濱海稻區(qū)稻蟹共作對水田生態(tài)的影響

李 楠，桑海旭，馬曉慧，于深州,郝 鵬，王 紫

(遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010)

【研究意義】水田生態(tài)系統(tǒng)是一種人工生態(tài)系統(tǒng)，稻田養(yǎng)蟹是一種發(fā)展迅速的稻田生態(tài)養(yǎng)殖模式，近年來，關(guān)于稻田養(yǎng)蟹對水稻產(chǎn)量、生物多樣性、土壤養(yǎng)分含量以及病蟲害防治、經(jīng)濟(jì)效益方面取得較好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會效益[1-5]，對以后的經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，開展稻田養(yǎng)蟹對生態(tài)環(huán)境的影響有著重要的理論及實踐意義。【前人研究進(jìn)展】國內(nèi)外研究表明，浮游植物的光合作用不僅提供了整個水域食物網(wǎng)最初的營養(yǎng)和能量的來源，并且對整個地球的生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)起著重要的作用[6]。在水質(zhì)環(huán)境中，pH可以影響植物對水體中硝酸根鹽的吸收，水溫和溶氧量直接影響水稻植株的生長，并且影響著水中動物的生長發(fā)育[7]。一些學(xué)者研究表明，稻田養(yǎng)殖系統(tǒng)可以提高土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀和堿解氮的含量，同時，水中動物的糞便會有2 %以上的脂類物質(zhì)殘留，河蟹攝食稻田中的生物，之后會把生物體內(nèi)的物質(zhì)和能量利用起來，對土壤的養(yǎng)分含量起到了增加的效果，進(jìn)而增加了土壤的肥力?！颈狙芯壳腥朦c】由于對濱海區(qū)稻田養(yǎng)蟹對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究比較少，所以，本文對稻田養(yǎng)蟹系統(tǒng)生態(tài)進(jìn)行分析，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究進(jìn)一步完善，為以后的農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)做出貢獻(xiàn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過稻蟹共作模式，分別從水質(zhì)、土壤、大氣以及浮游植物四方面對稻田養(yǎng)蟹的生態(tài)影響做全面的分析，為今后農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為粘質(zhì)鹽漬型水稻土，有機質(zhì)含量為33.34 g/kg，全氮量為2.0 g/kg，堿解氮為115 mg/kg，有效磷為20.1 mg/kg，速效鉀為185.23 mg/kg，全鹽1.34 g/kg，pH 7.92，田間土壤肥力均一，各處理施肥量相同。肥料為有機肥，養(yǎng)分含量全N為12.4 g/kg，全P為14.8 g/kg，全K為11.6 g/kg。

水稻品種為鹽豐47，供試河蟹為中華絨螯蟹。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2016年在遼寧省鹽堿地利用研究所基地進(jìn)行,分為6個小區(qū)，埂高40 cm，用塑料薄膜圍起。試驗設(shè)2個處理：①不養(yǎng)蟹區(qū)，②養(yǎng)蟹區(qū)(河蟹餌料蛋白含量為30 %)，每個處理設(shè)3個重復(fù)。

水田部分水稻種植采用大壟雙行栽培模式，施用有機肥作為基肥，不施追肥。河蟹規(guī)格為15 g/只，試驗區(qū)放養(yǎng)量為50只/塊。水稻生育期間不使用除草劑和農(nóng)藥，各試驗地處理相同。4月中旬進(jìn)行播種，播種量為150～200 g/m2。至稻苗三葉期時進(jìn)行移苗，水稻移栽1周后，放入蟹苗，餌料喂食量為河蟹量總重的3 %。在9月20日左右時收獲河蟹，10月初收獲水稻，單打單收，每小區(qū)選取5穴進(jìn)行考種測產(chǎn)。

1.3 測定方法

雜草數(shù)據(jù)測定：根據(jù)水稻生長發(fā)育階段進(jìn)行定點取樣調(diào)查，記錄雜草的種類和數(shù)量。

pH用電位法進(jìn)行測定。水中溶解氧通常采用碘量法測定。CH4、N2O的排放量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻蟹共作對田間雜草控制的效果

養(yǎng)蟹區(qū)雜草平均密度為9.09株/m2，對照區(qū)雜草密度為11.29株/m2。從圖1可以看出，在水稻生長的5個時期，養(yǎng)蟹區(qū)的雜草密度明顯低于對照區(qū)的雜草密度，出現(xiàn)這種規(guī)律的原因可能是由于河蟹的長時間運動引起水體渾濁，抑制了雜草種子和病原體的萌發(fā)，也有可能是因為河蟹是雜食性動物，不斷地攝食雜草，影響了雜草的生長。通過稻蟹共作對田間雜草影響的試驗，說明了河蟹的存在可以有效地抑制雜草的生長。本文研究的結(jié)果與劉青[8]等人研究一致。就雜草密度試驗處理而言，各處理結(jié)果差異顯著。

2.2 稻蟹共作對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 稻蟹共作對土壤堿解氮的影響 從圖2可以看出，養(yǎng)蟹區(qū)和對照區(qū)堿解氮的變化趨勢相同，都是先升高后趨于穩(wěn)定，兩塊試驗地堿解氮的最高值均出現(xiàn)在拔節(jié)抽穗期，此時養(yǎng)蟹區(qū)的堿解氮為103.7 mg/kg，高于對照區(qū)的堿解氮。在水稻生長的5個時期里，養(yǎng)蟹區(qū)的堿解氮高于對照區(qū)的堿解氮，出現(xiàn)此種狀況主要是因為河蟹的存在，在喂食河蟹時，河蟹的餌料中含有氮素，溶于水中，變成氮肥，可以增加土壤的氮含量。河蟹在生長過程中會有排泄物的出現(xiàn)，排泄物中含有大量的氮素，也增加了土壤中的氮素。同時，河蟹在生長的時候會出現(xiàn)脫殼死亡情況，死亡的河蟹會發(fā)生腐爛，經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化成氮肥，增加了土壤的氮素。此研究結(jié)果與魏金連[9]等人的研究相一致，統(tǒng)計表明2種處理的堿解氮含量差異顯著。

圖1 不同生育期稻苗雜草消長情況Fig.1 Different weed growth stages of rice seedlings

經(jīng)上分析，由于水稻對氮肥的吸收量不斷的增加，使得土壤的堿解氮含量降低。在養(yǎng)蟹區(qū)，由于河蟹的存在，其糞便餌料以及腐敗的死亡河蟹在水體和微生物的溶解分解下，使得土壤的堿解氮高于對照區(qū)的稻田，這與王華[12]等人的研究相一致。

圖2 不同生育期稻田土壤堿解氮含量變化Fig.2 Changes of soil alkaline nitrogen content in paddy soil in different growth stages

圖3 不同生育期稻田土壤變化Fig.3 Changes of in paddy soil in different growth stages

2.2.4 稻蟹共作對土壤有效磷的影響 在試驗期間養(yǎng)蟹區(qū)和對照區(qū)不同時期有效磷的含量平均為17.01 和15.67 mg/kg，水稻生長期間，有效磷的含量維持在18 g/kg左右，在拔節(jié)抽穗期降低到12.4和11.41 mg/kg。圖5為不同時期土壤有效磷含量的變化，通過試驗結(jié)果表明，養(yǎng)蟹區(qū)與對照區(qū)有效磷的含量是先降低后升高的趨勢，在拔節(jié)抽穗期達(dá)到了最低，出現(xiàn)此趨勢主要是因為在水稻生長前期對磷素的吸收量較小，在拔節(jié)抽穗期時，水稻根系生長良好，分蘗增加，代謝作用旺盛，加快了磷素的吸收，使得土壤中的有效磷下降，所以在拔節(jié)抽穗期時達(dá)到了最低點，之后生長對磷素需求不高，吸收量減少，又呈現(xiàn)出了上升的趨勢。養(yǎng)蟹區(qū)有效磷含量略高于對照區(qū)稻田，這主要是因為河蟹的存在，河蟹的糞便和覓食影響了土壤中的有效磷的含量。河蟹覓食時，使土壤松動，改善了土壤氣體通透性，利于植株根系的生長，植株吸收養(yǎng)分，使得土壤中有效磷含量降低。河蟹的糞便中含有微生物，微生物可以分解河蟹的餌料，同樣增加了土壤中的有效磷含量。土壤氣體通透性的改善，利于微生物對養(yǎng)分的分解，增加了土壤原有的養(yǎng)分，進(jìn)而使得了土壤有效磷的含量增加，此試驗結(jié)果與劉鳴達(dá)[13]等人的研究相一致。

圖4 不同生育期稻田土壤變化Fig.4 Changes of in paddy soil in different growth stages

圖5 不同生育期稻田土壤有效磷含量變化Fig.5 Changes of available phosphorus contents in paddy soil in different growth stages

2.2.5 稻蟹共作對土壤速效鉀的影響 本試驗養(yǎng)蟹區(qū)速效鉀含量為138.97 mg/kg，對照區(qū)的含量為137.39 mg/kg。從6中可以看出，養(yǎng)蟹區(qū)與對照區(qū)土壤速效鉀含量的變化為先升高再降低最后又升高的趨勢。從試驗開始到分蘗期土壤有效鉀含量增至140 mg/kg以上，在拔節(jié)抽穗期和孕穗期速效鉀含量又降至130 mg/kg以下，之后又升至140 mg/kg以上。出現(xiàn)此趨勢的原因是在返青期水稻需要壯苗對土壤中的鉀素需求大，當(dāng)?shù)椒痔Y期時，對鉀素的需求逐漸減少，所以土壤中的速效鉀會出現(xiàn)上升的趨勢。在拔節(jié)期抽穗期和孕穗期時，植株生長代謝旺盛，鉀參與一些重要的生理代謝例如碳水化合物的分解和轉(zhuǎn)移，具有媒介的作用，同時還有助于氮素代謝和蛋白質(zhì)的合成，大量需要鉀素，所以土壤中的速效鉀大量減少，到成熟期時，植株代謝作用減弱，需鉀量減少，所以土壤中的速效鉀增加。養(yǎng)蟹區(qū)速效鉀的含量高于對照區(qū)的稻田，出現(xiàn)此情況，主要是因為河蟹的存在。河蟹的餌料中含有鉀素，溶于水中轉(zhuǎn)化成鉀肥，增加了土壤中速效鉀的含量。河蟹本身含有大量的鉀素，當(dāng)河蟹死亡腐敗時，經(jīng)過水體和土壤的轉(zhuǎn)化，增加了土壤中速效鉀的含量。河蟹覓食擾動水土，減少雜草的數(shù)量，降低了雜草對土壤中速效鉀的吸收，所以養(yǎng)蟹區(qū)速效鉀的含量高于對照區(qū)的稻田。此試驗結(jié)果與胡宗云[14]等人的研究相一致，根據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析，兩個處理的土壤速效鉀的含量有明顯顯著。

圖6 不同生育期稻田土壤速效鉀含量的變化Fig.6 Changes of available potassium content in paddy soil in different growth stages

2.2.6 稻蟹共作對土壤有機質(zhì)的影響 從圖7可以看出養(yǎng)蟹區(qū)與對照區(qū)的有機質(zhì)在試驗期間整體呈現(xiàn)出先上升后下降的變化，在拔節(jié)抽穗期達(dá)到最高之后又下降，出現(xiàn)此趨勢的原因主要是因為稻田土壤長期淹水，通氣效果不佳，有利于土壤有機質(zhì)的積累，所以在拔節(jié)分蘗期達(dá)到最高，當(dāng)水稻進(jìn)入孕穗期時，植株對有機質(zhì)的需求量增加，出現(xiàn)了下降的趨勢?？傮w看來，養(yǎng)蟹區(qū)的土壤有機質(zhì)含量顯著高于對照區(qū)，主要是因為河蟹餌料中含有豐富的蛋白質(zhì)，當(dāng)餌料殘留時，通過微生物的分解，可以有效的增加土壤的有機質(zhì)含量。所以養(yǎng)蟹區(qū)土壤有機質(zhì)的含量高于對照區(qū)的稻田，這個結(jié)論與Daily[15]等人研究相近。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析，2個處理的土壤有機質(zhì)含量的差異性顯著。

2.3 稻蟹共作對水質(zhì)的影響

2.3.1 稻蟹共作對水體pH值的影響 從圖8可以看到，在水稻整個生育期，pH的變化在7.8～7.2之間，養(yǎng)蟹區(qū)pH與對照區(qū)pH相比并無很大差異，水體pH基本無變化，說明河蟹對水體pH的影響并不明顯。

圖7 不同生育期稻田土壤有機質(zhì)含量變化Fig.7 Changes of soil organic matter content in different growth stages of paddy soil

圖8 不同生育期稻田水體pH值變化Fig.8 Changes of pH in rice water body at different growth stages

2.3.2 稻蟹共作對水體溶解氧的影響 從圖9可以看出，水體溶解量的變化趨勢為先降低，之后趨于穩(wěn)定，變化不大，主要是進(jìn)入7月以后，雨季增加，光照強度減弱，溫度降低，水溫也逐漸降低，植株光合作用減弱，水中的溶解氧也會下降。當(dāng)進(jìn)入孕穗期時，雨量減少，光照充足，植株光合作用旺盛，使得水體溶氧量又緩慢的增加，所以出現(xiàn)了升高的趨勢。養(yǎng)蟹區(qū)水體的溶氧量低于對照區(qū)的水體，但其差異并未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的顯著水平。出現(xiàn)此現(xiàn)象主要是由于河蟹的存在，河蟹的餌料溶于水中，微生物分解養(yǎng)分需要一部分溶解氧，所以導(dǎo)致養(yǎng)蟹區(qū)的溶解氧略低于對照區(qū)。

2.4 稻蟹共作對CH4和N2O排放的影響

從圖10可以看出，CH4排放量的變化呈拋物線趨勢，主要是因為在返青期時，由于基肥施入，土壤的有機質(zhì)含量較高，經(jīng)過厭氧發(fā)酵，釋放出大量的CH4，隨著水稻的生長，到了分蘗期，水稻呼吸旺盛，CH4排放處于較高水平，之后隨著水稻的生長，根系壯大，供甲烷細(xì)菌生長的基質(zhì)增加，因此到拔節(jié)抽穗期時甲烷排放達(dá)到最大值，水稻成熟后，土壤的通氣性增強，土壤的厭氧環(huán)境被破壞，抑制了厭氧菌的繁殖，所以甲烷的排放有所降低。本研究中，養(yǎng)蟹區(qū)的甲烷排放量顯著低于對照區(qū)。主要是因為河蟹的存在，河蟹在水里活動，增強了甲烷通過水體對外排放的途徑；而且，河蟹消耗了水體中的溶解氧，覓食雜草，使得水體的溶解氧增加，減少了甲烷的排放。

圖9 不同生育期稻田水體溶氧量變化Fig.9 Changes of dissolved oxygen content rice water in different growth stages

不同時期N2O排放量從整體看呈上升趨勢(圖11)，養(yǎng)蟹區(qū)的N2O的平均排放量為0.0702 g/m2，對照區(qū)N2O的平均排放量為0.07322 g/m2。N2O是生物硝化和反硝化作用中間的產(chǎn)物，受到氧的有效性和作為反硝化與硝化反應(yīng)底物無機氮的影響。開始時，稻田一直受到水淹的作用，處于厭氧環(huán)境，抑制了NO3-的生成，反硝化的中間產(chǎn)物基本為N2，進(jìn)而抑制了N2O的釋放，之后，稻田落干，通氣性良好，有利于土壤的氮礦化反應(yīng)，硝化作用提高了反硝化作用的反應(yīng)底物的NO3-的量，進(jìn)而有利于反硝化的進(jìn)行，促進(jìn)了N2O的釋放。與對照相比，養(yǎng)蟹田N2O的釋放量顯著降低，主要是因為河蟹的存在，河蟹消耗了溶解氧，降低了水溶解氧的含量，提高了稻田與土界面的還原反應(yīng)。

3 討 論

本文對稻田養(yǎng)蟹的生態(tài)做了全面的分析，分別從浮游植物、土壤、水質(zhì)以及大氣四方面進(jìn)行了研究，并將稻田養(yǎng)蟹與稻田不養(yǎng)蟹進(jìn)行了對比研究，通過研究表明，稻田養(yǎng)蟹相對于不養(yǎng)蟹來說四方面都有相應(yīng)的變化，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以說明稻田養(yǎng)蟹模式更能改變水田的生態(tài)環(huán)境。但本實驗是從小區(qū)域試驗的，如果轉(zhuǎn)化成大尺度時，對于今后的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究還需要考慮更多的問題。

圖10 不同生育期稻田CH4排放量的變化Fig.10 Changes of CH4 emissions from rice fields in different growth stages

圖11 不同生育期稻田N2O排放量的變化Fig.11 Changes of N2O emissions from rice fields in different growth stages

4 結(jié) 論

稻田養(yǎng)蟹生態(tài)系統(tǒng)模式可以顯著的提高土壤的養(yǎng)分，改善水體環(huán)境，凈化空氣。在土壤方面，與無蟹生態(tài)模式相比土壤有效磷增加了1.34 mg/kg、速效鉀增加了1.58 mg/kg、堿解氮增加了4.3 mg/kg、有機質(zhì)增加了0.86 g/kg，含量都有所提升，這樣不僅減少肥料的施用，而且能夠保護(hù)環(huán)境以及減少農(nóng)民的施肥成本；在水質(zhì)方面，稻田養(yǎng)蟹增加了土壤含氧量，水體溶氧量降低了0.12 mg/L，這樣有利于植株根系的生長進(jìn)而增加了水稻產(chǎn)量，提高了農(nóng)民收益；在空氣方面，減少了CH4和NO2的排放，進(jìn)而起到了凈化空氣的作用。此生態(tài)模式的優(yōu)勢就是提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收益的同時還保護(hù)環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)具有非常大的作用。