稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤理化性質(zhì)及腐殖質(zhì)的影響

余經(jīng)緯， 黃 巍， 李玉成， 王 寧， 張學(xué)勝

(安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601)

中國(guó)作為世界上最大的化肥生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)，2016年的化肥施用量為5984.1萬t，占世界化肥總施用量的30%以上[1]。施用適量化肥可提高糧食產(chǎn)量，但盲目施用化肥，會(huì)使得化肥有效利用率大大降低[2-3]，且未被利用的化肥會(huì)經(jīng)雨水沖刷、地表徑流等作用后進(jìn)入水體和土壤中，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成稻田土壤有機(jī)碳含量降低、酸性增加和板結(jié)加重[4-5]。2016年，安徽省合肥市單位播種面積化肥施用量高達(dá)368.8 kg/hm2[6]，是國(guó)際公認(rèn)肥料施用上限的1.64倍。研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)巢湖流域水體富營(yíng)養(yǎng)化污染源貢獻(xiàn)率中，農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)率達(dá)46%[7]。

稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式是一項(xiàng)將種植與養(yǎng)殖相結(jié)合的生態(tài)環(huán)保綜合型農(nóng)業(yè)開發(fā)技術(shù)，可保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，改善稻田生態(tài)環(huán)境[8-9]。在稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式中，采用秸稈經(jīng)機(jī)械粉碎后深翻入土[10]；保持田間水量充足，減少化肥農(nóng)藥的施用量等耕作措施，可增加土壤微生物群落及酶類多樣性，提高秸稈腐化程度[11]。養(yǎng)殖的禽(魚)類生物在水稻田中的排泄物可替代部分化肥，作為優(yōu)質(zhì)生物有機(jī)肥料[12-13]。目前，稻田生態(tài)種養(yǎng)(“稻田養(yǎng)蝦”“稻鴨共育”“稻魚共育”等)技術(shù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響研究?jī)H停留在單一種養(yǎng)模式[8-9,11-14]，而對(duì)“稻田養(yǎng)蝦”和“稻鴨共育”兩種生態(tài)種養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合的生態(tài)綜合種養(yǎng)模式鮮有報(bào)道。

本研究利用安徽易高豐公司提供的規(guī)?；N植基地，在化肥減量化的基礎(chǔ)上，比較稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式(PES)與常規(guī)種植即閑置(CK)、單季水稻種植(SSR)和雙季水稻種植(DSR)模式對(duì)水稻田土壤理化性質(zhì)(容重、孔隙度、全氮和堿解氮等)及腐殖質(zhì)(胡敏酸、富里酸、光學(xué)性質(zhì))的影響，為改良土壤和降低農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)和方法

1.1 研究區(qū)域及材料

試驗(yàn)田位于安徽省合肥市北圩村，以種植早晚水稻為主。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為15.7 ℃，年均降水量1188 mm，年均濕度70%，土壤類型為典型的水稻土。本試驗(yàn)開始于2016年1月，土壤樣品采集于2018年1月。

供試水稻品種為“南粳46”，鴨品種為“巢湖麻鴨”，蝦品種為“克氏原螯蝦”(Procambarusclarkii)。復(fù)合肥為安徽某公司生產(chǎn)(N∶P2O5∶K2O = 21∶9∶10)，尿素為安徽某公司生產(chǎn)，N ≥46.4%。試驗(yàn)前稻田表層土壤性質(zhì)：容重1.31 g/cm3、pH 5.43、有機(jī)碳14.8 g/kg、全氮1440 mg/kg、堿解氮138.8 mg/kg、速效磷21.9 mg/kg和速效鉀107.5 mg/kg。

1.2 田間管理

試驗(yàn)設(shè)置4種處理模式，根據(jù)當(dāng)?shù)厮痉N植及施肥方式，以施用基肥(復(fù)合肥600 kg/hm2)，追肥(尿素150 kg/hm2)為基礎(chǔ)，每種種植模式設(shè)置3個(gè)平行，具體試驗(yàn)設(shè)置方式見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)置與田間管理

稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式試驗(yàn)田四周挖寬2.5 m、深2 m的“回”形溝渠。四周設(shè)置防逃網(wǎng)與筑埂，布設(shè)簡(jiǎn)易鴨棚。水稻收割后，機(jī)械粉碎稻田秸稈，深翻入田。2月20日，以巢湖支流三叉河為水源灌溉試驗(yàn)田和蝦溝，田間水位達(dá)30～40 cm。用生石灰+茶粕全田潑灑，以殺滅病害及野生魚類。待藥物毒性消失，種植輪葉黑藻，50%覆蓋率。4月3日，投入蝦苗；5月底，捕撈成品蝦。7月1日翻耕水草，平整田塊；未捕撈蝦放入蝦溝中，適當(dāng)補(bǔ)充，7月3日施用復(fù)合肥，機(jī)械插秧，株距20 cm×20 cm。8 d后施用尿素，秧苗移栽10 d后，放適齡鴨13只/畝，稻鴨共生期為60 d。稻田中的雜草靠鴨啄食和踐踏為主。稻鴨共作期間，田間水位保持在8～10 cm。水稻抽穗期趕鴨出田，并及時(shí)排水烤田。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集

2018年1月8日收獲期后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域布設(shè)5～7個(gè)采樣點(diǎn)，利用“X”型5點(diǎn)法采集表層土壤(0～10 cm)。土壤樣品冷凍干燥后，研磨過篩，低溫干燥皿保存，用于后續(xù)分析。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

土壤質(zhì)地采用激光粒度儀(LS13320ALM)[15]測(cè)定。土壤容重和總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定，pH值采用pH計(jì)(水∶土=2.5∶1)測(cè)定，土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用雙酸浸提法測(cè)定，速效鉀采用乙酸銨浸提法測(cè)定[16]。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[15]。土壤腐殖質(zhì)各組分采用腐殖質(zhì)組成修改法進(jìn)行提取和分離[17]?？商崛「澄镔|(zhì)和胡敏酸的含碳量采用TOC分析儀(TOC-LCPH，日本島津)測(cè)定，富里酸含碳量采用腐殖物質(zhì)與胡敏酸的含碳量差減獲得；腐殖質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的測(cè)定采用紫外分光光度儀測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，圖件采用Origin 8.5繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤質(zhì)地作為土壤重要的物理性質(zhì)之一，對(duì)土壤的水力特性、肥力狀況等有較大影響[18]。各模式中土壤粉粒和砂粒均存在差異性(P<0.05)，見表2，PES模式下土壤砂粒含量最低。表明PES模式可提高土壤分化效率，降低土壤含砂量，改變土壤質(zhì)地分配比例。

由表2還可看出，與試驗(yàn)前土壤相比，PES模式土壤容重降低了0.10 g/cm3。對(duì)比CK、SSR和DSR模式可看出，隨著稻田化肥施用量的減少，土壤容重逐漸降低，其中以不施用化肥的CK模式土壤容重改善效果最佳。與施肥量相同的SSR模式相比，PES模式土壤容重降低了0.08 g/cm3。綜上表明，稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式在施用化肥的情況下，可降低土壤容重，改善土壤物理結(jié)構(gòu)。這與禹盛苗等[14]研究結(jié)果相同。

不同種植模式下土壤總孔隙度具有顯著差異(P<0.05)。PES模式的總孔隙度低于CK和SSR，這可能與水稻田閑置有關(guān)。閑置期間稻田不翻耕，對(duì)土層干擾小，土壤的生物數(shù)量和土壤酶活力有所提高，從而提高了土壤總孔隙度。相比于DSR模式，PES模式的土壤總孔隙度提高了4.82%，表明稻田中蝦打洞、鴨攪動(dòng)、中耕渾水等活動(dòng)，能增加土壤透氣性，降低土壤緊實(shí)度，改善土壤的物理性質(zhì)[14]。

表2 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)稻田土壤質(zhì)地及物理性質(zhì)的影響

注：土壤顆粒的粒級(jí)類型參照《國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》；不同字母表示模式間差異達(dá)到0.05顯著水平;下同

2.1.2 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

在水稻收獲后，PES模式稻田中土壤的全氮、堿解氮含量均顯著高于CK和SSR種植模式；速效磷含量顯著高于CK模式；速效鉀顯著高于其它3種種植模式(P<0.05)(圖1-B、C、D)。與其它模式相比，PES中土壤速效鉀增幅最大(相比DSR提高28.63%)。而相比于原土壤基礎(chǔ)肥力，各模式中以PES模式養(yǎng)分的提高效果最佳，全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀分別提高了17.22%、17.83%、8.72%和22.41%。綜上，PES改善了水稻對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，增強(qiáng)了土壤保肥能力，尤其對(duì)土壤中速效鉀保肥影響最為顯著。這與劉卉[11]和禹盛苗[14]等研究結(jié)果相似。

圖1 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤酸堿度及養(yǎng)分含量的影響Figure 1 Effects of ecological comprehensive planting and breeding patterns on soil pH and nutrient contents in paddy fields

2.2 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤腐殖質(zhì)的影響

2.2.1 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

由表3可知，相比于SSR、DSR模式，PES模式能顯著提高土壤的有機(jī)碳含量(P<0.05)。相比于試驗(yàn)前土壤，PES模式中土壤有機(jī)碳含量增加了2.50 g/kg，這可能是由于秸稈還田、稻田養(yǎng)蝦期間土壤微生物群落及酶類活性增加，導(dǎo)致秸稈、蝦殼等的腐化強(qiáng)度提高，從而顯著提高了土壤有機(jī)碳含量。相比于DSR模式，PES模式土壤中有機(jī)碳含量增加了2.674 g/kg，增幅高達(dá)18.24%；而施用等量化肥的兩種模式中，PES模式中土壤有機(jī)碳含量顯著高于SSR模式(P<0.05)，這與PES模式中蝦與鴨活動(dòng)和排放糞便等因素有關(guān)[11]。上述結(jié)果綜合表明，稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式改善了土壤通氣狀況，提高了微生物含量，促進(jìn)了土壤中微生物活性及養(yǎng)分循環(huán)，在一定程度上增加了土壤中的有機(jī)碳含量[23]。

2.2.2 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤腐殖質(zhì)的影響

秸稈在稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式中處于水淹狀態(tài)，可提高稻田根系和菌絲的活性[24]，提高秸稈的腐化程度，從而增加有機(jī)碳(SOC)、腐殖質(zhì)(HE)、胡敏素(HA)和富里酸(FA)含量。與CK模式相比，其它3種模式中土壤的腐殖質(zhì)碳(HEC)和胡敏酸碳(HAC)含量均顯著提高，其中以PES模式中HEC和HAC增幅最大(表3)。PES與其它3種模式相比，HAC含量顯著增加(P<0.05)，相比于SSR和DSR模式分別增加了0.92和0.62 g/kg。HA和FA二者比值可表征土壤腐殖質(zhì)的聚合程度，一般而言，比值越大表明HA比重占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，HE處于活躍狀態(tài)，分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜[25]。PQ值(HE中HA占比情況)表示土壤中HA與FA之間相對(duì)形成速度以及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。由圖2可知，PES模式的PQ值和HA/FA值均顯著高于其余3種種植模式(P<0.05)。表明PES模式可推進(jìn)土壤中腐殖質(zhì)向HA和FA的轉(zhuǎn)化，亦可顯著提升土壤中腐殖質(zhì)的活性。

圖2 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的影響Figure 2 Effects of ecological comprehensive planting and breeding modes on soil humus structure characteristics in paddy fields

HA的光學(xué)性質(zhì)是判斷土壤HE特性的重要依據(jù)。一般認(rèn)為，色調(diào)系數(shù)△logk值能夠反映HE組分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，即HA-△logk值越低，其分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[26]；HA吸收光譜曲線的斜率(E4/E6)反映芳香環(huán)在HA分子中的縮合程度、芳構(gòu)化程度等[25]。各種植模式中土壤光學(xué)性質(zhì)HA-△logk、HA-E4/E6值的大小順序?yàn)椋篠SR

表3 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)稻田土壤有機(jī)碳與腐殖質(zhì)的影響

2.3 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)水稻年產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表4可知，PES水稻產(chǎn)量顯著高于SSR和DSR模式，其水稻產(chǎn)量較SSR模式提高了7.9%。且PES模式的總產(chǎn)值為54 455元/hm，比SSR、DSR模式分別增加了32 565元/hm和11 775元/hm，增幅達(dá)到148.8%和27.6%；從利潤(rùn)方面來看，PES模式的利潤(rùn)顯著高于SSR和DSR模式，增幅達(dá)到136.6%和32.4%?？梢奝ES模式不僅可增收單季水稻種植的產(chǎn)量，也可增加農(nóng)民全年的經(jīng)濟(jì)收入。

3 結(jié)論

1)稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式(PES)顯著改善了水稻田土壤質(zhì)地，降低了土壤容重、提高了總孔隙度。與SSR和DSR模式土壤相比，PES模式不但改善了土壤酸化現(xiàn)象，而且提高了稻田土壤養(yǎng)分含量，增強(qiáng)了土壤的保肥能力。

2)與SSR和DSR模式相比，PES模式可顯著增加土壤中有機(jī)碳和胡敏酸碳含量，提高土壤中腐殖質(zhì)的有效性及腐殖化程度，同時(shí)降低土壤中腐殖質(zhì)縮合度及分子復(fù)雜程度。稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式(PES)相比于其它3種模式，更有利于土壤中腐殖質(zhì)的形成和利用。

表4 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式對(duì)水稻田年產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

3)稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式(PES)不但降低了農(nóng)藥化肥施用量，而且提高了水稻的產(chǎn)量，增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，還可為降低環(huán)巢湖流域的農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)的參考依據(jù)。