稻鰍共作模式下不同施肥量對泥鰍生長和水稻產量的影響

袁 泉,呂巍巍,黃偉偉,孫小淋,呂衛光,周文宗

(上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海201403)

21 世紀以來,稻漁共作以其可以抑制病蟲害、節肥減藥、調節旱澇等多種優勢在全國范圍內迅速發展;稻漁共作的產品以其安全、高品質等特征受到消費者的青睞。 在當前倡導綠色農業生產的大背景下,提高水稻生產的肥料利用率,減少化學肥料的使用,對于節約資源、保護環境具有重大意義。 關于稻漁共作系統化肥減量效應已有諸多研究,普遍認為稻田綜合種養較水稻單作可以減少化肥的施用[1-4]。 Xie等[2]研究發現,稻魚共生系統較水稻單作系統可減少化肥用量24%;胡亮亮[5]研究發現,稻漁共作模式較水稻單作模式肥料投入量平均減少26.52%,其中稻鰍模式減少24.83%。 上述研究結果均通過野外充分調研獲得,對定量揭示稻漁共作模式的減肥效應具有一定的參考價值。 但目前大部分有關化肥減量的研究,或是生產經驗的總結,或是趨于理論分析,未從具體的施肥措施角度進行單因素對比研究。

泥鰍隸屬于鰍科泥鰍屬[6],是我國名特優淡水養殖品種之一[7]。 稻鰍共作模式是指在稻田中套養一定數量的泥鰍,利用稻魚之間互利共生功能,取得生態環保、高產高效的農業模式。 目前該模式在浙江、湖南、安徽、四川等省建立了核心示范區4 個,核心示范區面積180 hm2,示范推廣面積876 hm2[5]。 本研究利用因子分析方法,對不同減氮或減磷模式下的稻鰍共作系統綜合效益進行分析,探討稻鰍共作模式的化肥減量效應,以期為稻鰍共作模式的研究和推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在上海市農業科學院莊行綜合試驗站稻漁共作試驗小區開展。 該試驗小區為2016 年新開挖的試驗小區,每個小區面積為20 m2,溝渠面積占總面積的10%,水稻種植面積占總面積的50%,其他為田埂面積。 臺田上方布有防鳥網,進水口設有40 目(孔徑0.425 mm)濾網,排水口設有用40 目絹網制作的防逃網。 供試水稻品種是上海市青浦區農業技術推廣服務中心選育的‘青香軟梗’(滬農品審水稻2014第004 號)。 試驗泥鰍為上海市崇明區三星鎮泥鰍育苗基地提供的泥鰍幼魚。

1.2 試驗設計與方法

試驗設計9 個處理(表1),其中CK1 為無肥對照處理,CK2 為常規施肥處理,施氮量按照上海地區常規用量300 kg∕hm2(純氮),施磷量按常規用量192 kg∕hm2,每處理3 個重復,試驗處理在試驗小區內隨機排列。

表1 試驗處理及肥料用量Table 1 Experimental treatment and fertilizer dosage kg·hm -2

試驗時間為2017 年7 月至2018 年4 月,其中水稻生長期為2017 年7 月下旬至10 月下旬,于10 月23 日進行稻谷測產。 試驗于2017 年9 月初投放泥鰍幼魚,每個處理投放150 尾,其全長為(58.51 ±0.01)mm,體重為(0.96 ±0.44)g。 于2018 年4 月用地籠連續5 次捕撈各試驗小區泥鰍,測量每尾泥鰍全長和體重。 在水稻生長周期內,根據施肥情況定期對CK1 和T2 處理試驗小區溝渠水體采集混合水樣,根據《水和廢水監測分析方法(第四版)》測量總氮(TN)、總磷(TP)含量,現場使用便攜式水質分析儀(HACH HQ40d)測定溶解氧(DO)含量、氨氮(NH4+-N)含量和pH。2017 年7—11 月每3 d 按泥鰍初始體重3%投喂一次泥鰍配合飼料,其他時間因水溫低沒有投喂飼料。 配合飼料為顆粒飼料,蛋白質含量320 mg∕g。 水稻分蘗前,稻田水位控制在10 cm,以促進水稻生根分蘗;水稻分蘗后,拷田期間水位控制在5—10 cm,溝水位加深到80 cm。 在養殖過程中,經常加注新水,特別是在高溫季節。 草害防治采取人工除草,蟲害防治選用高效低毒低殘留的環境友好型農藥如康寬、拿敵穩等,整個試驗過程施農藥2 次。

1.3 數據處理與分析

所得數據使用Excel 2003 和SPSS 23.0 軟件進行統計分析,使用Origin 9.0 作圖。 各處理間進行單因素方差分析,使用新復極差檢驗(SSR 檢驗)對不同處理進行多重比較,P＜0.05 表示差異顯著;使用SPSS 23.0軟件對各指標平均值進行因子分析。

2 結果與分析

2.1 泥鰍收獲特征

經過6 個月的稻田養殖,泥鰍成活率和生長情況分別如圖1、圖2 所示。 由于樣本量較少,且樣本間數據離散程度較大,各處理泥鰍成活率在統計學上未呈現顯著性差異。 從圖1 可以看出,CK1 泥鰍平均成活率最高,T6 處理具有最大成活率;減磷處理(T4、T5、T6、T7)泥鰍平均成活率普遍高于減氮處理(T1、T2、T3);CK2 泥鰍平均成活率和最大成活率均最低。

從圖2 可以看出,T2 和T3 處理泥鰍體重顯著高于CK1。 與成活率相反,減氮處理(T1、T2、T3)泥鰍全長、體重普遍大于減磷處理(T4、T5、T6、T7)。 減氮處理泥鰍全長、體重隨減氮水平的增加而升高,減磷處理泥鰍全長、體重隨減磷水平的增加無明顯變化,且各處理泥鰍全長、體重數值的離散水平相近。

2.2 水稻收獲特征

單因素方差分析顯示,各處理間稻谷和稻稈產量均無顯著差異(表2)。 處理T3 稻谷產量最高,為6 850 kg∕hm2,CK1 稻谷(6 100 kg∕hm2)和稻稈產量均最低。 減磷處理(T4、T5、T6、T7)稻谷產量普遍高于減氮處理(T1、T2、T3)和常規施肥處理(CK2)。 減氮處理稻谷產量隨減氮水平的增加而升高,減磷處理稻谷產量隨減磷水平的增加無明顯變化。 從表2 可以看出,CK1、T1、T2、T3、T4 處理重復間稻谷產量離散程度明顯高于CK2、T5、T6、T7 處理,表明減磷20%、50%、100%處理稻谷產量較穩定。

表2 不同處理的稻谷和稻稈產量Table 2 Yield of rice and straw of different treatments kg·hm -2

2.3 溝渠水體理化環境變化特征

CK1 和T2 處理水體理化因子的對比監測結果如圖3 所示。 稻田溝凼里溶解氧含量為3.82—9.28 mg∕L,pH 為7.46—8.48,NH4+-N 含量為0.04—0.28 mg∕L,TN 含量為1.0—6.8 mg∕L;TP 含量為0.17—0.55 mg∕L。

與施肥前(7 月19 日)收集的數據相比,施肥后溶解氧、總氮含量相較于無肥處理均有大幅上升(圖3)。 水體pH 先下降后上升,7 月27 日監測結果顯示,T2 處理pH 顯著高于CK1。 水稻生長周期內,T2 處理水體總氮含量始終高于CK1。 高溫季節(8 月29 日監測),水體pH、溶解氧、TN、TP 含量均達到最低值,氨氮含量達到最高值,且T2 處理水體氨氮含量明顯高于CK1。 泥鰍放養后,水體溶解氧含量和pH均上升,CK1 水體pH 高于T2 處理;水體總氮含量有小幅上升;氨氮含量下降。

2.4 因子分析

公因子方差(表3)顯示,所有變量的共同度都在85%以上,因此按照默認數量提取出的公因子對各變量的解釋能力是較強的。 因子分析共提取出3 個主成分(表4),為了使提取出的公因子意義更明顯,進行了因子旋轉,旋轉后的總方差解釋和因子載荷矩陣如表4 和表5 所示。 由表5 可以看出,第一公因子(FAC1_1)在泥鰍全長、體重上有較大載荷,命名為泥鰍生長因子;第二公因子(FAC2_1)在泥鰍最大成活率、平均成活率上有較大載荷,命名為泥鰍成活因子;第三公因子(FAC3_1)在稻稈產量、稻谷產量上有較大載荷,命名為水稻產量因子。

表3 各項收獲指標的公因子方差Table 3 Common factor variance of each harvest index

考慮按各公因子對應的方差貢獻率比例為權數計算如下綜合得分Score=39.107∕94.346?FAC1_1 +29.680∕94.346?FAC2_1 +25.559∕94.346?FAC3_1。 根據綜合得分排序后的施肥方案如表6 所示。 減氮50%處理(T3)得分最高,其次是減磷50%處理(T6);無肥處理(CK1)得分最低,其次是常規施肥處理(CK2)。 泥鰍生長因子T3 處理貢獻最大,泥鰍成活因子CK2 貢獻最低,水稻產量因子CK1 貢獻最小。

表4 各項收獲指標的總方差解釋Table 4 Total variance explained of each harvest index %

表5 重排序后的旋轉成分矩陣Table 5 Rotated component matrix after reordering

表6 施肥方案的綜合排序Table 6 Comprehensive sequencing of fertilization schemes

3 討論

3.1 施肥對泥鰍存活和生長的影響

從泥鰍的成活率可以看出,稻田養殖泥鰍成活率較低,最高成活率未超過50%。 其中CK1 泥鰍的平均成活率最高,CK2 泥鰍的平均成活率最低,減氮和減磷各處理泥鰍平均成活率介于二者之間,說明施肥降低了泥鰍的成活率。 減磷各處理泥鰍成活率普遍高于減氮處理,說明施加氮肥對提高泥鰍成活率比施加磷肥更為重要。

泥鰍的生長情況與成活率大體成反比,即泥鰍成活率越高,其生長規格越小。 這一點符合水產動物的空間利用特征,具有普遍性規律,如河蟹養殖[13],即水產動物數量與其個體所平均擁有的餌料資源呈反比,進而影響其生長水平。 但值得關注的是減氮處理泥鰍全長、體重隨著減氮水平的增加而升高;減磷處理泥鰍全長、體重隨減磷水平的增加無明顯變化,且減磷處理泥鰍全長、體重數值的離散水平也相近,說明泥鰍的生長規格受氮肥的影響較磷肥影響大。 造成這一結果的原因有待進一步研究。

3.2 施肥對溝渠水體理化環境的影響

稻田施化肥對稻田水生生物的影響主要是通過水環境實現的。 從本研究所調查的理化環境指標結果可以看出,無肥處理在高溫季節解溶氧含量低至3.82 mg∕L,而泥鰍池溶解氧含量需保持在4 mg∕L 以上才可保證泥鰍正常生長[8],說明不施化肥的稻田養殖水體在高溫期間可能對水生動物存在短期或長期的低氧脅迫。 施化肥之后,溶氧含量明顯高于無肥處理,高溫季節溶解氧含量可達5.47 mg∕L 以上,但氨氮含量達到0.28 mg∕L,說明施化肥可能對水生動物存在短期或長期的氨氮脅迫,而氨氮脅迫會對泥鰍鰓組織和肝細胞結構造成不可逆損傷[9];施化肥過后TN 含量明顯升高,且pH 顯著高于無肥處理,呈弱堿性。氮磷是浮游藻類生長的主要限制因子,當N∕P 比低時,藍藻生長較快[10],且藻類在堿性環境中光合作用會增強[11],因此施化肥可能造成浮游植物尤其是藍藻等藻類的短期大量生長,這可能是施肥處理溶解氧含量高的主要原因之一。 張云龍等[12]研究表明,泥鰍魚苗在清水下塘時的成活率顯著高于肥水下塘。 由此可見,稻田施化肥在高溫季節容易造成養殖水體環境惡化是造成泥鰍幼魚放養后大量死亡的可能原因之一。

3.3 化肥減量對水稻產量的影響

從本研究可以看出,化肥減量對水稻產量無顯著影響,應證了諸多學者對稻漁共作模式的研究結果:稻漁共作在不降低水稻產量的前提下,能夠降低化肥的使用[1-2,14]。 但這并不表示不需要施加任何化肥,從本試驗結果發現,施肥各處理稻谷和稻稈產量均高于無肥處理,說明在稻鰍共作模式中施加一定量的化肥仍是有必要的。 目前,僅有報道稱稻鱉共生系統中實現化肥零添加,可保證水稻穩產在7 500—8 250 kg∕hm2[15]。

本研究發現,減磷各處理稻谷產量整體高于減氮各處理及常規施肥處理,且重復間離散水平較低,水稻產量較穩定,說明氮肥減量較磷肥減量更能影響水稻的產量,這與氮對水稻產量的影響大于磷這一普遍規律一致[16]。 本研究值得探討的一點是稻谷產量隨著減氮水平的增加而增加,稻稈產量卻隨著減氮水平的增加而呈下降趨勢。 Mirhaj 等[3]研究表明,隨著施肥量從(41.18±5.57)kg∕hm2增加至(57.07 ±3.62)kg∕hm2,水稻籽粒氮含量沒有顯著增加,而由莖和葉組成的稻草氮含量顯著增加。 因此,隨著減氮水平的增加,稻稈受氮肥的影響可能較大,其產量或呈下降趨勢。

4 結論

如何實行化肥減量的同時保證水稻產量是當前農業面源污染研究中的熱點問題,主要措施有化肥減量配施有機肥[17-18]和稻田綜合種養[1]。 本研究通過因子分析發現,稻鰍共作模式下減氮50%(純氮150 kg∕hm2)的綜合效益最好,而CK1 和CK2 的綜合效益較差。 結合上述研究認為:在稻鰍共作模式中,實現化肥零添加和按照常規稻田施肥均是不可行的,應在實行化肥減量保證水稻穩產的同時,提高泥鰍成活率和生長規格,其中氮肥減量帶來的綜合影響大于磷肥減量,以減氮50%(純氮150 kg∕hm2)綜合效益最好。