稻蝦共作模式氮和磷循環(huán)特征及平衡狀況*

佀國涵, 袁家富**, 彭成林, 夏賢格, 程建平, 徐祥玉, 賈平安, 謝媛圓, 周劍雄

稻蝦共作模式氮和磷循環(huán)特征及平衡狀況*

佀國涵1,2, 袁家富1,2**, 彭成林1,2, 夏賢格2, 程建平3, 徐祥玉1,2, 賈平安4, 謝媛圓1, 周劍雄1

(1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所 武漢 430064; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點實驗室 武漢 430064; 3. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所 武漢 430064; 4. 潛江市農(nóng)技推廣中心 潛江 433199)

稻蝦共作模式是我國長江中下游地區(qū)一種新興的稻田復(fù)合種養(yǎng)生態(tài)模式, 研究稻蝦共作系統(tǒng)中氮(N)和磷(P)的循環(huán)特征及盈虧狀況, 對合理調(diào)控稻蝦共作系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡, 指導(dǎo)系統(tǒng)N和P優(yōu)化管理具有重要的意義。本文通過田間試驗, 采用投入產(chǎn)出法, 以中稻單作模式作為對照, 研究了稻蝦共作模式下N和P的循環(huán)特征及平衡狀況。結(jié)果表明: 克氏原螯蝦子系統(tǒng)N和P的輸出/輸入比分別為0.62和0.44, 且子系統(tǒng)中N和P以飼料輸入最大, 占總輸入的92.9%和96.4%, 以成蝦N和P輸出最大, 分別占總輸出的53.3%和59.5%; 在目前投入水平下, 兩種模式土壤子系統(tǒng)中N和P表觀平衡均出現(xiàn)盈余, 且稻蝦共作模式土壤子系統(tǒng)N的盈余量高于中稻單作模式, 而P的盈余量則低于中稻單作模式; 稻蝦共作模式和中稻單作模式的N和P輸出/輸入比均小于1, 且稻蝦共作模式的N和P輸出/輸入比均小于中稻單作模式; 稻蝦共作模式增加了土壤截存的N和P量, 其土壤截存的N和P量較中稻單作模式分別提高49.2 kg?hm-2和9.1 kg?hm-2; 稻蝦共作模式提高了系統(tǒng)N和P表觀損失量, 其系統(tǒng)N和P表觀損失量較中稻單作模式分別提高10.2 kg?hm-2和1.0 kg?hm-2?？梢姷疚r共作模式降低了N和P輸出/輸入比, 促進(jìn)了土壤中N和P的累積, 但增加了系統(tǒng)N和P表觀損失量。

稻蝦共作模式; 養(yǎng)分循環(huán); 養(yǎng)分平衡; 氮磷

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是人工生態(tài)系統(tǒng), 與無限自然延續(xù)的自然生態(tài)系統(tǒng)相比, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能夠持續(xù)不斷地發(fā)展主要靠人為因素的補(bǔ)給和控制, 因此人為控制下的養(yǎng)分循環(huán)是建立持續(xù)可發(fā)展農(nóng)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)是系統(tǒng)生產(chǎn)力和持久性的決定因素, 對生物圈化學(xué)環(huán)境有重大影響[3]。氮(N)和磷(P)是植物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì), 也是土壤養(yǎng)分的主要限制因子, 其循環(huán)特征和平衡狀況對提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力起著重要的作用。稻蝦[水稻()-克氏原螯蝦()]共作模式是我國長江中下游地區(qū)一種新興的稻田種養(yǎng)復(fù)合生態(tài)模式, 稻田生態(tài)系統(tǒng)中引入克氏原螯蝦不僅能夠大幅提高水、肥和能量的利用率, 增強(qiáng)稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力[4-5], 而且促進(jìn)了系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán), 阻止了稻田物質(zhì)流的外溢, 使稻田生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)與功能上得到改善和提高[6]。目前關(guān)于稻田復(fù)合種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)方面開展了大量研究, 稻鴨生態(tài)系統(tǒng)中碳(C)循環(huán)[7]、N循環(huán)[8-10]以及P循環(huán)[10-11]研究表明, 稻鴨生態(tài)系統(tǒng)C、N和P的輸出/輸入比均小于常規(guī)稻作模式; 稻魚生態(tài)系統(tǒng)N平衡[12-14]研究表明, N的輸入大于輸出, 且系統(tǒng)中水稻吸收的31.8%的N來自于未被魚食用的殘餌; 稻蟹生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)田養(yǎng)分平衡[15]研究表明, 稻蟹模式的農(nóng)田中N和P均為盈余, 且其盈余量均高于單作稻田。目前關(guān)于稻蝦共作生態(tài)系統(tǒng)中N和P循環(huán)特征、平衡狀況等方面的研究鮮有報道, 為此本文通過設(shè)置田間試驗, 采用投入產(chǎn)出法研究稻蝦共作模式中N和P的循環(huán)特征及平衡狀況, 明確農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中N和P的盈虧狀況, 這為合理調(diào)控稻蝦共作系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡, 指導(dǎo)系統(tǒng)N和P優(yōu)化管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于湖北省潛江市后湖農(nóng)場移民村(30°22′41.2″N、112°41′32.5″E), 該區(qū)域?qū)俳瓭h平原低湖區(qū), 冬季靜態(tài)地下水位40~60 cm, 北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候, 年均氣溫16.1 ℃, 無霜期246 d, 年均降雨量1 100 mm。種植制度為“中稻-冬閑”, 土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。試驗前0~20 cm耕層土壤基本理化性狀為: pH 7.5, 容重0.97 g?cm-3, 有機(jī)質(zhì) 26.4 g?kg-1, 全氮2.36 g?kg-1, 全磷0.47 g?kg-1, 全鉀20.6 g?kg-1, 陽離子交換量 28.1 cmol?kg-1, 堿解氮129.5 mg?kg-1, 速效磷7.53 mg?kg-1, 速效鉀157.7 mg?kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗始于2014年10月, 該研究于2015年10月—2016年10月進(jìn)行, 田間試驗布局見圖1。試驗設(shè)2個處理: ①稻蝦共作模式(CR): 中稻收獲后灌水養(yǎng)蝦, 稻草全量還田; ②中稻單作模式(MR): 水稻收獲后冬干, 不養(yǎng)蝦, 稻草全量還田。每個處理設(shè)置3次重復(fù), 每小區(qū)面積100 m2, 小區(qū)周圍做寬60 cm、高40 cm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)開挖寬3.0 m、深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。稻草還田方式為稻草覆蓋還田, 供試水稻為中稻品種‘鑒真2號’, 供試蝦為克氏原螯蝦。

圖1 稻蝦共作模式和中稻單作模式的田間試驗布局圖

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16.7 cm×26.6 cm, 10月中下旬收割; 稻蝦共作模式和中稻單作模式均施用等量等比例化肥, 施用N、P2O5、K2O分別為180 kg?hm-2、90 kg?hm-2、144 kg?hm-2, 氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=5.8∶1.8∶2.4, 磷肥一次性基肥施入, 鉀肥施用比例為基肥∶穗肥=5∶5。插秧前施入基肥, 插秧后15 d施入分蘗肥, 插秧后50 d施入穗肥。每公頃補(bǔ)充武漢高飛農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的大粒鋅(Zn≥25%)6 kg和大粒硅(SiO2≥20%)60 kg。

在稻蝦共作模式中, 蝦苗于2014年10月按照重量為(5±2) g的幼蝦9.0萬只?hm-2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行投放, 蝦苗在稻田中自行繁殖, 以后每年此時根據(jù)實際情況補(bǔ)投適量親蝦, 在每年的3—5月進(jìn)行蝦飼料投放, 投入飼料量平均為1 800 kg?hm-2, 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, 如此循環(huán)輪替(圖2)。稻田灌溉水來自附近的溝渠, 水稻季各處理田面水均維持在10 cm, 當(dāng)田面水降至5 cm時進(jìn)行稻田灌水, 水稻齊穗期以后稻田停止灌溉; 克氏原螯蝦養(yǎng)殖季稻田水面維持在50 cm, 并于水稻種植前將田間養(yǎng)殖廢水排干后進(jìn)行整地、施肥及插秧等農(nóng)事操作。稻蝦共作模式和中稻單作模式農(nóng)田系統(tǒng)邊界及循環(huán)模式見圖3。

1.4 樣品的采集與測定方法

1.4.1 土壤樣品測定

在2015年10月15日和2016年10月17日, 依據(jù)S形5點采樣法于每個小區(qū)采集0~20 cm土層土樣, 采集土樣去除植物殘根和石塊并混勻, 風(fēng)干過篩后備用; 采用環(huán)刀法測定耕層土壤容重。土壤全氮采用半微量開氏法測定, 全磷采用濃硫酸-高氯酸消煮鉬銻抗比色法測定[16]。

圖2 稻蝦共作模式示意圖

圖3 稻蝦共作模式(A)和中稻單作模式(B)農(nóng)田系統(tǒng)邊界及循環(huán)模式

1.4.2 水稻植物樣品測定

在水稻苗期, 每小區(qū)隨即取5個1 m2樣方秧苗測定植株的生物量; 在水稻收獲期, 每小區(qū)隨機(jī)取5個1 m2樣方測定水稻籽粒和秸稈生物量, 根系生物量按照根冠比0.1計算[17]。將烘干植物樣品磨碎過篩后, 經(jīng)濃硫酸-過氧化氫高溫消化, 半微量蒸餾法測全氮含量, 鉬銻抗比色法測定其全磷含量[16]。

1.4.3 雜草植物樣品測定

相對于冬季泡水養(yǎng)蝦的稻蝦共作模式, 中稻單作模式為冬閑, 稻田中會生長大量雜草, 其種類主要為菵草()、棒頭草()和丁香蓼()。在中稻單作模式下于2016年5月底稻田整地、施肥前, 每小區(qū)隨機(jī)取3個1 m2樣方測定雜草生物量, 同時進(jìn)行雜草取樣, 測定全氮和全磷含量, 測定方法同水稻植物樣品分析方法。

1.4.4 克氏原螯蝦飼料及克氏原螯蝦樣品測定

每天詳細(xì)記錄成蝦出售重量, 計算整年度成蝦產(chǎn)出總量, 詳細(xì)記載幼蝦投入量。于2016年4月1日、5月10日和5月25日分別取幼蝦、飼料和成蝦進(jìn)行含水量、全氮和全磷含量分析, 全氮和全磷的測定方法同水稻植物樣品分析方法。

1.4.5 蝦殼樣品測定

幼蝦(約5 g)至性成熟一般需要經(jīng)過5~6次的蛻殼[18]。在克氏原螯蝦養(yǎng)殖季2016年3月20日投入至5月20日, 每隔10 d對模擬養(yǎng)殖箱中克氏原螯蝦進(jìn)行稱重, 共計6次, 按照測定的蝦殼占蝦重平均比值12.4%計算, 根據(jù)輸出成蝦的總重量, 估算出克氏原螯蝦蛻殼總量; 另取完整蝦殼進(jìn)行全氮和全磷含量分析, 其測定方法同水稻植物樣品分析方法。

1.4.6 灌溉水樣品測定

記載水稻整個生育期間和養(yǎng)蝦季灌水量以及養(yǎng)殖結(jié)束時養(yǎng)殖廢水的排放量, 從稻田進(jìn)水口處于2015年10月—2016年10月每10 d采集1次水樣, 同時在養(yǎng)殖廢水排放前采集水樣; 采集水樣的全磷含量采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測定, 全氮含量采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定[19]。

1.4.7 降雨樣品測定

于2015年10月—2016年10月利用SDM6型雨量器, 連續(xù)不間斷地收集雨水樣品; 每次降雨結(jié)束后, 于次日9:00左右先記錄降雨量, 然后采集混合均勻的雨水樣品, 冷凍保存分析備用, 同時將儲水瓶洗凈放回圓筒內(nèi)。降雨中全氮和全磷的測定方法同灌溉水樣分析。氮和磷濕沉降量用實際收集的降水的N、P濃度與相應(yīng)降雨量的乘積累加求得[20]。

1.4.8 N2O采集測定及計算

N2O氣體采用靜態(tài)箱采集, Aglient 7980A氣相色譜儀分析測定[21]。在水稻秧苗移栽后10 d開始直至水稻收獲, 每7~10 d采樣1次, 在非水稻季10~15 d采集1次, 每個處理設(shè)置3次重復(fù), 采樣時間為每日上午8:00—10:00。采氣時預(yù)先在底座水槽中注入水, 然后蓋上采氣箱, 采樣箱大小為42 cm×42 cm×50 cm, 在蓋箱后0 min、5 min、10 min、15 min、20 min用30 mL醫(yī)用注射器采集1個氣體樣品, 24 h內(nèi)帶回實驗室進(jìn)行分析測定完畢。通過插值法進(jìn)行累積排放量計算, 即以相鄰兩次監(jiān)測日的平均通量乘以此期間天數(shù)作為該段時間累計排放量, 以此類推, 然后將各個時間段的累積排放量進(jìn)行相加, 作為整個監(jiān)測期累積排放量。

N2O氣體通量計算公式為:

式中:為氣體通量,為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O的密度(kg?m-3),為密閉箱有效體積(m3),為底座面積(m2), d/d表示單位時間內(nèi)密閉箱內(nèi)N2O的濃度變化量,為密閉箱內(nèi)平均氣溫。

1.4.9 NH3揮發(fā)測定及計算

稻田土壤NH3揮發(fā)采用田間原位通氣法測定[22]。分別于基肥、分蘗肥和穗肥施用后的第1周每天采樣1次, 第2周每2天采樣1次, 之后根據(jù)測到的揮發(fā)氨量, 每7 d取樣1次, 直至監(jiān)測不到NH3揮發(fā)。每個小區(qū)均勻放置2個收集裝置, 收集的海綿帶回實驗室, 采用300 mL 1.0 mol?L-1的KCl溶液進(jìn)行浸提, 在25 ℃恒溫轉(zhuǎn)速180 r?min-1條件下震蕩1 h后過濾, 采用AA3連續(xù)流動分析儀測定濾液中的銨態(tài)氮含量。土壤NH3揮發(fā)速率和累積量計算方法參考文獻(xiàn)[22]。

1.4.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

測定數(shù)據(jù)利用Excel 2007進(jìn)行初處理, 采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計方差分析, 最小顯著性檢驗(LSD)法比較不同處理間的差異顯著性, 以不同小寫字母表示同年度不同模式間差異達(dá)<0.05顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 克氏原螯蝦子系統(tǒng)N、P循環(huán)與平衡狀況

稻蝦共作模式由于克氏原螯蝦的引入使得整個系統(tǒng)具有次級生產(chǎn), 克氏原螯蝦覓食、蛻殼等活動使系統(tǒng)更加復(fù)雜, 系統(tǒng)的N和P投入與產(chǎn)出也隨之發(fā)生改變。由表1可知, 克氏原螯蝦子系統(tǒng)N和P輸入均大于輸出; 克氏原螯蝦系統(tǒng)輸入飼料為1 800.0 kg?hm-2, 飼料N和P含量分別為46.6 g?kg-1和11.0 g?kg-1, 按照5.8%含水量計算, 飼料帶入的N和P分別為79.0 kg?hm-2和18.6 kg?hm-2, 分別占總輸入的92.9%和96.4%。稻蝦共作模式中投入的幼蝦經(jīng)過6次蛻殼后, 累積的蝦殼重量達(dá)201.3 kg?hm-2, 蛻殼中N和P的含量分別為51.8 g?kg-1和8.9 g?kg-1, 可為克氏原螯蝦子系統(tǒng)輸出N和P分別為10.4 kg?hm-2和1.8 kg?hm-2; 成蝦產(chǎn)量為2 250 kg?hm-2, 其N和P含量分別為56.2 g?kg-1和10.0 g?kg-1, 按照77.9%含水量計算, 成蝦輸出的N和P分別為27.9 kg?hm-2和5.0 kg?hm-2, 分別占總輸出的53.3%和59.5%。Kristiansen等[23]研究表明在20 ℃且喂養(yǎng)飼料的情況下, 成蝦每年通過排泄物輸出的N和P量分別為24.9 g?kg-1和2.8 g?kg-1, 克氏原螯蝦體重的增長呈典型S型曲線, 幼蝦在條件適宜下90 d即可達(dá)到上市標(biāo)準(zhǔn)[24], 據(jù)此粗略估算克氏原螯蝦排泄物輸出的N和P量分別為14.0 kg?hm-2和1.6 kg?hm-2?？耸显r子系統(tǒng)中N和P的輸出/輸入比值分別為0.62和0.44, 這表明在克氏原螯蝦子系統(tǒng)中部分飼料N和P滯留在稻蝦共作系統(tǒng)中。

表1 稻蝦共作模式中克氏原螯蝦子系統(tǒng)N和P循環(huán)與平衡狀況

2.2 土壤子系統(tǒng)N和P循環(huán)與平衡狀況

稻蝦共作模式和中稻單作模式土壤子系統(tǒng)N和P循環(huán)見表2。稻蝦共作模式的土壤子系統(tǒng)N和P的輸入均高于中稻單作模式。由不同稻作模式下水稻植株N、P吸收量可知(表3), 稻蝦共作模式水稻籽粒、秸稈和根系吸收的N和P較中稻單作模式呈增加趨勢, 其中稻蝦共作模式的水稻根系吸收的P顯著高于中稻單作模式(<0.05), 較中稻單作模式提高33.3%。中稻單作模式下冬閑季節(jié)雜草的生物量為1 388.0 kg?hm-2, 其輸出的N和P分別為9.8 kg?hm-2和2.7 kg?hm-2。

在水稻種植季稻田長期保持10 cm水層, 兩種模式的灌溉水體積均為12 000 m3?hm-2, 灌溉水N和P平均濃度分別為1.9 mg?L-1和0.2 mg?L-1, 故水稻生長季灌溉水N和P的輸入分別為23.3 kg?hm-2和2.8 kg?hm-2; 克氏原螯蝦養(yǎng)殖季稻田長期維持50 cm水層, 克氏原螯蝦養(yǎng)殖季灌水和養(yǎng)殖季結(jié)束排出的養(yǎng)殖廢水體積分別為9 000 m3?hm-2和5 000 m3?hm-2, 根據(jù)克氏原螯蝦養(yǎng)殖季灌溉水N和P平均濃度分別為1.97 mg?L-1和0.25 mg?L-1, 養(yǎng)殖廢水中N和P平均濃度分別為2.21 mg?L-1和0.50 mg?L-1計算, 克氏原螯蝦養(yǎng)殖季灌溉水輸入的N和P分別為6.7 kg?hm-2和-0.3 kg?hm-2, 因此稻蝦共作模式下在水稻種植季和克氏原螯蝦養(yǎng)殖季由灌水輸入的N和P總量分別為30.0 kg?hm-2和2.5 kg?hm-2。稻蝦共作模式和中稻單作模式在整個水稻生育期間由N2O排放的氣態(tài)N輸出分別為0.9 kg?hm-2和0.7 kg?hm-2, 而在非水稻季由N2O排放輸出的氣態(tài)N分別為0.4 kg?hm-2和0.6 kg?hm-2, 因此在整年監(jiān)測周期間, 稻蝦共作模式和中稻單作模式由N2O排放輸出的氣態(tài)N均為1.3 kg?hm-2; 稻蝦共作模式和中稻單作模式由NH3揮發(fā)輸出的氣態(tài)N分別為10.7 kg?hm-2和11.7 kg?hm-2。可見在不考慮水稻秸稈、根系及蝦殼等歸還的情況下, 兩種模式土壤子系統(tǒng)中N和P表觀平衡均出現(xiàn)盈余, 且稻蝦共作模式土壤子系統(tǒng)的N盈余量高于中稻單作模式, 而P盈余量則低于中稻單作模式。

表2 稻蝦共作模式和中稻單作模式的土壤子系統(tǒng)N和P循環(huán)

CR: 稻蝦共作模式; MR: 中稻單作模式。CR: integrated rice-crayfish system; MR: rice monoculture system.

2.3 稻蝦共作模式N循環(huán)特征及平衡狀況

由表4可知, 中稻單作模式中N輸入主要是化學(xué)肥料、灌溉水及中稻秧苗帶入, 其中化肥N占總輸入的76.0%。中稻單作模式只有初級生產(chǎn), 所以N輸出主要是收獲的水稻籽粒, 輸出N為97.2 kg?hm-2; 水稻栽培系統(tǒng)循環(huán)的N主要是水稻秸稈N、水稻根系N和雜草N, 其分別占循環(huán)總量的73.7%、13.2%和13.1%。稻蝦共作模式因有次級生產(chǎn)——克氏原螯蝦的引入, N的輸入、輸出以及循環(huán)量均高于中稻單作模式。稻蝦共作模式N輸入, 化肥N占54.8%, 飼料N占24.1%; 稻蝦共作模式N輸出為142.5 kg?hm-2, 其中水稻籽粒N占72.0%, 而成蝦N占19.6%; 系統(tǒng)循環(huán)的N主要為水稻秸稈N、水稻根系N和蝦殼N, 其分別占循環(huán)總量的72.0%、14.9%和13.1%。兩種模式的N輸出/輸入均小于1, 且稻蝦共作模式N輸出/輸入比均低于中稻單作模式, 這主要與系統(tǒng)中加入次級生產(chǎn)后, N輸入量大幅提高有關(guān)。稻蝦共作模式和中稻單作模式的土壤截存的N分別為166.7 kg?hm-2和117.5 kg?hm-2, 根據(jù)物質(zhì)循環(huán)與平衡的原理推算出系統(tǒng)N表觀損失量(N輸入-N輸出-土壤N截留量), 稻蝦共作模式和中稻單作模式的N表觀損失量分別為19.2 kg?hm-2和9.0 kg?hm-2, 可見稻蝦共作模式有利于土壤中N素累積, 但增加了系統(tǒng)N表觀損失量。

表3 稻蝦共作模式和中稻單作模式中水稻植株的氮、磷吸收量

CR: 稻蝦共作模式; MR: 中稻單作模式。同列數(shù)據(jù)同一器官不同字母表示兩種模式間差異達(dá)5%顯著水平。CR: integrated rice-crayfish system; MR: rice monoculture system. Values of the same organ in a column followed by different letters are significantly different at 5% level.

表4 稻蝦共作模式和中稻單作模式的N循環(huán)與平衡狀況

CR: 稻蝦共作模式; MR: 中稻單作模式。CR: integrated rice-crayfish system; MR: rice monoculture system.

2.4 稻蝦共作模式P循環(huán)特征及平衡狀況

由表5可知, 中稻單作模式中P輸入主要是化學(xué)肥料、灌溉水及中稻秧苗帶入, 其中化肥P占總輸入的88.9%。中稻單作模式中只有初級生產(chǎn), 所以P輸出主要是收獲的水稻籽粒, 其P輸出量為26.5 kg?hm-2; 系統(tǒng)循環(huán)的P主要是水稻秸稈P、水稻根系P和雜草P, 其分別占循環(huán)量的66.4%、10.3%和23.3%。稻蝦共作模式因有次級生產(chǎn)——克氏原螯蝦的引入, P的輸入和輸出均高于中稻單作模式, 稻蝦共作模式P輸入中, 化肥P占62.2%, 飼料P占29.4%; 稻蝦共作模式P輸出為35.4 kg?hm-2, 其中水稻籽粒P占85.9%, 而成蝦P占14.1%; 系統(tǒng)循環(huán)的P為水稻秸稈P、水稻根系P和蝦殼P, 其分別占總循環(huán)量的70.4%、13.9%和15.7%。兩種模式的P輸出/輸入比均小于1, 且稻蝦共作模式P輸出/輸入比均低于中稻單作模式, 這表明稻蝦共作模式中P盈余量大于中稻單作模式。由表5可知, 稻蝦共作模式和中稻單作模式土壤截存的P分別為26.2 kg?hm-2和17.1 kg?hm-2, 根據(jù)物質(zhì)循環(huán)與平衡的原理推算出系統(tǒng)P表觀損失量(P輸入-P輸出-土壤P截留量), 稻蝦共作模式和中稻單作模式的P表觀損失量分別為1.6 kg?hm-2和0.6 kg?hm-2, 可見稻蝦共作模式有利于土壤中P的累積, 但增加了系統(tǒng)P表觀損失量。

表5 稻蝦共作模式和中稻單作模式的P循環(huán)與平衡狀況

CR: 稻蝦共作模式; MR: 中稻單作模式。CR: integrated rice-crayfish system; MR: rice monoculture system.

3 討論

稻蝦共作模式是運(yùn)用生態(tài)位、食物鏈以及種群間互利共生等理論構(gòu)建出的一種立體高效、綠色安全、生態(tài)環(huán)保的復(fù)合種養(yǎng)農(nóng)業(yè)新模式, 已經(jīng)成為我國長江中下游稻作區(qū)重要的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式[25]。稻蝦之間存在著明顯的互利共生關(guān)系, 克氏原螯蝦蛻殼及殘餌等為水稻生長提供了豐富的營養(yǎng), 另外克氏原螯蝦掘穴等生物擾動改善了稻田土壤的通透性, 協(xié)同了土壤水、肥、氣、熱, 從而有利于水稻的生長[26-27]。本研究表明, 稻蝦共作模式水稻籽粒、秸稈和根系吸收的N和P較中稻單作模式呈增加趨勢, 其中稻蝦共作模式的水稻根系吸收的P顯著高于中稻單作模式(<0.05)。土壤子系統(tǒng)N和P的盈虧狀況不僅關(guān)系到土壤肥力的高低, 而且影響著系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。在目前的投入水平下, 兩種模式土壤子系統(tǒng)中N和P均出現(xiàn)盈余, 且稻蝦共作模式土壤子系統(tǒng)的N盈余量高于中稻單作模式, 而P的盈余量則低于中稻單作模式。這主要是由于中稻單作模式冬閑季節(jié)稻田生長的雜草, 增加了其土壤子系統(tǒng)中N和P的輸出, 但是由于稻蝦共作模式中水稻根系P的輸出量顯著高于中稻單作模式, 從而使得其盈余量低于中稻單作模式, 因此稻蝦共作模式中應(yīng)增加磷肥投入, 增加土壤中磷和氮交互作用, 從而提高水稻的產(chǎn)量。

克氏原螯蝦為雜食性動物, 主要攝食綠色幼嫩植物、動植物碎屑以及浮游生物等[28]。在稻蝦共作模式中為了提高克氏原螯蝦的品質(zhì)和產(chǎn)量, 往往投入一定量的飼料從而達(dá)到短時間內(nèi)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的目的。李聰?shù)萚29]研究表明, 克氏原螯蝦的食物來源中飼料貢獻(xiàn)率為38.0%~44.2%, 而浮游動物和有機(jī)碎屑的貢獻(xiàn)率分別為11.2%~14.4%和21.2%~23.4%, 其他的食物貢獻(xiàn)率主要來自于幼嫩植物、藻類等。本研究表明克氏原螯蝦子系統(tǒng)輸入的N和P主要以飼料帶入, 且其N和P的輸出/輸入比分別為0.62和0.44, 這表明在克氏原螯蝦子系統(tǒng)中一部分飼料的N和P滯留在系統(tǒng)中?？耸显r的排泄量主要與溫度、食物以及體重等有關(guān), 且其排泄物主要以水溶性排泄物為主[30], 因此在土壤子系統(tǒng)中未考慮其輸入量。

稻蝦共作模式中克氏原螯蝦通過攝食系統(tǒng)中的浮游動物、有機(jī)碎屑以及幼嫩植物等, 將中稻單作模式中流失的物質(zhì)和能量截留利用起來, 從而提高了系統(tǒng)輸出量。本研究表明, 稻蝦共作模式N和P的輸出均高于中稻單作模式, 其中成蝦輸出的N和P分別占總輸出的19.6%和14.1%。本研究表明, 相對于中稻單作模式, 稻蝦共作模式在水稻季增加了N2O排放, 但在非水稻季則降低了N2O排放, 這與孫自川[31]的研究一致。稻蝦共作模式下由于克氏原螯蝦的掘穴活動, 提高了土壤的通透性, 在水稻季曬田等農(nóng)事操作提高了土壤的硝化作用, 促進(jìn)了N2O排放; 而在非稻季, 由于稻田長期淹水養(yǎng)蝦, 土壤處于強(qiáng)還原狀態(tài), 硝化作用受到抑制, 從而降低了N2O排放。本研究表明, 稻蝦共作模式的NH3揮發(fā)累積量低于中稻單作模式, 且兩種模式的NH3揮發(fā)累積量占施氮量的比例為6.0%~6.5%, 這與李詩豪等[32]報道的5.4%~13.0%的研究結(jié)論較為接近; 另外在稻蝦共作模式下, 由于克氏原螯蝦的擾動, 改善了土壤結(jié)構(gòu), 促進(jìn)了水稻對N的吸收, 在一定程度上降低了稻田的NH3揮發(fā)損失量。

由于養(yǎng)分在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中存在各種損失, 因此養(yǎng)分輸入與支出間的平衡狀況是表征農(nóng)田養(yǎng)分管理是否可持續(xù)的重要指標(biāo), 可反映土壤養(yǎng)分水平的變化狀況[33]。本研究表明, 稻蝦共作模式中N和P的輸出/輸入比均低于中稻單作模式, 且均小于1, 稻蝦共作模式土壤截存的N和P量較中稻單作模式分別提高49.2 kg?hm-2和9.1 kg?hm-2, 這表明稻蝦共作模式N和P盈余量均高于中稻單作模式, 而且盈余的N和P進(jìn)入了土壤黑箱中, 促進(jìn)了稻蝦共作模式土壤中N和P的累積。

4 結(jié)論

稻蝦共作模式中克氏原螯蝦子系統(tǒng)N和P主要以飼料輸入和成蝦輸出比例最大, 其中N和P的輸出/輸入比值分別為0.62和0.44; 當(dāng)前投入水平下, 兩種模式下土壤子系統(tǒng)中N和P表觀平衡均出現(xiàn)盈余, 且稻蝦共作模式土壤子系統(tǒng)的N盈余量高于中稻單作模式, 而P盈余量則低于中稻單作模式; 稻蝦共作模式和中稻單作模式中N和P輸出/輸入比值均小于1, 且稻蝦共作模式的N和P輸出/輸入比小于中稻單作模式, 且其土壤截存的N和P量較中稻單作模式分別提高了49.2 kg?hm-2和9.1 kg?hm-2, 促進(jìn)了土壤中N和P的累積; 稻蝦共作模式的N和P表觀損失量較中稻單作模式分別提高了10.2 kg?hm-2和1.0 kg?hm-2, 增加了系統(tǒng)N和P表觀損失量。

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Nitrogen and phosphorus cycling characteristics and balance of the integrated rice-crayfish system*

SI Guohan1,2, YUAN Jiafu1,2**, PENG Chenglin1,2, XIA Xiange2, CHENG Jianping3, XU Xiangyu1,2,JIA Ping’an4, XIE Yuanyuan1, ZHOU Jianxiong1

(1. Plant Protection and Soil Fertilizer Institute, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China; 2. Key Laboratory of Fertilizer Resource Utilization in Wastes, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430064, China; 3.Food Crops Institute, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China; 4. Qianjiang Agro-Technology Extension Center, Qianjiang 433199, China)

The integrated rice-crayfish system is an emerging complex ecological system of planting and breeding in the middle and lower reaches of the Yangtze River in China. The study of N and P cycling characteristics and the profit and loss status of N and P in the integrated rice-crayfish system is of great significance to rationally regulate the nutrient cycling and balancing of the integrated rice-crayfish system and guide the optimal management of the N and P. In this study, a field experiment was conducted to study the cycling characteristics and apparent balance of N and P under the integrated rice-crayfish system using an input-output method, with the rice monoculture system as the control. The results showed that the output/input ratios of N and P in the crayfish subsystem were 0.62 and 0.44, respectively. Inside the crayfish subsystem, the N and P were the largest in the feed input, accounting for 92.9% and 96.4% of the total input, respectively; the output of adult crayfish N and P was the largest, accounting for 53.3% and 59.5% of the total output, respectively. Under the current input levels, the apparent balance of both N and P in the soil subsystems of the two systems were in surplus, and the surplus of N in the soil subsystem of the integrated rice-crayfish system was higher than that of the rice monoculture system, while the surplus of P was lower than that of the rice monoculture system. The N and P output/input ratios of the integrated rice-crayfish system and the rice monoculture system were both less than 1, and the N and P output/input ratio of the integrated rice-crayfish system were less than that of the rice monoculture system. The integrated rice-crayfish system increased the amount of N and P in sequestered soil, and the N and P levels in sequestered soil of the integrated rice-crayfish system were higher than those of the rice monoculture system by 49.2 kg?hm-2and 9.1 kg?hm-2, respectively. The integrated rice-crayfish system increased the apparent loss of N and P in the system, and the apparent losses of N and P of the integrated rice-crayfish system were higher than those of the rice monoculture system by 10.2 kg?hm-2and 1.0 kg?hm-2, respectively. It can be seen that the integrated rice-crayfish system reduces the output/input ratio of N and P and promotes the accumulation of N and P in the soil but increases the apparent loss of N and P in the system.

Integrated rice-crayfish system; Nutrient cycling; Nutrient balance; Nitrogen and phosphorus

, E-mail: fu1682@sina.com

Jan. 31, 2019;

Mar. 27, 2019

S181

2096-6237(2019)09-1309-10

10.13930/j.cnki.cjea.190088

袁家富, 主要從事植物營養(yǎng)與土壤保育方面研究。E-mail: fu1682@sina.com 佀國涵, 主要從事土壤肥力與養(yǎng)分循環(huán)方面的研究。E-mail: siguoh@qq.com

2019-01-31

2019-03-27

* This work was supported by the National Key Research and Development Project of China (2018YFD0301305, 2017YFD0301400, 2016YFD0200807) and the Scientific and Technological Achievements Cultivation Project of Hubei Academy of Agricultural Sciences of China (2017CGPY01).

*表示未考慮其輸出N。* means that nitrogen was not included.

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0301305, 2017YFD0301400, 2016YFD0200807)和湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院重大研發(fā)成果培育項目(2017CGPY01) 資助

佀國涵, 袁家富, 彭成林, 夏賢格, 程建平, 徐祥玉, 賈平安, 謝媛圓, 周劍雄. 稻蝦共作模式氮和磷循環(huán)特征及平衡狀況[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(9): 1309-1318

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