長(zhǎng)期稻蝦共作模式對(duì)不同施氮量下直播水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

彭成林，袁家富，賈平安，佀國(guó)涵，徐祥玉，趙書軍，李金華

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植保土肥研究所，湖北 武漢 430064； 2.長(zhǎng)江大學(xué) 主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434025； 3.農(nóng)業(yè)部潛江農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，湖北 潛江 433116；4.潛江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 潛江 433100)

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，該模式把水稻種植與水產(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，充分利用光、 熱、 水及生物資源，進(jìn)而獲得較高的物質(zhì)生產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[1]。稻蝦(克氏原螯蝦，Procambarusclarkii)共作模式是一種新興稻田種養(yǎng)復(fù)合生態(tài)模式，該模式比傳統(tǒng)稻油輪作模式或稻麥輪作模式多收入近4.5萬元/hm2,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[2]。 該模式在長(zhǎng)江中下游稻區(qū)發(fā)展很快,據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年僅湖北稻蝦共作、稻蝦連作面積就達(dá)到23.5萬hm2。水稻直播具有省工節(jié)本的優(yōu)點(diǎn)，近年來應(yīng)用面積快速增加，在稻蝦共作區(qū)域也得到迅猛發(fā)展。因此，研究稻蝦共作模式下直播稻施肥技術(shù)，對(duì)發(fā)展稻蝦共作區(qū)域水稻生產(chǎn)、提高農(nóng)業(yè)綜合效益和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物和減少環(huán)境污染均具有十分重要的意義。

稻蝦復(fù)合種養(yǎng)模式始于美國(guó)路易斯安那州，然后長(zhǎng)期以來小龍蝦被視為稻田害蟲進(jìn)行防治[3-5]。隨著水稻種植與小龍蝦養(yǎng)殖結(jié)合技術(shù)的進(jìn)步，這種自然生態(tài)和人為干預(yù)相結(jié)合的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)得到優(yōu)化，水稻和克氏原螯蝦互惠互利。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)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很大提高[6-7]。目前，有關(guān)稻蝦共作模式下直播優(yōu)質(zhì)稻氮肥效應(yīng)的研究尚未見報(bào)道。為此，研究長(zhǎng)期稻蝦共作模式對(duì)不同施氮量下直播水稻產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響，對(duì)稻蝦共作模式的增產(chǎn)效果進(jìn)客觀評(píng)價(jià)，為江漢平原低湖區(qū)水稻的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地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)、北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。2016年試驗(yàn)前稻蝦共作(CR)模式和水稻單作(MR)模式土壤養(yǎng)分含量見表1。

供試水稻品種為華潤(rùn)2號(hào)，是湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所和湖南亞華種子有限公司共同選育的常規(guī)水稻新品種，據(jù)農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(武漢)檢測(cè)，糙米率80.7%，精米率72.3%，整精米率65.8%，透明度2級(jí)，堿消值7.0級(jí)，膠稠度70 mm，直鏈淀粉含量17.4%，達(dá)湖南省一等優(yōu)質(zhì)稻標(biāo)準(zhǔn)[8]。

表1 試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稻蝦共作模式于每年10月至次年5月，田面泡水養(yǎng)蝦，水深20～40 cm；水稻單作模式試驗(yàn)地田面不泡水，冬季休耕。2種模式每年6—10月種植水稻，此期間水分管理基本一致,水稻秸稈全量還田。2種模式的試驗(yàn)地相鄰，其中稻蝦共作模式試驗(yàn)地于2005年水稻收割后挖蝦溝養(yǎng)蝦，2006年為第1年種植水稻，2016年和2017年分別為連續(xù)第11年和第12年種植水稻。

2016年針對(duì)11 a稻蝦共作模式和水稻單作模式各安排1個(gè)試驗(yàn)，施氮量設(shè)6個(gè)水平，分別為施純氮0、60、90、120、150、180 kg/hm2，施P2O5量均為36 kg/hm2，施K2O量均為60 kg/hm2。2017年針對(duì)12 a稻蝦共作模式和水稻單作模式各安排1個(gè)試驗(yàn)，施氮量設(shè)6個(gè)水平，分別為施純氮0、75.0、112.5、150.0、187.5、225.0 kg/hm2，施P2O5量均為75 kg/hm2，施K2O量均為120 kg/hm2。

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積25 m2。各小區(qū)間做土埂，區(qū)組間留40 cm寬的水溝，方便灌排水和農(nóng)事操作。2016年于5月31日播種，每小區(qū)播種已催芽的種子177 g(折算成干谷為60 kg/hm2)，人工撒直播，9月27日收割；2017年于6月8日播種，每小區(qū)播種已催芽的種子176 g(折算成干谷為60 kg/hm2)，人工撒直播，10月20日收割。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氮肥利用效率 參考張福鎖等[9]、鄒娟等[10]和劉宏斌等[11]的方法，用以下參數(shù)來表征氮肥的利用效率。

氮肥偏生產(chǎn)力(Partial factor productivity from applied N,PFPN) =施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率(Agronomic efficiency of applied N,AEN) =(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥表觀利用率(Apparent recovery efficiency of applied N,AREN) =(施氮區(qū)作物吸氮量-無氮區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100%；

氮肥貢獻(xiàn)率(Fertilizer contribution rate of applied N, FCRN)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%。

1.3.2 植株氮含量 于成熟期，取各小區(qū)有代表性稻株0.25 m2，剪去根后，將莖、葉和穗三部分烘干并粉碎，測(cè)定地上部分各器官的養(yǎng)分含量，采用H2SO4-H2O2消煮、SEAL Auto Analyzer 3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定植物氮含量。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 成熟期，各處理取0.25 m2用于考種，測(cè)定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量。各小區(qū)全部實(shí)收測(cè)產(chǎn)。

1.3.4 水稻推薦施肥量模型選擇 運(yùn)用 SAS 8.1 軟件進(jìn)行線性+平臺(tái)模型函數(shù)式(L+P)擬合氮用量與水稻產(chǎn)量之間的關(guān)系：y=b0+b1x(x

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DP 2000 的LSD法進(jìn)行差異顯著性分析，用 Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種模式下施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

由表2和表3可知，無論是水稻單作模式還是稻蝦共作模式，隨施氮量的增加，水稻產(chǎn)量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。對(duì)于水稻單作模式，當(dāng)施氮量分別為150 kg/hm2(2016年)和187.5 kg/hm2(2017年)時(shí)，水稻的產(chǎn)量最高；而對(duì)于稻蝦共作模式，當(dāng)施氮量分別為120 kg/hm2(2016年)和112.5 kg/hm2(2017年)時(shí)，水稻的產(chǎn)量最高。隨施氮量的增加，2種模式下水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率總體上呈降低趨勢(shì)，而氮肥貢獻(xiàn)率總體上呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中水稻單作模式氮肥貢獻(xiàn)率以施氮量150 kg/hm2(2016年)和187.5 kg/hm2(2017年)處理最高，稻蝦共作模式以施氮量120 kg/hm2(2016年)和112.5 kg/hm2(2017年)處理最高。

在同等施氮量條件下，長(zhǎng)期稻蝦共作模式的水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率、氮肥貢獻(xiàn)率分別較水稻單作模式平均提高16.3%、15.3%、7.6%、22.7%、-7.9%?？梢?，長(zhǎng)期稻蝦共作模式相對(duì)于水稻單作模式能較大幅度提高水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥表觀利用率，降低了氮肥貢獻(xiàn)率。

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一模式不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同。

Note:The different lowercase letters after data within a column mean significant differences(P<0.05)among different treatments under the same model,the same below.

2.2 2種模式下施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表4可以看出，在水稻單作模式下，隨施氮量的增加，水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)總體均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)；對(duì)于結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，不同處理之間差異不顯著。在連續(xù)11 a稻蝦共作模式下，有效穗數(shù)隨施氮量的增加表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，當(dāng)施氮量達(dá)到90 kg/hm2時(shí)，其顯著高于施用60 kg/hm2和不施氮處理，與其他處理間差異不顯著；對(duì)于穗粒數(shù)，不同處理之間的差異不顯著；隨施氮量的增加，結(jié)實(shí)率表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，施氮量150 kg/hm2處理最高；對(duì)于千粒質(zhì)量，不施氮處理最低，施氮量最高的處理表現(xiàn)最高。在相同施氮量下，稻蝦共作模式水稻有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量高于水稻單作模式，有效穗數(shù)增加幅度為13.1%～20.8%，平均增加17.4%，千粒質(zhì)量增加幅度為0.4%～2.6%，平均增加1.8%。

從表5可以看出，在水稻單作模式下，有效穗數(shù)隨施氮量的增加表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì),當(dāng)施氮量在112.5 kg/hm2以上時(shí)，增長(zhǎng)放緩；對(duì)于穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，不施氮處理最低。在連續(xù)12 a稻蝦共作模式下，有效穗數(shù)隨施氮量的增加表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)施氮量在112.5 kg/hm2以上時(shí)，增長(zhǎng)放緩；對(duì)于穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，總體上不施氮處理最低。在相同施氮量下，稻蝦共作模式水稻有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量均全部高于水稻單作模式，有效穗數(shù)增加幅度為14.3%～24.5%，平均增加20.0%，千粒質(zhì)量增加幅度為1.8%～4.5%，平均增加3.3%。

綜合2 a的試驗(yàn)結(jié)果可知，在不同施氮水平下，長(zhǎng)期稻蝦共作模式相對(duì)水稻單作模式主要是通過增加有效穗數(shù)來實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的。

表4 2種模式下施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響(2016年)Tab.4 Effect of nitrogen application rate on rice yield and its components under MR and CR models(2016)

表5 2種模式下施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響(2017年)Tab.5 Effect of nitrogen application rate on rice yield and its components under MR and CR models(2017)

2.3 2種模式下施氮量與產(chǎn)量之間的線性+平臺(tái)函數(shù)模型

采用線性+平臺(tái)模型擬合水稻產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系，2016年試驗(yàn)結(jié)果(圖1)表明，對(duì)于水稻單作模式，基礎(chǔ)產(chǎn)量為4 680 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為 6 874 kg/hm2，氮臨界用量為125.9 kg/hm2，氮用量低于臨界用量時(shí)，產(chǎn)量用方程y1=17.43x+4 680來確定；對(duì)于連續(xù)11 a稻蝦共作模式，基礎(chǔ)產(chǎn)量為 5 397 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為7 933 kg/hm2，氮臨界用量為 104.1 kg/hm2，氮用量低于臨界用量時(shí)，產(chǎn)量用方程y2=24.35x+5 397來確定。

圖1 2種模式施氮量與產(chǎn)量之間的線性+平臺(tái)函數(shù)模型(2016年)Fig.1 Linear + plateau model for grain yield versus nitrogen application rate under MR and CR models (2016)

2017年試驗(yàn)結(jié)果(圖2)表明，對(duì)于水稻單作模式，基礎(chǔ)產(chǎn)量為5 009 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為8 017 kg/hm2，氮臨界用量為153.3 kg/hm2，氮用量低于臨界用量時(shí)，產(chǎn)量用方程y1=19.62x+5 009來確定；對(duì)于連續(xù)12 a稻蝦共作模式，基礎(chǔ)產(chǎn)量為6 384 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為8 551 kg/hm2，氮臨界用量為100.7 kg/hm2，氮用量低于臨界用量時(shí)，產(chǎn)量用方程y2=21.51x+6 384來確定。

綜合2 a的試驗(yàn)結(jié)果，用線性+平臺(tái)模型確定的水稻單作模式氮肥合理用量為125.9～153.3 kg/hm2，平均為139.6 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為6 874～8 017 kg/hm2，平均為7 446 kg/hm2；長(zhǎng)期稻蝦共作模式水稻氮肥合理用量為100.7～104.1 kg/hm2，平均為102.4 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為7 933～8 551 kg/hm2，平均為8 242 kg/hm2。長(zhǎng)期稻蝦共作模式相對(duì)于水稻單作模式平臺(tái)產(chǎn)量提高了10.7%，氮肥合理用量下降了26.6%。

3 結(jié)論與討論

土壤基礎(chǔ)肥力是影響作物產(chǎn)量的重要因素[12]。土壤基礎(chǔ)肥力提升有助于提高作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性[13]。曾祥明等[14]在江漢平原的研究表明，高地力稻田產(chǎn)量均高于低地力稻田，土壤基礎(chǔ)地力越高，水稻產(chǎn)量越高；鄭盛華等[15]認(rèn)為，川西平原水稻基礎(chǔ)肥力貢獻(xiàn)率隨基礎(chǔ)肥力升高而升高，肥料貢獻(xiàn)率則隨基礎(chǔ)肥力升高而降低。研究表明，相對(duì)于水稻單作，稻蝦共作模式改善了土壤結(jié)構(gòu),增加了土壤養(yǎng)分含量[1,16]；稻蝦共作模式提高了土壤微生物的活性以及群落功能多樣性，對(duì)底層土壤的影響尤為顯著[7]。本研究2016年的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分測(cè)定結(jié)果也表明，長(zhǎng)期稻蝦共作的土壤養(yǎng)分含量總體上好于水稻單作模式。本研究結(jié)果表明，雖然種植相同的水稻品種和施用相等的肥料，但長(zhǎng)期稻蝦共作模式比水稻單作模式可大幅增加水稻產(chǎn)量，即使不施氮肥，產(chǎn)量也增加了21.2%，這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期稻蝦共作模式提升了土壤基礎(chǔ)肥力。在稻蝦共作對(duì)水稻產(chǎn)量影響的研究方面，佀國(guó)涵等[2]認(rèn)為，相對(duì)于水稻單作模式,稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量顯著提高；劉卿君[17]也認(rèn)為，稻蝦共作模式可以顯著提高水稻產(chǎn)量，這與本研究的結(jié)果基本一致。

鄭盛華等[15]研究表明，對(duì)于高、中、低產(chǎn)田，有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量是引起產(chǎn)量差異的主要因素。本研究結(jié)果表明，在基本苗數(shù)、施肥量、栽培管理水平以及光溫資源相對(duì)一致的條件下，長(zhǎng)期稻蝦共作模式下水稻有效穗數(shù)平均增加18.7%，對(duì)產(chǎn)量的影響最大，與前人[15]研究結(jié)果相似。

過去對(duì)稻田綜合種養(yǎng)模式下施肥方面的研究并不多，且主要以調(diào)查為主，李月梅[18]認(rèn)為，稻田養(yǎng)魚一般減施10%～20%肥料并不降低水稻產(chǎn)量，且隨著稻魚共作年限延長(zhǎng)，節(jié)肥效果明顯提高。胡亮亮[19]對(duì)分布于 13個(gè)水稻主產(chǎn)省(市)的 5 種重要稻魚模式的研究表明，稻魚模式水稻產(chǎn)量平均比水稻單作模式增加 2.98%，肥料投入量平均減少26.52%，其中，稻魚模式減少30.85%，稻鰍模式減少 24.83%，稻蝦模式減少 23.22%，稻蟹模式減少 23.93%，稻鱉模式減少 32.27%。在稻蝦共作水稻氮肥合理施用量方面，目前還沒有相關(guān)的深入研究。

綜上，在同等施氮水平下，與水稻單作模式相比，長(zhǎng)期稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量大幅增加，氮肥利用效率提高，在施氮水平較低時(shí)，增產(chǎn)和提升效果更明顯。用線性+平臺(tái)模型確定的長(zhǎng)期稻蝦共作模式氮肥合理用量為102.4 kg/hm2，平臺(tái)產(chǎn)量為8 242 kg/hm2，相對(duì)于水稻單作模式平臺(tái)產(chǎn)量提高了10.7%，氮肥合理用量下降了26.6%，相對(duì)于湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)(DB42/T 1137—2016)提出的江漢平原水稻的推薦施氮量180～225 kg/hm2下降了43.1%～54.5%。