Az angolnák behurcolásának hatása a műtrágya nitrogén hozamára és elérhetőségére az integrált rizs – rákos rendszerben

Tárgyak

Absztrakt

A közelmúltban számos új rizs-hal együttes kultúramodellt fejlesztettek ki a gazdasági és ökológiai előnyök növelése érdekében. Ebben a tanulmányban az angolnákat (Monopterus albus) rizs-rákos rendszerbe, és 3 éves terepi vizsgálatot végzett az N műtrágya hozamainak és rendelkezésre állásának összehasonlítása érdekében az alacsony angolnasűrűségű, az angolnák nagy sűrűségű és angyal nélküli sűrűségű csoportok között. Mezokozmosz kísérletet hajtottunk végre, és izotóp nyomjelző technikát alkalmaztunk az N. műtrágya sorsának kimutatására. Az eredmények azt mutatták, hogy a rizstermés az angolnák behelyezése után jelentősen javult. A nagy sűrűségű angolnák bevezetése azonban jelentősen korlátozta a rákok hozamát, növelte a víz N- és N2O-kibocsátását és csökkentette a talaj N-tartalmát. A mezokozmosz kísérlet arra utalt, hogy az N műtrágya felhasználási hatékonysága jelentősen megnőtt az angolnák bevezetése után. A rizs által alkalmazott műtrágya N szignifikánsan magasabb volt a rizs – rák – angolna rendszerben, mint a rizs – rák rendszerben. Ez a tanulmány jelezte, hogy az angolna bevezetése jó gyakorlat lehet az N-műtrágya hozamának és elérhetőségének javítására a rizs-rák rendszerben.

Bevezetés

Az elmúlt években az integrált rizs-hal tenyészet (IRFC) jelentős növekedését figyelték meg Kínában. 2010 végéig az IRFC területe 1,33 × 10 6 ha, amely a teljes rizstelepítési terület 4,48% -át teszi ki Kínában 1. Az IRFC elsődleges koncepciója a vízi állatok tenyésztése, pl. hal, garnélarák, rákok és puhatestű teknősök, korlátozott hántolatlan helyen. A rizs és a hal monokultúrájához viszonyítva az IRFC-nek olyan előnyei vannak, mint például a szárazföldi erőforrások optimalizálása, a munkaerő-ráfordítások megtakarítása és a terepi gazdálkodás megkönnyítése 4. Az IRFC-t hatékony mezőgazdasági módszernek tekintik, amely egyszerre biztosíthatja az élelmezésbiztonságot és megóvhatja a környezetet, mivel a rizs előállítása során szinte semmilyen növényvédő és gyomirtószert nem használnak 5. Ezenkívül az IRFC növelheti a műtrágya elérhetőségét és csökkentheti a műtrágya-felhasználást 6,7,8 .

A nitrogén (N) műtrágya nélkülözhetetlen tápanyagot biztosít a rizstermesztéshez. Az IRFC-ben az N talaj vagy műtrágya elérhetősége javítható az N rizs és hal általi kiegészítő alkalmazásával 9. A vízi állatok tevékenysége növelheti a talajból származó nitrogén felszabadulását és a rizsnövények 10,11,12,13 N-felvételét. A hal ürülékének és a szennyvíznek termékenyítő hatása is van, ami növeli a rizsnövények számára elérhető tápanyagok mennyiségét 14. A rizsföldeken ideiglenesen visszatartott N felesleget a vízi állatok az élelmiszerláncon keresztül továbbíthatják 15. Ezért, összehasonlítva a rizs monokultúrájával, az IRFC nagymértékben képes csökkenteni a környezet N veszteségét.

Integrált rizs – rák (Procambarus clarkii) kultúra (IRCC) az egyik legnépszerűbb IRFC Kínában. Jelenleg az IRCC alá tartozó teljes terület Kínában 6 × 10 5 ha, és a hántolatlan mezőkből 1,2 × 106 tonna rákot termelnek 16. A rizs és a rák együttes kultúrája javíthatja a talaj szénkészletét és a mikrobiális közösség szerkezetét 17. A rákos tevékenységek hozzájárulhatnak a rizsföldek magas rizshozamához 18. A ráktermelés robbanásszerű növekedése azonban az elmúlt években nagymértékben korlátozta az IRCC gazdasági előnyeit. Ezenkívül a ráktenyésztés túlságosan támaszkodik a mesterséges étrendre, amelyek vízszennyezést és környezeti károkat okozhatnak. A jövedelem és az ökológiai egészség növelése érdekében sok gazda megpróbált új fajokat bevezetni a rizs-rák (RC) rendszerbe, hogy új IRFC-ket fejlesszen ki összetettebb fajkombinációkkal, például rizs-rák-angolna és rizs-rák-teknős társkultúrákkal. 19. .

Kínában az ázsiai mocsári angolna (Monopterus albus) magas gazdasági értékű őshonos faj. Az angolnák alkalmazkodni tudnak a rizsföldek összetett környezetéhez, és ideális fajnak tekintik őket a rizs hántolatlan tenyésztésében 20. Az angolnák bevezetése az RC rendszerbe javíthatja a térbeli hatékonyságot, meghosszabbíthatja az élelmiszerláncot és növelheti a biodiverzitást 21. Sok tudós észlelte az N rendelkezésre állását az RC rendszerben. Korábbi tanulmányok szerint az IRCC nem növeli szignifikánsan a rizsszemek, a gyökerek és a szalma nitrogénfelvételét a rizs monokultúrájához képest22. Ezenkívül a rizs és a rákok együttes tenyésztése több hőt okozhat N2O formájában a hántolatlan ökoszisztémában 23. Korlátozott információ áll rendelkezésre azonban az angolna vagy az angolna-rák zavarásának a rizsföldeken az N-ciklusra gyakorolt hatásáról.

Ebben a tanulmányban egy rizs-rák-angolna (RCE) rendszert vizsgáltunk folyamatosan 3 éven keresztül. Közben mezokozmosz kísérletet végeztünk, és stabil izotóp (15 N) nyomjelző technikát alkalmaztunk. A tanulmány célja az volt, hogy (1) elemezze az angolna bevezetésének hatásait a rizs és a rák hozamára, és (2) feltárja az N műtrágya rendelkezésre állását az RCE rendszerben.

Eredmények

Hozamok a helyszíni vizsgálat során

Az 1. táblázat a rizs, a rák és az angolna átlagos hozamát és teljes N-tartalmát mutatja. A rizs hozama a vizsgálat során jelentősen csökkent a kontroll rizseken (P 0,05, S1 táblázat). 2018 és 2019 között a rizs hozama szignifikánsan magasabb volt az LD és HD csoportokban, mint a kontroll csoportban (P 1. táblázat A rizs, a rákok és az angolnák hozama és összes N-tartalma a különböző együtt-tenyésztési rendszerekben: rizs – haltenyészet (C), rizs – rák – angolna alacsony angolnassűrűséggel (LD) és rizs – rák – angolna nagy sűrűségű angolna (HD).

Az összes N-tartalom a vízben és a talajban

Az 1. ábra a víz és a talaj N változását mutatja a 3 éves vizsgálat során. A 3 év alatt nem figyeltek meg jelentős változásokat a vízben és a talajban (P > 0,05, S2 táblázat). Az átlagos N-tartalom a vízben szignifikánsan magasabb volt a HD csoportban, mint a kontroll hántolatlanokban (P 0,05, S2 táblázat). Ezzel szemben a talaj N szignifikánsan alacsonyabb volt a HD csoportban, mint a kontroll és az LD paddy-kban (P 1.ábra

N2O emisszió és NH3 elpárolgása

A 2. ábra mutatja a három rizs-hal csoport N2O-kibocsátásának és NH3-elpárolgásának variációit. Az átlagos N2O fluxus szignifikánsan magasabb volt a HD csoportban, mint a másik két csoportban (P 0,05, S3 táblázat).

A három csoport között nem figyeltek meg szignifikáns különbségeket az átlagos NH3 volatilizációban (P > 0,05, S3. Táblázat). Az NH3 fluxus szignifikánsan magasabb volt a HD csoportban, mint a kontroll csoportban (P 0,05, S3 táblázat).

A műtrágya sorsa N

A 3. ábra bemutatja az N műtrágya sorsát az RCE és RC rendszerekben. Nincs szignifikáns különbség a rizs teljes N-tartalmában (P = 0,228) és a rákok (P = 0,334) megfigyeltük az RCE és RC rendszerek között a mezokozmosz kísérlet után. Az N műtrágya felhasználási hatékonysága szignifikánsan magasabb volt RCE-ben (54,39%), mint RC-ben (36,78%; P = 0,009). A rákok által használt N műtrágya aránya szignifikánsan magasabb volt RC-ben (7,78%), mint RCE-ben (0,82%; P = 0,003). Ezzel szemben a rizs által használt műtrágya N aránya szignifikánsan alacsonyabb volt RC-ben (29,00%), mint RCE-ben (37,30%; P = 0,048). Az RCE rendszerben az N körülbelül 16,27% -a került az angolnára a műtrágyából.

Vita

Ez a tanulmány kimutatta, hogy az angolnák kis sűrűségű bevezetése jelentősen növelte a rizs hozamát az RC rendszerben. Ezenkívül a vizsgálat során az LD csoport rizs- és ráktermésében nem történt jelentős változás. Az eredmények arra engednek következtetni, hogy az angolnák és a rákok ragadozó kapcsolatuk ellenére is egyszerre nevelhetők a hántolókban. Ezenkívül a rizs hozamát növelheti a több fajra kiterjedő komplex tenyésztés a rizsföldön. Ezt a nézőpontot más tudósok is bizonyították 24,25. Lin és Wu megállapította, hogy a rizs hozama szignifikánsan magasabb volt a rizs-béka-hal rendszerben, mint a rizs-hal együttes kultúrában és a rizs monokultúrájában 25. A rizsföldeken az angolnák inkább a magas hőmérsékletet kedvelik, és általában a rizstermesztő platformon aktívak. Ezzel szemben a rákok olyan vízi állatok, amelyek inkább az árnyékos területeket részesítik előnyben, és általában az árkok alján élnek. Az angolnák és a rákok élettere nem teljesen esik egybe. Az angolna hozzáadása korlátozhatja a rákok tevékenységét a rizsültetési platformon, ezáltal csökkentve a rizs gyökereinek a rák általi pusztulását. Ezért megfelelő számú angolna elősegítheti az RCE rendszer fenntartható fejlődését.

Ez a tanulmány arra is utal, hogy a rákhozamokat jelentősen elnyomta az angolnák nagy sűrűsége, bár a rizstermés jelentősen megnőtt. Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy az angolnák által végzett bioturbáció előnyös a rizsfélék és a rizs hozamok ökológiai biztonságának fenntartásában, mivel ezek rovarkártevőket ragadoznak 26. Az angolnák azonban bentos állatokkal és halakkal is táplálkoznak. A rákok, különösen a fiatalkorúak, az angolna fő táplálékforrásává válhatnak az RCE rendszerben 27. A rizsföldeken a rákok termesztése főként önszaporítást és öntenyésztést igényel; így a rák fiatalkorúakat valószínűleg az angolnák erősen meg fogják ragadni, ami a populáció elkerülhetetlen degradációjához vezet. Ezenkívül azt tapasztaltuk, hogy a nagy sűrűségű csoportokban a N koncentrációja jelentősen megnőtt. Az ammónia változása azonban megváltoztathatja az agonista kölcsönhatások időtartamát és intenzitását a rákokban 28. Ezért a rákállomány csökkenését a kannibalizmus is okozhatja.

Ebben a tanulmányban az angolnák bevezetése jelentősen megnövelte a víz N-tartalmát és csökkentette a talaj N-értékét. Sőt, korábbi tanulmányok szerint az N-felszabadulás folyamatát számos abiotikus és biotikus tényező befolyásolja, pl. hőmérséklet, mobilitás és tenyésztési sűrűség Megállapítottuk, hogy a víz N-tartalma szignifikánsan magasabb volt a HD csoportban, mint a kontroll csoportban, augusztustól októberig. Ezenkívül az angolnák által a rizs platformon végzett bioturbáció fellazíthatja a talaj szerkezetét, ezáltal növelve a pórusméretet és az üledék áteresztőképességét, valamint a rizs műtrágya felvételét. Ezért a rizs N-tartalma is jelentősen megnőtt az angolnával rendelkező csoportokban.

Az üvegházhatású gázok kibocsátása, pl. Az N2O és az NH3 a rizsföldekből származó N veszteség egyik fő módszere. Ebben a tanulmányban az N2O emisszió jelentősen megnőtt a nagy sűrűségű angolnák bevezetése után. A vízi állatok néhány viselkedése, pl. a fúrások ásása és a takarmányozás elősegítheti a talaj, a víz és a légkör közötti gázcserét, valamint javíthatja a talaj Eh-értékét, amely a nitrifikáció révén hozzájárul az N2O termeléséhez 30. Ezenkívül a nitrifikációhoz és denitrifikáláshoz használt N szubsztrátok beszerezhetők a rákok és az angolnák kiválasztásával. Megállapítottuk, hogy az NH3 volatilizációja nagyobb volt a HD csoportban, mint az LD és a kontroll csoportokban. Ez valószínűleg az ionizált ammónium (NH4 +) növekedésének tulajdonítható. Hargreaves úgy vélte, hogy az NH3 elpárolgását az egyesített ammónia (NH3) és az ionizált ammónium (NH4 +) 31 egyensúlya határozza meg. Mindhárom csoport az NH3 fluxus növekedési tendenciáját mutatta júniustól szeptemberig. Ennek oka lehet, hogy a rákok és az angolnák lenyelése és kiválasztása a hőmérséklet emelkedésével felgyorsulhat, ezáltal növelve az NH3 és NH4 koncentrációját + .

Következtetések

Ez a tanulmány megmutatta a rákok és az angolnák együttes kultúrázásának lehetőségét a rizsföldeken. Az angolnák kis sűrűségű hozzáadása elősegítheti a rizs hozamát, miközben fenntartja a rákok hozamát és N-tartalmát a környezetben. Az angolnák túlzott mennyisége azonban csökkentheti a rákok hozamát. Ezenkívül a víz összes N-tartalma és az N2O-kibocsátás jelentősen megnőtt az angolnák nagy sűrűségű bevezetése után. Több N műtrágyát használt a rizs, és kevesebb N került a rákokba a műtrágyából az RCE rendszerben, mint az RC rendszerben. Az N újrahasznosítása a terepen azt mutatja, hogy a műtrágya elérhetősége az RC rendszerben hatékonyan javítható a megfelelő számú angolna bevezetése után.

Anyagok és metódusok

Helyszíni vizsgálat

Ezt a vizsgálatot 2017 májusa és 2019 októbere között végezték el a Xinsheng Aquaculture Professional Cooperative (121 ° 0 ′ 56 ″ É, 30 ° 58 ′ 17 ″ K) Qingpu kerületben, Sanghajban, Kelet-Kínában. Ennek a régiónak szubtrópusi monszun éghajlata van, az átlagos havi léghőmérséklet 17,6 ± 2,3 ° C, az átlagos havi csapadék pedig 126,9 ± 24,6 mm.

A rizsek fényképei a terepi vizsgálat során (A) és a mezokozmosz-kísérlet (B).

A rizstermesztéshez csak alapműtrágyát használtak, amely 587 kg ha -1 karbamidot (46,4% N), 625 kg ha -1 szuperfoszfátot és 150 kg ha -1 kálium-kloridot tartalmazott. Minden nap 500 g kereskedelmi hal-étrendet alkalmaztak (5,83% N), és a rizsföldeken nem használtak peszticideket vagy herbicideket.

Augusztus végén az érett rákokat és az angolnákat őrölt ketrecekkel gyűjtötték össze a vízi termékek hozamának mérésére. Az éretlen rákokat és az angolnákat a gyűjtés során visszahelyezték a rizsföldekre. A rizs betakarítása után a rizsszemeket levegőn szárítottuk és lemértük a rizs hozamának becsléséhez. A rizsszemek és a vízi állatok N-tartalmát félig mikro-Kjeldahl 33. módszerrel határoztuk meg. A tesztelés előtt a rizsszemeket, a rákokat és az angolnákat megmérjük, 65 ° C-on szárítjuk és ledaráljuk. Ezután az összes mintát tömény kénsavval (H2SO4) és hidrogén-peroxiddal emésztettük.

Vízmintákat gyűjtöttünk minden hónapban az együtt tenyésztési periódus alatt. Az akvakultúra területén három, 500 ml-es vízmintát vettünk 0-10 cm-rel a felszín alatt; a három almintát egyesítettük, hogy hántolatlanul egy mintát kapjunk. A laboratóriumban a víz összes N-tartalmát UV-spektrofotometriával elemeztük lúgos kálium-perszulfát-oxidációval történő emésztés után.

Talajmintákat gyűjtöttünk a rizsültetési időszak után. Mindegyik hántolatlanban három mintát gyűjtöttünk 0,25 m × 0,25 m × 0,10 m rizsültetési területről. Az összes talajmintát levegőn szárítottuk, őröltük, 0,15 mm-es szitán átengedtük és K2SO4 – CuSO4 – Se oldattal emésztettük. Ezután a félmikro Kjeldahl-módszert alkalmazták a talaj teljes N-tartalmának tesztelésére.

Az N2O fluxus sebességét a statikus kamra 34. módszerével mértük. A kamra mérete 1,0 m × 1,0 m × 1,0 m volt. Az N2O mintákat félhavonta gyűjtöttük júniustól októberig 8: 30-10: 30 között. Mindegyik hántolatlan anyagban négy gázmintát vettünk 40 ml-es vákuumcsövek alkalmazásával 10 perces időközönként (0, 10, 20 és 30 perccel a kamra bezárása után). Valamennyi mintát gázkromatográfiával elemeztük (GC 2010; Shimadzu, Kyoto, Japán). Az N2O fluxus sebességét a következő egyenlet segítségével számoltuk:

hol F az N2O fluxus sebessége (μg N m −2 h −1); ρ, az N2O sűrűsége standard állapotban (μg m −3); h, a kamra magassága (m); T, átlagos hőmérséklet a kamrában a gázgyűjtés során és dC/ dt, az N2O koncentrációváltozási sebessége.

Az ammónia elpárolgási fluxusát folyamatos légáramlási kamrával 35 mértük. Az NH3 fluxust félhavonta mértük 09: 00-11: 00 között a rizsültetési időszakban. Az NH3-ot bórsavval abszorbeáltuk, és 0,01 M H2SO4-et alkalmaztunk az oldat titrálásához, hogy meghatározzuk az NH3 elpárolgási sebességét. Az ammónia elpárolgási fluxusát a következő egyenlet segítségével számoltuk:

hol F az ammónia elpárolgási fluxusát jelöli (mg N m −2 h −1); V, titrált H2SO4 térfogata (L); C, a H2SO4 koncentrációja (mol L-1); A, a kamra alapjának területe (m 2) és t, folyamatos mérési idő.

Ebben a vizsgálatban az összes adatot átlag ± standard hiba (SEM) értékként tüntettük fel. Egyirányú ANOVA-t és Tukey-tesztet (SPSS V.16.0) használtunk a hozamok és az összes N-tartalom különbségének összehasonlítására a három csoport és három vizsgált év között.

Mezokozmosz-kísérlet

2019 májusa és októbere között a mesokozmoszt kísérletet végezték a Sanghaji Agrártudományi Akadémián. Mindegyik mezokozmosz kísérleti ábrából állt (1,2 m × 1,2 m × 0,6 m), amelyet nagy sűrűségű polietilén fóliával borítottak (4B. Ábra). Minden kísérleti parcellában a Xinsheng Aquaculture Professional Cooperative 30 kg talaját használták fel egy rizsültetési platform és egy akvakultúra-árok (40 cm mélység) megépítésére. A peron területe a telek keresztmetszetének körülbelül háromnegyedét tette ki.

Összesen hat mezokozmust készítettünk: három kísérleti ábrát (RCE) és három kontrolltáblát (RC). Az egyes parcellákon a rizspalántákat dombokba ültették (dombonként egy palántát) soron belül májusban, a kísérleti és az ellenőrzési parcellákon 20 cm-rel a sorok között és 20 cm-rel a dombok között ugyanabban a sorban. Az egyes parcellákon használt műtrágyák 84,5 g karbamidot (N-tartalom, 46,8%; 15 N-tartalom, 10,15%), 90 g szuperfoszfátot és 15 g kálium-kloridot tartalmaztak. A kacsafüvet az akvakultúra területére ültették, és az akvakultúra övezetének 30% -át lefedte. Sárfogak (Cipangopaludina cathayensis, 500 g) adtunk az egyes mintákhoz. Egy hónap múlva 12 rákot tenyésztettek mindegyik szimulált hántolatlan állományban, és mindegyik kísérleti parcellában két angolt tenyésztettek. A rákok és az angolnák arányát az LD terepi vizsgálati csoportban meghatározottak szerint határozták meg. A rák takarmányát minden nap egyszer szállították, és a napi adag a mezókozmoszokban a becsült ráktömeg körülbelül 3% -a volt. A rizst és a vízi termékeket októberben szüretelték.

A teljes N-tartalom és a 15 N-mennyiség mérésére rizs-, rák- és angolna-mintákat gyűjtöttünk. A talaj- és organizmusminták összes N-tartalmát félig mikro-Kjeldahl módszerrel mértük tömény H2SO4-tal és hidrogén-peroxiddal történő emésztést követően. A 15 N mennyiséget minden mintában MAT-271 izotóp tömegspektrométerrel (Finnigan MAT, Kalifornia) mértük. Az N műtrágyából származó rizsben, rákokban és angolnákban való felhalmozódását a következő egyenletek felhasználásával számoltuk: