方格星虫滩涂养殖对沉积物TOC和TN垂直分布的影响*

刘旭佳,黄国强,陆 洁,彭银辉,潘绘竹,刘永宏

(1.广西科学院,广西海洋科学院(广西红树林中心),广西近海海洋环境科学重点实验室,广西南宁 530007;2.广西中医药大学海洋药物研究院,广西南宁 530200;3.广西海洋环境监测中心站,广西北海 536000;4.北部湾大学海洋学院,广西海洋生物多样性养护重点实验室,广西钦州 535011)

方格星虫(Sipunculusnudus)隶属星虫动物门(Sipuncula)[1],在我国广西北部湾地区分布资源最多,同时也是广西沿海滩涂养殖的重要物种之一,在广西沿海的渔业经济中占据重要地位[2-5]。方格星虫是一种底栖无脊椎动物,主要以表层沉积物中有机质、细菌和碎屑为食物来源。方格星虫主要通过摄食将表层有机颗粒向深层搬运与封存[6,7]。当大规模高密度养殖时,可能会导致局部沉积物环境富营养化,对区域养殖容量产生重要影响,在一定理化条件下有机质集中分解释放时,会消耗大量氧气,导致底质和水质环境恶化[6]。目前,对方格星虫的研究主要集中在繁育、营养以及生态习性等方面[4,6-10],其中李俊伟等[11,12]研究了方格星虫扰动对沉积物及间隙水的影响,苏治南等[13]研究了方格星虫采捕过程对海草床生物群落的影响,而关于方格星虫不同养殖密度对滩涂沉积物的影响还未见报道。本研究通过滩涂围隔实验,研究方格星虫不同养殖密度对滩涂沉积物TOC和TN垂直分布的季节含量变化的影响,为评估方格星虫滩涂养殖对滩涂环境的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验地点与时间

实验在方格星虫自然分布区域内进行,地点位于广西北海市银海区福成镇竹林盐场拦海大坝外滩涂(图1),坐标21°26′5.49″N, 109°16′42.78″E,时间为2015年1月至2016年1月。

图1 实验地点

1.2 围隔埋设

在滩涂大潮期间,待潮水退至低潮线时,将15个直径为200 cm、高100 cm的PVC板围隔按10 m间距埋设在沙滩上。在埋设围隔的过程中,挖出约80 cm的沙层,将其中的方格星虫、沙蚕(Nereissuccinea)、双壳贝类等大型底栖生物清除,沙层无需人工搅动。将围隔放置稳妥后,用橡皮锤将围隔敲压至只高出沉积物10 cm,最后将沙回填。围隔上沿用孔径为1 cm的尼龙渔网覆盖,防止大型动物进入(图2)。

图2 围隔埋设与渔网覆盖

1.3 实验设计

方格星虫滩涂养殖围隔实验共设计5个密度处理组,分别为0(空白对照)、5、10、15、20 ind./m2,每个围隔投放方格星虫的数量分别为0、18、36、54、72条,方格星虫投放规格为(0.51±0.14) g/ind.,养殖1年,每个处理设置3个重复,15个围隔随机分配。实验期间,每2个月取样测定滩涂沉积物中总有机碳(TOC)和总氮(TN)含量。

1.4 样品采集、处理与测定

根据潮汐涨落和天气的实际情况,采样日期分别为2015年1月22日、2015年3月28日、2015年5月25日、2015年8月5日、2015年10月14日、2015年12月11日和2016年1月21日。使用有机玻璃柱状沉积物采样器(直径5 cm、长度100 cm)进行采样,同时配有手柄和锤,确保取到100 cm深度的样品。将围隔距圆心距离等分为圆心区、中间区和边沿区,每次取样在这3个区随机取样1管,100 cm柱状沉积物按10 cm分层取样,然后带回实验室处理。

带回实验室的样品立即称量后放入玻璃表面皿中,在70 ℃烘干至恒重,粉碎,60目过筛后装瓶,放置干燥器中保存。测试前将样品按需要量取出,用浓盐酸熏蒸24 h除去无机碳,然后70 ℃烘干至恒重后保存待测。沉积物TOC和TN含量利用Perkin-Elmer 240C 元素分析仪(Perkin-Elmer Company,USA)进行测定。

1.5 统计分析

采用SPSS 20.0进行单因素方差分析和Duncan′s多重比较,以P<0.05作为统计差异显著标准。

2 结果与分析

2.1 不同养殖密度处理围隔中方格星虫生长情况

由表1可知,10 ind./m2处理组方格星虫成活率和平均体质量最大,分别为(61.1±36.1)%和(5.21±0.69) g/ind.,不同处理组间无显著差异(P>0.05)。不同养殖密度处理方格星虫总质量之间存在显著差异,5 ind./m2处理组显著低于20 ind./m2处理组(P<0.05)。

表1 不同养殖密度处理围隔中方格星虫生长状况

2.2 不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC与TN垂直分布及季节变化

实验开始时,围隔中滩涂沉积物在0 ind./m2养殖密度处理、不同深度下的TOC与TN含量如表2所示。从表2可以看出,围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量分布比较均匀,其中浅层TOC含量略高于深层。

表2 2015年1月22日空白对照处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量

由表3可知,方格星虫养殖2个月后,不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC含量基本呈现出由表层向深层增加的趋势,不同深度间TOC含量存在统计学差异,而空白对照处理围隔中滩涂沉积物TOC含量垂直分布相对较均匀。不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物在各深度下TN含量均无显著差异,仅在30 cm深度不同养殖密度下存在显著差异(P<0.05)。

表3 2015年3月28日不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量

由表4和表5可知,随着实验时间的延长,在2015年5月25日和2015年8月5日,所有处理组围隔中滩涂沉积物TOC含量基本上呈现出随着深度增加而升高的趋势,且不同深度间TOC含量有统计学差异。5个养殖密度处理围隔中滩涂沉积物在不同深度下TN含量均无显著差异(P>0.05)。

表4 2015年5月25日不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量

表5 2015年8月5日不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量

由表6可知,在2015年10月14日,只有10 ind./m2养殖密度处理的围隔中滩涂沉积物TOC含量存在显著差异,呈现出随着深度增加而升高的趋势,其余围隔中滩涂沉积物TOC含量随深度增加略有上升,但差异不显著。在30、40、60、70、80、90 cm深度下,10 ind./m2养殖密度处理TOC含量显著高于5 ind./m2(P<0.05),其余处理组间差异不显著(P>0.05)。5个养殖密度处理围隔中滩涂沉积物在不同深度下TN含量均无显著差异(表6)。

表6 2015年10月14日不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量

2015年12月11日,5个养殖密度处理下围隔中滩涂沉积物TOC含量基本呈现出随着深度增加而升高的趋势,但仅5 ind./m2和15 ind./m2养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC含量在垂直分布上未达差异显著水平(表7)。在60 cm和100 cm深度下,不同养殖密度处理之间TOC含量存在统计学差异。100 cm深度下,不同养殖密度处理之间TN含量存在显著差异,其中20 ind./m2养殖密度处理围隔滩涂沉积物中TN含量显著高于5 ind./m2(P<0.05)。

表7 2015年12月11日不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量

由表8可知,2016年1月21日,所有围隔中滩涂沉积物TOC含量基本呈现出随着深度增加而升高的趋势,但只有0 ind./m2和5 ind./m2养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC含量在垂直分布上达到显著水平(P<0.05)。100 cm深度下,不同养殖密度处理之间围隔中滩涂沉积物TN含量存在显著差异,其中5、10、15、20 ind./m2养殖密度处理下围隔中滩涂沉积物TN含量显著高于0 ind./m2(P<0.05)。

整体来看,围隔中沉积物TOC含量的垂直分布存在季节变动,5、8、10月TOC含量随着温度的升高在垂直分布上存在明显差异。在2016年温度最低的1月,10、15、20 ind./m2高养殖密度处理下对TOC扰动较大,垂直分布无显著差异。沉积物中TN含量的垂直分布与TOC明显不同,在整个实验周期的不同取样时间始终保持较高的均匀性,未出现过随深度增加升高或降低的现象。

2.3 不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC与TN平均含量的季节变化

不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC与TN平均含量的季节变化如图3和图4所示。从图3可以看出,10 ind./m2养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC含量未出现明显的季节差异。整体来看,所有养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC含量呈现“V”型季节变化规律(图3),而TN含量呈现“∧”型季节变化规律(图4)。

图4 不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TN平均含量的季节变动

不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN的全年平均含量如图5所示。整体上来看,空白对照处理围隔中滩涂沉积物TOC全年平均含量高于15、20 ind./m2养殖密度处理,而沉积物TN全年平均含量均低于其余养殖密度处理。

图5 不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN的全年平均含量

3 讨论

3.1 方格星虫不同养殖密度处理围隔中生长情况

方格星虫在不同养殖密度下滩涂养殖1 a,成活率和平均体质量未呈现出显著差异,其中10 ind./m2处理的成活率与平均体质量分别为(61.1±36.1)%和(5.21±0.69) g/ind.,略高于其余养殖密度处理。文雪等[6]在北海市福成镇竹林村沿海滩涂进行方格星虫人工养殖试验,大规格苗种(体质量0.39 g、养殖密度22.8 ind./m2)养殖423 d,成虫平均体质量达到11.11 g/ind.,养殖成活率为74.85%。文雪等[7]在北海市合浦县西场镇沿海滩涂进行小规格和大规格方格星虫养殖试验,小规格(体质量0.05 g,养殖密度30.9 ind./m2)、大规格(体质量0.39 g,养殖密度22.6 ind./m2)经过439 d养殖周期,平均体质量分别为10.2、11.6 g/ind.,成活率分别为45.4%和70.3%。本研究野外实验放养的方格星虫苗种为大规格,养殖成活率与文雪等[6,7]的生产数据比较接近,但是实验结束后方格星虫的平均体质量却较低。本次野外滩涂实验虽然与文雪等[6]的研究属于同一片养殖海区,但是滩涂养殖容量未开展相关研究,除了实验周期短100多天外,体质量差异较大的原因还有待进一步深入研究。结合本研究生长情况和文献结果推断,广西北海市沿海滩涂的方格星虫养殖密度可以达到20 ind./m2,其明确的养殖容量仍需进一步实验研究。

3.2 方格星虫不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC和TN含量的垂直分布

本研究中,方格星虫不同养殖密度滩涂养殖对围隔中沉积物TOC含量分布有显著影响,随着滩涂养殖的进行,TOC含量存在随着深度增加而升高的趋势,说明方格星虫生物扰动能够加速沉积物中TOC分层分布的出现。沉积物中主要是颗粒性有机碳,方格星虫对颗粒性有机碳造成下行迁移[11]。方格星虫摄食表层沉积物中的有机质,一部分有机质转化为自身生物量,通过掘穴、排泄等活动将表层有机质向深层搬运、迁移以及封存[11],这与前人研究中星虫类通过摄食和排泄活动将有机物和营养元素带入沉积物并向沉积物深层输送的结果一致[14-16]。本研究结果表明,15 ind./m2和20 ind./m2高养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC全年平均含量低于空白对照处理,说明方格星虫是一种滩涂低碳养殖品种。空白对照与不同养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC含量出现季节变化规律,推测与沉积物中微生物活动有关,北海5-10月平均气温25-29 ℃,沉积物中微生物活跃,微生物代谢会消耗大量的有机质。

研究表明,方格星虫营穴居生活,在滩涂沉积物上会留下明显“虫眼”结构,结构中富含氧化后的白色细沙[12],因此方格星虫不同养殖密度生理活动会造成沉积物有机质、含氧量等理化因子的改变,很有可能导致细菌群落差异。方格星虫钻潜深度阈值为70 cm,90%以上的方格星虫潜沙深度在50 cm以内[17]。李俊伟等[11,12]的室内研究结果指出,方格星虫养殖区域表层(0-3 cm)和中层(3-20 cm)有机质含量积累程度较高,方格星虫对表层物质的迁移深度可达20-30 cm,这与方格星虫的主要活动深度一致。不同季节的TOC含量随着深度的增加有升高的趋势,大部分采样月份在100 cm深度下的沉积物TOC含量明显高于表层至40 cm深度,推测可能是随着深度增加,方格星虫等大型底栖生物活动逐渐减弱,沉积物中有机物的分解过程较慢导致累积。

滩涂沉积物TN含量垂直分布较均匀,基本不受方格星虫养殖的影响,可能是由于沉积物中的氮主要为溶解态的无机氮,并且实验滩涂为砂质沉积物,透水性较好,对氮的吸附和保存能力要比颗粒更细的泥沙沉积物弱[18,19],其垂直分布的主要影响因素为沉积物的间隙水运动,由于潮流的影响,使沉积物中氮与海水交换迅速[20],因而沉积物中氮含量垂直分布较均匀。本研究中方格星虫不同养殖密度处理围隔中沉积物TN含量基本高于空白对照,可能是方格星虫将表层沉积物下层迁移后分解以及方格星虫本身的排泄活动,导致底层沉积物有机质及间隙水中硝氮、氨氮等含量增加。在本研究的养殖密度下,方格星虫滩涂养殖会引起沉积物中TN的少量增加,但不会引起TOC和TN的明显积累而导致沉积物环境恶化。

4 结论

本研究采用滩涂围隔法探究方格星虫不同养殖密度对沉积物TOC和TN含量的影响。结果显示,10 ind./m2养殖密度处理方格星虫成活率和规格最高,分别为(61.1±36.1)%和(5.21±0.69) g/ind.。方格星虫不同养殖密度对围隔中滩涂沉积物TOC含量垂直分布产生显著影响,而TN含量垂直分布比较均匀,15 ind./m2和20 ind./m2养殖密度处理围隔中滩涂沉积物TOC的全年平均含量低于空白对照,表明方格星虫属于海域滩涂低碳养殖物种。本研究未测定沉积物间隙水的无机氮与有机氮含量,后续将进一步深入研究沉积物总氮的季节变化规律,以期为方格星虫滩涂养殖容量规划提供科学依据。