稻鱉共作模式中的土壤養分動態變化及產量形成

楊飛翔，黃 璜，陳 燦，常培恩，歐林志

（湖南農業大學農學院，長沙410128）

土壤養分作為稻田土壤肥力的物質基礎，其豐 缺程度直接影響水稻生長及其產量水平，同時也是評價稻田土壤肥力水平的主要指標。水稻生長離不開養分支持，尤其是土壤中的氮、磷、鉀等關鍵元素［1］。在現代農業生產中，土壤中的養分通常通過化肥、廄肥或動物糞便來補充使其整個系統物質循環能持續進行。農田生態系統中尤其是稻田生態系統中，養分含量之間的互作效應機理復雜，且與外部環境、農田食物鏈都有一定的聯系［2］。由于人為因素，我國常規種植模式中，氮肥、磷肥使用量大，但利用率低［3］。化學肥料中部分氮素、磷素被水稻、土壤吸收利用外，大部分通過不同的方式如氣態損失、淋溶和地表徑流等途徑流失到環境中，對水體和大氣環境造成污染，如地表水的富營養化、地下水的硝酸鹽污染以及溫室效應等［4］。而在生態種養模式中，在免去人為干擾的同時，通過科學方法創造新型農田生態系統，使農田中的物質循環更合理、有序，并能促進養分吸收。本研究通過測定2個水稻品種稻鱉共作模式中頭季稻—再生稻各時期的稻田土壤有效養分、全量養分、有機質等關鍵指標動態變化，探究生態種養模式與一般種植模式中土壤養分變化規律及差異，并分析對比不同種植模式中的水稻產量，為稻田生態種養模式中的農田管理提供一定的科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 供試地點與材料

試驗于2018年在湖南省長沙縣明月村養分均勻的稻田進行。該地區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫16～18℃，≥10℃的年活動積溫5000～5500℃，無霜期260～320 d，年降雨量1200～1500 mm。試驗地土壤養分含量如表1所示。供試水稻品種為黃華占和Y兩優800，前茬作物為紫云英。

表1 試驗地土壤基本性狀Table 1 Physical-chemical properties of background soils in the study areas

1.2 試驗設計

試驗共設個4處理，兩個水稻品種黃華占（H）及Y兩優800（Y），兩個品種分別設置稻鱉共作模式（T）與常規單作模式（N）。試驗田總面積720 m2，每個處理面積為180 m2，每個處理用田埂分為3個小區，小區面積為60 m2。稻鱉共作模式小區中，四周開圍溝，寬1 m，深0.8 m。小區田埂使用防滲膜隔離，防止肥水串灌，插秧后一周投放中華鱉，中華鱉投放規格為200 g／只，中華鱉投放前用3%食鹽液浸泡15 min。小區四周搭建鈣塑板防逃，地上部高0.8 m，稍向田內傾斜，并于角落設置砂質露臺供鱉休憩曬背。9月份前（含9月）溝內每月1日清淤1次并將淤泥撒入田中，同時向溝中按1∶1施入2.5 t／hm2豬糞、雞糞兩種腐殖質培養浮游生物作為中華鱉食物來源之一。采用定時、定點、定質、定量的方式投喂飼料，上午8點及下午5點各投喂總飼料量的50%。飼料配方為80%玉米粉+20%油糠，每周投放1次福壽螺。試驗設計見表2。5月9日進行頭季稻移植，參照當地一般的基本苗密度，Y兩優800插2株／穴，黃華占插3株／穴，株距20 cm，行距25 cm。8月中旬收割頭季稻，留樁種植再生稻，所有處理在水稻的整個生育期間不施農藥和除草劑。頭季稻4葉期追施尿素100 kg／hm2，分蘗盛期追施復合肥500 kg／hm2，頭季稻收割前6 d施催芽復合肥160 kg／hm2。收割后3 d追施尿素160 kg／hm2。

表2 試驗處理概況Table 2 General situation of test treatment

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤養分變化動態測定

于水稻未翻耕前（4月15日，T1）、頭季稻分蘗期（5月20日，T2）、頭季稻幼穗分化期間（6月20日，T3）、再生稻幼穗分化期間（8月15日，T4）、再生稻灌漿后期（9月26日，T5）及再生稻收割期間（11月1日，T6），用S形5點取樣法取試驗田中表層土壤，取樣深度15 cm，自然風干后混勻，研磨過100目篩后自封袋保存。測定指標分別為全量氮（全N）、全量磷（全P）、堿解N、有效P、土壤有機質。各指標的測定方法如表3。

表3 樣品名稱、試驗指標及檢測方法Table 3 Sample measurement index and test method

1.3.2 水稻產量及產量構成因素測定

水稻成熟后，每個小區隨機選取3穴具有代表性的水稻（邊3行不取），統計有效穗數；脫粒后裝于小網袋中曬干，然后水選出實粒和秕粒，再分開曬干，統計實粒數與總粒數并計算出結實率；將實粒于70℃恒溫烘箱烘3 d，然后隨機取1000粒實粒樣本3份，得出千粒重。理論產量=單位面積有效穗數×穗粒數×結實率×千粒重。

每個小區選取有代表性且從未進行取樣處理的3個1 m×1 m面積大小的區域作為測產區，人工收割，脫粒、曬干，測量樣品重量和含水量，按標準含水量計算實際產量。

采用Microsoft Excel 2013制圖及數據處理，用SPSS19.0對數據進行分析，Duncan法進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 稻鱉共作對土壤對全N、全P含量的影響

稻鱉共作模式中，除一定的施肥投入外，人工投放的喂養飼料及腐殖質中含有大量的氮、磷等元素，飼料中一部分經中華鱉消化系統處理后排放到稻田中，未被取食部分則殘留在圍溝中，將圍溝中的淤泥撒入田面后，田間土壤的氮磷元素含量顯著提高。如表4、5所示，由T1至T2時期，各處理由于基肥的施入使全N、全P上升，但上升幅度不同，其中YT、HT處理上升幅度較大，而YN、HN僅小幅上升，各處理間全N、P含量無顯著差異。T2至T3時期，由于飼料殘留及中華鱉的代謝物的積累，稻鱉共作YT、HT的全N分別上升6.3%、6.9%，而常規單作YN、HN則分別下降3.3%、2.4%；YT、HT的全P分別上升5.8%、5.9%，YN、HN 則分別下降2%、1.4%，HT、HN間差異不顯著，而YT、YN間差異顯著，說明YN耗磷量較大。T3至T4時期為中華鱉生長活動的旺盛期，至T4時期時，稻鱉共作的YT、HT的全N含量較T1時期上升9.4%、9.7%，全P較T1時期分別上升14.7%、16%，而此時期YN、HN全N含量較T1時期分別下降5.1%、4.5%，全P含量分別下降6.9%、5%，在T4時期，經過一季水稻的吸收消耗，稻鱉共作模式與常規單作之間全N、全P差距達到最大值，在全N含量方面，YT較YN高14.9%，HT較HN高15.7%。在全P方面，YT較YN高15.3%，HT較HN高17.4%。T4至T5時期為再生稻抽芽、孕穗時期，各處理的全N、全P的含量進一步下降，其中稻鱉共作模式（HT、YT）的全N含量降幅較大，說明水稻對N的需求最大。在T5時期，稻鱉共作模式中全N的整體含量較高，與常規單作同時期相比，差異不顯著，同時期不同模式之間，稻鱉共作模式全P含量較高，且差異顯著。T6時期各處理的全量養分相對于T5時期均有所下降，其中YT、HT的全N、P含量下降幅度較大，YN、HN的全N、P含量下降幅度較小。至T6時期時各處理間的全量養分已無顯著差異，稻鱉共作模式土壤的全量養分（N、P）含量整體較高。

表4 水稻各時期的土壤全N含量變化 g／kgTable 4 Change of total nitrogen content in soil under different treatments

表5 不同處理下水稻各時期的土壤全P含量變化 g／kgTable 5 Change of total nitrogen content in soil under different treatments

2.2 稻鱉共作對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是土壤養分的重要指標，其膠體特性對土壤養分分解轉化和緩沖具有重要作用，同時也是土壤中各種元素特別是氮、磷的重要來源［6］。如表6所示，T1時期稻鱉共作（HT、YT）與常規單作（YN、HN）之間有機質含量均無顯著差異。T1至T2時期由于各處理在水稻種植前撒入等量基肥及紫云英還田等因素的影響，各處理間有機質含量呈上升趨勢，YT上升12.24%，YN上升6.4%，HT上升15.6%，HN上升8%，品種間不同種植模式差異顯著，不同品種相同種植時間無明顯差異。由T2時期直至T6時期，各處理間的有機質含量逐步下降，但稻鱉共作模式下（HT、YT）的土壤有機質持續高于常規單作模式（HN、YN）且差異顯著，其中HT整體較HN高約7%，YT整體較YN高約6.4%，YN在T4時期下降明顯。

表6 不同處理下土壤有機質含量變化 g／kgTable 6 Change of soil organic matter content under different treatments

2.3 稻鱉共作對稻田土壤有效養分含量的影響

有效養分作為可被水稻吸收的養分，直接影響水稻的生長發育狀況。如表7、8所示，T1時期各處理有效養分含量無明顯差異，此時期土樣為未翻耕田土（紫云英尚未還田），且未進行試驗處理，處理間差異主要受田塊自然養分分布影響。T2時期為水稻分蘗期，由于基肥的影響，各處理的堿解N含量均有所上升，稻鱉共作模式（HT、YT）相對于常規稻作模式（HN、YN），其含堿解N含量更高，但是差異不顯著，主要是因為稻鱉模式中撒入了豬糞、雞糞等所引起，而有效P含量有所下降，常規稻作模式（HN、YN）中由于養分輸入的途徑僅靠施肥，其含量與稻鱉共作模式（HT、YT）達到顯著差異水平。由T2至T3時期，為水稻生長旺盛時期，對養分及能量需求最大，各處理堿解N、有效P含量均有所下降，但稻鱉共作模式下，其堿解N、有效P含量相對更高，且差異顯著。T4至T6時期，土壤有效養分均逐步下降；到再生稻成熟時期（T6），稻鱉共作模式下的堿解N含量略高于T1時期，常規單作模式下的堿解N含量略低于T1時期，有效P含量相較T1時期有顯著下降，稻鱉共作模式（HT、YT）的有效P含量相對常規單作模式（HN、YN）較高，但差異不顯著。

表7 不同處理下土壤堿解N含量變化 mg／kgTable 7 Change of soil alkaline nitrogen content under different treatments

表8 不同處理的土壤有效P含量變化 mg／kgTable 8 Change of soil available phosphorus content under different treatments

2.4 稻鱉共作對水稻產量及產量構成因素的影響

由表9可知，黃華占的稻鱉共作模式頭季稻（HT）相較其常規單作模式（HN）產量高9.9%，兩者之間達到顯著差異水平，說明稻鱉共作模式對水稻增產有正向作用。在產量構成方面，HT的單位面積有效穗數、穗總粒數、穗實粒數較HN分別高5.1%、5.09%、5.38%，達到顯著差異水平，HN千粒重低于HT但差異不顯著，說明對于黃華占頭季稻而言，稻鱉共作模式能有效提高有效穗數、穗粒數和實粒數，并在一定程度上增加灌漿充實度，使產量增加。Y兩優800的稻鱉共作模式頭季稻（YT）的產量比其常規單作模式增加9.6%。在產量構成方面，YT與YN的千粒重與結實率無明顯差異，而YT單位面積有效穗數、穗粒數、實粒數較YN分別高4.97%、5.34%、4.82%，差異顯著，說明稻鱉共作模式能提高其穗粒數、實粒數及有效穗數，但在稻鱉共作模式中的結實率相對較低。

黃華占再生稻在稻鱉共作模式（RHT），相對于常規單作（RHN）產量增加12.4%，達到顯著差異水平。在產量構成方面，RHT的單位面積有效穗數比RHN高4.7%，達到顯著差異水平；RHT的穗粒數及實粒數也顯著高于RHN，但結實率更低；黃華占再生稻不同模式下千粒重差異不顯著。Y兩優800再生稻在稻鱉共作模式中（RYT）相較常規稻作模式的再生稻（RYN），產量提高7.7%。在產量構成因素方面，RYT的單位面積有效穗數顯著高于RYN，但穗粒數及結實率無明顯差異。

表9 稻鱉共作的水稻產量及產量構成因素Table 9 Effects of rice-turtle farming on rice yield and yield components

3 討論與小結

3.1 稻鱉共作對土壤養分變化動態的影響

在稻鱉復合種養系統中，有效養分的來源除了施肥及土壤原有養分外，還有人工投喂的飼料。有研究表明，稻田中養殖動物的分泌與排泄物中的氮元素有75%～85%都是以的離子態形態存在，而是水稻吸收氮元素的主要形式。稻魚共作中投喂的飼料中僅有11.1%的N和14.2%的P被魚所同化［6］，而玉米粉中含約4%的N，0.27%的P，油糠中含P量為1.82%，含N量為2.7%［7］。眾多學者對生態種養的土壤養分變化進行了大量研究，認為稻魚模式提高了稻田田面土壤有效P含量及水稻植株對P的吸收，而土壤全P有所增加［8］。本研究中，相對常規單作，稻鱉共作模式下水稻生育期間的土壤有效P含量更高，再生稻灌漿后期不同品種對有效P的吸收量亦有差異，土壤中全P含量亦有所提高，頭季稻成熟期兩種模式之間的全P含量差距最大（22.1%），與前人研究結果相似。本研究結果同時表明，在稻鱉共作系統中，土壤中的堿解N及全氮含量相較常規單作模式有所提高，與羅衡等［9］的研究結果相同。但羅衡等在堿性土壤的試驗中，有機質含量無顯著差異，與本研究有較大差異，可能由于投食內容及加入腐殖質不同所致。汪清［10］認為在稻田中引入動物后，動物的活動翻動了土壤，增加了土壤透氣性，促進了土壤微生物的活動，從而促進了土壤氧化還原反應，且能有效提升土壤有機質含量。本研究中，稻田土壤在引入中華鱉后，通過中華鱉的活動及投喂飼料與培養浮游生物的措施，在滿足中華鱉生活需要的同時，能增加土壤中的有機質含量，改善土壤環境。

3.2 稻鱉共作對水稻產量及產量構成因素的影響

稻鱉共作模式中，前期撒入豬糞、雞糞等，除了能為鱉培養浮游生物外，同時還能作為水稻基肥，增加了水體中的有機質及微生物數量及類型，有助于土壤無效養分轉化為有效養分。鱉投放后，鱉的活動有效控制了雜草及無效分蘗，避免了養分的浪費，有助于有效穗的形成，與趙靜［11］的研究結果相同。日常投放的飼料未被取食及取食后未被同化的部分被水體中浮游生物快速取食分解，成為水稻的養分來源。王夏雯等［12］的研究顯示，在水稻幼穗分化期，更高的速效養分含量使稻魚共作模式中的水稻在枝梗分化期及小穗原基分化期時間延長，有助于形成更多枝梗及穎花，表現為在后期增加穗粒數及實粒數。本研究中，黃華占、Y兩優800在頭季稻稻鱉共作模式中能使二者產量都有所增加，而作為雜交稻品種的Y兩優800產量更高。在產量構成因素方面，二者單位面積有效穗數及穗粒數均有所增加。

對于再生稻的產量及產量構成因素而言，何花榕等［13］的研究表明，養分供應特別是氮素供應與再生稻產量成正比，本研究中兩品種在稻鱉共作模式下，再生稻均有不同程度增產，與其研究結果相似。除養分因素外，再生稻發苗成穗率取決于頭季稻有效分蘗及收割后的天氣狀況，黃華占在溫度適宜且養分條件較好的情況下，RHT單位面積有效穗及實粒數相對RHN更高，增產明顯。Y兩優800再生稻抽芽期間逢低溫陰雨天氣，導致抽芽能力降低，再生葉片無法生長，導致其光合作用效率降低，物質吸收轉化能力降低從而使幼穗發育受限，兩種模式間的有效穗數及穗粒數無顯著差異。由于其頭季稻的單位面積有效穗較多，使再生稻的單位面積有效穗相對更高。本試驗說明，稻鱉共作模式有利于水稻增產。但在品種選擇時，應考量其生育期與當地氣候特征的適應程度，避免在再生茬抽芽期間遭遇低溫陰雨天氣。就湖南地區而言，應選擇生育期適中的一季稻品種。