稻鱼共作对养殖池塘沉积物-水界面微观剖面理化性质的影响

秦琳 刘耀斌 李凤博 冯金飞 吴殿星 方福平,*

(1浙江大学 农业与生物技术学院, 杭州 310029； 2中国水稻研究所， 杭州 310006; *通讯联系人, E-mail: dxwu@zju.edu.cn, fangfuping@caas.cn)



稻鱼共作对养殖池塘沉积物-水界面微观剖面理化性质的影响

秦琳1,2刘耀斌2李凤博2冯金飞2吴殿星1,*方福平2,*

(1浙江大学 农业与生物技术学院, 杭州 310029；2中国水稻研究所， 杭州 310006;*通讯联系人, 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.

采用微电极系统研究了黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养两种模式下沉积物-水界面基本理化性质的变化。研究结果表明，与黄颡鱼单养相比，黄颡鱼-水稻共作可使沉积物-水界面附近O2浓度下降速率减慢，O2渗透深度增加71.4%，并使界面Eh值升高，改善塘底沉积物-水界面厌氧状况；黄颡鱼-水稻共作降低了界面附近pH值，比黄颡鱼单养低约一个单位。以上研究结果表明，养殖池塘种植水稻改变了沉积物-水界面的微环境，可能会影响界面物质迁移转化过程。

水稻； 养殖池塘； 沉积物-水界面； 微电极； 垂直剖面

池塘养殖在我国淡水水产品生产与供给中占重要地位。据统计，我国池塘养殖水产品产量占淡水水产品总量的70.6%[1]。为了提高产量，我国池塘养殖普遍采用高密度精养模式，大量残饵和水产动物排泄物导致池塘以及周边水体富营养化问题日益严重[2,3]。沉积物是塘体中冗余养分重要的汇与源。在养殖池塘中，超过70%的冗余养分以残饵、鱼虾排泄物等形式沉积在底泥表层[4]，这些养分物质可以通过沉积物-水界面释放到上层水体中。可见，沉积物-水界面的养分迁移交换是影响上覆水体营养水平和环境质量的重要过程[5]。而这一过程易受到界面溶解氧、氧化还原电位、pH值等理化性状的影响。因此，研究沉积物-水界面的微环境特征及其理化性状的微观剖面分布，对于调控塘体养分循环，减轻水体富营养化具有重要意义。

池塘种稻是一种新型的基于养殖池塘的稻鱼共作模式。以往研究发现[6]，池塘种稻可以显著降低水体营养盐含量以及水体COD、pH值等，对于减轻养殖池塘富营养化污染以及改良水质具有显著作用。在池塘种稻模式中，水稻直接种植于池塘底泥中，水稻根系的生长必然会影响沉积物-水界面微环境。以往对沉积物-水界面微环境的研究，大多集中于海洋、湖泊、河流等自然生态系统[7-9]，以及轮叶黑藻等自然水生植物[10,11]，而对养殖池塘研究较少，且以往对水稻根际微环境的研究主要侧重于稻田浅水环境[12]，缺乏对养殖池塘这种深水环境下水稻根际作用的深入研究。由于水体环境、动植物类型以及人工干预等因素的差异，稻作池塘沉积物-水界面微环境的特征以及水稻的根际效应可能与自然水体存在差异。对于沉积物-水界面环境的研究，常规分层采样分析方法容易破坏界面、扰动沉积物，不利于准确监测沉积物-水界面微环境的变化[13]。近年来，随着微电极技术的发展，可以直接测量沉积物-水界面微米尺度的溶解氧等理化指标的变化，为解析沉积物-水界面微环境的变化提供了有力工具[14,15]。

本研究以黄颡鱼塘种稻模式为例，通过小区试验，利用微电极系统研究稻鱼共作和单养鱼池塘沉积物-水界面溶解氧、氧化还原电位和pH值的微米尺度剖面分布特征，分析了水稻生长对沉积物-水界面微环境的影响，以增加对池塘种稻这种新型鱼稻共生模式调控水体养分作用机制的科学认识。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在浙江省杭州市中国水稻研究所试验基地进行。试验设置黄颡鱼-水稻共作(RF)和黄颡鱼单养(F)两个处理，每个处理3个重复。试验小区是由多年养殖池塘中围隔出大小一致的水泥池建设而成，每个水泥池80 m2(10 m×8 m)，池深1.5 m。

种稻小区选用高秆型鱼塘专用水稻品种，2015年5月上旬育秧，6月上旬移栽于小区中部，移栽密度为60 cm×60 cm，种植面积约占小区总面积的50%。7月上旬在小区投放2.5～3.0 cm长黄颡鱼苗，投放量为150 000尾/hm2，且均按常规养殖方法进行养殖管理。小区水深随水稻生长不断增加，种稻小区和不种稻小区保持相同水位。水稻于当年11月上旬收获，黄颡鱼于水稻收获后一次性捕获。

1.2 样品采集

2015年于稻鱼共作的中期(8月)采集沉积物柱状样。先用有机玻璃取水器采集6个小区上覆水体水样，再采用无扰动沉积物采样装置采集对应小区沉积物柱状样[16]，将采集后的有机玻璃采样管底部塞子用胶带封牢，并使用不透光锡箔纸包裹整个采样管以保持避光状态。

6个小区水样和土样采集时间与柱状样同步，分别用于水体和底泥基础理化指标测定。在小区的四个采样点用取样器于水面下10 cm进行水样采集，再将水样混合均匀作为待测水样；随后用取样器于采样区取土样约深20 cm，再将其混合均匀作为待测土样。将采集的样品放入冰盒带回实验室后，水样4℃下保存，在24 h内测定；土样风干后混匀过筛，待测。

1.3 样品分析测定

对采集的塘底沉积物柱状样用虹吸法抽取上层水，再用虹吸法沿管壁注入上覆水(经0.45 μm滤膜过滤)，并使所有柱状样上层水高度都保持在5 cm，静置24 h稳定后待测[7]。采用Unisense微电极测量系统，先将DO、pH和Eh电极连接在主机上进行校正，调节相应参数后，再依次选用微电极对待测样品沉积物-水界面进行无扰动测定，每个柱子测定3个平行剖面后求平均值，并分析沉积物-水界面垂直剖面的变化趋势。

水样测定指标主要包括pH值、溶氧(DO)量、叶绿素a含量(Chl-a)、生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、氨态氮(NH4+-N)含量、硝态氮含量(NO3--N)和可溶性磷(DP)含量。水体pH值和DO分别采用梅特勒-托利多手持pH仪和YSI光学溶氧仪proODO现场测定；Chl-a含量采用热乙醇提取法测定；BOD采用标准稀释法测定；COD含量用重铬酸钾法测定；水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后，分别采用靛酚蓝比色法、紫外分光光度法和钼锑抗比色法来测定NH4+、NO3-和DP含量。底泥中pH值采用电位法测定；Eh值采用FJA-6型氧化还原电位(ORP)去极化法全自动测定仪测定；氨态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量用氯化钾溶液提取-分光光度法测定；速效磷(A-P)含量采用NaHCO3提取法测定。

2 结果与分析

2.1 池塘种稻对水体和底泥基础性质的影响

黄颡鱼-水稻共作(RF)和黄颡鱼单养(F)小区底泥和上覆水体的基础性质如表1所示。RF处理底泥中pH、氨态氮和硝态氮含量均显著低于F处理，分别降低了5%、11.8%和29.1%，但Eh较F处理增加了42.4%。RF处理上覆水体的pH值、氨态氮和硝态氮含量分别比F处理显著降低5.2%，45.6%和11.8%。RF上覆水体DO比F处理降低了16.2%，且Chl-a、BOD和COD含量分别降低了40.8%、32.7%和21.9%。

表1 黄颡鱼-稻共作和黄颡鱼单养小区底泥和上覆水体基础性质

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

取样部位Samplingposition指标Index黄颡鱼-稻共作RF黄颡鱼单养F底泥SedimentpH值pHvalue6.23±0.196.59±0.18Eh/mV390.44±7.20274.27±20.41氨态氮含量Ammonianitrogencontent/(mg·kg-1)9.89±0.4011.21±0.40硝态氮含量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绿叶素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化学需氧量COD/(mg·L-1)48.66±1.7462.33±6.93氨态氮含量Ammonianitrogencontent/(mg·kg-1)0.43±0.010.79±0.11硝态氮含量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 池塘种稻对沉积物-水界面O2剖面分布的影响

图1为RF(黄颡鱼-水稻共作)和F(黄颡鱼单养)处理3个小区沉积物-水界面附近的O2剖面分布。从图中可以看出，RF和F小区沉积物-水界面O2随深度变化的垂向分布趋势相近，即从界面以上20 mm至以下10 mm O2浓度整体上都是表现出随深度降低而降低的趋势，待O2浓度降至零时保持基本稳定的状态。RF和F的差异主要表现在临近界面的2.5 mm内，即图中的虚线框区域。约从2 mm开始，F处理界面O2浓度下降较快，开始低于RF。在界面以下，F处理O2扩散仅渗透到1.75 mm其浓度即开始下降为零；而RF处理O2扩散渗透到3.00 mm才下降为零。这些结果表明，池塘种稻改善了塘底沉积物-水界面厌氧状况，使沉积物-水界面附近O2浓度下降速率减慢，且增加了界面以下O2渗透深度。

2.3 池塘种稻对沉积物-水界面Eh剖面分布的影响

沉积物-水界面附近Eh剖面分布如图2所示。RF处理3个小区Eh值均高于F处理。F处理3个小区Eh从界面以上1～3 mm范围开始表现出急剧下降趋势，而RF处理3个小区则从界面0.5～1.5 mm范围开始急剧下降。F处理Eh值在界面以下2.5 mm开始小于零，转变为还原环境，而RF处理Eh值则在界面以下4.5 mm开始小于零。此后，RF和F处理Eh值均呈缓慢下降趋势。至界面下10 mm时，F处理3个小区Eh均值为-26.8 mV，低于RF处理(-13.3 mV)。沉积物-水界面Eh剖面分布结果表明，池塘种稻显著改善塘底沉积物-水界面氧化还原环境，提高沉积物中氧化还原电位。

RF1、RF2和RF3分别代表黄颡鱼-水稻共作处理的3个小区；F1，F2和F3分别代表黄颡鱼单养的3个小区。

RF1，RF2 and RF3 represent three yellow catfish ponds with rice planting； F1，F2 and F3 represent three yellow catfish ponds without rice planting.

图1 黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养池扩建沉积物-水界面附近O2浓度的垂直变化

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

图2 黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养池塘沉积物-水界面附近Eh的垂直变化

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

2.4 池塘种稻对沉积物-水界面pH的剖面分布的影响

RF和F处理沉积物-水界面附近pH值变化不大(图3)，均在0.4个pH单位以内，且都呈现出弱碱性。其中F处理3个小区的pH值为8.13～8.36；RF处理3个小区pH值均低于F处理，在7.03～7.41。在界面附近2.5 mm范围内，RF和F处理pH值均表现出明显的降低趋势。其中RF处理3个小区pH值降幅为0.26；F处理3个小区pH值降幅为0.03，低于RF处理。此后，在界面以下2.5 mm至6 mm，RF处理pH值又表现为缓慢增加，6 mm以下稳定至7.23，而F处理pH值除个别点外，基本表现为缓慢减小的趋势，最终稳定值为8.25。

3 讨论

在界面微环境的研究中，微电极系统可以无扰动地精确测量界面附近微环境的变化，与传统方法相比具有不可替代的优势。近十几年，微电极系统在沉积物-水界面研究中日益受到重视[17-19]。本研究采用微电极系统对稻鱼共作养殖池塘沉积物-水界面的微环境进行了研究。研究结果显示，微电极系统电极灵敏度高，能够精确地监测池塘沉积物-水界面附近DO、pH等理化性状的微米级变化，且不同剖面的测量结果表现出较好的连续性和重现性。但在研究中发现，微电极系统也存在一些有待改进之处，例如测量界面微环境的电极尖端为玻璃材质，易损坏，且电极价格较高，研究成本高；由于要测定微米级变化，测试行程较长，且每个柱芯都要测量多个剖面，测试过程耗时较长。

图3 黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养池塘沉积物-水界面附近pH的垂直变化

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

本研究的结果显示，养殖池塘沉积物-水界面的O2浓度剖面分布与以往自然水体的研究结果存在一定差异[8,11,20,21]。例如本研究中养殖池塘O2浓度和渗透深度要高于Bryant等[20]对Carvins Cove 水库沉积物-水界面的监测结果，但低于王敬富等[8]对红枫湖的研究结果。这可能主要是因为不同水体的水体深度、沉积物厚度、生物扰动等因素的差异造成的。池塘种稻能够改变沉积物-水界面微环境，使得沉积物-水界面有氧层厚度增加，氧化还原电位升高(图1和图2)，这一过程主要归因于水稻根际泌氧作用。水稻种植在养殖池塘，长期的渍水环境使得其植株体内形成大量通气组织，叶鞘上由气孔进入的氧气及在叶鞘中由光合作用释放的氧气通过叶鞘和茎秆中的通气组织运输到水稻根系[22,23]。水稻径向泌氧部分供根系呼吸，同时有大约30%～40%的氧气由根轴径向运输到根际土壤，并伴随释放其他的氧化性物质，在根际周围形成一个微域的“氧化圈”[24]，从而增加沉积物中O2浓度，提高氧化还原电位。

沉积物中pH值是表征土壤化学性质的重要参数，本研究结果显示池塘种稻能改变水稻根际微环境，降低上覆水和沉积物的pH值(图3)。这主要是由于水稻生长过程中，根系会向土壤和水体中分泌大量有机酸(如酒石酸等)[25]，水稻根际微生物耗氧降解有机质也会向土壤和水体中释放酸性物质[7]，从而使稻鱼共作养殖池塘界面附近pH值低于单养鱼池塘。对比以往研究结果发现，水稻对沉积物-水界面附近pH值的影响要大于轮叶黑藻[11]。在本研究中，稻鱼共作和单养鱼池塘界面附近pH差值接近1，而田翠翠等[11]的研究结果显示，种植轮叶黑藻后，沉积物-水界面pH值变化小于0.5。

本研究初步揭示了池塘种稻对塘体沉积物-水界面微观剖面理化性质的影响，但未考虑水稻生长发育特性。由于水稻在不同生育期的生物量及对水体养分的积累量不同[6,26]，因而，在稻鱼共作模式下，处于不同生育阶段的水稻对养殖池塘沉积物-水界面微环境的影响可能也存在差异。已有研究表明[11]，沉积物中黑藻培养时间不同，其根际微环境中DO、pH和Eh的垂直变化存在差异。因此，为了更加全面地分析稻鱼共作对塘体沉积物微环境的影响，水稻不同生育期的研究还需进一步完善。沉积物-水界面是一个微生物活动频繁、有高度生物活性的复杂微环境，为了较为全面地研究沉积物-水界面微观界面的特征，在今后还需增加更多指标的微观剖面分析，如H2S和N2O剖面特性分析等。此外，对沉积物-水界面微环境的研究，还需要和界面附近氮磷迁移转化等化学或生物过程联系在一起，为解析稻鱼共作系统对沉积物-水界面生物化学过程的作用机制提供微观依据。

4 结论

1)池塘种稻能够显著改善塘体水质，改变沉积物的基础理化性质。与黄颡鱼单养池塘相比，黄颡鱼-水稻共作池塘上覆水中pH值、Chl-a、COD、BOD、氨态氮和硝态氮含量都有所降低。表层底泥中pH、氨态氮和硝态氮含量降低，但Eh升高。

2) 池塘种稻能够显著改变养殖池塘沉积物-水界面微环境。池塘种稻改善了塘底沉积物-水界面厌氧状况，使沉积物-水界面附近O2浓度下降较慢，增加了界面以下O2渗透深度；池塘种稻改变了界面附近氧化还原环境，单养鱼池塘界面以下2.5 mm进入还原环境，而稻-鱼共作池塘Eh值在界面以下4.5 mm才开始小于零；池塘种稻也显著降低沉积物-水界面附近pH值。

3)微电极测量系统对养殖池塘沉积物-水界面的测量结果表现出很好的连续性，说明利用微电极可实现对养殖池塘沉积物-水界面原位无扰动的高分辨率测定。因此，微电极测量系统有助于分析水稻生长与沉积物-水界面微环境变化的相互关系，在探讨水稻生长对水体养分的调控作用机制方面可发挥重要作用。

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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。

国家自然科学基金资助项目(31400379)； 浙江省自然科学基金资助项目(LY15C030002)。

S181.6; S511.047

A

1001-7216(2016)06-0647-06

秦琳, 刘耀斌, 李凤博， 等. 稻鱼共作对养殖池塘沉积物-水界面微观剖面理化性质的影响. 中国水稻科学， 2016， 30(6)： 647-652.