“稻-鴨-蝦”生態種養模式水體中的氮磷濃度及藻類生物量變化

黃 巍, 余經緯, 李玉成, 張學勝, 王 寧

(安徽大學 資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230601)

作為我國重點治理的“三湖”之一，巢湖的水體污染問題主要是氮磷含量過高導致的水體嚴重富營養化，而農業面源污染是造成巢湖氮磷含量過高的重要因素之一[1-2]。巢湖流域農田中大量施用化肥農藥，未被利用的氮磷等污染物通過徑流、淋溶等方式匯入巢湖，成為巢湖富營養化加快的主要原因之一[3]。如何有效防治農業面源污染，修復受損水體是目前亟待解決的重要問題[4]。環巢湖流域稻田分布廣泛，其在生產糧食的同時，也發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業面源污染，有效削減流入巢湖的污染物量。生態種養是我國循環農業發展的重要模式，“稻—鴨”、“稻—蝦”生態種養模式是在常規種植的基礎上，一方面利用鴨、蝦的活動除草除蟲代替農藥和除草劑，鴨糞和蝦糞替代常規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，降低農業環境污染[6-8]。但是，目前關于生態種養的研究主要集中在單一種養模式，如稻鴨共生對水稻生長[9]、土壤性質[10]、病蟲草害的控制效果[11]以及稻漁對水稻生育特點[12]、水體環境[13]的影響等方面，鮮有研究結合這兩種單一種養模式以及溝渠濕地進行考慮，并對其相應的水體中氮磷及藻類進行研究。為此，本試驗在環巢湖流域通過大規模的稻田種植，以“稻—鴨—蝦”生態種養模式和常規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田面水中各形態氮磷、藻類生物量變化特征，另一方面對其所帶來的經濟效益進行分析，旨在保證經濟效益的前提下，為降低農業面源污染提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區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

試驗水稻選用“南粳46”，審定編號：滬農品審水稻(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120～130粒，結實率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的復合肥(N∶P2O5∶K2O為21∶9∶10)；追肥為安徽某公司生產的尿素(含氮量為46%)。

1.3 試驗設計與栽培管理

1.3.1 試驗設計 本試驗在2017年晚稻生育期間采取田間試驗。試驗分為兩種處理區：常規種植模式處理區(CK)和“稻—鴨—蝦”生態種養模式處理區(RDS)。各土壤的基本理化性質詳見表1。每個處理區面積為1.78 hm2，3次重復。處理區CK：不放入鴨、蝦，按照當地種植模式，稻田基肥施用量為600 kg/hm2，追肥施用量為150 kg/hm2，晚稻整個生育期內根據水稻病蟲害施用農藥(4次)和除草劑(2次)。處理區RDS：放入鴨、蝦，每個小區四周挖寬2.5 m，深2 m的“回”形溝渠，溝渠中種植輪葉黑藻、水花生和當地雜草，溝渠和水稻田內水體互通，水互相循環。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，在水稻的整個生育期內不施用農藥和除草劑。

表1 試驗地土壤的基本理化性質

注：RDS為“稻—鴨—蝦”生態種養模式處理區，CK為常規種植模式處理區。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(時間同表層水樣采集時間一致)采集、定性和定量分析各處理區中的浮游藻類樣品。用25號浮游生物網采集定性樣品；用采水器取1 L混合均勻后的定量樣品，現場加入1%魯哥氏液固定，回實驗室后經48 h沉淀濃縮至30 ml，吸取濃縮樣品0.1 ml置于0.1 ml計數框內，在10×40倍光學顯微鏡下用視野法計數。浮游藻類鑒定主要依據《中國淡水藻類》[16]，浮游藻類生物量測定是在計數的基礎上，依照體積法，按水的比重換算成生物量[15]。

1.4.3 水稻 水稻成熟期后各處理區水稻單產單收，脫谷后實測產量；各處理區調查單位面積(1 m2)收獲穗數，取代表性稻株5穴用以考種；稻谷曬干后按照《GB/T17891-2017優質稻谷》測定稻米中蛋白質含量；按照《GB5009.15-2014》測定稻米中Cd含量。

1.5 數據處理

浮游藻類多樣性用Shannon-Wiener[17]多樣性指數來計算，即：

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

試驗數據采用SPSS 21.0采用獨立樣本t檢驗進行分析，Origin 8.5進行制圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理氮磷濃度變化特征

在水稻生長期內，各處理區中稻田水體的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，處理區RDS中TN和TP的濃度整體上比處理區CK中TN和TP的濃度低32.43%和19.35%。處理區CK乳熟期稻田排水中的TN(4.53 mg/L)、TP(0.63 mg/L)濃度遠超《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中規定的Ⅴ類水標準(TN ≤2 mg/L，TP≤0.4 mg/L)，而處理區RDS乳熟期排水中的TP(0.38 mg/L)濃度處于Ⅴ類水標準，僅TN(2.12 mg/L)濃度略微超過Ⅴ類水標準。各處理區稻田水體中TN和TP的濃度整體上均呈現出先上升后下降的趨勢(圖1)，且均在水稻的生長前期達到峰值，隨后逐漸下降。在水稻的分蘗前期，處理區RDS中TP濃度超過了處理區CK。水稻分蘗后期，各處理區中TN，TP濃度均出現大幅度下降。在水稻的整個生育期內，TN濃度在各處理間均出現極顯著差異(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極顯著差異(p<0.01)。相比于初始灌溉水濃度，經過一季晚稻種植后處理區CK增加了水體中N，P的含量，而處理區RDS能有效地去除水體中的N和P含量，TN，TP的去除率達到38.7%和26.9%，對N的去除效果要優于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 水稻生長時期各處理區氮磷濃度變化

圖2 水稻生長時期各處理區不同形態氮磷濃度的比例

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。從圖3中可以看出，在水稻整個生長期內，各處理區中藻類總生物量均呈現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RDS中藻類總生物量低于處理區CK，且差異性顯著(p<0.05)，表明處理區RDS中的藻類繁殖受到一定程度的抑制。各處理區中藻類總生物量均在水稻的分蘗前期達到峰值，分別為18.54和12.34 mg/L。處理區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 水稻生長時期各處理區藻類生物量變化

2.2.2 不同處理乳熟期水中藻類群落結構 各處理區乳熟期稻田排水中藻類的鑒定結果如表2所示。

從表2可以看出，各處理區中藻類群落均包括藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門和甲藻門這6門，且總種類數量差異不大，但藻類各門間的種類數量有很大差異。其中，處理區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的32.10%和27.16%；而處理區CK中藻類種類較多的是藍藻門和綠藻門，分別占藻類總種類數的30.77%和41.03%。從各處理區乳熟期稻田排水中藻類各門間的生物量來看(表2)，處理區RDS中的優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CK中的優勢種主要集中在藍藻門(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RDS中藻類的生物多樣性指數明顯高于處理區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(H)就越大，對于環境的反饋功能就越強，穩定性和水質越好；反之，如果水體受到污染，會影響一部分敏感型物種的生存，導致耐污性物種大量繁殖，群落結構簡單化，水質惡化。0為嚴重污染環境；0～1為重污染環境；1～2為中污染環境；2～3為輕污染環境；大于3為清潔環境[18-19]。從表1可以看出，處理區RDS中排水的H值為2.34，水質為輕度污染類型，而處理區CK中排水的H值為1.77，水質為中度污染類型。結果表明，“稻—鴨—蝦”生態種養模式改善了藻類群落結構，增加了稻田排水中水體的穩定性，降低了水體的污染程度。

表2 水稻乳熟期排水中各處理區藻類種數和生物量

2.3 不同處理產量、米質及經濟效益分析

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

表3 各處理區水稻產量構成及米質

注：數據為平均值±標準差；*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”生態種養稻田與常規稻田經濟效益估算表元/hm2

處理區現金支出項目金額現金收入項目金額凈收入RDS稻種195稻谷20 670化肥1 010肉鴨10 700機械作業費6 600蝦7 695鴨苗765蝦苗1 875飼料3 800人工5 200防護設施費1 600其他2 400合計23 445合計39 06515 620CK稻種260稻谷21 890化肥2 400農藥、除草劑2 150機械作業費2 650人工2 700其他1 390合計11 550合計21 89010 340

3 討 論

“稻—鴨—蝦”生態種養模式下稻田水體中N，P含量整體低于常規種植，表明“稻—鴨—蝦”生態種養稻田中的N，P流失風險低于常規種植。相關研究[20-21]結果表明，采用有機肥替代部分化肥，稻田與溝渠濕地協同處理均可以有效降低水體中N，P輸出負荷，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藥的使用量，以及利用溝渠中基質底泥和水生植物對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化風險。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RDS中剛放鴨不久，鴨糞中的有機質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釋放到水體中，從而導致了處理區RDS的TP濃度有了一定程度的增加。由于水稻分蘗前補充了氮肥，各處理區水體中TN濃度在水稻分蘗前期均達到峰值。隨著水稻的生長發育，水稻對N，P營養元素需求的增強，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]等研究發現稻田濕地在水稻拔節期和灌漿期，對水體中的TN，TP有很高的去除率，與本文研究結果一致。

藻類的生長繁殖受到光照、營養鹽、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，稻田中光照和營養鹽含量充足，此時水稻尚處于生長期，在和藻類對光照和營養鹽的競爭中并不占優勢，導致各處理區水體中藻類快速繁殖。宋玉芝[27]等研究發現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系，而處理區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，各處理區水體中的藻類總生物量均出現大幅度下降。處理區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CK在水稻抽穗前田間施灑農藥有關，沈宏等[28]研究發現較低濃度的有機物可以促進藻類的繁殖。處理區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RDS水體中藻類總生物量低于處理區CK，這是由于處理區RDS水體的營養鹽含量低，且鴨、蝦對藻類的攝食，水生植物對光照和營養鹽的競爭導致處理區RDS水體中藻類繁殖受到抑制。張萍[29]等研究發現，在養殖克氏原螯蝦的水中添加有機肥，會抑制藍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勢[30]。本文研究得出處理區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CK有明顯差異，可見水生植被的修復和水質的改善會對藻類的群落結構造成顯著影響[31]。相比于處理區CK，處理區RDS乳熟期排水中Shannon-Wiener指數更高，水體穩定性更強，水體污染程度更小，與汪金平[32]等研究結果類似。

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，提高群體質量，減少了水稻的無效分蘗，有效提高了處理區RDS中水稻的有效穗數、穗粒數、結實率和產量。處理區RDS中由于利用鴨糞、蝦糞作為有機肥替代部分化肥，不施農藥和除草劑，使水稻在一個優質的環境中生長發育，提高了稻米中蛋白質的營養含量。各處理區稻米中Cd含量均在稻米衛生標準之內，表明鴨、蝦進入稻田生態系統并沒有帶來稻米重金屬Cd的污染風險，與張帆[33]等研究結果一致。本研究處理區RDS中將一部分稻田面積改造成溝渠，來凈化水體中氮磷，降低了稻田內的種植面積，故在稻谷總產量上有一定程度的降低，但是由于有鴨和蝦的產出，處理區RDS的總凈收入要遠遠高于處理區CK。

“稻—鴨—蝦”生態種養通過將部分稻田改造成溝渠，利用水稻、鴨和蝦的共生關系，發揮了水稻田系統的生產、養殖和環境調控功能，在提高經濟效益的同時，降低了稻田排水帶來的富營養化風險，具有良好的應用前景。

4 結 論

(1) 相比于常規種植，“稻—鴨—蝦”生態種養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化風險。經過一季種植，“稻—鴨—蝦”生態種養對初始灌溉水中的TN，TP的去除率分別達到38.7%，26.9%，對氮磷有較好凈化作用。

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

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

(4) 相比于常規種植，“稻—鴨—蝦”生態種養中水稻的有效穗、穗粒數和結實率分別提高了4.83%，5.28%和2.84%，稻米中蛋白質含量增加了8.15%，提高了經濟效益，且并未帶來重金屬污染風險，是值得推廣的大田種養技術。