底栖鱼类对水田上覆水生源要素动态的扰动效应

孙 刚,房 岩,韩德复

(长春师范学院生命科学学院,吉林长春130032)

底栖鱼类对水田上覆水生源要素动态的扰动效应

孙 刚,房 岩,韩德复

(长春师范学院生命科学学院,吉林长春130032)

基于模拟实验,通过对比分析氮素和磷素在有/无泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)活动时含量的差异,探讨了底栖鱼类对水田上覆水生源要素(氮、磷)动态的生物扰动效应.结果表明,实验组的氨氮和硝态氮浓度在整个实验期间均高于对照组.泥鳅扰动对亚硝态氮浓度的影响未表现出明显的规律性.在实验前期,实验组的氨氮/总氮浓度比值高于对照组;在实验中、后期,实验组的氨氮/总氮浓度比值低于对照组.实验组的总磷、溶解性总磷和颗粒磷浓度在实验开始阶段与对照组无显著差异,在实验中、后期显著高于对照(P<0.05).实验组的颗粒磷/总磷浓度比值高于对照组,表明实验组中总磷浓度的增加主要是因为颗粒磷的增加.实验组的溶解性无机磷占溶解性总磷的比例在实验中、后期显著高于对照(P<0.05).底栖鱼类对水田上覆水中生源要素动态具有明显的扰动作用.

底栖鱼类;水田;生物扰动;生源要素;上覆水

0 引言

联合国粮农组织(FAO)近年来鼓励水田复合种养,强调水田养殖水生动物和家禽的能力,以经济和环境可持续的方式强化稻米生产,缓解土地和水资源面临的严重威胁,减轻农业系统对农药和化肥的依赖性,保障粮食安全[1-2].水田复合种养已在我国一些地区得以实施,其中应用养殖最多的是鱼类[3-4].泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)属鲤形目、鲤亚目、鳅科、泥鳅属,营底栖生活,生命力和环境适应性较强,适于水田养殖.底栖动物(包括底栖鱼类)通过潜穴、游泳、觅食和避敌等扰动行为,以及对营养盐的吸收、转化、降解和排泄等生理活动,影响着营养盐在水生生态系统中的循环和交换[5-8].氮和磷是作物生长所必需的营养元素,是水体初级生产力和富营养化的关键限制性营养元素[9].各种类型农田如何提高氮磷利用率、水环境中氮磷的生物地球化学循环已成为广泛关注的热点,也是世界农业可持续发展的要求[10].揭示底栖鱼类对水田生态系统中氮磷动态的生物扰动效应具有重要的理论和实际意义,但目前的定量化研究还较薄弱.本文基于模拟实验,通过对比分析不同形态的氮磷含量在有/无泥鳅活动时的差异,探讨了底栖鱼类泥鳅对水田上覆水中氮磷动态的扰动效应,为水田复合种养的评价和推广提供了依据.

1 研究地概况

水田沉积物和上覆水采自吉林省长春市双阳区奢岭街道徐家村七队的水田.该地位于长春市东南部(东经125°30′34″,北纬43°25′24″),属温带大陆性季风气候,海拔225 m.极端最高和最低气温分别为36.9℃和-34.6℃,多年平均气温为5.5℃.多年平均降雨量和蒸发量分别为620.0和1356.7 mm.年平均日照2882 h,年无霜期145 d.水田沉积物样品的p H值为7.62,含水率237.50 g/kg,土壤容重0.82 g/cm3,土壤总孔隙度59.23%,土壤非毛管孔隙度6.39%;有机质含量2.73 g/kg;总氮含量0.48 g/kg,速效氮含量122.42 mg/kg;总磷含量0.84 g/kg,速效磷含量11.22 mg/kg;全钾含量22.37 g/kg,速效钾含量78.58 mg/kg.2007年8月12日,现场测得水田上覆水的p H值为7.44,氧化还原电位为483.25 mV,溶解氧为7.20 mg/L.

2 材料和方法

2.1 样品采集

选取沉积物质地相对均一的水田,现场测试上覆水的p H值、氧化还原电位、溶解氧等参数.用6根PVC管(直径16 cm,长40 cm)随机择点采取15 cm处水田沉积物柱样,采样时尽量减少人为干扰,使沉积物保持自然状态.同时采集上覆水样20 L,装入聚乙烯塑料桶中,带回实验室.向6根PVC管中的上覆水充氮气1 h,密封管口蔽光静置12 h,将沉积物中的大型底栖动物逼至表面,之后用长镊将管中原有动物去除.再将PVC管置于充氧环境中均衡24 h后开始模拟实验.

2.2 模拟实验

实验分A,B两组,每组设3次重复(3个PVC培养管),两组共6个PVC培养管.A组为生物扰动实验组,每个PVC管中放入4尾泥鳅(体长4～5 cm);B组为不放入扰动生物的对照组.培养期间水温18℃～24℃.共进行20 d的培养.定期从实验组和对照组用针筒各抽取20 mL的上覆水样,利用0.45μm的微孔滤膜过滤后置入带盖的聚乙烯塑料试管内,置于冰柜中冷冻保存,用于元素测定.每次取样后立即用备用水补充,保持上覆水的体积不变.

2.3 分析测试方法

将有机氮和无机氮一同氧化后,用凯氏定氮法测定水样中总氮含量;溶解性无机氮中的硝态氮(-N)和亚硝态氮(-N)含量用离子色谱仪(美国戴安公司,BIONEX DX-300型)分析测定.一部分水样直接用于测定总磷含量,另一部分经0.45μm醋酸纤维滤膜过滤后测定溶解性无机磷和溶解性总磷含量.溶解性无机磷含量采用钼锑抗比色法测定(722S型分光光度计),总磷和溶解性总磷含量采用过硫酸钾消解法测定.ρ(颗粒磷)=ρ(总磷)-ρ(溶解性总磷);ρ(溶解性有机磷)=ρ(溶解性总磷)-ρ(溶解性无机磷).

2.4 数据处理

数据经Microsoft Excel整理后,采用SPSS 13.0软件包进行单因素方差(one-way ANOVA)分析,判定标准为差异极显著(P<0.01)、差异显著(P<0.05)和差异不显著(P>0.05).

3 结果与分析

3.1 氮素动态

3.1.1 不同形态的氮素质量浓度

在无扰动对照组中,整个实验期间溶解性无机氮和总氮浓度变化很小.随着实验的进行,水体与空气暴露时间的增加,上覆水中溶解氧含量上升,水体氧化性增强,硝化细菌增殖,使得亚硝态氮和氨氮浓度从第6天开始降低,而硝态氮浓度逐渐升高.到了实验后期,对照组中的氨氮、硝态氮和亚硝态氮浓度保持相对稳定(见图1).

泥鳅扰动实验组的氨氮浓度在整个实验期间均高于对照组(见图1a),除第13天和第17天外,均达到显著差异水平(P<0.05)(见表1);氨氮浓度在实验前期明显升高,从第8天开始降低到2.00 mg/L以下的水平(见图1a).除第1天外,实验组的硝态氮浓度均显著高于对照组(P<0.05)(见图1b、表1).实验组的硝态氮浓度在第8天明显上升,这恰好与氨氮浓度的下降相对应,体现了硝化细菌群体的增长(见图1b).实验组的亚硝态氮浓度在大多数时间里低于对照组(见图1c).亚硝态氮处于低氧化态,作为氨氮和硝态氮之间转化的中间产物,亚硝态氮是氨氮氧化和硝态氮还原的过渡及不稳定形式,但整个实验期间泥鳅扰动对亚硝态氮浓度的影响未表现出明显的规律性.在3种形式的溶解态无机氮中,泥鳅扰动对硝态氮浓度的增加作用最为显著(见表1).在实验组中,整个实验期间溶解性无机氮和总氮浓度均高于对照组,说明泥鳅扰动增加了沉积物中的氮素释放.实验组的溶解性无机氮和总氮质量浓度最高分别达到4.66和6.42 mg/L,而对照组最高分别只有2.35和3.96 mg/L(见图1d,e).

图1 水田上覆水中氮素质量浓度的变化

表1 水田上覆水中氮素质量浓度在实验组与对照组之间的差异显著性

3.1.2 氨氮/总氮质量浓度比值

氨氮是各类形态氮素之间相互转换的关键物质,上覆水中氨氮与总氮质量浓度的比值可以反映氮素转化与流失潜能的相对水平.实验组和对照组的氨氮/总氮浓度比值在整个动态观察期的变化范围分别为0.20～0.52和0.26～0.45,在实验前6 d处于较高水平(≥0.39),此后随着时间的推移,呈下降趋势.最大值都出现在第3天,实验组的最小值出现在第17天,对照组的最小值出现在第12天.

泥鳅活动促进了水-土界面之间溶解态和吸附态的氨氮交换,使实验前期实验组的氨氮/总氮浓度比值高于对照组.随着实验的进行,泥鳅的扰动增加了沉积物与水的接触面,逐渐加深了氧气的渗入,增大了沉积物氧化区的面积和体积,从而扩展了硝化细菌活动的范围并改善硝化活动进行的环境条件,加强了硝化作用,促进了氨氮向亚硝态氮和硝态氮的转化,从而使实验中、后期实验组的氨氮/总氮质量浓度比值低于对照组(见图2).

图2水田上覆水中氨氮/总氮质量浓度比值的变化

图3 水田上覆水中溶解性无机氮/总氮质量浓度比值的变化

3.1.3 溶解性无机氮/总氮质量浓度比值

溶解性无机氮包括硝态氮、氨氮和亚硝态氮,是作物生长可以利用的有效氮素形式,主要由硝态氮和氨氮决定.对照组的溶解性无机氮/总氮质量浓度比值在整个实验期间变化不大(0.53～0.63),最大值和最小值分别出现在第5天和第9天.

泥鳅实验组的硝态氮、氨氮质量浓度在实验期间的17 d里显著高于对照组,平均值分别为2.078和1.784 mg/L,而同期对照组的硝态氮、氨氮质量浓度平均值分别为0.874和1.273 mg/L.实验组的硝态氮浓度和氨氮浓度分别比对照组平均高出137.8%和40.1%,使实验组的溶解性无机氮/总氮浓度比值高于对照组.可见,泥鳅扰动增加了溶解性无机氮占总氮的比例,随着实验的进行,这种增加作用在实验的中、后期更加明显(见图3).

3.2 磷素动态

3.2.1 总磷

在对照组中,实验期间总磷质量浓度变化很小(0.21～0.46 mg/L).随着时间的推移,磷素从沉积物中释放出来,总磷浓度逐渐升高,从第10天开始保持相对稳定.在实验组中,整个实验期间总磷浓度均高于对照组,体现了泥鳅扰动对沉积物中磷素释放的促进作用.实验组的总磷浓度在第22天达到最高值0.85 mg/L(见表2).从第13天开始,对照组与实验组的总磷浓度一直呈显著差异水平(P<0.05).

表2 水田上覆水中的磷素质量浓度动态 mg/L

3.2.2 溶解性磷

实验期间,实验组中的溶解性总磷质量浓度高于或等于对照组,其中在第13天、第16天、第22天和第28天达到显著差异水平(P<0.05).

对照组的溶解性无机磷质量浓度在实验期间保持相对稳定(0.02～0.06 mg/L);实验组的溶解性无机磷质量浓度随着实验的进行呈增加趋势,在第13天达到最高值0.15 mg/L,之后保持稳定.实验组的溶解性有机磷浓度在大部分实验期间里高于或等于对照组,但二者差异并不显著(P>0.05).

3.2.3 颗粒磷

实验期间,实验组中的颗粒磷质量浓度高于对照组,从第13天开始一直呈显著差异水平(P<0.05).

3.2.4 不同类别磷素质量浓度之间的比值

实验组的颗粒磷占总磷质量浓度的比例高于对照组,溶解性总磷占总磷质量浓度的比例低于对照组,说明实验组中总磷浓度的增加主要是因为颗粒磷的增加(见图4).

图4 水田上覆水中溶解性总磷/颗粒磷与总磷质量浓度比值的动态变化

随着实验的进行,实验组的溶解性无机磷占溶解性总磷浓度的比例升高,而溶解性有机磷占溶解性总磷浓度的比例降低(见图5).与对照组相比,除第1天、第4天外,实验组的溶解性无机磷与溶解性总磷浓度比值均呈显著差异水平(P<0.05).泥鳅扰动导致水田上覆水中溶解性无机磷含量增加,利于为水稻生长提供可吸收利用的磷素养分.

图5 水田上覆水中溶解性无机/有机磷与溶解性总磷质量浓度比值的动态变化

4 结论

底栖鱼类泥鳅对水田上覆水中的氮磷浓度动态具有较强的扰动作用.实验组的氨氮和硝态氮浓度在整个实验期间均高于对照组.泥鳅扰动对亚硝态氮浓度的影响未表现出明显的规律性.在实验前期,实验组的氨氮/总氮质量浓度比值高于对照组;在实验中、后期,实验组的氨氮/总氮质量浓度比值低于对照组.实验组的总磷、溶解性总磷和颗粒磷浓度在实验开始阶段与对照组无显著差异,在实验中、后期显著高于对照组(P<0.05).实验组的颗粒磷/总磷质量浓度比值高于对照组,实验组中总磷浓度的增加主要是因为颗粒磷浓度的增加.实验组的溶解性无机磷浓度占溶解性总磷浓度的比例在实验中、后期显著高于对照组(P<0.05).底栖鱼类对水田上覆水生源要素的扰动作用在复合种养中起到重要的作用.

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(责任编辑: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[学科代码]180·4445

A

1000-1832(2010)04-0132-06

2010-06-12

国家自然科学基金资助项目(31070421);人力资源和社会保障部留学人员科技活动择优项目(人社厅发2008-86);吉林省人才开发资金资助项目(吉财行指2007-259);吉林省科技发展计划项目(20060577);吉林省教育厅科技计划项目(2009435;2006113;2007169);长春师范学院自然科学基金资助项目(2009002).

孙刚(1969—),男,博士,教授,主要从事环境生态学研究;通讯作者:房岩(1965—),女,博士,教授,主要从事生态学和仿生学研究.