稻蝦共作對土壤有機碳的影響及其與土壤性狀的關系

管勤壯，成永旭，3，李 聰，王海峰，陳煥根，李嘉堯，3，*

(1.上海海洋大學 水產與生命學院，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 水產與生命學院，農業農村部魚類營養與環境生態研究中心，上海 201306； 3.上海海洋大學 水產與生命學院，水產動物遺傳育種中心上海市協同創新中心，上海 201306； 4.江蘇省漁業技術推廣中心，江蘇 南京 210036)

近50 a來，化肥和農藥的大量施用在提高糧食產量的同時，也造成了巨大的環境污染[1]。稻漁綜合種養，即水稻田在種稻的同時養殖水產經濟動物，利用生物間的相互作用，有效減少雜草和害蟲，降低農藥的施用量，減少了水體污染，增加了土壤肥力，穩定了水稻產量[1-2]。

土壤有機碳與長期耕作農田土壤的肥力密切相關[3]。土壤有機質是高質量農業土壤的重要組分，是土壤肥力的主要物質基礎，可作為衡量土壤質量的重要指示物[4]。腐殖化的有機質是土壤活性有機碳的主要來源[5]。土壤酶幾乎參與了土壤中所有的生物化學過程，能夠反映土壤中進行各種生物化學過程的強度和方向，對于土壤肥力的形成、提高，以及土壤生態系統的物質循環過程都具有重要意義[6]。土壤有機質分解直接受酶活性的調控[7]，同樣，土壤有機碳的礦化也由土壤酶介導，直接影響土壤中養分元素的釋放和供應、土壤質量的維持等[8]，其速率受溫度條件、水分狀況、土壤性質等因素的影響，其動態變化過程主要體現在其積累/礦化過程上[9]。

克氏原螯蝦(Procambarusclarkia)，俗稱小龍蝦，適應性廣，在我國分布廣泛[10]。目前，對于稻-小龍蝦共作的研究主要涉及養殖技術、田間工程、生產效益[11-12]，以及對環境(如水體、雜草和害蟲[11]、土壤[12-13]等)的影響等方面。佀國涵等[13-14]在稻蝦共作對土壤理化性質和肥力的研究中發現，稻蝦共作改善了土壤結構，增加了土壤養分，降低了底層土壤有機碳和全氮含量。但曹湊貴等[11]的研究表明，當前稻蝦共作對稻田土壤可能亦有一些不良影響，特別是在長期淹水條件下，土壤養分變化與土壤有機質、有機碳變化的關系，及其與土壤酶活力變化的聯系等亟待進一步研究。

本研究以土壤有機碳和有機質為指示物，結合土壤酶活力變化，研究稻蝦共作對土壤肥力的影響，為稻蝦共作模式的優化及可持續發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年7—12月在上海海洋大學崇明基地進行。試驗區域屬于典型的亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.3 ℃，年均降水量1 117.1 mm，年均無霜期229 d，年均日照時數2 104 h。

1.2 試驗材料

試驗開始前，土壤有機碳(31±5) g·kg-1，土壤有機質(31±6) g·kg-1，土壤全磷(0.15±0.05) g·kg-1。供試水稻品種為寒優湘晴，幼蝦購自光明特種水產養殖公司，飼料購自浙江欣欣飼料有限公司，麩皮購自崇明天成飼料有限公司，無水葡萄糖購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.3 試驗設計及日常管理

采取田間小區試驗，每小區面積125 m2，中間為種稻區域(中央田塊長10.5 m、寬8 m)，四周為環溝，獨立進排水。試驗設4個處理：CK(對照)，水稻單作；RC1，飼料投喂(C/N=8)，稻蝦共作；RC2，飼料+麩皮投喂(C/N=12)，稻蝦共作；RC3，飼料+麩皮+糖投喂(C/N=16)，稻蝦共作。每處理重復4次，采取隨機區組排列。各組別餌料投喂量為克氏原螯蝦體質量的3%～5%。

于2016年3月20日將曬干的水稻秸稈5 kg粉碎至2 cm翻埋于土中。6月24日，4個處理組均施基肥(N 72 kg·hm-2、P2O572 kg·hm-2、K2O 72 kg·hm-2)；7月31日插秧，每穴4株，穴間距32 cm×24 cm；8月20日投放平均單體質量7.29 g的蝦苗3.45 kg。種養期間不施用農藥。

1.4 樣品采集

于2016年8月6日、9月22日、10月25日、12月5日，采用五點取樣法采集0～15 cm耕層土壤作為土壤理化性質供試土樣。樣品采回后，剔除可見的動植物殘體和石塊等雜質，放置在通風陰涼處進行風干，過40目和100目篩網，備用。采用對角線取樣法采集0～15 cm耕層土壤作為土壤酶的供試土樣，每個處理3次重復。樣品采回后，存放在-20 ℃冰箱，測定前用烘箱37 ℃烘干，過40目篩，備用。

1.5 土壤測定項目及方法

1.6 數據分析

數據經Excel 2010整理后，采用SPSS 21.0軟件進行Pearson(皮爾遜)相關分析和方差分析。采用GraphPad Prism 5做圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質和有機碳的變化

由圖1可知，在水稻生長過程中，4個處理組的土壤有機質都呈現出先上升后穩定的趨勢。相較于試驗前(8月6日)，最后一次采樣(12月5日)CK、RC1、RC2、RC3的土壤有機質含量分別增加了49.70%、60.00%、66.34%、146.59%，且差異均達顯著水平(P<0.05)，各處理中，以RC3增幅最大，CK增幅最小。

同一處理不同取樣日期的樣品間沒有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。The bars of the same treatment without the same lowercase letters showed the significant difference (P<0.05)among different date. The same as below.圖1 稻蝦共作模式下土壤有機質和有機碳隨時間的變化Fig.1 Changes of soil organic matter and soil organic carbon over time in rice-crayfish coculture

在水稻生長過程中，除CK的土壤有機碳無顯著變化外，其他處理均表現為先快速下降后漸穩定的趨勢。相較于試驗前，最后一次采樣RC1、RC2、RC3的土壤有機碳分別降低了36.25%(P<0.05)、32.37%(P<0.05)、24.12%(P>0.05)。

2.2 土壤纖維素酶、脫氫酶和全磷的變化

由圖2可知，在水稻生長過程中，RC1和RC3的土壤纖維素酶活性無顯著變化，CK的土壤纖維素酶活性先顯著增高，后漸趨穩定，至最后一次采樣時，土壤纖維素酶活性與試驗前無顯著差異。RC2處理的土壤纖維素酶活性表現為總體上升的趨勢，相較于試驗前，最后一次采樣的土壤纖維素酶活性顯著增加22.59%(P<0.05)。

在水稻生長過程中，RC3的土壤脫氫酶活性呈現出增高趨勢，相較于試驗前，最后一次采樣的土壤脫氫酶活性顯著增加53.18%(P<0.05)。其他處理組的土壤脫氫酶活性無顯著變化。

圖2 稻蝦共作模式下土壤纖維素酶、脫氫酶及全磷隨時間的變化Fig.2 Changes of soil cellulase， dehydrogenase and total phosphorus over time in rice-crayfish coculture

在水稻生長過程中，各處理組土壤全磷含量均呈現出先下降后上升的趨勢。相較于試驗前，除RC1最后一次采樣的土壤全磷含量顯著(P<0.05)降低外，其他處理無顯著差異。

2.3 土壤過氧化氫酶、過氧化物酶和堿性蛋白酶的變化

由表1、2可知，土壤過氧化氫酶和過氧化物酶活性在CK、RC1和RC2處理下，在水稻全生育期內無顯著變化，在RC3處理下，土壤過氧化氫酶和過氧化物酶活性先增長，至10月25日達到峰值，之后迅速下降。與試驗前相比，最后一次采樣時RC3的土壤過氧化氫酶和過氧化物酶活性無顯著增強。

如表3所示，RC1和RC2處理的土壤堿性蛋白酶活性在水稻生長過程中無顯著變化。CK處理下，土壤堿性蛋白酶活性先快速增加再下降，然后趨于穩定，9月22日達到極大值，與試驗前相比，最后一次采樣時的土壤堿性蛋白酶活性無顯著變化。RC3處理的土壤堿性蛋白酶活性在水稻生長過程中總體表現出下降的趨勢，與試驗前相比，最后一次采樣時的土壤堿性蛋白酶活性顯著(P<0.05)降低。

2.4 土壤有機質、有機碳與土壤理化性狀的相關性分析

對比稻蝦共作和水稻單作條件下，土壤有機質、有機碳與土壤理化性狀的相關性發現：在稻蝦共作模式下，土壤有機碳與有機質、脲酶、全磷、纖維素酶，土壤有機質與銨氮、纖維素酶，土壤脲酶與脫氫酶、堿性磷酸酶、過氧化物酶，土壤脫氫酶與堿性蛋白酶、銨氮、堿性磷酸酶、纖維素酶，土壤全磷與銨氮，土壤銨氮與纖維素酶，土壤堿性磷酸酶與過氧化物酶的相關性均達到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平；但在水稻單作條件下，這些相關性均未達到顯著水平。此外，在水稻單作條件下，僅見土壤有機質與脲酶、土壤脫氫酶與全磷、土壤堿性磷酸酶與纖維素酶的相關性達顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平，但這些指標的相關性在稻蝦共作模式下未達顯著水平(表4、5)。

表1稻蝦共作模式下土壤過氧化氫酶活性隨時間的變化

Table1Changes of soil catalase activity over time in rice-crayfish coculture

處理Treatment2016-08-062016-09-222016-10-252016-12-05CK20.57±3.07 a17.11±1.50 a22.98±2.56 a21.60±2.15 aRC125.46±1.07 a23.71±1.46 a20.11±5.62 a19.58±3.99 aRC221.27±2.58 a19.61±5.00 a22.61±2.89 a23.91±1.45 aRC322.25±2.53 ab18.80±3.85 b23.78±0.77 a20.86±0.87 ab

同行數據后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters within the same row indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表2稻蝦共作模式下土壤過氧化物酶活性隨時間的變化

Table2Changes of soil peroxidase activity over time in rice-crayfish coculture

處理Treatment2016-08-062016-09-222016-10-252016-12-05CK59.54±4.40 a57.19±1.00 a62.26±0.32 a62.40±5.72 aRC161.26±7.06 a61.11±4.75 a57.25±4.96 a56.37±1.22 aRC261.42±4.77 a59.46±1.81 a58.76±2.60 a56.55±2.84 aRC360.32±3.82 b59.00±2.83 b65.29±1.47 a56.81±1.27 b

表3稻蝦共作模式下土壤堿性蛋白酶活性隨時間的變化

Table3Changes of soil alkaline protease activity over time in rice-crayfish coculture

處理Treatment2016-08-062016-09-222016-10-252016-12-05CK2.80±0.20 b10.22±2.50 a7.70±2.41 ab7.65±0.77 abRC15.61±2.04 a7.47±1.21 a7.63±2.34 a9.59±0.85 aRC27.63±1.33 a4.96±1.80 a8.58±1.11 a6.41±3.21 aRC310.99±2.19 a8.26±2.67 b8.90±1.67 b3.09±2.01 b

3 討論

本研究顯示，水稻單作與稻蝦共作條件下，土壤有機質含量均呈上升趨勢，與先前稻蟹、稻魚、稻鴨共作的研究結果[15-17]類似，種養過程中的殘餌、排泄物等是土壤有機質增量的主要來源[18]。本試驗開始前進行了秸稈還田，由于土壤纖維素酶能促進土壤纖維素分解，有利于土壤腐殖質的形成，因此本試驗條件下各處理的土壤纖維素酶活力都呈現上升趨勢，且稻蝦共作模式土壤有機碳的周轉是一個復雜的過程，受氣候條件、土壤性質、土地利用方式及耕作制度等自然和人為因素的影響[19]。本研究發現，稻蝦共作模式下土壤有機碳呈現出下降的趨勢，這不同于之前的很多研究結果[13-15，20]。造成土壤有機碳下降的可能原因有以下幾方面：(1)本試驗地處崇明島，屬亞熱帶季風氣候，氣候條件上不利于土壤有機碳的積累[21]。(2)稻蝦共作模式下長期淹水，導致甲烷排放增加[12]。(3)克氏原螯蝦的掘洞行為也可能是造成土壤有機碳下降的原因之一。土壤有機碳分為活性有機碳和非活性有機碳，其中容易變化的是活性有機碳，因此試驗中土壤有機碳總體呈現出先快速下降后趨于穩定的變化趨勢。這和Franzluebbers等[22]對活性有機碳的研究結果一致。先期土壤易礦化有機碳數量多，易被微生物分解，后期土壤微生物開始分解難礦化有機碳，分解速率下降[23]。Fanjul等[24]的研究也發現，顆粒新厚蟹的掘穴行為會增加土壤易分解有機碳的比例，加快有機碳的礦化作用，降低沉積物中碳的儲備能力。相關性分析結果顯示，稻蝦共作模式下土壤全磷與有機碳含量呈顯著(P<0.05)正相關，暗示土壤全磷的下降也可能是造成土壤有機碳下降的原因之一。土壤全磷的變動受溫度、降水[25]、溶解氧、pH，以及擾動[26]等的影響。大型底棲動物的擾動會使底泥中的顆粒磷再懸浮，增加了泥-水界面的磷交換，同時也加速了底泥間隙水擴散，增加磷向水體的釋放[26]。本研究中，RC1處理下試驗前后土壤全磷含量顯著下降，與小龍蝦的擾動會顯著增加土壤磷釋放一致。同時，土壤全磷的變化特點也有助于解釋小龍蝦田間擾動對土壤有機碳產生的影響。

表4稻蝦共作下土壤有機質、有機碳與土壤理化性狀的相關性

Table4Correlation analysis of soil organic matter， organic carbon and soil physical and chemical indexes in rice-crayfish coculture

指標IndexSOCSOMUEDHATPCATSLPTNH+4-NAKP/ALPPODSOM-0.846**UE0.583*-0.519DHA-0.450.549-0.661*TP0.655*-0.5520.386-0.129CAT0.274-0.1820.258-0.0860.534ALPT0.065-0.2110.367-0.781**-0.141-0.071NH+4-N0.467-0.582*0.335-0.632*0.594*0.1770.427AKP/ALP0.556-0.5130.761**-0.594*0.0550.2670.4120.219POD0.316-0.3230.729**-0.5370.2000.4680.2810.1780.648*CL-0.603*0.705*-0.4800.686*-0.3280.270-0.492-0.626*-0.293-0.259

**，P<0.01；*，P<0.05。下同。

**，P<0.01; *，P<0.05. The same as below.

表5水稻單作下土壤有機質、有機碳與土壤理化性狀的相關性

Table5Correlation analysis of soil organic matter， organic carbon and soil physical and chemical indexes in rice monoculture

指標IndexSOCSOMUEDHATPCATSLPTNH+4-NAKP/ALPPODSOM-0.367UE0.453-0.995**DHA0.720-0.5970.629TP0.798-0.7550.7830.996*CAT0.5910.465-0.376-0.077-0.017SLPT-0.8390.637-0.707-0.633-0.695-0.376NH+4-N0.112-0.8020.7950.2630.297-0.343-0.616AKP/ALP0.943-0.6530.7230.8510.8930.332-0.9290.404POD0.5500.575-0.494-0.0280.0100.945-0.177-0.6070.244CL-0.8110.829-0.880-0.846-0.883-0.1020.934-0.629-0.959*0.028

下土壤纖維素酶活性與土壤有機質含量呈顯著(P<0.05)正相關。

研究表明，長期淹水會降低土壤氧化還原電位，而土壤脫氫酶和氧化還原電位呈顯著正相關[27]。本試驗條件下，CK組土壤脫氫酶活性無顯著變化，但在RC3處理下，由于小龍蝦擾動對土壤通氣性的提升及對土壤氧化還原電位的改善[27]，土壤脫氫酶活性表現出升高趨勢。前人在對稻鴨、稻魚共作的研究中也有類似發現[28]。但綜合本研究結果來看，長期淹水的稻蝦養殖田仍存在一定的潛育化風險。

土壤中合適的C/N能有效促進土壤微生物生長，提高土壤酶活性，進而提升土壤的綜合肥力[29-30]。在本研究中，高C/N較低C/N組呈現出減緩土壤有機碳下降的趨勢，暗示調控土壤C/N是改善稻蝦共作土壤養分轉化、積累的一個可行手段。結合上文小龍蝦擾動對土壤磷釋放的促進作用，以及土壤理化性質與土壤酶的相關性分析，建議根據養殖動物的生活習性，合理調控氮磷肥的施用比例，改善土壤養分轉化，提高綜合肥力，這也是今后稻田綜合種養中亟須優化的關鍵技術之一。