海水稻田湿地对半咸水对虾养殖池塘水环境的净化作用研究_张新新.pdf
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1、DOI:10.12131/20220261文章编号:2095 0780(2023)03 0019 10海水稻田湿地对半咸水对虾养殖池塘水环境的净化作用研究张新新1,2,李 婷2,李少文3,朱长波2,张 博2,苏家齐2,阮国良1,张晓阳41.长江大学 动物科学学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心,湖北 荆州 4340252.中国水产科学研究院南海水产研究所/农业农村部南海渔业资源开发利用重点实验室,广东 广州 5103003.山东省海洋资源与环境研究院/山东省海洋生态修复重点实验室,山东 烟台 2640064.珠海粤顺水产养殖有限公司,广东 珠海 519170NH+4NO3NH+4NH+4
2、NO3NO3摘要:为探索海水稻-对虾塘田生态联作模式中稻田湿地的水环境净化作用,分别开展了稻田净化单元在夏、冬季对虾养殖周期的尾水处理效果研究。夏季试验中,对虾养殖尾水经不同种植密度的海水稻和常规水稻稻田净化处理,6周后各处理尾水中氨氮(-N)、硝酸盐氮(-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、总磷(TP)和化学需氧量(COD 浓度)均大幅下降,单倍密度海水稻稻田净化效果最好,对应去除率分别为81.6%、68.2%、63.7%、91.0%和29.7%,均显著高于无水稻对照处理(P0.05),其中-N及可溶性无机氮去除率显著高于常规水稻处理(P0.05);冬季试验中,塘田联作塘海水稻收割,池塘进入冬棚
3、养殖,水体中-N、-N、可溶性无机氮和总悬浮颗粒物(TPM)的平均质量浓度分别较单养对照池塘降低了51.5%、40%、36.7%和11.2%(P0.05)。研究结果表明,海水稻稻田在水稻生长季与非生长季具有相似作用,均具备一定的水质净化能力,有利于维持对虾生长所需的良好水质环境。关键词:塘田联作;养殖尾水;海水稻;无机氮;人工湿地中图分类号:S 967.4文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Purification effect of searice paddy field on brackish water environment ofshrimp cultureZHAN
4、G Xinxin1,2,LI Ting2,LI Shaowen3,ZHU Changbo2,ZHANG Bo2,SU Jiaqi2,RUAN Guoliang1,ZHANG Xiaoyang41.Animal Science College,Yangtze University/Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland,Ministry ofEducation,Jingzhou 434025,China2.South China Sea Fisheries Research Institute,
5、Chinese Academy of Fishery Sciences/Key Laboratory of South China Sea Fishery Re-sources Development and Utilization,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Guangzhou 510300,China3.Shandong Marine Resource and Environment Research Institute/Shandong Key laboratory of Marine Ecological Restoration,
6、Yantai264006,China4.Zhuhai Yueshun Aquaculture Co.Ltd.,Zhuhai 519170,China第 19 卷第 3 期南 方 水 产 科 学Vol.19,No.32023 年 6 月South China Fisheries ScienceJun.,2023收稿日期:2022-09-30;修回日期:2022-12-20基金项目:国家自然科学基金项目(31902423);中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助(2021XT0403);广东省重点领域研发计划项目(2020B0202010009);山东省海洋生态修复重点实
7、验室开放课题(201917)作者简介:张新新(1996),男,硕士研究生,研究方向为池塘养殖生态。E-mail:通信作者:朱长波(1978),男,研究员,博士,研究方向为水产养殖生态与模式。E-mail:阮国良(1975),男,教授,博士,研究方向为水产养殖技术。E-mail:Abstract:In order to explore the water purification effect of paddy field in the combined pond-paddy field farming system,weanalyzed the biofiltration ability of
8、 sea rice paddy field in two shrimp culture seasons(Summer and winter).In the summer trial,the tail water of shrimp culture was purified by sea rice and common rice paddy fields with different planting densities,and thepurification efficiency of sea rice paddy fields with standard planting density w
9、as the highest.After six weeks,the removal rates ofammonia nitrogen,nitrate nitrogen,nitrite nitrogen,total phosphorus and chemical oxygen demand in standard sea rice treat-ment were 81.6%,68.2%,63.7%,91.0%and 29.7%,respectively,which were significantly higher than those in the control treat-ment(P0
10、.05),and the removal rates of ammonia nitrogen and total inorganic nitrogen were significantly higher than those inthe common rice treatment(P0.05).In the winter trial,sea rice was harvested in the shrimp-rice pond,the average concentra-tions of ammonia nitrogen,nitrite nitrogen,total inorganic nitr
11、ogen and total particulate matter in the shrimp-rice ponds de-creased by 51.5%,40%,36.7%and 11.2%,respectively,compared with the shrimp monoculture ponds(P0.05).The results show that the sea ricepaddy field has certain purification ability in both rice growing season and non-growing season,which hel
12、ps to maintain a goodwater environment for shrimp growth.Keywords:Pond-paddy field combined farming;Aquaculture tailwater;Sea rice;Inorganic nitrogen;Artificial wetland中国滨海河口因受潮汐影响水体多呈半咸水状态,存在大面积的咸淡水养殖区,其中珠江三角洲依靠南海,地处亚热带,全年均可开展养殖作业,是中国水产养殖的重要区域。凡纳滨对虾(Litopen-aeus vannamei)作为中国海水与咸淡水养殖中最具代表性的品种,其养殖产业
13、近年来呈现高速发展的态势1-2。在珠三角地区,凡纳滨对虾养殖规模不断扩大,但养殖方式仍以传统的土塘养殖为主。由于缺乏规范化的养殖模式以及众多进排不分的养殖用水系统,池塘养殖尾水大多未经处理直接排放,导致受纳水体富营养化,水质恶化,水华赤潮、生态破坏等一系列问题不断加剧3-4。氮(N)、磷(P)污染已成为制约养殖产业可持续发展的主要威胁,解决这一问题的关键在于养殖过程中水质的调控和净化。通过生物调控、生态防治等技术手段和模式创新实现养殖尾水零排放是目前主要的研究方向5-7。其中,人工湿地处理技术自 20 世纪 70 年代提出,在成本投入、维护管理、处理效果、运行稳定、抗冲击负荷等方面均有突出优势
14、8,在废水处理中具有较好的应用前景。水稻(Oryza sativa L.)作为人工湿地净化植物,能很好地发挥脱氮除磷的作用。已有研究表明,稻田在低污染废水中无机氮(DIN)和总磷(TP)的去除率分别可达 41.4%93%和 60.3%96%9-11。稻-虾共作模式已在淡水养殖中应用 12-13,但对半咸水和海水养殖而言,由于受人工湿地植物选择范围的限制,存在较大的技术难点,目前开展的相关研究较少。水稻是一种对盐碱中度敏感的作物,常规水稻盐度阈值通常介于 05,在不同生长阶段耐盐性差异较大,强耐盐型水稻全生育期盐度阈值可达 5以上14-15。海水稻是一种强耐盐水稻,可以在沿海滩涂等高盐条件下正常
15、生长,具有一定的抗涝、抗盐碱、抗倒伏、抗病虫害等能力 16-17。近年来,海水稻的成功种植为解决当今粮食短缺、耕地资源不足、生态环境污染等问题提供了新出路,可以在很大程度上节约淡水资源并增加耕地面积,从而实现资源的充分利用和农业的可持续发展,战略意义重大,现已被包括中国在内的多个国家用于研究和栽培18-21。截至目前,利用海水稻稻田人工湿地处理海水/半咸水养殖尾水的技术手段尚未见报道。本研究通过构建海水稻人工湿地,分别对夏、冬两季的凡纳滨对虾养殖尾水进行净化处理,探讨海水稻稻田湿地在水稻生长季与非生长季对 N、P 等营养元素的吸收利用和基质净化作用,以期为珠江三角洲地区的凡纳滨对虾养殖及海水稻
16、种植提供切合点,为实现绿色、高效、可持续的渔农共作模式提供参考。1 材料与方法 1.1 试验材料试验于 2020 年 8 月至 2021 年 4 月在中国水产科学研究院南海水产研究所珠海试验基地(113.58E,22.27N)进行。试验用水稻品种为海水稻和珠江三角洲地区广泛种植的常规水稻(深两优 5814),试验池塘养殖对象为凡纳滨对虾。20南 方 水 产 科 学第 19 卷 1.2 试验方法1.2.1养殖尾水净化试验在有透明顶棚遮蔽的试验车间内放置若干长方形帆布池,容积为 2.352 m3,帆布池内固定有长116 cm、宽 44 cm 的水稻种植框,种植框内装入相同质量的稻田土壤(取自试验基
17、地塘田联作池塘稻田区)并植入水稻。设置 3 个水稻种植处理组和1 个无水稻对照处理组(NR),以常规水稻机栽种植密度(株行距 25 cm30 cm)为标准,3 个水稻种植处理组分别为:海水稻单倍密度种植组(R1)、海水稻 1.5 倍密度种植组(R2)、常规水稻单倍密度种植组(R3),每组设 3 个重复。试验开始时,在每个帆布池内注入 1 200 L 养殖尾水(取自试验基地凡纳滨对虾养殖池塘底排污出水口),DIN 质量浓度为(4.510.134)mgL1,TP 质量浓度为(0.1240.004)mgL1,盐度为(2.860.35)。每隔 1 h 用功率为 40 W 的水泵将帆布池底部水体抽入水稻
18、种植框,使水流从一端流入,另一端流出,形成水平潜流,每次抽水时间持续 3 min,模拟虾稻塘田联作池塘实际操作中的水循环模式。每周用清水补充帆布池内蒸发水量,使水位保持在初始水位线。试验于 2020 年 8 月 3 日开始,9 月 14 日结束,实验周期 42 d,期间每隔 7 d 测定帆布池内水质变化情况。1.2.2塘田联作池塘冬棚养殖试验2020 年底,试验基地海水稻对虾塘田联作稻田的海水稻地上部分收割后,池塘区进行冬棚养殖。选取 3 口面积相近的塘田联作池塘为试验塘,另取 3 口面积相近的凡纳滨对虾单养池塘为对照塘,其中试验塘堤埂与稻田共用,塘、田面积相同,但水深相差 1.2 m。试验塘
19、和对照塘养殖区平均面积分别为 0.27 和 0.4 hm2。试验塘与对照塘分别于 2020 年 12 月 9 日和 12 月 14 日放养来源和规格相同的凡纳滨对虾虾苗,放养密度为 90 万尾hm2;池塘管理按照凡纳滨对虾冬棚养殖常规方式进行。2021 年 1 月 15 日以后,试验塘每天在喂食 3 h 后用小型水泵(30 m3h1)从养殖区底部抽水至稻田区,水流从稻田一角进,经过整个稻田区,再从另一角回流到养殖区,形成小水体循环,每次抽水时间持续 1 h;至 2021 年 4 月 3 日结束。试验期间,池塘水温为 22.329.2,溶解氧(DO)质量浓度为5.048.46 mgL1,pH 为
20、 8.468.93,盐度为 1.414.31。放苗后每隔 7 d 测定池塘水质,水样采集于早上 7:009:00,用 2.5 L 有机玻璃采水器在池塘四角及中央水面以下 30 cm 处取样,采集完毕后充分混匀立即送往实验室经 0.45 m 微孔滤膜过滤,于 4 保存,24 h 内完成相关指标的测定。1.3 指标测定实验测定的指标包括水质及土壤指标,水质指标包括氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、TP、化学需氧量(COD)、总悬浮颗粒物(TPM)、颗粒有机物(POM)及颗粒无机物(PIM)等。其中 NH4+-N、NO3-N、NO2-N 和 TP 质量浓度分别参
21、考 GB/T 12763.42007海洋调查规范中的次溴酸钠氧化法、锌镉还原法、重氮偶氮法和过硫酸钾氧化法测定;COD 采用碱性高锰酸钾(GB 17378.42007)测定;TPM、POM 和PIM 按 GB/T 12763.92007海洋调查规范的方法测定;常规水质指标如水温、DO 等采用 YSI-556MPS 型多参数水质测量仪监测;土壤总氮(TN)采用 C/H/N/S/O 元素分析仪(Vario EL III,德国)测定;土壤 TP 的测定采用碱熔钼锑抗分光光度法(HJ 6322011)。1.4 数据处理及分析(XSD)采用 SPSS 22.0 和 Excel 2016 软件对数据进行统
22、计分析,数值用“平均值标准差”表示,采用单因子方差分析(One-way ANOVA)、T检验和 Duncans 多重比较进行显著性分析,差异显著度为 0.05。采用 Sigmaplot 12.5 软件绘图。2 结果 2.1 稻田净化单元对养殖尾水的处理效果2.1.1净化效率试验期间,3 个水稻种植组(R1、R2 和 R3)之间 NH4+-N、NO3-N、NO2-N、DIN、TP、COD平均质量浓度无显著性差异(P0.05,表 1),除NO2-N 和 COD 外,水稻种植组各水质指标平均质量浓度均显著低于无水稻对照组(NR)(P0.05);就营养盐去除率而言,单倍密度海水稻(R1)对NH4+-N
23、 和 DIN 的去除率显著高于常规水稻(R3)(P0.05);NO3-N、NO2-N、TP 和COD 去除率在 3 个水稻种植处理组间无显著性差异(P0.05);R1 处理 NH4+-N、NO3-N、NO2-N、TP 去除率最高,分别为 81.6%、68.2%、63.7%、第 3 期张新新等:海水稻田湿地对半咸水对虾养殖池塘水环境的净化作用研究2191.0%;R2 处理 COD 去除率最高,为 31.7%。总体而言,各处理净化效率表现为 R1R2R3NR。2.1.2水质动态变化在 4 组稻田净化单元处理下,养殖尾水中各水质指标质量浓度均随时间呈现下降趋势(图 1),总体而言,水稻种植组(R1、
24、R2 和 R3)在试验期间池水 NH4+-N、NO3-N、NO2-N、TP、COD 质量浓度始终低于无水稻对照组(NR),其中以 NH4+-N 质量浓度较对照组差异最显著;水稻组和对照组TP 质量浓度前期差异较小,后期差异较大,COD质量浓度在前两周迅速下降至低值,第 3、第 4 周小幅回升后逐渐下落。水稻种植组平均 DIN 和 TP质量浓度分别在试验开始后的第 4 和第 5 周下降到初始值的 50%以下。2.1.3土壤基质中 TN 和 TP 质量浓度变化试验前后,各处理土壤基质中 TN 和 TP 质量浓度均不存在显著性差异(P0.05,图 2),其中海水稻种植组(R1 和 R2)和对照组(N
25、R)TN 质量浓度较试验前有所升高;R2 组、常规水稻组(R3)和NR 组 TP 质量浓度较试验前有所升高。试验结束后,NR 组 TN 和 TP 质量浓度分别较试验前增加了 12.9%和 21.2%。表1 夏季尾水净化试验水质指标Table 1 Water quality index in summer trial of tail water水质指标Water quality index处理Treatment平均质量浓度Average mass concentration/(mgL1)去除率Nutrient removal rate氨氮 NH+-NR10.2820.033a0.8160.019
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