不同年限稻鴨共作對(duì)水體藻類群落結(jié)構(gòu)的影響

王曉瑩，馮金俠，韋生寶，陳長青

（江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用生態(tài)研究所，南京 210095）

稻鴨共作是一種將生態(tài)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的復(fù)合種養(yǎng)模式，因具有顯著降低農(nóng)藥化肥的施用量、實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的充分利用、產(chǎn)品綠色安全優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，而備受人們的關(guān)注。鴨群的活動(dòng)可以在一定程度上攪動(dòng)稻田水體和土壤，大幅提高水體的溶解氧含量[1-2]。鴨群能夠明顯改善稻田水體理化性質(zhì)，降低表層水體的溫度與pH[3-4]，提高混濁度和總氮、總磷、總鉀三大營養(yǎng)元素的含量[5-6]，促進(jìn)水稻生長發(fā)育[7-9]。另外，鴨子的覓食等活動(dòng)會(huì)不斷攪動(dòng)水體，影響水體養(yǎng)分含量[10-11]，調(diào)整水中生物群落結(jié)構(gòu)，有效地抑制水中浮游生物的生長，水生生物以及底棲動(dòng)物的種類數(shù)也明顯減少[12-14]。

水稻生長必需的條件是田面水富含氮、磷等營養(yǎng)元素[15-17]，這也是藻類生長的重要因子。藻類的生長在一定程度上可促進(jìn)稻田養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)，能吸收固定氮、磷，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)水稻生長[18]。而稻田水一旦回流到河流中，就會(huì)影響周邊水體，增加水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[19-20]。稻鴨共作減少了稻田水生生物的數(shù)量和生物量，對(duì)藻類群落數(shù)量的影響顯著，稻田水體生物多樣性指數(shù)得以提高[21-22]。同時(shí)稻鴨共作系統(tǒng)能夠調(diào)整藻類優(yōu)勢(shì)種群落結(jié)構(gòu)，顯著降低綠藻、硅藻和原生動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)度，裸藻、枝角類的優(yōu)勢(shì)度顯著增加，有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[11，14]。但目前針對(duì)稻鴨共作田面水體藻類多樣性的研究主要聚焦在短期稻鴨共作，不同年限長期稻鴨共作系統(tǒng)藻類變化的研究尚為少數(shù)，不同規(guī)模（共作強(qiáng)度）稻鴨共作的研究亦缺乏。由于鴨子是群居動(dòng)物，不同規(guī)模的鴨群活動(dòng)表現(xiàn)出對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)影響強(qiáng)度的差異，同時(shí)對(duì)水體產(chǎn)生的影響也有差異。結(jié)合前人的研究進(jìn)展，本文從稻鴨共作年限和共作規(guī)模兩個(gè)角度進(jìn)行分析，探究不同規(guī)模、不同年限稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類群落組成及多樣性的變化，從而優(yōu)化稻鴨共作規(guī)模，改善稻田生態(tài)系統(tǒng)，為發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)，促進(jìn)稻田農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)于2020 年在江蘇省丹陽市延陵鎮(zhèn)（31°89′N，119°27′E）多年稻鴨共作的田塊上進(jìn)行，該地為亞熱帶季風(fēng)氣候，具有氣候濕潤、光照充足、雨量豐沛、四季分明的氣候特征。該地年平均氣溫和降雨量分別為16.4 ℃和1 243.3 mm。試驗(yàn)在共作20 a 的長期稻鴨共作田（OR），共作4 a 的短期稻鴨共作田（GR），以及傳統(tǒng)無鴨稻田（CK）上開展研究。長期和短期稻鴨共作田均按不同規(guī)模設(shè)置3 種處理：0.067 hm2（1畝）、0.200 hm（23 畝）、0.333 hm（25 畝）。因此，共設(shè)計(jì)7 個(gè)處理：0.067 hm2長期稻鴨共作（OR1）、0.200 hm2長期稻鴨共作（OR3）、0.333 hm2長期稻鴨共作（OR5）、0.067 hm2短期稻鴨共作（GR1）、0.200 hm2短期稻鴨共作（GR3）、0.333 hm2短期稻鴨共作（GR5）、0.133 hm2傳統(tǒng)稻作（CK），每個(gè)處理3次重復(fù)。

稻鴨共作田在每個(gè)小區(qū)周圍的田埂邊圍尼龍網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，尼龍網(wǎng)高1 m，網(wǎng)眼2 cm2，以控制鴨群的活動(dòng)范圍。在晴朗的日間，對(duì)雛鴨進(jìn)行馴水訓(xùn)練，直到鴨子在水中能自由活動(dòng)且毛發(fā)干燥為止。在水稻人工移栽5 d，機(jī)插秧7 d 后，及時(shí)放養(yǎng)經(jīng)過馴水訓(xùn)練3 d的役用雛鴨。按每公頃270 只鴨子進(jìn)行配置（每667 m2為18只）。稻鴨共作田不施任何化肥和農(nóng)藥，從放鴨至收鴨前一直保持水層8~10 cm。CK 組每公頃施純氮 138 kg，P2O5、K2O 各 120 kg。在水稻抽穗后 7~10 d，及時(shí)將鴨從稻田中收回。同時(shí)共作稻田在冬季種植紫云英，每667 m2撒種4~5 kg，并開溝降漬，第二年旋耕入土做基肥，水稻秸稈全部旋耕還田。當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑辄S泥土，pH 5.9，有機(jī)質(zhì) 20.2 g·kg-1，全氮1.29 g·kg-1，速效磷11.2 mg·kg-1，速效鉀166.3 mg·kg-1。

1.2 水樣采集及預(yù)處理

2020 年6 月底至8 月底，在稻鴨共作期間每隔7 d 對(duì)稻田水體進(jìn)行采集，用于水體藻類測序及水樣理化性質(zhì)的測定。每個(gè)小區(qū)進(jìn)行5 點(diǎn)隨機(jī)混合取樣，樣本置于350 mL 塑料瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室測定。在水樣中加入5 mL 的魯哥氏液（至樣本呈茶水色）固定藻類。用于測序的水樣經(jīng)過1 000 mL 微孔濾膜過濾裝置抽濾，將藻類提取到0.22 μm 濾膜上，用蒸餾水少量多次地沖洗塑料瓶，使其中的藻類盡可能轉(zhuǎn)移，然后將濾膜裝至離心管中在-80 ℃下保存待測。用于測定理化性質(zhì)的水樣在-20 ℃下保存以待后續(xù)測定。

1.3 水樣檢測

水體pH 用便攜式pH 計(jì)LH-P300 測定，溶氧量用溶氧儀AZ 8403 測定，總氮利用紫外分光光度法測定，總磷用分光光度計(jì)測定，可溶性鉀采取火焰光度計(jì)測定[23]。

提取基因組DNA，以兩個(gè)正向引物（A23SrVF1：GGACARAAAGACCCTATG 和 A23SrVF2：CARA?AAGACCCTATGMAGCT） 和 兩 個(gè) 反 向 引 物（A23SrVR1：AGATCAGCCTGTTATCC 和 A23SrVR2：TCAGCCTGTTATCCCTAG）為擴(kuò)增引物[24]，用 PCR 儀（ABI GeACBeAmp?9700 型）進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增。配制2%瓊脂糖膠對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行電泳，實(shí)現(xiàn)膠回收純化，同時(shí)通過熒光定量進(jìn)行產(chǎn)物定量和均一化檢測，之后構(gòu)建測序文庫，進(jìn)行Miseq 測序，校正后將OTU 序列對(duì)照NT數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物種注釋[25]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

將高通量測序原始數(shù)據(jù)通過FLASH（Version v.1.2.11）、Usearch（Version v.7.0）進(jìn)行優(yōu)化與統(tǒng)計(jì)，將物種拉丁文名稱對(duì)照《中國淡水藻類大全》，將其中除藻類之外的物種剔除，然后按最小樣本序列數(shù)進(jìn)行抽平，通過Mothur 軟件（Version v.1.30.2）進(jìn)行多樣性指數(shù)分析。采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表格繪制，使用SPSS 26.0 進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)分析，利用Origin 2020及Canoco 5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 OTU數(shù)的變化

測序獲得的整個(gè)序列共有11 557 586 條有效序列，平均序列長度約為366 bp。同時(shí)稀釋曲線也是趨于平坦，表明測序數(shù)據(jù)量足以反映樣本中的大多數(shù)微生物多樣性信息。

由表1 可知，隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，各時(shí)期測序結(jié)果中共有OTU 數(shù)呈先升后降的趨勢(shì)，各時(shí)期共有OTU 數(shù)占總OTU 數(shù)的比例范圍為18.40%~42.82%。在稻鴨共作21、35、56 d 時(shí)，稻鴨共作處理下特有 OTU 數(shù)絕大部分高于 CK；共作14、28、42 d 這3 個(gè)時(shí)期，不同規(guī)模稻鴨共作下特有OTU 數(shù)無顯著差異（P>0.05）。

2.2 群落結(jié)構(gòu)組成變化——門水平

根據(jù)測定結(jié)果，將不同年限、不同規(guī)模稻鴨系統(tǒng)水體中被鑒定出的所有藻類門，按相對(duì)豐度的高低進(jìn)行排序，并對(duì)豐度較高的物種作堆積柱狀圖分析（圖1），發(fā)現(xiàn)相對(duì)豐度較高的物種主要為裸藻（Eugle?nophyta）、綠藻（Chlorophyta）、藍(lán)藻（Cyanophyta）、硅藻（Bacillariophyta）、褐 藻（Phaeophyta）、黃 藻（Xan?thophyta），其中優(yōu)勢(shì)藻門有裸藻（相對(duì)豐度為24.21%~36.87%）、綠藻（相對(duì)豐度為23.07%~34.08%）、藍(lán)藻（相對(duì)豐度為8.33%~29.47%）、硅藻（相對(duì)豐度為0.13%~2.59%），共占藻類總數(shù)量的80%左右。進(jìn)一步分析優(yōu)勢(shì)藻門發(fā)現(xiàn)，不同處理下水體藻類門水平物種組成有所不同，OR5、GR5 處理下裸藻的相對(duì)豐度大于CK 處理，OR 和GR 處理下水體綠藻、藍(lán)藻、硅藻的相對(duì)豐度均高于CK 處理。從同一共作年限、不同共作規(guī)模間的變化情況來看，共作規(guī)模對(duì)藍(lán)藻有一定的影響，規(guī)模越大藍(lán)藻的相對(duì)豐度越小。

2.3 群落多樣性指數(shù)的變化

隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，不同規(guī)模長期稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)均呈先升后降的變化趨勢(shì)（圖2），且在第35 d 時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，研究期間水體藻類Shannon 多樣性指數(shù)范圍為2.59~4.50。從開始共作到共作35 d 期間，OR3 處理的水體藻類Shannon多樣性指數(shù)最大，藻類物種多樣性最大；從共作35 d到共作結(jié)束期間，OR5 處理的水體藻類Shannon 多樣性指數(shù)最大，群落多樣性最高。對(duì)于表征物種數(shù)的Ace 豐富度指數(shù)，隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，不同規(guī)模長期稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)整體呈先升后降的變化趨勢(shì)，期間水體藻類Ace 豐富度指數(shù)范圍為270.3~561.9。在稻鴨共作35 d后，OR5稻鴨共作的水體藻類Ace豐富度指數(shù)最大，群落多樣性最高。

隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，不同規(guī)模短期稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)均呈先升后降的變化趨勢(shì)（圖3），不同規(guī)模短期稻鴨共作系統(tǒng)間水體藻類Shannon多樣性指數(shù)無明顯差異，期間水體藻類Shan?non多樣性指數(shù)范圍為2.06~4.30。對(duì)于Ace豐富度指數(shù)，隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，不同規(guī)模短期稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)整體呈先升后降的變化趨勢(shì)，在稻鴨共作35 d 時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，期間水體藻類Ace豐富度指數(shù)范圍為174.1~462.5。

由上述分析發(fā)現(xiàn)同一年限不同規(guī)模間藻類多樣性指數(shù)無顯著差異，因此將同一年限不同規(guī)模的藻類多樣性指數(shù)匯總分析，發(fā)現(xiàn)隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，稻鴨共作與傳統(tǒng)稻作系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)均呈先升后降的變化趨勢(shì)（圖4），水體藻類Shannon 多樣性指數(shù)范圍為2.43~4.29，在共作35 d 時(shí)達(dá)最高點(diǎn)。從開始到共作35 d期間，GR 處理下的水體藻類Shan?non 多樣性指數(shù)整體處于較高狀態(tài)，藻類物種多樣性最大；從共作35 d到共作結(jié)束期間，OR處理下的水體藻類Shannon 多樣性指數(shù)最大，群落多樣性最高。對(duì)于Ace 豐富度指數(shù)，隨著稻鴨共作時(shí)間的延長，稻鴨共作與傳統(tǒng)稻作系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)整體呈先升后降的變化趨勢(shì)，且OR 處理下水體藻類Ace 豐富度指數(shù)最大，物種數(shù)最多，GR 處理下水體藻類Ace 豐富度指數(shù)次之，CK 處理下最小，其水體藻類Ace 豐富度指數(shù)范圍分別為300.5~512.6、210.8~402.2、236.2~422.6。且在共作21 d 和35 d 時(shí)，不同年限稻鴨共作藻類Ace豐富度指數(shù)差異顯著。

2.4 群落組成相似性分析

由于隨稻鴨共作時(shí)間的延長，水體藻類多樣性指數(shù)呈先升后降的變化趨勢(shì)，因此把試驗(yàn)分為0~21、22~42、43~63 d 3 個(gè)時(shí)期，分別分析不同階段水體藻類群落結(jié)構(gòu)的差異。由圖5 可知，不同年限的稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類群落明顯分為3 簇，CK 處理水體藻類群落獨(dú)自成組，GR 與OR 處理的藻類群落較為相近，即GR 與OR 處理下藻類群落結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。與傳統(tǒng)稻作相比，稻鴨共作系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的遷移，與傳統(tǒng)稻作的水體藻類群落結(jié)構(gòu)差異很大，說明稻鴨共作的年限與水體中藻類群落結(jié)構(gòu)的變化緊密相關(guān)。

不同規(guī)模的長期稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類群落結(jié)構(gòu)有差異，OR1、OR3、OR5 處理的藻類群落結(jié)構(gòu)具有一定差異性；而不同規(guī)模的短期稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類群落差異較小，即GR1、GR3、GR5 處理的藻類群落結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，說明長期稻鴨共作下不同規(guī)模的藻類群落結(jié)構(gòu)有所不同。

2.5 環(huán)境因子與藻類多樣性的相關(guān)分析

藻類群落結(jié)構(gòu)的變化與水體養(yǎng)分密不可分，通過去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析（DCA），得到分析結(jié)果中Lengths of gradient第一軸的數(shù)值小于3.5，因此用RDA冗余分析研究水體環(huán)境因子與不同共作年限稻鴨系統(tǒng)水體藻類多樣性指數(shù)之間的關(guān)系。由圖6 可知，Ace、Chao、Shannon 指數(shù)相關(guān)性極高，因此以Ace 指數(shù)為例分析，稻鴨共作后0~21 d，OR 處理下藻類Ace 指數(shù)與總氮（TN）、溶解氧（DO）呈正相關(guān)，GR 處理下與TP 呈正相關(guān)，CK 處理下與pH、TP 呈正相關(guān)。共作后22~42 d，OR 處理下 Ace 指數(shù)與 AK 呈正相關(guān)，GR 處理下與DO、TP呈正相關(guān)，CK處理下與pH、TN呈正相關(guān)。共作后43~63 d，OR處理下Ace指數(shù)與pH呈正相關(guān)，GR處理下與DO 呈正相關(guān)，CK 處理下與DO、TP 呈正相關(guān)。由顯著檢驗(yàn)可知，前期藻類群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子間關(guān)系不顯著，到后期生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后，溶解氧對(duì)CK水體藻類群落結(jié)構(gòu)影響顯著，AK 和pH 顯著影響GR 水體藻類群落結(jié)構(gòu)，AK顯著影響OR水體藻類群落結(jié)構(gòu)。

3 討論

藻類是影響水質(zhì)的一個(gè)重要因素，對(duì)維持水體生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要[26]。因此本文通過對(duì)不同規(guī)模、不同年限稻鴨共作系統(tǒng)藻類群落組成及多樣性的研究，探究了稻鴨共作系統(tǒng)對(duì)水體藻類的影響。研究發(fā)現(xiàn)，稻鴨共作田與非稻鴨共作田水體藻類優(yōu)勢(shì)種都是裸藻、綠藻、藍(lán)藻，稻鴨共作田藻類群落組成不同于非稻鴨共作田，長期與短期稻鴨共作系統(tǒng)水體綠藻、藍(lán)藻、硅藻的相對(duì)豐度均高于非稻鴨共作田。因?yàn)樵诘绝喒沧魈镏?，鴨子逐漸長大，其活動(dòng)對(duì)水體擾動(dòng)更大，增加水體的渾濁度，降低透光率[4，27]。另外水稻植株分蘗增加以及逐漸長高，使水體光照減弱，藻類的生長受光照強(qiáng)度的影響較大，因此綠藻和藍(lán)藻的數(shù)量因低透光率而逐漸降低[28-31]。本研究發(fā)現(xiàn)，從同一共作年限不同共作規(guī)模間的變化情況來看，共作規(guī)模對(duì)藍(lán)藻有一定的影響，規(guī)模越大藍(lán)藻的相對(duì)豐度越低。因?yàn)樗{(lán)藻是最獨(dú)特的原核藻類，屬于光合自養(yǎng)生物，對(duì)可見光要求較高，大規(guī)模的鴨群活動(dòng)影響光照，從而抑制了其生長。藍(lán)藻過量會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，破壞水源地水質(zhì)。長期大規(guī)模的稻鴨共作控制藍(lán)藻的相對(duì)豐度，能夠減小水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

稻鴨共作系統(tǒng)能夠提高水體藻類豐富度指數(shù)[32]，隨著共作年限的增加，水體藻類Ace 豐富度指數(shù)提高，物種數(shù)增多。這是因?yàn)榈绝喒沧魈锸┯糜袡C(jī)肥，長期共作增加了土壤養(yǎng)分（特別是磷和氮）的積累[14，33-35]，鴨子擾動(dòng)水體，改變了營養(yǎng)物質(zhì)濃度及光線透射，影響了藻類生長[36-38]。而多樣性指數(shù)受物種豐富度與均勻度的共同影響，長期稻鴨共作田在后期生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，藻類均勻度更高，因此共作前期GR處理水體藻類Shannon 多樣性指數(shù)較高，而共作后期OR 處理水體藻類Shannon 多樣性指數(shù)最高，群落多樣性最高。從水體藻類群落結(jié)構(gòu)來看，稻鴨共作與非稻鴨共作田的水體藻類群落結(jié)構(gòu)差異較大，不同年限稻鴨共作系統(tǒng)水體藻類群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的相似性，說明隨著年限的增加，稻鴨共作水體生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化，有利于農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。

藻類群落分布與水體環(huán)境間存在一定的聯(lián)系[33，39-40]，通過分析稻鴨共作水體藻類群落與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，本研究發(fā)現(xiàn)共作后期生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，DO 是影響CK 水體藻類群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子，而影響OR、GR 水體藻類群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子是AK、pH，這也解釋了長期稻鴨共作后群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的原因。稻鴨共作能提高稻田水體可溶性鉀含量，降低透光率和pH，在光照、溶解氧、水體養(yǎng)分含量等諸多因素的共同作用下[41-42]，藻類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

4 結(jié)論

（1）稻鴨共作田與非稻鴨共作田水體藻類優(yōu)勢(shì)種均為裸藻、綠藻、藍(lán)藻，但稻鴨共作田綠藻、藍(lán)藻的相對(duì)豐度高于非稻鴨共作田。稻鴨共作田規(guī)模越大藍(lán)藻相對(duì)豐度越低，能減小水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。稻鴨共作田水體藻類豐富度指數(shù)較高，且長期稻鴨共作藻類豐富度指數(shù)較短期高。稻鴨共作田藻類多樣性指數(shù)比非稻鴨共作田高，稻鴨共作與非稻鴨共作田的水體藻類群落結(jié)構(gòu)差異較大，但稻鴨共作田水體藻類群落結(jié)構(gòu)上均表現(xiàn)出一定的相似性，對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)影響較小。

冗余分析表明，共作后期影響非稻鴨共作田水體藻類群落的環(huán)境因子是水體溶氧量，而影響稻鴨共作水體藻類群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子是可溶性鉀和pH。