Субекти

Резюме

Напоследък са разработени много нови модели за съвместно култивиране на ориз и риба, за да се увеличат икономическите и екологичните ползи. В това проучване добавихме змиорки (Monopterus albus) към система ориз-раци и проведе 3-годишно полево проучване, за да сравни добивите и наличността на тор N сред групи с ниска плътност на змиорки, висока плътност на змиорки и липса на змиорки. Проведохме експеримент с мезокосмос и използвахме техника за изотопно проследяване, за да открием съдбата на тор N. Резултатите показаха, че добивите на ориз значително се подобряват след въвеждането на змиорките. Въвеждането на висока плътност на змиорките значително ограничава добива на раци, увеличава емисиите на вода N и N2O и намалява съдържанието на N в почвата. Експериментът с мезокосмос предполага, че ефективността на използване на тор N е значително увеличена след въвеждането на змиорките. Торът N, използван от ориза, е бил значително по-висок в системата ориз-раци-змиорки, отколкото в системата ориз-рак. Това проучване показа, че въвеждането на змиорки може да бъде добра практика за подобряване на добивите и наличността на тор N в система ориз-раци.

Въведение

През последните години в Китай се наблюдава значително увеличение на интегрираната култура ориз-риба (IRFC). До края на 2010 г. IRFC покрива площ от 1,33 × 10 6 ха, което представлява 4,48% от общата площ за засаждане на ориз в Китай 1. Основната концепция на IRFC е да култивира водни животни, напр. риби, скариди, раци и костенурки с мека черупка, в ограничено неолющено пространство 2,3. В сравнение с монокултурата на ориз и риба, IRFC има предимства, като оптимизиране на земните ресурси, спестяване на вложена работна ръка и улесняване на управлението на терен 4. IRFC се счита за ефективен режим на земеделие, който може едновременно да осигури продоволствена сигурност и да опази околната среда, тъй като почти не се използват пестициди или хербициди по време на производството на ориз 5. Освен това IRFC може да увеличи наличността на торове и да намали прилагането на торове 6,7,8 .

Азотният (N) тор осигурява основно хранително вещество за отглеждането на ориз. В IRFC наличността на пръст или тор N може да бъде подобрена чрез допълнителното използване на N от ориз и риба 9. Дейностите на водните животни могат да увеличат освобождаването на N от почвата и усвояването на N от оризовите растения 10,11,12,13. Рибните екскременти и отпадъчните води също имат оплождащ ефект, което увеличава количеството хранителни вещества, достъпни за оризовите култури 14. Излишъкът N, временно задържан в оризовите полета, може да се предава по хранителната верига от водни животни 15. Следователно, в сравнение с монокултурата с ориз, IRFC може значително да намали загубата на азот в околната среда.

Интегриран ориз-раци (Procambarus clarkii) културата (IRCC) е един от най-популярните IRFC в Китай. Понастоящем общата площ под IRCC в Китай е 6 × 10 5 ха, а 1,2 × 10 6 т раци се произвеждат от неолющени полета 16. Съвместната култура на ориз и раци може да подобри почвения басейн и структурата на микробната общност 17. Дейностите на раците могат да допринесат за висок добив на ориз от неолющени полета 18. Взривното нарастване на производството на раци обаче значително ограничи икономическите ползи от IRCC през последните няколко години. Освен това отглеждането на раци твърде много разчита на изкуствени диети, които могат да причинят замърсяване на водата и увреждане на околната среда. За да увеличат доходите и екологичното здраве, много фермери са се опитали да въведат нови видове в системата ориз-раци (RC), за да разработят нови IRFC с по-сложни комбинации от видове, като ориз-рак-змиорка и ориз-рак-костенурки 19. .

В Китай азиатската блатна змиорка (Monopterus albus) е местен вид с висока икономическа стойност. Змиорките могат да се адаптират към сложната среда на оризовите полета и те се считат за идеален вид за оризово отглеждане 20. Въвеждането на змиорки в RC системата може да подобри пространствената ефективност, да удължи хранителната верига и да увеличи биологичното разнообразие 21. Много учени са открили наличието на N в RC системата. Предишни проучвания предполагат, че IRCC не увеличава значително усвояването на N в оризовите зърна, корените и сламата в сравнение с оризовата монокултура 22. Освен това съвместната култура на ориз и раци може да причини повече загуби на N под формата на N2O от неолющената екосистема 23. Въпреки това, има ограничена информация за ефектите от смущения от змиорки или змиорки върху N цикъла в неолющените полета.

В това проучване ние изследвахме система ориз-раци-змиорки (RCE) непрекъснато в продължение на 3 години. Междувременно проведохме мезокосмосен експеримент и използвахме стабилна изотопна (15 N) техника за проследяване. Целите на това проучване бяха (1) да се анализират ефектите от въвеждането на змиорки върху добивите от ориз и раци и (2) да се открие наличието на тор N в системата RCE.

Резултати

Добив при полеви проучвания

Таблица 1 показва средните добиви и общото съдържание на N на ориз, раци и змиорки. Добивът на ориз е намалял значително в контролните подложки по време на разследването (P 0,05, таблица S1). От 2018 до 2019 добивите от ориз бяха значително по-високи в LD и HD групите, отколкото в контролната група (P Таблица 1 Добив и общо съдържание на N на ориз, раци и змиорки в различни системи за съвместно култивиране: ориз – рибна култура (C), ориз – раци – змиорка с ниска плътност на змиорки (LD) и ориз – раци – змиорки с висока плътност на змиорките (HD).

Общо съдържание на N във водата и почвите

Фигура 1 показва промените във водата и почвата N по време на 3-годишното разследване. Не са наблюдавани значителни промени във водата и почвата N през 3-те години (P > 0,05, таблица S2). Средното съдържание на общо N във водата е значително по-високо в HD групата, отколкото в контролния риф (P 0,05, таблица S2). За разлика от тях, почвата N е значително по-ниска в HD групата, отколкото в контролните и LD ридовете (P Фигура 1

змиорки

Емисия на N2O и изпаряване на NH3

Фигура 2 показва вариациите в емисиите на N2O и изпарението на NH3 от трите групи ориз-риба. Средният поток на N2O е значително по-висок в HD групата, отколкото в другите две групи (P 0,05, таблица S3).

Не са наблюдавани значителни разлики в средното изпаряване на NH3 сред трите групи (P > 0,05, таблица S3). Потокът на NH3 е значително по-висок в HD група, отколкото в контролна група (P 0,05, таблица S3).

Съдбата на тора N

Фигура 3 показва съдбата на тор N в системите RCE и RC. Няма значителни разлики в общото съдържание на N ориз (P = 0,228) и раци (P = 0,334) са наблюдавани между RCE и RC системите след експеримента с мезокосмоса. Ефективността на използване на тор N е значително по-висока при RCE (54,39%), отколкото при RC (36,78%; P = 0,009). Делът на тора N, използван от раци, е значително по-висок при RC (7,78%), отколкото при RCE (0,82%; P = 0,003). За разлика от това, делът на тора N, използван от ориза, е значително по-нисък при RC (29,00%), отколкото при RCE (37,30%; P = 0,048). В системата RCE около 16,27% от N се прехвърля в змиорките от тора.

Дискусия

Това проучване демонстрира, че въвеждането на змиорки с ниска плътност значително увеличава добива на ориз в RC системата. Освен това по време на разследването не са настъпили значителни промени в добива на ориз и раци от групата LD. Резултатите показват, че змиорките и раците могат да се отглеждат едновременно в рибки, въпреки връзката им с хищничеството. Освен това добивите на ориз могат да бъдат увеличени чрез многовидово комплексно отглеждане в оризовото поле. Тази гледна точка е демонстрирана и от други учени 24,25. Лин и Ву установиха, че добивите на ориз са значително по-високи в системата ориз-жаба-риба, отколкото в съвместната култура ориз-риба и оризовата монокултура 25. В оризовите полета змиорките предпочитат високи температури и обикновено са активни в платформата за отглеждане на ориз. За разлика от тях, раците са водни животни, които предпочитат сенчести райони и обикновено живеят в дъното на канавки. Жилищните пространства на змиорките и раците не съвпадат напълно. Добавянето на змиорки може да ограничи дейностите на раците в платформата за засаждане на ориз, като по този начин намалява унищожаването на оризовите корени от раците. Следователно подходящ брой змиорки може да насърчи устойчивото развитие на системата RCE.

Това проучване също така предполага, че добивите от раци са значително потиснати от висока плътност на змиорките, въпреки че добивите от ориз са значително увеличени. Предишни проучвания показват, че биотурбирането от змиорки е полезно за поддържане на екологичната сигурност на рисовете и добивите на ориз, тъй като те плячкат върху насекоми вредители 26. Въпреки това змиорките се хранят и с бентосни животни и риби. Раците, особено младите, може да се превърнат в основния източник на храна за змиорките в системата RCE 27. В оризовите полета отглеждането на раци би изисквало главно саморазмножаване и саморазмножаване; по този начин, младите раци вероятно ще бъдат силно уловени от змиорките, което ще доведе до неизбежна деградация на популацията. Освен това установихме, че концентрацията на вода N в група с висока плътност е значително повишена. Изменението на амоняка обаче може да промени продължителността и интензивността на агонистичните взаимодействия при раците 28. Следователно намаляването на популациите от раци също може да бъде причинено от канибализъм.

В това проучване въвеждането на змиорки значително повишава водата N и намалява почвата N. Освен това предишни проучвания предполагат, че процесът на освобождаване на N се влияе от много абиотични и биотични фактори, напр. температура, мобилност и плътност на отглеждане 29. Установихме, че съдържанието на N вода е значително по-високо в HD групата, отколкото в контролната група от август до октомври. В допълнение, биотурбацията от змиорките в оризовата платформа може да е разхлабила структурата на почвата, като по този начин е увеличила размера на порите и пропускливостта на утайките и усвояването на тора N от ориза. Следователно, съдържанието на N в ориза също се е увеличило значително в групите с змиорки.

Емисиите на парникови газове, напр. N2O и NH3, е един от основните методи за загуба на N от оризови полета. В това проучване емисията на N2O е значително увеличена след въвеждането на висока плътност на змиорките. Някои поведения на водни животни, напр. изкопаване на дупки и търсене на храна, може да насърчи обмяната на газ между почвата, водата и атмосферата, както и да подобри почвата Eh, което допринася за производството на N2O чрез нитрификация 30. Освен това N субстратите, използвани за нитрификация и денитрификация, могат да бъдат получени от екскрециите на раци и змиорки. Установихме, че изпаряването на NH3 е по-високо в HD групата, отколкото в LD и контролните групи. Това вероятно се дължи на увеличаване на йонизирания амоний (NH4 +). Харгрийвс смята, че изпаряването на NH3 се определя от равновесието между неионизиран амоняк (NH3) и йонизиран амоний (NH4 +) 31. И трите групи показаха тенденция на нарастване на потока на NH3 от юни до септември. Това може да се дължи на това, че поглъщането и отделянето на раци и змиорки може да се ускори с повишаване на температурата, като по този начин се увеличават концентрациите на NH3 и NH4 + .

Заключения

Това проучване демонстрира възможността за съвместно култивиране на раци и змиорки в оризови полета. Добавянето на змиорки с ниска плътност може да насърчи добива на ориз, като същевременно запази добива на раци и съдържанието на N в околната среда. Прекомерното изобилие от змиорки обаче може да причини спад в добива на раци. Освен това, общото съдържание на N във водата и емисиите на N2O се увеличиха значително след въвеждането на змиорки с висока плътност. Оризът е използвал повече тор N и по-малко N е влязъл в раците от тора в системата RCE, отколкото в системата RC. Рециклирането на N в полето показва, че наличността на торове в RC системата може ефективно да се подобри след въвеждането на подходящ брой змиорки.

Материали и методи

Теренно проучване

Това проучване е проведено между май 2017 г. и октомври 2019 г. в професионалната кооперация Xinsheng Aquaculture Professional (121 ° 0 ′ 56 ″ с.ш., 30 ° 58 ′ 17 ″ изток) в област Qingpu, Шанхай, Източен Китай. Този регион има субтропичен мусонен климат със средна месечна температура на въздуха 17,6 ± 2,3 ° C и средномесечни валежи от 126,9 ± 24,6 mm.

Снимки на ризовете в полевото разследване (A) и парцели в експеримента на мезокосмоса (Б.).

За отглеждане на ориз се използва само основен тор, който съдържа 587 kg ha -1 урея (46.4% N), 625 kg ha -1 суперфосфат и 150 kg ha -1 калиев хлорид. Всеки ден се прилага 500 g търговска рибна диета (5,83% N) и в подложките не се използват пестициди или хербициди.

В края на август зрелите раци и змиорки бяха събрани с помощта на земни клетки за измерване на добивите от водните продукти. По време на събирането незрелите раци и змиорки бяха върнати в рисовите полета. След прибиране на ориза зърната ориз се изсушават на въздух и се претеглят, за да се оцени добива на ориз. Съдържанието на N в оризовите зърна и водните животни беше определено с помощта на полумикро метода на Kjeldahl 33. Преди тестване оризовите зърна, раците и змиорките бяха претеглени, изсушени при 65 ° C и смлени. След това всички проби се усвояват с концентрирана сярна киселина (H2SO4) и водороден прекис.

Проби от вода се събират всеки месец през периода на съвместно култивиране. Три дублирани проби от 500 ml вода са събрани от 0 до 10 cm под повърхността в аквакултурата; трите подпроби се комбинират, за да се получи по една проба на неолющен риф. В лабораторията общото съдържание на N във водата беше анализирано с помощта на UV спектрофотометрия след разграждане чрез алкално окисление на калиев персулфат.

Взети са проби от почвата след периода на засаждане на ориза. Във всеки риф бяха взети три проби от площ за засаждане на ориз от 0,25 m × 0,25 m × 0,10 m. Всички почвени проби се изсушават на въздух, смилат се, преминават през 0,15 mm сито и се усвояват с разтвор на K2SO4 – CuSO4 – Se. След това се използва полумикро методът на Kjeldahl за тестване на общото съдържание на N в почвата.

Скоростта на потока N2O беше измерена, използвайки метода на статичната камера 34. Размерът на камерата е 1.0 m × 1.0 m × 1.0 m. Пробите от N2O се събират на всеки половин месец между 8:30 и 10:30 ч. От юни до октомври. Във всеки риф се събират четири проби газ с помощта на 40 ml вакуумни епруветки на интервали от 10 минути (0, 10, 20 и 30 минути след затваряне на камерата). Всички проби бяха анализирани с газова хроматография (GC 2010; Shimadzu, Киото, Япония). Скоростта на потока N2O се изчислява, като се използва следното уравнение:

където F е скоростта на потока на N2O (μg N m −2 h −1); ρ, плътност на N2O при стандартно състояние (μg m −3); з, височина на камерата (m); т, средна температура в камерата по време на събиране на газ и d° С/дт, скорост на изменение на концентрацията на N2O.

Потокът на изпаряване на амоняк се измерва с метод за непрекъснато затваряне на въздушния поток 35. Потокът на NH3 беше измерен на всеки половин месец от 09:00 до 11:00 ч. През периода на засаждане на ориза. NH3 се абсорбира с помощта на борна киселина и 0,01 М H2SO4 се използва за титруване на разтвора, за да се определи скоростта на изпаряване на NH3. Потокът на изпаряване на амоняк се изчислява, като се използва следното уравнение:

където F означава амонячен изпарителен поток (mg N m -2 h -1); V, обем на H2SO4 титруван (L); ° С, концентрация на H2SO4 (mol L -1); A, площ на основата на камерата (m 2) и т, продължително време за измерване.

В това проучване всички данни бяха показани като средно ± стандартна грешка на средните (SEM) стойности. Използван е еднопосочен тест ANOVA и Tukey’s (SPSS V.16.0) за сравняване на разликите в добивите и общото съдържание на N между трите групи и три изследвани години.

Мезокосмос експеримент

Между май и октомври 2019 г. експериментът за мезокосмос беше проведен в Шанхайската академия на земеделските науки. Всеки мезокосмос се състои от експериментален участък (1,2 m × 1,2 m × 0,6 m), покрит с полиетиленов филм с висока плътност (фиг. 4В). Във всеки експериментален участък са използвани 30 кг почва от професионалната кооперация Xinsheng Aquaculture Professional за изграждане на платформа за засаждане на ориз и канавка за аквакултури (дълбочина 40 cm). Площта на платформата беше около три четвърти от площта на напречното сечение на парцела.

Изградени са общо шест мезокосмоса: три експериментални участъка (RCE) и три контролни участъка (RC). Във всеки парцел оризовите разсад бяха засадени на хълмове (по един разсад на хълм) в редове през май, с 20 см между редовете и 20 см между хълмове в същия ред за експерименталните и контролните парцели. Торовете, използвани във всеки участък, съдържат 84,5 g карбамид (съдържание на N, 46,8%; 15 N изобилие, 10,15%), 90 g суперфосфат и 15 g калиев хлорид. Патицата е засадена в аквакултурната зона и обхваща 30% от аквакултурната зона. Кални нокти (Cipangopaludina cathayensis, 500 g) бяха добавени към всеки участък. След един месец във всеки симулиран рид се култивират 12 рака и във всеки експериментален участък се отглеждат две змиорки. Пропорцията на раците и змиорките е определена според тази в групата LD за полеви изследвания. Храните за раци се доставят веднъж на ден и дневната доза е около 3% от очакваното тегло на раците във всеки мезокосмос. Оризът и водните продукти са събрани през октомври.

Проби от ориз, раци и змиорки бяха събрани за измерване на общото съдържание на N и изобилие от 15 N. Общото съдържание на N в пробите от почвата и организма се измерва с помощта на полумикро метода на Kjeldahl след смилане с концентриран H2SO4 и водороден прекис. Изобилието от 15 N беше измерено във всички проби с помощта на изотопния масспектрометър MAT-271 (Finnigan MAT, Калифорния). Натрупването на N в ориз, раци и змиорки от N тор е изчислено, като се използват следните уравнения: