稻魚共作對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微觀剖面理化性質(zhì)的影響

秦琳 劉耀斌 李鳳博 馮金飛 吳殿星 方福平,*

(1浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 杭州 310029； 2中國水稻研究所， 杭州 310006; *通訊聯(lián)系人, E-mail: dxwu@zju.edu.cn, fangfuping@caas.cn)

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稻魚共作對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微觀剖面理化性質(zhì)的影響

秦琳1,2劉耀斌2李鳳博2馮金飛2吳殿星1,*方福平2,*

(1浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 杭州 310029；2中國水稻研究所， 杭州 310006;*通訊聯(lián)系人, E-mail: dxwu@zju.edu.cn, fangfuping@caas.cn)

QIN Lin, LIU Yaobin, LI Fengbo, et al. Impacts of rice-fish co-culture on the physical and chemical variables of the microprofiles at sediments-water interface in an intensive-culture pond. Chin J Rice Sci, 2016, 30(6): 647-652.

采用微電極系統(tǒng)研究了黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)兩種模式下沉積物-水界面基本理化性質(zhì)的變化。研究結(jié)果表明，與黃顙魚單養(yǎng)相比，黃顙魚-水稻共作可使沉積物-水界面附近O2濃度下降速率減慢，O2滲透深度增加71.4%，并使界面Eh值升高，改善塘底沉積物-水界面厭氧狀況；黃顙魚-水稻共作降低了界面附近pH值，比黃顙魚單養(yǎng)低約一個單位。以上研究結(jié)果表明，養(yǎng)殖池塘種植水稻改變了沉積物-水界面的微環(huán)境，可能會影響界面物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程。

水稻； 養(yǎng)殖池塘； 沉積物-水界面； 微電極； 垂直剖面

池塘養(yǎng)殖在我國淡水水產(chǎn)品生產(chǎn)與供給中占重要地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國池塘養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)量占淡水水產(chǎn)品總量的70.6%[1]。為了提高產(chǎn)量，我國池塘養(yǎng)殖普遍采用高密度精養(yǎng)模式，大量殘餌和水產(chǎn)動物排泄物導(dǎo)致池塘以及周邊水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重[2,3]。沉積物是塘體中冗余養(yǎng)分重要的匯與源。在養(yǎng)殖池塘中，超過70%的冗余養(yǎng)分以殘餌、魚蝦排泄物等形式沉積在底泥表層[4]，這些養(yǎng)分物質(zhì)可以通過沉積物-水界面釋放到上層水體中。可見，沉積物-水界面的養(yǎng)分遷移交換是影響上覆水體營養(yǎng)水平和環(huán)境質(zhì)量的重要過程[5]。而這一過程易受到界面溶解氧、氧化還原電位、pH值等理化性狀的影響。因此，研究沉積物-水界面的微環(huán)境特征及其理化性狀的微觀剖面分布，對于調(diào)控塘體養(yǎng)分循環(huán)，減輕水體富營養(yǎng)化具有重要意義。

池塘種稻是一種新型的基于養(yǎng)殖池塘的稻魚共作模式。以往研究發(fā)現(xiàn)[6]，池塘種稻可以顯著降低水體營養(yǎng)鹽含量以及水體COD、pH值等，對于減輕養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化污染以及改良水質(zhì)具有顯著作用。在池塘種稻模式中，水稻直接種植于池塘底泥中，水稻根系的生長必然會影響沉積物-水界面微環(huán)境。以往對沉積物-水界面微環(huán)境的研究，大多集中于海洋、湖泊、河流等自然生態(tài)系統(tǒng)[7-9]，以及輪葉黑藻等自然水生植物[10,11]，而對養(yǎng)殖池塘研究較少，且以往對水稻根際微環(huán)境的研究主要側(cè)重于稻田淺水環(huán)境[12]，缺乏對養(yǎng)殖池塘這種深水環(huán)境下水稻根際作用的深入研究。由于水體環(huán)境、動植物類型以及人工干預(yù)等因素的差異，稻作池塘沉積物-水界面微環(huán)境的特征以及水稻的根際效應(yīng)可能與自然水體存在差異。對于沉積物-水界面環(huán)境的研究，常規(guī)分層采樣分析方法容易破壞界面、擾動沉積物，不利于準(zhǔn)確監(jiān)測沉積物-水界面微環(huán)境的變化[13]。近年來，隨著微電極技術(shù)的發(fā)展，可以直接測量沉積物-水界面微米尺度的溶解氧等理化指標(biāo)的變化，為解析沉積物-水界面微環(huán)境的變化提供了有力工具[14,15]。

本研究以黃顙魚塘種稻模式為例，通過小區(qū)試驗(yàn)，利用微電極系統(tǒng)研究稻魚共作和單養(yǎng)魚池塘沉積物-水界面溶解氧、氧化還原電位和pH值的微米尺度剖面分布特征，分析了水稻生長對沉積物-水界面微環(huán)境的影響，以增加對池塘種稻這種新型魚稻共生模式調(diào)控水體養(yǎng)分作用機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在浙江省杭州市中國水稻研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置黃顙魚-水稻共作(RF)和黃顙魚單養(yǎng)(F)兩個處理，每個處理3個重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)是由多年養(yǎng)殖池塘中圍隔出大小一致的水泥池建設(shè)而成，每個水泥池80 m2(10 m×8 m)，池深1.5 m。

種稻小區(qū)選用高稈型魚塘專用水稻品種，2015年5月上旬育秧，6月上旬移栽于小區(qū)中部，移栽密度為60 cm×60 cm，種植面積約占小區(qū)總面積的50%。7月上旬在小區(qū)投放2.5～3.0 cm長黃顙魚苗，投放量為150 000尾/hm2，且均按常規(guī)養(yǎng)殖方法進(jìn)行養(yǎng)殖管理。小區(qū)水深隨水稻生長不斷增加，種稻小區(qū)和不種稻小區(qū)保持相同水位。水稻于當(dāng)年11月上旬收獲，黃顙魚于水稻收獲后一次性捕獲。

1.2 樣品采集

2015年于稻魚共作的中期(8月)采集沉積物柱狀樣。先用有機(jī)玻璃取水器采集6個小區(qū)上覆水體水樣，再采用無擾動沉積物采樣裝置采集對應(yīng)小區(qū)沉積物柱狀樣[16]，將采集后的有機(jī)玻璃采樣管底部塞子用膠帶封牢，并使用不透光錫箔紙包裹整個采樣管以保持避光狀態(tài)。

6個小區(qū)水樣和土樣采集時(shí)間與柱狀樣同步，分別用于水體和底泥基礎(chǔ)理化指標(biāo)測定。在小區(qū)的四個采樣點(diǎn)用取樣器于水面下10 cm進(jìn)行水樣采集，再將水樣混合均勻作為待測水樣；隨后用取樣器于采樣區(qū)取土樣約深20 cm，再將其混合均勻作為待測土樣。將采集的樣品放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室后，水樣4℃下保存，在24 h內(nèi)測定；土樣風(fēng)干后混勻過篩，待測。

1.3 樣品分析測定

對采集的塘底沉積物柱狀樣用虹吸法抽取上層水，再用虹吸法沿管壁注入上覆水(經(jīng)0.45 μm濾膜過濾)，并使所有柱狀樣上層水高度都保持在5 cm，靜置24 h穩(wěn)定后待測[7]。采用Unisense微電極測量系統(tǒng)，先將DO、pH和Eh電極連接在主機(jī)上進(jìn)行校正，調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)后，再依次選用微電極對待測樣品沉積物-水界面進(jìn)行無擾動測定，每個柱子測定3個平行剖面后求平均值，并分析沉積物-水界面垂直剖面的變化趨勢。

水樣測定指標(biāo)主要包括pH值、溶氧(DO)量、葉綠素a含量(Chl-a)、生物需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)、氨態(tài)氮(NH4+-N)含量、硝態(tài)氮含量(NO3--N)和可溶性磷(DP)含量。水體pH值和DO分別采用梅特勒-托利多手持pH儀和YSI光學(xué)溶氧儀proODO現(xiàn)場測定；Chl-a含量采用熱乙醇提取法測定；BOD采用標(biāo)準(zhǔn)稀釋法測定；COD含量用重鉻酸鉀法測定；水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后，分別采用靛酚藍(lán)比色法、紫外分光光度法和鉬銻抗比色法來測定NH4+、NO3-和DP含量。底泥中pH值采用電位法測定；Eh值采用FJA-6型氧化還原電位(ORP)去極化法全自動測定儀測定；氨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量用氯化鉀溶液提取-分光光度法測定；速效磷(A-P)含量采用NaHCO3提取法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘種稻對水體和底泥基礎(chǔ)性質(zhì)的影響

黃顙魚-水稻共作(RF)和黃顙魚單養(yǎng)(F)小區(qū)底泥和上覆水體的基礎(chǔ)性質(zhì)如表1所示。RF處理底泥中pH、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著低于F處理，分別降低了5%、11.8%和29.1%，但Eh較F處理增加了42.4%。RF處理上覆水體的pH值、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別比F處理顯著降低5.2%，45.6%和11.8%。RF上覆水體DO比F處理降低了16.2%，且Chl-a、BOD和COD含量分別降低了40.8%、32.7%和21.9%。

表1 黃顙魚-稻共作和黃顙魚單養(yǎng)小區(qū)底泥和上覆水體基礎(chǔ)性質(zhì)

Table 1. Basic properties of sediment and overlying water in yellow catfish ponds with and without rice planting.

取樣部位Samplingposition指標(biāo)Index黃顙魚-稻共作RF黃顙魚單養(yǎng)F底泥SedimentpH值pHvalue6.23±0.196.59±0.18Eh/mV390.44±7.20274.27±20.41氨態(tài)氮含量Ammonianitrogencontent/(mg·kg-1)9.89±0.4011.21±0.40硝態(tài)氮含量Nitratenitrogencontent/(mg·kg-1)30.03±3.0642.37±2.93速效磷含量Availablephosphoruscontent/(mg·kg-1)13.41±0.6212.96±0.81上覆水OverlyingwaterpH值pHvalue7.18±0.057.57±0.08溶氧量DO/(mg·L-1)6.09±0.217.27±0.07綠葉素a含量Chl-a/(μg·L-1)7.25±1.2812.25±1.94生物需氧量BOD/(mg·L-1)4.12±0.186.12±0.23化學(xué)需氧量COD/(mg·L-1)48.66±1.7462.33±6.93氨態(tài)氮含量Ammonianitrogencontent/(mg·kg-1)0.43±0.010.79±0.11硝態(tài)氮含量Nitratenitrogencontent/(mg·kg-1)1.27±0.051.44±0.09速效磷含量Availablephosphoruscontent/(mg·g-1)4.90±1.105.20±0.70

RF, Yellow catfish pond with rice planting; F, Yellow catfish pond without rice planting.

2.2 池塘種稻對沉積物-水界面O2剖面分布的影響

圖1為RF(黃顙魚-水稻共作)和F(黃顙魚單養(yǎng))處理3個小區(qū)沉積物-水界面附近的O2剖面分布。從圖中可以看出，RF和F小區(qū)沉積物-水界面O2隨深度變化的垂向分布趨勢相近，即從界面以上20 mm至以下10 mm O2濃度整體上都是表現(xiàn)出隨深度降低而降低的趨勢，待O2濃度降至零時(shí)保持基本穩(wěn)定的狀態(tài)。RF和F的差異主要表現(xiàn)在臨近界面的2.5 mm內(nèi)，即圖中的虛線框區(qū)域。約從2 mm開始，F(xiàn)處理界面O2濃度下降較快，開始低于RF。在界面以下，F(xiàn)處理O2擴(kuò)散僅滲透到1.75 mm其濃度即開始下降為零；而RF處理O2擴(kuò)散滲透到3.00 mm才下降為零。這些結(jié)果表明，池塘種稻改善了塘底沉積物-水界面厭氧狀況，使沉積物-水界面附近O2濃度下降速率減慢，且增加了界面以下O2滲透深度。

2.3 池塘種稻對沉積物-水界面Eh剖面分布的影響

沉積物-水界面附近Eh剖面分布如圖2所示。RF處理3個小區(qū)Eh值均高于F處理。F處理3個小區(qū)Eh從界面以上1～3 mm范圍開始表現(xiàn)出急劇下降趨勢，而RF處理3個小區(qū)則從界面0.5～1.5 mm范圍開始急劇下降。F處理Eh值在界面以下2.5 mm開始小于零，轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境，而RF處理Eh值則在界面以下4.5 mm開始小于零。此后，RF和F處理Eh值均呈緩慢下降趨勢。至界面下10 mm時(shí)，F(xiàn)處理3個小區(qū)Eh均值為-26.8 mV，低于RF處理(-13.3 mV)。沉積物-水界面Eh剖面分布結(jié)果表明，池塘種稻顯著改善塘底沉積物-水界面氧化還原環(huán)境，提高沉積物中氧化還原電位。

RF1、RF2和RF3分別代表黃顙魚-水稻共作處理的3個小區(qū)；F1，F(xiàn)2和F3分別代表黃顙魚單養(yǎng)的3個小區(qū)。

RF1，RF2 and RF3 represent three yellow catfish ponds with rice planting； F1，F(xiàn)2 and F3 represent three yellow catfish ponds without rice planting.

圖1 黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)池?cái)U(kuò)建沉積物-水界面附近O2濃度的垂直變化

Fig. 1. Vertical distribution of the concentration of O2near sediment-water interface in rice-fish coculture ponds and yellow catfish monoculture ponds.

圖2 黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)池塘沉積物-水界面附近Eh的垂直變化

Fig. 2. Vertical distribution of Eh near sediment-water interface in rice-fish coculture ponds and yellow catfish monoculture ponds.

2.4 池塘種稻對沉積物-水界面pH的剖面分布的影響

RF和F處理沉積物-水界面附近pH值變化不大(圖3)，均在0.4個pH單位以內(nèi)，且都呈現(xiàn)出弱堿性。其中F處理3個小區(qū)的pH值為8.13～8.36；RF處理3個小區(qū)pH值均低于F處理，在7.03～7.41。在界面附近2.5 mm范圍內(nèi)，RF和F處理pH值均表現(xiàn)出明顯的降低趨勢。其中RF處理3個小區(qū)pH值降幅為0.26；F處理3個小區(qū)pH值降幅為0.03，低于RF處理。此后，在界面以下2.5 mm至6 mm，RF處理pH值又表現(xiàn)為緩慢增加，6 mm以下穩(wěn)定至7.23，而F處理pH值除個別點(diǎn)外，基本表現(xiàn)為緩慢減小的趨勢，最終穩(wěn)定值為8.25。

3 討論

在界面微環(huán)境的研究中，微電極系統(tǒng)可以無擾動地精確測量界面附近微環(huán)境的變化，與傳統(tǒng)方法相比具有不可替代的優(yōu)勢。近十幾年，微電極系統(tǒng)在沉積物-水界面研究中日益受到重視[17-19]。本研究采用微電極系統(tǒng)對稻魚共作養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的微環(huán)境進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，微電極系統(tǒng)電極靈敏度高，能夠精確地監(jiān)測池塘沉積物-水界面附近DO、pH等理化性狀的微米級變化，且不同剖面的測量結(jié)果表現(xiàn)出較好的連續(xù)性和重現(xiàn)性。但在研究中發(fā)現(xiàn)，微電極系統(tǒng)也存在一些有待改進(jìn)之處，例如測量界面微環(huán)境的電極尖端為玻璃材質(zhì)，易損壞，且電極價(jià)格較高，研究成本高；由于要測定微米級變化，測試行程較長，且每個柱芯都要測量多個剖面，測試過程耗時(shí)較長。

圖3 黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)池塘沉積物-水界面附近pH的垂直變化

Fig. 3. Vertical distribution of pH near sediment-water interface in rice-fish coculture ponds and yellow catfish monoculture ponds.

本研究的結(jié)果顯示，養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的O2濃度剖面分布與以往自然水體的研究結(jié)果存在一定差異[8,11,20,21]。例如本研究中養(yǎng)殖池塘O2濃度和滲透深度要高于Bryant等[20]對Carvins Cove 水庫沉積物-水界面的監(jiān)測結(jié)果，但低于王敬富等[8]對紅楓湖的研究結(jié)果。這可能主要是因?yàn)椴煌w的水體深度、沉積物厚度、生物擾動等因素的差異造成的。池塘種稻能夠改變沉積物-水界面微環(huán)境，使得沉積物-水界面有氧層厚度增加，氧化還原電位升高(圖1和圖2)，這一過程主要?dú)w因于水稻根際泌氧作用。水稻種植在養(yǎng)殖池塘，長期的漬水環(huán)境使得其植株體內(nèi)形成大量通氣組織，葉鞘上由氣孔進(jìn)入的氧氣及在葉鞘中由光合作用釋放的氧氣通過葉鞘和莖稈中的通氣組織運(yùn)輸?shù)剿靖礫22,23]。水稻徑向泌氧部分供根系呼吸，同時(shí)有大約30%～40%的氧氣由根軸徑向運(yùn)輸?shù)礁H土壤，并伴隨釋放其他的氧化性物質(zhì)，在根際周圍形成一個微域的“氧化圈”[24]，從而增加沉積物中O2濃度，提高氧化還原電位。

沉積物中pH值是表征土壤化學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，本研究結(jié)果顯示池塘種稻能改變水稻根際微環(huán)境，降低上覆水和沉積物的pH值(圖3)。這主要是由于水稻生長過程中，根系會向土壤和水體中分泌大量有機(jī)酸(如酒石酸等)[25]，水稻根際微生物耗氧降解有機(jī)質(zhì)也會向土壤和水體中釋放酸性物質(zhì)[7]，從而使稻魚共作養(yǎng)殖池塘界面附近pH值低于單養(yǎng)魚池塘。對比以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水稻對沉積物-水界面附近pH值的影響要大于輪葉黑藻[11]。在本研究中，稻魚共作和單養(yǎng)魚池塘界面附近pH差值接近1，而田翠翠等[11]的研究結(jié)果顯示，種植輪葉黑藻后，沉積物-水界面pH值變化小于0.5。

本研究初步揭示了池塘種稻對塘體沉積物-水界面微觀剖面理化性質(zhì)的影響，但未考慮水稻生長發(fā)育特性。由于水稻在不同生育期的生物量及對水體養(yǎng)分的積累量不同[6,26]，因而，在稻魚共作模式下，處于不同生育階段的水稻對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微環(huán)境的影響可能也存在差異。已有研究表明[11]，沉積物中黑藻培養(yǎng)時(shí)間不同，其根際微環(huán)境中DO、pH和Eh的垂直變化存在差異。因此，為了更加全面地分析稻魚共作對塘體沉積物微環(huán)境的影響，水稻不同生育期的研究還需進(jìn)一步完善。沉積物-水界面是一個微生物活動頻繁、有高度生物活性的復(fù)雜微環(huán)境，為了較為全面地研究沉積物-水界面微觀界面的特征，在今后還需增加更多指標(biāo)的微觀剖面分析，如H2S和N2O剖面特性分析等。此外，對沉積物-水界面微環(huán)境的研究，還需要和界面附近氮磷遷移轉(zhuǎn)化等化學(xué)或生物過程聯(lián)系在一起，為解析稻魚共作系統(tǒng)對沉積物-水界面生物化學(xué)過程的作用機(jī)制提供微觀依據(jù)。

4 結(jié)論

1)池塘種稻能夠顯著改善塘體水質(zhì)，改變沉積物的基礎(chǔ)理化性質(zhì)。與黃顙魚單養(yǎng)池塘相比，黃顙魚-水稻共作池塘上覆水中pH值、Chl-a、COD、BOD、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量都有所降低。表層底泥中pH、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量降低，但Eh升高。

2) 池塘種稻能夠顯著改變養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微環(huán)境。池塘種稻改善了塘底沉積物-水界面厭氧狀況，使沉積物-水界面附近O2濃度下降較慢，增加了界面以下O2滲透深度；池塘種稻改變了界面附近氧化還原環(huán)境，單養(yǎng)魚池塘界面以下2.5 mm進(jìn)入還原環(huán)境，而稻-魚共作池塘Eh值在界面以下4.5 mm才開始小于零；池塘種稻也顯著降低沉積物-水界面附近pH值。

3)微電極測量系統(tǒng)對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的測量結(jié)果表現(xiàn)出很好的連續(xù)性，說明利用微電極可實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面原位無擾動的高分辨率測定。因此，微電極測量系統(tǒng)有助于分析水稻生長與沉積物-水界面微環(huán)境變化的相互關(guān)系，在探討水稻生長對水體養(yǎng)分的調(diào)控作用機(jī)制方面可發(fā)揮重要作用。

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Impacts of Rice-Fish Co-culture on the Physical and Chemical Variables of the Microprofiles at Sediments-Water Interface in an Intensive-culture Pond

QIN Lin1,2, LIU Yao-bin2, LI Feng-bo2, FENG Jin-fei2, WU Dian-xing1,*, FANG Fu-ping2,*

(1College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China；2China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China;*Corresponding author, E-mail: dxwu@zju.edu.cn; fangfuping@caas.cn)

An experiment was carried out to investigate the physical and chemical variables in sediment-water interface of yellow catfish pond with and without rice planting. The results showed that rice-fish co-cultures slowed down the decrease of O2concentration around the sediment-water interface, and increase the O2penetration depths by 71.4%, comparing with fish monoculture pond. Additionally, rice-fish co-culture increased the Eh value, and improved the aerobic condition in the sediment of pond. Rice-fish co-culture also decreased the pH around sediment-water interface. The pH of rice-fish co-culture pond was lower than that of monoculture pond by one unit. These results indicated that rice growing changed the mocroenvironment of the sediment-water interface of fish pond, which may affect the migration and transformation of elements around this interface.

rice; fish culture pond; sediment-water interface; microelectrode; vertical profile

2016-05-05； 修改稿收到日期: 2016-07-15。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31400379)； 浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15C030002)。

S181.6; S511.047

A

1001-7216(2016)06-0647-06

秦琳, 劉耀斌, 李鳳博， 等. 稻魚共作對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微觀剖面理化性質(zhì)的影響. 中國水稻科學(xué)， 2016， 30(6)： 647-652.