稻鰍共作模式對土壤營養(yǎng)、酶活性及微生物多樣性的影響

鄧時銘 何志剛 鄒利 劉麗 李金龍 鄭夢婷 蔣國民 王冬武 劉曉燕

摘要：為探明稻鰍共生對稻田土壤表層養(yǎng)分、酶活性和微生物的影響，測定了稻鰍共生前后土壤的主要氮、磷、鉀、酶活性和微生物多樣性的變化，并以施肥和施藥的稻田為對照。結(jié)果顯示，稻田養(yǎng)殖泥鰍，土壤表層微生物豐度Chao指數(shù)和多樣性Shannon指數(shù)明顯上升，增加5門735屬，對照田變化不明顯;稻鰍田中性磷酸酶、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性極顯著低于對照田（P<0.01），脲酶和蔗糖酶活性極顯著高于對照田（P<0.01），使得稻鰍田土壤磷肥出現(xiàn)累積，鉀肥變化不明顯，氮肥和有機質(zhì)明顯下降。因此，稻鰍共生模式豐富了稻田土壤表層微生物群落構(gòu)成，提高了酶活性，促進了營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、循環(huán)與利用。

關(guān)鍵詞：稻鰍共作模式;土壤微生物;土壤養(yǎng)分;土壤酶

中圖分類號：S181;S964.2?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）17-0216-04

收稿日期：2020-11-16

基金項目：湖南省科技重大專項（編號：2017NK1030）;湖南省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新資金（編號：2017XC02）。

作者簡介：鄧時銘（1974—），女，湖南祁東人，碩士，副研究員，主要從事水產(chǎn)養(yǎng)殖研究。E-mail：976222@qq.com。

通信作者：王冬武，碩士，研究員，主要從事稻漁綜合種養(yǎng)技術(shù)研究，E-mail：1309128968@qq.com;劉曉燕，博士，教授，主要從事魚類病害研究，E-mail：1176450971@qq.com。

臺灣泥鰍別稱大鱗副泥鰍，生命力強，好鉆泥，耐低氧，生活水域廣，食性雜，肉質(zhì)細嫩、味道鮮美，蛋白質(zhì)含量高達18%～20%，富含不飽和脂肪酸，是具有一定藥用功能的強身食品，很受人們青睞，現(xiàn)已暢銷國內(nèi)外，是我國出口水產(chǎn)品之一[1]。目前我國泥鰍以高密度池塘養(yǎng)殖為主，但水質(zhì)易污染，機體易患病，產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此，將宜在水位較淺的肥水水域生活的泥鰍[2]，進行稻田養(yǎng)殖探究。

我國有著悠久的稻田養(yǎng)魚歷史，是世界上最早開展稻田養(yǎng)魚的國家，到2019年，我國稻漁綜合種養(yǎng)面積達231萬hm2，而稻鰍養(yǎng)殖占比較小（1.94%）[3]，稻鰍養(yǎng)殖研究也主要集中在養(yǎng)殖技術(shù)[4-5]及經(jīng)濟效益方面[6]，對稻鰍養(yǎng)殖田的肥力、微生物群落多樣性及功能等方面的探究較少。

土壤微生物是土壤環(huán)境中重要的生物，對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)起到重要作用，也是評價土壤質(zhì)量的一個重要指標[7]。研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥可降低土壤微生物數(shù)量[8]，農(nóng)藥的使用對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定的影響[9]。本研究在湖南省益陽市南縣紅旗橋金水灣選擇4塊田進行稻鰍生態(tài)養(yǎng)殖試驗，不施肥，不施藥，通過采集稻田土壤泥樣，檢測分析土壤理化性質(zhì)、酶活性及微生物構(gòu)成等指標，比較分析稻鰍共生模式下土壤養(yǎng)分及微生物群落的變化，旨在探索稻鰍共生模式對土壤的影響，以期為稻鰍養(yǎng)殖提供技術(shù)支撐，為我國稻漁綜合種養(yǎng)的持續(xù)健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗田設(shè)計

養(yǎng)殖試驗地點位于湖南省益陽市南縣的金水灣基地（112°10′53″～112°49′06″E、29°03′03″～29°31′37″N），為過渡性亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗田共4塊：1塊為對照田（RM），水稻單作模式;3塊為試驗田（RL1、RL2、RL3），稻鰍共生模式，內(nèi)有環(huán)溝。

1.2 試驗材料

水稻品種農(nóng)香32由湖南省水稻研究所提供。泥鰍為大鱗副泥鰍，鯉形目鰍科副泥鰍屬，規(guī)格為（5.36～5.64） g/尾。

1.3 泥鰍放養(yǎng)

待禾苗返青后，隨機挑選大小均勻、體質(zhì)健壯、體表無傷、室外暫養(yǎng)10 d的泥鰍進行放養(yǎng)，試驗田RL1、RL2、RL3分別放養(yǎng)15、20、25 kg，養(yǎng)殖密度分別為29.43、39.24、49.04 kg/667 m2。

1.4 試驗田管理

泥鰍放養(yǎng)第3天開始投喂膨化配合飼料（34%CP），日投餌量為泥鰍總質(zhì)量3%，分2次投，養(yǎng)殖周期為13周，投喂1 h后清除殘餌。試驗期間，稻鰍共生田（RL）不施肥、不撒藥，水稻單作田（RM）進行常規(guī)管理，施加尿素、復(fù)合肥和除蟲管理。

1.5 樣品的采集與處理

水稻栽種前和水稻收割后，同一位置采取稻田土壤表層0～5 cm泥土[10]，每塊稻田3個采樣點混勻為1個樣[11]。對照田樣品設(shè)為水稻單作前（RM）、水稻單作后（RRM），試驗田樣品設(shè)為稻鰍共生前（RL）和稻鰍共生后（RRL）。

1.6 土壤理化性質(zhì)測定

土壤有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法;全氮含量測定采用重鉻酸鉀-硫酸消化法;全磷含量測定采用高氯酸-硫酸法;速效磷含量測定采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法;速效鉀含量測定采用乙酸銨-火焰法;水堿性氮含量測定采用堿解擴散法[12]。土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性采用南京建成生物工程研究所試劑盒進行測定。

1.7 土壤微生物檢測

土壤微生物高通量測序送檢上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，細菌引物為338F_806R，對其16S rRNA基因高變區(qū)V3～V4進行擴增[13]，每個樣品3次重復(fù)，使用Illumina PE250進行文庫構(gòu)建和高通量測序。

1.8 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013整理稻田土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物多樣性指標及主要菌屬的相對豐度，數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標準差（x±s）表示，用SPSS 23.0軟件進行單因素分析，差異顯著（P<0.05）時，則用Duncans法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤營養(yǎng)物質(zhì)變化

2.1.1 土壤有機質(zhì)、全氮、全磷及全鉀變化

從試驗前后土壤營養(yǎng)物質(zhì)變幅（表1）來看，施肥的水稻單作模式，土壤表層有機質(zhì)、全氮含量變化小，全磷含量略有上升，全鉀含量增加6.89 g/kg;不施肥的稻鰍共生模式（RL），土壤有機質(zhì)和全氮含量下降，降幅值明顯高于水稻單作模式，全磷含量均呈現(xiàn)不同程度增加，增值低于水稻單作模式，RL3和水稻單作田差異不大。而土壤全鉀變幅極明顯地低于水稻單作模式。3個不同養(yǎng)殖密度稻鰍共生模式，隨著養(yǎng)殖密度的增加，土壤有機質(zhì)降幅逐步增加，全氮降幅以RL2組為最大，全磷和全鉀的增幅以RL3組為最大。

2.1.2 土壤水解性氮、有效磷和速效鉀變化

從表2可以看出，水稻單作模式土壤水解性氮、有效磷和速效鉀3種可利用營養(yǎng)物質(zhì)含量均較稻鰍共生模式高，試驗后，水稻單作模式土壤有效磷和速效鉀出現(xiàn)極顯著降低（P<0.01），水解性氮變化不顯著;稻鰍共生模式下，土壤水解性氮下降不明顯，有效磷極顯著下降（P<0.01），以RL2組降幅值為最大，速效鉀下降顯著（P<0.05）。試驗后期，稻鰍共生模式速效鉀和水解性氮含量表現(xiàn)為RL3>RL1>RL2。

2.2 土壤酶活變化

由表3可知，所有試驗田中酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性為最強，水稻單作模式（RM）下極顯著高于稻鰍共生模式（RL）（P<0.01），而稻鰍共生模式（RL）的蔗糖酶和脲酶活性又極顯著高于水稻單作模式（RM）（P<0.01），并隨著泥鰍養(yǎng)殖密度的增加，蔗糖酶活性呈下降趨勢，RL1極顯著高于RL2和RL3（P<0.01），RL2和RL3間差異不顯著，而脲酶活性在組間差異極顯著（P<0.01），RL2組脲酶活性為最低。

2.3 土壤微生物的變化

2.3.1 高通量測序結(jié)果及多樣性分析

將水稻單作和稻鰍共生模式前后表層土壤進行微生物16S高通量測序分析，測序細菌平均有效序列長度為420.28～422.96 bp，再以97%的相似水平劃分OTUID。

如圖1所示，水稻單作模式下水稻種植前后豐富度（Chao）指數(shù)和多樣性（Shannon）指數(shù)變化不明顯。稻鰍共生模式下，隨著泥鰍的加入，表層土壤微生物Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)不斷上升，并隨著泥鰍放養(yǎng)密度的增加均有不同程度的增加，都明顯高于水稻單作模式后期（RRM），以RRL2的Chao指數(shù)為最高，其次是RRL3和RRL1。微生物Shannon指數(shù)以RRL1組為最高，其次為RRL3和RRL2，組間差異不明顯，但都明顯高于水稻單作模式（RRM）。

2.3.2 表層土壤細菌群落結(jié)構(gòu)分析

由圖2可知，試驗前后，水稻單作模式的表層土壤微生物種類在門屬分類水平上無變化，為58門579屬，試驗后期（RRM）土壤主要優(yōu)勢菌門為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和硝化螺旋菌門（Nitrospirae），其相對豐度在5%以上;引入泥鰍后，稻田土壤表層微生物增加5門735屬，優(yōu)勢菌門和水稻單作模式后期一致，但豐度有所不同，RRL1和RRL3 2組稻鰍田綠彎菌門（Chloroflexi）和酸桿菌門（Acidobacteria）相對豐度上升，變形菌門（Proteobacteria）相對豐度下降，而RRL2組優(yōu)勢菌綠彎菌門（Chloroflexi）和酸桿菌門（Acidobacteria）相對豐度明顯下降，而以馬賽菌屬（Massilia）為優(yōu)勢菌屬（相對豐度達40.09%）的變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度上升，高達66.18%。

3 討論與結(jié)論

稻田土壤微生物是稻田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[14]，其對外界環(huán)境變化具有敏感而快速的響應(yīng)[15]，從而影響著土壤的酶活性、物質(zhì)循環(huán)及肥力[16]。而土壤微生物多樣性是土壤微生物群落狀態(tài)與功能的指標，能反映出土壤中微生物的生態(tài)特征[17]，因此采用了高通量測序技術(shù)分析稻鰍共生對稻田土壤微生物群落組成的影響。從試驗結(jié)果來看，稻田引入泥鰍，稻田土壤表層微生物種類增多，在門和屬的微生物分類水平，共多檢測到5門735屬，雖然其優(yōu)勢菌門種類與水稻單作模式一樣，仍以變形菌門（Proteobacteria）占絕對優(yōu)勢，但反映微生物相對豐度的Chao指數(shù)[11]和反映微生物多樣性的Shannon指數(shù)[18]得以明顯提高，大大地豐富了稻鰍土壤表層微生物數(shù)量和構(gòu)成。

土壤酶活性是土壤養(yǎng)分循環(huán)和代謝的主要驅(qū)動力，是反映土壤肥力和功能的重要指標之一[19]，它不但與施肥[20-21]有關(guān)，也與土壤微生物的活動息息相關(guān)。在水稻單作模式下，施加化肥和有機肥，大大提升了土壤中有效磷、速效鉀和水解性氮含量，增加了稻田土壤養(yǎng)分，刺激土壤微生物產(chǎn)生了大量酶，引起土壤酶活性的增加[22-23]，導(dǎo)致土壤表層磷酸酶的活性遠遠高于稻鰍共生模式，但沒有提高土壤表層微生物門屬水平的數(shù)量，對微生物多樣性的影響也不顯著，這與Sarathchandra等的研究結(jié)果[24]相一致。稻鰍共生模式，不施肥，不施藥，明顯增加了土壤表層微生物的豐度和多樣性，提升了土壤中參與尿素不同形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的脲酶[25-26]和參與土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的蔗糖酶的活性[27]，使得稻田土壤總氮和有機質(zhì)降幅明顯，從而加快氮肥和有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化與循環(huán)，促進土壤營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，節(jié)約了肥料投入，減少了農(nóng)業(yè)面污染。

稻鰍共生模式，不但節(jié)約水資源和土地資源，而且還增加了稻田土壤磷營養(yǎng)，增加了表層土壤微生物門屬水平的數(shù)量，提高了微生物的豐度指數(shù)和多樣性指數(shù)，極顯著地增強了蔗糖酶和脲酶的活性，加快了土壤有機質(zhì)和氮肥轉(zhuǎn)化與循環(huán)，促進土壤營養(yǎng)物質(zhì)的釋放與利用，節(jié)約投入，減少污染。

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