稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解效應(yīng)及土壤肥力的影響

呂廣動，黃 璜，張 印，馬微微，周 晶，隆斌慶，羅志嘉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128；2.衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 衡陽 421101；3.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000；4.湘西土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，湖南 吉首 416000)

【研究意義】我國是水稻種植大國，亦是水稻秸稈的生產(chǎn)大國，秸稈處理儼然成為當(dāng)下水稻生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題。近些年來，出于環(huán)境保護(hù)和土壤培肥的需要，國家鼓勵秸稈還田。但秸稈還田存在病蟲害增加的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]，增加溫室氣體排放量[3-4]，并且秸稈腐解前期會與水稻爭奪氮肥[5]等問題，因此秸稈還田在推廣過程中阻力較大。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本“地板”和農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格“天花板”雙重?cái)D壓下，農(nóng)民生產(chǎn)積極性大幅下降。稻田養(yǎng)鴨作為我國傳統(tǒng)耕作模式，可以實(shí)現(xiàn)“一田雙收”，提高農(nóng)民收入的同時(shí)，為當(dāng)下秸稈還田提供了新思路。【前人研究進(jìn)展】作物生產(chǎn)通過秸稈的形式帶走田間部分養(yǎng)分，秸稈還田有利于維持土壤肥力，減少肥料施用，但秸稈田間降解慢，還田周期長，是目前秸稈還田中的難點(diǎn)[6]。一般認(rèn)為，自然水熱條件在很大程度上影響了秸稈的降解效果，并且土壤自身的理化環(huán)境以及微生物環(huán)境也是影響秸稈降解的重要因素[7]。前人通過調(diào)控田間水分管理或者氮肥管理來提高秸稈的降解速率，使得秸稈中的養(yǎng)分更快速、高效的返還土壤[8-10]。蔣炳伸等[11]的研究表明，雙季稻田秸稈還田利于提高土壤有效性磷的含量和水稻磷素利用率。宋佳等[12]的研究表明冬種紫云英耦合雙季稻秸稈還田促進(jìn)土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的提升。柴如山等[13]在對安徽省秸稈還田的養(yǎng)分資源量和利用潛力的研究表明，安徽省主要的秸稈還田基本可以滿足土壤鉀素供應(yīng)，同時(shí)補(bǔ)充田間部分氮素和鉀素的流失。稻田養(yǎng)鴨可以有效的調(diào)節(jié)農(nóng)田生物鏈(網(wǎng))結(jié)構(gòu)，減少蟲、草對物質(zhì)和能量的占用，而鴨子的活動作為刺激源，有利于提高水稻對養(yǎng)分的利用效率，提高光合效率，從而提高水稻產(chǎn)量[14-16]。同時(shí)，鴨子的糞便是農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)來源，可以有效的提高稻田土壤肥力[17-18]。蘇品[19]、盛鋒[20]、溫婷等[21]的研究表明，稻田養(yǎng)鴨可以有效減輕水稻病害的發(fā)生，還有抑制雜草和減少溫室氣體排放的作用，這正彌補(bǔ)了水稻秸稈還田可能存在的風(fēng)險(xiǎn)?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】目前，稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下秸稈的降解效果及對土壤肥力影響規(guī)律的研究較少，稻田養(yǎng)鴨條件下秸稈還田肥田效應(yīng)有待進(jìn)一步探究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究開展稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解效果、土壤肥力變化規(guī)律的研究，以期探索稻田養(yǎng)鴨模式下秸稈降解規(guī)律，指導(dǎo)稻田養(yǎng)鴨模式下高效培肥，提高稻田養(yǎng)分利用效率，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究于2019年在長沙縣路口鎮(zhèn)明月村開展(28°41′N,113°23′E)，該地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候。年均氣溫16～20 ℃，全年無霜期260～300 d，日照時(shí)數(shù)1600～1800 h，年均降水量1472.9 mm，年平均蒸發(fā)量1194.9 mm，平均相對濕度81%。土壤類型為紅黃泥水稻土，前茬作物為水稻。

早稻結(jié)束后以五點(diǎn)取樣法，采取土壤背景值并測定土壤肥力指標(biāo)，測定結(jié)果如下：土壤全氮含量為1.32 g/kg，全磷含量為0.67 g/kg，堿解氮含量為118.13 mg/kg，速效磷含量為21.60 mg/kg，pH為5.48，有機(jī)質(zhì)含量為27.74 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

早稻栽培品種為陸兩優(yōu)996，晚稻栽培品種為中早39，供試鴨品種為洋鴨，晚稻試驗(yàn)用秸稈取自前茬早稻。

1.3 處理設(shè)置

早稻未做試驗(yàn)劃分。晚稻采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，設(shè)置秸稈直接還田處理(ZR)、秸稈直接還田耦合養(yǎng)鴨處理(ZD)、秸稈粉碎還田處理(FR)、秸稈粉碎還田耦合養(yǎng)鴨處理(FD)、秸稈不還田耦合養(yǎng)鴨處理(BD)、以秸稈不還田處理(BR)為對照，共6個處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共18個小區(qū)，每個小區(qū)為60 m2。秸稈直接還田為水稻秸稈完整還田，秸稈粉碎還田為水稻秸稈切割為15 cm左右的小段后還田，還田量均為全量還田。

1.4 田間管理

早稻于2019年3月25日播種育秧，4月21日插秧移栽，采用人工手插秧方式，陸兩優(yōu)996每穴2株秧苗，株行距為20 cm×25 cm。移栽前7 d施尿素240 kg/hm2、磷肥240 kg/hm2、鉀肥180 kg/hm2為基肥，水稻返青后追復(fù)合肥300 kg/hm2，后期不再追肥。早稻于7月18日收割。

晚稻于6月30日播種育秧，7月21日插秧移栽，采用人工手插秧方式，中早39每穴4株秧苗，株行距為20 cm×25 cm。移栽前3 d施尿素240 kg/hm2、磷肥240 kg/hm2、鉀肥180 kg/hm2作基肥，水稻返青后追復(fù)合肥300 kg/hm2，后期不再追肥。8月10日放養(yǎng)20日齡洋鴨每個小區(qū)2只，鴨子的投喂以“定時(shí)、定點(diǎn)、定質(zhì)、定量”的原則進(jìn)行投喂。晚稻于10月21日收割。

1.5 測定指標(biāo)及方法

秸稈降解試驗(yàn)采用埋袋法，在每個小區(qū)以五點(diǎn)取樣法隨機(jī)選取5個采樣點(diǎn)，在每個采樣點(diǎn)掩埋秸稈樣品袋5個。分別于20、35、50、60 d對埋袋秸稈進(jìn)行采樣，對采樣后的樣品用蒸餾水反復(fù)清洗干凈，在烘箱中烘干至恒重，稱重，計(jì)算失重。烘干后的樣品用粉碎機(jī)粉碎并過40目篩，用來測定半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量，水稻秸稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量采用Van Soest法[22]測定。

秸稈中剩余半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的含量=Pn/P0×100(Pn表示不同處理時(shí)間的秸稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的含量；P0表示處理前秸稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的含量)。

在晚稻翻耕前以及水稻分蘗期、孕穗期、成熟期對試驗(yàn)區(qū)采用五點(diǎn)采樣法采集耕作層(0～20 cm)土壤樣品，充分混勻，風(fēng)干后研磨過篩，密封避光保存。pH采用電位法；全氮、全磷采用H2SO4-H2O2消解—流動分析儀法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L(1/2H2SO4)法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法——稀釋熱法[23]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)和制表，使用SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解效果的影響

由表1可知，在秸稈降解20 d時(shí)，各處理的失重率最高，各處理的失重率表現(xiàn)為FD>FR>ZD>ZR，F(xiàn)D處理的失重率較FR、ZD和ZR處理分別增加了7.85%、13.94%和17.12%。在處理時(shí)間為60 d時(shí)，各處理的失重率表現(xiàn)為ZR>FD>FR>ZD，累積失重率表現(xiàn)為FD>FR>ZD>ZR，F(xiàn)D處理的累積失重率較FR、ZD和ZR處理分別增加了0.27%、3.22%和5.25%。

如圖1所示，各處理半纖維素的初始含量(處理時(shí)間為0 d)為16.22%。在處理時(shí)間為60 d時(shí)，各處理殘余秸稈中半纖維素含量表現(xiàn)為ZR>ZD>FR>FD，其中FD處理殘余秸稈中半纖維素含量為3.85%，較FR、ZD和ZR處理分別降低了20.62%、41.13%和47.97%。

如圖2所示，各處理纖維素的初始含量(處理時(shí)間為0 d)為34.21%。在處理時(shí)間為60 d時(shí)，各處理殘余秸稈中纖維素含量表現(xiàn)為ZR>FR>ZD>FD，其中FD處理殘余秸稈中纖維素含量為12.25%，較FR、ZD和ZR處理分別降低了10.91%、7.20%和24.38%。

如圖3所示，各處理木質(zhì)素的初始含量(處理時(shí)間為0 d)為13.31%。在處理時(shí)間為60 d時(shí)，各處理殘余秸稈中木質(zhì)素含量表現(xiàn)為FR>ZD>FD>ZR，其中FD處理殘余秸稈中木質(zhì)素含量為6.35%，較FR和ZD處理分別降低了12.41%和3.79%，較ZR處理增加了3.25%。

2.2 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤肥力的影響

2.2.1 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤全量養(yǎng)分含量的影響 由圖4可知，孕穗期BD和FR處理的土壤全氮含量較BR處理增加了3.62%和0.72%，且BD處理與BR處理差異顯著(P<0.05)。成熟期BD、FD、FR和ZD處理的土壤全氮含量較BR處理增加了1.49%、2.99%、1.49%和2.24%，且BD、FD和ZD處理與BR處理達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。成熟期各處理的土壤全氮含量表現(xiàn)為FD>ZD>BD=FR>ZR=BR，其中FD處理的土壤全氮含量為1.38 g/kg。

表1 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下秸稈失重的影響

圖1 不同處理殘余秸稈中半纖維素的含量Fig.1 Hemicellulose contents of residual straw in different treatments

圖2 不同處理殘余秸稈中纖維素的含量Fig.2 Cellulose contents of residual straw in different treatments

由圖5可知，孕穗期和成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤全磷含量均高于BR處理，且養(yǎng)鴨處理的處理效果優(yōu)于其對應(yīng)的養(yǎng)鴨處理。孕穗期和成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤全磷含量較BR處理增加了2.82%～2.86%、4.23%～7.14%、0.00%～1.41%、2.82%～5.71%和4.29%～5.63%，且BD、FD、ZD和ZR處理與BR處理均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。成熟期各處理的土壤全磷含量表現(xiàn)為FD>ZD>ZR>BD>FR=BR，其中FD處理的土壤全磷含量為0.75 g/kg。

圖3 不同處理殘余秸稈中木質(zhì)素的含量Fig.3 Lignin contents of residual straw in different treatments

圖4 不同生育時(shí)期各處理的土壤全氮含量Fig.4 Total nitrogen in soil of different treatments at different growth stages

圖5 不同生育時(shí)期各處理的土壤全磷含量Fig.5 Total phosphorus in soil of different treatments at different growth stages

2.2.2 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤速效養(yǎng)分含量的影響 由表2可知，秸稈還田和稻田養(yǎng)鴨較單一水稻種植均可以有效的提高土壤堿解氮和速效 磷含量，且稻田養(yǎng)鴨處理(BD、FD、ZD)的處理效果優(yōu)于其對應(yīng)的不養(yǎng)鴨處理(BR、FR、ZR)，其中以秸稈粉碎還田耦合稻田養(yǎng)鴨處理(FD)效果最好。

孕穗期BD、FD、FR和ZD處理的土壤堿解氮含量較BR處理分別增加了1.42%、1.90%、2.84%和1.23%，且FR處理與BR處理差異顯著(P<0.05)。成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤堿解氮含量較BR處理分別增加了1.40%、5.36%、1.40%、2.68%和1.99%，且除BD處理外其余處理均與BR處理達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤速效磷含量在孕穗期和成熟期均高于BR處理，增幅分別為6.68%～8.06%、14.58%～17.20%、12.06%～13.02%、9.21%～11.93%和5.09%～8.78%，且均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

2.2.3 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下水稻土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH的影響 由表3可知，秸稈還田和稻鴨共生較單一水稻種植均可以有效的提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中以秸稈粉碎還田耦合稻鴨共生處理(FD)的效果最佳。各處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量在孕穗期和成熟期均高于BR處理，成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量較BR處理分別增加了8.04%、11.94%、7.69%、7.10%和8.39%，且均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

表2 不同生育時(shí)期各處理的土壤堿解氮和速效磷含量

養(yǎng)鴨處理(BD、FD、ZD)較其對應(yīng)的不養(yǎng)鴨處理(BR、FR、ZR)的土壤pH有增加的趨勢，且秸稈還田耦合養(yǎng)鴨處理(FD、ZD)較其對應(yīng)的不養(yǎng)鴨處理(FR、ZR)處理效果顯著。孕穗期FD和FR處理的土壤pH較BR處理分別增加了0.04和0.06個單位，且均差異顯著(P<0.05)；BD、ZD和ZR處理的土壤pH較BR處理分別降低了0.01、0.02和0.05個單位，且BR處理與ZR處理達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。成熟期BD、FD、ZD和ZR處理的土壤pH較BR處理分別增加了0.01、0.04、0.05和0.01個單位，且FD和ZD處理與BR處理達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

3 討 論

3.1 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下秸稈降解的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，各處理的秸稈失重表現(xiàn)為先快后慢，其原因在于秸稈中的可溶性糖和蛋白質(zhì)會在秸稈降解前期較快降解，而占秸稈質(zhì)量70%～80%的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此降解過程較為緩慢，這與前人的研究結(jié)果一致[24]。在處理20 d時(shí)，各處理的失重率表現(xiàn)為FD>FR>ZD>ZR，主要是由于秸稈表面有一層蠟質(zhì)，可以有效的阻止秸稈的降解，秸稈粉碎為微生物侵入和可溶性物質(zhì)的溶解提供了途徑，而鴨子的踩踏和啄食行為對于促進(jìn)秸稈表面蠟質(zhì)的脫落和秸稈中可溶性物質(zhì)的溶解效果更為突出。楊連飛等，歐陽家風(fēng)等的研究表明，淹水狀態(tài)有利于秸稈的降解和養(yǎng)分的釋放[25-26]，這也是稻田養(yǎng)鴨促進(jìn)水稻秸稈降解的原因之一。在秸稈的降解過程中，土壤微生物的作用至關(guān)重要[27-28]，鴨子的活動、覓食等行為，可以有效的增加土壤通氣性和水體溶氧量，為土壤微生物的生存與繁殖提供了適宜的環(huán)境，較傳統(tǒng)水田可以有效的提高土壤微生物的豐富度和多樣性，增加土壤微生物的數(shù)量[29-31]，有利于秸稈的降解。稻田養(yǎng)鴨對水稻的根系生長和水稻生物量得積累有顯著的促進(jìn)作用[32]，而水稻根系分泌物—微生物—土壤養(yǎng)分之間存在相互關(guān)系，這種相互關(guān)系也將對水稻秸稈的降解產(chǎn)生促進(jìn)作用。綜上，稻田養(yǎng)鴨可以有效的促進(jìn)秸稈的降解，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，F(xiàn)D處理在60 d時(shí)的累計(jì)失重率為62.50%，較FR、ZD和ZR處理分別高出0.27%、3.22%和5.25%。ZD處理在60 d時(shí)的累計(jì)失重率低于FR處理，其原因可能是由于秸稈粉碎還田后，由于切段較小，更有利于秸稈的降解。鴨子促進(jìn)秸稈降解的原因是多方面，而秸稈中分子質(zhì)量高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的纖維素和木質(zhì)素的降解需要有一定的過程和時(shí)間，本試驗(yàn)結(jié)果表明，稻田養(yǎng)鴨雖然對不同秸稈還田方式下，秸稈中纖維素和木質(zhì)素的降解均有促進(jìn)作用，但在處理時(shí)間為60 d時(shí)，各處理的纖維素和木質(zhì)素的降解效果差異并不明顯。

表3 不同生育時(shí)期各處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH

3.2 稻田養(yǎng)鴨對不同秸稈還田方式下土壤養(yǎng)分含量的影響

秸稈全量還田對于維持土壤肥力，保持土壤耕性有積極的意義。秸稈的降解速度和程度與秸稈所含養(yǎng)分返還土壤的程度有直接關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果表明，稻田養(yǎng)鴨可以有效的促進(jìn)不同秸稈還田方式下秸稈的降解，且秸稈粉碎還田耦合養(yǎng)鴨處理(FD)的效果較秸稈直接還田耦合養(yǎng)鴨處理(ZD)的效果更好。稻田養(yǎng)鴨通過在稻田生態(tài)系統(tǒng)中添加引入鴨子這一生態(tài)位，改善了稻田生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)，鴨子通過覓食、活動等行為可以有效的抑制病蟲草害的發(fā)生，使更多的物質(zhì)和能量得以更高效的流向水稻和鴨子，并且鴨子作為擾動源，可以刺激水稻的根系和植株生長，促進(jìn)水稻對土壤養(yǎng)分的吸收[18-20]。鴨子可以加速土壤中有機(jī)物質(zhì)的礦化釋放，提高土壤有效養(yǎng)分的增加[33-34]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田處理(FR、ZR)可以有效的維持土壤肥力，水稻成熟期的土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)含量較對照處理(BR)均有不同程度的提高。而稻田養(yǎng)鴨可以有效促進(jìn)水稻秸稈的降解，因此養(yǎng)鴨處理(FD、ZD)較其對應(yīng)的不養(yǎng)鴨處理(FR、ZR)成熟期的土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)含量有顯著提高，其中以FD處理的處理效果更明顯。并且稻田養(yǎng)鴨耦合秸稈還田對緩解土壤酸化效果較好，對保持土壤的良好耕性和提高土壤肥力的有效供給有促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

稻田養(yǎng)鴨可以有效的促進(jìn)不同秸稈還田方式下的秸稈降解速率和降解效果，其中以秸稈粉碎還田耦合養(yǎng)鴨方式的處理效果較好。與之對應(yīng)的，秸稈還田耦合養(yǎng)鴨可以促進(jìn)秸稈養(yǎng)分更高效的返還農(nóng)田，提高土壤肥力，稻田養(yǎng)鴨可以促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的礦化釋放，提高水稻對土壤養(yǎng)分的利用效率。并且稻田養(yǎng)鴨可以有效的改善秸稈還田中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，利于水稻的綠色高效生產(chǎn)。