度隨流速下降而上升, 低流速(0.16～0.21)L/(kg/min)下總氨氮濃度比高流速(0.49-0.59)L/(kg/min)顯著上升。本研究表明, 水中總氨氮濃度隨流速增加先速降后緩降趨穩(wěn), 與生長性能和攝食量變化規(guī)律相一致。與前人研究結果有相似但不完全一致, 屬不同試驗的梯度設計及其他條件差異所致。本試驗所得結果特征及規(guī)律更加客觀或符合實際, 造成這一特征的原因分析是： 流速低梯度增加時, 循環(huán)次數(shù)增加, 生物濾器硝解氮素的次數(shù)加大,水質有害氮減少; 流速高梯度增加時, 生物濾器硝解氮素功能趨于飽和或達到上限, 因循環(huán)次數(shù)增加的氮素硝化和降解增加效應弱化, 所以水中總氨氮等有害氮未有顯著減少。

在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中, 一般通過生物濾器的硝化作用把氨氮轉化成亞硝酸氮, 并進一步轉化成硝酸態(tài)氮, 在此轉化過程中, 氨氮氧化速率是限速參數(shù)[22],而氨氮濃度、溶解氧、有機物、水流、溫度、pH等構成影響氨氮轉化速率的主要因素[23]。本研究表明, 亞硝酸氮濃度隨流速增大先快速下降后緩降趨穩(wěn), 其變化范圍為0.04mg/L(第41天, D組)～0.25 mg/L(第27天, A組), 這與總氨氮、非離子氨的變化趨勢一致。 Ling等[24]研究了底物濃度對硝化速率的影響, 結果表明低氨氮濃度條件下可以建立一級反應動力學, 即隨著底物濃度的增加, 硝化速率將呈線性增加。按這一理論, 本試驗中低流速梯度的總氨氮濃度大, 其作為反應底物將促進硝化速率, 導致產生較多的亞硝酸氮, 而試驗中測定的不同流速梯度的亞硝酸氮含量與此推斷相符。Zhu等[25]通過相關實驗證明, 增大水流是一種提高固定膜生物濾器的硝化效率的有效方法,本實驗結果與此相一致。曲克明等[26]的研究表明, 在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖中, 養(yǎng)殖水體更容易產生和積累亞硝酸氮。本研究結果表明,流速梯度A中亞硝酸氮濃度表現(xiàn)出明顯的積累趨勢,另外 3個梯度積累趨勢并不明顯, 造成該差異的原因為流速增加導致水體氨氮濃度降低, 作為反應底物的氨氮濃度降低導致轉換成的亞硝酸氮濃度降低,因此這3個梯度亞硝酸氮積累趨勢并不明顯。

3.4 具有重要實踐價值的兩種最適流速

流速是封閉循環(huán)水[3]和流水養(yǎng)殖中[27]的一項關鍵參數(shù), 因此確定適宜流速是實現(xiàn)養(yǎng)殖高效、經濟的關鍵技術之一。國內針對封閉循環(huán)水養(yǎng)殖適宜流速的研究尚未見報道。國外的研究當中, Schram[27]報到了 18℃流水養(yǎng)殖條件下流速對大菱鲆幼魚生長的影響, 得出大菱鲆幼魚的特定生長率最大(1.24%/d)時的流速為921.20 L/h。Fivelstad[6]研究得出增大流速有利于流水養(yǎng)殖水體中游離二氧化碳等有害物質濃度的降低。以上研究均在流水養(yǎng)殖模式下得出, 并且只是單純考慮流速對生長或有害代謝物的影響。

本研究首次在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖條件下研究流速對200 g左右大菱鲆生長及水中TAN等有害物質的影響, 并創(chuàng)新提出兩種適宜流速指標值： 基于生長較快和TAN濃度較小的養(yǎng)殖生態(tài)適宜流速(625 L/h);基于生長較快、水循環(huán)動力較節(jié)省及TAN濃度較小的養(yǎng)殖生態(tài)經濟適宜流速(480 L/h)。該結果不僅豐富了封閉循環(huán)水養(yǎng)殖模式關鍵技術參數(shù)的內容和確定方法, 而且對中國方興未艾的封閉循環(huán)水養(yǎng)殖產業(yè)的清潔、節(jié)能、低碳等優(yōu)勢發(fā)揮, 具有重要指導和參考價值。通過與Schram[27]研究比較, 大菱鲆幼魚(10 g)最大生長率時的流速與本研究中大菱鲆(200 g )最適流速有所差異, 但不同流速對不同大菱鲆生長及水質的影響規(guī)律相近。因此, 本研究所得最適流速具有較大的適用性。同時, 關于不同體質量大菱鲆生長的最適流速有待深入研究。

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Effects of flow rate on the growth, feed intake and water nitrogen in a closed recirculation aquaculture system of turbots (Scophthatmus maximusL.)

SUN Guo-xiang1,2, LI Yong1, TIAN Zhe3, LIU Ying1, GAO Ting-ting1, LIU Yang1,2,LIU Jia-liang4
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Qingdao Technological University, Qingdao 266033,China, 4. Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd., Yantai 264003, China)

Jan., 24, 2011

closed recirculation aquaculture system; flow rate; feed intake; growth; water quality; turbot (Scophthatmus maximusL)

Effects of flow rate on the feed intake, growth and water quality of turbot culture were investigated in a closed recirculation aquaculture system. Fish with a mean initial weight of 200.3 g±7.6 g were reared at four different flow rates (200, 400, 600, 800L/h) in 400 L tanks for 42 days. Six hundred and sixty fish were randomly allotted in four treatment groups with three replicates for each treatment at a stocking density of 14.1 ± 0.51 kg/m2.Feed intake, specific growth rate and weight gain rate were increasing rapidly first and then slowly with the increase of flow rate, while food conversion rate showed a reverse pattern. The specific growth rate of group B, C, and D were significantly higher than group A by 30.77%～52.31%, while feed conversion rate ws lower than group A by 13.83%～22.34%. Concentrations of total ammonia nitrogen (TAN), unionized ammonia nitrogen (UIA-N), and nitrite () were decreased rapidly first and then slowly with the increase of flow rate. The ammonia nitrogen ofgroup B, C, and D were significantly higher than group A by 53.70%～79.07%. The optimal ecological flow rate was calculated to be 625 L/h, based on the specific growth rate with total ammonia nitrogen in water. Another optimal ecological economical flow rate was calculated to be 480 L/h, based on the specific growth rate with power consumption and TAN in water.

S967.9

A

1000-3096(2011)05-0053-08

2011-01-24;

2011-03-25

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)重點項目(2006AA100305); 國家農業(yè)科技成果轉化資金資助項目(2008GB2C100109)

孫國祥(1984-), 男, 碩士研究生, 主要從事水產動物生態(tài)營養(yǎng)與清潔飼料研究, E-mail： sunguoxiang2008@hotmail.com; 李勇, 通信作者, 電話： 0532-82898724, E-mail： lyzhy678@hotmail.com

譚雪靜)