稻蝦共作模式下水稻品種和施肥方式的篩選試驗

張玉山,黃曉聲,梁志輝,林偉松,劉文利,譚健剛,謝沐錕,李明洋,蘇駿騰,尹凱森,張楚媛

(1.電子科技大學中山學院,廣東中山 528402; 2.中山市農業科技推廣中心,廣東中山 528403;3.中山市龍之泉農業科技發展有限公司,廣東中山 528476)

稻蝦共作模式是鄉村振興戰略的重要抓手,可提高稻田綜合利用率,實現了“一水兩用、一田雙收、穩糧增效”[1],能夠提高農產品的質量與農民種田的積極性。稻蝦共作種養模式要兼顧稻與蝦2種產品的質量,在保證水稻產量的前提下,追求兩者利益的最大化。從蝦產量角度考慮,為了提高水質必然要大量減少化肥和農藥使用,甚至全生育期不使用農藥化肥;而從水稻產量考慮大量減少化肥農藥的使用,必然導致水稻產量下降。因此,在稻蝦共作模式下篩選適合當地的水稻品種和施肥方式具有重要的現實意義。一些研究者在當地進行了稻蝦共作模式的水稻品種篩選。一些研究人員對湖北省農業科學院提供的16 個水稻品種進行了蝦稻共作模式下的比較試驗[2];有研究者在安徽太湖對16 個水稻品種的農藝性狀、抗逆性、產量等要素進行了綜合比較[3];一些研究人員在湖北省潛江市篩選了30個水稻品種進行了稻蝦共作模式下的比較試驗[4]。總的說來,目前對稻蝦共作模式的研究更多集中在水稻品種篩選及綜合種養配套技術上[5],而對施肥方式進行篩選研究鮮有報道。另外,美香占2號和莉香占2個水稻品種在中山市單作稻田作為主推品種而廣泛種植,然而2個品種是否適合稻蝦共作尚不清楚。

本研究在稻蝦共作模式中使用了土壤改良劑、生物炭、有機肥及磷肥不同單一組分組合的8種施肥方式種植美香占2號和莉香占2個水稻品種,對水稻產量及其構成因子與土壤理化指標進行了研究,旨在篩選出稻蝦共作模式下合適的施肥方式與適合當地的水稻品種,同時也為推廣稻蝦共作種養模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 水稻品種及播種期和收獲期

稻蝦共作試驗的2個水稻品種分別為美香占2號、莉香占,播種用量為45 kg/hm2。2個品種水稻種子均購自于廣東省江門市種子公司。美香占2號與莉香占均在2021年3月4日浸種,經過催芽后于2021年3月8日播種在中山市陸泉沙生態農場苗床,于2021年4月5日移栽至中山市陸泉沙生態農場水稻大田。每塊田分左右2半,左邊播種美香占2號,右邊播種莉香占。2個品種中間留有50 cm的田間過道。水稻于2021年7月11日收割。稻蝦共作模式按照寬行窄株原則,水稻秧苗移栽密度為 30 cm×15 cm。

1.2 試驗田施肥方式

整個試驗田面積為5.1 hm2,稻蝦共作試驗共設計8種施肥方式,是有機肥(organic fertilizer,O)、磷肥(phosphate fertilizer,P)、土壤改良劑(soil amendment,S)、生物炭(biochar,B)單一組分的不同組合。其中,有機肥為中山市沙溪鎮白鶴嘴種雞場發酵的腐熟雞糞,磷肥為商用的普通過磷酸鈣,土壤改良劑則是筆者以園林綠化廢棄物為原料經過堆肥腐熟生產的物料[6],生物炭是江蘇鎮江澤地農業生物科技有限公司燒制的木炭。

為方便敘述,8種施肥方式分別以字母OPBS、OP、OPB、OPS、100 OPS、200 OPS、300 OPS及400 OPS編號。試驗田編號及施肥方式見表1。

表1 稻蝦共作條件下稻田施肥方式及其對應的稻田面積

水稻秧苗移栽前,將肥料按照表1的施肥方式作為底肥一次性施入稻田,整個水稻生育期不再施肥和噴施農藥。每種施肥方式重復3次。

1.3 試驗田蝦苗品種、投放日期及數量

試驗蝦品種為紅螯螯蝦(Cheraxquadricarinatus),是一種淡水龍蝦,原產地澳大利亞。水稻田四周為養殖環溝,環溝寬2.5 m、深 1.5 m。養殖環溝內種植輪葉黑藻,水草覆蓋率為30%,于2021年5月10日投放紅螯螯蝦蝦苗,按照37 481尾/hm2進行蝦苗投放,紅螯螯蝦投喂參照常規管理進行。

1.4 水稻性狀考察及土壤理化性質分析

水稻收割前按每塊稻田5點法取土樣并測定株高;水稻分單株收割并裝入網袋,曬干后脫粒,分別考察單株分蘗數、每穗實粒數、單株產量,隨后計算出千粒質量、產量。土樣取回后放入實驗室 -20 ℃ 冰箱保存。土壤理化性質測定包括土壤容重、有機質含量、土壤總孔隙度、持水孔隙度及通氣孔隙度、pH值、EC值。土壤理化性質測定方法按照先前報道的測定方法[6]進行;土樣養分測定包括氮、磷、鉀含量測定。每塊稻田5點法所取土樣混合烘干后,采用H2SO4-H2O2消煮,采用堿解擴散法[7]測定堿解氮含量;速效鉀含量用火焰光度計[7]測定;速效磷含量采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定。所有測定重復5次。

1.5 數據處理

采用Excel 2016 進行數據處理,所有性狀數據經方差齊性檢驗后,以SPSS 21.0 統計分析軟件進行方差分析與相關分析,采用LSD法在0.05水平進行多重比較和差異顯著性分析,對有差異的性狀以字母a、b、c、d、e、f 進行標記。使用構成因子性狀的顯著性賦值法(ISVCT)對不同施肥方式優劣進行綜合評價[8],分別賦值a、b、c、d、e、f 為 6、5、4、3、2、1;產量、千粒質量、每穗實粒數、單株分蘗數、株高的權重分別占60%、10%、10%、10%、10%。

2 結果與分析

2.1 不同施肥方式對美香占2號和莉香占水稻產量的影響

從圖1可以看出,美香占2號除了在400 OPS與OPBS施肥條件下其產量均高于莉香占。美香占2號在8種施肥方式下的產量范圍為4 591～8 744 kg/hm2,產量由高到低可分高、中、低3類:在200 OPS施肥方式下產量最高,為8 744 kg/hm2;在300 OPS、OPS與OPB條件下,產量居中,為6 213～6 955 kg/hm2,美香占2號產量在這3種施肥方式下沒有明顯差異;在100 OPS、OP、400 OPS、OPBS條件下,美香占2號產量較低,為4 591～5 045 kg/hm2,在這4種施肥方式下產量沒有明顯差異。

對莉香占而言,其產量范圍為3 772～6 876 kg/hm2,由高到低可以分為4類:在200 OPS施肥方式下莉香占產量仍然最高,為6 876 kg/hm2;在400 OPS施肥方式條件下,莉香占產量排第2,為5 811 kg/hm2;在300 OPS、OPS、OP與OPBS條件下,莉香占產量范圍為4 583～4 930 kg/hm2,這4種施肥方式下莉香占產量沒有明顯差異;在OPB與100 OPS施肥條件下產量較低,為3 772～4 739 kg/hm2。顯然,美香占2號和莉香占在不同施肥方式下產量表現不同,表明不同品種對施肥方式具有個性化差異。

在200 OPS施肥條件下,美香占2號和莉香占產量均達到最高值,且美香占2號產量高于莉香占,表明200 OPS施肥方式是稻蝦共作較合適的施肥方式,同時,美香占2號是稻蝦共作模式中較合適的水稻品種。

2.2 不同施肥方式對美香占2號和莉香占水稻產量構成因子的影響比較

從表2可以看出,不同施肥方式對2個品種產量構成因子影響稍有不同。千粒質量范圍為 16.8～18.8 g,在OP與OPBS施肥條件下千粒質量較低。實粒數范圍為82.0～137.9粒/穗,在 300 OPS 與 OPS施肥條件下,美香占2號具有較高的每穗實粒數;在100 OPS和400 OPS施肥條件下,每穗實粒數較低。單株分蘗數范圍為13.8～23.0,在200 OPS施肥條件下單株分蘗數最高;其余施肥條件下美香占2號單株分蘗數沒有顯著差異。株高范圍為103.5～124.5 cm,在300 OPS施肥條件下美香占2號株高最高;而在OP、400 OPS、OPB和 OPS施肥條件下,美香占株高較低。綜合考慮產量及其構成因子,采用差異字母賦值加權法 (ISVCT) 對各種施肥方式進行綜合評價[6],美香占2號8種處理施肥方式由優到劣順序依次為:200 OPS>300 OPS>OPS>OPB>100 OPS>OP>400 OPS=OPBS。對美香占2號水稻品種來說,前4種施肥方式,即 200 OPS、300 OPS、OPS及OPB,其產量均超過 6 213 kg/hm2,是稻蝦共作較適合的施肥方式。

表2 不同施肥方式對美香占2號和莉香占水稻產量及其構成因子的影響

對于莉香占而言,千粒質量范圍為17.5～20.9 g,在100 OPS、OP、OPB與OPBS施肥條件下千粒質量較低。實粒數范圍為102.1～129.2粒/穗,在OPBS、300 OPS及OPB施肥條件下每穗實粒數較高,在其余施肥條件下每穗實粒數較低,且無顯著差異。單株分蘗數范圍為13.5～19.0,在OPBS施肥條件下單株分蘗數最高。株高范圍為102.5～120.5 cm,在200 OPS與 300 OPS及OPS施肥條件下莉香占株高較高;在OP施肥條件下株高最低。考慮產量及其構成因子,采用差異字母賦值加權法(ISVCT)對各種施肥方式進行綜合評價,莉香占8種處理施肥方式由優到劣順序依次為:200 OPS>400 OPS>300 OPS>OPBS>OPS>OPB>OP>100 OPS。對莉香占水稻品種而言,前2種施肥方式,即200 OPS 與400 OPS,其產量均超過 5 811 kg/hm2,也是稻蝦共作較適合的施肥方式。

美香占2號和莉香占綜合表現盡管在不同施肥條件下不盡相同,但2個品種在200 OPS施肥條件下都具有最佳的表現效果,表明200 OPS施肥條件是在稻蝦共作條件下較好的施肥方式。

2.3 不同施肥方式對土壤理化性質的影響

從表3可以看出,不同施肥條件下稻田土壤理化性質不同。對于pH值來說,其范圍為5.99～8.00。在200 OPS施肥條件下,具有較低的pH值;而在OPB、100 OPS及300 OPS的施肥條件下,具有較高的pH值,這是由于生物炭能提高土壤pH值及土壤本底pH水平差異造成的。

表3 不同施肥方式對稻田土壤理化性質的影響

EC值范圍為148.0～525.0 μS/cm,在200 OPS、300 OPS、100 OPS與OP施肥條件下,具有較低的EC值, 其中100 OPS施肥條件下的EC值最低; 而在OPB、OPS與OPBS施肥條件下具有較高的EC值,其中在OPBS施肥條件下的EC值最高。土壤有機質含量范圍為9.206～15.102 g/kg;在100 OPS、200 OPS及300 OPS施肥條件下,具有較低的有機質含量,而在OPS、OPB、400 OPS及OPBS施肥條件下具有較高的有機質含量,這表明生物炭及有機肥可以提高土壤有機質含量。土壤容重范圍為1.339～1.921 g/cm3,在200 OPS與300 OPS施肥條件下具有較高的土壤容重;而在OPS、100 OPS及400 OPS施肥條件下具有較低的土壤容重。總孔隙度范圍為0.579～0.839,其中在200 OPS、OPS及400 OPS施肥條件下具有較高的孔隙度;而在100 OPS施肥條件下具有較低的孔隙度。持水孔隙度范圍為0.558～0.736,在200 OPS、OPS及400 OPS施肥條件下具有較高的持水孔隙度;而在OPB、100 OPS施肥條件下具有較低的持水孔隙度。通氣孔隙度范圍為0.021～0.119,在OPB及OPBS施肥條件下具有較高的通氣孔隙度,而在OP、100 OPS及400 OPS施肥條件下具有較低的通氣孔隙度,這表明有機質可以增加土壤通氣孔隙度。在土壤總孔隙度一定情況下,通氣孔隙度過高,持水孔隙度相對就較低,根會處在較干旱條件下,導致發育不良;而通氣孔隙度過低,根系會處于淹水狀態下,導致根系呼吸不良。因此,通氣孔隙度與持水孔隙度之比一定要合適。

2.4 不同施肥方式對土壤養分含量的影響

從圖2可以看出,不同施肥方式下稻田土壤養分含量不同。稻田堿基氮含量范圍為46.0～ 113.0 mg/kg,速效鉀含量范圍為37.0～93.0 mg/kg,而有效磷含量范圍為13.0～29.3 mg/kg。在 200 OPS 施肥條件下,堿解氮含量為78.0 mg/kg,有效磷含量為29.3 mg/kg,速效鉀含量為75.0 mg/kg。由于2個品種均在200 OPS施肥條件下具有最高產量,因此以200 OPS施肥條件下氮、磷、鉀含量為參照評價其他施肥條件下的養分含量。

在300 OPS施肥條件下土壤速效鉀含量比 200 OPS 施肥條件高,而堿解氮和有效磷含量較 200 OPS 施肥條件低。在OPS 與OPB施肥條件下,速效鉀含量低于200 OPS施肥條件。而在 100 OPS 與OP施肥條件下,氮磷鉀含量均明顯低于 200 OPS 施肥條件,表明在100 OPS與OP施肥條件下養分嚴重不足。在400 OPS施肥條件速效鉀含量仍低于200 OPS施肥條件。

在OPBS施肥條件下,土壤中磷鉀含量均與 200 OPS 施肥條件接近,甚至其土壤中堿解氮含量比200 OPS施肥條件下還高。但在OPBS施肥條件下,有機質含量及pH值顯著高于200 OPS施肥條件,而土壤容重顯著低于200 OPS施肥條件。

2.5 水稻產量性狀及土壤理化性質相關分析

從表4可以看出,美香占2號產量與每穗實粒數、單株分蘗數、土壤容重呈顯著或極顯著正相關,與pH值、有機質含量呈極顯著負相關,與千粒質量、總孔隙度、速效鉀含量也呈一定的正相關趨勢,盡管沒有達到顯著水平。

從表4可以看出,莉香占產量與千粒質量、總孔隙度、持水孔隙度、有效磷含量呈顯著或極顯著正相關,與pH值呈極顯著負相關。美香占2號千粒質量與有機質、堿解氮含量呈一定程度負相關,盡管沒有達到顯著程度。莉香占千粒質量與株高、土壤容重、持水孔隙度、速效鉀含量呈顯著或極顯著正相關,與有機質含量呈顯著負相關,與pH值、EC值也表現出一定的負相關,盡管沒有達到顯著程度。美香占2號每穗實粒數與土壤容重、通氣孔隙度呈顯著或極顯著正相關;與有機質含量呈負相關,與速效鉀呈正相關,但均未達到顯著水平。莉香占每穗實粒數與單株分蘗數、EC值、通氣孔隙度、速效鉀含量呈顯著或極顯著正相關。美香占2號單株分蘗數與pH值呈極顯著負相關,與EC值、有機質含量呈負相關。而莉香占單株分蘗數與有效磷含量呈極顯著正相關。美香占2號株高與有機質含量呈極顯著負相關,與土壤容重、速效鉀含量呈極顯著正相關。莉香占的株高與速效鉀含量呈極顯著正相關,與pH值呈顯著負相關,與總孔隙度、通氣孔隙度呈正相關。土壤pH值與總孔隙度、持水孔隙度及有效磷含量呈顯著或極顯著負相關。土壤EC值與有機質含量、通氣孔隙度及堿基氮含量呈極顯著正相關。土壤總孔隙度與持水孔隙度、堿解氮含量呈極顯著正相關,與通氣孔隙度、有效磷含量呈顯著正相關。土壤有機質含量與堿解氮含量呈極顯著正相關,這表明有機質越多,土壤養分越高;與土壤容重呈極顯著負相關,表明有機質具有一定的疏松土壤作用。土壤容重與速效鉀含量呈極顯著正相關,這可能是由于高密度土壤具有更好保肥效果。通氣孔隙度與堿解氮、速效鉀含量呈極顯著正相關,這可能是由于氧氣量增加,促進土壤微生物對有機質的有氧發酵,導致釋放無機養分所致。

表4 水稻產量及其構成因子、土壤物理化性質相關分析

3 討論與結論

3.1 稻蝦共作條件下最適合的水稻品種及施肥方式

本研究中2個水稻品種在稻蝦共作條件下,美香占2號最高產量為8 744 kg/hm2,莉香占最高產量為6 876 kg/hm2。2個品種在相同的施肥條件下存在種間差異。首先,美香占2號與莉香占在 200 OPS 施肥條件下產量及產量構成因子對產量的貢獻率不同。美香占2號產量在200 OPS施肥條件下高于莉香占。相關分析表明, 美香占2號的產量與每穗實粒數、單株分蘗數呈顯著或極顯著正相關,莉香占產量主要與千粒質量呈極顯著正相關。其次,美香占2號與莉香在養分需求量上存在明顯差異。在一定范圍內,美香占2號產量與有機質含量呈極顯著負相關(-0.64),而莉香占與有機質含量呈負相關,相關性沒有達到顯著水平。這也可以解釋同樣在400 OPS和OPBS施肥條件下, 莉香占產量均顯著高于美香占2號。最后,2個水稻品種生育期不同。到123 d水稻收獲時,美香占2號葉色比莉香占更黃,即美香占2號生育期比莉香占更短。這些表明美香占2號可以作為稻蝦共作條件下本地區較適合的水稻推廣品種。

同時,在8種施肥方式中,在200 OPS施肥條件美香占2號與莉香占產量均達到最高,表明在稻蝦共作條件下,以有機肥(3 000 kg/hm2)與磷肥(300 kg/hm2)及土壤改良劑(750 kg/hm2)組合能夠使土壤理化性質及水稻養分量達到生長要求,保持水稻較高的產量,是當地稻蝦共作較適合的施肥方式。

3.2 不同施肥方式對土壤理化性質與水稻產量比較

本試驗使用8種施肥方式(OP、OPS、OPB、OPBS、100 OPS、200 OPS、300 OPS、400 OPS)進行稻蝦種養試驗。前4種施肥方式(OP、OPS、OPB、OPBS)主要探索單一組分如土壤改良劑(S)或生物炭(OPB)及其組合(BS)對土壤改良及水稻生長效果;后4種施肥方式(100 OPS、200 OPS、300 OPS、400 OPS)主要研究有機肥的劑量效應對土壤理化條件及水稻生長影響。從表3可以看出,同OP施肥條件下相比,生物炭(OPB)能顯著提升土壤pH值、EC值及土壤通氣孔隙度,但顯著降低土壤容重,對提升土壤有機質含量沒有顯著效果。土壤改良劑(OPS)能顯著提升土壤EC值、有機質含量、總孔隙度、持水孔隙度和通氣孔隙度,但顯著降低土壤pH值和土壤容重,這是由于腐熟的土壤改良劑含有較多的腐植酸導致的。同OP施肥條件下相比,生物炭和土壤改良劑組合(OPBS)也能顯著提升土壤EC值、有機質含量及土壤通氣孔隙度,顯著降低土壤pH值和土壤容重。因此,生物炭和土壤改良劑對土壤改良效果不完全相同。如果在酸性土壤中,可以考慮添加生物炭以提升pH值;而在堿性土壤中比較適合使用土壤改良劑,可以降低土壤的pH值,同時土壤改良劑還可以顯著提升土壤的有機質含量和養分含量。

從美香占2號產量上看,施肥方式OPB與OPS對水稻產量具有相同增產效果,2種施肥方式下產量均顯著高于OP施肥方式。而美香占2號產量在OPBS施肥方式下與在OP施肥方式下沒有明顯差別。這表明施用單一組分(B或S)對土壤改良效果優于兩者組合(BS)。

從有機肥劑量效應上看,比較5種施肥方式(OPS、100 OPS、200 OPS、300 OPS、400 OPS)下的土壤理化性質和水稻產量。以OPS施肥方式為參照,4種施肥方式(100 OPS、200 OPS、300 OPS、400 OPS)主要在EC值、有機質含量和土壤容重方面有顯著差異。EC值在施肥方式OPS和400 OPS下顯著高于其他3種施肥方式,而OPS和400 OPS施肥方式的EC值沒有顯著差異。施肥方式 200 OPS 和300 OPS的EC值居中,兩者沒有顯著差異,100 OPS施肥方式的EC值最低。

從有機質含量方面看,施肥方式200 OPS和300 OPS有機質含量顯著低于其他3種施肥方式(OPS、100 OPS、400 OPS)。

從土壤容重方面看,施肥方式200 OPS和 300 OPS 土壤容重顯著高于其他3種方式施肥方式。EC值是用來測量溶液中可溶性鹽濃度的,一般可以粗略衡量土壤養分含量。但過高的EC值對植物產生毒害;另外,有機質含量與土壤容重呈負相關,土壤容重過低導致保水保肥能力變差。土壤容重也影響土壤的孔隙度與孔隙大小分布以及穿透阻力,影響植株根系的延展,進而影響煙株對土壤養分的吸收[9]。因此,并不是有機質含量越高產量就越高,糧食產量在一定范圍內與有機質含量的多少呈正態分布[18]。

從美香占2號產量角度,以OPS施肥方式為參照,比較4種施肥方式(100 OPS、200 OPS、300 OPS、400 OPS)下的水稻產量。在200 OPS施肥方式下,美香占2號具有最高的產量,而在300 OPS施肥方式下其產量與在OPS施肥方式下沒有顯著差異,而在在100 OPS和400 OPS施肥方式下美香占2號產量均明顯低于OPS施肥方式下的產量。而對于莉香占而言,在400 OPS施肥方式下其產量明顯高于OPS施肥方式下的產量,這表明莉香占較美香占2號養分需求量更大。

對水稻產量影響較大的因素主要是土壤的pH值、EC 值、有機質施用量和土壤容重。參照本研究的高產施肥條件(200 OPS),當地土壤的pH值應保持在5.99左右,EC值應保持在263 μS/cm左右,有機質施用量在9.913 g/kg左右,土壤容重在 1.847 g/cm3左右,能夠保證較高的水稻產量。

3.3 陸泉沙島稻田土壤肥力與有機質含量的關系

本試驗在中山市陸泉沙島稻田實施。陸泉沙島屬于江中島嶼,稻田灌溉水直接來自經沙質土過濾滲入的江水,稻田土壤偏沙壤土。有報道顯示,全國農田耕層土壤有機質平均含量為24.65 g/kg[10]。本研究測定的中山市陸泉沙島稻田耕層有機質含量范圍在9.913～15.102 g/kg,故陸泉沙島稻田土壤有機質含量非常低,需要大量補充有機質與肥料。有報道顯示,土壤有機質含量與產量之間具有顯著正相關性[11]。中山市陸泉沙島稻田土壤容重在1.339～1.921 g/cm3之間。一般來說,沙土、沙壤土容重 1.2～1.8 g/kg。土壤容重增大,土壤緊實度增大,抑制根系的生長,繼而影響植株地上部生長[16-17],而土壤容重過低則保肥保水性變差。本研究中施用了有機肥,也補充一定量的腐熟的土壤改良劑和生物炭。土壤改良劑是以綠化廢棄物為原料,經過粉碎堆肥腐熟的物料,含有大量腐殖酸和一定量氮磷鉀養分,能夠降低土壤pH值[6]。生物炭本身含有大量的堿性物質,具有發達的孔隙結構,可改變土壤的孔隙性及提高土壤pH 值[11-15]。一般在偏酸性環境下有利于植物吸收養分。因此,在陸泉沙島稻田不宜添加生物炭,更適合添加腐熟土壤改良劑和有機肥。

總之,本研究主要獲得以下結論:美香占2號與莉香占2個水稻品種在200 OPS施肥條件下均達到最高產量,且美香占2號產量明顯高于莉香占。美香占2號養分需求量低于莉香占。美香占2號是本地區稻蝦共作較適合的推廣品種。200 OPS施肥方式是本地區較適合的施肥方式。生物炭可以提高土壤pH值和土壤通氣孔隙度,但不能提高土壤總孔隙度和持水孔隙度。土壤改良劑可以降低土壤pH值,全面提高土壤總孔隙度、持水孔隙度及通氣孔隙度。土壤中單獨施用土壤改良劑或生物炭優于兩者組合施用。