水稻?紅螯螯蝦綜合種養(yǎng)對稻田氨揮發(fā)及水稻氮素積累的影響

摘要： 【目的】探究水稻?紅螯螯蝦共作模式對稻田氨（NH3） 揮發(fā)損失和水稻氮素累積的影響，為稻田投入品優(yōu)化管理和資源高效利用提供理論依據(jù)?！痉椒ā块_展田間試驗，設(shè)置3 個處理：空白對照（CK，水稻單作，不施肥，不投蝦），常規(guī)水稻種植（RM） 和水稻?紅螯螯蝦共作（RN）。其中，RN 處理監(jiān)測區(qū)域包括水稻種植區(qū)域和環(huán)溝區(qū)域。測定不同稻作生態(tài)系統(tǒng)的土壤NH3 揮發(fā)變化趨勢和水稻氮素利用效率?！窘Y(jié)果】RN 模式環(huán)溝區(qū)域相較水稻種植區(qū)域和RM 模式，能有效降低稻田NH3 揮發(fā)通量。RN 模式在更高的氮輸入條件下并未顯著增加稻田NH3 揮發(fā)損失量，且損失量存在降低趨勢；稻田NH3 揮發(fā)通量與田面水銨態(tài)氮（NH4+?N） 及總氮（TN） 濃度顯著正相關(guān)（Plt;0.01）；RN 模式通過更高的氮輸入提高了土壤氮含量，小龍蝦活動改善了土壤通氣，促進(jìn)水稻根系的氮素吸收，進(jìn)而顯著增加水稻成熟期的全株氮素累積量（10.2%，Plt;0.05）。【結(jié)論】相較RM 系統(tǒng)，RN 系統(tǒng)具有更高的氮消納潛力，一定程度上抑制了土壤NH3 揮發(fā)，增加了水稻對氮素的吸收和積累，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的氮素利用效率。

關(guān)鍵詞： 稻蝦綜合種養(yǎng)；水稻；紅螯螯蝦；氨揮發(fā)；氮素積累

中圖分類號： S511；S143.1；S966.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1001-411X（2024）06-0908-10

氨（NH3） 是重要的空氣污染物，其與自然界中的酸性氣體結(jié)合產(chǎn)生的物質(zhì)，是大氣中霧霾的主要來源之一，同時還會造成自然界富營養(yǎng)化和生物多樣性喪失等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，NH3 揮發(fā)會造成大量氮素?fù)p失，是稻田氮損失的重要途徑，導(dǎo)致肥料氮素利用效率降低，對農(nóng)田的盈利能力和環(huán)境造成很大的負(fù)面影響[3-4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的NH3 揮發(fā)受多種因素的影響，如化肥種類、用量以及施肥方式，氣候條件如溫度、降水、光照及風(fēng)速等，土壤及水體的理化性質(zhì)等[5-6]。近年來，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要通過優(yōu)化耕作模式[7]、改良施肥方式[8]、改變化肥種類及減少氮肥用量[9]、添加秸稈或生物炭[10]、添加脲酶和硝化抑制劑[11] 的方法來減少農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的NH3 揮發(fā)。

稻蝦綜合種養(yǎng)是指在水稻田中套養(yǎng)一定數(shù)量的小龍蝦，實現(xiàn)水稻Oryza sativa 和小龍蝦的互利共生。該模式已有50 多年的發(fā)展歷史，是一種高效的稻田種植和養(yǎng)殖生態(tài)模式，并被中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作為水產(chǎn)養(yǎng)殖核心技術(shù)在全國推廣應(yīng)用[12]。目前，稻蝦綜合種養(yǎng)已在我國長江中下游水稻種植區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其不僅能夠大幅提高稻田水、肥和能量的利用率，還能增強(qiáng)稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力[13]。稻蝦綜合種養(yǎng)模式近年來發(fā)展迅速，《中國稻魚綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2024）》指出，2023 年稻蝦綜合種養(yǎng)已成為我國稻漁綜合種養(yǎng)第一大模式，占全國稻漁綜合種養(yǎng)模式總面積的52.95%，占全國小龍蝦養(yǎng)殖面積的80.77%[14]。稻蝦共作模式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各地的稻田中，越來越受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的重視[ 1 5 ]。紅螯螯蝦 Cheraxquadricarinatus 原產(chǎn)于澳大利亞北部，1992 年由我國湖北水產(chǎn)研究所引進(jìn)，目前已在廣東、江蘇、湖南等 23 個省 （區(qū)） 形成了一定的養(yǎng)殖規(guī)模[16]。由于紅螯螯蝦具有食性雜、生長速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、含肉率高、肉質(zhì)好、價格高等特點(diǎn)，近年來開始被用于稻蝦綜合種養(yǎng)模式中[17]。

稻漁綜合種養(yǎng)模式的田間結(jié)構(gòu)和管理方式不同于水稻單作，因此會對稻田中的NH3 揮發(fā)排放產(chǎn)生重大影響[18]。稻蝦綜合種養(yǎng)減少了化肥投入，降低由化肥施入而溶出的銨態(tài)氮（NH4+?N），從而抑制了土壤NH3 揮發(fā)[19]。稻蝦系統(tǒng)長期淹水增強(qiáng)了土壤還原條件，導(dǎo)致土壤微生物活性下降，抑制了脲酶分解，最終影響土壤NH3 揮發(fā)[20]。小龍蝦的活動有助于改善土壤通氣性，增加土壤有機(jī)質(zhì)分解速率，降低土壤中氨氮的含量，減少NH3 揮發(fā)[21]。此外，為了養(yǎng)殖小龍蝦，稻蝦綜合種養(yǎng)系統(tǒng)會開挖環(huán)溝，約占據(jù)總面積的10%，是小龍蝦活動[22]、水體交換和養(yǎng)分循環(huán)的重要場所，但是目前有關(guān)稻蝦綜合種養(yǎng)環(huán)溝對NH3 揮發(fā)和水稻氮素吸收影響鮮有報道。因此，本研究通過大田試驗對比了水稻?紅螯螯蝦共作模式與傳統(tǒng)水稻單作模式下田間及蝦溝NH3 揮發(fā)排放規(guī)律以及其與環(huán)境影響因素之間的相關(guān)性，并且探究了2 種模式下不同水稻生長時期水稻各部位氮素積累量的變化，研究結(jié)果可為稻蝦一體化高效氮肥管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究于2022 年4—11 月在湖南省長沙市望城區(qū)風(fēng)向農(nóng)業(yè)有限公司（112°87′E，28°44′N） 進(jìn)行，該地區(qū)屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1 412.4 mm。試驗地前作模式為水稻單作，土壤為沙壤，耕層約20 cm。試驗地土壤pH 為6.15，全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.97、0.59、5.47、28.65 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68.03、2.21、35.29 mg/kg。

供試一季稻品種為本地常種品種‘農(nóng)香42’，該品種是湖南省水稻研究所育成的晚稻遲熟優(yōu)質(zhì)香稻新品種，全生育期約117 d。稻蝦共作養(yǎng)殖對象為紅螯螯蝦，原產(chǎn)地為廣東省。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗田總面積約6 300 m2，分為9 個小區(qū)，每個小區(qū)面積約667 m2。小區(qū)之間用田埂隔開，田埂高約1.2 m。本次試驗分為3 個處理：水稻?紅螯螯蝦共作（RN）、正常施肥的水稻單作（RM） 和不施氮肥的水稻單作（CK）。RN、RM 和CK 處理各設(shè)置3 個重復(fù)。RN 處理組分為水稻種植區(qū)（RC） 和環(huán)溝區(qū)（RC0）。

1.2.2 田間管理

試驗田每個小區(qū)之間用土砌成田埂，埂高1.2 m 寬1.0 m，防止水肥交換。RN 處理組的2 個小區(qū)四周開挖環(huán)溝，溝寬0.8 m 深0.5 m，在排水口及進(jìn)水口均安裝有濾網(wǎng)，防止逃逸及雜魚進(jìn)入，并在共作處理中放置餌料臺，觀察小龍蝦攝食情況。RN 處理組于4—6 月進(jìn)行1 季紅螯螯蝦單養(yǎng)，于6 月1 日施加生石灰消毒并曬田1 周。RN和RM 處理組的水稻種植管理完全一致，統(tǒng)一于6 月12 日施加緩釋型復(fù)合肥（N?P2O5?K2O， 各組分質(zhì)量比為1∶1∶1） 525 kg·hm?2 作為基肥，在水稻生長期間不再施加追肥；CK 處理組在水稻種植前和生長期間均不施任何肥料。除施肥有差異， R N 、RM 和CK 3 個處理組的水稻種植日常管理一致：水稻于6 月12 日移栽，于10 月9 日收割，水稻行距及株距均為20 cm。RN 處理組中，幼蝦于7 月18 日投苗，10 月8 日收獲，蝦苗規(guī)格為3～5 cm 長，蝦苗密度為30 000 尾/hm2。飼料選用海大飼料，初始投餌量為蝦投放質(zhì)量的3%，隨氣候變化增減投餌量。所有小區(qū)統(tǒng)一于9 月1 日排水曬田便于水稻灌漿及收割機(jī)收割。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 田間NH3 揮發(fā)測定

本研究在6 月12 日施加了緩釋型復(fù)合肥后，從6 月14 日開始對3 個處理組連續(xù)監(jiān)測稻田NH3 揮發(fā)通量，直至施肥處理（RN 和RM） 與不施肥處理（CK） 的NH3 揮發(fā)無明顯差異。使用密閉室間歇抽氣法，利用便攜式NH3 揮發(fā)采樣箱進(jìn)行氣體采集。裝置由真空泵、流量計、洗氣瓶、抽氣室和換氣桿等組成，其中田間采樣的抽氣室為直徑20 cm、高30 cm、底部開放和頂部有2 個通氣孔的圓柱形有機(jī)玻璃罩，環(huán)溝采樣的抽氣室尺寸與田間相同但在底部外圍增加寬5 cm、厚2 cm 的泡沫板用于漂浮。NH3 通過真空泵抽氣，經(jīng)洗氣瓶內(nèi)的吸收液（100 mL，0.000 5 mol/L H2SO4）吸收，抽氣速率為15～20 L/min，抽氣結(jié)束后把吸收液帶回實驗室，采用AA3 連續(xù)流動分析儀測定吸收液中NH4+?N 濃度。采樣時在每個小區(qū)的田面及環(huán)溝中分別設(shè)置3 個采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)選取中間位置且保持樣點(diǎn)間間距基本一致。采樣時段為每天的9：00—11：00 和15：00—17：00，用每日4 h 的數(shù)據(jù)估算全天的NH3 揮發(fā)通量。NH3 揮發(fā)通量計算公式為：

F =C×V ×6×10-6/π×r2 ×10-4，

式中：F 為NH3 揮發(fā)通量，kg/（hm2·d）；C 為吸收液中NH4+?N 質(zhì)量濃度，mg/L；V 為稀硫酸吸收液體積，L；×6 表示將4 h 換算為24 h；×10? 6 表示將m g 轉(zhuǎn)換為k g ； r 為收集N H 3 揮發(fā)的密閉室半徑；×10?4 表示將m2 轉(zhuǎn)換為hm2。

1.3.2 田面水取樣及測定

在采集揮發(fā)NH3 的同時進(jìn)行田面水的采集。利用50 mL 針管抽取各采樣點(diǎn)5～10 cm 水層中的水樣約40 mL，注入塑料瓶中，取樣后立即帶回實驗室放入4 ℃ 冰箱保存。采用AA3 連續(xù)流動分析儀測定總氮（TN） 和NH4+?N濃度。

1.3.3 土壤取樣及測定

在采集揮發(fā)NH3 的同時，在RN 和RM 處理組每個小區(qū)的水稻種植區(qū)采樣點(diǎn)附近各采集1 kg 的耕作層土壤（0～20 cm 土層） 帶回實驗室，在常溫下自然風(fēng)干后進(jìn)行研磨，分別使用20 目和100 目的篩子去除土壤中的石塊等大顆粒物，過篩后的土樣用于測定NH4+?N 及TN 含量。土壤TN 含量使用凱氏定氮儀測定。

1.3.4 水稻植株樣品采集及測定

在水稻5 個不同生育期（苗期、分蘗期、孕穗期、灌漿期、成熟期） 對水稻植株樣品進(jìn)行采集，每個小區(qū)采用S 型取樣法隨機(jī)選取6 穴水稻，取樣時將水稻全株挖出，洗凈吸干水分，分為根、莖、葉、穗裝于干凈信封袋中帶回實驗室。將水稻植株于105 ℃ 殺青30 min，并于70 ℃ 烘干至恒質(zhì)量，烘干后的植株測定其干質(zhì)量后充分研磨過100 目篩，經(jīng)H2O2 催化、濃H2SO4 消解后分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法測定TN 含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Microsoft Excel 2021 及SPSS 27 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。根據(jù)最小顯著性差異（LSD） 及獨(dú)立樣本t 檢驗，采用單因素方差分析比較樣本間的差異。利用Pearson 法分析NH3 揮發(fā)與各因子間的相關(guān)性。采用Origin 2022 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻?紅螯螯蝦共作模式對NH3 揮發(fā)排放的影響

2.1.1 NH3 揮發(fā)通量動態(tài)變化規(guī)律及其損失量

C K 的N H 3 揮發(fā)通量較為穩(wěn)定， 始終保持在0.01 kg/（hm2·d） 左右。由圖1A 可知，施肥后，RN 處理的RC 區(qū)域和RC0 區(qū)域，以及RM 處理的NH3 揮發(fā)通量達(dá)到峰值， 且從第2 天開始明顯下降。RC 區(qū)域的NH3 揮發(fā)通量在施肥后第1 天為峰值1 . 2 3 k g / （ h m 2 · d ） ，在施肥后第4 天降低至0.14 kg/（hm2·d），在施肥后第14 天后逐漸降低至與CK 相近。RM 處理的NH3 揮發(fā)通量在施肥后第1 天為峰值1 . 3 0 k g / （ h m 2 · d ） ，在第4 天降低至0.13 kg/（hm2·d），在第13 天后逐漸降低至與CK 相近。R C 0 區(qū)域的N H 3 揮發(fā)通量第1 天為峰值0.60 kg/（hm2·d），在第7 天降低至0.01 kg/（hm2·d），此后無明顯上升趨勢。

由圖1B 可知，在NH3 揮發(fā)的檢測期間（15 日）內(nèi)，RC 和RM 的NH3 總揮發(fā)通量無顯著差異，分別為2.64 和2.67 kg/hm2。RC0 的NH3 總揮發(fā)通量為1.56 kg/hm2，顯著低于RC 和RM，RC0 區(qū)域相較RC 區(qū)域和RM 處理降低45%～50%（Plt; 0.05）。因RC0 占RN 總面積的10%，RC 占RN 總面積的90%，將其合并計算得到RN 的NH3 總揮發(fā)通量為2.53 kg/hm2，RN 模式相較RM 模式整體NH3 揮發(fā)損失量降低5.2%，無顯著差異。

2.1.2 田面水體和土壤NH4+?N 及TN 濃度的變化

田面水體NH4+?N 和TN 濃度在施肥后變化趨勢和NH3 揮發(fā)通量變化趨勢一致，而土壤NH4+?N和TN 濃度的變化趨勢不明顯（圖2）。田面水體NH4+?N濃度在施肥后的0～7 d 內(nèi)呈明顯下降趨勢，施肥后的第1 天，RC、RC0 和RM 處理組的水體NH4+?N質(zhì)量濃度分別為0.591、0.595 和0.566 mg/L。RM處理組在第7 天的水體NH4+?N 降至0.03 mg/L；RC0 處理組在第9 天水體NH4+?N 降至0.05 mg/L；RC 處理組在第10 天水體NH4+?N 降至0.05 mg/L。在施肥后的5 ～ 9 d 時間內(nèi)， R N 處理的R C 和RC0 區(qū)域的水體NH4+?N 質(zhì)量濃度高于RM。

田面水體TN 濃度在施肥后持續(xù)下降，施肥后的第1 天，RC、RC0 和RM 處理組的水體TN 質(zhì)量濃度分別為5.99、3.85 和5.69 mg/L，而第15 天RC、RC0 和RM 處理組的水體TN 質(zhì)量濃度分別降至0.15、0.08 和0.14 mg/L。整體上各處理組田面水體TN 濃度變化趨勢表現(xiàn)為：RMgt;RCgt;RC0。

2.1.3 NH3 揮發(fā)排放及各影響因素間的相關(guān)性

對不同處理的田面水體NH4+?N、TN 濃度，土壤NH4+?N、TN 濃度以及NH3 揮發(fā)通量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1 所示。在R C 、RM 和R C 0 中，NH3 揮發(fā)通量與田面水體NH4+?N 及TN 濃度均呈顯著正相關(guān)（Plt;0.01）；田面水體NH4+?N 濃度和TN 濃度均呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.001）。此外，RC 中土壤NH4+?N 濃度與田面水體NH4+?N 和TN 濃度均呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），而RM 中土壤NH4+?N濃度與田面水體NH4+?N 和TN 濃度之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

2.1.4 NH3 揮發(fā)通量與影響因素的線性關(guān)系

由圖3A 和3B 可知，RC、RM 和RC0 處理的NH3 揮發(fā)通量和田面水體NH4+?N、TN 濃度間均存在線性關(guān)系。由圖3C 和3D 可知， RC 和RM 處理的NH3 揮發(fā)通量和土壤NH4+?N、TN 濃度間線性擬合程度較低，不存在線性關(guān)系。

RC、RM 和RC0 處理的NH3 揮發(fā)通量和田面水體NH4+?N 濃度之間為指數(shù)線性相關(guān)：RC 處理為y = 0.014 3e7.159 1x（R2 = 0.924 4）；RM 處理為y =0.017 3e7.753 2x（R2 = 0.942 4）；RC0 處理為y = 0.015 6e5.864 0x（R2 = 0.876 7）。RC、RM 和RC0 處理的NH3 揮發(fā)通量和田面水體TN 濃度之間為多項式相關(guān)關(guān)系：RC 處理為y = 0.051 1x2 ? 0.158 9x + 0.109 9（R2 = 0.882 2）；RM 處理為y = 0.066 4x2 ? 0.245 8x + 0.172 3（R2 =0.836 2）；RC0 處理為y = 0.046 1x2 ? 0.075 5x +0.047 4（R2 =0.807 9）。

2.2 水稻氮素積累

由圖4A 可知，僅孕穗期RN 的葉片氮素積累量顯著低于RM，孕穗期RN 的葉片氮素積累量顯著低于RM，而成熟期RN 的葉片氮素積累量顯著高于RM，成熟期RN 的葉片氮素積累量顯著高于孕穗期和灌漿期（Plt;0.05）。由圖4B 可知，在成熟期和灌漿期時，灌漿期和成熟期RN 的莖稈氮素積累量顯著低于RM，兩個處理水稻莖稈氮素積累量均顯著高于孕穗期（Plt;0.05）。由圖4C 可知，隨水稻生長，水稻穗部氮素積累量顯著上升，其中孕穗期時RN 的穗部氮素積累量顯著高于RM，而灌漿期RN 的穗部氮素積累量顯著低于RM（Plt;0.05）。由圖4D 可知，水稻根系氮素積累量隨水稻生長呈先上升后下降的趨勢，其中水稻灌漿期時根系氮素積累量最高，在水稻分蘗期，RN 的根系氮素積累量顯著低于RM，而灌漿期和成熟期RN 的根系氮素積累量顯著高于RM（Plt;0.05）。由圖4E 可知，水稻分蘗期RN 的地上部氮素積累量顯著高于RM（Plt;0.05）。由圖4F 可知，分蘗期和成熟期時，RN 的全株氮素積累量顯著高于RM（Plt;0.05）。

RN 和RM 的水稻地上部和全株氮素積累量均隨水稻生長不斷增加。RN 地上部的氮素積累量在分蘗至孕穗期增加52.9%，在孕穗至灌漿期增加47.9%，在灌漿至成熟期增加29.3%；RM 地上部氮素積累量在分蘗至孕穗期增加146.9%，在孕穗至灌漿期增加6 5 . 9 % ，在灌漿至成熟期增加8 . 4 %。RN 全株氮素積累量在分蘗至孕穗期增加103.6%，在孕穗至灌漿期增加57.3%，在灌漿至成熟期增加12.3%；RM 全株氮素積累量在分蘗至孕穗期增加183.8%，在孕穗至灌漿期增加46.0%，在灌漿至成熟期增加7.4%。

RN 在水稻分蘗至孕穗期時，氮素積累主要在水稻根系；孕穗至灌漿期時，氮素積累在水稻根系、莖稈、穗部及葉片中略微增加，其中水稻根系增加78.3% 的積累量，莖稈增加43.8%，而穗部增加188.1%；在灌漿至成熟期，氮素積累主要在穗部，增加約97%，而莖稈及根系的積累量略微減少，其中水稻根系氮素積累量減少25.6%。RM 在水稻分蘗至孕穗期，根系氮素積累量顯著升高（Plt;0.05）；RM在水稻孕穗至灌漿期，莖稈氮素積累量增加78.4%，穗部氮素積累量增加383.3%；在水稻灌漿至成熟期，穗部增加53.2%，而莖稈增加10.8%，葉片中顯著降低29.4%（Plt;0.05）。

在水稻成熟期時，RN 較RM 的全株氮素累積量顯著增加了10.2%，其中，RN 的水稻根系氮素積累量較RM 顯著高59.4%，莖稈部分較RM 顯著低20.5%（Plt;0.05）。

3 討論

3.1 稻蝦共作模式對NH3 揮發(fā)排放的影響

水稻種植所需氮肥量約占全球氮肥施用量的21%～25%[23]。在稻田生態(tài)系統(tǒng)中NH3 揮發(fā)排放是氮肥最為主要的氣態(tài)損失途徑， 占施肥量的9%～40%，它主要受土壤條件、氣候因子和田間耕作方式的影響[24]。許多研究表明，稻漁綜合種養(yǎng)有助于降低稻田中由于NH3 揮發(fā)造成的氮素?fù)p失，并提高肥料的利用效率。大多數(shù)稻漁綜合種養(yǎng)模式會在田間開挖環(huán)溝，這造成稻田整體田面水域面積擴(kuò)大，從而使得水體NH4+?N 濃度被稀釋降低，使得稻田NH3 的排放減少[25-26]。此外，增加淹水深度也有助于降低稻田田面水體中NH4+?N 的濃度，從而降低NH3 揮發(fā)通量[27]。Li 等[19] 通過對比稻魚、稻鴨和水稻單作模式，發(fā)現(xiàn)鴨和魚的存在可以降低稻田水體中的pH，從而降低因NH3 揮發(fā)造成的氮素?fù)p失，提高氮肥的利用效率。Xie 等[28] 研究發(fā)現(xiàn)，在稻魚綜合種養(yǎng)模式中水稻所需的化肥比水稻單作模式少2 4 % ，這主要是由于日常投喂的餌料中有32% 的氮被水稻吸收利用。馮珺珩[29] 發(fā)現(xiàn)，由于獨(dú)特的氨氧化作用及微生物調(diào)控機(jī)制，稻蝦共作模式中的NH3 揮發(fā)總量較水稻單作模式降低了16.7%～27.3%。在本研究中，盡管水稻?紅螯螯蝦共作模式水稻種植區(qū)的NH3 揮發(fā)通量與水稻單作模式相近，但環(huán)溝中的NH3 揮發(fā)通量顯著低于稻蝦田面及水稻單作約26%，這可能是造成稻蝦系統(tǒng)中NH3 揮發(fā)量更低的主要原因。因此在施肥量一致的情況下，稻蝦系統(tǒng)中的整體NH3 揮發(fā)通量顯著低于單作模式5.2%。

NH3 的揮發(fā)過程是NH3·H2O 和NH3 在液氣界面的交換。稻田淹水時，NH3 揮發(fā)過程主要發(fā)生在地表水與大氣交界面[30]。Liu 等[31] 和周平遙等[32] 研究表明，影響稻田NH3 揮發(fā)通量的主要因素是田面水體NH4+?N 和TN 濃度。本研究對不同處理的田面水體NH4+?N、TN 濃度以及NH3 揮發(fā)通量進(jìn)行相關(guān)性分析也得出類似結(jié)論：NH3 揮發(fā)通量和田面水體NH4+?N、TN 濃度均呈正相關(guān)關(guān)系（與NH4+?N濃度為指數(shù)線性相關(guān)關(guān)系，與TN 濃度為多項式相關(guān)關(guān)系），這與先前研究的結(jié)果[33] 一致。此外水稻?紅螯螯蝦共作模式田面水體NH4+?N 濃度高于水稻單作模式，TN 濃度低于單作模式。這可能是由于水稻?紅螯螯蝦共作模式促進(jìn)了反硝化作用，在一定程度上抑制了厭氧氨氧化作用，從而導(dǎo)致田面水體NH4+?N 濃度高但NH3 揮發(fā)通量卻顯著降低[29]。

稻田中施用氮肥可以通過“添加氮相互作用”增加作物對土壤氮素的吸收和反硝化作用，并增加土壤氮素的淋溶損失[34]。Sun 等[35] 研究發(fā)現(xiàn)，稻田施肥后1～7 d，是NH3 揮發(fā)排放的主要時間，這可能與施用的氮肥受環(huán)境中微生物與酶水解有關(guān)。李曉龍等[36] 也發(fā)現(xiàn)稻田中NH3 揮發(fā)峰值出現(xiàn)在基肥施入后的第7 天和追肥施入后2～5 d，施肥結(jié)束后NH3 揮發(fā)速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。本研究也發(fā)現(xiàn)了相似的排放規(guī)律，施肥后，稻蝦及單作模式的稻田NH3 揮發(fā)通量迅速達(dá)到峰值，施肥后第1 天至第4 天迅速降低，在第7 天之后波動較為平緩，在第14 天后恢復(fù)至施肥前。這可能是由于氮素下滲、硝化、反硝化、土壤固氮和水稻吸收消耗了肥料氮，從而減少了NH4+?N 等NH3 揮發(fā)的基質(zhì)[37]。

3.2 稻蝦共作模式對水稻氮素利用率的影響

目前，在關(guān)于不同稻漁綜合種養(yǎng)模式對于水稻產(chǎn)量及氮素利用率的報道中，具有不同的研究結(jié)果。許多研究表明，稻漁綜合種養(yǎng)模式可以顯著提高水稻的產(chǎn)量，并提升水稻的養(yǎng)分積累量及氮素利用效率。如Guo 等[38] 研究表明，稻漁綜合種養(yǎng)可以通過減少雜草、促進(jìn)氮素分解和補(bǔ)充氮素利用來增加水稻產(chǎn)量，提高氮素利用效率，并增加土壤氮素含量積累。Oehme 等[39] 研究也發(fā)現(xiàn)了在稻田中養(yǎng)殖魚類可以提高水稻植物對氮的吸收。也有部分研究表明稻漁綜合種養(yǎng)模式對水稻產(chǎn)量沒有顯著的影響[40-41]。同時，也存在稻漁綜合種養(yǎng)模式降低水稻產(chǎn)量的報道[42]。本研究結(jié)果表明，在水稻?紅螯螯蝦共作模式中水稻成熟期的全株氮素積累量顯著高于單作，與何俊等[43] 、陶先法等[16] 研究結(jié)果一致。這可能是由于田間蝦的活動增加了水稻根際土壤的溶解氧含量、增強(qiáng)了土壤微生物硝化活性和氨氧化菌豐度、改善了土壤環(huán)境氮素轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)了水稻生長和氮素吸收積累[44]。

氮代謝在水稻生育期的動態(tài)變化直接影響礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收、蛋白質(zhì)的合成，水稻植株及其器官氮含量和氮積累量高低對根系的發(fā)生和生長十分重要，生育期越靠前，植株氮積累量對根系生長影響越大[45]。本研究發(fā)現(xiàn)在水稻孕穗期時，水稻?紅螯螯蝦共作模式中水稻葉片的氮素積累量顯著低于水稻單作模式，但穗部氮素積累量顯著高于水稻單作模式。而到了灌漿期時，水稻?紅螯螯蝦共作模式的穗部及莖稈的氮素積累顯著低于單作，但根系氮素積累顯著高于單作，這可能是由于稻田氮素含量較高時，水稻易出現(xiàn)貪青晚熟的現(xiàn)象，使得籽粒灌漿受到影響[46]，因此，水稻?紅螯螯蝦共作模式可適當(dāng)延長水稻生長時間，確保水稻完全成熟，有利于提高水稻產(chǎn)量。

許多研究表明稻蝦共作模式可以顯著增加稻田土壤的氮素積累。劉小燕[47] 發(fā)現(xiàn)稻田中水生生物的活動也能提高根系活力，促進(jìn)水稻根系的生長發(fā)育及氮素積累，增加土壤養(yǎng)分積累。蔡晨等[ 4 8 ]也發(fā)現(xiàn)在稻蝦共作模式中，由于小龍蝦在稻田的掘穴行為改變了土壤的通氣特性，從而使土壤深層中相對難降解的有機(jī)物逐漸被降解，同時食物殘渣及小龍蝦排泄物進(jìn)入土壤，所以顯著提高了土壤中的氮、磷等營養(yǎng)元素的含量。厲寶仙等[49] 研究表明，水稻?紅螯螯蝦共作模式可以顯著增加土壤中氨氮的含量。我們觀察到，水稻?紅螯螯蝦共作模式與水稻單作模式氮素積累量的差異主要發(fā)生在水稻的生長后期（灌漿期及成熟期）。在本研究中，水稻根系氮素積累量在灌漿期達(dá)到最大，在整個水稻生育期呈先升高后降低的趨勢。水稻生長后期水稻?紅螯螯蝦共作模式水稻的根系氮素積累量顯著高于水稻單作模式，水稻成熟期時水稻?紅螯螯蝦共作模式水稻的根系氮素積累量顯著高于水稻單作模式59.4%，全株氮素累積量顯著高于水稻單作模式10.2%。這說明水稻?紅螯螯蝦共作模式可以有效地增加水稻對環(huán)境中的氮素吸收，進(jìn)而提高稻田土壤系統(tǒng)中的氮含量。由此可見，水稻?紅螯螯蝦共作模式可以增加水稻對氮素的吸收轉(zhuǎn)化、提高土壤中氮素的積累，提升氮肥利用，并減少NH3 揮發(fā)造成的氮肥損失以及對環(huán)境造成的危害。

4 結(jié)論

本研究探究了水稻?紅螯螯蝦共作模式與水稻單作模式NH3 揮發(fā)通量及水稻氮素積累量的差異。稻蝦共作模式與水稻單作模式的土壤NH3 揮發(fā)通量在施肥后第1 天達(dá)到峰值，并在1～5 d 內(nèi)明顯降低。在更高的氮輸入條件下，相較水稻單作模式，稻蝦共作模式的土壤NH3 揮發(fā)并未出現(xiàn)顯著提高。深淹水條件下的稻蝦共作模式的環(huán)溝區(qū)域的土壤NH3 揮發(fā)通量顯著低于水稻種植區(qū)域和水稻單作模式，是影響稻蝦共作系統(tǒng)土壤NH3 揮發(fā)的重要因素。水稻?紅螯螯蝦共作模式和水稻單作模式的稻田NH3 揮發(fā)通量與田面水體NH4+?N 及TN 濃度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。田間蝦的活動增加了水稻根際土壤通氣，促進(jìn)了根際土壤氮素轉(zhuǎn)化，提高了水稻根系對氮素的吸收和儲存，能顯著增加水稻植株的氮素累積。并且，稻蝦共作模式顯著增加了稻田土壤氮含量，較高水平氮濃度影響水稻籽粒灌漿，延長了水稻生育期，有助于提高水稻產(chǎn)量。該研究結(jié)果可以為稻蝦種養(yǎng)系統(tǒng)肥料優(yōu)化管理和后續(xù)水稻綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

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【責(zé)任編輯 莊 延】

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2022YFD2300305）；湖南省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2021NK2059）；湖南省水產(chǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（HARS-07）；國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（U21A20184）