佀國涵 袁家富 彭成林 趙書軍 賈平安 何節(jié)紅 謝雪萍 劉榮

摘要：通過監(jiān)測稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中氮、磷等營養(yǎng)物質以及重金屬含量，系統(tǒng)分析小龍蝦養(yǎng)殖水體營養(yǎng)狀況及養(yǎng)分排放強度、重金屬污染狀況。結果表明，小龍蝦養(yǎng)殖水體營養(yǎng)物質含量較高，其中總氮（TN）、總磷（TP）和化學需氧量（COD）平均含量分別為2.21、0.50、59.0 mg/L;小龍蝦養(yǎng)殖廢水排放量平均為4 377.3 m3/hm2，其TN、TP和COD的排放強度分別為9.7、2.2、258.3 kg/hm2。小龍蝦養(yǎng)殖水體中Hg和Cr含量符合GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ級標準，而Cu、Zn、As和Cd的含量達到了Ⅰ級標準，可見稻蝦共作模式下小龍蝦受水體重金屬污染的風險較低。

關鍵詞：稻蝦共作模式;小龍蝦;水體環(huán)境;重金屬

中圖分類號： X824 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0299-04

稻田種養(yǎng)結合提高了稻田綜合利用率，實現(xiàn)了“一水兩用、一田雙收、穩(wěn)糧增效”，不僅有效提高了農民收益，而且有利于糧食安全、食品安全和生態(tài)安全，是實施農業(yè)供給側改革的關鍵途徑，已成為推動農業(yè)綠色發(fā)展和鄉(xiāng)村振興的主導模式[1]。近年來，稻蝦[水稻（Oryza sativa）-小龍蝦（克氏原螯蝦，Procambarus clarkii）]共作模式已發(fā)展成為我國長江中下游地區(qū)一種新興的稻田種養(yǎng)復合生態(tài)模式，該模式被農業(yè)農村部譽為“現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的成功典范，現(xiàn)代農業(yè)的一次革命”[2]。稻蝦共作模式具有顯著的生態(tài)、經濟和社會效益，它不僅能夠大幅提高能量、水、肥等的利用率，而且能夠通過稻田蓄水養(yǎng)殖調節(jié)稻田生態(tài)系統(tǒng)微環(huán)境，促進稻田物質和能量的多級利用[3]。作為農業(yè)農村部和多數(shù)省份農業(yè)重點推廣的核心技術之一，稻蝦共作模式在全國得到快速推廣應用，截至2017年，僅湖北省已推廣近27.78萬hm2[4]。

稻蝦共作模式具體為每年9—10月稻收割后，向稻田灌深水（深度40～50 cm）進行小龍蝦養(yǎng)殖，在翌年3—5月進行小龍蝦飼料投喂，餌料投喂量一般為1 800～2 250 kg/hm2，至5月底捕撈成熟小龍蝦完畢，將稻田小龍蝦養(yǎng)殖廢水排干后，進行整地、施肥以及水稻種植等農事操作[5]。在該模式中小龍蝦產值是水稻產值的1.7～2.6倍，因此“重蝦輕稻”的問題比較突出。為了提高小龍蝦的效益，農民往往過量投放餌料，加大病害防治藥物的投入，過多的投入品以及由此所產生的固液態(tài)廢棄物（殘餌、排泄物等）的分解，使養(yǎng)殖水體中富含各種營養(yǎng)物質。由于稻蝦共作模式在長江中下游地區(qū)面積較大，且在小龍蝦養(yǎng)殖季結束時養(yǎng)殖廢水排放集中，易造成氮、磷等養(yǎng)分集中大量排放，可能會加劇周邊水域水體富營養(yǎng)化，破壞水體生態(tài)系統(tǒng)。本試驗以稻蝦共作模式推廣的核心區(qū)域——湖北省潛江市為研究區(qū)域，通過分析稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)物質含量及排放強度、重金屬濃度特征等，旨在明確該模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)物質和重金屬含量狀況及其對周圍水域富營養(yǎng)化的貢獻程度，為稻蝦共作模式進一步推廣提供數(shù)據支撐。

1 材料與方法

1.1 水樣調查位點的分布

調查點共設4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，即潛江市浩口鎮(zhèn)、龍灣鎮(zhèn)、白鷺湖農場和后湖農場，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取10處采樣點，每個采樣點代表面積2 hm2以上稻田。具體分布見表1。

1.2 水樣采集及測定指標

于2018年6月即小龍蝦養(yǎng)殖季結束，稻田排水前采集水樣。所有水樣均采用有機玻璃采水器于水面下0.5 m處采集，每個養(yǎng)殖稻田采集5個點的混合樣。水樣采集后分裝于消毒過的聚乙烯瓶中，部分水樣加H2SO4酸化保存，所有的水樣帶回實驗室后存放于4 ℃下保存，于48 h內測定pH值、總氮（TN）含量、氨態(tài)氮（NH+4-N）含量、硝態(tài)氮（NO-3-N）含量、總磷（TP）含量、化學需氧量（COD）含量等參數(shù);部分水樣加HNO3以備銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）和鉻（Cr）等重金屬測定。利用哈希LDOTM便攜式溶解氧測定儀記錄溫度和溶氧量（DO）等參數(shù)。

1.3 分析方法

水樣分析參照文獻[6]方法進行，pH值采用玻璃電極法測定;TN含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;NH+4-N含量采用納氏試劑比色法測定;NO-3-N含量采用酚二磺酸分光光度法測定;TP含量采用鉬酸銨分光光度法測定;COD含量采用重鉻酸鹽法測定;Cu、Zn、Cd和Cr含量采用原子吸收分光光度法測定;Hg、As含量采用原子熒光光度法測定。

1.4 水體營養(yǎng)物質排放強度計算

TN、TP和COD排放強度（TPF）計算方程如下：

TPFX=（CEX×V1）/1 000。

式中：X分別代表TN、TP和COD;TPFX分別代表TN、TP和COD的排放強度，kg/hm2;CEX為小龍蝦養(yǎng)殖廢水中各主要營養(yǎng)物質量濃度，mg/L;V1為小龍蝦養(yǎng)殖結束時排水量，m3/hm2。

1.5 水環(huán)境調查評價標準的選擇

稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖季水環(huán)境評價標準采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅰ級和Ⅲ級、GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》和SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級和Ⅱ級，詳見表2。

1.6 數(shù)據處理與分析

所有數(shù)據分析借助Excel 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件完成。

2 結果與分析

2.1 稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體化學基本特征

由表3可知，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體的pH值為7.4～7.7，平均值為7.6，屬于中性偏堿，溶解氧含量為3.2～17.2 mg/L，其平均值為8.6 mg/L，均達到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅰ級標準和GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》。在調查的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，小龍蝦養(yǎng)殖水體的溫度和pH值差異不大，但DO含量差異較大，為白鷺湖農場>龍灣鎮(zhèn)>浩口鎮(zhèn)>后湖農場。

2.2 稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體氮含量特征

由圖1可知，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體TN、NH+4-N含量分別為2.21、1.01 mg/L，其值高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準，但符合SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級標準。在調查的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，以后湖農場小龍蝦養(yǎng)殖水體中的TN和NO-3-N含量最高，分別為2.65、1.20 mg/L，而以龍灣鎮(zhèn)小龍蝦養(yǎng)殖水體中的TN和NH+4-N含量最低，分別為1.98、085 mg/L。

2.3 稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體總磷含量特征

由圖2可知，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體TP含量為0.40～0.56 mg/L，其平均含量為0.50 mg/L，其值高于GB 3838—2002 《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準， 但

達到了SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級標準。在調查的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，龍灣鎮(zhèn)小龍蝦養(yǎng)殖水體中TP含量為0.40 mg/L，達到SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級排放標準，而白鷺湖農場、浩口鎮(zhèn)和后湖農場的TP含量分別為0.56、0.51、0.55 mg/L，均高于SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級的含量，但達到其Ⅱ級標準，可見稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中磷素是污染周圍水域的潛在因子之一。

2.4 稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體COD含量特征

由圖3可知，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體COD含量為41.4～92.8 mg/L，其平均含量為59.0 mg/L，其值高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準。在調查的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，以后湖農場的小龍蝦養(yǎng)殖水體中的COD含量最高，為92.8 mg/L， 而以浩口鎮(zhèn)的含量最低，為41.4 mg/L。

2.5 稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖廢水養(yǎng)分排放強度

水產養(yǎng)殖排污是重要的農業(yè)面源污染來源之一，尤其是水產養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達地區(qū)[7]。由表4可知，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖稻田田面水深為40.2～49.7 cm，其平均值為43.8 cm，排水量為4 018.9～4 968.8 m3/hm2，其平均值為 4 377.3 m3/hm2，其中以浩口鎮(zhèn)的田面水深和排水量最高，而以后湖農場最低。潛江市由小龍蝦養(yǎng)殖廢水排出的TN、TP和COD分別為9.6～10.7、2.0～2.5、199.8～373.0 kg/hm2，其平均值分別為9.7、2.2、258.3 kg/hm2;在調查的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，以后湖農場的TN和COD排放量最高，分別達到了10.7、373.0 kg/hm2，而以龍灣鎮(zhèn)的TP排放量最高，為2.5 kg/hm2。

2.6 稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中重金屬含量及評價

由表5可知，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中As、Hg、Cd和Cr的濃度范圍分別為0.41～4.61、nd～0.12、nd～0.02、nd～52.0 μg/L，其平均濃度分別為2.21、0.05、0.003、23.2 μg/L，均符合GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ級標準，其中As和Cd的含量達到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅰ級標準。小龍蝦養(yǎng)殖水體中Cu和Zn的濃度范圍分別為nd～10.36 μg/L、10.0～66.0 μg/L，其平均濃度分別為487、17.9 μg/L，均符合GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》、GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅰ級標準以及SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級標準;在調查的小龍蝦養(yǎng)殖水體中，以Zn和As的檢出率最高，均為100%，而以Cd的檢出率最低，僅為25%。在調查的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，以白鷺湖農場養(yǎng)殖水體的Zn、As和Cr含量最高，分別為28.6、2.71、37.2 μg/L，以后湖農場養(yǎng)殖水體中Cu和Cd含量最高，分別為8.68、0.006 μg/L，Hg的含量以龍灣鎮(zhèn)最高，為 0.08 μg/L。

3 討論與結論

隨著稻蝦共作面積的逐年擴大，小龍蝦養(yǎng)殖對水體環(huán)境影響及其所帶來的營養(yǎng)物質排放問題已逐漸引起農業(yè)和環(huán)境保護工作者的重視。本研究表明，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體的pH值為7.6～7.7，DO平均含量為6.1～12.3，均達到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準和GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》，這與稻田中種植了大量水草有關，水草的光合作用大量消耗水體中的CO2，從而使得pH值和溶解氧均有不同程度地上升[8]，另外小龍蝦可能在水體中通過覓食、遷徙等方式擾動水體從而增加水體溶氧量。本研究表明，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體的總氮、銨態(tài)氮和總磷含量分別達到了2.21、1.01、0.50 mg/L，其值均高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準。正常情況下，水體自身具有自凈能力，能夠為小龍蝦養(yǎng)殖提供良好的環(huán)境條件[9]，但是農戶為了追求高效益，在小龍蝦養(yǎng)殖過程中過量投入飼料，甚至有些農戶為了 “肥水”，人為在小龍蝦養(yǎng)殖水體中撒施磷肥和有機肥，另外水稻秸稈全量還田也會增加水體中的養(yǎng)分物質濃度。Oehme等研究發(fā)現(xiàn)，稻魚系統(tǒng)中田面水養(yǎng)分含量受投餌量影響較大，投餌越多，田面水養(yǎng)分含量越高[10]。蘇躍朋等對中國明對蝦精養(yǎng)池塘水中營養(yǎng)鹽收支情況的研究發(fā)現(xiàn)，餌料中氮、磷營養(yǎng)鹽的輸入量分別占水體中氮、磷總輸入量的814%、90.2%[11]。COD是表征環(huán)境水樣中有機物污染的特定綜合指標，反映水環(huán)境中有機物的含量，且其主要來源為養(yǎng)殖過程中的代謝產物和殘餌累積[12]。本研究表明，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體COD平均含量為59.0 mg/L，其值高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅴ級標準（≤40.0 mg/L），其COD排放強度達到258.3 kg/hm2。在稻蝦共作模式中，小龍蝦養(yǎng)殖水體中COD主要來源一方面為殘餌累積，但很大一部分可能來自于水稻全量還田的秸稈泡水腐解產生的有機碎屑。本研究結果表明，稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖廢水排出的總氮和總磷分別為9.7、2.2 kg/hm2。陳家長等報道，太湖流域青蝦塘中TN、TP排放強度分別為287、2.9 kg/hm2[13];Páez-Osuna等報道，半精養(yǎng)蝦塘排放的TN、TP分別為52.1、8.4 kg/hm2[14]?？梢姷疚r共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中排放的養(yǎng)分總量均低于上述報道，其原因可能是在稻田中養(yǎng)殖小龍蝦水體總量低于池塘養(yǎng)殖水體，一般情況下池塘養(yǎng)殖青蝦、對蝦等水產品時，池塘平均水深為1.56～1.71 m，而稻田養(yǎng)殖小龍蝦水體的深度一般為0.4～0.5 m。

重金屬元素在水環(huán)境中的累積，嚴重危害著漁業(yè)水環(huán)境和水生生物，也對人類健康造成潛在威脅[15]。本研究表明，潛江市稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中Cu、Zn、As、Hg、Cd和Cr含量均符合GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ級標準，其中Cu、Zn、As和Cd的含量達到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅰ級標準，這表明小龍蝦養(yǎng)殖水體中重金屬含量較低，達到潔凈級別。水產養(yǎng)殖過程中的重金屬污染主要分為2類，一類為外源性污染，即養(yǎng)殖過程中外來重金屬污染源的排入造成的污染;另一類為內源性污染，即在養(yǎng)殖過程中，由于飼料的投放、漁藥的施用等養(yǎng)殖行為所導致的重金屬污染[16]。稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖區(qū)域均為典型稻田，受周邊工礦、冶煉加工等高污染企業(yè)影響的概率較低，因此小龍蝦養(yǎng)殖過程中的重金屬污染可能主要來自于內源性污染，即飼料和漁藥投放所帶入的重金屬污染，且通常以Cu和Zn為主[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，小龍蝦養(yǎng)殖水體中Cu和Zn的濃度均較低，可見由內源性污染源所帶來的潛在重金屬污染風險較低。由于水生動物尤其是小龍蝦對金屬元素有較強的富集作用，可通過食物鏈直接或間接進入人體內[17]，因此應加強飼料和漁藥等重金屬內源性污染源的監(jiān)管力度，實時監(jiān)測小龍蝦養(yǎng)殖排入水中重金屬含量的變化，為小龍蝦的生長和人類的食品安全營造一個良好的環(huán)境。

稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體的pH值為7.6，溶解氧平均含量為8.6 mg/L，均達到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅰ級標準和GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》。

稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中TN、NH+4-N和NO-3-N含量分別為2.21、1.01、0.89 mg/L，TP和COD平均含量分別為0.50、59.0 mg/L，其值均高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準，但符合SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》Ⅰ級標準。

稻蝦共作模式下小龍蝦田面水深和排水量平均分別為43.8 cm、4 377.3 m3/hm2，其養(yǎng)殖廢水排出的總氮、總磷和COD平均含量分別為9.7、2.2、258.3 kg/hm2。

稻蝦共作模式下小龍蝦養(yǎng)殖水體中Cu、Zn、As、Hg、Cd和Cr含量均符合GB 11607—1989《漁業(yè)水質標準》和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅲ級標準，其中Cu、Zn、As和Cd的含量達到了GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅰ級標準。

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收稿日期：2018-09-21

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2018YFD0301305、2017YFD0301400、2016YFD0200807）;湖北省農業(yè)科學院重大研發(fā)成果培育項目（編號：2017CGPY01）。

作者簡介：佀國涵（1981—），男，河南濮陽人，博士，副研究員，主要從事植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境研究。E-mail：siguoh@qq.com。

通信作者：彭成林，碩士，副研究員，研究方向為農業(yè)生態(tài)與施肥。E-mail：chlpeng@163.com。