不同稻田種養(yǎng)模式對土壤與水體理化性狀及水稻產(chǎn)量的影響分析

湯偉，陳燦，2?，黃璜，2?

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2 湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，長沙 410128)

我國以水稻為主食的人口超過總?cè)丝诘?5%，水稻生產(chǎn)是國家糧食安全的基石[1]。雖然我國水稻在產(chǎn)量方面已基本滿足需求，但農(nóng)民僅靠水稻獲得的收入還不夠，需要增加其他農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出和收益。稻田綜合種養(yǎng)模式能夠較好地穩(wěn)定水稻生產(chǎn)，同時有利于提高水稻的稻米品質(zhì)和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)稻米[2，3]。該模式還能利用物種間互利共生的生態(tài)優(yōu)勢，通過減少化肥、殺蟲劑和除草劑的使用，有效地降低農(nóng)業(yè)點(diǎn)、面源污染[4-6]，且能有效解決農(nóng)民收入問題。稻田綜合種養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式是國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展上的重點(diǎn)推廣適用工程，符合國家“藏糧于地、藏糧于計(jì)”的政策。目前，關(guān)于生態(tài)種養(yǎng)對水稻生長[7-9]、病蟲草害[10，11]、生 態(tài)環(huán)境[12-14]、生物多樣性[15-17]的影響及其發(fā)展前景[18-23]的研究較多，但是對于不同種養(yǎng)模式對土壤肥力性狀、水體理化性狀和土壤生物變化及水稻產(chǎn)量影響的研究相對較少。本文對不同稻田種養(yǎng)模式下土壤及水體理化性狀的變化及水稻產(chǎn)量進(jìn)行比較分析，以期為不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的進(jìn)一步推廣提供參考。

1 不同稻田種養(yǎng)模式對土壤理化性狀的影響

1.1 土壤肥力

表1 為不同種養(yǎng)模式下的土壤肥力變化。從中可以看出，與水稻單作情況相比，稻鴨、稻—鴨—鰍、稻鱔、稻—鴨—鱔4 種種養(yǎng)模式下各類土壤養(yǎng)分均增加，而稻鰍模式的速效磷和速效鉀含量減少。稻鴨模式土壤有機(jī)質(zhì)含量增加7.8%，僅次于稻鰍種養(yǎng)模式；其堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別增加了5.1%、3.0%、3.2%。稻鴨模式下，鴨子能夠去除雜草，減少雜草對肥料的吸收，鴨子排泄的糞便還能為土壤補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)和其他各類養(yǎng)分，是一種稻田的天然肥料[28，29]，且稻鴨共作可以刺激水稻生長[30]。稻鰍模式下土壤中有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量分別增加13.6%、26.0%，增幅最大；但速效磷、速效鉀分別減少了4.6%、11.1%。由于泥鰍糞中含有大量有機(jī)質(zhì)和豐富的微生物群落，能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分；同時泥鰍的鉆孔活動疏松了土壤，有利于微生物將固態(tài)磷轉(zhuǎn)換為液態(tài)，大大增加了水稻對速效磷的吸收。受鴨子和泥鰍活動的影響，稻—鴨—鰍模式下的土壤養(yǎng)分均有不同程度的增加，其中有機(jī)質(zhì)含量增加0.3%，增幅最?。粔A解氮、速效磷、速效鉀含量分別增加5.1%、4.2%、16.7%。稻鱔模式下的有機(jī)質(zhì)含量增加2.5%，高于稻—鴨—鰍模式；而速效氮、速效磷、速效鉀含量分別增加了8.0%、7.4%、15.8%，增幅較高。稻—鴨—鱔種養(yǎng)模式下有機(jī)質(zhì)含量增加6.7%，速效氮、速效磷和速效鉀含量分別增加了24.6%、17.4%和32.0%，遠(yuǎn)超其他種養(yǎng)模式。在不考慮稻鱔和稻—鴨—鱔試驗(yàn)中減少的水稻面積情況下，以上5 種生態(tài)種養(yǎng)模式土壤中的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分氮含量均比水稻單作高。

表1 不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤養(yǎng)分含量變化Table 1 Changes of soil nutrient content under different ecological planting and breeding modes

1.2 土壤物理性狀

將稻鴨[24]、稻鰍[31]、稻—鴨—鰍[26]、稻鱔[27]、稻—鴨—鱔[27]和稻蟹[32]6 種生態(tài)種養(yǎng)模式的土壤物理性狀與水稻單做模式進(jìn)行的比較研究結(jié)果進(jìn)行分析和匯總(表2)，6 種種養(yǎng)模式的土壤容重均有不同程度的降低，降低幅度為2.1%～8.8%；其他土壤物理性狀也均有不同程度的變化。稻鴨模式的土壤容重降低4.9%，孔隙度提高了7.0%。因?yàn)榈绝喎N養(yǎng)模式下鴨子的覓食活動可以疏松土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤通氣條件，從而滿足水稻對水分和氧氣的需求[33]。而土壤容重的降低和孔隙度的提高改善了土壤的通氣條件，有利于水稻的生長發(fā)育，對水稻增產(chǎn)有重要的影響。稻鰍模式土壤容重降低幅度最大，為8.8%；孔隙度提高了8%。稻鰍模式對土壤容重的影響與稻鴨模式類似，都是動物活動能有效疏松土壤，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，便于水稻根系吸收養(yǎng)分。稻—鴨—鰍模式土壤容重降低2.5%，僅高于稻鱔模式，其>0.25 mm 團(tuán)聚體提高21.2%，<0.001 mm微團(tuán)聚體降低7.6%。因?yàn)槟圉q和鴨子的擾動可以使土壤團(tuán)聚化程度增加，減少分散性，并改良土壤結(jié)構(gòu)，有利于水稻產(chǎn)量的增加。稻—鱔模式土壤容重降低幅度最低，僅2.1%，其>0.25 mm 團(tuán)聚體提高5.6%，<0.001 mm 微團(tuán)聚體降低33.9%。稻—鴨—鱔模式土壤容重降低了4.2%，降低程度較低，其>0.25 mm 團(tuán)聚體提高21.3%，<0.001 mm 微團(tuán)聚體降低53.4%。鱔魚和鴨子的活動使田中水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量增多，并大大增加了土壤團(tuán)聚化程度，有利于滿足水稻的生長需求。稻蟹模式土壤容重降低6.7%，僅低于稻鰍模式，其>0.2 mm 土壤粘粒提高13.9%，<0.002 mm 土壤粘粒降低3.3%。與水稻單作相比，不同生態(tài)種養(yǎng)模式的土壤容重均降低，而孔隙度和團(tuán)聚化程度均提高，土壤結(jié)構(gòu)得到改善。

表2 不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤物理性狀變化Table 2 Changes of soil physical properties under different ecological planting and breeding modes

2 不同稻田種養(yǎng)模式對水體理化性狀的影響

2.1 水體溶氧、pH、溫度和氨氮等

選取稻鴨[34]、稻蟹[35]、稻鱉[36]3 種具有代表性的種養(yǎng)模式來進(jìn)行水體溶氧、pH 和溫度等指標(biāo)的研究與分析。與水稻單作模式相比，稻鴨模式的稻田水溶解氧的含量顯著提高了20.0%，田面水pH 顯著降低了2.4%；-N 含量顯著提高了42.7%，-N 含量顯著提高了24.6%，土溫變化范圍為24.48～30.18 ℃，比水稻單作變化小，對稻田土壤溫度的影響不顯著。稻蟹模式的田間溶解氧在揚(yáng)花期和灌漿期比水稻單作顯著降低，但在分蘗期和拔節(jié)期時差異不顯著；水體pH 與水稻單作模式差異不顯著。由于河蟹的呼吸代謝等活動消耗了部分水體的溶解氧，間接降低了水體pH 值，導(dǎo)致稻蟹共作溶解氧低于水稻單作；田間溫度與水稻單作無顯著差異；灌漿期的NH3-N 含量比水稻單作降低52.6%。稻鱉共作模式水體溶氧與水稻單作差異不顯著；水稻移植后86 d，水稻單作模式的水體pH 顯著高于稻鱉共作模式；土壤溫度與水稻單作差異不顯著；-N 與-N 含量均高于水稻單作模式。原因主要是稻鱉共作模式的N 來源增加了養(yǎng)殖鱉的投餌和糞便，且養(yǎng)殖動物對于稻田土壤結(jié)構(gòu)具有一定的擾動作用，有利于水稻根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[37]。

2.2 水體藻類

目前，關(guān)于不同種養(yǎng)模式對水體藻類變化的影響研究較少，僅對稻鴨[34]、稻—鴨—蝦[38]2 種種養(yǎng)模式進(jìn)行了比較分析。

稻鴨模式的水體藻類優(yōu)勢種與水稻單作模式一致，均為裸藻門、綠藻門和硅藻門，優(yōu)勢種的種類數(shù)約占藻類種類數(shù)的90%。與水稻單作相比，稻鴨模式的稻田水體中沒有甲藻門，硅藻門和隱藻門種類數(shù)差異不顯著，藍(lán)藻門和綠藻門種類平均值分別顯著降低了29.9%和26.7%，裸藻門種類平均值顯著提高了30.0%。曹湊貴等[39]研究發(fā)現(xiàn)，水體渾濁、光照強(qiáng)度低會對浮游藻類的種類和數(shù)量造成影響，而且稻田養(yǎng)鴨模式的浮游藻類種類比對照組少。汪金平等[40]也發(fā)現(xiàn)稻鴨共育模式中的稻田藻類種類數(shù)明顯少于常規(guī)不養(yǎng)鴨的稻田。在水體藻類的生物量變化方面，稻鴨共育對隱藻門生物量沒有顯著影響；但硅藻門、藍(lán)藻門、綠藻門的生物量平均值都顯著低于水稻單作，分別降低了46.7%、13.6%、29.0%；裸藻門的生物量平均值則顯著增加了45.0%。

稻—鴨—蝦模式中水體藻類的優(yōu)勢種主要為綠藻門和硅藻門，分別占27.8%和30.2%。黃巍等[38]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水稻單作模式的優(yōu)勢種主要為藍(lán)藻門和綠藻門，分別占46.7%和37.0%，與盛鋒[34]的研究結(jié)果不同，這可能是土壤肥力和施肥水平不同造成的；水體藻類總種類比水稻單作增加了3.8%，其總生物量減少了3.8%；多樣性指數(shù)(2.34)較水稻單作模式(1.77)高；水體污染程度下降，增加了水體的穩(wěn)定性。

3 不同稻田種養(yǎng)模式對農(nóng)田土壤生物的影響

3.1 雜草

對稻鴨[24]、稻蟹[41]、稻—魚—雞[42]3 種種養(yǎng)模式的雜草情況進(jìn)行比較和分析。稻鴨模式的雜草種類主要是牛毛草、鴨舌草、扁桿糜草、矮慈菇、稗草等。稻鴨模式試驗(yàn)初期雜草一直增長，放鴨30 d 后到鴨子上岸期間，雜草發(fā)生率大大降低，放鴨區(qū)除少量稗草外，無其他雜草發(fā)生，同時雜草發(fā)生率比水稻單作降低了86.2%。王強(qiáng)盛等[43]通過田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)，稻鴨模式的稻田雜草控制率超過99.4%，而且比化學(xué)除草更具經(jīng)常性和徹底性。稻蟹模式的稻田雜草主要有闊葉雜草、禾本科雜草、莎草科雜草和藻草。與水稻單作相比，稻蟹模式的雜草密度降低顯著，而且稻田闊葉雜草密度降低最為明顯，扣蟹對闊葉雜草的控草效果為70.9%～ 80.9%。劉小燕等[44]研究發(fā)現(xiàn)，增加稻田的生物多樣性可以明顯減輕雜草帶來的危害。稻—魚—雞模式稻田雜草主要為稗草、狗牙根、雙穗雀稗和千金子，對比水稻單作減少了鴨舌草、矮慈姑、牛毛氈和異型莎草等種類；雜草密度比水稻單作模式上減少了84.5%，有利于抑制稻田草害的爆發(fā)。3 種種養(yǎng)模式對稻田雜草的防治效果都很明顯，能夠改善群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水稻生長。

3.2 土壤微生物

選取稻鴨[45]、稻蛙[46]和稻蝦[47]3 種具有代表性的種養(yǎng)模式的土壤微生物進(jìn)行比較分析。稻鴨模式稻田土壤中微生物生物量碳和生物量氮的含量顯著高于常規(guī)稻田，分別高39.67%和28.89%，表明稻鴨共作能夠增加土壤的微生物生物量。稻蛙模式土壤微生物量碳、量氮含量分別比常規(guī)稻田顯著提高了28.9%和26.6%。稻蛙模式中青蛙活動產(chǎn)生的糞便能為微生物增殖提供良好條件，使土壤中的細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量顯著高于對照稻田[48，49]。稻蝦模式土壤微生物量碳含量比對照稻田顯著提高了40.0%。可能是因?yàn)樾↓埼r在稻田中挖掘巢穴使土壤的通氣狀況得到改善，讓氧氣能夠達(dá)到土壤深層，從而使土壤微生物的生物量提高，促進(jìn)水稻生長。3 種種養(yǎng)模式中，土壤微生物量碳提高最多的為稻蝦模式，土壤微生物量氮提高最多的為稻鴨模式，且差異均達(dá)到顯著水平。

4 不同稻田種養(yǎng)模式對水稻產(chǎn)量的影響

選取稻鴨[24]、稻蟹[32]、稻鱉[36]、稻蝦[47]、稻—鴨—蝦[38]和稻—魚—雞[42]等幾種具有代表性的生態(tài)種養(yǎng)模式進(jìn)行水稻產(chǎn)量分析。與常規(guī)水稻單作模式相比，稻鴨模式水稻每穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量分別增加了5.3%、1.1%，水稻產(chǎn)量增加4.3%。該模式增產(chǎn)的主要原因是鴨子取食雜草，使得肥料得到更高效的利用，而且鴨子的糞便一定程度上增加了土壤的各項(xiàng)養(yǎng)分。稻鴨模式中水稻產(chǎn)量的增加主要在于穗數(shù)和每穗粒數(shù)的增加[50，51]。稻蟹模式下，水稻產(chǎn)量增加明顯(11.5%)，其主要提高了水稻每穗粒數(shù)(比對照高13.8%)，而千粒質(zhì)量變化不大，僅增加0.1%。在稻田中，螃蟹的活動能增加土壤團(tuán)聚化程度，便于滿足水稻的生長需求。稻鱉模式水稻的各類產(chǎn)量指標(biāo)均高于稻田單作模式，水稻產(chǎn)量顯著增加19.3%。由于養(yǎng)殖鱉需要投入一定量的飼料，且有部分飼料會殘留在稻田中，一定程度上增加了稻田的各類養(yǎng)分，有利于水稻吸收利用。稻蝦模式水稻產(chǎn)量較水稻單作模式提高了3.7%，但是差異未達(dá)到顯著水平。由于小龍蝦有挖掘巢穴的習(xí)性，能夠改善土壤的通氣狀況，增加土壤微生物的生物量，從而促進(jìn)水稻生長。稻—鴨—蝦模式和常規(guī)水稻單作相比，水稻產(chǎn)量增加5.7%，其中水稻的有效穗、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率均有提高，提高幅度分別為4.8%、5.3%和2.8%。該模式中，鴨子和小龍蝦的擾動可以使土壤團(tuán)聚化程度增加，減少分散性，改良土壤結(jié)構(gòu)。稻—魚—雞模式較水稻單作產(chǎn)量顯著增加了5.3%，單位面積有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量分別顯著增加了1.4%和0.3%。該模式對雜草的防治效果極為明顯，極大抑制了稻田草害的爆發(fā)，使肥料能夠得到充分利用。不同種養(yǎng)模式均能不同程度地促進(jìn)水稻產(chǎn)量的增加，增產(chǎn)幅度為3.7%～19.3%。增產(chǎn)的原因主要有以下幾個方面:一是直接養(yǎng)分來源的增加。不同種養(yǎng)模式中由于養(yǎng)殖動物增加了飼料的投入，飼料殘留在土壤中可增加養(yǎng)分，同時動物排泄的糞便也是一種不錯的天然肥料；二是間接改善環(huán)境、促進(jìn)水稻吸收養(yǎng)分。動物在田間的活動能增加土壤孔隙度和土壤團(tuán)聚化程度，改良土壤結(jié)構(gòu)，同時還能改善土壤的通氣狀況，增加土壤微生物的生物量，有利于水稻根系對養(yǎng)分的吸收，且養(yǎng)殖的動物還能取食雜草，提高肥料的利用率。

5 總結(jié)

本文分析和比較了不同種養(yǎng)模式對土壤、水體理化性狀和土壤微生物以及水稻產(chǎn)量的影響。不同模式主要通過養(yǎng)殖動物的糞便來增加有機(jī)質(zhì)和其他土壤養(yǎng)分來增加肥力，稻鴨相比于其他模式有機(jī)質(zhì)增幅較多，而養(yǎng)分氮、速效鉀和速效磷的增幅較小。關(guān)于土壤物理性狀，大多模式通過養(yǎng)殖動物在田間的活動來降低土壤容重，提高孔隙度或土壤團(tuán)聚化程度來改善土壤結(jié)構(gòu)，其中稻—鴨—鰍和稻—鴨—鱔兩種復(fù)合種養(yǎng)模式的土壤團(tuán)聚化變化較為明顯，可能是鴨子和泥鰍、鱔魚的配合效果較好。關(guān)于水體溶氧、pH、溫度、氨氮含量等指標(biāo)，不同模式對水體環(huán)境有不同方面的改善，稻鴨可顯著提高稻田水溶解氧的含量并降低田面水pH，稻蟹由于螃蟹的呼吸代謝減少了水體的溶解氧，對水體pH 無顯著影響，稻鱉由于飼料的投入增加了田間、的含量，但3 種模式對于水體的溫度都無顯著影響。關(guān)于水體藻類，稻鴨模式顯著提高了裸藻門種類，并且硅藻門、藍(lán)藻門、綠藻門的生物量平均值都顯著降低，稻—鴨—蝦模式提高了多樣性指數(shù)，減少了水體污染程度，提高了水體穩(wěn)定性。關(guān)于土壤雜草，不同模式通過養(yǎng)殖動物的活動有效降低雜草種類和生物量，明顯改善群落結(jié)構(gòu)，稻蟹共作模式中的闊葉雜草密度降低最為明顯，扣蟹對闊葉雜草的控草效果在70.93%～80.89%之間。關(guān)于土壤微生物，各模式的土壤微生物量碳、量氮均增加，稻蝦模式中小龍蝦在稻田中挖掘巢穴使土壤的通氣狀況得到改善，讓氧氣能夠達(dá)到土壤深層，便于水稻利用。生態(tài)種養(yǎng)各種模式由于養(yǎng)殖動物的加入，不僅在來源處增加了飼料、糞便的額外養(yǎng)分投入，還改善了農(nóng)田環(huán)境，促進(jìn)水稻對養(yǎng)分的吸收利用，有利于水稻增產(chǎn)。

總之，生態(tài)種養(yǎng)農(nóng)業(yè)在土壤及水體理化性狀的改善方面與常規(guī)稻田相比具有極好的生態(tài)效果，需進(jìn)一步加強(qiáng)種養(yǎng)模式中農(nóng)田環(huán)境與水稻之間的聯(lián)系，明晰農(nóng)田環(huán)境與水稻產(chǎn)量更深層次的關(guān)系，構(gòu)建土壤—水體—水稻—動物之間的良性循環(huán)途徑，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的改善和水稻產(chǎn)量的大豐收。