“稻-鸭-虾”生态种养模式水体中的氮磷浓度及藻类生物量变化

黄 巍, 余经纬, 李玉成, 张学胜, 王 宁

(安徽大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230601)

作为我国重点治理的“三湖”之一，巢湖的水体污染问题主要是氮磷含量过高导致的水体严重富营养化，而农业面源污染是造成巢湖氮磷含量过高的重要因素之一[1-2]。巢湖流域农田中大量施用化肥农药，未被利用的氮磷等污染物通过径流、淋溶等方式汇入巢湖，成为巢湖富营养化加快的主要原因之一[3]。如何有效防治农业面源污染，修复受损水体是目前亟待解决的重要问题[4]。环巢湖流域稻田分布广泛，其在生产粮食的同时，也发挥着人工湿地的功能[5]。因此，合理的稻田种植模式可缓解农业面源污染，有效削减流入巢湖的污染物量。生态种养是我国循环农业发展的重要模式，“稻—鸭”、“稻—虾”生态种养模式是在常规种植的基础上，一方面利用鸭、虾的活动除草除虫代替农药和除草剂，鸭粪和虾粪替代常规种植模式下使用的化肥，另一方面通过水稻对氮磷的吸收，不但降低了农药和化肥的投入，又能有效地改变氮磷的污染迁移，从而去除氮磷，降低农业环境污染[6-8]。但是，目前关于生态种养的研究主要集中在单一种养模式，如稻鸭共生对水稻生长[9]、土壤性质[10]、病虫草害的控制效果[11]以及稻渔对水稻生育特点[12]、水体环境[13]的影响等方面，鲜有研究结合这两种单一种养模式以及沟渠湿地进行考虑，并对其相应的水体中氮磷及藻类进行研究。为此，本试验在环巢湖流域通过大规模的稻田种植，以“稻—鸭—虾”生态种养模式和常规种植模式下的水稻田为研究对象，一方面考察了水稻生育期内田面水中各形态氮磷、藻类生物量变化特征，另一方面对其所带来的经济效益进行分析，旨在保证经济效益的前提下，为降低农业面源污染提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于安徽省合肥市庐江县北圩村，地处中纬度地带，属北亚热带湿润季风气候，四季分明，阳光充沛，无霜期长，梅雨特征显著。平均气温为15.8 ℃，平均降水量为1 188.1 mm，平均无霜期为238 d，土壤类型为典型的水稻土。

1.2 研究材料

试验水稻选用“南粳46”，审定编号：沪农品审水稻(2009)第003号，全生育期158 d左右，株型适中，叶色淡绿，熟期转色好；抗倒性差。平均株高104.9 cm，每1 hm2有效穗3.30×106，穗长14.9 cm，每穗总粒数120～130粒，结实率90%，千粒重25.5克；鸭的品种为“巢湖麻鸭”；虾的品种为“克氏原螯虾”；基肥为安徽某公司生产的复合肥(N∶P2O5∶K2O为21∶9∶10)；追肥为安徽某公司生产的尿素(含氮量为46%)。

1.3 试验设计与栽培管理

1.3.1 试验设计 本试验在2017年晚稻生育期间采取田间试验。试验分为两种处理区：常规种植模式处理区(CK)和“稻—鸭—虾”生态种养模式处理区(RDS)。各土壤的基本理化性质详见表1。每个处理区面积为1.78 hm2，3次重复。处理区CK：不放入鸭、虾，按照当地种植模式，稻田基肥施用量为600 kg/hm2，追肥施用量为150 kg/hm2，晚稻整个生育期内根据水稻病虫害施用农药(4次)和除草剂(2次)。处理区RDS：放入鸭、虾，每个小区四周挖宽2.5 m，深2 m的“回”形沟渠，沟渠中种植轮叶黑藻、水花生和当地杂草，沟渠和水稻田内水体互通，水互相循环。稻田肥料施用量减半化处理，基肥施用量为300 kg/hm2，追肥施用量75 kg/hm2，在水稻的整个生育期内不施用农药和除草剂。

表1 试验地土壤的基本理化性质

注：RDS为“稻—鸭—虾”生态种养模式处理区，CK为常规种植模式处理区。下同。

1.4 样品采集与测定方法

1.4.2 浮游藻类 按照《淡水浮游生物研究方法》[15]在水稻的移栽期、返青期、分蘖前期、分蘖后期、孕穗期、抽穗期和乳熟期(时间同表层水样采集时间一致)采集、定性和定量分析各处理区中的浮游藻类样品。用25号浮游生物网采集定性样品；用采水器取1 L混合均匀后的定量样品，现场加入1%鲁哥氏液固定，回实验室后经48 h沉淀浓缩至30 ml，吸取浓缩样品0.1 ml置于0.1 ml计数框内，在10×40倍光学显微镜下用视野法计数。浮游藻类鉴定主要依据《中国淡水藻类》[16]，浮游藻类生物量测定是在计数的基础上，依照体积法，按水的比重换算成生物量[15]。

1.4.3 水稻 水稻成熟期后各处理区水稻单产单收，脱谷后实测产量；各处理区调查单位面积(1 m2)收获穗数，取代表性稻株5穴用以考种；稻谷晒干后按照《GB/T17891-2017优质稻谷》测定稻米中蛋白质含量；按照《GB5009.15-2014》测定稻米中Cd含量。

1.5 数据处理

浮游藻类多样性用Shannon-Wiener[17]多样性指数来计算，即：

式中：H——Shannon-Wiener多样性指数；ni——物种i的生物量；N——群落样本个体总生物量。

试验数据采用SPSS 21.0采用独立样本t检验进行分析，Origin 8.5进行制图分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理氮磷浓度变化特征

在水稻生长期内，各处理区中稻田水体的TN和TP浓度变化趋势如图1所示。由图1可以看出，水稻全生育期内，处理区RDS中TN和TP的浓度整体上比处理区CK中TN和TP的浓度低32.43%和19.35%。处理区CK乳熟期稻田排水中的TN(4.53 mg/L)、TP(0.63 mg/L)浓度远超《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中规定的Ⅴ类水标准(TN ≤2 mg/L，TP≤0.4 mg/L)，而处理区RDS乳熟期排水中的TP(0.38 mg/L)浓度处于Ⅴ类水标准，仅TN(2.12 mg/L)浓度略微超过Ⅴ类水标准。各处理区稻田水体中TN和TP的浓度整体上均呈现出先上升后下降的趋势(图1)，且均在水稻的生长前期达到峰值，随后逐渐下降。在水稻的分蘖前期，处理区RDS中TP浓度超过了处理区CK。水稻分蘖后期，各处理区中TN，TP浓度均出现大幅度下降。在水稻的整个生育期内，TN浓度在各处理间均出现极显著差异(p<0.01)；在水稻的分蘖后期，TP浓度在各处理间出现显著差异(p<0.05)，而在水稻的移栽期、返青期和乳熟期，TP浓度在各处理间出现极显著差异(p<0.01)。相比于初始灌溉水浓度，经过一季晚稻种植后处理区CK增加了水体中N，P的含量，而处理区RDS能有效地去除水体中的N和P含量，TN，TP的去除率达到38.7%和26.9%，对N的去除效果要优于P。

注：*表示各处理间差异显著(p<0.05)，**表示各处理间差异极显著(p<0.01)。下同。图1 水稻生长时期各处理区氮磷浓度变化

图2 水稻生长时期各处理区不同形态氮磷浓度的比例

2.2 不同处理藻类变化特征

2.2.1 不同处理藻类生物量变化 藻类总生物量是反映出水体浮游藻类含量多少的主要指标。从图3中可以看出，在水稻整个生长期内，各处理区中藻类总生物量均呈现出先升后降的变化趋势。在水稻的分蘖期、孕穗期和抽穗期，处理区RDS中藻类总生物量低于处理区CK，且差异性显著(p<0.05)，表明处理区RDS中的藻类繁殖受到一定程度的抑制。各处理区中藻类总生物量均在水稻的分蘖前期达到峰值，分别为18.54和12.34 mg/L。处理区RDS中藻类总生物量在水稻的分蘖后期和抽穗期降幅明显，分别减少了29.8%和38.9%，而在水稻的孕穗期降幅并不明显，在水稻的乳熟期，藻类总生物量在一定程度甚至有所增加。处理区CK藻类总生物量在水稻的分蘖后期、孕穗期和乳熟期降幅明显，分别减少了17.8%和33.9%和32%。相比于初始灌溉水藻类总生物量，各处理区均能减少水体中的藻类总生物量，但效果并不显著。

图3 水稻生长时期各处理区藻类生物量变化

2.2.2 不同处理乳熟期水中藻类群落结构 各处理区乳熟期稻田排水中藻类的鉴定结果如表2所示。

从表2可以看出，各处理区中藻类群落均包括蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、裸藻门和甲藻门这6门，且总种类数量差异不大，但藻类各门间的种类数量有很大差异。其中，处理区RDS中藻类种类较多的是硅藻门和绿藻门，分别占藻类总种类数的32.10%和27.16%；而处理区CK中藻类种类较多的是蓝藻门和绿藻门，分别占藻类总种类数的30.77%和41.03%。从各处理区乳熟期稻田排水中藻类各门间的生物量来看(表2)，处理区RDS中的优势种主要集中在绿藻门(占总生物量的27.79%)和硅藻门(占总生物量的30.19%)，而处理区CK中的优势种主要集中在蓝藻门(占总生物量的46.70%)和绿藻门(占总生物量的36.96%)。乳熟期稻田排水中处理区RDS中藻类的生物多样性指数明显高于处理区CK。一般而言，群落中物种的种类越丰富或者分布越均匀，其Shannon-Wiener多样性指数(H)就越大，对于环境的反馈功能就越强，稳定性和水质越好；反之，如果水体受到污染，会影响一部分敏感型物种的生存，导致耐污性物种大量繁殖，群落结构简单化，水质恶化。0为严重污染环境；0～1为重污染环境；1～2为中污染环境；2～3为轻污染环境；大于3为清洁环境[18-19]。从表1可以看出，处理区RDS中排水的H值为2.34，水质为轻度污染类型，而处理区CK中排水的H值为1.77，水质为中度污染类型。结果表明，“稻—鸭—虾”生态种养模式改善了藻类群落结构，增加了稻田排水中水体的稳定性，降低了水体的污染程度。

表2 水稻乳熟期排水中各处理区藻类种数和生物量

2.3 不同处理产量、米质及经济效益分析

由表3可知，与处理区CK相比，处理区RDS中水稻的有效穗、穗粒数和结实率分别提高了4.83%，5.28%和2.84%，水稻的有效穗和结实率在各处理间差异显著(p<0.05)，稻谷单位面积实际产量增加5.67%，但稻谷总产量减少13.44%。各处理区中稻米重金属Cd的含量均未超过《食品安全国家标准(GB2762-2017)》中所规定的稻米卫生标准(Cd≤0.2 mg/kg)，且无显著差异。蛋白质作为稻米的主要营养来源，相比于处理区CK，处理区RDS中稻米的蛋白质含量显著增加8.15%。从经济效益来看，相比于处理区CK，处理区RDS的总净收入增加了5 280元/hm2(表4)。

表3 各处理区水稻产量构成及米质

注：数据为平均值±标准差；*表示各处理间差异显著(p<0.05)，**表示各处理间差异极显著(p<0.01)。

表4“稻-鸭-虾”生态种养稻田与常规稻田经济效益估算表元/hm2

处理区现金支出项目金额现金收入项目金额净收入RDS稻种195稻谷20 670化肥1 010肉鸭10 700机械作业费6 600虾7 695鸭苗765虾苗1 875饲料3 800人工5 200防护设施费1 600其他2 400合计23 445合计39 06515 620CK稻种260稻谷21 890化肥2 400农药、除草剂2 150机械作业费2 650人工2 700其他1 390合计11 550合计21 89010 340

3 讨 论

“稻—鸭—虾”生态种养模式下稻田水体中N，P含量整体低于常规种植，表明“稻—鸭—虾”生态种养稻田中的N，P流失风险低于常规种植。相关研究[20-21]结果表明，采用有机肥替代部分化肥，稻田与沟渠湿地协同处理均可以有效降低水体中N，P输出负荷，且稻鸭共育提高了水稻秸秆的N，P吸收量[22]。本研究表明通过降低水稻田中化肥农药的使用量，以及利用沟渠中基质底泥和水生植物对N，P的吸附吸收，减少了稻田水体中N，P含量，降低因稻田排水带来的水体富营养化风险。在水稻分蘖前期，水稻还处于秧苗期，对磷素的需求低，而处理区RDS中刚放鸭不久，鸭粪中的有机质氧化分解释放磷元素，且鸭子在田间踩踏，使土壤表层颗粒中的磷元素被诱导释放到水体中，从而导致了处理区RDS的TP浓度有了一定程度的增加。由于水稻分蘖前补充了氮肥，各处理区水体中TN浓度在水稻分蘖前期均达到峰值。随着水稻的生长发育，水稻对N，P营养元素需求的增强，加上沟渠湿地的净化，水稻生长后期水体中N，P含量迅速降低。薛利红[23]等研究发现稻田湿地在水稻拔节期和灌浆期，对水体中的TN，TP有很高的去除率，与本文研究结果一致。

藻类的生长繁殖受到光照、营养盐、水生动物、食水生动物鱼类等多种因素的影响[26]。在水稻的生长前期，稻田中光照和营养盐含量充足，此时水稻尚处于生长期，在和藻类对光照和营养盐的竞争中并不占优势，导致各处理区水体中藻类快速繁殖。宋玉芝[27]等研究发现藻类随着水体中氮含量的增加而增加，与沉水植物是否存在并无关系，而处理区RDS的藻类总生物量在水稻分蘖前期增幅并不明显，原因可能是鸭和虾是滤食性动物，摄食水体中的藻类，在一定程度上减缓了藻类的繁殖速度。随着水稻的生长，水稻竞争性以及遮光性的增强，各处理区水体中的藻类总生物量均出现大幅度下降。处理区CK在水稻的抽穗期藻类总生物量的变化并不明显，可能与处理区CK在水稻抽穗前田间施洒农药有关，沈宏等[28]研究发现较低浓度的有机物可以促进藻类的繁殖。处理区RDS在水稻的乳熟期藻类总生物量小幅度上升可能是由于鸭、虾的离田，藻类缺少捕食者。

处理区RDS水体中藻类总生物量低于处理区CK，这是由于处理区RDS水体的营养盐含量低，且鸭、虾对藻类的摄食，水生植物对光照和营养盐的竞争导致处理区RDS水体中藻类繁殖受到抑制。张萍[29]等研究发现，在养殖克氏原螯虾的水中添加有机肥，会抑制蓝藻等有害藻类的繁殖，且在流动的水体中，往往能快速繁殖的藻类如硅藻等更具竞争优势[30]。本文研究得出处理区RDS乳熟期排水中藻类总生物量主要以硅藻和绿藻为主，与处理区CK有明显差异，可见水生植被的修复和水质的改善会对藻类的群落结构造成显著影响[31]。相比于处理区CK，处理区RDS乳熟期排水中Shannon-Wiener指数更高，水体稳定性更强，水体污染程度更小，与汪金平[32]等研究结果类似。

鸭子在田间的穿行和啄食，刺激了水稻的根系生长，使水稻植株更加健壮，提高群体质量，减少了水稻的无效分蘖，有效提高了处理区RDS中水稻的有效穗数、穗粒数、结实率和产量。处理区RDS中由于利用鸭粪、虾粪作为有机肥替代部分化肥，不施农药和除草剂，使水稻在一个优质的环境中生长发育，提高了稻米中蛋白质的营养含量。各处理区稻米中Cd含量均在稻米卫生标准之内，表明鸭、虾进入稻田生态系统并没有带来稻米重金属Cd的污染风险，与张帆[33]等研究结果一致。本研究处理区RDS中将一部分稻田面积改造成沟渠，来净化水体中氮磷，降低了稻田内的种植面积，故在稻谷总产量上有一定程度的降低，但是由于有鸭和虾的产出，处理区RDS的总净收入要远远高于处理区CK。

“稻—鸭—虾”生态种养通过将部分稻田改造成沟渠，利用水稻、鸭和虾的共生关系，发挥了水稻田系统的生产、养殖和环境调控功能，在提高经济效益的同时，降低了稻田排水带来的富营养化风险，具有良好的应用前景。

4 结 论

(1) 相比于常规种植，“稻—鸭—虾”生态种养能有效减少稻田水体中N，P含量，TN，TP含量分别减少了32.43%和19.35%，降低了因N，P流失带来的水体富营养化风险。经过一季种植，“稻—鸭—虾”生态种养对初始灌溉水中的TN，TP的去除率分别达到38.7%，26.9%，对氮磷有较好净化作用。

(2) “稻—鸭—虾”生态种养稻田水体中N，P各形态变化与常规种植有明显差异。在水稻全生育期内，DTP和PP比例更加稳定，而在水稻后期，稻田水体中ON比例明显增加。

(3) “稻—鸭—虾”生态种养改善了藻类植物群落结构，稻田排水中藻类Shannon-Wiener多样性指数提高到2.34，有效增加水体的稳定性，降低水体污染程度。

(4) 相比于常规种植，“稻—鸭—虾”生态种养中水稻的有效穗、穗粒数和结实率分别提高了4.83%，5.28%和2.84%，稻米中蛋白质含量增加了8.15%，提高了经济效益，且并未带来重金属污染风险，是值得推广的大田种养技术。