孫 剛,房 巖,韓德復(fù)

(長春師范學院生命科學學院,吉林長春130032)

底棲魚類對水田上覆水生源要素動態(tài)的擾動效應(yīng)

孫 剛,房 巖,韓德復(fù)

(長春師范學院生命科學學院,吉林長春130032)

基于模擬實驗,通過對比分析氮素和磷素在有/無泥鰍(Misgurnus anguillicaudatus)活動時含量的差異,探討了底棲魚類對水田上覆水生源要素(氮、磷)動態(tài)的生物擾動效應(yīng).結(jié)果表明,實驗組的氨氮和硝態(tài)氮濃度在整個實驗期間均高于對照組.泥鰍擾動對亞硝態(tài)氮濃度的影響未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性.在實驗前期,實驗組的氨氮/總氮濃度比值高于對照組;在實驗中、后期,實驗組的氨氮/總氮濃度比值低于對照組.實驗組的總磷、溶解性總磷和顆粒磷濃度在實驗開始階段與對照組無顯著差異,在實驗中、后期顯著高于對照(P<0.05).實驗組的顆粒磷/總磷濃度比值高于對照組,表明實驗組中總磷濃度的增加主要是因為顆粒磷的增加.實驗組的溶解性無機磷占溶解性總磷的比例在實驗中、后期顯著高于對照(P<0.05).底棲魚類對水田上覆水中生源要素動態(tài)具有明顯的擾動作用.

底棲魚類;水田;生物擾動;生源要素;上覆水

0 引言

聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)近年來鼓勵水田復(fù)合種養(yǎng),強調(diào)水田養(yǎng)殖水生動物和家禽的能力,以經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)的方式強化稻米生產(chǎn),緩解土地和水資源面臨的嚴重威脅,減輕農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對農(nóng)藥和化肥的依賴性,保障糧食安全[1-2].水田復(fù)合種養(yǎng)已在我國一些地區(qū)得以實施,其中應(yīng)用養(yǎng)殖最多的是魚類[3-4].泥鰍(Misgurnus anguillicaudatus)屬鯉形目、鯉亞目、鰍科、泥鰍屬,營底棲生活,生命力和環(huán)境適應(yīng)性較強,適于水田養(yǎng)殖.底棲動物(包括底棲魚類)通過潛穴、游泳、覓食和避敵等擾動行為,以及對營養(yǎng)鹽的吸收、轉(zhuǎn)化、降解和排泄等生理活動,影響著營養(yǎng)鹽在水生生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)和交換[5-8].氮和磷是作物生長所必需的營養(yǎng)元素,是水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制性營養(yǎng)元素[9].各種類型農(nóng)田如何提高氮磷利用率、水環(huán)境中氮磷的生物地球化學循環(huán)已成為廣泛關(guān)注的熱點,也是世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求[10].揭示底棲魚類對水田生態(tài)系統(tǒng)中氮磷動態(tài)的生物擾動效應(yīng)具有重要的理論和實際意義,但目前的定量化研究還較薄弱.本文基于模擬實驗,通過對比分析不同形態(tài)的氮磷含量在有/無泥鰍活動時的差異,探討了底棲魚類泥鰍對水田上覆水中氮磷動態(tài)的擾動效應(yīng),為水田復(fù)合種養(yǎng)的評價和推廣提供了依據(jù).

1 研究地概況

水田沉積物和上覆水采自吉林省長春市雙陽區(qū)奢嶺街道徐家村七隊的水田.該地位于長春市東南部(東經(jīng)125°30′34″,北緯43°25′24″),屬溫帶大陸性季風氣候,海拔225 m.極端最高和最低氣溫分別為36.9℃和-34.6℃,多年平均氣溫為5.5℃.多年平均降雨量和蒸發(fā)量分別為620.0和1356.7 mm.年平均日照2882 h,年無霜期145 d.水田沉積物樣品的p H值為7.62,含水率237.50 g/kg,土壤容重0.82 g/cm3,土壤總孔隙度59.23%,土壤非毛管孔隙度6.39%;有機質(zhì)含量2.73 g/kg;總氮含量0.48 g/kg,速效氮含量122.42 mg/kg;總磷含量0.84 g/kg,速效磷含量11.22 mg/kg;全鉀含量22.37 g/kg,速效鉀含量78.58 mg/kg.2007年8月12日,現(xiàn)場測得水田上覆水的p H值為7.44,氧化還原電位為483.25 mV,溶解氧為7.20 mg/L.

2 材料和方法

2.1 樣品采集

選取沉積物質(zhì)地相對均一的水田,現(xiàn)場測試上覆水的p H值、氧化還原電位、溶解氧等參數(shù).用6根PVC管(直徑16 cm,長40 cm)隨機擇點采取15 cm處水田沉積物柱樣,采樣時盡量減少人為干擾,使沉積物保持自然狀態(tài).同時采集上覆水樣20 L,裝入聚乙烯塑料桶中,帶回實驗室.向6根PVC管中的上覆水充氮氣1 h,密封管口蔽光靜置12 h,將沉積物中的大型底棲動物逼至表面,之后用長鑷將管中原有動物去除.再將PVC管置于充氧環(huán)境中均衡24 h后開始模擬實驗.

2.2 模擬實驗

實驗分A,B兩組,每組設(shè)3次重復(fù)(3個PVC培養(yǎng)管),兩組共6個PVC培養(yǎng)管.A組為生物擾動實驗組,每個PVC管中放入4尾泥鰍(體長4～5 cm);B組為不放入擾動生物的對照組.培養(yǎng)期間水溫18℃～24℃.共進行20 d的培養(yǎng).定期從實驗組和對照組用針筒各抽取20 mL的上覆水樣,利用0.45μm的微孔濾膜過濾后置入帶蓋的聚乙烯塑料試管內(nèi),置于冰柜中冷凍保存,用于元素測定.每次取樣后立即用備用水補充,保持上覆水的體積不變.

2.3 分析測試方法

將有機氮和無機氮一同氧化后,用凱氏定氮法測定水樣中總氮含量;溶解性無機氮中的硝態(tài)氮(-N)和亞硝態(tài)氮(-N)含量用離子色譜儀(美國戴安公司,BIONEX DX-300型)分析測定.一部分水樣直接用于測定總磷含量,另一部分經(jīng)0.45μm醋酸纖維濾膜過濾后測定溶解性無機磷和溶解性總磷含量.溶解性無機磷含量采用鉬銻抗比色法測定(722S型分光光度計),總磷和溶解性總磷含量采用過硫酸鉀消解法測定.ρ(顆粒磷)=ρ(總磷)-ρ(溶解性總磷);ρ(溶解性有機磷)=ρ(溶解性總磷)-ρ(溶解性無機磷).

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel整理后,采用SPSS 13.0軟件包進行單因素方差(one-way ANOVA)分析,判定標準為差異極顯著(P<0.01)、差異顯著(P<0.05)和差異不顯著(P>0.05).

3 結(jié)果與分析

3.1 氮素動態(tài)

3.1.1 不同形態(tài)的氮素質(zhì)量濃度

在無擾動對照組中,整個實驗期間溶解性無機氮和總氮濃度變化很小.隨著實驗的進行,水體與空氣暴露時間的增加,上覆水中溶解氧含量上升,水體氧化性增強,硝化細菌增殖,使得亞硝態(tài)氮和氨氮濃度從第6天開始降低,而硝態(tài)氮濃度逐漸升高.到了實驗后期,對照組中的氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度保持相對穩(wěn)定(見圖1).

泥鰍擾動實驗組的氨氮濃度在整個實驗期間均高于對照組(見圖1a),除第13天和第17天外,均達到顯著差異水平(P<0.05)(見表1);氨氮濃度在實驗前期明顯升高,從第8天開始降低到2.00 mg/L以下的水平(見圖1a).除第1天外,實驗組的硝態(tài)氮濃度均顯著高于對照組(P<0.05)(見圖1b、表1).實驗組的硝態(tài)氮濃度在第8天明顯上升,這恰好與氨氮濃度的下降相對應(yīng),體現(xiàn)了硝化細菌群體的增長(見圖1b).實驗組的亞硝態(tài)氮濃度在大多數(shù)時間里低于對照組(見圖1c).亞硝態(tài)氮處于低氧化態(tài),作為氨氮和硝態(tài)氮之間轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物,亞硝態(tài)氮是氨氮氧化和硝態(tài)氮還原的過渡及不穩(wěn)定形式,但整個實驗期間泥鰍擾動對亞硝態(tài)氮濃度的影響未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性.在3種形式的溶解態(tài)無機氮中,泥鰍擾動對硝態(tài)氮濃度的增加作用最為顯著(見表1).在實驗組中,整個實驗期間溶解性無機氮和總氮濃度均高于對照組,說明泥鰍擾動增加了沉積物中的氮素釋放.實驗組的溶解性無機氮和總氮質(zhì)量濃度最高分別達到4.66和6.42 mg/L,而對照組最高分別只有2.35和3.96 mg/L(見圖1d,e).

圖1 水田上覆水中氮素質(zhì)量濃度的變化

表1 水田上覆水中氮素質(zhì)量濃度在實驗組與對照組之間的差異顯著性

3.1.2 氨氮/總氮質(zhì)量濃度比值

氨氮是各類形態(tài)氮素之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵物質(zhì),上覆水中氨氮與總氮質(zhì)量濃度的比值可以反映氮素轉(zhuǎn)化與流失潛能的相對水平.實驗組和對照組的氨氮/總氮濃度比值在整個動態(tài)觀察期的變化范圍分別為0.20～0.52和0.26～0.45,在實驗前6 d處于較高水平(≥0.39),此后隨著時間的推移,呈下降趨勢.最大值都出現(xiàn)在第3天,實驗組的最小值出現(xiàn)在第17天,對照組的最小值出現(xiàn)在第12天.

泥鰍活動促進了水-土界面之間溶解態(tài)和吸附態(tài)的氨氮交換,使實驗前期實驗組的氨氮/總氮濃度比值高于對照組.隨著實驗的進行,泥鰍的擾動增加了沉積物與水的接觸面,逐漸加深了氧氣的滲入,增大了沉積物氧化區(qū)的面積和體積,從而擴展了硝化細菌活動的范圍并改善硝化活動進行的環(huán)境條件,加強了硝化作用,促進了氨氮向亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化,從而使實驗中、后期實驗組的氨氮/總氮質(zhì)量濃度比值低于對照組(見圖2).

圖2水田上覆水中氨氮/總氮質(zhì)量濃度比值的變化

圖3 水田上覆水中溶解性無機氮/總氮質(zhì)量濃度比值的變化

3.1.3 溶解性無機氮/總氮質(zhì)量濃度比值

溶解性無機氮包括硝態(tài)氮、氨氮和亞硝態(tài)氮,是作物生長可以利用的有效氮素形式,主要由硝態(tài)氮和氨氮決定.對照組的溶解性無機氮/總氮質(zhì)量濃度比值在整個實驗期間變化不大(0.53～0.63),最大值和最小值分別出現(xiàn)在第5天和第9天.

泥鰍實驗組的硝態(tài)氮、氨氮質(zhì)量濃度在實驗期間的17 d里顯著高于對照組,平均值分別為2.078和1.784 mg/L,而同期對照組的硝態(tài)氮、氨氮質(zhì)量濃度平均值分別為0.874和1.273 mg/L.實驗組的硝態(tài)氮濃度和氨氮濃度分別比對照組平均高出137.8%和40.1%,使實驗組的溶解性無機氮/總氮濃度比值高于對照組.可見,泥鰍擾動增加了溶解性無機氮占總氮的比例,隨著實驗的進行,這種增加作用在實驗的中、后期更加明顯(見圖3).

3.2 磷素動態(tài)

3.2.1 總磷

在對照組中,實驗期間總磷質(zhì)量濃度變化很小(0.21～0.46 mg/L).隨著時間的推移,磷素從沉積物中釋放出來,總磷濃度逐漸升高,從第10天開始保持相對穩(wěn)定.在實驗組中,整個實驗期間總磷濃度均高于對照組,體現(xiàn)了泥鰍擾動對沉積物中磷素釋放的促進作用.實驗組的總磷濃度在第22天達到最高值0.85 mg/L(見表2).從第13天開始,對照組與實驗組的總磷濃度一直呈顯著差異水平(P<0.05).

表2 水田上覆水中的磷素質(zhì)量濃度動態(tài) mg/L

3.2.2 溶解性磷

實驗期間,實驗組中的溶解性總磷質(zhì)量濃度高于或等于對照組,其中在第13天、第16天、第22天和第28天達到顯著差異水平(P<0.05).

對照組的溶解性無機磷質(zhì)量濃度在實驗期間保持相對穩(wěn)定(0.02～0.06 mg/L);實驗組的溶解性無機磷質(zhì)量濃度隨著實驗的進行呈增加趨勢,在第13天達到最高值0.15 mg/L,之后保持穩(wěn)定.實驗組的溶解性有機磷濃度在大部分實驗期間里高于或等于對照組,但二者差異并不顯著(P>0.05).

3.2.3 顆粒磷

實驗期間,實驗組中的顆粒磷質(zhì)量濃度高于對照組,從第13天開始一直呈顯著差異水平(P<0.05).

3.2.4 不同類別磷素質(zhì)量濃度之間的比值

實驗組的顆粒磷占總磷質(zhì)量濃度的比例高于對照組,溶解性總磷占總磷質(zhì)量濃度的比例低于對照組,說明實驗組中總磷濃度的增加主要是因為顆粒磷的增加(見圖4).

圖4 水田上覆水中溶解性總磷/顆粒磷與總磷質(zhì)量濃度比值的動態(tài)變化

隨著實驗的進行,實驗組的溶解性無機磷占溶解性總磷濃度的比例升高,而溶解性有機磷占溶解性總磷濃度的比例降低(見圖5).與對照組相比,除第1天、第4天外,實驗組的溶解性無機磷與溶解性總磷濃度比值均呈顯著差異水平(P<0.05).泥鰍擾動導(dǎo)致水田上覆水中溶解性無機磷含量增加,利于為水稻生長提供可吸收利用的磷素養(yǎng)分.

圖5 水田上覆水中溶解性無機/有機磷與溶解性總磷質(zhì)量濃度比值的動態(tài)變化

4 結(jié)論

底棲魚類泥鰍對水田上覆水中的氮磷濃度動態(tài)具有較強的擾動作用.實驗組的氨氮和硝態(tài)氮濃度在整個實驗期間均高于對照組.泥鰍擾動對亞硝態(tài)氮濃度的影響未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性.在實驗前期,實驗組的氨氮/總氮質(zhì)量濃度比值高于對照組;在實驗中、后期,實驗組的氨氮/總氮質(zhì)量濃度比值低于對照組.實驗組的總磷、溶解性總磷和顆粒磷濃度在實驗開始階段與對照組無顯著差異,在實驗中、后期顯著高于對照組(P<0.05).實驗組的顆粒磷/總磷質(zhì)量濃度比值高于對照組,實驗組中總磷濃度的增加主要是因為顆粒磷濃度的增加.實驗組的溶解性無機磷濃度占溶解性總磷濃度的比例在實驗中、后期顯著高于對照組(P<0.05).底棲魚類對水田上覆水生源要素的擾動作用在復(fù)合種養(yǎng)中起到重要的作用.

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(責任編輯:方 林)

Bioturbation effects of benthic fish on biogenicelement dynamic in surface water of paddy field

SUN Gang,FAN G Yan,HAN De-fu
(School of Life Sciences,Changchun Normal University,Changchun 130032,China)

Based on simulated experiment,the bioturbation effects of benthic fish on biogenicelement dynamic in paddy field surface water were investigated by analyzing comparatively the nitrogen and phosphorus contents with and withoutMisgurnus anguillicaudatus.In the whole experimental period, the concentrations of-N and-N in bioturbation group were higher than those in control group.The effect ofMisgurnus anguillicaudatusbioturbation on-N concentration did not show obvious rules.In the early stage of the experiment the ratio of-N concentration and total nitrogen concentration in bioturbation group was higher than that in control group,while in the middle and late stages of the experiment the ratio of-N concentration and total nitrogen concentration in bioturbation group was lower than that in control group.The concentrations of total phosphorus, dissolved total phosphorus and particular phosphorus in bioturbation grouphad nosignificant differences with those in control group in initial stage of experiment,and became significantly more than control group in middle and late stages of experiment(P<0.05).The ratios of particle phosphorus concentration and total phosphorus concentration in bioturbation group were higher than those in control group,which indicated the increase of total phosphorus concentration in bioturbation group was due mainly to the increase of particle phosphorus concentration.The ratios of dissolved inorganic phosphorus concentration to dissolved total phosphorus concentration were significantly higher than those in control group in middle and late stages of experiment(P<0.05).Benthic fish showed remarkable bioturbation effect on biogenicelement dynamic in paddy field surface water.

benthic fish;paddy field;bioturbation;biogenicelement;surface water

S 181;Q 178.1[學科代碼]180·4445

A

1000-1832(2010)04-0132-06

2010-06-12

國家自然科學基金資助項目(31070421);人力資源和社會保障部留學人員科技活動擇優(yōu)項目(人社廳發(fā)2008-86);吉林省人才開發(fā)資金資助項目(吉財行指2007-259);吉林省科技發(fā)展計劃項目(20060577);吉林省教育廳科技計劃項目(2009435;2006113;2007169);長春師范學院自然科學基金資助項目(2009002).

孫剛(1969—),男,博士,教授,主要從事環(huán)境生態(tài)學研究;通訊作者:房巖(1965—),女,博士,教授,主要從事生態(tài)學和仿生學研究.