张圆圆，李 泓，贾 滔，彭新亮，赵良杰
( 1.河南省水产科学研究院，河南 郑州450044；
2.上海海洋大学，农业农村部鱼类营养与环境生态研究中心，上海 201306；
3.信阳农林学院 水产学院，河南 信阳 464000 )
农田生态种养结合在我国具有悠久的历史，农业资源高效利用是实现农业可持续发展和现代农业建设的基础[1]。稻渔综合种养通过种养结合、生态循环，将水产养殖与水稻种植相耦合，促进共生系统内物质就地循环和能量高效流动，实现一水多用、一田多收，是一种可复制、可推广、可持续的现代绿色循环农业模式[2-3]。2020年全国稻渔综合种养测产和产值分析表明，稻渔综合种养通过增加水产品收益、提高稻米价格和减肥减药降低生产成本等，667 m2均增效可达1500元以上，同时可减少30%以上的化肥和农药使用量，有效改善稻田环境和土壤质量，具有显著的经济效益和生态效益[4]。
克氏原螯虾(Procambarusclarkii)(小龙虾)和黄鳝(Monopterusalbus)均属我国淡水名优品种，营养价值高，对环境要求低，全国各地均有分布[5-6]。2011年起，稻田养殖克氏原螯虾(稻虾综合种养)技术在我国大面积推广，截至2019年，我国稻虾综合种养面积发展到1.1054×106hm2，占
全国稻渔综合种养面积的47.7%，在众多综合种养模式中居首位[4]。黄鳝因肉质细嫩、营养丰富及独特的药用价值备受消费者青睐，但受人工捕捞和水域污染等影响，野生黄鳝资源日益减少，人工网箱养殖黄鳝因占用面积少、条件可控、回捕率高等特点已成为黄鳝养殖的主要模式[1]。但常规网箱养殖黄鳝存在网箱底部容易积累大量残饵、粪便，水体流动性差，水质易缺氧老化，氨氮、亚硝态氮等指标过高的情况，成为制约黄鳝网箱养殖的关键技术问题[7-8]。将黄鳝网箱养殖与稻虾综合种养相结合，水生动物代谢产生的氮、磷等可被水稻利用，充分利用了水体空间和水环境中天然饵料，减少水体污染，而且克氏原螯虾活动会增加水体溶解氧，促进系统物质循环转化，改善养殖环境[9-10]。笔者将黄鳝网箱养殖与稻虾综合种养立体结合，探讨该立体综合种养模式下稻田水体环境中主要理化指标的变化规律，从而为完善稻虾鳝立体综合种养模式提供理论支持和科学依据。
1.1 试验设计
在2020年8—11月于河南省信阳市罗山县稻鳝商湖农业公司选取1块2.0×104m2试验基地进行试验，基地四周开挖环沟，沟深1.5 m，沟面宽1.0 m，坡度60°，沟面积占稻田总面积10%。环沟四周用黑色聚乙烯网布围建防逃墙，防止克氏原螯虾逃逸[11]。试验在2个相邻的环沟内共设置浮式联排网箱30个，每沟15个。每个网箱面积约1 m2，箱内水深约30 cm，网箱中栽种水花生[空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)]，面积约为网箱面积的90%～95%。整个试验过程中田块一直处于淹水状态，水深10～12 cm。试验田和网箱设置见图1。
图1 试验田及采样点设置Fig.1 Schematic diagram of test field and sampling site
试验田于6月10日完成插秧，6月20日投放克氏原螯虾苗30 kg，规格为5～10 g/尾，8月5日投放黄鳝苗种，每个网箱15～20 kg，规格为10～20 g/尾。8月10日开始，每个网箱按照黄鳝体质量的2%投喂配合性饲料。试验田内克氏原螯虾为当地自产自繁，黄鳝苗种购自信阳市固始鑫海合作社，黄鳝饲料为天邦全熟化水产配合饲料。
1.2 试验方法
在网箱内(T1)、网箱外(T2)、邻侧环沟(T3)、对侧环沟(T4)设置4个采样点(图1)，分别于8月18日、9月6日、9月22日、10月11日、10月25日10：00采集每个采样点的上、下层水样，并对水温、溶解氧、pH、总磷、总氮、亚硝态氮、硝态氮和氨氮进行测定。其中水温、溶解氧和pH指标在现场用HACH溶解氧测定仪、便携式pH计分别对上、下层水样测定后取平均值；
其他指标用采水器取上、下层水样混匀后低温带回实验室测定。总磷、总氮含量测定采用过硫酸钾消解法(参照GB/T 11893—1989《水质 总磷的测定》、GB/T 11894—1989 《水质 总氮的测定》)，亚硝态氮、硝态氮含量测定采用紫外分光光度法(参照GB/T 7493—1987《水质 亚硝酸盐氮的测定》、HJ/T 346—2007《水质 硝酸盐氮的测定》)，氨氮含量测定采用纳氏分光光度法(参照GB/T 7479—1987《水质 铵的测定》)。
1.3 数据处理与分析
采用Excel 2010 进行数据统计和处理，数值用平均值±标准差表示。采用SPSS 17.0进行方差分析和多重比较分析。
2.1 水体温度、溶解氧和pH
黄鳝和克氏原螯虾均属变温动物，水温对其生长、发育、繁殖具有重要的影响。黄鳝适宜生长的温度为15～30 ℃，水温12～25 ℃时，黄鳝的摄食率、特定生长率和饲料转化率均随水温的升高而增加；
温度超过30 ℃，其生长就会受到抑制[12-13]。克氏原螯虾生长的适宜水温为18～31 ℃，最适水温22～30 ℃。当水温升至超过33 ℃时，克氏原螯虾进入半摄食或打洞越夏状态；
当水温降至低于10 ℃时，克氏原螯虾进入不摄食的越冬状态[14]。试验期间水体水温(15.9±0.1) ℃～(32.9±0.3) ℃，随着季节变化呈显著下降趋势。在夏季高温季节，水温超出了黄鳝和克氏原螯虾的最适生长水温，不利于水生动物正常生长代谢活动的进行。多重比较结果显示，同一时期各采样点水温均无显著性差异(P>0.05)(图2)。
图2 稻田水温变化情况Fig.2 Changes in water temperture in rice fieldT1.网箱内；
T2.网箱外；
T3.邻侧环沟；
T4.对侧环沟；
其他图同.T1.inside the cage;T2.ouside the cage;T3.side ring ditch;T4.offside ring ditch;et sequentia.
试验期间稻田内水体溶解氧质量浓度为(0.7±0.1) mg/L～(5.65±0.55) mg/L。各采样点水体溶解氧呈现先降后升的趋势，且均于末期达到了峰值，推测可能与低水温增加了水体中氧气的溶解率、降低了水生动物的代谢、减少了代谢废物积累有关[15]。其中网箱内、外的最低值出现在9月22日，均低于1.0 mg/L，邻侧环沟、对侧环沟的最低值出现在9月6日，分别为(1.40±0.18)、(0.80±0.11) mg/L，这可能与2次采样期间阴雨天气有关。不同时期各组水体溶解氧质量浓度均为网箱内最低。对各组数据进行多重比较显示，网箱内水体溶解氧质量浓度在8月18日、9月6日显著低于网箱外(P<0.05)，在10月11日、10月25日极显著低于网箱外、邻侧环沟、对侧环沟(P<0.01)，邻侧环沟、对侧环沟在各时期差异均不显著(图3)。推测网箱内、外水体溶解氧质量浓度偏低是因网箱内水生动物密度高、排泄物累积较多及联排网箱设置过密所致[15]。
图3 稻田溶解氧变化情况Fig.3 Changes in DO levels in rice fielda.不同采样点;b.不同时间；
下同.a.different sampling sites;b.different time;et sequentia.
试验表明，pH可改变养殖水体中物质的存在形式，对物质循环和养殖生产有极大的影响，水体pH超出正常范围时会导致水生动物呼吸困难、生长缓慢，严重者可导致疾病甚至死亡[16]。周文宗等[17]研究表明，pH对黄鳝的最大摄食率有极显著的影响，水质偏酸时，黄鳝有较好的食欲。试验期间水体pH为(7.02±0.12)～(8.27±0.21)，呈弱碱性，符合水稻和水生动物正常生长的要求。不同采样点pH总体呈先升后降的趋势，但不同时期之间未出现显著性差异(P>0.05)，同一时期内各采样点pH亦无显著性差异(P>0.05)(图4)，表明该立体综合种养模式对水体pH未产生显著性影响。
图4 稻田pH变化情况Fig.4 Changes in pH in rice field
2.2 水体总磷
总磷是水体富营养化的重要指标之一[18]。试验期间水体总磷质量浓度为(0.065±0.012) mg/L～(0.338±0.042) mg/L。试验期间各采样点水体总磷呈先升后降的趋势，且均于10月11日达到峰值。10月11日水体总磷显著高于8月18日和10月25日(P<0.05)。初始和终末水体相比，仅T4采样点总磷显著升高(P<0.05)，其他采样点无显著性差异(图5)。多重比较结果显示，在同一时间内，8月18日和9月6日网箱内的总磷质量浓度显著高于邻侧环沟(P<0.05)，与网箱外、对侧环沟无显著性差异(P>0.05)；
10月11日网箱内的总磷质量浓度显著高于网箱外，与邻侧环沟、对侧环沟无显著性差异(P>0.05)；
末期水体中，对侧环沟的总磷质量浓度显著高于网箱内和邻侧环沟(P<0.05)，与网箱外无显著性差异(P>0.05)。推测前期由于网箱内、外水生动物代谢废物较多导致水体总磷质量浓度不断积累，后期随着水稻和水花生生长的吸收，水体总磷质量浓度下降明显[19]。对比初期水体，4个采样点末期水体总磷质量浓度下降率分别为42.6%、6.2%、-37%、-115%。
图5 稻田总磷变化情况Fig.5 Changes in TP content in rice field
2.3 水体总氮
试验期间水体总氮质量浓度(0.75±0.08) mg/L～(2.28±0.45) mg/L。各采样点水体总氮质量浓度整体呈先升后降趋势，其中网箱外的末期水体总氮质量浓度低于初期水体，网箱内、邻侧环沟、对侧环沟均高于初期水体(图6)。对水体总氮质量浓度进行多重比较，结果显示，仅9月6日网箱内显著高于网箱外(P<0.05)，极显著高于邻侧环沟、对侧环沟(P<0.01)，邻侧环沟和对侧环沟无显著性差异(P>0.05)。试验期间网箱内、外，邻侧环沟，对侧环沟采样点末期水体总氮较初期水体分别升高9.9%、-10.9%、23.6%、90.5%，表明网箱内因水生动物密度过高导致总氮积累较多，靠近网箱的网箱外对总氮转化效率较高，而邻侧环沟、对侧环沟因生物多样性较低，且后期随着克氏原螯虾进洞繁殖，进一步影响了水体内物质的就地循环，总氮转化能力较弱。
图6 稻田总氮变化情况Fig.6 Changes in TN content in rice field
2.4 水体亚硝态氮
亚硝态氮是氮循环的中间产物，在溶解氧充足时转化为低毒的硝态氮，在溶解氧较低时转化为强毒的氨氮。当水体亚硝态氮质量浓度高于 0.1 mg/L时，就会危害水生动物正常生长[20]。试验期间水体亚硝态氮质量浓度为(0.003±0.001) mg/L～(0.026±0.009) mg/L。网箱内、外的亚硝态氮质量浓度呈明显下降趋势，邻侧环沟、对侧环沟的亚硝态氮质量浓度总体呈上升趋势(图7)。多重比较结果显示，10月11日邻侧环沟、对侧环沟水体亚硝态氮质量浓度极显著高于网箱内、外(P<0.01)，其中网箱内与网箱外间、邻侧环沟与对侧环沟间均未表现出显著性差异(P>0.05)，其他时间各采样点差异均不显著(P>0.05)。推测可能后期随着水体溶解氧水平的升高，增加了硝化细菌的功效，且网箱内、外因藻类和大量水花生的存在，提高了氮的转化效率[21-22]。与初期水体相比，4个采样点末期水体的亚硝态氮质量浓度下降率分别为80.0%、70.0%、-11.0%、-33.3%。
图7 稻田亚硝态氮变化情况Fig.7 Changes in level in rice field
2.5 水体硝态氮
水体中残饵、粪便等有机废物经氨化作用产生的氨在硝化细菌的作用下，逐步氧化经亚硝态氮转化成硝态氮，藻类和水生植物利用硝态氮作为营养来源，如硝态氮含量过高，藻类等就会大量生长和繁殖，导致水体富营养化[10]。试验期间，水体硝态氮含量为0～(0.254±0.089) mg/L。初期各采样点水体硝态氮质量浓度均为0，网箱内在试验期间无显著变化，网箱外急剧升高但在末期降为0，邻侧环沟、对侧环沟呈明显升高趋势(图8)。多重比较结果显示，9月6日、9月22日网箱外硝态氮质量浓度显著高于网箱内、邻侧环沟、对侧环沟(P<0.05)，10月11日邻侧环沟、对侧环沟高于网箱内、外，但差异不显著(P>0.05)，10月25日邻侧环沟、对侧环沟极显著高于网箱内、外(P<0.01)。表明黄鳝网箱养殖对周围水体硝态氮未产生显著影响，网箱外采样点对硝态氮的转化能力较邻侧环沟、对侧环沟强。
图8 稻田硝态氮变化情况Fig.8 Changes in level in rice field
2.6 水体氨氮
图9 稻田氨氮变化情况Fig.9 Changes in level in rice field
3.1 对水体温度、溶解氧和pH的影响
近年来，现代复合综合种养模式因产品优质、产出高效受到越来多养殖户的青睐。稻虾鳝共作不仅能够充分利用养殖空间，水生动物的残饵、粪便还可以提高水体肥力，促进水稻的生长，减少化肥使用，降低水体污染[24]。环境温度是鱼类生长发育最重要的因子之一，水温的变化直接导致鱼体的多种生理应激反应，使鱼类代谢和能量需求发生变化，同时其生长及体成分组成也会发生相应的变化[12]。水稻生长的不同阶段对环境温度也有不同的要求，如幼穗分化期适宜温度为26～30 ℃，分蘖期适宜水温为32～34 ℃，最高水温为40～42 ℃[25]。本试验中，首次采样时间为8月中旬，气温和水温均为当地一年中最高，过高的水温直接影响黄鳝和克氏原螯虾正常生长和代谢活动[12,14]，因此在实际生产中尤其是夏季高温季节，应采取加注新水等措施调节水温和水质，保证水生动物健康生长。
溶解氧是养殖水体中的重要因子，是水生动物生存和正常生理活动的基本保证。高质量浓度的溶解氧有利于水体中有机物的分解和硝化作用的发生，促进水体中的物质循环。溶解氧质量浓度越高，有害物质含量越低，从而给水生动物创造良好的生长条件[15]。黄鳝的鳃呈退化状态，主要依靠表皮和辅助呼吸器官直接从空气中呼吸氧气，因此即使水体中溶解氧含量较低也能正常生活[10]。但若水中溶解氧含量过低，则会影响黄鳝的摄食和代谢，导致出现浮头现象[17]。本试验中，网箱内、外水体平均溶解氧质量浓度均低于2 mg/L，邻侧环沟、对侧环沟水体平均溶解氧质量浓度均低于4 mg/L，表明网箱养殖黄鳝会显著降低共生区域水体溶解氧质量浓度，推测可能由于联排网箱设置过密、残饵粪便积累较多所致。实际生产过程中可通过在环沟内种植水草、间隔设置网箱、增加底部增氧装置等手段改善水体溶解氧环境。
罗鸣钟等[26]研究表明，黄鳝适宜的水体pH为6.0～7.5，与常见的养殖鱼类如四大家鱼的适宜pH 6.5～8.5相比，其适宜的pH范围窄，且偏酸性。淡水甲壳类动物对水体pH的变化较为敏感，pH的改变可影响甲壳类动物的存活、生长、离子调节和外骨骼矿化作用[27]。本试验期间水体pH未出现明显变化(7～8)，符合GB 11607—1989《渔业水质标准》(pH 6～8)，有利于该综合种养模式下黄鳝、克氏原螯虾及水稻的生长。这表明稻虾鳝立体综合种养模式对水体pH无显著性影响，试验结果与侣国涵等[9,20]所研究的稻虾综合种养、稻蟹综合种养对水体pH的影响结论一致。
3.2 对水体总磷、总氮的影响
磷是生物体内核酸、核蛋白、磷脂的组成成分，核酸等是细胞核和膜的组成成分，缺磷会影响细胞的分裂和分化；
氮是水稻和水生动物的重要营养物质，对生长发育起着重要的作用[25]。同时，氮、磷也是水体富营养化的重要指标[18]。残饵、粪便是池塘水体中氮和磷的主要来源[28]。苏跃朋等[29]对中国明对虾(Fenneropenaeuschinensis)精养池塘水中营养盐收支情况研究发现，饵料中氮、磷营养盐的输入量分别占水体中氮、磷总输入量的81.4%、90.2%。Xie等[30]研究表明，稻鱼系统中投入的饲料被系统吸收利用的仅有42.9%，有57.1%直接或间接流入环境中。本试验中，网箱内、外的总氮、总磷在初期积累较多，在后期随着水稻生长对氮、磷需求的增加，以及水花生对氮、磷的吸收转化，水体中氮、磷含量迅速降低，直至末期低于初期水体，该结果与薛利红等[19,31]关于水稻生长不同时期对水质影响的研究结论一致。整个试验过程各采样点水体总氮、总磷均符合SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ级要求。
3.3 对水体亚硝态氮、硝态氮、氨氮的影响
水生植物(包括藻类)通过同化作用吸收水体中无机氮，通常最先利用氨氮，其次是硝态氮，最后是亚硝态氮，因此这3种形式的氮也被称为有效氮。亚硝态氮在水中极不稳定，通常情况下，可以通过硝化细菌或反硝化细菌的作用转化为硝态氮或氨氮[15]。李洪涛等[32]研究表明，黄鳝的最大摄食率与氨氮含有量有较强的相关性，且水体的氨氮含量较低时，黄鳝可以通过增加排尿量使水体氨氮含量升高，反之则通过减少排尿量抑制水体氨氮含量进一步升高。樊开青等[22]研究表明，水花生对硝态氮、总氮等的去除效果优于芦苇、水葱、香蒲和慈姑等挺水植物。本试验中，网箱内、外采样点的亚硝态氮、硝态氮低于邻侧环沟、对侧环沟，推测与黄鳝和水花生的共同作用有关。同时结合溶解氧数据，网箱内、外因残饵粪便较多，溶解氧含量低，硝化菌群尤其是氨氧化菌群无法有效发挥作用，导致氨氮积累过多。因此，生产过程中需密切加强对水体水质的监测，促进水体物质循环和动植物的健康生长。
本试验中，通过将网箱养殖黄鳝与稻虾综合种养立体耦合，增加网箱内、外残饵和粪便的积累导致氮、磷含量升高，但同时促进了附近水体氮、磷转化效率以及反硝化过程的进行，降低了水体富营养化的风险。同时，网箱内及附近区域因有机物积累较多易造成溶解氧水平偏低，抑制了硝化细菌的功能，导致NH4+积累，易引起水生动物中毒，具有一定的养殖风险。在生产中尤其是高温季节，应密切监控水质尤其是网箱内外的溶解氧水平，同时可通过适当调节水位、优化水草栽培、底部纳米增氧、合理设置网箱等措施增加田块的水体流动，促进网箱内外的水体交换及系统内的物质循环，改善养殖水体环境，优化养殖模式，促进水生动物健康生长。
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