“稻-鴨-蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式水體中的氮磷濃度及藻類生物量變化

黃 巍, 余經(jīng)緯, 李玉成, 張學(xué)勝, 王 寧

(安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

作為我國重點(diǎn)治理的“三湖”之一，巢湖的水體污染問題主要是氮磷含量過高導(dǎo)致的水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化，而農(nóng)業(yè)面源污染是造成巢湖氮磷含量過高的重要因素之一[1-2]。巢湖流域農(nóng)田中大量施用化肥農(nóng)藥，未被利用的氮磷等污染物通過徑流、淋溶等方式匯入巢湖，成為巢湖富營養(yǎng)化加快的主要原因之一[3]。如何有效防治農(nóng)業(yè)面源污染，修復(fù)受損水體是目前亟待解決的重要問題[4]。環(huán)巢湖流域稻田分布廣泛，其在生產(chǎn)糧食的同時(shí)，也發(fā)揮著人工濕地的功能[5]。因此，合理的稻田種植模式可緩解農(nóng)業(yè)面源污染，有效削減流入巢湖的污染物量。生態(tài)種養(yǎng)是我國循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要模式，“稻—鴨”、“稻—蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式是在常規(guī)種植的基礎(chǔ)上，一方面利用鴨、蝦的活動除草除蟲代替農(nóng)藥和除草劑，鴨糞和蝦糞替代常規(guī)種植模式下使用的化肥，另一方面通過水稻對氮磷的吸收，不但降低了農(nóng)藥和化肥的投入，又能有效地改變氮磷的污染遷移，從而去除氮磷，降低農(nóng)業(yè)環(huán)境污染[6-8]。但是，目前關(guān)于生態(tài)種養(yǎng)的研究主要集中在單一種養(yǎng)模式，如稻鴨共生對水稻生長[9]、土壤性質(zhì)[10]、病蟲草害的控制效果[11]以及稻漁對水稻生育特點(diǎn)[12]、水體環(huán)境[13]的影響等方面，鮮有研究結(jié)合這兩種單一種養(yǎng)模式以及溝渠濕地進(jìn)行考慮，并對其相應(yīng)的水體中氮磷及藻類進(jìn)行研究。為此，本試驗(yàn)在環(huán)巢湖流域通過大規(guī)模的稻田種植，以“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式和常規(guī)種植模式下的水稻田為研究對象，一方面考察了水稻生育期內(nèi)田面水中各形態(tài)氮磷、藻類生物量變化特征，另一方面對其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，旨在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下，為降低農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于安徽省合肥市廬江縣北圩村，地處中緯度地帶，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，陽光充沛，無霜期長，梅雨特征顯著。平均氣溫為15.8 ℃，平均降水量為1 188.1 mm，平均無霜期為238 d，土壤類型為典型的水稻土。

1.2 研究材料

試驗(yàn)水稻選用“南粳46”，審定編號：滬農(nóng)品審水稻(2009)第003號，全生育期158 d左右，株型適中，葉色淡綠，熟期轉(zhuǎn)色好；抗倒性差。平均株高104.9 cm，每1 hm2有效穗3.30×106，穗長14.9 cm，每穗總粒數(shù)120～130粒，結(jié)實(shí)率90%，千粒重25.5克；鴨的品種為“巢湖麻鴨”；蝦的品種為“克氏原螯蝦”；基肥為安徽某公司生產(chǎn)的復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為21∶9∶10)；追肥為安徽某公司生產(chǎn)的尿素(含氮量為46%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與栽培管理

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)在2017年晚稻生育期間采取田間試驗(yàn)。試驗(yàn)分為兩種處理區(qū)：常規(guī)種植模式處理區(qū)(CK)和“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式處理區(qū)(RDS)。各土壤的基本理化性質(zhì)詳見表1。每個(gè)處理區(qū)面積為1.78 hm2，3次重復(fù)。處理區(qū)CK：不放入鴨、蝦，按照當(dāng)?shù)胤N植模式，稻田基肥施用量為600 kg/hm2，追肥施用量為150 kg/hm2，晚稻整個(gè)生育期內(nèi)根據(jù)水稻病蟲害施用農(nóng)藥(4次)和除草劑(2次)。處理區(qū)RDS：放入鴨、蝦，每個(gè)小區(qū)四周挖寬2.5 m，深2 m的“回”形溝渠，溝渠中種植輪葉黑藻、水花生和當(dāng)?shù)仉s草，溝渠和水稻田內(nèi)水體互通，水互相循環(huán)。稻田肥料施用量減半化處理，基肥施用量為300 kg/hm2，追肥施用量75 kg/hm2，在水稻的整個(gè)生育期內(nèi)不施用農(nóng)藥和除草劑。

表1 試驗(yàn)地土壤的基本理化性質(zhì)

注：RDS為“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式處理區(qū)，CK為常規(guī)種植模式處理區(qū)。下同。

1.4 樣品采集與測定方法

1.4.2 浮游藻類 按照《淡水浮游生物研究方法》[15]在水稻的移栽期、返青期、分蘗前期、分蘗后期、孕穗期、抽穗期和乳熟期(時(shí)間同表層水樣采集時(shí)間一致)采集、定性和定量分析各處理區(qū)中的浮游藻類樣品。用25號浮游生物網(wǎng)采集定性樣品；用采水器取1 L混合均勻后的定量樣品，現(xiàn)場加入1%魯哥氏液固定，回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)48 h沉淀濃縮至30 ml，吸取濃縮樣品0.1 ml置于0.1 ml計(jì)數(shù)框內(nèi)，在10×40倍光學(xué)顯微鏡下用視野法計(jì)數(shù)。浮游藻類鑒定主要依據(jù)《中國淡水藻類》[16]，浮游藻類生物量測定是在計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，依照體積法，按水的比重?fù)Q算成生物量[15]。

1.4.3 水稻 水稻成熟期后各處理區(qū)水稻單產(chǎn)單收，脫谷后實(shí)測產(chǎn)量；各處理區(qū)調(diào)查單位面積(1 m2)收獲穗數(shù)，取代表性稻株5穴用以考種；稻谷曬干后按照《GB/T17891-2017優(yōu)質(zhì)稻谷》測定稻米中蛋白質(zhì)含量；按照《GB5009.15-2014》測定稻米中Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

浮游藻類多樣性用Shannon-Wiener[17]多樣性指數(shù)來計(jì)算，即：

式中：H——Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；ni——物種i的生物量；N——群落樣本個(gè)體總生物量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，Origin 8.5進(jìn)行制圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理氮磷濃度變化特征

在水稻生長期內(nèi)，各處理區(qū)中稻田水體的TN和TP濃度變化趨勢如圖1所示。由圖1可以看出，水稻全生育期內(nèi)，處理區(qū)RDS中TN和TP的濃度整體上比處理區(qū)CK中TN和TP的濃度低32.43%和19.35%。處理區(qū)CK乳熟期稻田排水中的TN(4.53 mg/L)、TP(0.63 mg/L)濃度遠(yuǎn)超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中規(guī)定的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)(TN ≤2 mg/L，TP≤0.4 mg/L)，而處理區(qū)RDS乳熟期排水中的TP(0.38 mg/L)濃度處于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，僅TN(2.12 mg/L)濃度略微超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。各處理區(qū)稻田水體中TN和TP的濃度整體上均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(圖1)，且均在水稻的生長前期達(dá)到峰值，隨后逐漸下降。在水稻的分蘗前期，處理區(qū)RDS中TP濃度超過了處理區(qū)CK。水稻分蘗后期，各處理區(qū)中TN，TP濃度均出現(xiàn)大幅度下降。在水稻的整個(gè)生育期內(nèi)，TN濃度在各處理間均出現(xiàn)極顯著差異(p<0.01)；在水稻的分蘗后期，TP濃度在各處理間出現(xiàn)顯著差異(p<0.05)，而在水稻的移栽期、返青期和乳熟期，TP濃度在各處理間出現(xiàn)極顯著差異(p<0.01)。相比于初始灌溉水濃度，經(jīng)過一季晚稻種植后處理區(qū)CK增加了水體中N，P的含量，而處理區(qū)RDS能有效地去除水體中的N和P含量，TN，TP的去除率達(dá)到38.7%和26.9%，對N的去除效果要優(yōu)于P。

注：*表示各處理間差異顯著(p<0.05)，**表示各處理間差異極顯著(p<0.01)。下同。圖1 水稻生長時(shí)期各處理區(qū)氮磷濃度變化

圖2 水稻生長時(shí)期各處理區(qū)不同形態(tài)氮磷濃度的比例

2.2 不同處理藻類變化特征

2.2.1 不同處理藻類生物量變化 藻類總生物量是反映出水體浮游藻類含量多少的主要指標(biāo)。從圖3中可以看出，在水稻整個(gè)生長期內(nèi)，各處理區(qū)中藻類總生物量均呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢。在水稻的分蘗期、孕穗期和抽穗期，處理區(qū)RDS中藻類總生物量低于處理區(qū)CK，且差異性顯著(p<0.05)，表明處理區(qū)RDS中的藻類繁殖受到一定程度的抑制。各處理區(qū)中藻類總生物量均在水稻的分蘗前期達(dá)到峰值，分別為18.54和12.34 mg/L。處理區(qū)RDS中藻類總生物量在水稻的分蘗后期和抽穗期降幅明顯，分別減少了29.8%和38.9%，而在水稻的孕穗期降幅并不明顯，在水稻的乳熟期，藻類總生物量在一定程度甚至有所增加。處理區(qū)CK藻類總生物量在水稻的分蘗后期、孕穗期和乳熟期降幅明顯，分別減少了17.8%和33.9%和32%。相比于初始灌溉水藻類總生物量，各處理區(qū)均能減少水體中的藻類總生物量，但效果并不顯著。

圖3 水稻生長時(shí)期各處理區(qū)藻類生物量變化

2.2.2 不同處理乳熟期水中藻類群落結(jié)構(gòu) 各處理區(qū)乳熟期稻田排水中藻類的鑒定結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，各處理區(qū)中藻類群落均包括藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門和甲藻門這6門，且總種類數(shù)量差異不大，但藻類各門間的種類數(shù)量有很大差異。其中，處理區(qū)RDS中藻類種類較多的是硅藻門和綠藻門，分別占藻類總種類數(shù)的32.10%和27.16%；而處理區(qū)CK中藻類種類較多的是藍(lán)藻門和綠藻門，分別占藻類總種類數(shù)的30.77%和41.03%。從各處理區(qū)乳熟期稻田排水中藻類各門間的生物量來看(表2)，處理區(qū)RDS中的優(yōu)勢種主要集中在綠藻門(占總生物量的27.79%)和硅藻門(占總生物量的30.19%)，而處理區(qū)CK中的優(yōu)勢種主要集中在藍(lán)藻門(占總生物量的46.70%)和綠藻門(占總生物量的36.96%)。乳熟期稻田排水中處理區(qū)RDS中藻類的生物多樣性指數(shù)明顯高于處理區(qū)CK。一般而言，群落中物種的種類越豐富或者分布越均勻，其Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)就越大，對于環(huán)境的反饋功能就越強(qiáng)，穩(wěn)定性和水質(zhì)越好；反之，如果水體受到污染，會影響一部分敏感型物種的生存，導(dǎo)致耐污性物種大量繁殖，群落結(jié)構(gòu)簡單化，水質(zhì)惡化。0為嚴(yán)重污染環(huán)境；0～1為重污染環(huán)境；1～2為中污染環(huán)境；2～3為輕污染環(huán)境；大于3為清潔環(huán)境[18-19]。從表1可以看出，處理區(qū)RDS中排水的H值為2.34，水質(zhì)為輕度污染類型，而處理區(qū)CK中排水的H值為1.77，水質(zhì)為中度污染類型。結(jié)果表明，“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式改善了藻類群落結(jié)構(gòu)，增加了稻田排水中水體的穩(wěn)定性，降低了水體的污染程度。

表2 水稻乳熟期排水中各處理區(qū)藻類種數(shù)和生物量

2.3 不同處理產(chǎn)量、米質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

由表3可知，與處理區(qū)CK相比，處理區(qū)RDS中水稻的有效穗、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率分別提高了4.83%，5.28%和2.84%，水稻的有效穗和結(jié)實(shí)率在各處理間差異顯著(p<0.05)，稻谷單位面積實(shí)際產(chǎn)量增加5.67%，但稻谷總產(chǎn)量減少13.44%。各處理區(qū)中稻米重金屬Cd的含量均未超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2017)》中所規(guī)定的稻米衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(Cd≤0.2 mg/kg)，且無顯著差異。蛋白質(zhì)作為稻米的主要營養(yǎng)來源，相比于處理區(qū)CK，處理區(qū)RDS中稻米的蛋白質(zhì)含量顯著增加8.15%。從經(jīng)濟(jì)效益來看，相比于處理區(qū)CK，處理區(qū)RDS的總凈收入增加了5 280元/hm2(表4)。

表3 各處理區(qū)水稻產(chǎn)量構(gòu)成及米質(zhì)

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；*表示各處理間差異顯著(p<0.05)，**表示各處理間差異極顯著(p<0.01)。

表4“稻-鴨-蝦”生態(tài)種養(yǎng)稻田與常規(guī)稻田經(jīng)濟(jì)效益估算表元/hm2

處理區(qū)現(xiàn)金支出項(xiàng)目金額現(xiàn)金收入項(xiàng)目金額凈收入RDS稻種195稻谷20 670化肥1 010肉鴨10 700機(jī)械作業(yè)費(fèi)6 600蝦7 695鴨苗765蝦苗1 875飼料3 800人工5 200防護(hù)設(shè)施費(fèi)1 600其他2 400合計(jì)23 445合計(jì)39 06515 620CK稻種260稻谷21 890化肥2 400農(nóng)藥、除草劑2 150機(jī)械作業(yè)費(fèi)2 650人工2 700其他1 390合計(jì)11 550合計(jì)21 89010 340

3 討 論

“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)模式下稻田水體中N，P含量整體低于常規(guī)種植，表明“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)稻田中的N，P流失風(fēng)險(xiǎn)低于常規(guī)種植。相關(guān)研究[20-21]結(jié)果表明，采用有機(jī)肥替代部分化肥，稻田與溝渠濕地協(xié)同處理均可以有效降低水體中N，P輸出負(fù)荷，且稻鴨共育提高了水稻秸稈的N，P吸收量[22]。本研究表明通過降低水稻田中化肥農(nóng)藥的使用量，以及利用溝渠中基質(zhì)底泥和水生植物對N，P的吸附吸收，減少了稻田水體中N，P含量，降低因稻田排水帶來的水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。在水稻分蘗前期，水稻還處于秧苗期，對磷素的需求低，而處理區(qū)RDS中剛放鴨不久，鴨糞中的有機(jī)質(zhì)氧化分解釋放磷元素，且鴨子在田間踩踏，使土壤表層顆粒中的磷元素被誘導(dǎo)釋放到水體中，從而導(dǎo)致了處理區(qū)RDS的TP濃度有了一定程度的增加。由于水稻分蘗前補(bǔ)充了氮肥，各處理區(qū)水體中TN濃度在水稻分蘗前期均達(dá)到峰值。隨著水稻的生長發(fā)育，水稻對N，P營養(yǎng)元素需求的增強(qiáng)，加上溝渠濕地的凈化，水稻生長后期水體中N，P含量迅速降低。薛利紅[23]等研究發(fā)現(xiàn)稻田濕地在水稻拔節(jié)期和灌漿期，對水體中的TN，TP有很高的去除率，與本文研究結(jié)果一致。

藻類的生長繁殖受到光照、營養(yǎng)鹽、水生動物、食水生動物魚類等多種因素的影響[26]。在水稻的生長前期，稻田中光照和營養(yǎng)鹽含量充足，此時(shí)水稻尚處于生長期，在和藻類對光照和營養(yǎng)鹽的競爭中并不占優(yōu)勢，導(dǎo)致各處理區(qū)水體中藻類快速繁殖。宋玉芝[27]等研究發(fā)現(xiàn)藻類隨著水體中氮含量的增加而增加，與沉水植物是否存在并無關(guān)系，而處理區(qū)RDS的藻類總生物量在水稻分蘗前期增幅并不明顯，原因可能是鴨和蝦是濾食性動物，攝食水體中的藻類，在一定程度上減緩了藻類的繁殖速度。隨著水稻的生長，水稻競爭性以及遮光性的增強(qiáng)，各處理區(qū)水體中的藻類總生物量均出現(xiàn)大幅度下降。處理區(qū)CK在水稻的抽穗期藻類總生物量的變化并不明顯，可能與處理區(qū)CK在水稻抽穗前田間施灑農(nóng)藥有關(guān)，沈宏等[28]研究發(fā)現(xiàn)較低濃度的有機(jī)物可以促進(jìn)藻類的繁殖。處理區(qū)RDS在水稻的乳熟期藻類總生物量小幅度上升可能是由于鴨、蝦的離田，藻類缺少捕食者。

處理區(qū)RDS水體中藻類總生物量低于處理區(qū)CK，這是由于處理區(qū)RDS水體的營養(yǎng)鹽含量低，且鴨、蝦對藻類的攝食，水生植物對光照和營養(yǎng)鹽的競爭導(dǎo)致處理區(qū)RDS水體中藻類繁殖受到抑制。張萍[29]等研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)殖克氏原螯蝦的水中添加有機(jī)肥，會抑制藍(lán)藻等有害藻類的繁殖，且在流動的水體中，往往能快速繁殖的藻類如硅藻等更具競爭優(yōu)勢[30]。本文研究得出處理區(qū)RDS乳熟期排水中藻類總生物量主要以硅藻和綠藻為主，與處理區(qū)CK有明顯差異，可見水生植被的修復(fù)和水質(zhì)的改善會對藻類的群落結(jié)構(gòu)造成顯著影響[31]。相比于處理區(qū)CK，處理區(qū)RDS乳熟期排水中Shannon-Wiener指數(shù)更高，水體穩(wěn)定性更強(qiáng)，水體污染程度更小，與汪金平[32]等研究結(jié)果類似。

鴨子在田間的穿行和啄食，刺激了水稻的根系生長，使水稻植株更加健壯，提高群體質(zhì)量，減少了水稻的無效分蘗，有效提高了處理區(qū)RDS中水稻的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量。處理區(qū)RDS中由于利用鴨糞、蝦糞作為有機(jī)肥替代部分化肥，不施農(nóng)藥和除草劑，使水稻在一個(gè)優(yōu)質(zhì)的環(huán)境中生長發(fā)育，提高了稻米中蛋白質(zhì)的營養(yǎng)含量。各處理區(qū)稻米中Cd含量均在稻米衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，表明鴨、蝦進(jìn)入稻田生態(tài)系統(tǒng)并沒有帶來稻米重金屬Cd的污染風(fēng)險(xiǎn)，與張帆[33]等研究結(jié)果一致。本研究處理區(qū)RDS中將一部分稻田面積改造成溝渠，來凈化水體中氮磷，降低了稻田內(nèi)的種植面積，故在稻谷總產(chǎn)量上有一定程度的降低，但是由于有鴨和蝦的產(chǎn)出，處理區(qū)RDS的總凈收入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處理區(qū)CK。

“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)通過將部分稻田改造成溝渠，利用水稻、鴨和蝦的共生關(guān)系，發(fā)揮了水稻田系統(tǒng)的生產(chǎn)、養(yǎng)殖和環(huán)境調(diào)控功能，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，降低了稻田排水帶來的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

(1) 相比于常規(guī)種植，“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)能有效減少稻田水體中N，P含量，TN，TP含量分別減少了32.43%和19.35%，降低了因N，P流失帶來的水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過一季種植，“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)對初始灌溉水中的TN，TP的去除率分別達(dá)到38.7%，26.9%，對氮磷有較好凈化作用。

(2) “稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)稻田水體中N，P各形態(tài)變化與常規(guī)種植有明顯差異。在水稻全生育期內(nèi)，DTP和PP比例更加穩(wěn)定，而在水稻后期，稻田水體中ON比例明顯增加。

(3) “稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)改善了藻類植物群落結(jié)構(gòu)，稻田排水中藻類Shannon-Wiener多樣性指數(shù)提高到2.34，有效增加水體的穩(wěn)定性，降低水體污染程度。

(4) 相比于常規(guī)種植，“稻—鴨—蝦”生態(tài)種養(yǎng)中水稻的有效穗、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率分別提高了4.83%，5.28%和2.84%，稻米中蛋白質(zhì)含量增加了8.15%，提高了經(jīng)濟(jì)效益，且并未帶來重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，是值得推廣的大田種養(yǎng)技術(shù)。