泥蚶动态能量收支模型参数的测定

姜 波，何 京，郑侠飞，何 琳，林志华,

( 1.上海海洋大学，水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306； 2.浙江万里学院， 浙江水产种质资源高效利用技术研究重点实验室，浙江 宁波 315100； 3.浙江万里学院，宁海海洋生物种业研究院，浙江 宁波 315604 )

个体动态能量收支模型主要描述生物个体从食物中获取的能量如何在个体生理机能维持、生长和繁殖等主要生命活动中进行能量分配[1]。动态能量收支模型遵循k分配原则，即生物体通过摄食吸收的能量首先储存于生物体内，储备能量的固定分数(k)用于生物体的生长和躯体维持，并优先用于生命基本活动。剩余的能量分数(1-k)用于胚胎发育和幼体成熟或成体的繁殖，即配子的产生和产卵[2-4]。因此，动态能量收支模型可以用来描述生物个体在其整个生活史中为维持生长、成熟和繁殖而吸收和利用环境中的能量的速率，从而能够预测生物个体在一段时间内的生长和发育状况，并且可根据养殖区域内的饵料丰度来评估养殖区的环境容纳量[5]。根据动态能量收支模型的定义，模型主要由变量、基本参数以及复合参数这3个部分组成，变量主要分为饵料密度、体积和存储能量，这些变量在生物体整个生命活动周期中是随生物个体生长而变化的；基本参数包括形状系数、阿伦纽斯温度、维持生命所需的能量、形成单位体积所需的能量、单位体积最大储存能量以及储备能量等；复合参数则根据基本参数构成，例如维持速率的常数m是单位体积最大储存能量与形成单位体积所需能量的比值。基本参数值的获取是构建动态能量收支模型的核心，而模型的参数值通常是固定的，但由于环境因素以及自身内部因素的影响，参数值可能会随着生长而变化，如摄食率和吸收率都会随着体质量的增加而有所下降[6]。因此，获取准确的基本参数值对动态能量收支模型的构建至关重要。

泥蚶(Tegillarcagranosa)俗称“血蚶”，属软体动物门双壳纲列齿目蚶科蚶属，是一种广温、广盐、埋栖型贝类，广泛分布于中国南北沿海地区[7-8]。泥蚶的养殖方式主要分为池塘虾贝混养和滩涂养殖，即人工营养型养殖和自养型养殖。近年来，随着泥蚶养殖规模的不断扩大，采用这两种养殖模式养殖泥蚶在获得经济收益的同时，也面临着养殖密度不合理而导致泥蚶生长滞缓、病害死亡等问题，制约了产业的可持续发展[9]。虾贝混养池塘中，由于养殖密度不适宜导致了大量的饵料残留，易造成水体富营养化，并引起pH下降、细菌性疾病流行和底质恶化，进而改变养殖环境，直接影响泥蚶的生理指标，最终造成泥蚶大量死亡[10-11]。而滩涂养殖则容易出现营养限制，即养殖密度过大限制了泥蚶的生长，并且酸化的海水会抑制泥蚶的新陈代谢和摄食活力，破坏内壳表面的完整性和损害钙化过程，导致泥蚶的适应能力下降和养殖产量降低[12]。合理的养殖容量应该兼顾生态环境和经济收益。动态能量收支模型依据动态能量收支理论，能够更加直观地模拟贝类的生长状况，清晰地反映生物个体在其整个生命周期内的能量流动以及外部环境因素对其摄食和代谢的影响，而通过建立动态能量收支模型可用于评估养殖容量，从而实现可持续健康发展。笔者通过室内生理试验来确定构建泥蚶生长模型所需的6个基本参数，旨在为构建泥蚶动态能量收支模型提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 形状系数

试验泥蚶取自浙江省台州市三门县养殖户，随机挑选泥蚶118枚，分别测定泥蚶的壳长(L)、总湿质量(m)和软体部组织湿质量(mW)。泥蚶体积一般不能直接测量，假设泥蚶的软体部密度ρ=1 g/cm3[13]，通过排水法获得泥蚶的体积，此时软体部湿质量等于泥蚶体积(V)，根据公式(1)计算贝壳形状系数(δm)：

mW=ρ(δm×L)3

(1)

1.2 阿伦纽斯温度 (TA)

将泥蚶按照壳长分为小规格、中规格、大规格3组，暂养水温(20±1) ℃，每日定量投喂牟氏角毛藻(Chaetocerosmuelleri)，每2 d换水1次，暂养7 d后开始试验。设置10、15、20、25、30、35 ℃ 6个温度梯度，每个温度梯度设置5个平行，2个空白对照。每个蓝盖瓶(500 mL)中放入1枚泥蚶，利用Presens十通道光纤溶氧仪测定溶解氧质量浓度，试验期间水浴控温，待壳张开后开始计时，试验时间2 h。单位体积干质量耗氧率[RO，mg/(h·g)]按公式(2)计算：

RO=[(ρ0-ρ1)×V]/(md×t)

(2)

式中，ρ0和ρ1分别为初始和结束时的溶解氧的含量(mg/L)，V为试验用容量瓶的体积(L)，md和t分别为试验开始时软体部干质量(g)和试验持续时间(h)。

将泥蚶的耗氧率与水温的热力学温度进行线性回归分析，所得斜率(a)的绝对值即为阿伦纽斯温度(TA)，按公式(3)计算：

lnRO=a×T-1+b

(3)

式中，a为线性回归方程的斜率，T为水温的热力学温度(K)，b为线性回归方程的截距。

1.3 动态能量收支模型关键参数的测定

选取壳长 (3.018±0.132) cm和总湿质量 (10.690±0.144) g的泥蚶300枚进行饥饿试验。试验开始前进行为期7 d的暂养，水温控制在 (20±1) ℃，早晚投喂牟氏角毛藻各1次，待其成活率稳定后，利用循环水装置进行饥饿试验。试验期间不投饵，每7 d换水1次，海水为砂滤海水。每隔7 d取泥蚶5枚，每个蓝盖瓶(500 mL)中放入1枚泥蚶，盖紧橡皮塞，水浴20 ℃控温。利用磁力搅拌器保持蓝盖瓶中上下溶解氧水平大致相同，Presens十通道光纤溶氧仪测定其耗氧率变化，待泥蚶壳张开后开始计时，试验时间2 h。试验结束后，另取泥蚶15枚，测定其壳长、总湿质量、软体部组织湿质量、软体部组织干质量。其中：总湿质量为贝类阴干0.5 h后的全质量；软体部组织湿质量为贝类剥离全部组织的鲜质量；软体部组织干质量为软组织在60 ℃烘箱烘干72 h后的质量；软组织有机物含量(%)则为烘干后的软组织在450 ℃高温炉中灼烧后的质量差与软组织干质量的比值。当软体部组织干质量不再降低且呼吸耗氧率保持稳定时，饥饿试验结束(49 d)。

当软体部组织干质量不再随着饥饿时间的推移而下降，干质量基本保持稳定时的有机物质量即为贝类结构物质的质量([EG])：

[EG]=m1×k×w1/(Tr×V)

(4)

式中，m1为软组织干质量保持稳定时的质量(g)，k为有机物能值(23 kJ/g)[14-15]，w1为饥饿试验结束后软组织有机物含量(%)，Tr为生长转化系数(Tr=40%)[15]，V为泥蚶的体积(cm3)。

当耗氧率基本保持稳定时，此时的耗氧率即为

(5)

式中，Rt为饥饿试验耗氧率基本稳定时的耗氧率[mg/(g·h)]，E0为O2的能量值(1 mol O2=20.3 J)[16]，t为时间转化系数(1 d=24 h)，ρ0为O2在20 ℃下的密度(1.229 mg/mL)[17]，V为泥蚶的体积(cm3)。

泥蚶存储能量为试验开始与试验结束后泥蚶结构物质能量之差，单位体积最大存储能量([EM])按下式计算：

[EM]=(m0×w0-m1×w1)×k/V

(6)

式中，m0为饥饿试验开始前软组织干质量的初始值(g)，w0为试验开始前软组织有机物含量(%)。

储备能量(μE)为单位体积最大储能能量之差与初始时干质量与结束时干质量之差的比值，其计算公式如下：

μE=k× (m0×w0-m1×w1)/(m0-m1)

(7)

1.4 数据处理

利用SPSS 26.0软件对壳长与软体部湿质量和软体部湿质量的立方根进行线性回归分析；采用单因素方差分析比较每个温度下规格对泥蚶耗氧率的影响，并用多重比较方法检验不同规格泥蚶耗氧率的差异性。试验结果以平均值±标准差表示，P<0.05为显著差异，P<0.01为极显著差异。

2 结果与分析

2.1 形状系数

试验用泥蚶壳长1.848～3.902 cm，软体部湿质量0.755～1.466 g。泥蚶壳长(L)与软体部湿质量(mw)回归分析呈幂函数关系：mW=0.0556L3.1831(r2=0.9256)(图1)，根据公式(1)对泥蚶软体部湿质量的立方根和壳长进行线性回归，所得的斜率即为形状系数，其值为0.405(图1)。

图1 泥蚶软体部湿质量与壳长的关系

2.2 阿伦纽斯温度

测定阿伦纽斯温度所用泥蚶基本生物学参数见表1、图2。由图2可见，泥蚶耗氧率随个体壳长的增加而降低，且3种规格泥蚶耗氧率的变化曲线基本一致，均出现2个峰值。在10～20 ℃，泥蚶耗氧率随温度的上升而增加；在25 ℃出现拐点，耗氧率降低，在30 ℃达到最大值；之后，随着温度的升高，泥蚶干质量耗氧率呈下降趋势。单因素方差分析结果表明，水温为20 ℃和25 ℃时，3种规格泥蚶耗氧率存在极显著差异(P<0.01)。水温为30 ℃和35 ℃时，3种规格泥蚶耗氧率存在显著差异(P<0.05)。水温为10 ℃和15 ℃时，3种规格泥蚶耗氧率无显著差异(P>0.05)，低温对泥蚶呼吸影响较小。多重比较结果表明：在20、25、35 ℃条件下，小规格泥蚶的耗氧率显著高于中规格和大规格的泥蚶(P<0.05)；在30 ℃条件下，小规格泥蚶的耗氧率显著高于大规格泥蚶，小规格泥蚶与中规格泥蚶的耗氧率的差异性不显著(P>0.05)。

图2 温度对不同规格泥蚶耗氧率的影响

表1 试验所用泥蚶的基本生物学特性

3种规格组(小规格、中规格、大规格)泥蚶耗氧率与水温的热力学温度倒数的线性回归关系(图3)分别为：

图3 不同规格泥蚶耗氧率与热力学温度倒数的关系

lnRO=-5577.3T-1+19.481(r2=0.87)；

lnRO=-4767T-1+16.226(r2=0.73)；

lnRO=-4144.1T-1+13.843(r2=0.71)。

根据公式(3)计算阿伦纽斯温度，为(4830±586) K。

2.3 模型几个主要参数

饥饿试验所选用的泥蚶生物学数据见表2。饥饿试验持续49 d结束，此时，泥蚶单位体积干质量耗氧率由0.89 mg/(g·h)降至0.22 mg/(g·h)，软体部干质量由(0.51±0.04) g降至(0.30±0.01) g，软体部干质量、干质量耗氧率分别下降了41.2%和75.3%(图4、图5)。试验前后泥蚶软体部有机物含量分别为(87.3±3.3)%和(77.7±4.2)%(表3)。

表2 饥饿试验所选用泥蚶的生物学数据

图4 泥蚶耗氧率随饥饿时间的变化情况

图5 泥蚶软体部组织干质量、存储物质干质量及结构物质干质量随饥饿时间的变化情况

饥饿试验7 d后，泥蚶的耗氧率下降趋势最大，随着饥饿时间的持续泥蚶耗氧率逐渐趋于稳定，最终稳定在0.22 mg/(g·h)(图4)，根据公式(5)计算单位时间单位体积维持生命活动所需的能量为(32.2±2.4) J/cm3·d(表3)。

饥饿35 d后，泥蚶软体部干质量不再下降，基本维持在(0.30±0.01) g，软组织有机物含量保持在(77.7±4.2)%(表3)，再根据有机物能值(23 kJ/g)、形状系数以及生长转化系数(40%)计算形成单位体积结构物质所需的能量为(5475±94) J/cm3(表3)。

泥蚶最大存储能量为饥饿试验前结构物质能量与饥饿试验结束后结构物质能量之差，根据公式(6)转化为单位体积最大存储能量为(2026±80) J/cm3(表3)。

泥蚶的储备能量则根据结构物质的储能能量之差与试验前后软体部干质量之差来计算，为(23 376±690) J/g(表3)。

表3 模型关键参数的计算结果

3 讨 论

3.1 贝类形状系数

形状系数决定了生物体的特定长度与结构体质量的关系，这意味着每种生物体都有其特定的形状系数。贝类的形状系数可通过测定干质量或者壳长与体积的方法获得，但前者获取的形状系数存在较大误差，因此笔者选择测定壳长和体积来计算，但体积一般难以测定，可通过间接法测定。测定贝类体积的方法通常分为两种：一是马铃薯填充法，即用密度为1 cm/g的马铃薯果肉填充空贝壳，根据填充前后的质量差转化为体积，最后结合形状系数的计算公式计算形状系数；二是利用排水法，根据密度将软体部湿质量转化为体积来获得形状系数。前者测得生物量要比实际生物量大，使得形状系数偏大；后者操作方便，数据较为准确。目前有关贝类形状系数的报道显示，双壳类贝类形状系数为0.175～0.374，如长牡蛎(Crassostreagigas)[16]为0.175，文蛤(Meretrixmeretrix)[18]为0.374，虾夷扇贝(Patinopectenyessoensis)[19]为0.32，缢蛏(Sinonovaculaconstricta)[20]为0.345。本试验结果显示，泥蚶的形状系数为0.405，与已报道的双壳类贝类相比其值较高，这可能与泥蚶生长缓慢，且1龄后泥蚶生长速度由壳长增长变缓向体质量增长加速转变有关。

3.2 阿伦纽斯温度

动态能量收支理论使用阿伦纽斯方程来描述生物个体的生理速率对温度的依赖，即阿伦纽斯温度。贝类所有的生理活动几乎都与温度相关，绝大多数贝类的耗氧率、排氨率、摄食率在一定温度范围内均随温度的上升呈指数相关。虾夷扇贝的耗氧率和排氨率随温度升高而上升，在14.5 ℃达到最大值，此后随着温度的上升耗氧率和排氨率开始下降[21]。背角无齿蚌(Anodontawoodiana)、河蚬(Corbiculafluminea)、褶纹冠蚌(Cristariaplicata)以及铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)的摄食率在适宜温度范围内随着温度上升而增大[22]。泥蚶的摄食率在一定盐度范围内随盐度上升而增大，超过一定盐度范围后，摄食率逐渐下降，但下降幅度不显著[23]。因此，阿伦纽斯温度的测定可根据贝类的耗氧率、排氨率或者生长率与水温和食物的关系等来计算。笔者根据泥蚶耗氧率与水温的热力学温度来计算阿伦纽斯温度，其值为(4830±586) K。目前有关贝类阿伦纽斯温度的报道不多，已知广温种鸟尾蛤(Cerastodermaedule)[17]、澳洲牡蛎(Crassostreavirginica)[24]和菲律宾蛤仔(Ruditapesphilippinarum)[25]的阿伦纽斯温度均为5800 K，冷水种虾夷扇贝[19]的阿伦纽斯温度为4160 K。泥蚶属于广温种，其值高于低温种虾夷扇贝，但低于已知的广温种鸟尾蛤、澳洲牡蛎和菲律宾蛤仔，这与泥蚶在25 ℃时的耗氧率下降有关。有研究表明，同一盐度条件下泥蚶耗氧率随着温度的上升出现两个温度拐点，在23 ℃和31 ℃时耗氧率下降[26-27]，与本试验结果相互印证。这与大部分贝类在一定温度范围内耗氧率随温度的升高而上升并出现一个温度拐点的现象相违背[28-30]，笔者认为出现差异的原因在于不同试验条件导致且在不同季节驯化试验贝类试验结果存在差异，这一现象在紫贻贝(Mytilusgalloprovincialis)[31]中也有发现，其耗氧率变化趋势在不同时间驯化存在差异。

3.3 模型几个主要参数

所有参数均与贝类的肥满度有关。贝类肥满度将直接影响参数的准确性。因此，试验所用贝类应当挑选个体饱满、生长活力良好的个体。在进行饥饿试验时，试验所用贝类应避开繁殖季节，此时的贝类性腺发育成熟，在饥饿过程中贝类为维持生命活动会消耗性腺中的储存能量，试验结束时测得的贝类结构物质(软体部质量)和软体部有机物含量偏大，最终造成单位体积所需能量偏小和最大储存能量偏大。

4 结 论