2結(jié)果與分析

2.1池塘種稻對(duì)水體和底泥基礎(chǔ)性質(zhì)的影響

黃顙魚-水稻共作(RF)和黃顙魚單養(yǎng)(F)小區(qū)底泥和上覆水體的基礎(chǔ)性質(zhì)如表1所示。RF處理底泥中pH、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著低于F處理，分別降低了5%、11.8%和29.1%，但Eh較F處理增加了42.4%。RF處理上覆水體的pH值、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別比F處理顯著降低5.2%，45.6%和11.8%。RF上覆水體DO比F處理降低了16.2%，且Chl-a、BOD和COD含量分別降低了40.8%、32.7%和21.9%。

表1黃顙魚-稻共作和黃顙魚單養(yǎng)小區(qū)底泥和上覆水體基礎(chǔ)性質(zhì)

2.2池塘種稻對(duì)沉積物-水界面O2剖面分布的影響

圖1為RF(黃顙魚-水稻共作)和F(黃顙魚單養(yǎng))處理3個(gè)小區(qū)沉積物-水界面附近的O2剖面分布。從圖中可以看出，RF和F小區(qū)沉積物-水界面O2隨深度變化的垂向分布趨勢(shì)相近，即從界面以上20 mm至以下10 mm O2濃度整體上都是表現(xiàn)出隨深度降低而降低的趨勢(shì)，待O2濃度降至零時(shí)保持基本穩(wěn)定的狀態(tài)。RF和F的差異主要表現(xiàn)在臨近界面的2.5 mm內(nèi)，即圖中的虛線框區(qū)域。約從2 mm開始，F(xiàn)處理界面O2濃度下降較快，開始低于RF。在界面以下，F(xiàn)處理O2擴(kuò)散僅滲透到1.75 mm其濃度即開始下降為零;而RF處理O2擴(kuò)散滲透到3.00 mm才下降為零。這些結(jié)果表明，池塘種稻改善了塘底沉積物-水界面厭氧狀況，使沉積物-水界面附近O2濃度下降速率減慢，且增加了界面以下O2滲透深度。

圖1黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)池?cái)U(kuò)建沉積物-水界面附近O2濃度的垂直變化RF1、RF2和RF3分別代表黃顙魚-水稻共作處理的3個(gè)小區(qū);F1，F(xiàn)2和F3分別代表黃顙魚單養(yǎng)的3個(gè)小區(qū)。

2.3池塘種稻對(duì)沉積物-水界面Eh剖面分布的影響

沉積物-水界面附近Eh剖面分布如圖2所示。RF處理3個(gè)小區(qū)Eh值均高于F處理。F處理3個(gè)小區(qū)Eh從界面以上1~3 mm范圍開始表現(xiàn)出急劇下降趨勢(shì)，而RF處理3個(gè)小區(qū)則從界面0.5~1.5 mm范圍開始急劇下降。F處理Eh值在界面以下2.5 mm開始小于零，轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境，而RF處理Eh值則在界面以下4.5 mm開始小于零。此后，RF和F處理Eh值均呈緩慢下降趨勢(shì)。至界面下10 mm時(shí)，F(xiàn)處理3個(gè)小區(qū)Eh均值為-26.8 mV，低于RF處理(-13.3 mV)。沉積物-水界面Eh剖面分布結(jié)果表明，池塘種稻顯著改善塘底沉積物-水界面氧化還原環(huán)境，提高沉積物中氧化還原電位。

圖2黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)池塘沉積物-水界面附近Eh的垂直變化

2.4池塘種稻對(duì)沉積物-水界面pH的剖面分布的影響

RF和F處理沉積物-水界面附近pH值變化不大(圖3)，均在0.4個(gè)pH單位以內(nèi)，且都呈現(xiàn)出弱堿性。其中F處理3個(gè)小區(qū)的pH值為8.13~8.36;RF處理3個(gè)小區(qū)pH值均低于F處理，在7.03~7.41。在界面附近2.5 mm范圍內(nèi)，RF和F處理pH值均表現(xiàn)出明顯的降低趨勢(shì)。其中RF處理3個(gè)小區(qū)pH值降幅為0.26;F處理3個(gè)小區(qū)pH值降幅為0.03，低于RF處理。此后，在界面以下2.5 mm至6 mm，RF處理pH值又表現(xiàn)為緩慢增加，6 mm以下穩(wěn)定至7.23，而F處理pH值除個(gè)別點(diǎn)外，基本表現(xiàn)為緩慢減小的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定值為8.25。

圖3黃顙魚-水稻共作和黃顙魚單養(yǎng)池塘沉積物-水界面附近pH的垂直變化

3討論

在界面微環(huán)境的研究中，微電極系統(tǒng)可以無(wú)擾動(dòng)地精確測(cè)量界面附近微環(huán)境的變化，與傳統(tǒng)方法相比具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。近十幾年，微電極系統(tǒng)在沉積物-水界面研究中日益受到重視。本研究采用微電極系統(tǒng)對(duì)稻魚共作養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的微環(huán)境進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，微電極系統(tǒng)電極靈敏度高，能夠精確地監(jiān)測(cè)池塘沉積物-水界面附近DO、pH等理化性狀的微米級(jí)變化，且不同剖面的測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出較好的連續(xù)性和重現(xiàn)性。但在研究中發(fā)現(xiàn)，微電極系統(tǒng)也存在一些有待改進(jìn)之處，例如測(cè)量界面微環(huán)境的電極尖端為玻璃材質(zhì)，易損壞，且電極價(jià)格較高，研究成本高;由于要測(cè)定微米級(jí)變化，測(cè)試行程較長(zhǎng)，且每個(gè)柱芯都要測(cè)量多個(gè)剖面，測(cè)試過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。

本研究的結(jié)果顯示，養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的O2濃度剖面分布與以往自然水體的研究結(jié)果存在一定差異。例如本研究中養(yǎng)殖池塘O2濃度和滲透深度要高于Bryant等對(duì)Carvins Cove水庫(kù)沉積物-水界面的監(jiān)測(cè)結(jié)果，但低于王敬富等對(duì)紅楓湖的研究結(jié)果。這可能主要是因?yàn)椴煌w的水體深度、沉積物厚度、生物擾動(dòng)等因素的差異造成的。池塘種稻能夠改變沉積物-水界面微環(huán)境，使得沉積物-水界面有氧層厚度增加，氧化還原電位升高(圖1和圖2)，這一過(guò)程主要?dú)w因于水稻根際泌氧作用。水稻種植在養(yǎng)殖池塘，長(zhǎng)期的漬水環(huán)境使得其植株體內(nèi)形成大量通氣組織，葉鞘上由氣孔進(jìn)入的氧氣及在葉鞘中由光合作用釋放的氧氣通過(guò)葉鞘和莖稈中的通氣組織運(yùn)輸?shù)剿靖?。水稻徑向泌氧部分供根系呼吸，同時(shí)有大約30%~40%的氧氣由根軸徑向運(yùn)輸?shù)礁H土壤，并伴隨釋放其他的氧化性物質(zhì)，在根際周圍形成一個(gè)微域的“氧化圈”，從而增加沉積物中O2濃度，提高氧化還原電位。

沉積物中pH值是表征土壤化學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，本研究結(jié)果顯示池塘種稻能改變水稻根際微環(huán)境，降低上覆水和沉積物的pH值(圖3)。這主要是由于水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，根系會(huì)向土壤和水體中分泌大量有機(jī)酸(如酒石酸等)，水稻根際微生物耗氧降解有機(jī)質(zhì)也會(huì)向土壤和水體中釋放酸性物質(zhì)，從而使稻魚共作養(yǎng)殖池塘界面附近pH值低于單養(yǎng)魚池塘。對(duì)比以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水稻對(duì)沉積物-水界面附近pH值的影響要大于輪葉黑藻。在本研究中，稻魚共作和單養(yǎng)魚池塘界面附近pH差值接近1，而田翠翠等的研究結(jié)果顯示，種植輪葉黑藻后，沉積物-水界面pH值變化小于0.5。

本研究初步揭示了池塘種稻對(duì)塘體沉積物-水界面微觀剖面理化性質(zhì)的影響，但未考慮水稻生長(zhǎng)發(fā)育特性。由于水稻在不同生育期的生物量及對(duì)水體養(yǎng)分的積累量不同，因而，在稻魚共作模式下，處于不同生育階段的水稻對(duì)養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微環(huán)境的影響可能也存在差異。已有研究表明，沉積物中黑藻培養(yǎng)時(shí)間不同，其根際微環(huán)境中DO、pH和Eh的垂直變化存在差異。因此，為了更加全面地分析稻魚共作對(duì)塘體沉積物微環(huán)境的影響，水稻不同生育期的研究還需進(jìn)一步完善。沉積物-水界面是一個(gè)微生物活動(dòng)頻繁、有高度生物活性的復(fù)雜微環(huán)境，為了較為全面地研究沉積物-水界面微觀界面的特征，在今后還需增加更多指標(biāo)的微觀剖面分析，如H2S和N2O剖面特性分析等。此外，對(duì)沉積物-水界面微環(huán)境的研究，還需要和界面附近氮磷遷移轉(zhuǎn)化等化學(xué)或生物過(guò)程聯(lián)系在一起，為解析稻魚共作系統(tǒng)對(duì)沉積物-水界面生物化學(xué)過(guò)程的作用機(jī)制提供微觀依據(jù)。

4結(jié)論

1)池塘種稻能夠顯著改善塘體水質(zhì)，改變沉積物的基礎(chǔ)理化性質(zhì)。與黃顙魚單養(yǎng)池塘相比，黃顙魚-水稻共作池塘上覆水中pH值、Chl-a、COD、BOD、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量都有所降低。表層底泥中pH、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量降低，但Eh升高。

2)池塘種稻能夠顯著改變養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面微環(huán)境。池塘種稻改善了塘底沉積物-水界面厭氧狀況，使沉積物-水界面附近O2濃度下降較慢，增加了界面以下O2滲透深度;池塘種稻改變了界面附近氧化還原環(huán)境，單養(yǎng)魚池塘界面以下2.5 mm進(jìn)入還原環(huán)境，而稻-魚共作池塘Eh值在界面以下4.5 mm才開始小于零;池塘種稻也顯著降低沉積物-水界面附近pH值。

3)微電極測(cè)量系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出很好的連續(xù)性，說(shuō)明利用微電極可實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面原位無(wú)擾動(dòng)的高分辨率測(cè)定。因此，微電極測(cè)量系統(tǒng)有助于分析水稻生長(zhǎng)與沉積物-水界面微環(huán)境變化的相互關(guān)系，在探討水稻生長(zhǎng)對(duì)水體養(yǎng)分的調(diào)控作用機(jī)制方面可發(fā)揮重要作用。