稻田不同種養(yǎng)模式對土壤肥力的影響

孟祥杰，黃 璜，陳 燦，王 忍

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

我國有著悠久的稻田生態(tài)種養(yǎng)歷史，據(jù)相關(guān)資料考證，稻田養(yǎng)魚東漢時已經(jīng)出現(xiàn)[1]，春秋戰(zhàn)國時期因“滅蝗”形成了稻田養(yǎng)鴨模式[2]。勞動人民在長期實踐中，逐漸形成了豐富多樣的稻田生態(tài)種養(yǎng)模式，如稻田養(yǎng)雞、稻田養(yǎng)泥鰍、稻田養(yǎng)黃鱔、稻田養(yǎng)鱉等。截至2018 年，我國稻田生態(tài)種養(yǎng)面積達(dá)187 萬hm2[3]。稻田生態(tài)種養(yǎng)優(yōu)勢巨大，可在一定程度上控草防病[4-7]，有效地減少農(nóng)藥、化肥的施用，提高稻米品質(zhì)[8-11]，生產(chǎn)綠色無公害的有機(jī)產(chǎn)品，符合當(dāng)代消費(fèi)者追求健康的理念；同時，稻田生態(tài)種養(yǎng)能有效提高資源利用率，實現(xiàn)“一水多用，一田多產(chǎn)”，并增強(qiáng)土壤肥力，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境[12]，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用；稻田生態(tài)種養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，有利于促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收，符合“藏糧于技，藏糧于地”的戰(zhàn)略要求，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

研究表明，稻田生態(tài)種養(yǎng)可改善土壤肥力性狀及土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分含量。例如，稻蝦種養(yǎng)模式可改變土壤緊實度、土層的團(tuán)聚體分形維數(shù)等，達(dá)到改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤養(yǎng)分的目的[13]；稻鴨種養(yǎng)模式可降低土壤容重，增加土壤總孔隙度及非毛孔孔隙度，提高微生物活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[14]；稻田養(yǎng)蛙模式可增加土壤微生物數(shù)量及活度，促進(jìn)磷的轉(zhuǎn)化，提高土壤磷的供應(yīng)力[15]。

因土壤肥力評價因素較為復(fù)雜，通過建立合理的隸屬度函數(shù)進(jìn)行分析，可保證分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。土壤是一種客觀存在的因子，在不考慮與外界因素之間的聯(lián)系時，土壤肥力就是一個獨(dú)立的客體。現(xiàn)實生產(chǎn)中，土壤肥力受到農(nóng)田耕作模式、土壤質(zhì)地、地形、生物等有關(guān)因素的影響，土壤肥力就成為一個復(fù)雜且模糊的系統(tǒng)，對土壤肥力的判斷就會模糊不定。筆者利用模糊數(shù)學(xué)的方法對稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤肥力變化影響進(jìn)行研究，并對土壤肥力進(jìn)行綜合評價，以期了解和判斷不同種養(yǎng)模式下稻田土壤肥力狀況，為合理安排稻田種養(yǎng)模式提供基礎(chǔ)。

1 方法與模型

1.1 參評因子的選取

土壤肥力包含的內(nèi)容十分豐富，包括質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等物理因素，有機(jī)質(zhì)、全氮等化學(xué)因素以及土壤微生物等生物因素。該研究選擇容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀這6 項具有代表性的評價指標(biāo)在對土壤肥力進(jìn)行綜合評價。

1.2 各肥力指標(biāo)隸屬函數(shù)的確定及隸屬值的計算

綜合前人研究[16-17]，利用模糊統(tǒng)計方法，根據(jù)評價指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)系建立隸屬函數(shù)。土壤肥力指標(biāo)中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的隸屬函數(shù)模型為S型，pH 值、土壤質(zhì)地和土壤微量元素的隸屬函數(shù)為拋物型，將S 型曲線及拋物線轉(zhuǎn)化為折線形式，通過相應(yīng)隸屬函數(shù)[18]，算出相應(yīng)的隸屬度ωi。

1.3 確定權(quán)重系數(shù)

結(jié)合前人研究[17]，采用因子分析，計算各指標(biāo)成分的特征根和貢獻(xiàn)率，再由公因子方差計算出評價指標(biāo)的權(quán)重。將各指標(biāo)的權(quán)重值寫成矩陣形式，Ni={a, b, c, d, e, f, g}。

1.4 計算土壤肥力綜合指標(biāo)

按照公式（2）計算土壤肥力綜合指標(biāo)，根據(jù)最大隸屬度原則，土壤肥力綜合指標(biāo)的值越大，表明土壤綜合肥力越高。

式中：FI 為土壤肥力綜合指標(biāo)，Mi為各指標(biāo)隸屬度的值，Ni為各指標(biāo)的權(quán)重值。

1.5 數(shù)據(jù)收集

采用GetData Graph Digitizer 軟件提取文獻(xiàn)[19-28]中的數(shù)據(jù)，篩選不同地區(qū)稻田生態(tài)種養(yǎng)模式中水稻成熟期的土壤肥力指標(biāo)并進(jìn)行整合，建立數(shù)據(jù)集合（見表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 隸屬度值

稻魚處理中的有機(jī)質(zhì)含量為22.17 g/kg，代入公式（1）中，可得出稻魚模式中有機(jī)質(zhì)的隸屬度為0.53，同理，可以求出其他模式下各肥力指標(biāo)的隸屬度值，如表2 所示。

表1 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下的土壤肥力

經(jīng)過計算可得知，速效磷、速效鉀的平均隸屬度最小，分別為0.52 及0.58，為不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的限制因子，總氮、土壤容重的隸屬度最大，分別為0.81 和0.84，對土壤肥力影響最小，說明不是限制因子。由圖1 可知，土壤容重、全氮、有機(jī)質(zhì)的隸屬度值大于堿解氮、速效磷及速效鉀的數(shù)值，說明土壤肥力指標(biāo)中土壤容重、全氮、有機(jī)質(zhì)的肥力水平大于堿解氮、速效磷及速效鉀的肥力水平。稻蛙的隸屬度平均值高于其他生態(tài)種養(yǎng)模式，說明稻蛙的土壤肥力水平高于其他模式下的土壤肥力水平。

表2 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力平均隸屬度值

圖1 土壤肥力各個指標(biāo)隸屬度

2.2 權(quán)重系數(shù)

計算各個指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)，結(jié)果如表3 所示。

表3 土壤肥力各個指標(biāo)的均值、方差及變異系數(shù)

根據(jù)上述計算得到的變異系數(shù)，進(jìn)行歸一化處理，可以得到各指標(biāo)的權(quán)重，N={0.09，0.09，0.11，0.21，0.31，0.19}。

2.3 土壤肥力指標(biāo)

根據(jù)公式（1）計算土壤肥力綜合指標(biāo)（FI），得到稻金魚、稻蛙、稻蟹、稻蝦和稻鴨5 種稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的FI 分別為0.577、0.740、0.555、0.728 和0.734。

速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的主要因子。5 種模式下土壤肥力水平為稻蛙＞稻鴨＞稻蝦＞稻金魚＞稻蟹，說明稻蛙、稻蝦及稻鴨種養(yǎng)模式下的土壤肥力水平較高，稻蟹、稻金魚模式下的土壤肥力水平較低。

3 結(jié)論與討論

對不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)分析，得出如下結(jié)果：（1）速效磷、速效鉀、堿解氮是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的主要因子；（2）土壤肥力水平總體呈現(xiàn)稻蛙＞稻鴨＞稻蝦＞稻金魚＞稻蟹；（3）速效磷、速效鉀的平均隸屬度最小，為不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的限制因子，土壤肥力指標(biāo)中土壤容重、全氮、有機(jī)質(zhì)的肥力水平大于堿解氮、速效磷及速效鉀的肥力水平。綜上所述，速效養(yǎng)分是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的主要限制因子，稻金魚和稻蟹的土壤肥力水平較低，在實際生產(chǎn)中應(yīng)注意增施有機(jī)肥和緩效肥以保證土壤中速效養(yǎng)分的供給，尤其是稻金魚和稻蟹生態(tài)種養(yǎng)模式下應(yīng)重點關(guān)注其施肥方式和施肥水平。

速效磷、速效鉀、堿解氮是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)土壤肥力的主要因子。磷在土壤中溶解度低、移動性差，磷元素不同形態(tài)間的轉(zhuǎn)換受自然因素及人為因素的影響：土壤pH 值及有機(jī)質(zhì)含量會影響土壤中速效磷的含量，土壤pH 值在6.5～7.5 范圍時，土壤中有效磷的含量最高[29]，土壤中有機(jī)質(zhì)與土壤速效磷呈現(xiàn)正相關(guān)。稻蟹及稻魚系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)含量偏低，速效磷含量偏低，與前人研究一致。土壤中速效鉀的含量與土壤母質(zhì)、氣候、鉀肥的應(yīng)用有關(guān)[30]。在實際生產(chǎn)中，可以施用生石灰調(diào)整土壤的酸堿度，促進(jìn)土壤中磷的轉(zhuǎn)化；另外，可以通過施肥的方式提高土壤中速效磷、速效鉀、堿解氮的含量，進(jìn)一步提高土壤肥力。

稻蛙、稻蝦及稻鴨種養(yǎng)模式下的土壤肥力水平較高，稻蟹、稻金魚模式下的土壤肥力水平較低。在稻田生態(tài)種養(yǎng)中，稻田中飼喂的動物會對微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響[20]，在某種程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[21-22]。例如，稻田中的鴨、魚、蟹、蛙等動物通過日常活動增加稻田中空氣的流動性，同時疏松土壤，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的礦化分解和養(yǎng)分釋放，同時，田間動物的代謝產(chǎn)物會增加土壤中有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分的含量。