稻虾共作模式下小龙虾养殖对水体环境的影响
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摘要：通过监测稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中氮、磷等营养物质以及重金属含量，系统分析小龙虾养殖水体营养状况及养分排放强度、重金属污染状况。结果表明，小龙虾养殖水体营养物质含量较高，其中总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）平均含量分别为2.21、0.50、59.0 mg/L;小龙虾养殖废水排放量平均为4 377.3 m3/hm2，其TN、TP和COD的排放强度分别为9.7、2.2、258.3 kg/hm2。小龙虾养殖水体中Hg和Cr含量符合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ级标准，而Cu、Zn、As和Cd的含量达到了Ⅰ级标准，可见稻虾共作模式下小龙虾受水体重金属污染的风险较低。
关键词：稻虾共作模式;小龙虾;水体环境;重金属
中图分类号： X824 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）23-0299-04
稻田种养结合提高了稻田综合利用率，实现了“一水两用、一田双收、稳粮增效”，不仅有效提高了农民收益，而且有利于粮食安全、食品安全和生态安全，是实施农业供给侧改革的关键途径，已成为推动农业绿色发展和乡村振兴的主导模式[1]。近年来，稻虾[水稻（Oryza sativa）-小龙虾（克氏原螯虾，Procambarus clarkii）]共作模式已发展成为我国长江中下游地区一种新兴的稻田种养复合生态模式，该模式被农业农村部誉为“现代农业发展的成功典范，现代农业的一次革命”[2]。稻虾共作模式具有显著的生态、经济和社会效益，它不仅能够大幅提高能量、水、肥等的利用率，而且能够通过稻田蓄水养殖调节稻田生态系统微环境，促进稻田物質和能量的多级利用[3]。作为农业农村部和多数省份农业重点推广的核心技术之一，稻虾共作模式在全国得到快速推广应用，截至2017年，仅湖北省已推广近27.78万hm2[4]。
稻虾共作模式具体为每年9—10月稻收割后，向稻田灌深水（深度40～50 cm）进行小龙虾养殖，在翌年3—5月进行小龙虾饲料投喂，饵料投喂量一般为1 800～2 250 kg/hm2，至5月底捕捞成熟小龙虾完毕，将稻田小龙虾养殖废水排干后，进行整地、施肥以及水稻种植等农事操作[5]。在该模式中小龙虾产值是水稻产值的1.7～2.6倍，因此“重虾轻稻”的问题比较突出。为了提高小龙虾的效益，农民往往过量投放饵料，加大病害防治药物的投入，过多的投入品以及由此所产生的固液态废弃物（残饵、排泄物等）的分解，使养殖水体中富含各种营养物质。由于稻虾共作模式在长江中下游地区面积较大，且在小龙虾养殖季结束时养殖废水排放集中，易造成氮、磷等养分集中大量排放，可能会加剧周边水域水体富营养化，破坏水体生态系统。本试验以稻虾共作模式推广的核心区域——湖北省潜江市为研究区域，通过分析稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中营养物质含量及排放强度、重金属浓度特征等，旨在明确该模式下小龙虾养殖水体中营养物质和重金属含量状况及其对周围水域富营养化的贡献程度，为稻虾共作模式进一步推广提供数据支撑。
1 材料与方法
1.1 水样调查位点的分布
调查点共设4个乡镇，即潜江市浩口镇、龙湾镇、白鹭湖农场和后湖农场，每个乡镇选取10处采样点，每个采样点代表面积2 hm2以上稻田。具体分布见表1。
1.2 水样采集及测定指标
于2018年6月即小龙虾养殖季结束，稻田排水前采集水样。所有水样均采用有机玻璃采水器于水面下0.5 m处采集，每个养殖稻田采集5个点的混合样。水样采集后分装于消毒过的聚乙烯瓶中，部分水样加H2SO4酸化保存，所有的水样带回实验室后存放于4 ℃下保存，于48 h内测定pH值、总氮（TN）含量、氨态氮（NH+4-N）含量、硝态氮（NO-3-N）含量、总磷（TP）含量、化学需氧量（COD）含量等参数;部分水样加HNO3以备铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）和铬（Cr）等重金属测定。利用哈希LDOTM便携式溶解氧测定仪记录温度和溶氧量（DO）等参数。
1.3 分析方法
水样分析参照文献[6]方法进行，pH值采用玻璃电极法测定;TN含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;NH+4-N含量采用纳氏试剂比色法测定;NO-3-N含量采用酚二磺酸分光光度法测定;TP含量采用钼酸铵分光光度法测定;COD含量采用重铬酸盐法测定;Cu、Zn、Cd和Cr含量采用原子吸收分光光度法测定;Hg、As含量采用原子荧光光度法测定。
1.4 水体营养物质排放强度计算
TN、TP和COD排放强度（TPF）计算方程如下：
TPFX=（CEX×V1）/1 000。
式中：X分别代表TN、TP和COD;TPFX分别代表TN、TP和COD的排放强度，kg/hm2;CEX为小龙虾养殖废水中各主要营养物质量浓度，mg/L;V1为小龙虾养殖结束时排水量，m3/hm2。
1.5 水环境调查评价标准的选择
稻虾共作模式下小龙虾养殖季水环境评价标准采用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ级和Ⅲ级、GB 11607—1989《渔业水质标准》和SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级和Ⅱ级，详见表2。
1.6 数据处理与分析
所有数据分析借助Excel 2007和SPSS 19.0统计软件完成。
2 结果与分析
2.1 稻虾共作模式下小龙虾养殖水体化学基本特征
由表3可知，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体的pH值为7.4～7.7，平均值为7.6，属于中性偏碱，溶解氧含量为3.2～17.2 mg/L，其平均值为8.6 mg/L，均达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅰ级标准和GB 11607—1989《渔业水质标准》。在调查的不同乡镇中，小龙虾养殖水体的温度和pH值差异不大，但DO含量差异较大，为白鹭湖农场>龙湾镇>浩口镇>后湖农场。 2.2 稻虾共作模式下小龙虾养殖水体氮含量特征
由图1可知，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体TN、NH+4-N含量分别为2.21、1.01 mg/L，其值高于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准，但符合SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级标准。在调查的不同乡镇中，以后湖农场小龙虾养殖水体中的TN和NO-3-N含量最高，分别为2.65、1.20 mg/L，而以龙湾镇小龙虾养殖水体中的TN和NH+4-N含量最低，分别为1.98、085 mg/L。
2.3 稻虾共作模式下小龙虾养殖水体总磷含量特征
由图2可知，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体TP含量为0.40～0.56 mg/L，其平均含量为0.50 mg/L，其值高于GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准， 但
达到了SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级标准。在调查的不同乡镇中，龙湾镇小龙虾养殖水体中TP含量为0.40 mg/L，达到SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级排放标准，而白鹭湖农场、浩口镇和后湖农场的TP含量分别为0.56、0.51、0.55 mg/L，均高于SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级的含量，但达到其Ⅱ级标准，可见稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中磷素是污染周围水域的潜在因子之一。
2.4 稻虾共作模式下小龙虾养殖水体COD含量特征
由图3可知，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体COD含量为41.4～92.8 mg/L，其平均含量为59.0 mg/L，其值高于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准。在调查的不同乡镇中，以后湖农场的小龙虾养殖水体中的COD含量最高，为92.8 mg/L， 而以浩口镇的含量最低，为41.4 mg/L。
2.5 稻虾共作模式下小龙虾养殖废水养分排放强度
水产养殖排污是重要的农业面源污染来源之一，尤其是水产养殖业发达地区[7]。由表4可知，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖稻田田面水深为40.2～49.7 cm，其平均值为43.8 cm，排水量为4 018.9～4 968.8 m3/hm2，其平均值为 4 377.3 m3/hm2，其中以浩口镇的田面水深和排水量最高，而以后湖农场最低。潜江市由小龙虾养殖废水排出的TN、TP和COD分别为9.6～10.7、2.0～2.5、199.8～373.0 kg/hm2，其平均值分别为9.7、2.2、258.3 kg/hm2;在调查的不同乡镇中，以后湖农场的TN和COD排放量最高，分别达到了10.7、373.0 kg/hm2，而以龙湾镇的TP排放量最高，为2.5 kg/hm2。
2.6 稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中重金属含量及评价
由表5可知，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中As、Hg、Cd和Cr的濃度范围分别为0.41～4.61、nd～0.12、nd～0.02、nd～52.0 μg/L，其平均浓度分别为2.21、0.05、0.003、23.2 μg/L，均符合GB 11607—1989《渔业水质标准》和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ级标准，其中As和Cd的含量达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ级标准。小龙虾养殖水体中Cu和Zn的浓度范围分别为nd～10.36 μg/L、10.0～66.0 μg/L，其平均浓度分别为487、17.9 μg/L，均符合GB 11607—1989《渔业水质标准》、GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ级标准以及SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级标准;在调查的小龙虾养殖水体中，以Zn和As的检出率最高，均为100%，而以Cd的检出率最低，仅为25%。在调查的不同乡镇中，以白鹭湖农场养殖水体的Zn、As和Cr含量最高，分别为28.6、2.71、37.2 μg/L，以后湖农场养殖水体中Cu和Cd含量最高，分别为8.68、0.006 μg/L，Hg的含量以龙湾镇最高，为 0.08 μg/L。
3 讨论与结论
随着稻虾共作面积的逐年扩大，小龙虾养殖对水体环境影响及其所带来的营养物质排放问题已逐渐引起农业和环境保护工作者的重视。本研究表明，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体的pH值为7.6～7.7，DO平均含量为6.1～12.3，均达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准和GB 11607—1989《渔业水质标准》，这与稻田中种植了大量水草有关，水草的光合作用大量消耗水体中的CO2，从而使得pH值和溶解氧均有不同程度地上升[8]，另外小龙虾可能在水体中通过觅食、迁徙等方式扰动水体从而增加水体溶氧量。本研究表明，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体的总氮、铵态氮和总磷含量分别达到了2.21、1.01、0.50 mg/L，其值均高于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准。正常情况下，水体自身具有自净能力，能够为小龙虾养殖提供良好的环境条件[9]，但是农户为了追求高效益，在小龙虾养殖过程中过量投入饲料，甚至有些农户为了 “肥水”，人为在小龙虾养殖水体中撒施磷肥和有机肥，另外水稻秸秆全量还田也会增加水体中的养分物质浓度。Oehme等研究发现，稻鱼系统中田面水养分含量受投饵量影响较大，投饵越多，田面水养分含量越高[10]。苏跃朋等对中国明对虾精养池塘水中营养盐收支情况的研究发现，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814%、90.2%[11]。COD是表征环境水样中有机物污染的特定综合指标，反映水环境中有机物的含量，且其主要来源为养殖过程中的代谢产物和残饵累积[12]。本研究表明，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体COD平均含量为59.0 mg/L，其值高于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ级标准（≤40.0 mg/L），其COD排放强度达到258.3 kg/hm2。在稻虾共作模式中，小龙虾养殖水体中COD主要来源一方面为残饵累积，但很大一部分可能来自于水稻全量还田的秸秆泡水腐解产生的有机碎屑。本研究结果表明，稻虾共作模式下小龙虾养殖废水排出的总氮和总磷分别为9.7、2.2 kg/hm2。陈家长等报道，太湖流域青虾塘中TN、TP排放强度分别为287、2.9 kg/hm2[13];Páez-Osuna等报道，半精养虾塘排放的TN、TP分别为52.1、8.4 kg/hm2[14]。可见稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中排放的养分总量均低于上述报道，其原因可能是在稻田中养殖小龙虾水体总量低于池塘养殖水体，一般情况下池塘养殖青虾、对虾等水产品时，池塘平均水深为1.56～1.71 m，而稻田养殖小龙虾水体的深度一般为0.4～0.5 m。 重金属元素在水环境中的累积，严重危害着渔业水环境和水生生物，也对人类健康造成潜在威胁[15]。本研究表明，潜江市稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中Cu、Zn、As、Hg、Cd和Cr含量均符合GB 11607—1989《渔业水质标准》和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ级标准，其中Cu、Zn、As和Cd的含量达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ级标准，这表明小龙虾养殖水体中重金属含量较低，达到洁净级别。水产养殖过程中的重金属污染主要分为2类，一類为外源性污染，即养殖过程中外来重金属污染源的排入造成的污染;另一类为内源性污染，即在养殖过程中，由于饲料的投放、渔药的施用等养殖行为所导致的重金属污染[16]。稻虾共作模式下小龙虾养殖区域均为典型稻田，受周边工矿、冶炼加工等高污染企业影响的概率较低，因此小龙虾养殖过程中的重金属污染可能主要来自于内源性污染，即饲料和渔药投放所带入的重金属污染，且通常以Cu和Zn为主[15]。本研究发现，小龙虾养殖水体中Cu和Zn的浓度均较低，可见由内源性污染源所带来的潜在重金属污染风险较低。由于水生动物尤其是小龙虾对金属元素有较强的富集作用，可通过食物链直接或间接进入人体内[17]，因此应加强饲料和渔药等重金属内源性污染源的监管力度，实时监测小龙虾养殖排入水中重金属含量的变化，为小龙虾的生长和人类的食品安全营造一个良好的环境。
稻虾共作模式下小龙虾养殖水体的pH值为7.6，溶解氧平均含量为8.6 mg/L，均达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅰ级标准和GB 11607—1989《渔业水质标准》。
稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中TN、NH+4-N和NO-3-N含量分别为2.21、1.01、0.89 mg/L，TP和COD平均含量分别为0.50、59.0 mg/L，其值均高于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准，但符合SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》Ⅰ级标准。
稻虾共作模式下小龙虾田面水深和排水量平均分别为43.8 cm、4 377.3 m3/hm2，其养殖废水排出的总氮、总磷和COD平均含量分别为9.7、2.2、258.3 kg/hm2。
稻虾共作模式下小龙虾养殖水体中Cu、Zn、As、Hg、Cd和Cr含量均符合GB 11607—1989《渔业水质标准》和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准，其中Cu、Zn、As和Cd的含量达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅰ级标准。
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收稿日期：2018-09-21
基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFD0301305、2017YFD0301400、2016YFD0200807）;湖北省农业科学院重大研发成果培育项目（编号：2017CGPY01）。
作者简介：佀国涵（1981—），男，河南濮阳人，博士，副研究员，主要从事植物营养与农业环境研究。E-mail：siguoh@qq.com。
通信作者：彭成林，硕士，副研究员，研究方向为农业生态与施肥。E-mail：chlpeng@163.com。
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