蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對(duì)土壤微生物特性的影響

郭文嘯， 趙　琦， 朱元宏， 袁　婧， 張路馳， 曹林奎

(1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240； 2.上海青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展有限公司，上海 201717)

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，在土壤腐殖質(zhì)的形成與循環(huán)等過(guò)程中都起著重要的推動(dòng)作用[1]。土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon，簡(jiǎn)稱(chēng)SMBC)、土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen，簡(jiǎn)稱(chēng)SMBN)、土壤微生物熵(soilmicrobial quotient，簡(jiǎn)稱(chēng)SMQ)及土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的變化與土壤功能密切相關(guān)，均可作為土壤質(zhì)量變化的微生物學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來(lái)表征土壤質(zhì)量[2-3]。

近年來(lái)，可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)一直是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要議題，其中利用互利共生、生態(tài)位等生態(tài)學(xué)原理形成的“稻魚(yú)共生”“稻蛙共生”和“稻鴨共生”等稻田生態(tài)種養(yǎng)模式已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)稻田生態(tài)種養(yǎng)對(duì)土壤的影響已有大量研究。全國(guó)明等研究表明，稻鴨生態(tài)種養(yǎng)模式較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)顯著提高了土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，并降低了土壤容重[6]；展茗等研究表明，鴨和魚(yú)在稻田間的活動(dòng)能夠增加土壤微生物量及土壤微生物多樣性[7]；稻田種養(yǎng)模式還能減少農(nóng)田化肥和農(nóng)藥的用量，這也在一定程度上降低其對(duì)土壤和水體帶來(lái)的污染，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境安全有重要意義[8]。但目前對(duì)蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤微生物特性方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。基于此，本研究以上海市青浦區(qū)試驗(yàn)推廣種植的綠色蛙稻和有機(jī)蛙稻種養(yǎng)模式為主要對(duì)象，對(duì)比上海郊區(qū)常規(guī)水稻模式，以期探究蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對(duì)土壤微生物特性的影響，研究成果對(duì)優(yōu)化稻田間管理和農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展具有重大實(shí)踐意義。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)為大田試驗(yàn)，試驗(yàn)地位于上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)(地理位置為121.03°E，30.97°N)內(nèi)，該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，2010—2015年平均氣溫為17.6 ℃，極端最高溫度為38.4 ℃，極端最低溫度為-7.8 ℃；全年平均降水為 135 d，平均降水量為1 269.3 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型為湖沼相沉積物起源的青紫泥水稻土，質(zhì)地較黏重。2010—2015年試驗(yàn)地已經(jīng)連續(xù)6年實(shí)行水稻—紫云英(Astragalussinicus)輪作模式。采樣期間試驗(yàn)地溫度和降水量情況如圖1所示。

1.2　試驗(yàn)材料

水稻品種為青角307(Oryzasativa)；蛙品種為虎紋蛙(Hoplobatrachustigerinus)。

1.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置3種水稻種植模式。(1)常規(guī)水稻(conventional cultivated rice，簡(jiǎn)稱(chēng)CR)：對(duì)照組，即上海市郊區(qū)農(nóng)民常規(guī)水稻種植模式，施用化肥和農(nóng)藥；基肥施BB肥(bulk blending fertilizer，上海惠爾利農(nóng)資有限公司)120.0 kg(N)/hm2，分蘗肥和穗肥分別施尿素90.0 kg(N)/hm2。(2)有機(jī)蛙稻(organic rice-frog，簡(jiǎn)稱(chēng)OR)：水稻種植過(guò)程中施用有機(jī)肥和生物農(nóng)藥，人工除草，并在稻田中投放虎紋蛙以控制蟲(chóng)害，在水稻分蘗期(7月10日)將虎紋蛙放入田中，投放密度為2.5萬(wàn)只/hm2，田塊四周布有50 cm的攔網(wǎng)以防虎紋蛙跳出，水稻收割前25 d開(kāi)始撤網(wǎng)并捕獲虎紋蛙；試驗(yàn)區(qū)前茬植物為紫云英，水稻收割后種植紫云英并進(jìn)行越冬管理，次年5月成熟后翻耕還田，以67.5 kg(N)/hm2紫云英和116.5 kg(N)/hm2菜籽餅做基肥，58.0 kg(N)/hm2菜籽餅分別做分蘗肥和穗肥。(3)綠色蛙稻(green rice-frog，簡(jiǎn)稱(chēng)GR)：施用有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥，使用少部分農(nóng)藥和大部分的生物農(nóng)藥，稻田中投放2.5萬(wàn)只/hm2虎紋蛙，以67.5 kg(N)/hm2紫云英和 55.0 kg(N)/hm2菜籽餅做基肥，90.0 kg(N)/hm2尿素分別做分蘗肥和穗肥。本試驗(yàn)中的有機(jī)蛙稻通過(guò)國(guó)家有機(jī)認(rèn)證，綠色蛙稻模式通過(guò)國(guó)家良好農(nóng)業(yè)規(guī)范(good agriculture practice，簡(jiǎn)稱(chēng)GAP)認(rèn)證。

每種模式各設(shè)置4個(gè)重復(fù)，每個(gè)田間小區(qū)面積為 1 600 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)地最初土壤性質(zhì)相同，2010—2015年已連續(xù)6年施行上述3種模式的種植，每年在6月3—7日間移栽水稻，密度為1.1×105株/hm2，11月1—4日收割。2015年水稻播種前耕層(0～20 cm)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。

表1　土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

1.4　田間取樣及分析方法

本試驗(yàn)于2015年稻季間對(duì)水稻移栽前(6月1日)、分蘗期(7月14日)、拔節(jié)期(8月10日)、孕穗期(9月4日)、灌漿期(9月28日)和收獲期(10月28日)6個(gè)時(shí)期采集土壤樣品。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)土樣(0～20 cm)，混勻后快速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，部分新鮮土樣于4℃冰箱內(nèi)保存，用于土壤微生物量和數(shù)量等指標(biāo)的測(cè)定，剩余土樣風(fēng)干過(guò)2 mm目篩后保存，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定[9]。

土壤微生物量碳采用熏蒸浸提-重鉻酸鉀法測(cè)定，土壤微生物量氮采用熏蒸浸提取法測(cè)定[10-11]。土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的測(cè)定使用平板稀釋法，其中細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用改良的高氏一號(hào)培養(yǎng)基，真菌采用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基[12]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行初步整理、分析和繪制圖表，用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響

由圖2可知，在水稻生長(zhǎng)前期SMBC逐步上升，至分蘗期達(dá)到最大值，與移栽前相比，此時(shí)常規(guī)水稻、綠色蛙稻和有機(jī)蛙稻SMBC含量分別增加86.9%、130.6%、92.7%；然后隨著水稻生長(zhǎng)發(fā)育SMBC逐漸下降，至收獲期略有回升，在收獲期，常規(guī)水稻田中SMBC為移栽前的96.3%，綠色蛙稻田中為移栽前的97.0%，有機(jī)蛙稻田中為移栽前的100.4%。結(jié)果表明，不同種植模式下稻田土壤SMBC存在差異，有機(jī)蛙稻SMBC在水稻生長(zhǎng)全季均顯著高于常規(guī)水稻，而在分蘗期、拔節(jié)期和孕穗期綠色蛙稻SMBC含量顯著高于常規(guī)水稻。在水稻整個(gè)生育期間的SMBC含量平均值大小順序?yàn)橛袡C(jī)蛙稻(567.05 mg/kg)>綠色蛙稻(513.41 mg/kg)>常規(guī)水稻土壤(426.42 mg/kg)。

整個(gè)稻季稻田土壤的SMBN與SMBC變化趨勢(shì)相似。由圖3可知，在水稻生長(zhǎng)前期SMBN含量逐漸增加至分蘗期達(dá)最大值，相較移栽前常規(guī)水稻、綠色蛙稻、有機(jī)蛙稻中SMBN分別增加 109.8%、81.3%和104.6%；之后隨著水稻生長(zhǎng)SMBN含量下降，在收獲期常規(guī)水稻田中SMBN為移栽前的87.3%，綠色蛙稻為91.4%，有機(jī)蛙稻田為102.0%。試驗(yàn)結(jié)果還表明，不同種植模式下稻田土SMBN存在差異，有機(jī)蛙稻SMBN在水稻生長(zhǎng)全季均顯著高于常規(guī)水稻，而綠色蛙稻在移栽前、分蘗期、拔節(jié)期和收獲期SMBN含量顯著高于常規(guī)水稻。稻季土壤SMBN含量均值大小順序?yàn)橛袡C(jī)蛙稻(49.11 mg/kg)>綠色蛙稻(44.56 mg/kg)>常規(guī)水稻土壤(38.42 mg/kg)。可見(jiàn)相較于常規(guī)水稻，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式明顯提高了稻田SMBC、SMBN含量。

2.2　蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對(duì)土壤微生物熵的影響

土壤微生物熵是土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳(total organic carbon，簡(jiǎn)稱(chēng)TOC)的比值，它充分反映了土壤中活性有機(jī)碳所占的比例。由圖4可以看出，3種模式SMQ范圍都介于1.43%～3.49%之間，SMQ在分蘗期達(dá)到最大值，之后整體下降，在灌漿期和收獲期SMQ較小。從水稻整季來(lái)看，相較于常規(guī)水稻，有機(jī)蛙稻在分蘗期、拔節(jié)期和孕穗期顯著提高了稻田SMQ， 而綠色蛙稻在分蘗期和拔節(jié)期顯著提高了稻田SMQ。

2.3　蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對(duì)土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

由表2可知，整個(gè)稻季不同種植模式下土壤細(xì)菌、放線菌與真菌數(shù)量變化不一致。其中細(xì)菌數(shù)量隨水稻生長(zhǎng)呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，在分蘗期達(dá)到最大值，孕穗期達(dá)到最小值；稻田有機(jī)蛙稻和綠色蛙稻細(xì)菌平均數(shù)量分別為常規(guī)水稻模式的1.21、1.16倍。放線菌數(shù)量變化趨勢(shì)與細(xì)菌相似，在分蘗期達(dá)到峰值，灌漿期達(dá)到谷值；整個(gè)稻季，有機(jī)蛙稻放線菌平均數(shù)量分別是綠色蛙稻和常規(guī)水稻的1.05、1.06倍，綠色蛙稻和常規(guī)水稻間差異不顯著。真菌數(shù)量隨水稻生長(zhǎng)先減少后上升，移栽前為最大值，孕穗期達(dá)到最小值；整個(gè)稻季有機(jī)蛙稻和綠色蛙稻土壤真菌數(shù)量均顯著高于常規(guī)水稻，分別是常規(guī)水稻的1.20、1.09倍。有機(jī)蛙稻和綠色蛙稻的土壤可培養(yǎng)微生物總量顯著高于常規(guī)水稻，分別較常規(guī)水稻高出20.1%、15.5%。以上結(jié)果表明，相較于常規(guī)水稻，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式有利于提高土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量，并對(duì)土壤可培養(yǎng)微生物中各類(lèi)群微生物的組成、比例都產(chǎn)生了一定的影響。

表2　不同種植模式下稻田土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量動(dòng)態(tài)變化

注：同列同一標(biāo)簽不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.4　土壤微生物特性指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由表3可以看出，SMBC、SMBN分別與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，SMBN與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)。細(xì)菌、放線菌數(shù)量均與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，細(xì)菌數(shù)量還與全氮、有效磷、有效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，放線菌、真菌數(shù)量與全氮含量呈顯著正相關(guān)，放線菌數(shù)量與有效鉀含量呈顯著正相關(guān)。

3　結(jié)論與討論

土壤微生物量是土壤活性養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù)，可以靈敏地反映環(huán)境因子、土地利用模式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和氣候條件的變化，被用作評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和反映微生物群落狀態(tài)與功能變化的指標(biāo)[13-15]。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)多年連續(xù)試驗(yàn)，與傳統(tǒng)常規(guī)水稻模式相比，有機(jī)蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式顯著提高了稻田土SMBC、SMBN和SMQ，綠色蛙稻在水稻生長(zhǎng)初期顯著提高了稻田土SMBC和SMBN。這主要是因?yàn)橥寥牢⑸锱c土壤質(zhì)量、養(yǎng)分含量關(guān)系十分密切，土壤養(yǎng)分含量特別是有機(jī)質(zhì)、氮素的提高會(huì)明顯加速微生物生物量的積累[16]。一方面有機(jī)蛙稻和綠色蛙稻中長(zhǎng)期施用的有機(jī)肥和虎紋蛙的蛙糞為土壤微生物的活動(dòng)提供豐富的碳源和氮源[17]；另一方面相較于常規(guī)水稻，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式有效地減少了稻田中養(yǎng)分的流失，也有利于土壤養(yǎng)分庫(kù)的積累[18]。

表3　土壤微生物特性指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

注：n=72，“*”“**”分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著。

土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的測(cè)定結(jié)果表明，相比于常規(guī)水稻，有機(jī)蛙稻能提高土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量，綠色蛙稻能提高土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量，同時(shí)蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也有一定影響。展茗等在稻魚(yú)共作模式[7]、章家恩等在鴨稻共作模式[19]的研究中都表明，稻田生態(tài)種養(yǎng)模式可以提高土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量，這是因?yàn)閯?dòng)物生活產(chǎn)生的糞便增加了土壤養(yǎng)分，為微生物的增殖提供了良好條件；此外，動(dòng)物的活動(dòng)還對(duì)稻田土壤氧化還原電位有所影響，有利于土壤微生物大量增殖[20]。

綜上所述，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式作為稻田生態(tài)種養(yǎng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)常規(guī)水稻種植模式相比，明顯增加了稻田土壤的SMBC、SMBN和可培養(yǎng)微生物數(shù)量。因此，從土壤微生物的角度出發(fā)，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式優(yōu)于常規(guī)水稻種植模式，其中有機(jī)蛙稻模式優(yōu)于綠色蛙稻模式。本試驗(yàn)?zāi)壳皟H對(duì)不同種植模式土壤微生物特性指標(biāo)差異進(jìn)行了分析，而有關(guān)蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式的機(jī)制及其效應(yīng)評(píng)價(jià)還需今后進(jìn)一步研究。

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