不同施肥模式对克氏原螯虾稻田养殖水体浮游植物群落结构的影响

王海艳 毛文静 董泽涛 杨 军, 朱建强,

(1. 长江大学农学院, 荆州 434025; 2. 长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心, 荆州 434025)

通过在养殖水体中施加肥料来培育水生动物生长过程中的天然饵料, 提高养殖产量, 是淡水养殖中的一项宝贵经验, 已在我国和全球许多国家广泛应用[1—4]。肥料中含有的氮、磷等营养物质可有效促进浮游植物生长, 提高浮游动物的生物量, 调节养殖水体的生态条件, 从而为养殖动物提供了丰富的天然饵料[5,6]。

稻田土壤本身富含矿质养分, 稻田生产中氮、磷等肥料的大量施用使得田面水营养元素过剩, 在促进水稻生长的同时, 也为稻田水体中浮游植物的大量繁殖创造了条件。浮游植物是稻田生态系统的重要组成部分, 在稻田养分的循环与平衡中起着至关重要的作用[7]。稻田浮游植物的生长一方面可以吸收固定氮、磷等营养元素, 提高土壤肥力, 另一方面也会引起前期氨挥发损失, 降低肥料利用率[7,8]。稻虾综合种养模式是一种新型的生态农业模式, 能显著改变稻田水体生态环境, 改善水体浮游植物群落结构, 提高浮游植物多样性[9]。已有的研究表明, 不同肥料种类和施肥强度对养殖产量和浮游生物群落结构的影响是不同的[10,11]。水产养殖中合理施肥不仅有助于降低饵料系数[12], 提高养殖产量和经济效益, 还为畜禽高密度养殖产生的粪污找到了一条资源化利用的渠道, 避免造成周边水域的富营养化。目前有关稻田水体浮游植物的研究主要聚焦于稻田种养模式[9,13—15]或施肥[7,8]对浮游植物的影响, 而涉及不同施肥模式对稻田种养水体浮游植物的影响尚缺乏报道。本研究通过对不同施肥模式下克氏原螯虾稻田养殖水体浮游植物群落结构的研究, 探索适合稻田综合种养的施肥模式, 以期为稻虾养殖中的饵料培育积累数据,也为优化稻虾综合种养模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年春季(4—5月)在湖北省荆州市长江大学农业科技园稻虾模式试验基地(30°22'12" N,112°4'12" E)进行。该地区属亚热带季风气候区, 年平均气温15.9—16.6℃, 年日照时数1800—2000h,年辐射总量为104—110 kcal/cm2, 年平均降水量1100—1300 mm。试验期间天气以多云和小雨为主, 平均气温19.5℃。良好的气候条件适宜多种农作物的生长和发展水产养殖。

1.2 试验设计

采用大田随机试验, 设化肥(H)、有机肥(Y)和有机-无机复混肥(X)3个不同施肥处理组(表 1)。化肥含有机质≥20%, 养分(N-P2O5-K2O)≥15%; 有机肥为畜禽粪便发酵后的生物有机肥, 含有机质≥45%, 养分≥6%; 有机-无机复混肥含有机质≥40%,养分≥20%。试验在3块稻田进行, 每块占地1100 m2,并均以围隔划分为4个重复小田块。稻田4面均挖有养殖环沟, 沟宽4.6 m, 深0.6—1.5 m, 不同处理稻田水体环境状况见表 2。3月底开始施用肥料, 每10天施1次, 3块稻田分别按每次化肥45 kg/hm2、有机肥150 kg/hm2、有机-无机复混肥45 kg/hm2标准施用, 施肥方法是将肥料称量并溶于水后均匀泼洒于养殖沟内。小龙虾的放养时间为4月19日, 放养密度为2.30尾/m2, 放养规格为100尾/kg。经40d的养殖后于5月29日收获克氏原螯虾。

表1 克氏原螯虾稻田养殖试验施肥方案Tab. 1 The fertilization plan in paddy fields of P. clarkii

表2 不同处理稻田水体环境参数Tab. 2 Main environmental factors in paddy fields of different treatments

1.3 样品采集与分析

水体样品于2019年4—5月采集, 每周采样一次,共采样8次, 每次采样时间选择在上午8:00—10:00进行。每块稻田设置4个采样点, 现场用多参数水质分析仪测定稻田水体的温度(T)和溶解氧(DO)等理化指标, 同时用2.5 L有机玻璃采水器采集水面下0.5 m处水样, 每个样点采集水样500 mL用于水体营养盐指标的测定, 500 mL用于浮游植物计数, 浮游植物样品现场用1.5%的酸性鲁哥试液固定。

用于水体营养盐测定的样品在带回实验室后立即测定总氮(TN)和总磷(TP)等指标, 测定方法参照《水和废水监测分析方法》[16]。浮游植物样品带回实验室后, 静置48h以上, 去除上清液, 浓缩到50 mL后取0.1 mL标本液置于浮游植物计数框计数。浮游植物的鉴定、计数及计算参照《中国淡水藻类—系统、分类及生态》[17]和《淡水浮游生物研究方法》[18]等资料进行。

1.4 数据分析

浮游植物的优势度(PY)根据下列公式计算:

式中,ni为第i种浮游植物的个体数,N为样品中浮游植物的个体总数,fi为第i种浮游植物在该地区的出现频率, 在本研究中fi默认为1。将PY>0.1的浮游植物种类定为优势种。

根据物种丰度, 用PRIMER 5.0软件计算浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数(H')和Pielou均匀度指数(J)。

利用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同施肥处理对浮游植物多样性指数的影响, 同时用Duncan’s法进一步分析不同施肥处理间的差异。

采用Microsoft Excel、Origin 9.0、SPSS 19.0和STATISTICA 10.0等软件统计绘图。

2 结果

2.1 浮游植物种类组成

在调查期间, 共记录到浮游植物104种(含3个变种), 隶属于8门68属, 其中H处理74种、Y处理和X处理均为81种。从浮游植物的种类组成来看(图 1),不同施肥模式稻田水体中均以绿藻门的种类为主,其次为硅藻门、裸藻门和蓝藻门的种类, 甲藻门和黄藻门的种类最少。

图1 不同处理稻田水体中浮游植物的种类组成Fig. 1 Phytoplankton species in paddy fields of different treatments

在调查期间, 克氏原螯虾稻田养殖水体中的主要浮游植物优势种为拟菱形弓形藻(Schroederia nitzschioides)、小球藻属(Chlorellasp.)、具尾蓝隐藻(Chroomonas caudata)和伪鱼腥藻属(Pseudanabaenasp.)等种类(表 3)。相同月份不同施肥处理间浮游植物优势种有差异, 但主要优势种的构成差别较小。

表3 不同处理稻田水体中浮游植物优势种组成Tab. 3 Dominant phytoplankton species (PY>0.1) in paddy fields of different treatments

2.2 浮游植物丰度和生物量

在调查期间, 不同施肥处理间浮游植物丰度和生物量存在显著差异, 并均以绿藻和隐藻占优势(图 2)。其中, H处理、Y处理和X处理的浮游植物丰度变化范围分别为 (3.69—26.25)×106、(0.78—9.81)×106和(3.08—30.32)×106ind./L, 浮游植物生物量的变化范围分别为2.80—26.00、0.55—5.27和2.47—21.59 mg/L, H处理的浮游植物平均丰度(15.80×106ind./L)和平均生物量(11.03 mg/L)最高,其次为X处理(分别为11.86×106ind./L、7.68 mg/L),Y处理最低(分别为4.08×106ind./L、2.71 mg/L)。隐藻丰度在H处理中占比最高, 为24.14%; 蓝藻和硅藻丰度在Y处理中占比最高, 分别为13.39%和11.68%; 绿藻丰度则在X处理中占比最高, 达58.44%。

2.3 浮游植物多样性

不同施肥模式对克氏原螯虾稻田养殖水体浮游植物多样性的影响显示, Pielou均匀度指数和Shannon-Wiener多样性指数随时间均呈现出波浪形变化特征(图 3)。H处理、Y处理和X处理的Pielou均匀度指数变化范围分别为0.47—0.77、0.63—0.83和0.43—0.87, 平均值分别为0.61、0.74和0.71。在养殖的前期(前3周), Y处理的Pielou均匀度指数高于X处理和H处理, 而养殖后期(3周后)X处理高于Y处理和H处理。

图3 不同处理稻田水体中浮游植物多样性的时间变化特征Fig. 3 Variations of phytoplankton diversity in paddy fields of different treatments不同字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05), 下同Different letters indicate significant differences among treatments (P<0.05), the same applies below

在调查期间, H处理、Y处理、X处理的Shannon-Wiener多样性指数变化范围分别为1.55—2.54、1.97—2.81和1.56—2.77, 平均值分别为1.95、2.29和2.38。在养殖的初期(前1周)和后期(3周后), X处理的Shannon-Wiener多样性指数均高于Y处理和H处理, 而养殖中期(2—3周)Y处理显著高于X处理和H处理。

2.4 浮游植物群落的变化及其影响因素

对3种不同施肥模式下稻田水体浮游植物群落进行非度量多维尺度(MDS)分析, 发现浮游植物群落均呈现出明显的时间演替模式(图 4)。H处理的浮游植物群落由养殖初期以隐藻、金藻和绿藻为优势种演变为养殖末期以绿藻为主要优势种, 群落组成发生了显著变化。而在Y处理和X处理的稻田水体中, 浮游植物群落在养殖初期以绿藻、隐藻和硅藻为优势种, 养殖中期转变为以绿藻、蓝藻和隐藻为优势种, 到养殖末期又回到了养殖初期以绿藻、隐藻和硅藻为优势种的状态(图 2)。

图2 不同处理稻田水体中浮游植物丰度和生物量的时间变化特征Fig. 2 Variations of phytoplankton abundance and biomass in paddy fields of different treatments

图4 不同处理稻田水体中浮游植物群落的演替特征Fig. 4 Succession of phytoplankton community in paddy fields of different treatments

在不同施肥模式的稻田水体中, 水温(T)、溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)和氮磷比(N/P)均呈现出波浪形变化特征(图 5)。H处理的T和DO较其他处理整体偏高, 不同施肥处理间的营养盐差异不显著。

图5 不同处理稻田水体环境因子的时间变化特征Fig. 5 Variations of environmental factors in paddy fields of different treatments

稻田环境因子对浮游植物丰度具有重要影响(表 4)。在H处理的稻田水体中, 裸藻主要受DO、TP和N/P比的影响, 隐藻和黄藻主要受T影响, 金藻则与TN存在显著负相关关系。在Y处理的稻田中,只有硅藻与T关系密切, 其他藻类与环境因子的关系不显著。在X处理的稻田水体中, 硅藻和隐藻与TN存在显著负相关关系, 而甲藻主要受DO和T的影响。此外, 在不同施肥模式中, 绿藻和蓝藻与环境因子的关系均不显著。

表4 不同处理稻田水体中浮游植物丰度的多元线性回归模型Tab. 4 Linear regression models explaining the phytoplankton abundance in paddy fields of different treatments

3 讨论

3.1 不同施肥模式对稻田水体中浮游植物群落的影响

不同施肥模式对养殖水体中浮游植物群落的影响差别较大。在本研究中, 施有机肥和有机-无机复混肥的稻田中浮游植物种类数相同且均高于施化肥稻田, 但不同施肥处理间稻田浮游植物优势种的差异较小, 这说明稻田中浮游植物群落组成受施肥的影响较小。该研究结果与前人对不同施肥模式下池塘养殖水体中浮游植物群落结构的研究一致[3,19,20], 但与张萍等[21]所报道的克氏原螯虾养殖池塘浮游植物群落动态变化存在差异。浮游植物群落结构的变化主要受营养盐[22]和季节变化[19]的影响, 这可能是导致本研究中不同施肥处理间浮游植物群落组成差异不明显的主要原因。

在通常情况下, 施肥可增加养殖水体中浮游植物的丰度和生物量, 且不同肥料对浮游植物丰度和生物量的影响存在差异[20,22,23]。金芳芳等[19]发现施肥可显著增加养殖水体中浮游植物优势种的丰度。孙卫明等[6]报道在凡纳滨对虾养殖水体中添加无机肥的浮游植物生物量显著高于其他施肥组合。Mischke等[10]的研究发现, 在养鱼池塘中同时施无机肥和有机肥的绿藻生物量、硅藻生物量和Chl.a显著高于施有机肥的池塘。在本研究中, 浮游植物丰度和生物量的变化特征均表现为化肥>有机-无机复混肥>有机肥, 该结果与前人的研究结论[6,10]一致。此外, 在养殖水体中施用有机肥可改善池塘生态环境, 抑制蓝藻的生长[23,24], 但也有研究结果表明施用有机肥能够增加蓝藻的数量[25]。张萍等[21]发现施有机肥可有效地增加克氏原螯虾养殖池塘中小席藻(Phormidium tenue)、鱼腥藻(Anabaena)、拟鱼腥藻(Anabaenopsis)和平裂藻(Merismopedia)的相对优势。孟顺龙等[23]发现养殖水体中添加有机肥可降低惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)和束球藻(Gomphosphaeria)等蓝藻的比例, 增加小环藻和舟形藻(Navicula)等硅藻的数量。在本研究中, 施有机肥的稻田中蓝藻和硅藻的比例均高于同期施有机-无机复混肥和化肥的稻田,表明在稻田养殖水体中施有机肥具有促进蓝藻和硅藻生长的效果, 尤其是伪鱼腥藻、色球藻(Chroococcus)、小环藻和舟形藻等浮游植物种类,这可能与施有机肥稻田中较高的有机质含量[25]和较低的氮磷比[26]有关。

浮游植物多样性对群落演替的方向、速率和稳定性具有重要影响[27], 浮游植物的过度繁殖将严重影响到水生动物的正常生长甚至导致其死亡[28]。施肥可显著提高养殖水体的浮游植物多样性, 改善浮游植物的群落结构, 且不同肥料类别对浮游植物多样性的影响存在差异[22,23]。在本研究中, 施有机肥和施有机-无机复混肥的稻田中浮游植物多样性均高于施化肥稻田, 表明施用有机肥不仅能够提高浮游植物多样性, 还有助于改善稻田养殖水体环境, 这一结果与前人对池塘养殖水体的研究报道一致[6,23,29]。

3.2 浮游植物群落与环境的关系

在本研究中, 施化肥稻田的浮游植物群落由养殖初期以隐藻、金藻和绿藻为优势种演变为养殖末期以绿藻为主要优势种, 群落组成发生了显著变化, 而施有机肥和有机-无机复混肥的稻田水体中,浮游植物群落组成在整个养殖期差异较小, 稻田中浮游植物多样性也均高于施化肥稻田, 说明施用化肥显著改变了克氏原螯虾稻田养殖水体的浮游植物群落结构, 而施用有机肥和有机-无机复混肥可使浮游植物群落处于更加稳定的状态[6]。该结果与孟顺龙等[23]的研究结果一致, 表明施有机肥具有改善养殖水体浮游植物群落结构的效果。

水温和营养盐是限制浮游植物生长的重要因素[30]。在自然水体中, 浮游植物的最适生长温度为18—25℃[17], 低温有利于硅藻和隐藻占优势地位,黄藻和甲藻在低温下基本不生长, 高温时则只有部分蓝藻能够持续生长[31]。在本研究中, 水温与硅藻和隐藻均呈显著负相关关系, 与宋庆洋等[15]研究结果一致, 施化肥和有机-无机复混肥稻田中, 水温与黄藻和甲藻呈显著正相关关系, 说明养分丰富的稻田水体中, 春季水温的回升可促进黄藻和甲藻的生长。营养盐是影响稻田生态系统中浮游植物群落的关键因子, 春季温度回升可促使底泥向养殖水体中释放营养盐, 此外施入水体的肥料及养殖过程中的虾粪也可促进浮游植物的生长繁殖[15]。在本研究中, 硅藻、隐藻和金藻与营养盐均呈显著负相关关系, 该结果与唐金玉等[22]的报道一致; 施化肥稻田中裸藻与营养盐呈显著正相关关系, 说明营养盐的增加可促进裸藻的生长。在本研究的不同施肥模式中, 绿藻和蓝藻与环境因子的相关性均不显著,可能是竞争或捕食等间接因素掩盖了环境因子的真实影响, 因为除环境因子外, 捕食和竞争等生物因素也是影响浮游植物群落变化的重要因素[28]。这些结果表明克氏原螯虾稻田养殖水体中浮游植物群落与水温和营养盐密切相关, 且不同施肥模式下影响浮游植物群落的环境因子存在差异。

4 结论

在稻田养殖水体中施肥会改变浮游植物群落结构, 且不同施肥模式对浮游植物群落的影响存在差异。相较于施化肥稻田, 施有机肥和有机-无机复混肥的稻田中浮游植物的丰度和生物量更低, 但生物多样性更高, 群落也更加稳定。不同施肥模式下浮游植物群落的影响因子存在差异, 水温和营养盐是影响稻田水体浮游植物群落结构的主要环境因子。