Impact of Rice-Catfish/Shrimp Co-culture on Nutrients Fluxes Across Sediment-Water Interface in Intensive Aquaculture Ponds

稻-鯰魚蝦共培養對集約化養殖池塘中沉積物-水界面營養流動的影響

來源：Rice Science, 2019, 26(6): 416-424

 

論文摘要

本研究探討了在集約化養殖池塘中，稻-鯰魚/蝦共養模式對沉積物-水界面（SWI）附近氧（O?）、pH微剖面以及氮、磷營養鹽交換通量的影響。通過田間試驗發現，與單養模式相比，稻魚共養顯著提高了SWI附近的O?濃度和滲透深度，但降低了pH值。更重要的是，水稻的引入顯著降低了鯰魚塘和蝦塘中銨態氮（NH??）和硝態氮（NO??）跨越SWI的擴散通量，但對亞硝態氮（NO??）和可溶性磷（PO?3?）的通量影響不顯著。此外，共養模式降低了沉積物中NH??的含量和溶解性無機磷（DIP）的比例。研究表明，稻魚共養通過改變SWI的微環境，有效減少了營養鹽從沉積物向上覆水的釋放，有助于控制池塘內源污染。

研究目的

本研究旨在：

 

評估稻-魚/蝦共養模式對集約化養殖池塘沉積物-水界面（SWI）微環境（O?、pH）的影響。

量化共養模式對氮、磷營養鹽跨越SWI的通量速率的改變。

探究共養模式對沉積物中不同形態氮、磷賦存狀態的影響。

 

為利用稻魚共養系統調控養殖池塘內部營養循環、減輕水體富營養化提供科學依據。

 

研究思路

研究采用了 “田間對比實驗 + 原位監測 + 室內分析” 的思路：

 

實驗設計：設置4種處理（黃顙魚單養YC、稻-黃顙魚共養YC-R、淡水蝦單養FS、稻-蝦共養FS-R），每個處理3個重復，進行一個養殖周期的田間試驗。

原位測量：

 

使用丹麥Unisense微電極系統原位測量SWI附近的O?和pH垂直微剖面（分辨率1 mm）。

 

使用底棲培養艙原位培養6小時，定期采集水樣，計算NH??、NO??、NO??和PO?3?的界面擴散通量。

 

樣品分析：定期采集上覆水和沉積物樣品，分析常規水質參數（TN, TP, BOD, COD等）以及沉積物中不同形態的氮、磷含量。

 

數據對比：通過統計學方法比較共養與單養模式在各測量參數上的差異，揭示水稻的作用。

 

測量數據及其研究意義（注明來源）

研究測量了多方面的數據，其意義和來源如下：

 

SWI附近O?和pH的微剖面：

 

意義：直接揭示了水稻通過根系泌氧作用對界面微環境的改造。共養模式下O?濃度更高、滲透更深，創造了更氧化的環境，有利于抑制沉積物中還原性物質（如NH??）的釋放。

 

來源：數據見圖2。

 

營養鹽界面通量速率：

 

意義：量化了水稻對營養鹽釋放/吸收的凈效應。共養模式顯著將NH??的通量從正值（沉積物釋放）轉為負值（水體向沉積物遷移），證明水稻有效減少了氮的內源負荷。

 

 

來源：鯰魚池塘數據見圖3；蝦塘數據見圖4。

 

沉積物中氮的形態分布：

 

意義：從“源”的角度解釋通量變化。共養模式沉積物中NH??含量顯著降低，表明水稻吸收或促進了其轉化，減少了可釋放的氮庫。

 

 

來源：數據見圖5。

 

沉積物中磷的形態分布：

 

意義：解釋了PO?3?通量為何未顯著變化。盡管DIP比例在共養模式下有所變化，但磷主要以穩定的殘渣態磷（Res-P）和鐵鋁結合態磷（Fe/Al-P）存在，難以釋放，因此通量受水稻影響較小。

 

 

來源：數據見圖6和表2。

 

研究結論

 

改善界面微環境：稻魚共養通過水稻根系的泌氧作用，顯著提高了SWI附近的O?濃度和滲透深度，同時根系分泌的有機酸降低了pH，共同改變了界面附近的化學環境。

有效抑制氮釋放：共養模式顯著降低了NH??和NO??從沉積物向上覆水的擴散通量，甚至使其轉為負值（凈吸收），表明水稻能有效控制沉積物氮的內源釋放。

對磷釋放影響有限：共養模式對PO?3?的通量無顯著影響，因為沉積物中的磷主要以穩定形態存在，其釋放受氧化還原條件的影響不如氮敏感。

改變沉積物養分庫：共養模式降低了沉積物中易釋放的NH??含量和DIP的比例，從源頭減少了潛在的可釋放營養鹽負荷。

 

管理啟示：稻魚共養是一種有效的環境友好型養殖模式，可通過生物調控方式改善池塘水質，減少對外部水體的污染風險，實現養殖廢棄物的資源化利用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense公司的O?和pH微電極系統被用于高分辨率地測量沉積物-水界面（SWI）的O?濃度和pH值的垂直微剖面（數據見圖2）。

詳細研究意義如下：

 

提供高分辨率的原位環境證據：Unisense微電極能夠以毫米級的分辨率原位、無擾動地測量SWI的化學微環境。獲得的數據清晰顯示，稻魚共養（YC-R）下SWI的O?濃度顯著高于單養（YC），且O?向沉積物中滲透的深度更深。這為闡釋水稻通過根系泌氧改造沉積物環境提供了最直接、最精確的證據。沒有這種高分辨率測量，這種微環境差異難以被準確捕捉和量化。

揭示界面過程的驅動機制：O?和pH的微剖面數據是理解營養鹽轉化和遷移關鍵驅動因素。高O?環境有利于硝化作用（將NH??氧化為NO??），而較低的pH可能影響磷的吸附-解吸平衡。Unisense數據直接將水稻的生物學活動（泌氧） 與界面的物理化學條件變化聯系起來，為解釋后續觀察到的NH??通量降低等現象提供了堅實的機理基礎。

量化共養模式的生態工程效應：通過對比共養與單養模式的微剖面，研究者能夠量化水稻帶來的“氧化層”的深度和強度。這種量化使得評估稻魚共養作為一種“原位生態工程”措施改善沉積物環境的效果成為可能，而不僅僅是定性的描述。

 

支撐核心結論：Unisense微電極獲得的數據是支撐本研究核心結論——稻魚共養通過改善SWI氧化還原條件來抑制氮磷釋放——的關鍵技術證據。它證明了干預措施（種植水稻）確實引起了目標環境（SWI）的預期變化，從而使整個“措施-環境響應-生態效應”的邏輯鏈條更加完整和令人信服。

 

綜上所述，使用Unisense微電極獲得的O?和pH微剖面數據，為本研究論證稻魚共養調控沉積物-水界面微環境的核心機制提供了不可或缺的、高精度的原位證據。它將水稻的生物學功能與池塘的生物地球化學過程緊密聯系在一起，顯著增強了研究的深度和說服力。