虾稻共作模式中水体理化因子变化和浮游动物、水体微生物群落结构的研究

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中文摘要：虾稻共作模式是以水稻田为基础，综合利用水体、土地、生物和营养等资源，在稻田中养殖克氏原螯虾，通过水稻与克氏原螯虾互惠互利而形成的高效生态种养模式，具有较高的经济效益和生态效益，已在我国湖北、江苏等地区大面积推广。然而，目前关于虾稻共作模式的生态特征仍然缺乏深入的挖掘，虾稻互利共生理论基础不够完善，制约了虾稻共作模式的进一步发展。水体理化因子、浮游动物和水体微生物与生态系统的环境质量、生产性能紧密相关，是生态学的重要研究内容。本研究结合生态学调查及高通量测序技术，分析了虾稻共作模式（虾稻模式）和克氏原螯虾精养模式（精养模式）的水体理化因子、浮游动物及水体微生物群落结构的特征、周年动态变化规律以及各组分之间的互作关系，对比了两种模式在水体质量、营养结构和物种多样性上的差异，旨在阐明虾稻共作模式在生态效益、资源利用等方面的优势，补充虾稻互利共生理论基础，为虾稻共作模式的可持续发展提供数据支持。主要的研究内容和结果如下： 1.虾稻模式中水体的全年平均水温、pH、总氮、总磷、氨氮和亚硝酸盐氮水平均低于精养模式。本研究于2019年3月至2020年1月，对虾稻模式及精养模式的水温、pH、总氮、总磷、氨氮和亚硝酸盐氮指标进行了动态监测。结果显示：水温方面，虾稻模式的变化范围为8.70~33.80℃，精养模式的变化范围8.60~34.50℃，相比于精养模式，虾稻模式的更稳定，且平均水温降低了2.72%；pH方面，虾稻模式的除1月份大于8.5外，其余时期均处于较为稳定的状态，精养模式的在6月和1月均大于8.5，与精养模式相比，虾稻模式的水体pH平均值降低了2.17%；总氮、总磷、氨氮和亚硝酸盐氮在虾稻模式下的平均值分别为1.543±1.159mg/L、0.085±0.077mg/L、0.285±0.247mg/L、0.017±0.029mg/L，均低于精养模式；时空变化上来看，虾稻模式的总氮、总磷、氨氮和亚硝酸盐氮含量均在6月30日~7月18日较高，随后迅速下降。以上结果表明，水稻对水体有一定的净化作用，从而使得虾稻共作模式的水体质量优于克氏原螯虾精养模式，为克氏原螯虾提供了更适宜的水体环境。 2.虾稻模式中浮游动物的密度及生物量低于精养模式，但浮游动物种类数及Shannon-Weiner多样性、Pielou均匀度及Margalef丰富度指数均高于精养模式。本研究于2019年3月至2020年1月对虾稻模式及精养模式的浮游动物种类数、优势种、密度、生物量及相关指数进行监测及分析。结果如下：虾稻模式中共鉴定出浮游动物4大类108种属，略高于精养模式中鉴定的102种属；两种模式水体中浮游动物种类组成均以轮虫为主（48.67%），其次为枝角类（22.12%）；虾稻模式中强优势种仅为无节幼体，精养模式中的强优势种包括龟甲轮虫（Keratella）、臂尾轮虫（Brachionus）等富营养化指示种；虾稻模式中浮游动物的平均密度及生物量分别为681.94±417.76ind/L、13.96±8.86mg/L，均低于精养模式；浮游动物Shannon-Weiner多样性、Pielou均匀度及Margalef丰富度指数在虾稻模式中均值分别为2.29±0.31、0.75±0.09、2.29±0.44，均高于精养模式；结合浮游动物各指数污染评价标准，鉴定虾稻模式水体为α中污型、精养模式水体为β中污型；时空变化上来看，虾稻模式中浮游动物的密度及生物量在总体在6月~7月最高，浮游动物各项相关指数总体在1月更高；冗余分析（RedundancyAnalysis，RDA）显示，浮游动物群落结构与各项水体理化因子指标均有相关性，但与水温、总磷的相关性更强。综合来看，虾稻共作模式中的浮游动物多样性更高、群落结构更稳定，且物种的优势种组成及相关指数反映出其所在水体污染较小；周年动态变化上，冬季的浮游动物群落结构更稳定，水体质量更优；主要可以通过改变水体的水温、总磷含量对浮游动物群落结构进行调控。 3.相比于精养模式，虾稻模式的水体微生物多样性更高，基石种及益生菌相对丰度增加，微生物群落结构更稳定。本研究基于高通量测序技术，分别于水稻苗期、分蘖拔节期、抽穗扬花期、灌浆期、成熟期、和稻秆腐烂期采集虾稻模式的水体微生物样品，并于同一时间采集精养模式的水体微生物样品作为对照，分析了水体微生物的多样性、群落结构和共现模式等。结果显示：虾稻模式的水体微生物多样性高于精养模式，且微生物群落结构在水稻生长的不同时期也会表现出差异，其中，水稻灌浆（P＜0.01）、稻秆腐烂（P＜0.05）会显著提升水体微生物多样性；两种模式水体中主要微生物门类均为变形菌门Proteobacteria、放线菌门Actinobacteria等；但在不同模式中，其相对丰度不同；通过线性判别分析（Lineardiscriminantanalysiseffectsize，LEfSe）发现，虾稻共作的水体微生物标志物种主要包括聚球藻目Synechococcales等，而精养模式的水体微生物标志物种主要包括Proteobacteria等，其中，Synechococcales是生态系统中初级生产力的重要贡献者。通过共现网络分析发现，目前水产中公认的益生菌芽孢杆菌属Bacillus是虾稻模式的敏感种，黄杆菌属Flavobacterium是精养模式的敏感种；水体微生物群落中的基石种主要属于γ-变形菌门Gammaproteobacteria，且在虾稻模式中丰度更高。因此，虾稻共作模式中水体微生物的多样性更高，其中，益生菌及基石种的相对丰度均高于精养模式，说明虾稻共作模式中水体微生物的群落结构更稳定、物种组成更健康，有利于提高虾稻共作生态系统中的物质循环和能量利用效率。

作者：

陈玲

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关键词：

虾稻共作水体理化因子浮游动物水体微生物群落结构动态变化

授予学位：

硕士

学科专业：

水产动物医学

导师：

顾泽茂

学位年度：

2021

学位授予单位：

华中农业大学

语种：

中文

中图分类号：