北方稻蟹共作系統氨揮發損失的研究

王　昂，馬旭洲，于永清，徐　靜，呂為群

(1.上海海洋大學 水產科學國家級實驗教學示范中心，上海 201306； 2.上海海洋大學 水產種質資源開發利用重點實驗室，上海 201306； 3.上海海洋大學 農業部淡水水產種質資源重點實驗室/上海市水產養殖工程技術研究中心/水產動物遺傳育種協同創新中心，上海 201306； 4.盤山縣河蟹技術研究所，遼寧 盤錦 124000； 5.盤山縣氣象局，遼寧 盤錦 124000)

水產動物的代謝產物是NH3，通過鰓排放到環境中。Boyd等[17]研究證明在養殖過程中，約有25%～30%的飼料N素被水產動物利用，其余都以NH3的形式排出體外。因此，養魚池塘也是NH3的排放源之一[18]。水稻與水產動物相結合，是一種因地制宜的種養模式，在我國有2 000多年的歷史，并且得到學術界和生產上的廣泛認可[19]。然而，Li等[20]研究了稻魚共作系統NH3揮發，發現魚類的存在降低了稻田的NH3揮發。因為魚類抑制了藻類的生長，降低水體的pH，從而抑制了NH3的產生。稻蟹共作模式在我國北方稻作區被廣泛應用，取得了很好的生態效益和經濟效益[21]。關于養蟹對水稻生長、病蟲害防治、稻田生態環境等方面的影響有廣泛研究[22]，但是該系統的NH3揮發情況，還未見報道。目前稻蟹共作模式在全國有較大應用面積，僅遼寧省就超過8萬hm2[23]。因此研究稻蟹共作系統NH3的揮發損失，評估其對環境的影響意義較大。本研究結合室外試驗和室內檢測，對比稻蟹共作模式和常規稻作模式在施肥和不施肥條件下系統NH3揮發損失，探索其影響因素，補充稻蟹共作模式的理論基礎，為該模式的規?；瘧锰峁﹨⒖?。并且全國各地因地制宜，發展了許多稻田綜合種養模式，如稻魚、稻蟹、稻蝦、稻鱉、稻蛙等[23]，本研究也為今后稻田綜合種養模式的基礎研究提供參考。

1　材料與方法

1.1　實驗地點

田間實驗于2013年的6月—10月，在遼寧省盤錦市壩墻子鎮姜家村(122.26 E， 41.17 N)進行。實驗點地處溫帶季風性氣候區，2013年年均氣溫9.2 ℃，降水量613.7 mm，降水主要集中在5月—9月，占全年降水量的72.7%。該實驗地點的土壤為潮棕壤，總氮(TN)1.61 g·kg-1，總磷(TP)0.45 g·kg-1，總有機碳(TOC)13.8 g·kg-1，pH為7.28。

1.2　實驗材料

水稻為鹽粳456(Oryzasalivasubspkeng)，生育期163 d左右，由遼寧省農業科學院提供。肥料為尿素(46% N)，過磷酸鈣(16% P2O5)和硫酸鉀(50% K2O)。河蟹為遼河水系中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)，由盤山縣河蟹技術研究所提供。配合飼料購自禾豐牧業有限公司(遼寧沈陽)，成分：粗蛋白≥35%，粗脂肪≥5.5%，粗纖維≥9%，粗灰分≤15%，TP≥1%。

1.3　實驗設計

田間實驗采用施肥和養蟹二因素裂區設計。主因素為不養蟹與養蟹，不養蟹就是常規稻作模式，養蟹就是將大眼幼體放入稻田培育成一齡蟹種。副因素為施肥與不施肥，實驗共4個處理，即單作稻不施肥(R0M)、稻蟹共作不施肥(R0C)、單作稻施肥(R1M)和稻蟹共作施肥(R1C)，每個處理各3個重復，一共12個小區，每個小區面積為100 m2(10 m×10 m)。

1.4　田間設施與管理

每個小區有各自的進水口和排水口。進水口用尼龍網(80目)包裹，以防雜魚進入和河蟹逃逸。小區之間用田埂(寬1.0 m×高0.5 m)隔開，在田埂上用厚塑料膜做成高40 cm的防逃墻，田埂內沿四周用鍍鋅鐵皮(寬45.0 cm，厚約0.5 mm)垂直插入土壤30 cm，以減少各小區之間的側滲。5月27日，肥料一次性施入稻田(其中N肥只施于R1M和R1C處理中)，施肥量為160 kg·hm-2N，70 kg·hm-2P2O5和80 kg·hm-2K2O。施肥后，所有小區人工翻地15～20 cm。5月30日灌水泡田；6月1日，人工插秧，密度為行距30 cm×株距16 cm，之后田間無任何植保措施。6月9日，大眼幼體(0.005 g)放入養蟹單元格，密度為120萬只·hm-2。每天17：00左右，投喂一次配合飼料，天氣不好或者餌料有剩余的情況下不投喂。為了降低一齡蟹種提早成熟的比例，根據經驗在8月25日至9月15日停止投喂，于9月16日恢復投喂至9月23日。10月1日，水稻人工收割。河蟹于10月20日收獲，累積投餌量為920 kg·hm-2。

1.5　采樣與測定

1.5.1NH3的采樣與測定

1.5.2其他樣品的采集與測定

實驗期間，田面水一共采集了20次。稻田灌水的10 d內，每天采集水樣。用50 mL的注射器，選擇5個點，不攪動土壤抽取田面水，注入500 mL的采樣瓶中，立刻送至實驗室分析。水稻植株采集了5次，于苗期取秧苗20株；于分蘗期、穗分化期、灌漿期和成熟期，在各小區用鐵鏟隨機取水稻5株。將水稻根部泥土洗凈，整株放入105 ℃烘箱(DHG-9070A，精宏，上海)中殺青30 min，后將溫度調整為70 ℃烘干48 h，冷卻后稱取質量。

1.6　數據分析

2　結果與分析

2.1　不同處理水稻的N素積累

隨著水稻的生長，N素積累量不斷增加，至成熟期達到最高值，4個處理水稻N素積累量為77.78～149.10 kg·hm-2(圖1)。穗分化期時，水稻的N素積累量為51.65～97.44 kg·hm-2；苗期至分蘗期最低，為3.31～8.47 kg·hm-2。除了苗期以外，施肥稻田的N素積累量均顯著高于不施肥稻田(P<0.05)。成熟期的水稻N素積累量，R1M較R0M提高了53.3%；R1C較R0C提高了69.7%(P<0.05)。除苗期外，養蟹也顯著增加水稻的N素積累量(P<0.05)，主要發生在施肥稻田(R1M和R1C)，不施肥稻田中，R0C的N素積累量只在穗分化期顯著高于R0M(P<0.05)。在成熟期，R1C的水稻N素積累量較R1M增加了25.0%(P<0.05)。

S、T、PI、F和M分別代表水稻苗期、分蘗期、穗分化期、揚花期和成熟期。不同的字母表示差異顯著。S， T， PI， F and M reoresented seedling， tillering， panicle initiation， flowering and mature stages of rice， respectively. Different letters indicated significant differences at 0.05 level.圖1　水稻植株不同時期N素積累量Fig.1　N accumulation in rice plants under different treatments

2.2　不同處理NH3揮發情況

NH3揮發速率受施肥的影響較大，所以施肥稻田和不施肥稻田的NH3揮發速率呈現不同趨勢(圖2)。在施肥稻田中，施肥后檢測到少量NH3揮發，5月30日淹水后迅速升高，于6月1日達到峰值，然后迅速下降至較低水平。不施肥稻田(R0M和R0C)，NH3揮發處于較低水平，并且趨勢較平穩。R0M、R0C、R1M和R1C的NH3平均揮發速率分別為0.148、0.132、1.506和1.462 kg·hm-2·d-1，其中養蟹稻田(R0C和R1C)的揮發速率略低，但是差異不顯著(P>0.05)。

在水稻全生育期，各處理NH3總揮發量為4.79～49.70 kg·hm-2(表1)。施肥顯著增加稻田NH3揮發量，R1M和R1C的NH3揮發量分別較R0M和R0C提高了4.33倍和4.61倍。施肥稻田，NH3揮發主要集中在淹水后10 d內(5月30日—6月8日)，R1M和R1C在該階段的揮發量分別占總揮發量的69.1%和74.2%。從河蟹放入稻田后(6月9日—9月30日)計，R1C的NH3揮發量較R1M降低28.4%(P<0.05)。但是對比全生育期二者的NH3總揮發量，差異不顯著(P>0.05)?？梢婐B蟹可以降低稻田的NH3揮發損失，但是效果有限。R1M和R1C處理NH3總揮發量分別占當季施N量(160 kg·hm-2)的28.5%和26.0%。

字母F、I、C和箭頭組合表示施肥，灌溉和放蟹時間。Arrow bars combined with letters F， I and C denoted the time of fertilization， irrigation and crab released.圖2　不同處理稻田NH3揮發速率Fig.2　Ammonia volatization fluxes from rice fields under different treatments

表1不同模式NH3累積揮發量

Table1Ammonia volatization losses from paddy fields under different treatments

kg·hm-2

同一列的數據后面不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。由于9月11日檢測到的NH3排放速率極小(小于0.05 kg·hm-2·d-1)，所以9月11日—9月30日的NH3排放速率以9月11日的排放速率計。

In a column， different letters mean significant differences among treatments at the 5% level， by ANOVA and DMRT. As the rate of AV was extremely low on 11th September (less than 0.05 kg·hm-2d-1)， so the rate of AV between 11th September to 30th September was calculated as the rate on 11th September.

2.3　田面水pH和濃度

在水稻全生育期，田面水pH為6.17～8.85，R0M、R0C、R1M和R1C田面水的pH值分別為7.31、7.22、7.69和7.53(圖3)，施肥提高了田面水pH，主要發生在淹水后的10 d內(5月30日—6月8日)，但是總體差異不顯著(P>0.05)。不施肥和施肥稻田pH變化趨勢略有差異。不施肥稻田呈現前期高，然后緩慢降低的趨勢，但是總體較平穩。施肥稻田，在淹水后pH迅速升高，于淹水后第4天達到峰值，然后下降至平穩。養蟹降低了田面水pH，但是差異也不顯著(P>0.05)。

圖3　不同處理稻田田面水pH動態變化Fig.3　Dynamics of flooding water pH under different treatments

2.4　NH3揮發速率與田面水濃度的相關性

圖4　不同處理稻田田面水動態變化Fig.4　Dynamics of flooding water concentrations under different treatments

** 表示在0.01水平上顯著相關。** denoted significant correlation at 0.01 level.圖5　NH3 揮發速率與稻田田面水pH(a)和濃度(b)的相關性Fig.5　Dependence of ammonia volatization fluxes on pH values (a) and concentrations of (b) of flooding water in paddy fields

2.5　NH3揮發量與水稻N素積累量的相關性

NH3揮發量(y，kg·hm-2)與水稻不同階段的N素積累量(x， kg·hm-2)呈顯著負相關(P<0.05)，相關方程為y2=14.938-0.158·x，R2=0.165*(圖6)。由此可見，水稻的吸收與NH3的轉化競爭系統的N素，從而減少NH3的產生和揮發。

* 表示在0.05水平上顯著相關。* denoted significant correlation at 0.05 level.圖6　NH3的揮發損失與水稻N素積累量的相關性Fig.6　Relationship between cumulative ammonia volatization losses and N accumulation in rice plants

3　討論

3.1　水稻的N素積累

水稻植株的N素含量及其分蘗能力與水稻群體的光合能力密切相關，對水稻的分蘗數、干物質量積累和產量有重要影響[28]。許多學者[11,29]研究表明，施肥顯著促進了水稻的N素積累，本研究也證實了上述的結論，并且水稻N素積累量于苗期至分蘗期最低，占全生育期N素積累量的4.2%～6.1%；分蘗期至穗分化期最高，占全生育期N素積累量的65.3%～69.8%。因為無論水稻是直播還是移栽，在苗期對N素的需求量都小，并且根系也較弱，吸收能力差；隨著水稻的生長，N素需求量不斷增加，根系生物量不斷增加，對N素吸收能力增強[30]。但是，水稻生物量和N素積累速率并非呈線性正相關，隨著水稻的生物量不斷增大，N素積累速率下降[31]。養蟹也提高了水稻的N素積累量(穗分化期至成熟期)。有如下原因：首先，河蟹養殖在稻田里，糞便給水稻提供了額外的N素[32]。此外，孫永健等[33]研究表明，隨著施N量的提高，水稻對N素的吸收先增加后降低，存在N肥和P肥的協同吸收。因此，其河蟹糞便中的P可能促進了水稻對N素的吸收。其次，河蟹在稻田中的擾動，促進了水稻根系對N素的吸收[34]。然而，河蟹對水稻N素積累的顯著促進作用僅僅發生在施肥稻田，可能因為在施肥條件下，水稻根系生物量較大[35]，對N素的吸收能力強，所以更加能夠體現河蟹的促進作用。

3.2　不同處理的NH3揮發損失

綜上，稻蟹共作模式顯著提高了水稻的N素積累量，并在一定程度上降低了稻田NH3揮發損失，提高了肥料N素的利用率，降低對環境的危害，為該模式的規?；瘧锰峁┝朔e極的理論支持。然而，稻田系統N素損失有多種途徑，除了NH3揮發以外，還有淋溶、徑流和反硝化損失[50-51]，因此要全面評估稻蟹共作模式對生態環境的影響還有待補充研究。另外，本研究為了方便闡述河蟹對于系統NH3揮發損失的影響，采用了單一的施肥方式。今后，對于其他施肥策略，比如施有機肥或者有機無機配施對稻蟹共作生態系統NH3揮發損失的影響需要進一步探索。

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