王海艷 毛文靜 董澤濤 楊 軍, 朱建強,

(1. 長江大學農(nóng)學院, 荊州 434025; 2. 長江大學濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心, 荊州 434025)

通過在養(yǎng)殖水體中施加肥料來培育水生動物生長過程中的天然餌料, 提高養(yǎng)殖產(chǎn)量, 是淡水養(yǎng)殖中的一項寶貴經(jīng)驗, 已在我國和全球許多國家廣泛應(yīng)用[1—4]。肥料中含有的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)可有效促進浮游植物生長, 提高浮游動物的生物量, 調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體的生態(tài)條件, 從而為養(yǎng)殖動物提供了豐富的天然餌料[5,6]。

稻田土壤本身富含礦質(zhì)養(yǎng)分, 稻田生產(chǎn)中氮、磷等肥料的大量施用使得田面水營養(yǎng)元素過剩, 在促進水稻生長的同時, 也為稻田水體中浮游植物的大量繁殖創(chuàng)造了條件。浮游植物是稻田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 在稻田養(yǎng)分的循環(huán)與平衡中起著至關(guān)重要的作用[7]。稻田浮游植物的生長一方面可以吸收固定氮、磷等營養(yǎng)元素, 提高土壤肥力, 另一方面也會引起前期氨揮發(fā)損失, 降低肥料利用率[7,8]。稻蝦綜合種養(yǎng)模式是一種新型的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式, 能顯著改變稻田水體生態(tài)環(huán)境, 改善水體浮游植物群落結(jié)構(gòu), 提高浮游植物多樣性[9]。已有的研究表明, 不同肥料種類和施肥強度對養(yǎng)殖產(chǎn)量和浮游生物群落結(jié)構(gòu)的影響是不同的[10,11]。水產(chǎn)養(yǎng)殖中合理施肥不僅有助于降低餌料系數(shù)[12], 提高養(yǎng)殖產(chǎn)量和經(jīng)濟效益, 還為畜禽高密度養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞污找到了一條資源化利用的渠道, 避免造成周邊水域的富營養(yǎng)化。目前有關(guān)稻田水體浮游植物的研究主要聚焦于稻田種養(yǎng)模式[9,13—15]或施肥[7,8]對浮游植物的影響, 而涉及不同施肥模式對稻田種養(yǎng)水體浮游植物的影響尚缺乏報道。本研究通過對不同施肥模式下克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)的研究, 探索適合稻田綜合種養(yǎng)的施肥模式, 以期為稻蝦養(yǎng)殖中的餌料培育積累數(shù)據(jù),也為優(yōu)化稻蝦綜合種養(yǎng)模式提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年春季(4—5月)在湖北省荊州市長江大學農(nóng)業(yè)科技園稻蝦模式試驗基地(30°22'12" N,112°4'12" E)進行。該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū), 年平均氣溫15.9—16.6℃, 年日照時數(shù)1800—2000h,年輻射總量為104—110 kcal/cm2, 年平均降水量1100—1300 mm。試驗期間天氣以多云和小雨為主, 平均氣溫19.5℃。良好的氣候條件適宜多種農(nóng)作物的生長和發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖。

1.2 試驗設(shè)計

采用大田隨機試驗, 設(shè)化肥(H)、有機肥(Y)和有機-無機復(fù)混肥(X)3個不同施肥處理組(表 1)?；屎袡C質(zhì)≥20%, 養(yǎng)分(N-P2O5-K2O)≥15%; 有機肥為畜禽糞便發(fā)酵后的生物有機肥, 含有機質(zhì)≥45%, 養(yǎng)分≥6%; 有機-無機復(fù)混肥含有機質(zhì)≥40%,養(yǎng)分≥20%。試驗在3塊稻田進行, 每塊占地1100 m2,并均以圍隔劃分為4個重復(fù)小田塊。稻田4面均挖有養(yǎng)殖環(huán)溝, 溝寬4.6 m, 深0.6—1.5 m, 不同處理稻田水體環(huán)境狀況見表 2。3月底開始施用肥料, 每10天施1次, 3塊稻田分別按每次化肥45 kg/hm2、有機肥150 kg/hm2、有機-無機復(fù)混肥45 kg/hm2標準施用, 施肥方法是將肥料稱量并溶于水后均勻潑灑于養(yǎng)殖溝內(nèi)。小龍蝦的放養(yǎng)時間為4月19日, 放養(yǎng)密度為2.30尾/m2, 放養(yǎng)規(guī)格為100尾/kg。經(jīng)40d的養(yǎng)殖后于5月29日收獲克氏原螯蝦。

表1 克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖試驗施肥方案Tab. 1 The fertilization plan in paddy fields of P. clarkii

表2 不同處理稻田水體環(huán)境參數(shù)Tab. 2 Main environmental factors in paddy fields of different treatments

1.3 樣品采集與分析

水體樣品于2019年4—5月采集, 每周采樣一次,共采樣8次, 每次采樣時間選擇在上午8:00—10:00進行。每塊稻田設(shè)置4個采樣點, 現(xiàn)場用多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定稻田水體的溫度(T)和溶解氧(DO)等理化指標, 同時用2.5 L有機玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣, 每個樣點采集水樣500 mL用于水體營養(yǎng)鹽指標的測定, 500 mL用于浮游植物計數(shù), 浮游植物樣品現(xiàn)場用1.5%的酸性魯哥試液固定。

用于水體營養(yǎng)鹽測定的樣品在帶回實驗室后立即測定總氮(TN)和總磷(TP)等指標, 測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16]。浮游植物樣品帶回實驗室后, 靜置48h以上, 去除上清液, 濃縮到50 mL后取0.1 mL標本液置于浮游植物計數(shù)框計數(shù)。浮游植物的鑒定、計數(shù)及計算參照《中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[17]和《淡水浮游生物研究方法》[18]等資料進行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

浮游植物的優(yōu)勢度(PY)根據(jù)下列公式計算:

式中,ni為第i種浮游植物的個體數(shù),N為樣品中浮游植物的個體總數(shù),fi為第i種浮游植物在該地區(qū)的出現(xiàn)頻率, 在本研究中fi默認為1。將PY>0.1的浮游植物種類定為優(yōu)勢種。

根據(jù)物種豐度, 用PRIMER 5.0軟件計算浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H')和Pielou均勻度指數(shù)(J)。

利用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同施肥處理對浮游植物多樣性指數(shù)的影響, 同時用Duncan’s法進一步分析不同施肥處理間的差異。

采用Microsoft Excel、Origin 9.0、SPSS 19.0和STATISTICA 10.0等軟件統(tǒng)計繪圖。

2 結(jié)果

2.1 浮游植物種類組成

在調(diào)查期間, 共記錄到浮游植物104種(含3個變種), 隸屬于8門68屬, 其中H處理74種、Y處理和X處理均為81種。從浮游植物的種類組成來看(圖 1),不同施肥模式稻田水體中均以綠藻門的種類為主,其次為硅藻門、裸藻門和藍藻門的種類, 甲藻門和黃藻門的種類最少。

圖1 不同處理稻田水體中浮游植物的種類組成Fig. 1 Phytoplankton species in paddy fields of different treatments

在調(diào)查期間, 克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖水體中的主要浮游植物優(yōu)勢種為擬菱形弓形藻(Schroederia nitzschioides)、小球藻屬(Chlorellasp.)、具尾藍隱藻(Chroomonas caudata)和偽魚腥藻屬(Pseudanabaenasp.)等種類(表 3)。相同月份不同施肥處理間浮游植物優(yōu)勢種有差異, 但主要優(yōu)勢種的構(gòu)成差別較小。

表3 不同處理稻田水體中浮游植物優(yōu)勢種組成Tab. 3 Dominant phytoplankton species (PY>0.1) in paddy fields of different treatments

2.2 浮游植物豐度和生物量

在調(diào)查期間, 不同施肥處理間浮游植物豐度和生物量存在顯著差異, 并均以綠藻和隱藻占優(yōu)勢(圖 2)。其中, H處理、Y處理和X處理的浮游植物豐度變化范圍分別為 (3.69—26.25)×106、(0.78—9.81)×106和(3.08—30.32)×106ind./L, 浮游植物生物量的變化范圍分別為2.80—26.00、0.55—5.27和2.47—21.59 mg/L, H處理的浮游植物平均豐度(15.80×106ind./L)和平均生物量(11.03 mg/L)最高,其次為X處理(分別為11.86×106ind./L、7.68 mg/L),Y處理最低(分別為4.08×106ind./L、2.71 mg/L)。隱藻豐度在H處理中占比最高, 為24.14%; 藍藻和硅藻豐度在Y處理中占比最高, 分別為13.39%和11.68%; 綠藻豐度則在X處理中占比最高, 達58.44%。

2.3 浮游植物多樣性

不同施肥模式對克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖水體浮游植物多樣性的影響顯示, Pielou均勻度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)隨時間均呈現(xiàn)出波浪形變化特征(圖 3)。H處理、Y處理和X處理的Pielou均勻度指數(shù)變化范圍分別為0.47—0.77、0.63—0.83和0.43—0.87, 平均值分別為0.61、0.74和0.71。在養(yǎng)殖的前期(前3周), Y處理的Pielou均勻度指數(shù)高于X處理和H處理, 而養(yǎng)殖后期(3周后)X處理高于Y處理和H處理。

圖3 不同處理稻田水體中浮游植物多樣性的時間變化特征Fig. 3 Variations of phytoplankton diversity in paddy fields of different treatments不同字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05), 下同Different letters indicate significant differences among treatments (P<0.05), the same applies below

在調(diào)查期間, H處理、Y處理、X處理的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化范圍分別為1.55—2.54、1.97—2.81和1.56—2.77, 平均值分別為1.95、2.29和2.38。在養(yǎng)殖的初期(前1周)和后期(3周后), X處理的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均高于Y處理和H處理, 而養(yǎng)殖中期(2—3周)Y處理顯著高于X處理和H處理。

2.4 浮游植物群落的變化及其影響因素

對3種不同施肥模式下稻田水體浮游植物群落進行非度量多維尺度(MDS)分析, 發(fā)現(xiàn)浮游植物群落均呈現(xiàn)出明顯的時間演替模式(圖 4)。H處理的浮游植物群落由養(yǎng)殖初期以隱藻、金藻和綠藻為優(yōu)勢種演變?yōu)轲B(yǎng)殖末期以綠藻為主要優(yōu)勢種, 群落組成發(fā)生了顯著變化。而在Y處理和X處理的稻田水體中, 浮游植物群落在養(yǎng)殖初期以綠藻、隱藻和硅藻為優(yōu)勢種, 養(yǎng)殖中期轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃G藻、藍藻和隱藻為優(yōu)勢種, 到養(yǎng)殖末期又回到了養(yǎng)殖初期以綠藻、隱藻和硅藻為優(yōu)勢種的狀態(tài)(圖 2)。

圖2 不同處理稻田水體中浮游植物豐度和生物量的時間變化特征Fig. 2 Variations of phytoplankton abundance and biomass in paddy fields of different treatments

圖4 不同處理稻田水體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體中, 水溫(T)、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)和氮磷比(N/P)均呈現(xiàn)出波浪形變化特征(圖 5)。H處理的T和DO較其他處理整體偏高, 不同施肥處理間的營養(yǎng)鹽差異不顯著。

圖5 不同處理稻田水體環(huán)境因子的時間變化特征Fig. 5 Variations of environmental factors in paddy fields of different treatments

稻田環(huán)境因子對浮游植物豐度具有重要影響(表 4)。在H處理的稻田水體中, 裸藻主要受DO、TP和N/P比的影響, 隱藻和黃藻主要受T影響, 金藻則與TN存在顯著負相關(guān)關(guān)系。在Y處理的稻田中,只有硅藻與T關(guān)系密切, 其他藻類與環(huán)境因子的關(guān)系不顯著。在X處理的稻田水體中, 硅藻和隱藻與TN存在顯著負相關(guān)關(guān)系, 而甲藻主要受DO和T的影響。此外, 在不同施肥模式中, 綠藻和藍藻與環(huán)境因子的關(guān)系均不顯著。

表4 不同處理稻田水體中浮游植物豐度的多元線性回歸模型Tab. 4 Linear regression models explaining the phytoplankton abundance in paddy fields of different treatments

3 討論

3.1 不同施肥模式對稻田水體中浮游植物群落的影響

不同施肥模式對養(yǎng)殖水體中浮游植物群落的影響差別較大。在本研究中, 施有機肥和有機-無機復(fù)混肥的稻田中浮游植物種類數(shù)相同且均高于施化肥稻田, 但不同施肥處理間稻田浮游植物優(yōu)勢種的差異較小, 這說明稻田中浮游植物群落組成受施肥的影響較小。該研究結(jié)果與前人對不同施肥模式下池塘養(yǎng)殖水體中浮游植物群落結(jié)構(gòu)的研究一致[3,19,20], 但與張萍等[21]所報道的克氏原螯蝦養(yǎng)殖池塘浮游植物群落動態(tài)變化存在差異。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化主要受營養(yǎng)鹽[22]和季節(jié)變化[19]的影響, 這可能是導(dǎo)致本研究中不同施肥處理間浮游植物群落組成差異不明顯的主要原因。

在通常情況下, 施肥可增加養(yǎng)殖水體中浮游植物的豐度和生物量, 且不同肥料對浮游植物豐度和生物量的影響存在差異[20,22,23]。金芳芳等[19]發(fā)現(xiàn)施肥可顯著增加養(yǎng)殖水體中浮游植物優(yōu)勢種的豐度。孫衛(wèi)明等[6]報道在凡納濱對蝦養(yǎng)殖水體中添加無機肥的浮游植物生物量顯著高于其他施肥組合。Mischke等[10]的研究發(fā)現(xiàn), 在養(yǎng)魚池塘中同時施無機肥和有機肥的綠藻生物量、硅藻生物量和Chl.a顯著高于施有機肥的池塘。在本研究中, 浮游植物豐度和生物量的變化特征均表現(xiàn)為化肥>有機-無機復(fù)混肥>有機肥, 該結(jié)果與前人的研究結(jié)論[6,10]一致。此外, 在養(yǎng)殖水體中施用有機肥可改善池塘生態(tài)環(huán)境, 抑制藍藻的生長[23,24], 但也有研究結(jié)果表明施用有機肥能夠增加藍藻的數(shù)量[25]。張萍等[21]發(fā)現(xiàn)施有機肥可有效地增加克氏原螯蝦養(yǎng)殖池塘中小席藻(Phormidium tenue)、魚腥藻(Anabaena)、擬魚腥藻(Anabaenopsis)和平裂藻(Merismopedia)的相對優(yōu)勢。孟順龍等[23]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖水體中添加有機肥可降低惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)和束球藻(Gomphosphaeria)等藍藻的比例, 增加小環(huán)藻和舟形藻(Navicula)等硅藻的數(shù)量。在本研究中, 施有機肥的稻田中藍藻和硅藻的比例均高于同期施有機-無機復(fù)混肥和化肥的稻田,表明在稻田養(yǎng)殖水體中施有機肥具有促進藍藻和硅藻生長的效果, 尤其是偽魚腥藻、色球藻(Chroococcus)、小環(huán)藻和舟形藻等浮游植物種類,這可能與施有機肥稻田中較高的有機質(zhì)含量[25]和較低的氮磷比[26]有關(guān)。

浮游植物多樣性對群落演替的方向、速率和穩(wěn)定性具有重要影響[27], 浮游植物的過度繁殖將嚴重影響到水生動物的正常生長甚至導(dǎo)致其死亡[28]。施肥可顯著提高養(yǎng)殖水體的浮游植物多樣性, 改善浮游植物的群落結(jié)構(gòu), 且不同肥料類別對浮游植物多樣性的影響存在差異[22,23]。在本研究中, 施有機肥和施有機-無機復(fù)混肥的稻田中浮游植物多樣性均高于施化肥稻田, 表明施用有機肥不僅能夠提高浮游植物多樣性, 還有助于改善稻田養(yǎng)殖水體環(huán)境, 這一結(jié)果與前人對池塘養(yǎng)殖水體的研究報道一致[6,23,29]。

3.2 浮游植物群落與環(huán)境的關(guān)系

在本研究中, 施化肥稻田的浮游植物群落由養(yǎng)殖初期以隱藻、金藻和綠藻為優(yōu)勢種演變?yōu)轲B(yǎng)殖末期以綠藻為主要優(yōu)勢種, 群落組成發(fā)生了顯著變化, 而施有機肥和有機-無機復(fù)混肥的稻田水體中,浮游植物群落組成在整個養(yǎng)殖期差異較小, 稻田中浮游植物多樣性也均高于施化肥稻田, 說明施用化肥顯著改變了克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖水體的浮游植物群落結(jié)構(gòu), 而施用有機肥和有機-無機復(fù)混肥可使浮游植物群落處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)[6]。該結(jié)果與孟順龍等[23]的研究結(jié)果一致, 表明施有機肥具有改善養(yǎng)殖水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)的效果。

水溫和營養(yǎng)鹽是限制浮游植物生長的重要因素[30]。在自然水體中, 浮游植物的最適生長溫度為18—25℃[17], 低溫有利于硅藻和隱藻占優(yōu)勢地位,黃藻和甲藻在低溫下基本不生長, 高溫時則只有部分藍藻能夠持續(xù)生長[31]。在本研究中, 水溫與硅藻和隱藻均呈顯著負相關(guān)關(guān)系, 與宋慶洋等[15]研究結(jié)果一致, 施化肥和有機-無機復(fù)混肥稻田中, 水溫與黃藻和甲藻呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明養(yǎng)分豐富的稻田水體中, 春季水溫的回升可促進黃藻和甲藻的生長。營養(yǎng)鹽是影響稻田生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物群落的關(guān)鍵因子, 春季溫度回升可促使底泥向養(yǎng)殖水體中釋放營養(yǎng)鹽, 此外施入水體的肥料及養(yǎng)殖過程中的蝦糞也可促進浮游植物的生長繁殖[15]。在本研究中, 硅藻、隱藻和金藻與營養(yǎng)鹽均呈顯著負相關(guān)關(guān)系, 該結(jié)果與唐金玉等[22]的報道一致; 施化肥稻田中裸藻與營養(yǎng)鹽呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明營養(yǎng)鹽的增加可促進裸藻的生長。在本研究的不同施肥模式中, 綠藻和藍藻與環(huán)境因子的相關(guān)性均不顯著,可能是競爭或捕食等間接因素掩蓋了環(huán)境因子的真實影響, 因為除環(huán)境因子外, 捕食和競爭等生物因素也是影響浮游植物群落變化的重要因素[28]。這些結(jié)果表明克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖水體中浮游植物群落與水溫和營養(yǎng)鹽密切相關(guān), 且不同施肥模式下影響浮游植物群落的環(huán)境因子存在差異。

4 結(jié)論

在稻田養(yǎng)殖水體中施肥會改變浮游植物群落結(jié)構(gòu), 且不同施肥模式對浮游植物群落的影響存在差異。相較于施化肥稻田, 施有機肥和有機-無機復(fù)混肥的稻田中浮游植物的豐度和生物量更低, 但生物多樣性更高, 群落也更加穩(wěn)定。不同施肥模式下浮游植物群落的影響因子存在差異, 水溫和營養(yǎng)鹽是影響稻田水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。