2結(jié)果與分析

2.1池塘種稻對水體和底泥基礎(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，待O2濃度降至零時保持基本穩(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)池擴(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個小區(qū);F1，F(xiàn)2和F3分別代表黃顙魚單養(yǎng)的3個小區(qū)。

2.3池塘種稻對沉積物-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個小區(qū)Eh值均高于F處理。F處理3個小區(qū)Eh從界面以上1~3 mm范圍開始表現(xiàn)出急劇下降趨勢，而RF處理3個小區(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。至界面下10 mm時，F(xiàn)處理3個小區(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pH單位以內(nèi)，且都呈現(xiàn)出弱堿性。其中F處理3個小區(qū)的pH值為8.13~8.36;RF處理3個小區(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。其中RF處理3個小區(qū)pH值降幅為0.26;F處理3個小區(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值除個別點(diǎn)外，基本表現(xiàn)為緩慢減小的趨勢，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)可以無擾動地精確測量界面附近微環(huán)境的變化，與傳統(tǒng)方法相比具有不可替代的優(yōu)勢。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)測池塘沉積物-水界面附近DO、pH等理化性狀的微米級變化，且不同剖面的測量結(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，且電極價格較高，研究成本高;由于要測定微米級變化，測試行程較長，且每個柱芯都要測量多個剖面，測試過程耗時較長。

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Carvins Cove水庫沉積物-水界面的監(jiān)測結(jié)果，但低于王敬富等對紅楓湖的研究結(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過程中，根系會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。對比以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水稻對沉積物-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，但未考慮水稻生長發(fā)育特性。由于水稻在不同生育期的生物量及對水體養(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-水界面是一個微生物活動頻繁、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)或生物過程聯(lián)系在一起，為解析稻魚共作系統(tǒng)對沉積物-水界面生物化學(xué)過程的作用機(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)微電極測量系統(tǒng)對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面的測量結(jié)果表現(xiàn)出很好的連續(xù)性，說明利用微電極可實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面原位無擾動的高分辨率測定。因此，微電極測量系統(tǒng)有助于分析水稻生長與沉積物-水界面微環(huán)境變化的相互關(guān)系，在探討水稻生長對水體養(yǎng)分的調(diào)控作用機(jī)制方面可發(fā)揮重要作用。