不同施肥模式對克氏原螯蝦稻田養殖水體浮游植物群落結構的影響

王海艷 毛文靜 董澤濤 楊 軍, 朱建強,

(1. 長江大學農學院, 荊州 434025; 2. 長江大學濕地生態與農業利用教育部工程研究中心, 荊州 434025)

通過在養殖水體中施加肥料來培育水生動物生長過程中的天然餌料, 提高養殖產量, 是淡水養殖中的一項寶貴經驗, 已在我國和全球許多國家廣泛應用[1—4]。肥料中含有的氮、磷等營養物質可有效促進浮游植物生長, 提高浮游動物的生物量, 調節養殖水體的生態條件, 從而為養殖動物提供了豐富的天然餌料[5,6]。

稻田土壤本身富含礦質養分, 稻田生產中氮、磷等肥料的大量施用使得田面水營養元素過剩, 在促進水稻生長的同時, 也為稻田水體中浮游植物的大量繁殖創造了條件。浮游植物是稻田生態系統的重要組成部分, 在稻田養分的循環與平衡中起著至關重要的作用[7]。稻田浮游植物的生長一方面可以吸收固定氮、磷等營養元素, 提高土壤肥力, 另一方面也會引起前期氨揮發損失, 降低肥料利用率[7,8]。稻蝦綜合種養模式是一種新型的生態農業模式, 能顯著改變稻田水體生態環境, 改善水體浮游植物群落結構, 提高浮游植物多樣性[9]。已有的研究表明, 不同肥料種類和施肥強度對養殖產量和浮游生物群落結構的影響是不同的[10,11]。水產養殖中合理施肥不僅有助于降低餌料系數[12], 提高養殖產量和經濟效益, 還為畜禽高密度養殖產生的糞污找到了一條資源化利用的渠道, 避免造成周邊水域的富營養化。目前有關稻田水體浮游植物的研究主要聚焦于稻田種養模式[9,13—15]或施肥[7,8]對浮游植物的影響, 而涉及不同施肥模式對稻田種養水體浮游植物的影響尚缺乏報道。本研究通過對不同施肥模式下克氏原螯蝦稻田養殖水體浮游植物群落結構的研究, 探索適合稻田綜合種養的施肥模式, 以期為稻蝦養殖中的餌料培育積累數據,也為優化稻蝦綜合種養模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年春季(4—5月)在湖北省荊州市長江大學農業科技園稻蝦模式試驗基地(30°22'12" N,112°4'12" E)進行。該地區屬亞熱帶季風氣候區, 年平均氣溫15.9—16.6℃, 年日照時數1800—2000h,年輻射總量為104—110 kcal/cm2, 年平均降水量1100—1300 mm。試驗期間天氣以多云和小雨為主, 平均氣溫19.5℃。良好的氣候條件適宜多種農作物的生長和發展水產養殖。

1.2 試驗設計

采用大田隨機試驗, 設化肥(H)、有機肥(Y)和有機-無機復混肥(X)3個不同施肥處理組(表 1)。化肥含有機質≥20%, 養分(N-P2O5-K2O)≥15%; 有機肥為畜禽糞便發酵后的生物有機肥, 含有機質≥45%, 養分≥6%; 有機-無機復混肥含有機質≥40%,養分≥20%。試驗在3塊稻田進行, 每塊占地1100 m2,并均以圍隔劃分為4個重復小田塊。稻田4面均挖有養殖環溝, 溝寬4.6 m, 深0.6—1.5 m, 不同處理稻田水體環境狀況見表 2。3月底開始施用肥料, 每10天施1次, 3塊稻田分別按每次化肥45 kg/hm2、有機肥150 kg/hm2、有機-無機復混肥45 kg/hm2標準施用, 施肥方法是將肥料稱量并溶于水后均勻潑灑于養殖溝內。小龍蝦的放養時間為4月19日, 放養密度為2.30尾/m2, 放養規格為100尾/kg。經40d的養殖后于5月29日收獲克氏原螯蝦。

表1 克氏原螯蝦稻田養殖試驗施肥方案Tab. 1 The fertilization plan in paddy fields of P. clarkii

表2 不同處理稻田水體環境參數Tab. 2 Main environmental factors in paddy fields of different treatments

1.3 樣品采集與分析

水體樣品于2019年4—5月采集, 每周采樣一次,共采樣8次, 每次采樣時間選擇在上午8:00—10:00進行。每塊稻田設置4個采樣點, 現場用多參數水質分析儀測定稻田水體的溫度(T)和溶解氧(DO)等理化指標, 同時用2.5 L有機玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣, 每個樣點采集水樣500 mL用于水體營養鹽指標的測定, 500 mL用于浮游植物計數, 浮游植物樣品現場用1.5%的酸性魯哥試液固定。

用于水體營養鹽測定的樣品在帶回實驗室后立即測定總氮(TN)和總磷(TP)等指標, 測定方法參照《水和廢水監測分析方法》[16]。浮游植物樣品帶回實驗室后, 靜置48h以上, 去除上清液, 濃縮到50 mL后取0.1 mL標本液置于浮游植物計數框計數。浮游植物的鑒定、計數及計算參照《中國淡水藻類—系統、分類及生態》[17]和《淡水浮游生物研究方法》[18]等資料進行。

1.4 數據分析

浮游植物的優勢度(PY)根據下列公式計算:

式中,ni為第i種浮游植物的個體數,N為樣品中浮游植物的個體總數,fi為第i種浮游植物在該地區的出現頻率, 在本研究中fi默認為1。將PY>0.1的浮游植物種類定為優勢種。

根據物種豐度, 用PRIMER 5.0軟件計算浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數(H')和Pielou均勻度指數(J)。

利用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同施肥處理對浮游植物多樣性指數的影響, 同時用Duncan’s法進一步分析不同施肥處理間的差異。

采用Microsoft Excel、Origin 9.0、SPSS 19.0和STATISTICA 10.0等軟件統計繪圖。

2 結果

2.1 浮游植物種類組成

在調查期間, 共記錄到浮游植物104種(含3個變種), 隸屬于8門68屬, 其中H處理74種、Y處理和X處理均為81種。從浮游植物的種類組成來看(圖 1),不同施肥模式稻田水體中均以綠藻門的種類為主,其次為硅藻門、裸藻門和藍藻門的種類, 甲藻門和黃藻門的種類最少。

圖1 不同處理稻田水體中浮游植物的種類組成Fig. 1 Phytoplankton species in paddy fields of different treatments

在調查期間, 克氏原螯蝦稻田養殖水體中的主要浮游植物優勢種為擬菱形弓形藻(Schroederia nitzschioides)、小球藻屬(Chlorellasp.)、具尾藍隱藻(Chroomonas caudata)和偽魚腥藻屬(Pseudanabaenasp.)等種類(表 3)。相同月份不同施肥處理間浮游植物優勢種有差異, 但主要優勢種的構成差別較小。

表3 不同處理稻田水體中浮游植物優勢種組成Tab. 3 Dominant phytoplankton species (PY>0.1) in paddy fields of different treatments

2.2 浮游植物豐度和生物量

在調查期間, 不同施肥處理間浮游植物豐度和生物量存在顯著差異, 并均以綠藻和隱藻占優勢(圖 2)。其中, H處理、Y處理和X處理的浮游植物豐度變化范圍分別為 (3.69—26.25)×106、(0.78—9.81)×106和(3.08—30.32)×106ind./L, 浮游植物生物量的變化范圍分別為2.80—26.00、0.55—5.27和2.47—21.59 mg/L, H處理的浮游植物平均豐度(15.80×106ind./L)和平均生物量(11.03 mg/L)最高,其次為X處理(分別為11.86×106ind./L、7.68 mg/L),Y處理最低(分別為4.08×106ind./L、2.71 mg/L)。隱藻豐度在H處理中占比最高, 為24.14%; 藍藻和硅藻豐度在Y處理中占比最高, 分別為13.39%和11.68%; 綠藻豐度則在X處理中占比最高, 達58.44%。

2.3 浮游植物多樣性

不同施肥模式對克氏原螯蝦稻田養殖水體浮游植物多樣性的影響顯示, Pielou均勻度指數和Shannon-Wiener多樣性指數隨時間均呈現出波浪形變化特征(圖 3)。H處理、Y處理和X處理的Pielou均勻度指數變化范圍分別為0.47—0.77、0.63—0.83和0.43—0.87, 平均值分別為0.61、0.74和0.71。在養殖的前期(前3周), Y處理的Pielou均勻度指數高于X處理和H處理, 而養殖后期(3周后)X處理高于Y處理和H處理。

圖3 不同處理稻田水體中浮游植物多樣性的時間變化特征Fig. 3 Variations of phytoplankton diversity in paddy fields of different treatments不同字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05), 下同Different letters indicate significant differences among treatments (P<0.05), the same applies below

在調查期間, H處理、Y處理、X處理的Shannon-Wiener多樣性指數變化范圍分別為1.55—2.54、1.97—2.81和1.56—2.77, 平均值分別為1.95、2.29和2.38。在養殖的初期(前1周)和后期(3周后), X處理的Shannon-Wiener多樣性指數均高于Y處理和H處理, 而養殖中期(2—3周)Y處理顯著高于X處理和H處理。

2.4 浮游植物群落的變化及其影響因素

對3種不同施肥模式下稻田水體浮游植物群落進行非度量多維尺度(MDS)分析, 發現浮游植物群落均呈現出明顯的時間演替模式(圖 4)。H處理的浮游植物群落由養殖初期以隱藻、金藻和綠藻為優勢種演變為養殖末期以綠藻為主要優勢種, 群落組成發生了顯著變化。而在Y處理和X處理的稻田水體中, 浮游植物群落在養殖初期以綠藻、隱藻和硅藻為優勢種, 養殖中期轉變為以綠藻、藍藻和隱藻為優勢種, 到養殖末期又回到了養殖初期以綠藻、隱藻和硅藻為優勢種的狀態(圖 2)。

圖2 不同處理稻田水體中浮游植物豐度和生物量的時間變化特征Fig. 2 Variations of phytoplankton abundance and biomass in paddy fields of different treatments

圖4 不同處理稻田水體中浮游植物群落的演替特征Fig. 4 Succession of phytoplankton community in paddy fields of different treatments

在不同施肥模式的稻田水體中, 水溫(T)、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)和氮磷比(N/P)均呈現出波浪形變化特征(圖 5)。H處理的T和DO較其他處理整體偏高, 不同施肥處理間的營養鹽差異不顯著。

圖5 不同處理稻田水體環境因子的時間變化特征Fig. 5 Variations of environmental factors in paddy fields of different treatments

稻田環境因子對浮游植物豐度具有重要影響(表 4)。在H處理的稻田水體中, 裸藻主要受DO、TP和N/P比的影響, 隱藻和黃藻主要受T影響, 金藻則與TN存在顯著負相關關系。在Y處理的稻田中,只有硅藻與T關系密切, 其他藻類與環境因子的關系不顯著。在X處理的稻田水體中, 硅藻和隱藻與TN存在顯著負相關關系, 而甲藻主要受DO和T的影響。此外, 在不同施肥模式中, 綠藻和藍藻與環境因子的關系均不顯著。

表4 不同處理稻田水體中浮游植物豐度的多元線性回歸模型Tab. 4 Linear regression models explaining the phytoplankton abundance in paddy fields of different treatments

3 討論

3.1 不同施肥模式對稻田水體中浮游植物群落的影響

不同施肥模式對養殖水體中浮游植物群落的影響差別較大。在本研究中, 施有機肥和有機-無機復混肥的稻田中浮游植物種類數相同且均高于施化肥稻田, 但不同施肥處理間稻田浮游植物優勢種的差異較小, 這說明稻田中浮游植物群落組成受施肥的影響較小。該研究結果與前人對不同施肥模式下池塘養殖水體中浮游植物群落結構的研究一致[3,19,20], 但與張萍等[21]所報道的克氏原螯蝦養殖池塘浮游植物群落動態變化存在差異。浮游植物群落結構的變化主要受營養鹽[22]和季節變化[19]的影響, 這可能是導致本研究中不同施肥處理間浮游植物群落組成差異不明顯的主要原因。

在通常情況下, 施肥可增加養殖水體中浮游植物的豐度和生物量, 且不同肥料對浮游植物豐度和生物量的影響存在差異[20,22,23]。金芳芳等[19]發現施肥可顯著增加養殖水體中浮游植物優勢種的豐度。孫衛明等[6]報道在凡納濱對蝦養殖水體中添加無機肥的浮游植物生物量顯著高于其他施肥組合。Mischke等[10]的研究發現, 在養魚池塘中同時施無機肥和有機肥的綠藻生物量、硅藻生物量和Chl.a顯著高于施有機肥的池塘。在本研究中, 浮游植物豐度和生物量的變化特征均表現為化肥>有機-無機復混肥>有機肥, 該結果與前人的研究結論[6,10]一致。此外, 在養殖水體中施用有機肥可改善池塘生態環境, 抑制藍藻的生長[23,24], 但也有研究結果表明施用有機肥能夠增加藍藻的數量[25]。張萍等[21]發現施有機肥可有效地增加克氏原螯蝦養殖池塘中小席藻(Phormidium tenue)、魚腥藻(Anabaena)、擬魚腥藻(Anabaenopsis)和平裂藻(Merismopedia)的相對優勢。孟順龍等[23]發現養殖水體中添加有機肥可降低惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)和束球藻(Gomphosphaeria)等藍藻的比例, 增加小環藻和舟形藻(Navicula)等硅藻的數量。在本研究中, 施有機肥的稻田中藍藻和硅藻的比例均高于同期施有機-無機復混肥和化肥的稻田,表明在稻田養殖水體中施有機肥具有促進藍藻和硅藻生長的效果, 尤其是偽魚腥藻、色球藻(Chroococcus)、小環藻和舟形藻等浮游植物種類,這可能與施有機肥稻田中較高的有機質含量[25]和較低的氮磷比[26]有關。

浮游植物多樣性對群落演替的方向、速率和穩定性具有重要影響[27], 浮游植物的過度繁殖將嚴重影響到水生動物的正常生長甚至導致其死亡[28]。施肥可顯著提高養殖水體的浮游植物多樣性, 改善浮游植物的群落結構, 且不同肥料類別對浮游植物多樣性的影響存在差異[22,23]。在本研究中, 施有機肥和施有機-無機復混肥的稻田中浮游植物多樣性均高于施化肥稻田, 表明施用有機肥不僅能夠提高浮游植物多樣性, 還有助于改善稻田養殖水體環境, 這一結果與前人對池塘養殖水體的研究報道一致[6,23,29]。

3.2 浮游植物群落與環境的關系

在本研究中, 施化肥稻田的浮游植物群落由養殖初期以隱藻、金藻和綠藻為優勢種演變為養殖末期以綠藻為主要優勢種, 群落組成發生了顯著變化, 而施有機肥和有機-無機復混肥的稻田水體中,浮游植物群落組成在整個養殖期差異較小, 稻田中浮游植物多樣性也均高于施化肥稻田, 說明施用化肥顯著改變了克氏原螯蝦稻田養殖水體的浮游植物群落結構, 而施用有機肥和有機-無機復混肥可使浮游植物群落處于更加穩定的狀態[6]。該結果與孟順龍等[23]的研究結果一致, 表明施有機肥具有改善養殖水體浮游植物群落結構的效果。

水溫和營養鹽是限制浮游植物生長的重要因素[30]。在自然水體中, 浮游植物的最適生長溫度為18—25℃[17], 低溫有利于硅藻和隱藻占優勢地位,黃藻和甲藻在低溫下基本不生長, 高溫時則只有部分藍藻能夠持續生長[31]。在本研究中, 水溫與硅藻和隱藻均呈顯著負相關關系, 與宋慶洋等[15]研究結果一致, 施化肥和有機-無機復混肥稻田中, 水溫與黃藻和甲藻呈顯著正相關關系, 說明養分豐富的稻田水體中, 春季水溫的回升可促進黃藻和甲藻的生長。營養鹽是影響稻田生態系統中浮游植物群落的關鍵因子, 春季溫度回升可促使底泥向養殖水體中釋放營養鹽, 此外施入水體的肥料及養殖過程中的蝦糞也可促進浮游植物的生長繁殖[15]。在本研究中, 硅藻、隱藻和金藻與營養鹽均呈顯著負相關關系, 該結果與唐金玉等[22]的報道一致; 施化肥稻田中裸藻與營養鹽呈顯著正相關關系, 說明營養鹽的增加可促進裸藻的生長。在本研究的不同施肥模式中, 綠藻和藍藻與環境因子的相關性均不顯著,可能是競爭或捕食等間接因素掩蓋了環境因子的真實影響, 因為除環境因子外, 捕食和競爭等生物因素也是影響浮游植物群落變化的重要因素[28]。這些結果表明克氏原螯蝦稻田養殖水體中浮游植物群落與水溫和營養鹽密切相關, 且不同施肥模式下影響浮游植物群落的環境因子存在差異。

4 結論

在稻田養殖水體中施肥會改變浮游植物群落結構, 且不同施肥模式對浮游植物群落的影響存在差異。相較于施化肥稻田, 施有機肥和有機-無機復混肥的稻田中浮游植物的豐度和生物量更低, 但生物多樣性更高, 群落也更加穩定。不同施肥模式下浮游植物群落的影響因子存在差異, 水溫和營養鹽是影響稻田水體浮游植物群落結構的主要環境因子。