稻蝦共作模式對(duì)澇漬稻田土壤理化性狀的影響*

佀國(guó)涵,彭成林,徐祥玉,徐大兵,袁家富**,李金華

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所 武漢 430064;2.潛江市農(nóng)技推廣中心 潛江 433199)

稻蝦共作模式對(duì)澇漬稻田土壤理化性狀的影響*

佀國(guó)涵1,彭成林1,徐祥玉1,徐大兵1,袁家富1**,李金華2

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所 武漢 430064;2.潛江市農(nóng)技推廣中心 潛江 433199)

稻蝦共作模式是一種以澇漬水田為基礎(chǔ),以種稻為中心,稻草還田養(yǎng)蝦為特點(diǎn)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。本文通過(guò)10年(2005—2015年)定位試驗(yàn),以中稻單作模式為對(duì)照,研究了稻蝦共作模式對(duì)0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm土層土壤理化性狀以及水稻產(chǎn)量的影響;采用投入產(chǎn)出法,評(píng)估了稻蝦共作模式的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明,長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實(shí)度,其在15cm、20cm、25cm和30cm處的土壤緊實(shí)度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%。長(zhǎng)期稻蝦共作模式提高了0～40cm土層中>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑,但降低了0～20cm土層的團(tuán)聚體分形維數(shù)。相對(duì)于中稻單作模式,長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層有機(jī)碳、全鉀和堿解氮含量,0～30cm土層全氮含量,0～10cm土層全磷和速效磷含量以及20～40cm土層速效鉀含量。稻蝦共作模式顯著降低了0～10cm土層還原性物質(zhì)總量,但提高了20～30cm土層土壤還原性物質(zhì)總量。稻蝦共作模式的水稻產(chǎn)量較中稻單作模式顯著提高,增幅為9.5%,其總產(chǎn)值、利潤(rùn)和產(chǎn)投比較中稻單作模式分別增加了46 818.0元·hm-2、40188.0元·hm-2和100.0%。可見(jiàn)稻蝦共作模式改善了土壤結(jié)構(gòu),增加了土壤養(yǎng)分,提高了水稻產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益,但增加了10cm以下土層潛育化的風(fēng)險(xiǎn)。

稻蝦共作模式;澇漬稻田;土壤結(jié)構(gòu);有機(jī)碳;土壤養(yǎng)分;經(jīng)濟(jì)效益

稻田種養(yǎng)復(fù)合生態(tài)模式是我國(guó)南方稻作區(qū)一種主要的種養(yǎng)模式,具有悠久的歷史,該模式把水稻(Oryza sativa)種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖人為地組合在同一生態(tài)系統(tǒng)中,利用稻田的立體空間,達(dá)到充分利用光、熱、水及生物資源的目的,獲得較高的物質(zhì)生產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[1];同時(shí)可防止土壤肥力減退,減少環(huán)境污染,維持生態(tài)平衡,使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于良性循環(huán)之中[2]。近年來(lái),稻蝦共作模式已發(fā)展成為我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)一種以澇漬稻田為條件,以種稻為中心,稻草還田養(yǎng)蝦為特點(diǎn)的新興稻田種養(yǎng)復(fù)合生態(tài)模式,該模式在長(zhǎng)江中下游稻區(qū)發(fā)展很快,目前僅在湖北省已推廣近14.0萬(wàn)hm2。調(diào)查表明該模式平均產(chǎn)值比傳統(tǒng)“稻-油輪作”模式或“稻-麥輪作”模式多收入近4.5萬(wàn)元·hm-2,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在稻蝦共作模式中,水稻和克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)互惠互利,一方面克氏原螯蝦能清除稻田中的雜草、害蟲(chóng),同時(shí)其排泄物及殘餌可供水稻生長(zhǎng)利用,另一方面稻田水體中溶解氧較高,且動(dòng)植物食源豐富,為克氏原螯蝦提供了良好的棲息環(huán)境[3]。與單純種稻的稻田系統(tǒng)相比,養(yǎng)蝦的稻田生態(tài)系統(tǒng)不僅能夠大幅提高能量、水、肥等的利用率,使其穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力得到更大提高[4],而且促進(jìn)了物質(zhì)就地循環(huán),阻止了稻田能量流的外溢,使稻田的生態(tài)從結(jié)構(gòu)與功能上均得到了合理的改善和利用。

目前關(guān)于稻漁共作模式對(duì)稻田土壤的理化性狀的研究多集中在稻魚(yú)共作模式和稻蟹共作模式[5-7],而關(guān)于稻蝦共作模式對(duì)稻田土壤理化性狀的研究鮮有報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)稻蝦共作模式下土壤物理和化學(xué)性狀研究,旨在為評(píng)價(jià)該模式下土壤質(zhì)量變化提供數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為進(jìn)一步推廣稻-蝦共作模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖北省潛江市白鷺湖農(nóng)場(chǎng)關(guān)山分場(chǎng)(30°11′36.07″N、112°43′22.68″E),屬江漢平原低湖區(qū),冬季靜態(tài)地下水位 40～60cm,北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年均氣溫16.1 ,℃ 無(wú)霜期246 d,年均降雨量1100 mm,土壤類(lèi)型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)始于2005年,處理設(shè)置稻蝦共作模式(CR)和中稻單作模式(MR),每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。每小區(qū)面積300 m2,小區(qū)周?chē)鰧?0cm,高40cm的埂,并用地膜包裹。為了防止串水、串蝦,處理間設(shè)寬0.4 m、深1.0 m的溝。在稻蝦共作模式小區(qū)一側(cè)開(kāi)挖溝寬3.0～4.0 m、深0.8～1.0 m的蝦溝,且四周設(shè)尼龍攔蝦網(wǎng),尼龍網(wǎng)埋入地下約1.0 m,地上露出約0.3 m,并用小竹棍支撐。稻蝦共作模式采用中稻收獲后灌水養(yǎng)蝦,稻草全量還田;中稻單作模式采用水稻收獲后冬干,不養(yǎng)蝦,稻草全量還田。供試水稻為中稻品種‘鑒真2號(hào)’,供試蝦為克氏原螯蝦。

1.3 田間管理

于每年 6月中下旬進(jìn)行整地、水稻移栽,栽插的原則是寬行窄株、溝邊密植,株行距為16.7cm× 26.6cm,9月底收割;水稻的施肥量一般為每年施N120kg·hm-2、P2O536.0kg·hm–2和K2O 60.0kg·hm–2。稻蝦共作模式處理中蝦苗于 2005年10月份按照15.0～22.5萬(wàn)只·hm–2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行投放,蝦苗在稻田中自行繁殖,以后每年此時(shí)根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)投適量親蝦,于每年的3—5月份進(jìn)行蝦飼料投放,投入飼料量平均為1 800kg·hm–2,飼料中全氮、全磷和全鉀含量分別為46.6 g·kg–1、11.0 g·kg–1和10.5 g·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、插秧、曬田控蘗及復(fù)水后再次進(jìn)入稻田生活,在中稻收獲前收獲第2季成熟小龍蝦,10月底中稻收割完畢灌水后進(jìn)行下一季克氏原螯蝦養(yǎng)殖。

1.4 土樣采集

于2015年水稻收獲后,10月中旬進(jìn)行土壤樣品的采集,采樣方式為S形5點(diǎn)采樣法,在每一小區(qū)按0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm 土層采集土樣,在采集和運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng),采集土樣去除植物殘根和石塊并混勻,風(fēng)干土樣一部分過(guò)20目和100目篩,進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定,另一部分進(jìn)行土壤團(tuán)聚體分析。

1.5 土樣測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行測(cè)定[8],于2015年10月中旬,采用CP40Ⅱ數(shù)顯式土壤緊實(shí)度儀在田間直接原位測(cè)定,測(cè)定土層范圍為 0～40cm,每1cm記錄1 次數(shù)據(jù),每個(gè)小區(qū)重復(fù)測(cè)18次。土壤pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀的測(cè)定參考文獻(xiàn)[9]進(jìn)行,土壤 pH采用土︰水=1︰5酸度計(jì)法,土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法,全氮采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定,全磷采用 H2SO4-HClO4消煮鉬銻抗比色法,全鉀含量采用 NaOH熔融-火焰光度法,土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,速效磷含量采用Olsen法測(cè)定,速效鉀用中性NH4Ac浸提-火焰光度法測(cè)定;還原物質(zhì)總量采用 Al2(SO4)3浸提-重鉻酸鉀容量法,Fe2+、Mn2+采用Al2(SO4)3浸提-容量法測(cè)定[10]。

采用Elliott[11]提供的濕篩法對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體進(jìn)行分級(jí),利用DM2000-Ⅲ型土壤團(tuán)粒分析儀將土樣依次過(guò)2 mm、1 mm、0.25 mm和0.053 mm,分離出>2 mm、1～2 mm、1～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm 5個(gè)級(jí)別水穩(wěn)性團(tuán)聚體,分離出的不同大小團(tuán)聚體的土樣60℃烘干,稱(chēng)重。

1.6 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS11.0軟件進(jìn)行ANOVA方差分析,其他統(tǒng)計(jì)分析采用 Microsoft Excel 2007軟件。團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)以及分形維數(shù)(D)的計(jì)算公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 稻蝦共作模式對(duì)土壤物理性狀的影響

2.1.1 對(duì)土壤緊實(shí)度的影響

土壤緊實(shí)度由土壤抗剪力、壓縮力和摩擦力等構(gòu)成,是衡量土壤強(qiáng)度的一個(gè)合成指標(biāo),它可預(yù)測(cè)土壤承載量、耕性和根系伸展阻力[12]。由表1可知,隨著土層深度的增加,土壤緊實(shí)度均呈逐漸增加的趨勢(shì)。對(duì)5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm和40cm處土壤緊實(shí)度的分析表明,稻蝦共作模式在土層15cm、20cm、25cm和30cm處的土壤緊實(shí)度均顯著小于中稻單作模式,其土壤緊實(shí)度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%,這表明長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實(shí)度。

表1 稻蝦共作模式對(duì)不同土層深度土壤緊實(shí)度的影響Table1 Effect of integrated rice-crayfish system on soil compaction in different soil layers kPa

2.1.2 對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性是衡量土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo),>0.25 mm的團(tuán)聚體數(shù)量(R0.25)越多意味著團(tuán)聚體越穩(wěn)定。土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)均可表征團(tuán)聚體的穩(wěn)定程度。其中MWD和GMD反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況,其值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越強(qiáng)[13]。D表征土壤結(jié)構(gòu)組成及其均勻程度,D值越小,土壤的結(jié)構(gòu)越好[14]。由表2可知,隨著土層的加深,水穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25、MWD值和GMD值均呈逐漸降低的趨勢(shì),D值則呈先增加后降低的趨勢(shì)。稻蝦共作模式的R0.25、MWD值和GMD值在0～40cm土層較中稻單作模式均呈增加趨勢(shì),而D值在0～20cm土層較中稻單作模式呈降低趨勢(shì),但均未達(dá)到顯著差異;稻蝦共作模式的MWD值和GMD值在0～10cm和30～40cm顯著高于中稻單作模式,其中MWD值在0～10cm和30～40cm較中稻單作模式分別提高了26.3%和34.3%,GMD值分別提高了40.5%和47.5%。

2.2 稻蝦共作模式對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響

2.2.1 對(duì)土壤全量養(yǎng)分的影響

由表3可知,隨著土壤深度的增加,土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量均呈逐漸降低趨勢(shì),而稻蝦共作模式的土壤全鉀含量則呈逐漸升高趨勢(shì)。稻蝦共作模式的土壤有機(jī)碳和全鉀含量在0～40cm土層顯著高于中稻單作模式,其中在0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm土層,有機(jī)碳含量較中稻單作模式分別提高了33.5%、22.6%、36.7%和31.6%,土壤全鉀含量較中稻單作模式分別提高了5.1%、5.0%、8.4%和10.1%;稻蝦共作模式的土壤全氮含量在0～30cm土層顯著高于中稻單作模式,0～10cm、10～20cm、20～30cm土層中較中稻單作模式分別提高了29.9%、23.0%和28.7%;稻蝦共作模式的土壤全磷含量?jī)H在0～10cm土層顯著高于中稻單作模式,較中稻單作模式提高了9.8%,而在10～40cm土層無(wú)顯著差異;稻蝦共作模式的土壤C/N比隨著土層加深呈增加趨勢(shì),較中稻單作模式有升高的趨勢(shì),但未達(dá)到顯著差異。由此可見(jiàn),長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了0～ 40cm土層土壤有機(jī)碳和全鉀含量、0～30cm土層土壤全氮含量以及0～10cm土層全磷含量。

CR:稻蝦共作模式;MR:中稻單作模式。同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。CR:integrated rice-crayfish system;MR:rice monoculture system.Values of the same index followed by different letters in a row are significantly different at 5% level.

表3 稻蝦共作模式對(duì)不同土層深度土壤全量養(yǎng)分的影響Table3 Effect of integrated rice-crayfish system on soil total nutrients contents in different soil layers

2.2.2 對(duì)土壤pH和速效養(yǎng)分的影響

由表4可知,隨著土壤深度的增加,土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈降低的趨勢(shì),而土壤pH則呈增加趨勢(shì);在0～40cm土層,稻蝦共作模式的土壤pH較中稻單作模式呈增加趨勢(shì),但未達(dá)到顯著差異;稻蝦共作模式的土壤堿解氮含量在0～ 40cm顯著高于中稻單作模式,0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm較中稻單作模式分別提高了33.8%、28.3%、43.6%和35.9%。稻蝦共作模式土壤速效磷含量?jī)H在0～10cm土層顯著高于中稻單作模式,而在10～40cm無(wú)顯著差異,這與全磷含量的變化趨勢(shì)一致。稻蝦共作模式土壤速效鉀含量在0～20cm較中稻單作模式無(wú)顯著差異,但在20～40cm土層土壤速效鉀含量顯著高于中稻單作模式,其土壤速效鉀含量在20～30cm和30～40cm較中稻單作模式分別提高了15.2%和22.9%?？梢?jiàn)稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層土壤堿解氮的含量、0～10cm土層土壤速效磷的含量以及20～40cm土層土壤速效鉀的含量。

CR:稻蝦共作模式;MR:中稻單作模式。同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。CR:integrated rice-crayfish system;MR:rice monoculture system.Values of the same index followed by different letters in a row are significantly different at 5% level.

2.2.3 對(duì)土壤還原性物質(zhì)的影響

水稻土中的活性還原物質(zhì)(如 Fe2+,Mn2+)的變化涉及土壤的化學(xué)變化和生物化學(xué)變化,其高低反映了水稻土潛育化和質(zhì)量退化程度[15]。由表5可知,中稻單作模式的土壤 Fe2+、Mn2+和還原性物質(zhì)總量分別為0.048～0.084cmol·kg–1、0.017～0.028cmol·kg–1和0.094～0.214cmol·kg–1,而稻蝦共作模式的土壤Fe2+、Mn2+和還原性物質(zhì)總量分別為0.073～0.100cmol·kg–1、0.018～0.025cmol·kg–1和0.184～0.286cmol·kg–1,參照潘淑貞的標(biāo)準(zhǔn)[16],兩種稻作模式的土壤均屬于輕潛育型水稻土。

隨著土層的加深,土壤中Fe2+和Mn2+含量均呈先增加后下降的趨勢(shì),其中以 20～30cm土層含量最高;中稻單作模式的土壤還原性物質(zhì)總量隨著土壤深度的增加呈逐漸下降的趨勢(shì),而稻蝦共作模式則呈先增加后降低的趨勢(shì),其中以20～30cm土層含量最高。稻蝦共作模式的土壤 Fe2+含量在 0～10cm、10～20cm和30～40cm中均顯著高于中稻單作模式,而在20～30cm土層差異不顯著;稻蝦共作模式的土壤 Mn2+含量在0～40cm土層與中稻單作模式無(wú)顯著差異;稻蝦共作模式的土壤還原性物質(zhì)總量在10～20cm和30～40cm與中稻單作模式無(wú)顯著差異,但是在 0～10cm土層,稻蝦共作模式的土壤還原性物質(zhì)總量顯著低于中稻單作模式,而在20～30cm土層,稻蝦共作模式的土壤還原性物質(zhì)總量顯著高于中稻單作模式,可見(jiàn)長(zhǎng)期稻蝦共作模式可能會(huì)增加10cm以下土層潛育化的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 稻蝦共作模式對(duì)不同土層深度土壤還原性物質(zhì)的影響Table 5 Effect of integrated rice-crayfish system on soil reducing substances contents in different soil layers

2.3 稻蝦共作模式對(duì)水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益影響

由表 6可知,稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量顯著高于中稻單作模式,其水稻產(chǎn)量較中稻單作模式提高了9.5%。在不考慮土地租金和用工成本的情況下,稻蝦共作模式總產(chǎn)值和利潤(rùn)分別為65 858.4元·hm–2和50153.4元·hm–2,較中稻單作模式分別增加了46 818.0元·hm–2和 40188.0元·hm–2,增幅分別為245.9%和 403.3%;從產(chǎn)投比方面看,稻蝦共作模式的產(chǎn)投比達(dá)到了4.2,較中稻單作模式提高了100.0%,可見(jiàn)稻蝦共作模式不僅能夠提高水稻產(chǎn)量,而且能夠大幅提高農(nóng)民的收入。

3 討論

土壤物理性狀是影響作物生產(chǎn)的一個(gè)因素,穩(wěn)定良好的土壤結(jié)構(gòu)有利于植物生長(zhǎng)。本研究表明,長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實(shí)度。克氏原螯蝦具有很強(qiáng)的掘穴能力,在冬夏兩季營(yíng)穴居生活,所挖的洞穴可以提供適宜的溫度以抵抗外界極端條件以及保持潮濕的空氣環(huán)境[17]。由于稻田旋耕等措施使得表層土壤趨于一致,但是對(duì)深層土壤影響較小,因此稻-蝦共作模式中克氏原螯蝦洞穴的存在顯著降低了深層土壤的土壤緊實(shí)度,而對(duì)表層土壤的緊實(shí)度影響不大。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元,作為土壤結(jié)構(gòu)重要的組成部分,對(duì)協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱,維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化等有重要作用[18]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性很大程度上取決于有機(jī)、無(wú)機(jī)膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土粒膠結(jié)的能力[19],而水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成主要依賴(lài)于有機(jī)物質(zhì)的膠連作用[20]。本研究表明,長(zhǎng)期稻蝦共作模式下,土壤>0.25 mm的團(tuán)聚體數(shù)量、MWD值和GMD值較中稻單作模式均有不同程度的提高,其中MWD值和GMD值在0～10cm和30～40cm顯著高于中稻單作模式,這可能由于長(zhǎng)期稻蝦共作模式下,土壤有機(jī)碳在0～40cm累積量較中稻單作模式顯著提高,從而增加了有機(jī)膠結(jié)物及其在團(tuán)聚過(guò)程中的作用;Oades等[21]的研究表明,多糖物質(zhì)也有助于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,克氏原螯蝦的蛻殼中富含殼聚糖,殼聚糖有利于土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒含量增加[22],在一定程度上提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。土壤團(tuán)粒分形維數(shù)與其結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性關(guān)系密切,即團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)越小,則土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性越好,抗蝕能力越強(qiáng)[23]。本研究表明稻蝦共作模式分形維數(shù)在0～20cm土層較中稻單作模式呈降低趨勢(shì),這表明長(zhǎng)期稻蝦共作模式改善了0～ 20cm土層的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,增強(qiáng)了團(tuán)聚體的抗蝕能力,這應(yīng)該與長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了抗侵蝕能力更強(qiáng)的大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有關(guān)。

表6 稻蝦共作模式對(duì)水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 6 Effect of integrated rice-crayfish system on rice yield and economic benefit

土壤有機(jī)碳的積累主要是由有機(jī)質(zhì)輸入與不同類(lèi)型碳的礦化速率間的平衡決定[24]。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤總有機(jī)碳含量在0～40cm土層均顯著高于中稻單作模式。一方面由于稻蝦共作模式采取冬泡養(yǎng)蝦,稻田在冬閑季節(jié)長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài),土壤通氣性較差,好氧性微生物的活性減弱,有機(jī)質(zhì)分解速率相對(duì)較慢;另一方面克氏原螯蝦未食用的餌料以及克氏原螯蝦生長(zhǎng)過(guò)程中所產(chǎn)生的蝦殼、排泄物等補(bǔ)充,因此較采取冬干的中稻單作模式而言,稻蝦共作模式更有利于土壤有機(jī)碳的固持。土壤C/N比既是衡量土壤碳、氮營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)[25],又是土壤氮素礦化能力和土壤有機(jī)質(zhì)分解是否受土壤氮限制的重要標(biāo)志[26]。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤C/N比隨著土層加深呈增加趨勢(shì),且其土壤C/N比較中稻單作模式有升高的趨勢(shì),這說(shuō)明稻蝦共作模式的表層新輸入的有機(jī)質(zhì)或施肥后新形成的有機(jī)質(zhì)有向土壤下層遷移的趨勢(shì),而且其土壤氮素的礦化作用低于中稻單作模式,有利于土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)。本研究表明,相對(duì)于中稻單作模式,長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層中土壤全鉀的含量,0～30cm土層中土壤全氮的含量以及0～10cm土層全磷和速效磷含量。這可能一方面由于稻蝦共作模式中克氏原螯蝦未食用的餌料以及克氏原螯蝦生長(zhǎng)過(guò)程中所產(chǎn)生的蝦殼、排泄物等補(bǔ)充均增加了土壤中養(yǎng)分的投入,另一方面克氏原螯蝦的挖洞筑穴活動(dòng)能夠減小土壤容重,提高土壤孔隙度,增加土壤滲透率[27],長(zhǎng)期水分淋洗使得土壤中氮素和鉀素不斷向下遷移;而對(duì)于土壤磷素來(lái)說(shuō),一般情況下土壤中磷素除植物殘?bào)w內(nèi)存在少量有機(jī)態(tài)以外,其他主要為無(wú)機(jī)形態(tài),外界進(jìn)入的磷絕大多數(shù)吸附在表層,磷素在土壤中的移動(dòng)性很小,向下淋溶少,因而在底層土壤中變異不大[28],因此稻蝦共作模式僅在0～10cm顯著提高了土壤全磷和速效磷的含量,這與吳建富等[29]研究結(jié)果一致。

土壤速效養(yǎng)分在剖面中的垂直移動(dòng),主要受地表覆蓋植被的吸收、溫度、降水及土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響。本研究表明,隨著土壤深度的增加,土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈降低的趨勢(shì),該變化趨勢(shì)體現(xiàn)了土壤的速效養(yǎng)分含量的分布是受明顯的生物富集和表聚作用,這可能與植物地上部的枯枝落葉量以及根系的垂直分布有關(guān),植物根系從深層土壤中吸收養(yǎng)分,然后再通過(guò)枯枝落葉等形式將部分養(yǎng)分歸還于表層土壤并提供了豐富的養(yǎng)分源,而在深層土壤造成各養(yǎng)分逐漸減少[30]。一般情況下,土壤堿解氮與全氮,速效鉀與全鉀均呈極顯著相關(guān)。本研究表明,長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層土壤堿解氮的含量以及20～40cm土層土壤速效鉀的含量。速效養(yǎng)分的含量水平與土壤性質(zhì)有關(guān),也受人為施肥活動(dòng)的影響[31],由于水稻孕穗期追施了 50%的鉀肥,從而導(dǎo)致成熟后期土壤中速效鉀的殘留,使得稻蝦共作模式0～20cm土層的土壤速效鉀含量與中稻單作模式無(wú)顯著差異。

還原性物質(zhì)包括無(wú)機(jī)和有機(jī)體系兩大類(lèi),前者主要有亞鐵、亞錳和硫化物,后者則是一類(lèi)成份復(fù)雜得多的有機(jī)還原性物質(zhì)[32]。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤Fe2+含量在0～10cm土層顯著高于中稻單作模式,但其還原性物質(zhì)總量則顯著低于中稻單作模式,這可能與中稻單作模式0～10cm土層中有機(jī)還原性物質(zhì)較多有關(guān)。稻蝦共作模式一方面由于克氏原螯蝦營(yíng)底棲生活,其爬動(dòng)、覓食、潛穴等活動(dòng)擾動(dòng)了水田土壤,起到中耕的作用,使得土壤中溶解氧含量增加,另一方面克氏原螯蝦吃掉了稻田雜草和水下植物,增加了透光性,使得水體和土壤的溫度升高,土壤氧氣含量和溫度的增加,會(huì)促進(jìn)活性有機(jī)還原物質(zhì)的氧化,降低了有機(jī)還原性物質(zhì)。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤Fe2+含量在20～30cm土層與中稻單作模式無(wú)顯著差異,但顯著提高了20～30cm土層的土壤還原性物質(zhì)總量,這可能一方面由于稻蝦共作模式增加了20～30cm土層的有機(jī)碳含量,另一方面克氏原螯蝦的生物擾動(dòng)對(duì)20～30cm土層的溶解氧含量增加有限,在淹水條件下,較多有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下生成的有機(jī)還原性物質(zhì),促進(jìn)了還原性物質(zhì)的累積。

4 結(jié)論

1)長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實(shí)度,其在15cm、20cm、25cm和30cm處的土壤緊實(shí)度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%。

2)長(zhǎng)期稻蝦共作模式土壤>0.25 mm的團(tuán)聚體數(shù)量、MWD值和GMD值在0～40cm土層中較中稻單作模式均有不同程度的提高,其中MWD值和GMD值在0～10cm和30～40cm顯著高于中稻單作模式;稻蝦共作模式的團(tuán)聚體分形維數(shù)在0～20cm土層均低于中稻單作模式。

3)稻蝦共作模式的土壤全鉀和土壤 C/N比隨著土壤深度的增加均呈增加趨勢(shì);相對(duì)于中稻單作模式,長(zhǎng)期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層中土壤有機(jī)碳、全鉀和堿解氮含量,0～30cm土層中土壤全氮含量,0～10cm土層全磷和速效磷含量以及20～40cm土層速效鉀的含量。

4)稻蝦共作模式顯著提高了0～10cm、10～20cm和30～40cm土層中土壤Fe2+含量;稻蝦共作模式顯著提高了20～30cm土層還原性物質(zhì)總量,但降低了0～10cm土層還原性物質(zhì)總量。

5)相對(duì)于中稻單作模式,稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量顯著提高,增幅為9.5%;稻蝦共作模式總產(chǎn)值、利潤(rùn)和產(chǎn)投比較中稻單作模式分別增加了46 818.0元·hm-2、40188.0元·hm-2和100.0%。

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Effect of integrated rice-crayfish farming system on soil physico-chemical properties in waterlogged paddy soils*

SI Guohan1,PENG Chenglin1,XU Xiangyu1,XU Dabing1,YUAN Jiafu1**,LI Jinhua2
(1.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizers,Hubei Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430064,China;2.Qianjiang Agro-Technology Extension Center,Qianjiang 433199,China)

Integrated rice-crayfish system is a complex ecological system based on waterlogged paddy field cultivation characterized with crayfish fed by rice straw.Using rice monoculture system as the control,a10-year (2005–2015) field experiment was conducted to study the effects of integrated rice-crayfish system on rice yield and soil physico-chemical properties at soil depths of 0-10cm,10-20cm,20-30cm and30-40cm.The economic benefit of integrated rice-crayfishsystem was evaluated using the input-output method.The results indicated that long-term integrated rice-crayfish system significantly reduced soil compaction at the15-30cm layer.The soil compaction in15cm,20cm,25cm and30cm soil was lower in integrated rice-crayfish system than in rice monoculture system by 20.9%,29.9%,24.8% and14.7%,respectively.Long-term integrated rice-crayfish system increased soil water-stable aggregates (>0.25 mm) content,aggregate mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) in the 0-40cm layer,but decreased aggregate fractal dimension (D) in the 0-20cm layer.Compared with rice monoculture system,long-term integrated rice-crayfish system significantly increased the contents of soil organic carbon,total K and available N in the 0-40cm layer,then total N in the 0-30cm layer,total P and available P in the 0-10cm layer and available K in the 20-40cm layer.The total amount of reducing matter in the 0-10cm soil layer of the long-term integrated rice-crayfish system was lower than that in the monoculture rice system,but it was higher in the 20-30cm soil layer.Rice yield in integrated rice-crayfish system significantly increased by 9.5% than that in the monoculture rice system.The output,profit and ratio of output to input in integrated rice-crayfish system were higher than those in the monoculture rice system by 46 818.0 ￥·hm-2,40188.0 ￥·hm-2and100.0%,respectively.It was therefore clear that integrated rice-crayfish system improved soil structure,enhanced soil nutrient and increased rice yield and economic benefit.However,it also increased the risk of soil gleying in the10cm depth.

Integrated rice-crayfish system;Waterlogged paddy field;Soil structure;Organic carbon;Soil nutrient;Economic benefit

S181;S153

:A

:1671-3990(2017)01-0061-08

10.13930/j.cnki.cjea.160661

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* 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD07B10)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200807)、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFC894)和湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心項(xiàng)目(2011-620-003-03-063)資助

** 通訊作者:袁家富,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與土壤保育方面研究。E-mail:fu1682@sina.com

佀國(guó)涵,主要從事土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)方面的研究。E-mail:siguoh@qq.com

2016-07-28接受日期:2016-09-07

* This work was supported by the National Key Technologies R&D Project (2013BAD07B10),the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0200807),the Natural Science Foundation of Hubei Province (2015CFC894) and the Fund of Agricultural Science and Technology Innovation Centre of Hubei Province (2011-620-003-03-063).

** Corresponding author,E-mail:fu1682@sina.com

Received Jul.28,2016;accepted Sep.7,2016