2结果与分析


2.1池塘种稻对水体和底泥基础性质的影响


黄颡鱼-水稻共作(RF)和黄颡鱼单养(F)小区底泥和上覆水体的基础性质如表1所示。RF处理底泥中pH、氨态氮和硝态氮含量均显著低于F处理，分别降低了5%、11.8%和29.1%，但Eh较F处理增加了42.4%。RF处理上覆水体的pH值、氨态氮和硝态氮含量分别比F处理显著降低5.2%，45.6%和11.8%。RF上覆水体DO比F处理降低了16.2%，且Chl-a、BOD和COD含量分别降低了40.8%、32.7%和21.9%。

表1黄颡鱼-稻共作和黄颡鱼单养小区底泥和上覆水体基础性质


2.2池塘种稻对沉积物-水界面O2剖面分布的影响


图1为RF(黄颡鱼-水稻共作)和F(黄颡鱼单养)处理3个小区沉积物-水界面附近的O2剖面分布。从图中可以看出，RF和F小区沉积物-水界面O2随深度变化的垂向分布趋势相近，即从界面以上20 mm至以下10 mm O2浓度整体上都是表现出随深度降低而降低的趋势，待O2浓度降至零时保持基本稳定的状态。RF和F的差异主要表现在临近界面的2.5 mm内，即图中的虚线框区域。约从2 mm开始，F处理界面O2浓度下降较快，开始低于RF。在界面以下，F处理O2扩散仅渗透到1.75 mm其浓度即开始下降为零;而RF处理O2扩散渗透到3.00 mm才下降为零。这些结果表明，池塘种稻改善了塘底沉积物-水界面厌氧状况，使沉积物-水界面附近O2浓度下降速率减慢，且增加了界面以下O2渗透深度。

图1黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养池扩建沉积物-水界面附近O2浓度的垂直变化RF1、RF2和RF3分别代表黄颡鱼-水稻共作处理的3个小区;F1，F2和F3分别代表黄颡鱼单养的3个小区。


2.3池塘种稻对沉积物-水界面Eh剖面分布的影响


沉积物-水界面附近Eh剖面分布如图2所示。RF处理3个小区Eh值均高于F处理。F处理3个小区Eh从界面以上1~3 mm范围开始表现出急剧下降趋势，而RF处理3个小区则从界面0.5~1.5 mm范围开始急剧下降。F处理Eh值在界面以下2.5 mm开始小于零，转变为还原环境，而RF处理Eh值则在界面以下4.5 mm开始小于零。此后，RF和F处理Eh值均呈缓慢下降趋势。至界面下10 mm时，F处理3个小区Eh均值为-26.8 mV，低于RF处理(-13.3 mV)。沉积物-水界面Eh剖面分布结果表明，池塘种稻显著改善塘底沉积物-水界面氧化还原环境，提高沉积物中氧化还原电位。

图2黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养池塘沉积物-水界面附近Eh的垂直变化


2.4池塘种稻对沉积物-水界面pH的剖面分布的影响


RF和F处理沉积物-水界面附近pH值变化不大(图3)，均在0.4个pH单位以内，且都呈现出弱碱性。其中F处理3个小区的pH值为8.13~8.36;RF处理3个小区pH值均低于F处理，在7.03~7.41。在界面附近2.5 mm范围内，RF和F处理pH值均表现出明显的降低趋势。其中RF处理3个小区pH值降幅为0.26;F处理3个小区pH值降幅为0.03，低于RF处理。此后，在界面以下2.5 mm至6 mm，RF处理pH值又表现为缓慢增加，6 mm以下稳定至7.23，而F处理pH值除个别点外，基本表现为缓慢减小的趋势，最终稳定值为8.25。

图3黄颡鱼-水稻共作和黄颡鱼单养池塘沉积物-水界面附近pH的垂直变化


3讨论


在界面微环境的研究中，微电极系统可以无扰动地精确测量界面附近微环境的变化，与传统方法相比具有不可替代的优势。近十几年，微电极系统在沉积物-水界面研究中日益受到重视。本研究采用微电极系统对稻鱼共作养殖池塘沉积物-水界面的微环境进行了研究。研究结果显示，微电极系统电极灵敏度高，能够精确地监测池塘沉积物-水界面附近DO、pH等理化性状的微米级变化，且不同剖面的测量结果表现出较好的连续性和重现性。但在研究中发现，微电极系统也存在一些有待改进之处，例如测量界面微环境的电极尖端为玻璃材质，易损坏，且电极价格较高，研究成本高;由于要测定微米级变化，测试行程较长，且每个柱芯都要测量多个剖面，测试过程耗时较长。


本研究的结果显示，养殖池塘沉积物-水界面的O2浓度剖面分布与以往自然水体的研究结果存在一定差异。例如本研究中养殖池塘O2浓度和渗透深度要高于Bryant等对Carvins Cove水库沉积物-水界面的监测结果，但低于王敬富等对红枫湖的研究结果。这可能主要是因为不同水体的水体深度、沉积物厚度、生物扰动等因素的差异造成的。池塘种稻能够改变沉积物-水界面微环境，使得沉积物-水界面有氧层厚度增加，氧化还原电位升高(图1和图2)，这一过程主要归因于水稻根际泌氧作用。水稻种植在养殖池塘，长期的渍水环境使得其植株体内形成大量通气组织，叶鞘上由气孔进入的氧气及在叶鞘中由光合作用释放的氧气通过叶鞘和茎秆中的通气组织运输到水稻根系。水稻径向泌氧部分供根系呼吸，同时有大约30%~40%的氧气由根轴径向运输到根际土壤，并伴随释放其他的氧化性物质，在根际周围形成一个微域的“氧化圈”，从而增加沉积物中O2浓度，提高氧化还原电位。


沉积物中pH值是表征土壤化学性质的重要参数，本研究结果显示池塘种稻能改变水稻根际微环境，降低上覆水和沉积物的pH值(图3)。这主要是由于水稻生长过程中，根系会向土壤和水体中分泌大量有机酸(如酒石酸等)，水稻根际微生物耗氧降解有机质也会向土壤和水体中释放酸性物质，从而使稻鱼共作养殖池塘界面附近pH值低于单养鱼池塘。对比以往研究结果发现，水稻对沉积物-水界面附近pH值的影响要大于轮叶黑藻。在本研究中，稻鱼共作和单养鱼池塘界面附近pH差值接近1，而田翠翠等的研究结果显示，种植轮叶黑藻后，沉积物-水界面pH值变化小于0.5。


本研究初步揭示了池塘种稻对塘体沉积物-水界面微观剖面理化性质的影响，但未考虑水稻生长发育特性。由于水稻在不同生育期的生物量及对水体养分的积累量不同，因而，在稻鱼共作模式下，处于不同生育阶段的水稻对养殖池塘沉积物-水界面微环境的影响可能也存在差异。已有研究表明，沉积物中黑藻培养时间不同，其根际微环境中DO、pH和Eh的垂直变化存在差异。因此，为了更加全面地分析稻鱼共作对塘体沉积物微环境的影响，水稻不同生育期的研究还需进一步完善。沉积物-水界面是一个微生物活动频繁、有高度生物活性的复杂微环境，为了较为全面地研究沉积物-水界面微观界面的特征，在今后还需增加更多指标的微观剖面分析，如H2S和N2O剖面特性分析等。此外，对沉积物-水界面微环境的研究，还需要和界面附近氮磷迁移转化等化学或生物过程联系在一起，为解析稻鱼共作系统对沉积物-水界面生物化学过程的作用机制提供微观依据。


4结论


1)池塘种稻能够显著改善塘体水质，改变沉积物的基础理化性质。与黄颡鱼单养池塘相比，黄颡鱼-水稻共作池塘上覆水中pH值、Chl-a、COD、BOD、氨态氮和硝态氮含量都有所降低。表层底泥中pH、氨态氮和硝态氮含量降低，但Eh升高。


2)池塘种稻能够显著改变养殖池塘沉积物-水界面微环境。池塘种稻改善了塘底沉积物-水界面厌氧状况，使沉积物-水界面附近O2浓度下降较慢，增加了界面以下O2渗透深度;池塘种稻改变了界面附近氧化还原环境，单养鱼池塘界面以下2.5 mm进入还原环境，而稻-鱼共作池塘Eh值在界面以下4.5 mm才开始小于零;池塘种稻也显著降低沉积物-水界面附近pH值。


3)微电极测量系统对养殖池塘沉积物-水界面的测量结果表现出很好的连续性，说明利用微电极可实现对养殖池塘沉积物-水界面原位无扰动的高分辨率测定。因此，微电极测量系统有助于分析水稻生长与沉积物-水界面微环境变化的相互关系，在探讨水稻生长对水体养分的调控作用机制方面可发挥重要作用。