稻田養鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解效應及土壤肥力的影響

呂廣動，黃 璜，張 印，馬微微，周 晶，隆斌慶，羅志嘉

(1.湖南農業大學農學院/湖南省稻田生態種養工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；2.衡陽市農業科學院，湖南 衡陽 421101；3.婁底職業技術學院，湖南 婁底 417000；4.湘西土家族苗族自治州農業科學研究院，湖南 吉首 416000)

【研究意義】我國是水稻種植大國，亦是水稻秸稈的生產大國，秸稈處理儼然成為當下水稻生產中的關鍵問題。近些年來，出于環境保護和土壤培肥的需要，國家鼓勵秸稈還田。但秸稈還田存在病蟲害增加的風險[1-2]，增加溫室氣體排放量[3-4]，并且秸稈腐解前期會與水稻爭奪氮肥[5]等問題，因此秸稈還田在推廣過程中阻力較大。在農業生產成本“地板”和農產品價格“天花板”雙重擠壓下，農民生產積極性大幅下降。稻田養鴨作為我國傳統耕作模式，可以實現“一田雙收”，提高農民收入的同時，為當下秸稈還田提供了新思路。【前人研究進展】作物生產通過秸稈的形式帶走田間部分養分，秸稈還田有利于維持土壤肥力，減少肥料施用，但秸稈田間降解慢，還田周期長，是目前秸稈還田中的難點[6]。一般認為，自然水熱條件在很大程度上影響了秸稈的降解效果，并且土壤自身的理化環境以及微生物環境也是影響秸稈降解的重要因素[7]。前人通過調控田間水分管理或者氮肥管理來提高秸稈的降解速率，使得秸稈中的養分更快速、高效的返還土壤[8-10]。蔣炳伸等[11]的研究表明，雙季稻田秸稈還田利于提高土壤有效性磷的含量和水稻磷素利用率。宋佳等[12]的研究表明冬種紫云英耦合雙季稻秸稈還田促進土壤團聚體和有機質穩定性的提升。柴如山等[13]在對安徽省秸稈還田的養分資源量和利用潛力的研究表明，安徽省主要的秸稈還田基本可以滿足土壤鉀素供應，同時補充田間部分氮素和鉀素的流失。稻田養鴨可以有效的調節農田生物鏈(網)結構，減少蟲、草對物質和能量的占用，而鴨子的活動作為刺激源，有利于提高水稻對養分的利用效率，提高光合效率，從而提高水稻產量[14-16]。同時，鴨子的糞便是農田的有機質來源，可以有效的提高稻田土壤肥力[17-18]。蘇品[19]、盛鋒[20]、溫婷等[21]的研究表明，稻田養鴨可以有效減輕水稻病害的發生，還有抑制雜草和減少溫室氣體排放的作用，這正彌補了水稻秸稈還田可能存在的風險。【本研究的切入點】目前，稻田養鴨對不同秸稈還田方式下秸稈的降解效果及對土壤肥力影響規律的研究較少，稻田養鴨條件下秸稈還田肥田效應有待進一步探究。【擬解決的關鍵問題】本研究開展稻田養鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解效果、土壤肥力變化規律的研究，以期探索稻田養鴨模式下秸稈降解規律，指導稻田養鴨模式下高效培肥，提高稻田養分利用效率，實現水稻生產可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本研究于2019年在長沙縣路口鎮明月村開展(28°41′N,113°23′E)，該地區屬亞熱帶濕潤氣候。年均氣溫16～20 ℃，全年無霜期260～300 d，日照時數1600～1800 h，年均降水量1472.9 mm，年平均蒸發量1194.9 mm，平均相對濕度81%。土壤類型為紅黃泥水稻土，前茬作物為水稻。

早稻結束后以五點取樣法，采取土壤背景值并測定土壤肥力指標，測定結果如下：土壤全氮含量為1.32 g/kg，全磷含量為0.67 g/kg，堿解氮含量為118.13 mg/kg，速效磷含量為21.60 mg/kg，pH為5.48，有機質含量為27.74 g/kg。

1.2 試驗材料

早稻栽培品種為陸兩優996，晚稻栽培品種為中早39，供試鴨品種為洋鴨，晚稻試驗用秸稈取自前茬早稻。

1.3 處理設置

早稻未做試驗劃分。晚稻采用隨機區組試驗，設置秸稈直接還田處理(ZR)、秸稈直接還田耦合養鴨處理(ZD)、秸稈粉碎還田處理(FR)、秸稈粉碎還田耦合養鴨處理(FD)、秸稈不還田耦合養鴨處理(BD)、以秸稈不還田處理(BR)為對照，共6個處理，每個處理設3個重復，共18個小區，每個小區為60 m2。秸稈直接還田為水稻秸稈完整還田，秸稈粉碎還田為水稻秸稈切割為15 cm左右的小段后還田，還田量均為全量還田。

1.4 田間管理

早稻于2019年3月25日播種育秧，4月21日插秧移栽，采用人工手插秧方式，陸兩優996每穴2株秧苗，株行距為20 cm×25 cm。移栽前7 d施尿素240 kg/hm2、磷肥240 kg/hm2、鉀肥180 kg/hm2為基肥，水稻返青后追復合肥300 kg/hm2，后期不再追肥。早稻于7月18日收割。

晚稻于6月30日播種育秧，7月21日插秧移栽，采用人工手插秧方式，中早39每穴4株秧苗，株行距為20 cm×25 cm。移栽前3 d施尿素240 kg/hm2、磷肥240 kg/hm2、鉀肥180 kg/hm2作基肥，水稻返青后追復合肥300 kg/hm2，后期不再追肥。8月10日放養20日齡洋鴨每個小區2只，鴨子的投喂以“定時、定點、定質、定量”的原則進行投喂。晚稻于10月21日收割。

1.5 測定指標及方法

秸稈降解試驗采用埋袋法，在每個小區以五點取樣法隨機選取5個采樣點，在每個采樣點掩埋秸稈樣品袋5個。分別于20、35、50、60 d對埋袋秸稈進行采樣，對采樣后的樣品用蒸餾水反復清洗干凈，在烘箱中烘干至恒重，稱重，計算失重。烘干后的樣品用粉碎機粉碎并過40目篩，用來測定半纖維素、纖維素、木質素含量，水稻秸稈中半纖維素、纖維素、木質素含量采用Van Soest法[22]測定。

秸稈中剩余半纖維素、纖維素、木質素的含量=Pn/P0×100(Pn表示不同處理時間的秸稈中半纖維素、纖維素、木質素的含量；P0表示處理前秸稈中半纖維素、纖維素、木質素的含量)。

在晚稻翻耕前以及水稻分蘗期、孕穗期、成熟期對試驗區采用五點采樣法采集耕作層(0～20 cm)土壤樣品，充分混勻，風干后研磨過篩，密封避光保存。pH采用電位法；全氮、全磷采用H2SO4-H2O2消解—流動分析儀法；堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L(1/2H2SO4)法；有機質采用重鉻酸鉀容量法——稀釋熱法[23]。

1.6 數據處理

采用Microsoft Excel 2013整理數據和制表，使用SPSS19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解效果的影響

由表1可知，在秸稈降解20 d時，各處理的失重率最高，各處理的失重率表現為FD>FR>ZD>ZR，FD處理的失重率較FR、ZD和ZR處理分別增加了7.85%、13.94%和17.12%。在處理時間為60 d時，各處理的失重率表現為ZR>FD>FR>ZD，累積失重率表現為FD>FR>ZD>ZR，FD處理的累積失重率較FR、ZD和ZR處理分別增加了0.27%、3.22%和5.25%。

如圖1所示，各處理半纖維素的初始含量(處理時間為0 d)為16.22%。在處理時間為60 d時，各處理殘余秸稈中半纖維素含量表現為ZR>ZD>FR>FD，其中FD處理殘余秸稈中半纖維素含量為3.85%，較FR、ZD和ZR處理分別降低了20.62%、41.13%和47.97%。

如圖2所示，各處理纖維素的初始含量(處理時間為0 d)為34.21%。在處理時間為60 d時，各處理殘余秸稈中纖維素含量表現為ZR>FR>ZD>FD，其中FD處理殘余秸稈中纖維素含量為12.25%，較FR、ZD和ZR處理分別降低了10.91%、7.20%和24.38%。

如圖3所示，各處理木質素的初始含量(處理時間為0 d)為13.31%。在處理時間為60 d時，各處理殘余秸稈中木質素含量表現為FR>ZD>FD>ZR，其中FD處理殘余秸稈中木質素含量為6.35%，較FR和ZD處理分別降低了12.41%和3.79%，較ZR處理增加了3.25%。

2.2 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤肥力的影響

2.2.1 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤全量養分含量的影響 由圖4可知，孕穗期BD和FR處理的土壤全氮含量較BR處理增加了3.62%和0.72%，且BD處理與BR處理差異顯著(P<0.05)。成熟期BD、FD、FR和ZD處理的土壤全氮含量較BR處理增加了1.49%、2.99%、1.49%和2.24%，且BD、FD和ZD處理與BR處理達到顯著性差異(P<0.05)。成熟期各處理的土壤全氮含量表現為FD>ZD>BD=FR>ZR=BR，其中FD處理的土壤全氮含量為1.38 g/kg。

表1 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下秸稈失重的影響

圖1 不同處理殘余秸稈中半纖維素的含量Fig.1 Hemicellulose contents of residual straw in different treatments

圖2 不同處理殘余秸稈中纖維素的含量Fig.2 Cellulose contents of residual straw in different treatments

由圖5可知，孕穗期和成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤全磷含量均高于BR處理，且養鴨處理的處理效果優于其對應的養鴨處理。孕穗期和成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤全磷含量較BR處理增加了2.82%～2.86%、4.23%～7.14%、0.00%～1.41%、2.82%～5.71%和4.29%～5.63%，且BD、FD、ZD和ZR處理與BR處理均達到顯著性差異(P<0.05)。成熟期各處理的土壤全磷含量表現為FD>ZD>ZR>BD>FR=BR，其中FD處理的土壤全磷含量為0.75 g/kg。

圖3 不同處理殘余秸稈中木質素的含量Fig.3 Lignin contents of residual straw in different treatments

圖4 不同生育時期各處理的土壤全氮含量Fig.4 Total nitrogen in soil of different treatments at different growth stages

圖5 不同生育時期各處理的土壤全磷含量Fig.5 Total phosphorus in soil of different treatments at different growth stages

2.2.2 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤速效養分含量的影響 由表2可知，秸稈還田和稻田養鴨較單一水稻種植均可以有效的提高土壤堿解氮和速效 磷含量，且稻田養鴨處理(BD、FD、ZD)的處理效果優于其對應的不養鴨處理(BR、FR、ZR)，其中以秸稈粉碎還田耦合稻田養鴨處理(FD)效果最好。

孕穗期BD、FD、FR和ZD處理的土壤堿解氮含量較BR處理分別增加了1.42%、1.90%、2.84%和1.23%，且FR處理與BR處理差異顯著(P<0.05)。成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤堿解氮含量較BR處理分別增加了1.40%、5.36%、1.40%、2.68%和1.99%，且除BD處理外其余處理均與BR處理達到顯著性差異(P<0.05)。

BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤速效磷含量在孕穗期和成熟期均高于BR處理，增幅分別為6.68%～8.06%、14.58%～17.20%、12.06%～13.02%、9.21%～11.93%和5.09%～8.78%，且均達到顯著性差異(P<0.05)。

2.2.3 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤有機質含量和土壤pH的影響 由表3可知，秸稈還田和稻鴨共生較單一水稻種植均可以有效的提高土壤有機質含量，其中以秸稈粉碎還田耦合稻鴨共生處理(FD)的效果最佳。各處理的土壤有機質含量在孕穗期和成熟期均高于BR處理，成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤有機質含量較BR處理分別增加了8.04%、11.94%、7.69%、7.10%和8.39%，且均達到顯著性差異(P<0.05)。

表2 不同生育時期各處理的土壤堿解氮和速效磷含量

養鴨處理(BD、FD、ZD)較其對應的不養鴨處理(BR、FR、ZR)的土壤pH有增加的趨勢，且秸稈還田耦合養鴨處理(FD、ZD)較其對應的不養鴨處理(FR、ZR)處理效果顯著。孕穗期FD和FR處理的土壤pH較BR處理分別增加了0.04和0.06個單位，且均差異顯著(P<0.05)；BD、ZD和ZR處理的土壤pH較BR處理分別降低了0.01、0.02和0.05個單位，且BR處理與ZR處理達到顯著性差異(P<0.05)。成熟期BD、FD、ZD和ZR處理的土壤pH較BR處理分別增加了0.01、0.04、0.05和0.01個單位，且FD和ZD處理與BR處理達到顯著性差異(P<0.05)。

3 討 論

3.1 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解的影響

試驗結果顯示，各處理的秸稈失重表現為先快后慢，其原因在于秸稈中的可溶性糖和蛋白質會在秸稈降解前期較快降解，而占秸稈質量70%～80%的半纖維素、纖維素和木質素分子結構穩定，因此降解過程較為緩慢，這與前人的研究結果一致[24]。在處理20 d時，各處理的失重率表現為FD>FR>ZD>ZR，主要是由于秸稈表面有一層蠟質，可以有效的阻止秸稈的降解，秸稈粉碎為微生物侵入和可溶性物質的溶解提供了途徑，而鴨子的踩踏和啄食行為對于促進秸稈表面蠟質的脫落和秸稈中可溶性物質的溶解效果更為突出。楊連飛等，歐陽家風等的研究表明，淹水狀態有利于秸稈的降解和養分的釋放[25-26]，這也是稻田養鴨促進水稻秸稈降解的原因之一。在秸稈的降解過程中，土壤微生物的作用至關重要[27-28]，鴨子的活動、覓食等行為，可以有效的增加土壤通氣性和水體溶氧量，為土壤微生物的生存與繁殖提供了適宜的環境，較傳統水田可以有效的提高土壤微生物的豐富度和多樣性，增加土壤微生物的數量[29-31]，有利于秸稈的降解。稻田養鴨對水稻的根系生長和水稻生物量得積累有顯著的促進作用[32]，而水稻根系分泌物—微生物—土壤養分之間存在相互關系，這種相互關系也將對水稻秸稈的降解產生促進作用。綜上，稻田養鴨可以有效的促進秸稈的降解，這與本試驗結果一致，FD處理在60 d時的累計失重率為62.50%，較FR、ZD和ZR處理分別高出0.27%、3.22%和5.25%。ZD處理在60 d時的累計失重率低于FR處理，其原因可能是由于秸稈粉碎還田后，由于切段較小，更有利于秸稈的降解。鴨子促進秸稈降解的原因是多方面，而秸稈中分子質量高且結構穩定的纖維素和木質素的降解需要有一定的過程和時間，本試驗結果表明，稻田養鴨雖然對不同秸稈還田方式下，秸稈中纖維素和木質素的降解均有促進作用，但在處理時間為60 d時，各處理的纖維素和木質素的降解效果差異并不明顯。

表3 不同生育時期各處理的土壤有機質含量和土壤pH

3.2 稻田養鴨對不同秸稈還田方式下土壤養分含量的影響

秸稈全量還田對于維持土壤肥力，保持土壤耕性有積極的意義。秸稈的降解速度和程度與秸稈所含養分返還土壤的程度有直接關系。本試驗結果表明，稻田養鴨可以有效的促進不同秸稈還田方式下秸稈的降解，且秸稈粉碎還田耦合養鴨處理(FD)的效果較秸稈直接還田耦合養鴨處理(ZD)的效果更好。稻田養鴨通過在稻田生態系統中添加引入鴨子這一生態位，改善了稻田生態系統的群落結構，鴨子通過覓食、活動等行為可以有效的抑制病蟲草害的發生，使更多的物質和能量得以更高效的流向水稻和鴨子，并且鴨子作為擾動源，可以刺激水稻的根系和植株生長，促進水稻對土壤養分的吸收[18-20]。鴨子可以加速土壤中有機物質的礦化釋放，提高土壤有效養分的增加[33-34]。本試驗結果表明，秸稈還田處理(FR、ZR)可以有效的維持土壤肥力，水稻成熟期的土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、有機質含量較對照處理(BR)均有不同程度的提高。而稻田養鴨可以有效促進水稻秸稈的降解，因此養鴨處理(FD、ZD)較其對應的不養鴨處理(FR、ZR)成熟期的土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、有機質含量有顯著提高，其中以FD處理的處理效果更明顯。并且稻田養鴨耦合秸稈還田對緩解土壤酸化效果較好，對保持土壤的良好耕性和提高土壤肥力的有效供給有促進作用。

4 結 論

稻田養鴨可以有效的促進不同秸稈還田方式下的秸稈降解速率和降解效果，其中以秸稈粉碎還田耦合養鴨方式的處理效果較好。與之對應的，秸稈還田耦合養鴨可以促進秸稈養分更高效的返還農田，提高土壤肥力，稻田養鴨可以促進有機物質的礦化釋放，提高水稻對土壤養分的利用效率。并且稻田養鴨可以有效的改善秸稈還田中的潛在風險，利于水稻的綠色高效生產。