稻蝦共作模式下克氏原螯蝦對水稻土團聚體特征及有機碳分布的影響

關鍵詞：稻蝦共作模式；克氏原螯蝦；水穩性團聚體；有機碳分布

克氏原螯蝦（Procambaru.s clarkii）俗稱小龍蝦，屬節肢動物門、甲殼綱、十足目、螯蝦科、原螯蝦屬，具有雜食、掘穴、蛻殼等習性。稻蝦共作模式是一種以潛育性稻田為基礎，以種稻為中心，稻草還田養殖克氏原螯蝦為特點的復合生態系統。該模式充分利用了稻田的淺水環境和冬閑期，把種植業和養殖業有機結合起來，達到了“一水兩用、一田雙收”的目的，具有良好的經濟效益和社會效益。稻蝦共作模式已在湖北、安徽、湖南、江蘇、江西等長江中下游區域被廣泛應用，且以湖北省的面積最大，截至2021年湖北省稻蝦種養面積約為50.6萬hm2，占全國稻蝦復合種養總面積的36.1%。

土壤團聚體能夠反映土壤的持水性、通透性和供儲養分的能力，不同粒級團聚體的數量、分布以及性質是決定土壤侵蝕、壓實、板結等物理退化過程的重要因素之一。土壤有機碳是促進土壤團聚體形成的良好膠結物質，表土中近90%的有機碳位于團聚體內。研究稻田復合種養模式對表層土壤團聚體特征（數量分布、穩定性）及有機碳分布的影響對揭示人為干擾對土壤質量及其固碳特性的影響具有重要意義。劉鳴達等的研究表明，稻田養蟹提高了土壤gt;2mm和2～0.25mm粒級團聚體的含量，降低了lt;0.25～0.053mm和lt;0.053mm粒級團聚體的含量。沈建凱的研究表明，稻田養鴨后土壤中1～2mm團聚體增加了5.29%，1～0.25mm團聚體增加了1.16%，而lt;0.25mm團聚體減少了5.17%。

稻蝦共作模式下秸稈還田后，一方面克氏原螯蝦的殘餌、排泄物及爬行覓食等會促進秸稈的快速腐解，另一方面秸稈泡水腐解過程中產生的植物碎屑及其產生的浮游動物是克氏原螯蝦主要的食物來源之一。因此，稻蝦共作模式下克氏原螯蝦生物擾動對土壤團聚體特征及其有機碳分布勢必產生較大影響。目前關于稻蝦共作模式影響稻田土壤環境的研究主要集中于對稻田溫室氣體排放、氨揮發、土壤理化性狀及微生物多樣性等方面，而關于稻蝦共作模式中單一因素諸如克氏原螯蝦養殖對稻田土壤肥力影響方面的研究鮮見報道。因此，本文通過冬泡無秸稈還田、冬泡+秸稈還田和冬泡+秸稈還田+養蝦3個處理研究了稻蝦共作模式下在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦對稻田土壤團聚體分布、穩定性及團聚體有機碳含量等的影響，以期為明確該模式下土壤肥力演變過程提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗區地處湖北省潛江市后湖農場移民村（30。22' 41.2\"N、112°41' 32.5\"E），屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量1100mm，年平均氣溫16.1℃，無霜期246d，冬季靜態地下水位40～60cm，種植制度為“中稻一冬閑”，土壤類型為湖積物發育而成的潮土性水稻土。

1.2試驗設計

田間試驗始于2014年10月，設置3個處理：①冬泡無秸稈還田（W）；②冬泡+秸稈還田（WS）；③冬泡+秸稈還田+養蝦（WSC）。每個處理設置3次重復，每個小區面積100m2，為了防止串水、串蝦，處理間設寬0.4m、深1.0m的溝，養蝦處理四周設尼龍攔蝦網。

在WSC處理中，供試蝦為克氏原螯蝦。幼蝦（約5g）于2014年10月按照9.0萬只·hm-2的標準進行投放，蝦苗在稻田中自行繁殖，以后每年根據實際情況適量補投親蝦；于每年的3-5月投放蝦飼料，平均投入量為1800kg·hm-2，飼料中全氮、全磷和全鉀的含量分別為46.6、11.0g·kg-1和10.5g·kg-1；于每年6月上旬捕撈成蝦完畢，而未成熟的幼蝦隨水遷移至蝦溝中，待整田、施肥、插秧、曬田控蘗及復水后再次進入稻田生活，在中稻收獲前收獲第2季成熟蝦；于每年10月底中稻留高茬（40～50cm）收獲后，灌水冬泡（灌水深度50cm左右）進行下一季克氏原螯蝦養殖，如此循環輪替。

于2020年6月29日進行整地施肥，6月30日水稻移栽，栽插的原則是寬行窄株、溝邊密植，株距16.7cm、行距26.6cm，10月28日收割；N、P205、K20施用量分別為150、69、120kg·hm-2，基肥、分蘗肥和穗肥中氮肥施用量占總施氮量的比例分別為58.0%、18.0%和24.0%，磷肥一次性作基肥施人，基肥和穗肥中鉀肥施用量占總施鉀量的比例分別為50%和50%。插秧前施人基肥，插秧后15d施人分蘗肥，插秧后50d施入穗肥。稻草還田方式為高留茬、田間覆蓋，還田量為7500kg.hm-2，供試水稻品種為中稻“鑒真2號”。

1.3土壤樣品采集

取樣時間為2020年10月，于水稻收獲后每個小區按照S形五點采樣法，采集0～10cm表層土壤，將土壤樣品均勻混合后裝入硬質塑料盒轉運至實驗室。樣品帶回實驗室去除石塊、植物殘體等雜物后，一部分于4℃保存，用于微生物量碳和可溶性有機碳的測定，另一部分自然風干后，用于土壤團聚體、總有機碳、易氧化有機碳和顆粒有機碳的測定。

1.4測定指標及方法

水穩性團聚體使用濕篩法測定。采用DM2000-Ⅲ型土壤團粒分析儀將土壤樣品依次通過篩孔直徑為2、1、0.5、0.25、0.053mm的土壤篩，分離出gt;2、gt;1～2、gt;0.5～1、gt;0.25～0.5、0.053～0.25mm和lt;0.053mm6個級別的水穩性團聚體。將分離后的土樣在60℃下烘干后稱取質量，研磨過100目篩后進行有機碳含量測定。團聚體中平均質量直徑（MWD）與幾何平均直徑（GMD）的計算公式如下：

采用濃硫酸一重鉻酸鉀外加熱法測定土壤總有機碳含量；采用氯仿熏蒸一硫酸鉀提取法測定微生物量碳含量；采用Jiang等的方法測定可溶性有機碳含量；采用Cambardella等的方法測定顆粒有機碳含量；采用KMri04氧化法測定易氧化有機碳含量。

1.5數據處理與分析

采用Excel 2010軟件處理數據，采用SPSS 22.0軟件對數據進行差異顯著性檢驗（LSD法，a=0.05），并對數據進行繪圖，采用Pearson相關性分析分析因子之間的關系。

2結果與分析

2.1土壤水穩性團聚體分布特征

圖1表明，各處理土壤以gt;1～2mm團聚體為主，占比達到25.5%～27.1%。WS處理中gt;2mm團聚體比例較W處理顯著提高了31.0%，而其他粒級團聚體比例兩處理間無顯著差異；與WS處理相比，WSC處理中gt;2mm和gt;1～2mm團聚體比例顯著提高了19.8%和6.5%，但0.053～0.25mm團聚體比例顯著下降了9.2%。由此可見，秸稈還田處理顯著提高了稻田土壤中gt;2mm團聚體比例，在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦增加了稻田土壤gt;1mm團聚體比例，但降低了0.053～0.25mm團聚體比例。

2.2土壤水穩性團聚體穩定性特征

土壤團聚體的穩定性是評價土壤結構的主要指標，其穩定程度常用gt;0.25mm的團聚體數量（R0.25）、MWD和GMD來表示。表1結果表明，WS處理的MWD較W處理顯著提高了18.9%，而R025和GWD兩處理間則無顯著差異；WSC處理土壤團聚體中R0.25、MWD和GMD較WS處理分別提高了7.8%、20.6%和37.5%。由此可見，秸稈還田處理主要提高了團聚體平均質量直徑，而在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦則顯著提高了土壤團聚體的穩定性。

2.3土壤總有機碳及活性組分的變化特征

表2表明，WS處理的總有機碳、微生物量碳和顆粒有機碳含量較W處理呈增加趨勢，但均未達到顯著水平（Pgt;0.05），而可溶性有機碳含量較W處理顯著降低了27.8%。相比WS處理，WSC處理土壤總有機碳、微生物量碳和顆粒有機碳含量分別顯著提高了6.2%、34.0%和23.1%，而可溶性有機碳和易氧化有機碳含量雖呈增加趨勢，但均未達到顯著水平（Pgt;0.05）。由此可見，秸稈還田處理降低了土壤可溶性有機碳含量，而在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦提高了土壤總有機碳、微生物量碳和顆粒有機碳含量。

2.4土壤團聚體有機碳的變化特征

圖2表明，隨著土壤團聚體粒級的減小，團聚體有機碳含量呈逐漸降低的趨勢。相較于W處理，WS處理中gt;2mm團聚體有機碳含量顯著提高了14.3%，而其他粒級團聚體有機碳含量兩處理間差異不顯著。WSC處理在0～10cm土層中gt;0.25～0.5、0.053-0.25mm和lt;0.053mm團聚體有機碳含量較WS處理分別顯著提高了18.8%、22.3%和22.3%。由此可知，秸稈還田處理提升了gt;2mm團聚體有機碳含量，而秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦提升了微團聚體（lt;0.25mm）有機碳的含量。

2.5土壤團聚體有機碳的貢獻率

圖3表明，不同粒級團聚體中的有機碳對原土有機碳固持貢獻率以gt;2mm和gt;1～2mm團聚體為主，占比為41.2%～48.2%，以lt;0.053mm團聚體的有機碳貢獻率最小，占比為5.4%～6.1%。相較于W處理，WS處理顯著提高了土壤中gt;2mm團聚體有機碳貢獻率，但顯著降低了lt;0.053、0.053-0.25mm和gt;0.25～0.5mm團聚體有機碳貢獻率。相較于WS處理，WSC處理顯著降低了土壤中0.053～0.25mm團聚體有機碳貢獻率。由此可見，秸稈還田提高了土壤大團聚體（gt;2mm）中有機碳貢獻率，降低了微團聚體（lt;0.5mm）中有機碳貢獻率，而在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦顯著降低了土壤中0.053～0.25mm團聚體有機碳貢獻率。

3討論

土壤團聚體作為土壤重要的組成部分，其不同粒級團聚體的數量、分布以及性質直接影響著土壤養分的保持與供應。本研究表明，秸稈還田處理顯著提高了稻田土壤中gt;2mm團聚體比例，表明秸稈還田有利于團聚體向更大粒級團聚體轉化，這與Fan等的研究結果一致。這可能是因為：一方面秸稈進入土壤后可直接成為大團聚體形成的核心，使土壤中的細小顆粒附著于秸稈而形成大團聚體；另一方面秸稈還田增加了土壤中有機物質的輸入，提高了土壤微生物活性，有機物質經微生物降解產生的有機膠結物質以及菌絲等能夠不斷膠結土壤黏土顆粒，進而促進大團聚體的形成。本研究表明，在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦增加了土壤gt;1mm團聚體比例，降低了0.053～0.25mm團聚體比例。研究表明，克氏原螯蝦即使在飼料充足的條件下，仍然會攝食有機碎屑、浮游動物、水生植物等，克氏原螯蝦食物來源中飼料和有機碎屑的貢獻率分別為38.0%～44.2%和21.2%～23.4%，由此可見，克氏原螯蝦養殖過程中未食用的餌料以及蛻殼均可增加有機膠結物質，從而有利于微團聚體向大團聚的黏結轉化。土壤MWD、GMD和R025常被作為評價土壤團聚體穩定性、反映土壤團聚體大小分布的重要指標，土壤中MWD、CMD和R0.25越大，其穩定性越高。本研究表明，相比于無秸稈還田處理，秸稈還田處理顯著提高了土壤團聚體MWD，這與Halder等的研究結果一致。土壤團聚體穩定性很大程度上取決于有機、無機膠結物質對土粒膠結的能力，秸稈還田增加了有機質膠體含量，改善了顆粒組成，從而提高了團聚體的穩定性。本研究表明，在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦顯著提高了土壤團聚體中R25、MWD和GMD，這與劉鳴達等對稻蟹模式團聚體影響的研究結果相似。這主要是由于將秸稈還田后，克氏原螯蝦對水稻秸稈的咀嚼、粉碎等加速了秸稈的分解，秸稈還田后分解產生的如木質素、蛋白質和多糖等多種物質增加了水穩性團聚體的穩定性。

土壤有機碳的積累取決于有機碳輸入與礦化速率之間的平衡。本研究表明，相對于無秸稈還田處理，秸稈還田處理的土壤有機碳、微生物量碳和顆粒有機碳含量均呈增加趨勢，但兩處理間未達到顯著差異水平（Pgt;0.05），這可能與秸稈還田的時間較短（僅6a）有關。本研究表明，相對于秸稈還田處理，秸稈還田+養殖克氏原螯蝦處理土壤有機碳含量顯著增加了6.2%，這可能是因為：一方面克氏原整蝦養殖中未被食用的飼料以及排泄出的糞便中富含的氮素等養分促進了水稻生長發育，提高了水稻產量，增加了水稻根系生物量及根系分泌物的分泌量；另一方面克氏原螯蝦活動和秸稈添加均有利于土壤團聚體的形成，從而增強了土壤對有機質的保護、固定和維持能力。土壤微生物量碳是土壤有機碳庫中最活躍的組分，易受土壤濕度、溫度、管理措施以及易降解有機物的影響。在本研究中，秸稈還田+養殖克氏原螯蝦處理土壤微生物量碳含量較秸稈還田處理顯著提高了34.0%，這可能是由于克氏原螯蝦掘穴、攝食及排泄等活動改變了土壤環境，促進了土壤微生物的生長和繁殖，從而提高了微生物量碳含量。顆粒有機碳是動植物殘體向土壤腐殖質轉化的過渡產物，腐殖化程度較低，且易礦化分解。本研究表明，秸稈還田+養殖克氏原螯蝦處理中土壤顆粒有機碳含量較秸稈還田處理顯著增加了23.1%，這可能是由于克氏原螯蝦對秸稈、雜草等的粉碎、攝食等活動促進了植物凋落物的腐解，從而提高了土壤顆粒有機碳含量。可溶性有機碳是指能夠溶于水且能通過0.45um濾膜的有機碳組分，其在土壤中移動較快、易分解氧化，是微生物生命活動的主要能源。在本研究中，相對于無秸稈還田處理，秸稈還田處理和秸稈還田+養殖克氏原螯蝦處理的土壤水溶性有機碳含量均呈下降趨勢，且秸稈還田處理下降顯著，這可能是因為：一方面秸稈采取覆蓋還田+冬泡模式，秸稈腐解產生的水溶性有機碳隨養殖廢水排出大田；另一方面秸稈還田增加了土壤微生物對可溶性有機碳的利用，從而減少了土壤中可溶性有機碳含量。

團聚體中有機碳的分布特征是土壤重要的理化性質。Buvanovsky等的研究表明大團聚體中有機碳生物可利用性較高，而微團聚體中有機碳穩定性較高，更新周期較長。本研究中，秸稈還田處理顯著提高了gt;2mm團聚體有機碳含量，這與王飛等的研究結果一致。水稻土中新輸入而易礦化分解的動植物殘體主要存在于大團聚體中而受物理保護，從而增加了大團聚體有機碳含量。本研究表明，秸稈還田+養殖克氏原螯蝦處理較秸稈還田處理顯著提高了lt;0.25mm團聚體中有機碳的含量，由此可見，養殖克氏原螯蝦有利于土壤微團聚體中有機碳穩定性的提高。水稻土中微團聚體主要以多糖或無機膠體膠結方式形成。稻蝦共作模式中投入的幼蝦經過6次蛻殼至成蝦，累積的蛻殼量可達201.3kg·hm-2，蛻殼中富含的50.5%的甲殼素及其降解物——殼聚糖可能會優先膠結微團聚體，從而提高lt;0.25mm團聚體中有機碳含量。團聚體對土壤有機碳的貢獻率大小主要受其團聚體比例及有機碳含量的影響。本研究表明，秸稈還田增加了土壤gt;2mm團聚體中有機碳貢獻率，降低了小團聚體（lt;0.5mm）中有機碳貢獻率，這主要是由于秸稈還田顯著提高了gt;2mm團聚體比例及團聚體有機碳含量，而降低了小團聚體（lt;0.5mm）中有機碳含量。本研究表明，秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦顯著降低了土壤中0.053～0.25mm團聚體有機碳貢獻率，這主要是由于秸稈還田雖然提高了0.053～0.25mm團聚體有機碳含量，但降低了0.053～0.25mm團聚體比例。

4結論

冬泡條件下在秸稈還田的基礎上養殖克氏原螯蝦顯著提高了土壤gt;1mm團聚體比例，降低了0.053～0.25mm團聚體比例，增強了土壤團聚體的穩定性，顯著提高了土壤總有機碳、顆粒有機碳和微生物量碳含量，尤其提高了lt;0.25mm團聚體中有機碳的含量。研究表明，稻蝦共作模式下克氏原螯蝦促進了土壤大團聚體的形成，增強了土壤團聚體穩定性，提高了土壤有機碳及活性組分含量，尤其提高了微團聚體中有機碳含量，提升了土壤固碳能力。