不同施氮量下稻蝦共作水稻產量與田面水水質特征

黃飛 聶璽斌 楊朔 丁紫娟 李錦濤 郜紅建葉新新 葛永虎 梅軍 曹玉賢 侯俊*

（1 長江大學農學院/濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2 安徽農業大學資源與環境學院，合肥 230036；3 仙桃市農業技術推廣中心，湖北 仙桃 433000；4 中墾錦繡華農武漢科技有限公司，武漢 430070；5 長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025；*通訊作者：173442877@qq.com; houjungoodluck1@163.com）

稻蝦共作是種一季中稻的同時養殖克氏原螯蝦，實現了“一水兩用、一田雙收、穩糧增效、錢糧雙贏”的目的。稻蝦共作比傳統稻油輪作模式或稻麥輪作模式每hm2多收入4.5 萬元，具有良好的經濟效益和社會效益[1-2]。該模式在長江中下游稻區發展很快，據統計，2016年僅湖北省稻蝦共作和連作面積就達到23.5 萬hm2。然而該模式在養分投入上依然存在許多問題：施肥過量，造成養分利用率低，流失嚴重，引起一系列環境問題[3]，甚至污染地下水而危害人體健康；過量施氮還會影響水質從而影響蝦的生長；為了保證水質，追求蝦的經濟效益少施肥甚至不施肥，導致水稻產量低，影響了水稻生產[4]。因此，稻蝦田施氮應該綜合考慮糧食生產和蝦的養殖，既滿足我國糧食安全的需要，同時也兼顧提高農民收益。

在稻蝦共作模式中稻和小龍蝦互惠互利，一方面，克氏原螯蝦能清除稻田中的雜草、害蟲，同時其排泄物及殘餌可供水稻生長利用；另一方面，稻田水體中溶解氧較高，且動植物食源豐富，為克氏原螯蝦提供了良好的棲息環境[5]。該系統相比于普通單季稻能夠大幅度提高能量、水、肥等的利用效率[6]，使其穩定性和抗外界沖擊的能力得到提升[7-8]。稻蝦共作由于飼料殘留和蝦糞便等的有機氮轉化，其化肥用量相比傳統稻作減少[9]，但減少幅度或者合適的施肥用量還未有準確的結論，尤其缺乏實證。本試驗通過設置不同氮肥施用量，研究了不同氮肥用量對稻蝦共作系統水稻產量及田面水水質的影響，確定最佳施肥量，為稻蝦共作的可持續發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

試驗于2020年5月至10月在湖北省仙桃市彭場鎮千豐村（330°14′34″ N，113°32′27″E）進行。仙桃市屬北亞熱帶大陸性氣候，年平均氣溫16.0℃~16.6℃，年均日照時數2 028 h，年均降水量1 074~1 286 mm，全年無霜期261 d 左右。試驗地2018年開始稻蝦共作，土壤pH 6.8，有機質 25.1 g/kg，堿解氮 108 mg/kg，速效磷14.1 mg/kg，速效鉀110 mg/kg。田塊采用環溝設計，環溝寬度5~8 m，面積占共作田塊的5%~10%，深度1.3~2.0 m，供試小龍蝦為克氏原螯蝦。

1.2 試驗設計

根據施氮量的不同試驗共設5個處理，即為0、60、120、180 和 240 kg/hm2，依次以 CK、N60、N120、N180、N240表示。所有處理氮肥按基肥∶分蘗肥=7∶3 的比例施用，基肥于移栽前3 d 施入，分蘗肥移栽后7~15 d 施入。磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），磷鉀肥作基肥插秧前一次性施入。各處理磷肥和鉀肥用量相同，均為120 kg/hm2。供試水稻品種為富優135，秧齡25 d，5月25日移栽，大田栽插密度20萬/hm2，行株距 25 cm×20 cm，9月30日收獲。小區面積為150 m2，兩邊設有保護行，每個處理3 次重復。小區間筑田埂，埂寬30 cm，并用塑料薄膜包裹，以減少各小區間的相互影響。秧苗移栽后約15 d 投放蝦苗，按照當地養殖習慣進行管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 水稻關鍵生育期的植株干物質量及全氮含量

分別于分蘗期和齊穗期取樣，各小區取有代表性植株3 叢，處理后置于105℃烘箱內殺青30 min，80℃烘干至恒質量稱重，粉碎后用半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量[10]。群體生長率=（w2-w1）/（t2-t1）。式中，w1 和w2 分別為前后2個時期測定的干物質量，t1 和t2 分別為前后2個時期測定的時間，本研究中分蘗期至齊穗期采集樣品相隔37 d。

1.3.2 土壤無機氮

在分蘗期和齊穗期每小區隨機取3個點，取耕層土壤（0~15 cm），混勻后經2 mol/L 的KCl 浸提后分別采用靛酚藍比色法和分光光度計法測定銨態氮和硝態氮含量[10]，同時測定含水量并換算為干土的無機氮含量。

1.3.3 水質監測

基肥施用后第 1 d、3 d、5 d、7 d、9 d、12d 和 14 d，每天上午9∶00 進行田面水取樣，測定氨態氮、亞硝態氮、pH 等水質指標。氨態氮含量采用納氏試劑分光光度法測定（HJ535-2009），亞硝態氮含量采用分光光度法測定（GB 7493-87），采用 pH 計（雷磁 PHSJ-4F,上海儀電科學儀器股份有限公司）測定pH 值。

1.3.4 產量及氮素利用效率

成熟期每小區隨機選取10 叢進行考種，調查有效穗數及穗粒數，并測定千粒重。各小區采樣10 m2實打實收，風干后計產。氮肥農學效率=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮量。

1.4 數據處理

用SPSS 18.0 軟件進行方差分析，用LSD 法比較不同處理間的差異顯著性。相關圖表制作用Excel 2019 軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量下稻蝦共作水稻的干物質積累特征

由表1 可見，施肥顯著提高水稻的干物質積累量。在分蘗期，N60、N120、N180和 N240處理的干物質積累量分別比CK 高21%、42%、63%、51%，不同施肥量處理之間差異顯著。在齊穗期，莖葉中干物質積累量N60、N120、N180和N240處理分別比CK 高20%、34%、59%和51%，穗中干物質積累量分別比CK 高48%、29%、54%和39%。分蘗期至齊穗期群體生長率各處理之間差異顯著。

表1 不同施肥量下水稻干物質積累量變化

2.2 不同施氮量下稻蝦共作水稻植株氮含量

由表 2 可知，在分蘗期，N60、N120、N180和 N240處理的水稻植株氮含量分別比CK 高17%、19%、23%和20%，差異顯著，但不同施肥處理間水稻植株氮含量差異不顯著。在齊穗期，水稻植株氮含量變化幅度不大，莖葉和穗中各處理間差異不顯著。

表2 不同施氮量處理對水稻地上部氮含量的影響 （單位：%）

2.3 不同施氮量下稻蝦共作土壤無機氮供應特征

由表3 可知，施肥量的增加明顯提升了土壤銨態氮的含量。在分蘗期，N120、N180和N240處理的銨態氮含量比CK 分別高21%、46%和54%，差異顯著，N60處理比CK 高但差異不顯著；在齊穗期，N120、N180和N240處理比CK 分別高30%、31%和33%，差異顯著，N60處理比CK 高但差異不顯著，N120、N180和N240之間差異亦不顯著。在分蘗期，N180和N240處理的土壤硝態氮含量與CK 相比差異不顯著，而N60和N120處理分別比CK 高68%和 36%，差異顯著；在齊穗期，N60、N120和 N180處理土壤硝態氮含量比CK 分別高23%、51%和41%，差異顯著，N240處理與 CK 相比差異不顯著，N60、N120和 N180處理間差異亦不顯著。

表3 不同施氮量下土壤銨態氮與硝態氮的變化 （單位：mg·kg-1）

2.4 不同施氮量下稻蝦共作水稻產量

從表4 可見，施肥能提高水稻的有效穗數、千粒重及產量，但對穗粒數沒有顯著影響。N60、N120和N180處理的有效穗數比CK 分別高15%、42%和27%，差異顯著，N240處理與CK 相比差異不顯著。隨著施肥量增加水稻產量先增后降，以N120處理的產量最高，通過施氮量與產量二次曲線擬合發現，最高產量時的施氮量為130 kg/hm2。在不同的施氮量下，氮肥農學效率隨著施氮量增加先升高后降低，以N120處理最高，N60處理次之，N120處理與N60處理差異不顯著。

表4 不同施氮量下水稻產量以及施氮量與產量的關系擬合

2.5 不同施氮量下稻蝦共作基肥施用后田面水的水質特征

從圖1 可見，基肥施用后14 d 內，田面水氨態氮濃度先升高后降低（圖1a）。在施肥后的前7 d，N240處理的田面水氨態氮變化明顯，與第1 d 相比第3 d 氨態氮含量降低了54%，而所有處理在第5 d 和第9 d 有明顯的氨態氮增幅，在14 d 各處理氨態氮含量在1.54～2.92 mg/L 之間。田面水硝態氮濃度先升高再降低后又略微升高（圖1b），在第5 d 時各處理均達到最大值，然后開始降低。各處理在基肥施用后14 d 內的田面水pH 波動范圍為 6.57～8.22，第 7 d pH 降幅明顯，在 14 d趨于平穩，范圍為 7.33～7.43（圖 1c）。

圖1 稻蝦不同施肥量田面水的水質變化特征

3 討論

3.1 不同施肥量對稻蝦共作水稻產量及氮肥利用效率的影響

鄭盛華等[11]研究認為，不同肥力稻田有效穗數和千粒重是影響水稻產量的主要因素。本研究中，各施氮量處理有效穗數、千粒重的趨勢均與產量一致，這與前人的研究結果相似。稻蝦共作系統在施氮量180 kg/hm2條件下干物質積累量和積累速率最高（表1），然而其產量要低于施氮量120 kg/hm2的處理（表4）。李月梅[12]研究發現，減少10%~20%肥料用量水稻并未減產，而且隨著稻漁共作年限的增加，節肥潛力增加。胡亮亮等[13]對我國13個水稻主產省（市）5 種重要稻漁模式的研究表明，稻漁共作水稻產量平均比水稻單作增加2.98%，肥料投入平均減少26.52%。彭成林等[14]用“線性+平臺”模型確定了長期稻蝦共作的直播稻氮肥最佳用量為102 kg/hm2，實現最高產量8 242 kg/hm2。本研究中，稻蝦共作水稻移栽模式下最佳施氮量為120 kg/hm2，其產量為8 452 kg/hm2，而且該施氮量下氮素利用效率也最高，達29.9 kg/kg。綜合考慮產量和干物質積累，稻蝦共作系統中的適宜施氮量為120~130 kg/hm2。

長期稻蝦共作會增加土壤養分[1-2]。HOU 等[3]研究發現，稻蝦共作系統平均每年10%~13%的表觀氮盈余（356 kg/hm2）貢獻給土壤全氮（每年約35.6~46.3 kg /hm2），因此，隨著共作年限的增加，氮素養分投入也要酌量減少，例如，稻蝦共作4年的施氮量應比共作1年的施氮量減少25%[15]。由于工作量的關系，本研究未考慮不同稻蝦共作年限的適宜施氮量，這需要深入研究。此外，稻蝦共作的施肥同樣需要遵循測土配方的原則，不能簡單認為土壤養分增加就盲目減肥，更不能“重蝦輕稻”而不施肥[4]，否則會造成水稻減產。

3.2 不同施肥量對田面水水質的影響

水體中的氨態氮和亞硝態氮含量是影響養殖甲殼類生長、生存和生理機能的主要限制因素[16-18]，因此，將氨態氮和亞硝態氮控制在較低水平利于預防疾病促進甲殼類動物生長。程建平等[19]研究表明，稻蝦共作稻田增施微生物營養物料分別降低氨態氮和亞硝態氮含量0.09 和0.06 mg/L，并能促進小龍蝦增產140 kg/hm2。本研究中，施肥14 d 后田面水氨態氮和亞硝態含量范圍分別為 1.54～2.92 mg/L 和 0.053～0.105 mg/L，氨態氮含量符合《漁業水質標準》（GB11607-1989）。劉卿君[20]研究表明，稻蝦共作施肥后田面水的氨態氮迅速升高，然后逐漸下降，這與本研究中的氨態氮變化規律相同。

小龍蝦養殖的最適pH 為7.0～8.5[21-22]。本研究中，施肥14 d 后的田面水pH 符合小龍蝦的養殖要求。施氮會降低水體的pH[23]，本研究中，在施肥后第6 d 水體pH 值明顯下降，其原因是6月份（稻蝦共作期）正值高溫，氨揮發加快，田面水中H+濃度增加，pH 降低[24]。

4 結論

綜合考慮水稻生長、產量和水質等因素，稻蝦共作模式推薦的施氮量為120~130 kg/hm2，在該施肥量下土壤無機氮供應以及水稻產量高，且14 d 后田面水氨氮為2.46 mg/L、亞硝態氮為0.081 mg/L、pH 值為7.37，均符合小龍蝦的生存條件，有利于小龍蝦回田覓食和生長。