底層增氧在河蟹池塘中的生態(tài)效應(yīng)

中華絨螯蟹( Eriocheir sinensis) 又稱河蟹，至2009 年底，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模年產(chǎn)值近 300 億元［1］。河蟹產(chǎn)業(yè)發(fā)展對幼蟹種苗( 扣蟹) 需求旺盛，催生了許多池塘培育扣蟹的生產(chǎn)模式［2］。從生態(tài)學(xué)角度看，池塘培育扣蟹主要有 “稻蟹共生”和 “草蟹共生”兩種模式［2］。在池塘水體不增氧情況下，上述兩種模式的扣蟹產(chǎn)量基本上被限制在1 125 ～3 000 kg / hm2的水平［2 －3］。而在扣蟹池塘培育過程中實施人工增氧，可獲得比對照池塘扣蟹產(chǎn)量較高、規(guī)格較大的效果［4］。在養(yǎng)殖生產(chǎn)上與葉輪式、水車式增氧機相比，池塘水體底層增氧方式被認為是目前節(jié)能、高效、生態(tài)的實用技術(shù)。本研究在田間試驗的基礎(chǔ)上，從常規(guī)水質(zhì)指標、水溫、幼蟹暴露在空氣中的時間、蛻殼頻次、體高以及群體中個體體質(zhì)量分布等方面，研究了底層增氧在扣蟹培育過程中的生態(tài)學(xué)效應(yīng)，期望從理論上探討底層增氧的價值及意義。

1 材料與方法

1. 1 田間試驗設(shè)計

采用 “草蟹共生”扣蟹培育模式。試驗于2009 年 5 月 － 2010 年 2 月以及 2010 年 5 月 － 2011年 3 月分別在上海市崇明區(qū)陳家鎮(zhèn)奚家港及豎新鎮(zhèn)東新村上海海洋大學(xué)共建河蟹苗種培育基地進行。1. 1. 1 塘口的基本情況及清整選取 6 口土池，每口面積 2 000 m2( 有效水面1 800 m2，60 m × 30 m) ，有效水面范圍內(nèi)四周及東西方向( 池塘長度方向) 開挖壕溝，壕溝之間的土地 修 整 為 兩 塊 平 臺，面 積 分 別 為 202. 5 m2( 45. 0 m ×4. 5 m) ，上面種植喜旱蓮子草( Alternan-thera philoxeroides) ，初始生物量 1. 0 kg / m2，植株間距 30. 0 cm。平臺面上最高水位 30. 0 cm。四周壕溝靠近塘基坡比 1∶ 3，近平臺坡比 1∶ 2，上寬7. 5 m; 東西向壕溝四邊坡比均為 1 ∶ 2， 上寬6. 0 m，壕溝深度 1. 5 m。塘口試驗前均曝曬 30 d，投放河蟹幼蟹前 10 d 種植水草。1. 1. 2 底層增氧系統(tǒng)的設(shè)置隨機選取上述 6 口池塘中的 3 口作為試驗塘安裝底層增氧系統(tǒng)，基本方法參照文獻［5］。本試驗增氧系統(tǒng)主要部件包括 2. 2 kW 電動機、渦輪增壓機( 氣體輸出量 120 m3/ h) 、PVC 管道及微孔管等。經(jīng)預(yù)備試驗，在壕溝內(nèi)鋪設(shè)微孔管40. 0 cm，間距4. 0 m。對照塘為另外 3 口不增氧池塘。1. 1. 3 河蟹幼蟹來源、投放數(shù)量及飼料本試驗幼蟹為人工繁育的大眼幼體經(jīng) 50 d 土池強化培育，處于第 5 次蛻殼間期的所謂 “豆蟹”［2］，經(jīng)編織篩分級篩過后 ( 篩孔直徑 6. 0 ～8. 0 mm) 規(guī)格為( 1 970 ± 22) ind / kg。試驗塘及對照塘分別投放上述 “豆蟹”20. 0 kg，平均密度 60. 0ind / m2。試驗期間所采用的餌料為自配顆粒飼料，粗蛋白34. 0%，能量蛋白比( C/P) 42. 5 kJ/kg，粒徑 2. 0 mm。飼料投喂量按池塘中河蟹生物量的2. 5% ～ 3. 0% 計。

1. 2 池塘常規(guī)水質(zhì)測定及日常管理

1. 2. 1 常規(guī)水質(zhì)測定

在試驗塘和對照塘中，在東西向及南北向壕溝的節(jié)點位置，共計 6 個點，以及東西方向壕溝中和水草平臺上以壕溝節(jié)點為起始點間隔 15 m 設(shè)采樣點，共計 10 個點，每天間隔 6 h 測定常規(guī)水質(zhì)指標。其中，壕溝中水體垂直方向每隔 30 cm 定置探頭式帶線數(shù)字溫度計測定不同水層的水溫。不同水層水樣采集方法參照 《水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范》［6］。溶解氧用 YSI PRO2. 0 溶解氧儀測定; pH 值用便攜式 pH 計測定; 亞硝酸鹽氮( NO－2－ N) 及氨氮( NH3－ N) 測定參照 《水和廢水監(jiān)測分析方法》［7］。本試驗水樣采集時間為 7 月 22 日 －9 月 22 日，共計 63 d。為比較不同氣象條件下水溫和溶解氧的日變化，在晴天、陰天、雨天、多云天氣時每隔 2 h 測定水溫及溶解氧，其結(jié)果取不同水層測定值的平均值。本試驗水面以下 30. 0 cm 水層視為表層，池塘底面以上 30. 0 cm 水層視為底層。

1. 2. 2 日常管理

對照塘及試驗塘的日常管理參照 《魚類增養(yǎng)殖學(xué)》［8］。試驗塘每天 12∶ 00 ～16∶ 00 以及 22∶ 00 ～06∶ 00 定時增氧。另外，一旦發(fā)現(xiàn)對照塘水體檢測點溶解氧低于 3. 0 mg/L，則增氧，盡量使試驗塘的溶解氧保持在 3. 0 mg/L 以上。試驗期間，所有塘口適度同步加水，以保持水位始終在 1. 6 m 左右。

1. 3 幼蟹常規(guī)生物學(xué)觀察與測定

1. 3. 1 幼蟹常規(guī)形態(tài)學(xué)測定及比較

經(jīng)預(yù)備試驗，6 月 14 日 ～ 10 月 18 日每隔 3 d在 10∶ 00 用抄網(wǎng)在池塘中隨機捕捉 100 ind 幼蟹為一個樣本觀察其蛻殼頻次，測定其體質(zhì)量、殼長、殼寬、體高、肥滿度等相關(guān)參數(shù)。肥滿度 = 體質(zhì)量/殼長3。本實驗統(tǒng)計了 9 月 8 日 － 10 月 14 日期間個體體質(zhì)量分布頻數(shù)，體質(zhì)量頻數(shù) = Ni/Nt ×100% ，其中 Ni 為體質(zhì)量相差不到 1. 0 g 的幼蟹數(shù)量的總和，Nt 為每次采樣的幼蟹總數(shù)。蛻殼周期和蛻殼時間的判斷參照《蝦蟹類增養(yǎng)殖學(xué)》［9］，本研究設(shè)定樣本中如有 70% 以上的個體完成蛻殼，即視為池塘中幼蟹群體完成該次蛻殼。

1. 3. 2 幼蟹暴露在空氣中的時間

將中華絨螯蟹幼蟹離水上岸或爬上水草棲息視為空氣暴露( 以區(qū)別秋季吹西北風(fēng)后幼蟹正常離水上岸暴露) 。8 月 1 日 ～ 8 月 30 日，每天夜間在對照塘與試驗塘中用紅光照明，隨機目測池塘1. 0 m2左右的樣方 30 個，記錄和測定當(dāng)時樣方內(nèi)的幼蟹數(shù)量、暴露持續(xù)的時間及相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

水溫、溶解氧、pH、NH3－ N 和 NO2－ N 為采樣點實測值的平均數(shù)。體質(zhì)量和體高的測定值均采用平均值 ± 標準差( mean ± SD) 表示。利用 EXCEL和 SPSS12. 0 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 試驗期間 pH、NH3-N 和 NO－2-N 含量的變化

如圖 1 所示，在試驗期間，對照塘 pH 在 7. 6～ 8. 4 之間變動，NH3－ N 和 NO－2－ N 平均含量分別在 0. 064 ～ 0. 230 mg/L、0. 028 ～ 0. 222 mg/L 間變動，其最大平均值分別出現(xiàn)在 8 月 23 至 9 月 3日、9 月 4 日至 14 日，其間正好是扣蟹培育投喂量較大的時間段。試驗塘 pH 在 7. 0 ～ 7. 8 之間變動，NH3－ N 和 NO－2－ N 的平均含量分別在 0. 086～ 0. 152 mg / L、0. 021 ～ 0. 045 mg / L 間變動。與對照塘相比，在扣蟹培育后期( 自 8 月 23 日之后) 試驗塘 pH 逐漸減小，在整個試驗期間的 NH3－ N 和NO－2－ N 平均值變動曲線明顯平緩。

2. 2 不同氣象條件下幼蟹培育池塘中水溫和溶解氧的日變化

如圖 2、3 所示，不同氣象條件下，在 12∶ 00～ 16∶ 00 時間段，試驗塘的水溫略高于對照塘，24h 以內(nèi)試驗塘中的溶解氧含量明顯高于對照塘。在陰、雨天氣最易缺氧的 0∶ 00 ～ 6∶ 00 時間段，試驗塘中的溶解氧平均水平在 3. 3 mg/L，而對照塘中的溶解氧水平在 1. 0 mg/ L 以下。

2. 3 晴天池塘水體表層及底層水溫和溶解氧的日變化

如圖4 所示，24 h 內(nèi)，試驗塘水體表層與底層水溫相差不大，一天內(nèi)表層與底層水溫的最大變幅0. 5 ℃ ， 時間出現(xiàn)在 08 ∶ 00 時; 對照塘中， 從06∶ 00時起，表層與底層水溫差距逐漸加大，最大變幅 4. 9 ℃，時間出現(xiàn)在 14∶ 00 時; 以后，變幅逐漸變小，至 00∶ 00 時只有 0. 4 ℃。如圖 5 所示，試驗塘水體表層與底層 24 h 溶解氧變化不大，表層與底層間溶解氧的最大變幅0. 50 mg / L。24 h 內(nèi)，表層與底層溶解氧的最低值分別為 3. 46 mg/L、3. 28 mg/L; 對照塘水體表層與底層 24 h 溶解氧變化較大，水層間溶解氧的最大變幅 3. 48 mg/L。24 h 內(nèi)，表層與底層溶解氧的最低值分別為 1. 01 mg/L、0. 3 mg/L，時間分別出現(xiàn)在 06∶ 00、22∶ 00。

2. 4 幼蟹暴露在空氣中的時間

如表 1 所示，8 月份連續(xù) 1 個月的觀察資料表明，試驗塘幼蟹在夜間 21∶ 30 ～22∶ 00 離水暴露于空氣中，在凌晨 03∶ 00 ～04∶ 00 時結(jié)束暴露，重新回到水體中，平均持續(xù)時間5. 53 h，對應(yīng)的溶解氧水平在 3. 37 ～ 4. 17 mg/L，樣方中幼蟹的數(shù)量在23 ind或以下; 而對照塘幼蟹在 20∶ 00 ～ 21∶ 30 時離水暴露于空氣，在 04∶ 30 ～ 05∶ 30 時才回到水中，平均暴露持續(xù)時間長達8. 61 h，明顯比試驗塘的持續(xù)時間長，對應(yīng)的溶解氧水平在 0. 91 ～ 2. 03 mg/L，樣方中幼蟹的數(shù)量在 35 ind 或以上。表明低溶解氧或 NH3－ N、NO2－ N 和低溶解氧協(xié)同作用脅迫幼蟹在夜間提早離水暴露于空氣中，且延遲回到水中的時刻。

2. 5 蛻殼頻次

如表 2 所示，試驗塘中幼蟹從第 5 次至第 10次蛻殼累計完成時間為 94 d，而對照塘為 124 d，表明底層增氧影響幼蟹蛻殼的頻次。第 10 次蛻殼后，試驗塘中幼蟹的肥滿度顯著大于對照塘( P ＜0. 05) ，而自第 9 次蛻殼后，試驗塘中幼蟹的體高顯著高于對照塘( P ＜0. 05) 。

2. 6 群體中個體體質(zhì)量的分布

如圖 6、7 所示，至 9 月 8 日，試驗塘與對照塘中幼蟹個體體質(zhì)量已出現(xiàn)明顯的分化。此時，試驗塘中 85% 以上的幼蟹體質(zhì)量在 2. 5 ～ 7. 5 g，且超過 6. 0 g 的個體總量已達 50%，而對照塘中相應(yīng)的數(shù)據(jù)是 1. 5 ～5. 0 g 、5. 0%。至 10 月 14 日，試驗塘中 95% 以上的幼蟹體質(zhì)量在 4. 5 g 以上，且4. 5 ～ 9. 5 g 的幼蟹總數(shù)達 80% 。而對照塘中只有80% 的個體體質(zhì)量超過 4. 5 g，且 4. 5 ～ 9. 5 g 的幼蟹總數(shù)只有 50%。體質(zhì)量 10. 0 g 以上的個體頻數(shù)試驗塘為 22. 5%，對照塘為 17. 0%?？偟恼f來，底層增氧可促進幼蟹的生長，提高池塘群體中個體的體質(zhì)量。

3 討論

3. 1 溫度脅迫對幼蟹生長的影響

溫度脅迫不僅影響蝦蟹類的蛻殼、生長、性早熟甚至存活，還可造成水生生物機體自由基代謝紊亂。自由基一旦在體內(nèi)大量積累，可直接損害機體細胞和組織正常的生理機能和免疫防御能力，還使機體對病原生物易感［10 －11］。溫度的急劇變化可使中華絨螯蟹機體抗氧化能力下降，氧化代謝失衡和免疫防御能力下降［12］。在平均水溫 22 ℃ 時， ±4. 5 ℃ 的溫度變幅對中華絨螯蟹幼蟹的生長產(chǎn)生抑制作用［13］。溫度變幅太大還可能造成早期幼蟹上岸死亡［14］。在扣蟹培育過程中，經(jīng)常發(fā)生水溫急劇變化的情形，如夏季出現(xiàn)的暴雨天氣、秋季強冷空氣侵襲或夜間起風(fēng)后白天 “躍溫層”被打破造成的急性降溫或溫度變化。在溫度急劇變化前，使用底層增氧可以攪動水層，打破水溫的層差，有效地緩解急性水溫變化對扣蟹的脅迫。本試驗對照塘中 10∶ 00 ～18∶ 00 時間段表底層水溫差距較大，中間形成明顯的 “溫躍層”，而試驗塘中 24 h 表底層水溫變化不大，證實底部增氧能夠有效打破水體“溫躍層”，解除水溫急劇變化對幼蟹生長的脅迫。

3. 2 溶解氧脅迫對幼蟹生長的影響

在實驗室條件下，鄒恩民等［15］研究了水溫 20～ 35 ℃ 之間急性逐步低氧對體質(zhì)量 21 ～ 92 g 中華絨螯蟹呼吸率的影響，并認為養(yǎng)殖生產(chǎn)上在 20 ℃或 35 ℃水溫條件下水體溶解氧須分別在 1. 92 mg/L 或 3. 47 mg / L 以上時才不會影響到中華絨螯蟹的健康。本 試 驗 中，對 照 塘 每 天 溶 解 氧 水 平 在3. 0 mg / L以上的時間平均在( 6. 8 ± 0. 7 ) h，在 2. 0mg / L 以下的時間近 12 h; 而試驗塘每天的溶解氧水平幾乎均在 3. 0 mg/L 以上。表明對照池塘中的中華絨螯蟹幼蟹在試驗期間每天均受到低于正常生活所需溶解氧濃度的脅迫，只是時間長短的差異。對照塘中溶解氧的 “日較差”［8］較大，池塘底部低氧或缺氧環(huán)境發(fā)生的時候較多。分析原因一方面不增氧扣蟹池塘中的水草阻礙了風(fēng)力的混合作用，減少了溶氧相對豐富的上層水與溶氧相對缺乏的中下層水之間的交換; 另一方面池塘底層水由于陽光不足，光合作用效果差，溶解氧主要靠水團運動、分子擴散的方式從表層向底層增補的效率有限［8］。而在增氧池塘中，底層增氧增進了水層間的交流及水平擴散，可以有效打破溶解氧的 “躍變層”或“躍溫層”［8］，打亂溶解氧的 “日較差”或 “水層差”，使池塘水體溶解氧在絕大部分時間內(nèi)保持在河蟹正常蛻殼、生長需求的水平 ( 3. 5 mg/L 以上)［15］。

3. 3 空氣暴露時間對幼蟹生長的影響

通過增大心搏量或呼吸頻率［16］，或降低心跳頻率和代謝率［17］，大多數(shù)蟹類可以忍受短暫離水( 一種缺氧環(huán)境) 的脅迫。蟹類短暫暴露在空氣中，利用鰓腔中殘存的水分進行氣體交換，機體組織通過有限的有氧代謝尚能維持正常的生命活動。但長時間暴露在空氣中，有氧代謝所需氧氣會出現(xiàn)不足，這時機體只能動員糖原和磷酸肌酸等進行無氧代謝來維持生命，組織或血淋巴中乳酸積累過多會改變其中的酸堿度，造成酸中毒，直至死亡［18 －19］。因此，經(jīng)過一段時間的空氣暴露，蟹類必須及時回到溶解氧較高的水體中，經(jīng)過有氧代謝及時清除組織或血淋巴中的乳酸等代謝產(chǎn)物，調(diào)整其中的酸堿度，使其恢復(fù)到正常水平［16，18］。鄒恩民等［15］研究了急性逐步低氧對中華絨螯蟹呼吸率的影響，發(fā)現(xiàn)中華絨螯蟹是一種很好的氧調(diào)動物( oxyregulator) ，在溫度 20 ～35 ℃范圍內(nèi)，其對應(yīng)的臨界氧濃度為1. 92 ～ 3. 47 mg / L，表明在水溫20 ℃ 以上，溶解氧須在 1. 92 mg/L 以上，中華絨螯蟹才能保證生命活動通過有氧代謝提供所需的能量。

在本試驗中，一旦出現(xiàn)“氧債”的條件，不增氧池塘中華絨螯蟹幼蟹被迫逃離棲息的水體，爬上池堤或水草，長時間不愿回到水中，生命活動長時間處于無氧代謝狀態(tài)。而試驗塘通過人工操控，可以提前增氧，有效償還“氧債”，不但可以避免底層的缺氧或無氧狀態(tài)，降低 NH3－ N、NO－2－ N 或H2S 對幼蟹的脅迫，還能減少幼蟹離水的時間，增加其有氧代謝的時間，使其生命活動盡快恢復(fù)正常。本試驗表明，試驗池塘幼蟹的平均體質(zhì)量、蛻殼頻次比對照池塘明顯較高，間接說明底層增氧改善了整個水體溶解氧分布狀況，有助于幼蟹的蛻殼和存活。當(dāng)然，影響河蟹幼蟹體質(zhì)量、蛻殼、生長、存活等的環(huán)境因子很多，如溶解氧、水溫、鹽度、水草種類及豐度、餌料、水深、放養(yǎng)密度、底質(zhì)特性等等。上述各因子之間的相互作用有待進一步的研究。