魚排泄物與分泌物對水稻土壤酶活性及土壤養分的影響

丁姣龍，陳 璐，王 忍，陳 燦, 2，黃 璜, 2

(1.湖南農業大學農學院，中國 長沙 410128；2.湖南省稻田生態種養工程技術研究中心，中國 長沙 410000)

稻田養魚是我國的傳統稻田養殖技術[1]。對于稻魚共生系統的研究，主要聚焦于提高養魚產量方面的技術性工作，如共生田的工程建設、放養密度與魚苗品種搭配、飼養方法、魚病防治等[2]。也有少數關于稻田養魚模式對土壤環境的影響[3-5]，但尚未形成系統理論體系。土壤酶是土壤的重要成分之一，參與土壤中所有復雜的生化過程，對土壤的營養物質轉化、養分固定與釋放起關鍵作用，與土壤的供肥能力緊密相關，是目前評價土壤肥力變化的一項重要指標[6-8]。適宜的土壤養分可促進水稻根系的生長發育，是影響水稻生長發育的重要因素[9]。本文通過室內模擬稻魚共生系統，排除魚類活動的影響因子，分類探討魚類排泄物和溶于水體的分泌物對土壤酶活性和土壤養分的影響，為探究稻魚生態種養模式下的生態效益及其深層機理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種為中早35；排泄物來自草魚，采集于養殖草魚的魚塘：每天早晚兩次投放雜草等飼料，喂食1～2 h后，用魚網打撈浮于水面的團狀排泄物并收集于水桶中；魚池水來自湖南農業大學校園內魚池，每天用水桶取水一次，魚分泌物溶于魚池水中，采集后伴隨魚池水施入供試土壤。試驗土壤為紅黃泥，采集于湖南農業大學耘園試驗基地，前茬作物為水稻。土壤pH值5.6，有機質2.7 mg·g-1，全氮 1.02 mg·g-1，全磷0.94 mg·g-1，全鉀45.68 mg·g-1，堿解氮69.23 μg·g-1，速效磷50.05 μg·g-1，速效鉀11.2 μg·g-1。經風干后的土壤過5 mm孔徑篩網，充分混合裝入直徑50 cm，高40 cm的桶中，于2019年7月1日進行直播，10月21日收割。

1.2 試驗設計

試驗共設計3個處理，每個處理30盆，分別為完全模擬稻魚共生(施加魚排泄物+魚池水灌溉，MP)、半模擬稻魚共生(施加魚排泄物+自來水灌溉，MW)和常規單一栽培(不施加魚排泄物+自來水灌溉，CK)。MP與MW以腐熟魚糞作為基肥，每30 d施用一次生石灰，水稻全生育期內不使用任何化肥、除草劑等化學品。根據稻田養魚的密度和草魚的排泄量，每兩天施加一次排泄物，每盆約施加120 g。MP全程使用魚池水進行灌溉，MW用自來水灌溉，水面高度均按照稻田養魚的技術要求保持。CK組則以復合肥為基肥，9月1日施用尿素作為追肥，按常規水稻栽培進行操作。

1.3 測定指標與方法

土樣采集：約每30 d取樣一次，取樣日期分別為7月11日(苗期)、8月11日(孕穗期)、9月11日(齊穗期)和10月21日(完熟期)，每次從同一處理組中隨機抽取5盆進行取樣，取樣深度為10～20 cm，土樣充分混合后裝袋、封口并做好標記，帶回實驗室進行處理。

土壤酶活性：采用苯酚鈉一次氯酸鈉比色法測定脲酶活性、滴定法測定過氧化氫酶活性，蔗糖酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法測定[10]。

魚排泄物與分泌物對土壤酶活性影響指數:

影響指數=(b-a)/a×100%，

其中:a為CK處理的土壤酶活性；b為MP或MW處理的土壤酶活性。

評價標準:影響指數>0，起促進作用；影響指數<0，起抑制作用。

土壤全量養分：采用濃硫酸消煮—流動分析儀法測定土壤全氮、全磷含量；濃硫酸消煮—火焰光度法測定土壤全鉀含量[11]。

抽穗期至灌漿成熟期的葉綠素含量：80%的水稻抽穗至水稻完熟(9月20日至10月18日)，在此期間每隔7天用SPAD儀測定一次劍葉的葉綠素含量。

1.4 統計分析

數據用SPSS 19.0進行方差分析，不同處理間采用Duncan’s新復極差法進行多重比較，繪圖軟件為OriginPro 2018和Excel軟件。

2 結果與分析

2.1 魚排泄物與分泌物對土壤酶的影響

2.1.1 魚排泄物與分泌物對過氧化氫酶的影響 過氧化氫酶是土壤中促進多種化合物氧化的一種氧化還原酶，參與土壤中的物質和能量轉化，其活性的高低影響土壤肥力。由圖1可知，7月11日，CK處理的過氧化氫酶活性顯著高于MP及MW處理；8月11日，MP和MW處理的過氧化氫酶活性提高，顯著高于CK處理，MP與MW間無顯著差異；9月11日，3個處理的過氧化氫酶活性均有所降低，3個處理間表現出顯著差異，其中MW最高，MP和CK處理降至最低值，分別為0.32和0.11；10月21日，3個處理間的過氧化氫酶活性具有顯著性差異，表現為MW>CK>Mp。

由此可見，魚的排泄物和其溶于水體的分泌物均可提高土壤過氧化氫酶活性，二者的作用效果相差不大，均能使土壤過氧化氫酶在全生育期內維持較高水平的酶活性。

2.1.2 魚排泄物與分泌物對脲酶的影響 土壤脲酶活性與土壤供氮能力有密切關系，一定程度上反映了土壤肥力情況[12]。圖2表明，7月11日，3個處理間土壤脲酶活性的差異顯著，表現為MW>CK>MP；8月11日，MP和CK處理的土壤脲酶活性提高，顯著高于MW處理；9月11日，3個處理間表現出顯著差異，MW處理的土壤脲酶活性最高，其次為MP，CK處理的土壤脲酶活性最低；10月21日，MP和MW處理的土壤脲酶活性顯著高于CK處理，分別是CK的2.25倍和1.75倍。

隨著水稻生長，土壤脲酶活性呈下降趨勢。在水稻生長后期，魚排泄物與其溶于水的分泌物均對土壤脲酶活性有明顯提升。其中，MW(僅施用魚排泄物)的土壤脲酶活性在水稻全生育期維持較穩定水平，可見魚類排泄物能使土壤脲酶保持較高活性。總體而言，魚類的加入能顯著提高稻田土壤脲酶活性，尤其在完熟期，對維持脲酶活性、保持土壤供氮能力起到重要作用。

圖1 不同處理對過氧化氫酶活性的影響Fig. 1 Effects of different treatments on soil catalase activity

圖2 不同處理對脲酶活性的影響Fig. 2 Effects of different treatments on soil urease activity

圖3 不同處理對蔗糖酶活性的影響 Fig. 3 Effects of different treatments on soil sucrase activity

2.1.3 魚排泄物與分泌物對蔗糖酶的影響 蔗糖酶是土壤中分布較廣的一種土壤酶，能直接參與土壤中的有機質代謝，常被用于評價土壤肥力的指標之一。如圖3所示， 各時期、各處理間的土壤蔗糖酶活性均存在不同程度的差異。7月11日，3個處理間的土壤蔗糖酶活性具有顯著性差異，MW處理的蔗糖酶活性最高，MP處理最低；8月11日，MP和MW處理的蔗糖酶活性降到最低值，MP低于MW，顯著低于CK處理；9月11日，MP處理的土壤蔗糖酶活性與其他兩個處理沒有顯著差異，MW處理的該酶活性顯著高于CK處理；10月21日，3個處理間的土壤蔗糖酶活性出現顯著差異，表現為MW>MP>CK。

結果表明魚排泄物和分泌物均能在水稻生長后期明顯提高該酶活性，排泄物的作用更顯著。

2.1.4 魚類排泄物及分泌物對土壤酶的影響對比 如表1和表2所示，7月11日，MP處理抑制了3種土壤酶的活性，MP和MW處理均是對過氧化氫酶活性的抑制率最高；8月11日，MP和MW處理均為對過氧化氫酶活性的促進率最高，對蔗糖酶活性的抑制最大；9月11日，MP和MW處理對3種土壤酶都起促進作用，且都表現為對過氧化氫酶活性的促進率最高，分別為191%和254%；10月21日，MP處理對脲酶活性和過氧化氫酶活性的促進率均高于MW處理，分別為125%和122%，MW處理對3種酶均起促進作用，表現為過氧化氫酶>脲酶>蔗糖酶。

2.2 魚類排泄物及分泌物對土壤養分的影響

2.2.1 不同處理對土壤全氮含量的影響 如圖4，在7月11日，MP處理的土壤全氮含量顯著低于CK和MW， 8月11日，MP處理的土壤全氮含量上升，顯著高于CK與MW；在9月11日，CK處理的土壤全氮量降至最低，為0.89 mg·g-1；10月21日各處理的土壤全氮量差異顯著，表現為MW>MP>CK，MP和MW處理的土壤全氮量分別為CK的1.24倍和1.33倍。

表1 MP對土壤酶的影響指數 單位：%

表2 MW對土壤酶的影響指數 單位：%

2.2.2 不同處理對土壤全磷含量的影響 如圖5所示，7月11日至8月11日，各處理土壤全磷量的變化幅度不大，處理間具有顯著差異，表現為MP>CK>MW；在9月11日，CK和MP處理的土壤全磷量均降至最低，分別為0.82和0.85，MP和MW處理均顯著高于CK；10月21日，各處理間的土壤全磷量差異顯著，MP的土壤全磷量最高，為0.89。總體而言，MP處理的土壤全磷量在各個時期都高于CK。

圖4 不同處理對土壤全氮含量的影響Fig. 4 Effects of different treatments on soil total nitrogen

圖5 不同處理對土壤全磷含量的影響Fig. 5 Effects of different treatments on soil total phosphorus

2.2.3 不同處理對土壤全鉀含量的影響 圖6表明，7月11日各處理間的土壤全鉀量無顯著差異；8月11日CK的土壤全鉀量降到最低值，為41.7 mg·g-1，顯著低于MP和MW；9月11日MP和MW處理的土壤全鉀量有所降低，顯著低于CK；10月21日MP和MW的土壤全鉀量變化不大，CK的土壤全鉀量有所降低，顯著低于MP和MW。

2.3 不同處理下水稻齊穗期至灌漿期的葉綠素變化

如圖7所示，MW處理的葉綠素含量顯著低于CK和MP處理，MP處理的葉綠素含量與CK無明顯差異；10月4日～10月18日，MW處理的葉綠素含量下降速度最快。

圖6 不同處理對土壤全鉀含量的影響Fig. 6 Effects of different treatments on soil total potassium

圖7 齊穗期至灌漿期的葉綠素含量變化Fig. 7 The change of chlorophyll content during filling stage

3 討論

傳統單一稻作系統的生產結構單一，系統內部的物質循環與能量流動需依賴外界投入的化肥、農藥等才能順利進行，系統的自我調節能力較差，然而濫用化肥已成為我國現階段農業生產面臨的突出問題[13]。稻魚共生生態系統通過加入魚類形成多級食物鏈，提高了稻田的自我調節能力。

1)對土壤酶的影響 本研究顯示魚類排泄物以及其分泌物對土壤酶活性有不同程度的影響，特別是在水稻生長后期。從水稻抽穗至灌漿成熟，MP和MW處理顯著提高了脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性，結果均顯著高于CK，與孫剛[14]等人研究結果一致。稻魚共生期間，營養元素隨著魚的排泄及分泌活動不斷擴散到水和土壤中，改變了土壤生態環境，從而影響了土壤酶活性。過氧化氫酶可以分解過氧化氫，進而減輕其對植株根系的毒害[15]。研究結果顯示魚類排泄物的加入顯著提高了過氧化氫酶的活性，說明稻魚共生模式可能有助于水稻根系的生長發育，從而影響到其產量、品質等。脲酶的酶促反應產物氨是植物氮源之一，其活性受到土壤尿素含量的影響。研究表明，苗期后，MP處理的脲酶活性均顯著高于CK，原因在于魚排泄物增加了土壤中含氮化合物。蔗糖酶參與土壤中碳水化合物的轉化，土壤肥力越高該酶活性越強[16]。試驗結果顯示，水稻收割后MP和MW處理的蔗糖酶活性顯著高于CK，說明稻魚共生能一定程度地提高土壤肥力。

2)對土壤全量養分含量的影響 在水稻生長后期，MP與MW的土壤全氮含量均顯著高于CK，與土壤脲酶活性的結果相符，說明魚的排泄物與分泌物能為水稻生長提供氮素營養，稻魚共生起到不間斷施肥的作用。MW的土壤全磷含量低于MP和CK，表明磷素營養主要來源于魚溶于水的分泌物，具體機理還有待進一步研究。土壤全鉀含量的結果顯示，魚排泄物與分泌物能在水稻成熟期為水稻生長提供鉀。結合土壤全量養分的結果，可說明稻魚共生能在一定程度上提高土壤肥力。

3)對水稻生理特性的影響 對比水稻灌漿期葉綠素含量的變化發現，MP處理的葉綠素含量下降較為平緩，與CK近似。葉綠素是植物光合作用的主要參與物質，其含量通過影響植物體內的有機物質積累，對植物的長勢起重要作用[17]。葉綠素含量受到肥料種類、施肥方式等因素的影響[18-20]。完全模擬稻魚共生(MP)在不施加化肥的情況下能保持較高的葉綠素含量，使水稻在灌漿期間保持良好的光合能力，進而可為籽粒灌漿提供足夠能量，有助于保證水稻產量和品質的穩定。

4 結論

1)魚排泄物與分泌物能使土壤養分含量維持較高水平。水稻收割后，MP處理的土壤全氮、全磷、全鉀含量均高于CK處理。

2)魚排泄物與分泌物的加入提高了土壤酶活性，水稻收割后，MP與MW處理的過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性均顯著高于CK。

3)影響指數表明，魚類排泄物和溶于水的分泌物都對脲酶和過氧化氫酶活性起到促進作用，其中分泌物的作用更為顯著。MP的促進率分別達到10%～125%和70%～75%，MW的促進率分別達到10%～125%和106%～254%。