藕–鱼种养结合模式对藕田底栖动物的影响*

沈亚强 姚祥坦 程旺大



藕–鱼种养结合模式对藕田底栖动物的影响*

沈亚强 姚祥坦 程旺大**

(浙江省嘉兴市农业科学研究院(所) 嘉兴 314016)

低洼田因地制宜创新农作制度, 构建的藕-鱼种养结合模式是一种新型高效的生态农业模式, 其中底栖动物是这个复合生态系统的重要组成部分。为研究藕-鱼种养结合模式对藕田底栖动物的影响, 本试验设计了3种模式(莲藕-甲鱼模式、莲藕-彩鲤模式以及莲藕-泥鳅模式), 以单养甲鱼模式作为对照, 于种养结合前(2013年3月)、种养结合后作物生长旺盛期(2013年8月)以及鱼类捕捞后(2014年1月)3个时期对各试验田块底栖动物进行了取样, 分析种养结合前后藕田底栖动物的种类构成、密度、生物量和多样性的变化。结果表明, 种养结合模式对底栖动物种类无显著影响, 共采集到底栖动物6科12属13种。但藕田套养水产动物, 由于水产动物活动对底泥的扰动, 底栖动物多样性有所下降。种养结合模式田块水生昆虫密度、生物量以及底栖动物总密度、总生物量均较种养结合前大幅度增加。3种种养结合模式种养结合后水生昆虫密度、生物量以及底栖动物总密度、总生物量的平均增加幅度分别达到12倍、336倍、11倍和273倍。而单养甲鱼模式池塘放养甲鱼后底栖动物生物量较放养前有所减少。另外, 与单养甲鱼模式相比, 莲藕-甲鱼种养结合模式水生昆虫密度、生物量以及底栖动物总密度、总生物量均有所提高, 而寡毛类密度、生物量则有所降低。此外, 采用Shannon-Wiener多样性指数和BI生物指数(Hilsenhoff生物指数)对3种种养结合模式藕田水质进行了评价。结果表明, 采用BI生物指数评价的结果与实际情况较为吻合, 3种种养结合模式中水质状况以莲藕-彩鲤模式最好, 而莲藕-泥鳅模式水质最差。

藕-鱼种养结合模式 底栖动物 密度 生物量 多样性指数 水质

浙江北部毗邻江苏地区(嘉兴市北部)地势平坦, 地面高程低, 加之近年来由于不合理开采地下水等引起的地面沉降, 内外水位常年倒挂, 农田长期处于水淹状态, 属典型的洼地湿地区域。长期以来, 这一地区传统农业主要以水稻、春花作物种植以及水产养殖为主。但种粮易涝, 而单一、大规模的水产养殖也对周边环境带来了一定的污染, 严重制约了当地农业的发展[1-2]。自2009年以来, 当地开始探索利用低洼稻田创新农作制度, 将水产养殖与水生作物种植结合起来, 发展综合种养模式。由于经济效益较为可观, 种养结合模式得到了众多农业龙头企业和农民的欢迎。近年来, 种养结合模式面积迅速扩大。据嘉兴市秀洲区农业经济局统计, 2015年仅嘉兴市秀洲区全区种养结合模式面积已达570 hm2。

国内外研究表明, 水产养殖与传统农业相结合的农业-水产复合生态模式(integrated agri-aquaculture systems, IAAS)是促进湿地农业可持续发展、保证粮食安全的有效途径[3-5]。在这一复合生态系统中, 水产养殖所产生的废弃物等可以作为农业生产的营养和能量, 因而, 该模式具有较高的资源利用效率和系统生产力[6-7]。目前, 这一模式在世界上许多国家和地区都有分布, 其中尤以亚洲国家发展最为成熟, 相关科学研究也开展得最为系统、深入。例如, 国际水生生物资源管理中心曾对亚洲各地区典型的湿地生态种养结合模式进行了系统总结[8], Edwards等[9-10]对作物-牲畜-鱼复合种养模式进行了系统总结。在各种农业-水产复合生态模式中, 历史最为悠久, 应用范围最广的莫过于稻田种养模式。国内外针对这一模式开展了大量的研究, 主要集中于稻田种养模式的生态、经济效益[11-16]、病虫草害的控制[17-20]以及对稻田生态环境的影响[21-31]等方面。近年来, 不少学者针对稻田种养模式对稻田水生生物的影响开展了一系列研究, 如Ali[32]对稻田养鱼模式水体浮游甲壳动物以及轮虫群落的季节动态进行了系统研究, 李岩等[33-34]对稻蟹共作模式对水体浮游生物和底栖动物多样性的影响进行了系统研究, 曹凑贵等[35]、汪金平等[36]以及王昌付等[37]对稻田养鸭模式对稻田水生生物的影响进行了系统研究。

近年来, 随着种植业结构的调整优化, 一些地区充分利用当地自然资源优势, 瞄准国内外市场需求, 把水生蔬菜作为重要的特色蔬菜品种进行培育, 有力促进了水生蔬菜产业的大力发展。目前我国水生蔬菜种植面积在73.3万hm2以上,主要种植种类包括莲藕()、茭白()、芋头()、荸荠()、慈姑()、菱()、水蕹菜()、芡实()、水芹()、莼菜()、豆瓣菜()、蒌蒿()及蒲菜()等, 总产值达550亿元, 而莲藕是其中栽培面积最大的作物, 全国栽培面积达40万hm2[38]。水生蔬菜产业的大力发展, 也促进了水生蔬菜种植与水产养殖相结合的综合种养模式的发展。特别是藕田养殖模式, 近年来面积增加显著。但由于藕田种养模式技术要求较单养及单种模式要高, 而关于这一模式开展的系统研究与稻田种养模式相比又明显偏少, 这也从一方面限制了该模式的发展。目前已有的一些研究主要集中于对种养结合后莲藕、鱼类生长状况[2,39-40]以及对藕田水体、土壤理化性状影响的研究[40-41]上, 而对藕田水生生物包括浮游生物以及底栖动物等的影响的研究很少。底栖动物是水生态系统的一个重要组成部分, 部分底栖动物本身具有很高的经济价值, 可以作为水产动物的天然饵料, 部分底栖动物还可作为环境监测的指示生物。本文研究了藕鱼种养结合模式对藕田底泥中底栖动物群落结构及其多样性的影响, 以期为藕田种养模式水体生物多样性保护提供依据, 为藕田种养模式的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地点在浙江省嘉兴市秀洲区王江泾镇浙江北部湾湿地农业生态科技有限公司园区内(N30°52¢32², E120°43¢46²)。选取该园区内具有代表性的3种藕-鱼种养结合模式开展研究, 这3种模式分别为莲藕-甲鱼模式()、莲藕-泥鳅模式()以及莲藕-彩鲤(elumbo )模式。另外, 考虑到浙江北部湾湿地农业生态科技有限公司园区内, 以莲藕-甲鱼模式面积最大, 因此本研究选取单养甲鱼池塘作为对照。种养结合藕田于四周挖一条深1.2 m、宽1.2 m的围沟, 中间挖一条宽0.8 m、深0.8 m, 两头贯通的十字交叉型鱼沟。各试验田块于2013年1月初左右, 鱼类捕捞完后排干池水进行晒塘, 至2月中旬左右再全塘泼洒生石灰进行消毒。消毒1~2周后放满池水。于2013年3月下旬莲藕定植前对各试验田块底栖动物进行第一次采样, 此时即为应用种养结合模式前底栖动物状况, 文中统一定义为“种养结合前”时期。于4月上旬种植莲藕, 11月底开始采收, 种养结合藕田不施肥, 其他日常管理措施同当地常规莲藕栽培。藕田鱼苗则于5月上旬投放。单养甲鱼塘以及莲藕-甲鱼模式田块中甲鱼日常以投喂动物性饲料为主, 投放于固定食台上, 每日早、晚各一次; 莲藕-彩鲤模式不投喂饲料; 而莲藕-泥鳅模式日常主要投喂鱼类内脏及生猪宰杀后的下脚料等为主, 将鱼类内脏及下脚料煮熟后直接定点泼洒于藕田一角落。各试验田块水产动物于翌年1月份捕捞。具体各模式面积、放养鱼苗规格以及放养量等见表1。于2013年8月中旬莲藕及水产动物生长旺盛期以及2014年1月初莲藕采收完毕且鱼类捕捞完后两个时期再次对各模式田块底栖动物进行采样。这两个时期均为应用种养结合模式后的时期, 文中统一定义为“种养结合后”时期, 两个时期底栖动物的平均现存量特征即为应用种养结合模式后底栖动物的现存量特征。底栖动物的采集分为定量采集和定性采集。定量样品用1/16 m2的彼得生采泥器采集, 每一田块采集3次后将泥样混合, 经24目∙cm-1的筛子筛洗后, 置于白色解剖盘中分捡动物标本, 并用10%的福尔马林固定, 然后进行种类鉴定、计数并称重。另外, 采用彼德森采泥器结合40目手抄网增加围沟和田内随机采样, 以进行底栖动物的定性分析。底栖动物湿重的测定方法是: 先用滤纸吸干水份, 然后在精确到0.000 1 g的电子天平上称量(其中软体动物为带壳湿重)。最后将密度和生物量数据换算成单位面积的含量。底栖动物鉴定水平大部分到属或种, 鉴定参考相关文献[42-45]进行。

表1 不同藕-鱼种养结合模式田块面积及水产动物放养方案

1.2 多样性指数的计算方法

采用Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数对种养结合前后底栖动物多样性进行评价。

Simpson多样性指数计算公式:

= 1–∑(n/)2(1)

Shannon-Wiener多样性指数计算公式:

= –∑[(n/)ln(n/)] (2)

式中:n为单位面积样品中第种的密度(ind×m-2),为单位面积样品中收集到的底栖动物的总密度(ind×m-2)。

采用Shannon-Wiener指数和BI指数(Hilsenhoff生物指数)对各模式藕田的水质进行生物评价。

Shannon-Wiener指数评价标准: 指数值>3, 清洁; 2~3, 轻度污染; 1~2, 中度污染; 0~1, 严重污染[46]。

BI生物指数计算公式:

BI=∑t(n/) (3)

式中:n为第个分类单元(通常为属级或种级)的个体数,为样本总个体数,t为第个分类单元的耐污值。底栖动物的耐污值主要参考王备新等[47]、张跃平[48]以及秦春燕[49]的资料。

BI生物指数评价标准: 指数值<3.50, 极清洁; 3.51~4.50, 很清洁; 4.51~5.50, 清洁; 5.51~6.50, 一般; 6.51~7.50, 轻度污染; 7.51~8.50, 中度污染; 8.51~ 10, 严重污染[50-51]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2013进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同种养结合模式的底栖动物种类变化

试验共采集到底栖动物6科12属13种(表2), 主要以寡毛类及水生昆虫为主。从种养结合前后底栖动物种类对比上看, 除裸泽蛭()这一偶见种在种养结合后未采集到外, 其他种类种养结合前后各时期均有采集到。

表2 藕-鱼种养结合模式种养结合前后底栖动物种类变化

“种养结合前”指田块整理完即将种植莲藕前的时期, “种养结合后”指种植莲藕及放养水产动物后的时期。Before lotus-fish co-culture period refers to the period after the field preparation but before lotus planting. After lotus-fish co-culture period refers to the period after the lotus aquatic animals co-culture for some time.

2.2 不同种养结合模式的底栖动物密度、生物量变化

从种养结合后各模式底栖动物密度、生物量变化上看(图1), 种养结合后底栖动物总密度、总生物量均有所增加。3种种养结合模式种养结合后底栖动物总密度和总生物量的平均增加幅度分别达到12倍和336倍。各类群中, 水生昆虫的密度和生物量增加较多, 3种种养结合模式种养结合后水生昆虫密度和生物量的平均增加幅度分别为11倍和273倍。另外, 各种养结合模式田块所采集的定量样品中均未检测到软体动物及其他底栖动物, 而单养甲鱼模式池塘在放养甲鱼前的样品中检测到了软体动物及其他底栖动物, 但未检测到寡毛类。且单养甲鱼模式池塘在放养甲鱼后, 水生昆虫密度、生物量均有所减少, 而底栖动物总密度则比放养甲鱼前有所增加, 但底栖动物总生物量则有所减少。莲藕-甲鱼种养结合模式与单养甲鱼模式相比, 在放养甲鱼后,水生昆虫密度、生物量均要高, 而寡毛类密度、生物量则均要低, 但底栖动物总密度、总生物量仍要高于单养模式。

2.3 不同种养结合模式的底栖动物生物多样性指数变化

种养结合后底栖动物生物多样性指数的变化如图2所示。种养结合后, Shannon-Wiener指数、Simpson指数均有所下降, 表明藕田套养鱼类后, 底栖动物多样性有所下降。

2.4 不同种养结合模式的水质生物学评价

由表3可见, 根据Shannon-Wiener指数评价污染状况标准, 莲藕-甲鱼、莲藕-泥鳅以及莲藕-彩鲤3种模式种养结合后, Shannon-Wiener指数虽均较种养结合前有所降低, 表明水质变差, 但水质级别未有变化, 均呈严重污染状态。种养结合后3种模式中以莲藕-泥鳅模式Shannon-Wiener指数值最高, 而莲藕-彩鲤模式Shannon-Wiener指数值最低。仅从Shannon-Wiener指数值来看, 3种种养结合模式中水质状况以莲藕-泥鳅模式最好, 而莲藕-彩鲤模式水质最差。

表3 不同藕-鱼种养结合模式种养结合前后生物指数值和水质评价结果

BI生物指数方面, 莲藕-甲鱼模式, 种养结合后BI生物指数值较种养结合前明显升高, 表明水质明显变差, 水质级别下降两个等级, 由一般状态转变为中度污染状态。而莲藕-泥鳅以及莲藕-彩鲤模式, 种养结合后, BI生物指数虽较种养结合前有所升高(表明水质有所变差), 但水质级别未有变化。从BI生物指数值来看, 种养结合后3种模式中以莲藕-泥鳅模式BI指数值最高, 而莲藕-彩鲤模式BI生物指数值最低。根据BI生物指数评价的结果表明, 3种种养结合模式中水质状况以莲藕-彩鲤模式相对最好,而莲藕-泥鳅模式水质相对最差。根据程旺大等[52]采用化学方法对这3种种养结合模式水质评价的研究, 整体水质以莲藕-彩鲤模式相对最好, 而莲藕-泥鳅模式水质相对最差。故本研究中采用BI生物指数评价的结果与实际情况较为吻合。

3 结论与讨论

低洼田藕-鱼种养结合模式作为一种新型的湿地循环农业模式, 具有较高的经济、社会和生态效益。但目前有关这种模式水生生物群落结构、多样性方面的研究较少, 特别是底栖动物方面。

本研究表明, 种养结合模式对底栖动物种类无显著影响, 但藕田套养水产动物后, 由于水产动物活动以及觅食等对底泥的扰动, 底栖动物多样性有所下降。这与李岩等[33-34]针对稻蟹共作模式以及曹凑贵等[35]、王昌付等[37]针对稻鸭共作模式开展的对底栖动物的影响的研究相一致。

根据已有一些对养鱼池塘底栖动物群落时空变化的研究[53-55], 养鱼池塘底栖动物生物量的峰值多出现在春季, 而后缓慢下降, 至秋季可能再次迎来一小高峰, 然后再次下降。也就是说, 养鱼池塘底栖动物春、秋两季生物量是相对较高的, 而夏、冬两季生物量较低。从本研究对单养甲鱼模式的研究来看, 虽然秋季未对该模式池塘底栖动物进行调查, 但从放养甲鱼前(春季)以及放养甲鱼后(夏季、冬季两次平均值)底栖动物生物量特征推断, 池塘单养甲鱼模式底栖动物时空变化可能也遵循这一趋势。但若采用种养结合模式, 底栖动物的变化趋势则就有所不同。从本研究中莲藕-甲鱼式种养结合后底栖动物变化上看, 种养结合后(夏季、冬季两次平均值)水生昆虫密度、生物量以及底栖动物总密度、总生物量均较种养结合前(春季)有大幅增加。莲藕-泥鳅和莲藕-彩鲤这两种模式种养结合后底栖动物现存量变化的趋势亦是如此。此外, 与单养甲鱼模式相比, 同样在放养甲鱼后, 莲藕-甲鱼种养结合模式水生昆虫密度、生物量以及底栖动物总密度、总生物量均要高于单养模式, 而寡毛类密度、生物量则要低于单养模式。分析其原因可能是种养结合条件下, 莲藕的存在大大降低了水产动物活动对底泥扰动的影响, 从而为底栖动物提供了更为稳定的生境条件, 故底栖动物数量在夏季以及冬季数量并未下降。而另外一方面, 莲藕-甲鱼种养结合模式与单养甲鱼模式相比, 由于莲藕的吸收作用, 水体以及底泥营养水平要比单养池塘低, 因此耐污的颤蚓科寡毛类数量要少。

目前, 采用生物监测法监测湖泊、河流水质的研究较多, 而鲜见采用生物评价法评价池塘水质的研究。本研究采用两种生物指数对不同种养结合模式种养结合后藕田水质进行了评价, 对照作者同期采用化学方法开展的水质评价研究, 确认BI生物指数适合作为藕-鱼种养结合模式底栖动物水质生物评价的指标, 运用该指数评价的结果与实际情况较为吻合。根据评价结果, 3种种养结合模式中, 整体水质以莲藕-彩鲤模式相对最好, 而莲藕-泥鳅模式水质相对最差。从实际情况看, 6—9月份, 由于投饲等原因, 莲藕-甲鱼以及莲藕-泥鳅两种模式藕田水体富营养化严重, 水华爆发, 而莲藕-彩鲤模式藕田未见水华爆发。

藕鱼共生生态系统是一个随着鱼类的生长发育而变化的动态系统。本文在研究底栖动物时, 仅在莲藕、鱼类生长旺盛时期以及鱼类捕捞收获后两次进行取样, 并没有充分研究种养结合系统中鱼类的动态变化。结合共生环境、其他水生动植物、莲藕生长及鱼类习性, 系统地了解该共生模式下的生态系统组份动态变化, 将为湿地农业种养结合模式提供更为系统的理论指导。

致谢 在本研究过程中, 嘉兴市农业技术推广基金会蒋唯民会长、杜云昌原会长、杨治明副会长、高寅华秘书长、顾忠烈副秘书长和嘉兴市秀洲区农业技术推广基金会周志明会长等给予了大力帮助和支持, 在此表示感谢。

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Effects of integrated lotus-fish farming systems on macrozoobenthos in lotus field*

SHEN Yaqiang, YAO Xiangtan, CHENG Wangda**

(Jiaxing Academy of Agricultural Sciences, Zhejiang Province, Jiaxing 314016, China)

Integrated Agri-Aquaculture Systems (IAAS) such as rice-fish farming have been practiced for centuries in China. In these systems, on-farm wastes and by-products are recycled in relatively closed nutrient cycles. IAAS also utilizes resource efficiently and provides additional food and income to local farmers. Thus these systems are more sustainable compared with other food production systems such as monoculture systems. In the north of Jiaxing City, Zhejiang Province, a wide area of low-lying wetlands exists because of land subsidence. The permanently flooded field is not suitable for grain and oilseed rape production and thus agricultural economy development in the area is seriously restricted. As an innovation of IAAS, the trapa-fish (e.g. trapa-loach, trapa-Chinese snakehead fish and trapa-Chinese soft-shelled turtle), lotus-fish (e.g. lotus-loach, lotus-Chinese soft-shelled turtle and lotus-Chinese snakehead fish) and water bamboo-fish (e.g. water bamboo-loach) integrated patterns were being gradually developed in recent years. As an important ecological group in freshwater ecosystems, macrozoobenthos are important in material cycling and energy flow, and are widely used in environmental monitoring. In order to determine the response of macrozoobenthos diversity to lotus-fish farming, field experiments were conducted in Zhejiang Northbay Wetland Eco-agricultural Science and Technology Ltd. Co. Three typical integrated lotus-fish farming systems (including integrated lotus-soft-shelled turtle system, integrated lotus-Oujiang color common carp system and integrated lotus-loach system) along with one monoculture system (soft-shelled turtle monoculture system) were selected in the study. Ecological surveys of each system were carried out at three periods — before lotus-fish co-culture period (late March 2013), after lotus-fish co-culture and the lotus in vigorous growth period (mid-August 2013) and after fish harvesting period (early January 2014). The species composition, standing crops and diversity of samples were analyzed. Altogether, 13 macrozoobenthos taxa belonging to 6 families and 12 genera were identified from all the qualitative and quantitative samples. Results showed that there was no significant difference in the macrozoobenthos species after the adoption of integrated lotus-fish farming system. However, macrozoobenthos biodiversity decreased because of sediment disturbance caused by aquatic animals after fish stocking. The density and biomass of aquatic insects and macrozoobenthos in the integrated lotus-fish farming systems all increased after fish stocking. The average density and biomass of aquatic insects, total density and biomass of macrozoobenthos increased by 12 times and 336 times, 11 times and 273 times, respectively. However, in the soft-shelled turtle monoculture system, macrozoobenthos biomass decreased after soft-shelled turtle stocking. Meanwhile, the integrated lotus-soft-shelled turtle system had higher density and biomass of aquatic insects and macrozoobenthos compared with soft-shelled turtle monoculture system. Conversely, the density and biomass of oligochaetes in integrated lotus-soft- shelled turtle system were lower than those in monoculture system. Results of bioassessment using Hilsenhoff biotic index indicated that water quality under lotus-Oujiang color common carp system was better than that under lotus-loach system and lotus-soft-shelled turtle system.

Integrated lotus-fish farming systems; Macrozoobenthos; Density; Biomass; Diversity index; Water quality

10.13930/j.cnki.cjea.160422

Q178.1

A

1671-3990(2016)12-1598-09

2016-05-07 接受日期: 2016-08-08

*浙江省农业技术推广基金会2011年“创新农作制度深化研究”专项重点项目、浙江省嘉兴市科技计划项目(2012AZ2019)和浙江省公益性技术应用研究计划项目(2013C32029)资助

**通讯作者:程旺大, 主要研究方向为农产品产地生态环境与质量安全。E-mail: chwd228@163.com 沈亚强, 主要研究方向为湿地农业。E-mail: shenyaqiang@163.com

* This study was supported by the Special Fund for Farming Systems Innovation of Zhejiang Agricultural Technology Extension Foundation in 2011, the Natural Science Foundation of Jiaxing City (2012AZ2019) and the Public Welfare Technology Applied Research Projects of Zhejiang Province (2013C32029).

** Corresponding author, E-mail: chwd228@163.com

Received May 7, 2016; accepted Aug. 8, 2016