稻-鱔綜合種養(yǎng)氮肥減量效應(yīng)研究

袁 泉，呂巍巍，黃偉偉，孫小淋，呂衛(wèi)光，周文宗

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403)

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，農(nóng)民對化肥的使用量和依賴程度越來越高。然而過度施肥和肥料利用率低下等問題，不僅對生態(tài)環(huán)境造成了一定的面源污染，而且也危害著農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[1]。大量研究表明，稻-漁綜合種養(yǎng)是一種具有節(jié)肥減藥、高品質(zhì)、高生態(tài)可持續(xù)性等特點(diǎn)的新型農(nóng)業(yè)模式[2-5]。Xie等[2]研究發(fā)現(xiàn)，稻魚共生系統(tǒng)較水稻單作系統(tǒng)可減少化肥用量24%。胡亮亮[5]研究發(fā)現(xiàn)，稻-漁共作模式較水稻單作模式肥料投入量平均減少26.52%，其中稻-鰍模式減少24.83%。稻-漁共作系統(tǒng)化肥減量主要通過增加稻田有效養(yǎng)分、促進(jìn)養(yǎng)分吸收、減少稻田養(yǎng)分損失等途徑實(shí)現(xiàn)[6]。肥料是氮最主要的輸入途徑，稻谷是氮最主要的輸出途徑[7]，有關(guān)稻-漁共作系統(tǒng)中化肥的投入和利用率研究是當(dāng)前稻-漁綜合種養(yǎng)研究的焦點(diǎn)。

黃鱔(Monopterusalbus)作為一種穴居魚類，廣泛分布于稻田、水溝和淺水湖泊的沿岸帶，是我國淡水名特優(yōu)養(yǎng)殖品種之一，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，全國年產(chǎn)量可達(dá)38.77萬t[8]。黃鱔因其獨(dú)特的生理習(xí)性較適宜在稻田中生存，俗稱稻田養(yǎng)殖中的“鄉(xiāng)土物種”。隨著網(wǎng)箱養(yǎng)鱔日益突出的環(huán)境問題、食品安全問題，稻田養(yǎng)鱔愈來愈受到市場歡迎，湖北、江蘇等多地推廣示范了稻-鱔生態(tài)綜合種養(yǎng)模式。然而，有關(guān)稻-鱔共作方面的研究資料較缺乏，不利于產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文通過嚴(yán)格的田間小區(qū)控制試驗(yàn)探討了稻-鱔共作模式下的氮肥減量效應(yīng)，以期為稻-鱔共作技術(shù)推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站稻-漁共作試驗(yàn)小區(qū)開展。該試驗(yàn)小區(qū)為2016年新開挖的試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2，溝渠面積占總面積的10%，水稻種植面積占總面積的50%，其他為田埂面積。臺(tái)田上方布有防鳥網(wǎng)，進(jìn)水口設(shè)有40目(孔徑0.425 mm)濾網(wǎng)，排水口設(shè)有用40目絹網(wǎng)制作的防逃網(wǎng)。供試水稻品種是上海市青浦區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心選育的“青香軟?！?滬農(nóng)品審水稻2014第004號)。試驗(yàn)黃鱔為江蘇常熟地區(qū)提供的黃鱔苗種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理(表1)，其中CK1為無肥對照處理，CK2為常規(guī)施肥處理。施氮量按照上海地區(qū)常規(guī)用量300 kg/hm2(純N)，施磷量按常規(guī)用量192 kg/hm2，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)排列。施肥時(shí)間集中在6月下旬至8月底。

表1 試驗(yàn)處理及肥料用量 kg/hm2

試驗(yàn)周期2年，其中水稻生長期為每年的6月下旬至10月下旬；黃鱔于每年的7月初前后投放，10月下旬或第二年的5月份捕撈。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)投放黃鱔苗種8尾，其全長為(58.51±0.01) mm，體重為(0.96±0.44) g；使用地籠捕撈試驗(yàn)小區(qū)黃鱔，黃鱔捕撈后用濕抹布擦除魚體多余水分，測量每尾黃鱔全長(mm)和體重(g)。2019年試驗(yàn)期間內(nèi)逐月對環(huán)溝水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場使用便攜式水質(zhì)分析儀(HACH HQ40d)測定水溫(T)、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(Cond)、水深(WD)和pH值，并采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，于24 h內(nèi)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》測量總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、葉綠素a(Chla)，使用便攜式濁度分析儀(HACH 2100Q)測量濁度。2019年試驗(yàn)期內(nèi)，每隔2個(gè)月采集試驗(yàn)小區(qū)稻田土樣，每3個(gè)重復(fù)稻田里的土樣采集后混合為一個(gè)樣品，風(fēng)干過篩后于干燥陰涼處保存，依據(jù)魯如坤[9]的方法分析土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮和速效磷含量。

黃鱔苗種投放后，未投放人工飼料。水稻分蘗前，稻田水位控制在10 cm，以促進(jìn)水稻生根分蘗；水稻分蘗后，烤田期間水位在5～10 cm。在養(yǎng)殖過程中，經(jīng)常加注新水，特別是在高溫季節(jié)。草害防治采取人工除草，蟲害防治選用高效低毒低殘留的環(huán)境友好型農(nóng)藥如康寬、拿敵穩(wěn)等，整個(gè)試驗(yàn)過程施農(nóng)藥2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所得數(shù)據(jù)用Excel 13.0和SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 9.0軟件作圖。各處理間進(jìn)行單因素方差分析，使用新復(fù)極差檢驗(yàn)(SSR檢驗(yàn))對不同處理進(jìn)行多重比較，P<0.05表示差異顯著。

肥滿度和特定增長率計(jì)算公式：

K=W/L3×105

(1)

式(1)中K為肥滿度，W為體重(g)，L為體長(cm)。

SGR=100×(lnWf-lnWi)/T

(2)

式(2)中SGR為特定增長率，Wi為初始體重，Wf為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)體重，T為試驗(yàn)天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃鱔、水稻收獲特征

黃鱔捕撈收獲特征如表2所示。單因素方差分析結(jié)果顯示，黃鱔經(jīng)過280 d養(yǎng)殖后，各處理組黃鱔捕撈體長、捕撈體重、肥滿度和特定增長率均無顯著性差異(P>0.05)。2019年，黃鱔經(jīng)過130 d養(yǎng)殖后，CK1和T1組未捕撈到黃鱔，CK2和T2、T3組黃鱔的捕撈體長、捕撈體重和肥滿度均無顯著性差異(P>0.05)，但CK2組黃鱔的特定增長率顯著高于T2和T3組(P<0.05)。黃鱔經(jīng)過130 d和280 d的養(yǎng)殖周期后，具有明顯不同的收獲特征。相較于長周期養(yǎng)殖，短周期養(yǎng)殖的黃鱔具有相似的捕撈體長，偏低的捕撈體重和肥滿度，以及相對較高的特定增長率。

表2 不同施肥處理黃鱔收獲特征

水稻的收獲特征如圖1所示。2018年由于極端氣候引起的病蟲害等原因?qū)е滤敬罅繙p產(chǎn)，2019年水稻產(chǎn)量為試驗(yàn)小區(qū)正常生產(chǎn)水平。從圖1可以看出，不同施肥處理水稻產(chǎn)量在2018年和2019年具有相似的變化規(guī)律。CK1組(無肥組)水稻產(chǎn)量最低，2019年CK1組水稻產(chǎn)量顯著低于其他處理組(P<0.05)，CK2組(常規(guī)施肥組)水稻產(chǎn)量與氮肥減量各處理組無顯著性差異，但要高于氮肥減量組。

圖1 不同施肥處理水稻收獲特征

2.2 環(huán)溝水體理化環(huán)境的變化特征

2019年各處理組環(huán)溝水體理化因子監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。依據(jù)黃鱔的生活習(xí)性，試驗(yàn)小區(qū)環(huán)溝水位較淺，4、5月份為自然水位，從6月份開始加注新水，6～9月份水位保持在30 cm左右，至10月份又恢復(fù)至自然水位。6月12日之前監(jiān)測的溶氧、pH值、濁度、總磷、COD、氨氮、葉綠素含量均較低，且無明顯波動(dòng)，說明水體水生生物量較少，水質(zhì)偏瘦。自6月下旬投放黃鱔苗種及施肥等活動(dòng)之后，隨著水溫的升高，7月份水體葉綠素含量明顯上升，導(dǎo)致水體中溶氧和pH值均有了顯著的升高。8月份隨著水溫達(dá)到峰值，水體總氮、總磷、氨氮含量也達(dá)到峰值，此時(shí)水體濁度較低。

圖2 各處理組環(huán)溝水體理化環(huán)境變化特征

在水稻的生長季節(jié)(7～10月)，各處理組環(huán)溝水體溶氧含量、pH值、濁度和水深無顯著性差異(P>0.05)。8月份，無肥處理組(CK1)水體總氮含量顯著低于施肥處理組(P<0.05)；T1組氨氮含量顯著高于CK1組(P<0.05)，與其他處理組無顯著性差異，其平均氨氮含量達(dá)到8.9 mg/L；T2組總磷含量顯著高于CK1和T3組(P<0.05)。僅7月份，T1組COD含量顯著高于T2和T3組(P<0.05)，8月份各處理組COD含量無顯著性差異，9、10月份各處理組所產(chǎn)生的COD含量差異可能與水深有關(guān)。

2.3 稻田土壤理化環(huán)境特征

如圖3所示，試驗(yàn)小區(qū)土壤為弱堿性土壤，pH值變化范圍為7.17～8.41，4月份土壤pH值呈現(xiàn)出隨著氮肥減量的增加而降低的趨勢，6月份經(jīng)土壤翻整過后，各處理組間pH值無明顯差異，均接近8.0，8～10月份，減氮30%處理組稻田土壤pH值最低。試驗(yàn)小區(qū)土壤總氮含量差異不大，土壤總氮含量在0.12%～0.14%。前3次檢測的土壤總磷含量在0.09%～0.12%，各處理組差異不大，10月份無肥組土壤總磷含量顯著低于施肥組。6～10月份，減氮50%組土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、速效氮含量均大于或等于常規(guī)施肥組。10月份，減氮10%和30%處理組速效磷含量分別高于常規(guī)施肥組31.81%和15.91%，總磷含量與常規(guī)施肥組相當(dāng)。

圖3 不同試驗(yàn)處理小區(qū)稻田土壤理化指標(biāo)變化(混合樣本)

3 討論

3.1 化肥減量對水稻產(chǎn)量和黃鱔生長的影響

在無肥條件下，水稻產(chǎn)量顯著低于施肥處理組，氮肥減量組與常規(guī)施肥組水稻產(chǎn)量無顯著性差異，這與之前稻-鰍模式化肥減量研究結(jié)果一致[10]，說明即使在稻-漁綜合種養(yǎng)模式中，化肥對農(nóng)作物的生長依然具有重要作用，但可實(shí)行化肥減量。從2018年和2019年水稻產(chǎn)量的結(jié)果可以看出，水稻產(chǎn)量均沒有隨著氮肥減量的增加而降低，說明在稻-鱔共作系統(tǒng)中實(shí)行化肥減量并不會(huì)導(dǎo)致水稻顯著減產(chǎn)，其中在2019年正常生產(chǎn)氣候條件下，減氮30%處理組水稻平均產(chǎn)量可達(dá)到732 kg/667 m2，與常規(guī)施肥組僅有30 kg/667 m2的差距。從本研究可以看出，化肥減量對水稻產(chǎn)量無顯著性影響，該結(jié)果驗(yàn)證了諸多學(xué)者對稻-漁共作模式的研究結(jié)果，即稻-漁共作在不降低水稻產(chǎn)量的前提下，能夠降低化肥的使用[6,11]。

2018年的調(diào)查結(jié)果顯示，氮肥減量對黃鱔的體長、體重生長無顯著性影響；但2019年的調(diào)查結(jié)果顯示，常規(guī)施肥組黃鱔的收獲規(guī)格顯著高于氮肥減量組，化肥的常規(guī)施用量是否會(huì)促進(jìn)水體環(huán)境餌料生物生長進(jìn)而促進(jìn)黃鱔的生長仍有待進(jìn)一步研究。黃鱔的收獲規(guī)格與養(yǎng)殖周期長短有關(guān)。在本研究中，黃鱔苗種當(dāng)年養(yǎng)成收獲，其規(guī)格平均增長1倍左右，次年收獲其規(guī)格平均增長2倍左右。邵乃麟[12]研究發(fā)現(xiàn)，黃鱔在稻田中投餌養(yǎng)殖情況下，當(dāng)年養(yǎng)成收獲產(chǎn)量可翻1倍，假設(shè)本研究中產(chǎn)量翻至1倍的情況下，黃鱔成活率需要達(dá)到100%(由于試驗(yàn)小區(qū)存在黃鱔逃逸情況，本文未統(tǒng)計(jì)其成活率數(shù)據(jù))，這是比較難以實(shí)現(xiàn)的。本研究發(fā)現(xiàn)黃鱔在稻田中長周期養(yǎng)殖較短周期養(yǎng)殖具有較低的特定增長率和較高的肥滿度，說明黃鱔在冬春季節(jié)體重增長緩慢。黃鱔在稻田中不投餌養(yǎng)殖情況下，當(dāng)年養(yǎng)成特定增長率為0.26%～0.52%，為網(wǎng)箱養(yǎng)殖黃鱔特定增長率的50%左右[13]。綜合分析認(rèn)為，稻田養(yǎng)殖黃鱔宜通過適當(dāng)投餌以增加黃鱔養(yǎng)成規(guī)格。

3.2 化肥減量對水體和土壤理化環(huán)境的影響

稻田施肥顯著增加了水體總氮、氨氮和總磷含量，尤其是在高溫季節(jié)，施肥組水體氮磷營養(yǎng)鹽含量相較于無肥組顯著增加。我國農(nóng)田主要作物對氮肥的利用率僅占施肥量的30%～35%，大部分氮通過不同途徑損失于環(huán)境中[14]。氮磷是浮游藻類生長的主要限制因子[15]，未被作物利用的氮進(jìn)入水體中可在一定程度上促進(jìn)浮游植物的生長，這驗(yàn)證了施肥組葉綠素a含量顯著高于無肥組的研究結(jié)果，而浮游植物的適宜增長可增加水體溶氧含量，有利于動(dòng)物生長。不同氮肥減量處理水體各理化指標(biāo)變化無明顯規(guī)律，常規(guī)施肥組和減氮10%處理組水體氨氮含量在8月份時(shí)偏高，過高的氨氮含量可能引起黃鱔苗種的急性應(yīng)激反應(yīng)[16-18]，生產(chǎn)中需加強(qiáng)高溫季節(jié)的水質(zhì)管理。

稻-鱔共作系統(tǒng)實(shí)行化肥減量并不會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量的降低，這與樓宇濤等[17]的研究結(jié)果一致，說明稻-鱔共作化肥的適度減量并不會(huì)影響土壤肥力，而黃鱔的活動(dòng)可改善土壤通氣狀況促進(jìn)水稻對養(yǎng)分的吸收[6,19]，這可能是減氮30%組水稻產(chǎn)量接近常規(guī)施肥組水稻產(chǎn)量的原因之一。研究表明，水稻產(chǎn)量受土壤有效磷、有機(jī)質(zhì)和全氮含量的高低影響較小，而受土壤pH值的影響較大[20]。本研究中土壤pH值變化比較穩(wěn)定，均呈弱堿性適宜水稻生長，關(guān)于稻-鱔共作對土壤pH值的長期影響還需進(jìn)一步研究。