稻蝦共作模式下克氏原螯蝦對(duì)水稻土團(tuán)聚體特征及有機(jī)碳分布的影響

關(guān)鍵詞：稻蝦共作模式；克氏原螯蝦；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；有機(jī)碳分布

克氏原螯蝦（Procambaru.s clarkii）俗稱小龍蝦，屬節(jié)肢動(dòng)物門、甲殼綱、十足目、螯蝦科、原螯蝦屬，具有雜食、掘穴、蛻殼等習(xí)性。稻蝦共作模式是一種以潛育性稻田為基礎(chǔ)，以種稻為中心，稻草還田養(yǎng)殖克氏原螯蝦為特點(diǎn)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。該模式充分利用了稻田的淺水環(huán)境和冬閑期，把種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)結(jié)合起來，達(dá)到了“一水兩用、一田雙收”的目的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。稻蝦共作模式已在湖北、安徽、湖南、江蘇、江西等長江中下游區(qū)域被廣泛應(yīng)用，且以湖北省的面積最大，截至2021年湖北省稻蝦種養(yǎng)面積約為50.6萬hm2，占全國稻蝦復(fù)合種養(yǎng)總面積的36.1%。

土壤團(tuán)聚體能夠反映土壤的持水性、通透性和供儲(chǔ)養(yǎng)分的能力，不同粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)量、分布以及性質(zhì)是決定土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等物理退化過程的重要因素之一。土壤有機(jī)碳是促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的良好膠結(jié)物質(zhì)，表土中近90%的有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)。研究稻田復(fù)合種養(yǎng)模式對(duì)表層土壤團(tuán)聚體特征（數(shù)量分布、穩(wěn)定性）及有機(jī)碳分布的影響對(duì)揭示人為干擾對(duì)土壤質(zhì)量及其固碳特性的影響具有重要意義。劉鳴達(dá)等的研究表明，稻田養(yǎng)蟹提高了土壤gt;2mm和2～0.25mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，降低了lt;0.25～0.053mm和lt;0.053mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量。沈建凱的研究表明，稻田養(yǎng)鴨后土壤中1～2mm團(tuán)聚體增加了5.29%，1～0.25mm團(tuán)聚體增加了1.16%，而lt;0.25mm團(tuán)聚體減少了5.17%。

稻蝦共作模式下秸稈還田后，一方面克氏原螯蝦的殘餌、排泄物及爬行覓食等會(huì)促進(jìn)秸稈的快速腐解，另一方面秸稈泡水腐解過程中產(chǎn)生的植物碎屑及其產(chǎn)生的浮游動(dòng)物是克氏原螯蝦主要的食物來源之一。因此，稻蝦共作模式下克氏原螯蝦生物擾動(dòng)對(duì)土壤團(tuán)聚體特征及其有機(jī)碳分布勢必產(chǎn)生較大影響。目前關(guān)于稻蝦共作模式影響稻田土壤環(huán)境的研究主要集中于對(duì)稻田溫室氣體排放、氨揮發(fā)、土壤理化性狀及微生物多樣性等方面，而關(guān)于稻蝦共作模式中單一因素諸如克氏原螯蝦養(yǎng)殖對(duì)稻田土壤肥力影響方面的研究鮮見報(bào)道。因此，本文通過冬泡無秸稈還田、冬泡+秸稈還田和冬泡+秸稈還田+養(yǎng)蝦3個(gè)處理研究了稻蝦共作模式下在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量等的影響，以期為明確該模式下土壤肥力演變過程提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)地處湖北省潛江市后湖農(nóng)場移民村（30。22' 41.2\"N、112°41' 32.5\"E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量1100mm，年平均氣溫16.1℃，無霜期246d，冬季靜態(tài)地下水位40～60cm，種植制度為“中稻一冬閑”，土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)始于2014年10月，設(shè)置3個(gè)處理：①冬泡無秸稈還田（W）；②冬泡+秸稈還田（WS）；③冬泡+秸稈還田+養(yǎng)蝦（WSC）。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積100m2，為了防止串水、串蝦，處理間設(shè)寬0.4m、深1.0m的溝，養(yǎng)蝦處理四周設(shè)尼龍攔蝦網(wǎng)。

在WSC處理中，供試蝦為克氏原螯蝦。幼蝦（約5g）于2014年10月按照9.0萬只·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行投放，蝦苗在稻田中自行繁殖，以后每年根據(jù)實(shí)際情況適量補(bǔ)投親蝦；于每年的3-5月投放蝦飼料，平均投入量為1800kg·hm-2，飼料中全氮、全磷和全鉀的含量分別為46.6、11.0g·kg-1和10.5g·kg-1；于每年6月上旬捕撈成蝦完畢，而未成熟的幼蝦隨水遷移至蝦溝中，待整田、施肥、插秧、曬田控蘗及復(fù)水后再次進(jìn)入稻田生活，在中稻收獲前收獲第2季成熟蝦；于每年10月底中稻留高茬（40～50cm）收獲后，灌水冬泡（灌水深度50cm左右）進(jìn)行下一季克氏原螯蝦養(yǎng)殖，如此循環(huán)輪替。

于2020年6月29日進(jìn)行整地施肥，6月30日水稻移栽，栽插的原則是寬行窄株、溝邊密植，株距16.7cm、行距26.6cm，10月28日收割；N、P205、K20施用量分別為150、69、120kg·hm-2，基肥、分蘗肥和穗肥中氮肥施用量占總施氮量的比例分別為58.0%、18.0%和24.0%，磷肥一次性作基肥施人，基肥和穗肥中鉀肥施用量占總施鉀量的比例分別為50%和50%。插秧前施人基肥，插秧后15d施人分蘗肥，插秧后50d施入穗肥。稻草還田方式為高留茬、田間覆蓋，還田量為7500kg.hm-2，供試水稻品種為中稻“鑒真2號(hào)”。

1.3土壤樣品采集

取樣時(shí)間為2020年10月，于水稻收獲后每個(gè)小區(qū)按照S形五點(diǎn)采樣法，采集0～10cm表層土壤，將土壤樣品均勻混合后裝入硬質(zhì)塑料盒轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室去除石塊、植物殘?bào)w等雜物后，一部分于4℃保存，用于微生物量碳和可溶性有機(jī)碳的測定，另一部分自然風(fēng)干后，用于土壤團(tuán)聚體、總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的測定。

1.4測定指標(biāo)及方法

水穩(wěn)性團(tuán)聚體使用濕篩法測定。采用DM2000-Ⅲ型土壤團(tuán)粒分析儀將土壤樣品依次通過篩孔直徑為2、1、0.5、0.25、0.053mm的土壤篩，分離出gt;2、gt;1～2、gt;0.5～1、gt;0.25～0.5、0.053～0.25mm和lt;0.053mm6個(gè)級(jí)別的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。將分離后的土樣在60℃下烘干后稱取質(zhì)量，研磨過100目篩后進(jìn)行有機(jī)碳含量測定。團(tuán)聚體中平均質(zhì)量直徑（MWD）與幾何平均直徑（GMD）的計(jì)算公式如下：

采用濃硫酸一重鉻酸鉀外加熱法測定土壤總有機(jī)碳含量；采用氯仿熏蒸一硫酸鉀提取法測定微生物量碳含量；采用Jiang等的方法測定可溶性有機(jī)碳含量；采用Cambardella等的方法測定顆粒有機(jī)碳含量；采用KMri04氧化法測定易氧化有機(jī)碳含量。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（LSD法，a=0.05），并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，采用Pearson相關(guān)性分析分析因子之間的關(guān)系。

2結(jié)果與分析

2.1土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

圖1表明，各處理土壤以gt;1～2mm團(tuán)聚體為主，占比達(dá)到25.5%～27.1%。WS處理中g(shù)t;2mm團(tuán)聚體比例較W處理顯著提高了31.0%，而其他粒級(jí)團(tuán)聚體比例兩處理間無顯著差異；與WS處理相比，WSC處理中g(shù)t;2mm和gt;1～2mm團(tuán)聚體比例顯著提高了19.8%和6.5%，但0.053～0.25mm團(tuán)聚體比例顯著下降了9.2%。由此可見，秸稈還田處理顯著提高了稻田土壤中g(shù)t;2mm團(tuán)聚體比例，在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦增加了稻田土壤gt;1mm團(tuán)聚體比例，但降低了0.053～0.25mm團(tuán)聚體比例。

2.2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)，其穩(wěn)定程度常用gt;0.25mm的團(tuán)聚體數(shù)量（R0.25）、MWD和GMD來表示。表1結(jié)果表明，WS處理的MWD較W處理顯著提高了18.9%，而R025和GWD兩處理間則無顯著差異；WSC處理土壤團(tuán)聚體中R0.25、MWD和GMD較WS處理分別提高了7.8%、20.6%和37.5%。由此可見，秸稈還田處理主要提高了團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑，而在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦則顯著提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

2.3土壤總有機(jī)碳及活性組分的變化特征

表2表明，WS處理的總有機(jī)碳、微生物量碳和顆粒有機(jī)碳含量較W處理呈增加趨勢，但均未達(dá)到顯著水平（Pgt;0.05），而可溶性有機(jī)碳含量較W處理顯著降低了27.8%。相比WS處理，WSC處理土壤總有機(jī)碳、微生物量碳和顆粒有機(jī)碳含量分別顯著提高了6.2%、34.0%和23.1%，而可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量雖呈增加趨勢，但均未達(dá)到顯著水平（Pgt;0.05）。由此可見，秸稈還田處理降低了土壤可溶性有機(jī)碳含量，而在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦提高了土壤總有機(jī)碳、微生物量碳和顆粒有機(jī)碳含量。

2.4土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化特征

圖2表明，隨著土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的減小，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈逐漸降低的趨勢。相較于W處理，WS處理中g(shù)t;2mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著提高了14.3%，而其他粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量兩處理間差異不顯著。WSC處理在0～10cm土層中g(shù)t;0.25～0.5、0.053-0.25mm和lt;0.053mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較WS處理分別顯著提高了18.8%、22.3%和22.3%。由此可知，秸稈還田處理提升了gt;2mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，而秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦提升了微團(tuán)聚體（lt;0.25mm）有機(jī)碳的含量。

2.5土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

圖3表明，不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率以gt;2mm和gt;1～2mm團(tuán)聚體為主，占比為41.2%～48.2%，以lt;0.053mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最小，占比為5.4%～6.1%。相較于W處理，WS處理顯著提高了土壤中g(shù)t;2mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，但顯著降低了lt;0.053、0.053-0.25mm和gt;0.25～0.5mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。相較于WS處理，WSC處理顯著降低了土壤中0.053～0.25mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。由此可見，秸稈還田提高了土壤大團(tuán)聚體（gt;2mm）中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，降低了微團(tuán)聚體（lt;0.5mm）中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，而在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦顯著降低了土壤中0.053～0.25mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。

3討論

土壤團(tuán)聚體作為土壤重要的組成部分，其不同粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)量、分布以及性質(zhì)直接影響著土壤養(yǎng)分的保持與供應(yīng)。本研究表明，秸稈還田處理顯著提高了稻田土壤中g(shù)t;2mm團(tuán)聚體比例，表明秸稈還田有利于團(tuán)聚體向更大粒級(jí)團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，這與Fan等的研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)椋阂环矫娼斩掃M(jìn)入土壤后可直接成為大團(tuán)聚體形成的核心，使土壤中的細(xì)小顆粒附著于秸稈而形成大團(tuán)聚體；另一方面秸稈還田增加了土壤中有機(jī)物質(zhì)的輸入，提高了土壤微生物活性，有機(jī)物質(zhì)經(jīng)微生物降解產(chǎn)生的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)以及菌絲等能夠不斷膠結(jié)土壤黏土顆粒，進(jìn)而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。本研究表明，在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦增加了土壤gt;1mm團(tuán)聚體比例，降低了0.053～0.25mm團(tuán)聚體比例。研究表明，克氏原螯蝦即使在飼料充足的條件下，仍然會(huì)攝食有機(jī)碎屑、浮游動(dòng)物、水生植物等，克氏原螯蝦食物來源中飼料和有機(jī)碎屑的貢獻(xiàn)率分別為38.0%～44.2%和21.2%～23.4%，由此可見，克氏原螯蝦養(yǎng)殖過程中未食用的餌料以及蛻殼均可增加有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，從而有利于微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚的黏結(jié)轉(zhuǎn)化。土壤MWD、GMD和R025常被作為評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、反映土壤團(tuán)聚體大小分布的重要指標(biāo)，土壤中MWD、CMD和R0.25越大，其穩(wěn)定性越高。本研究表明，相比于無秸稈還田處理，秸稈還田處理顯著提高了土壤團(tuán)聚體MWD，這與Halder等的研究結(jié)果一致。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性很大程度上取決于有機(jī)、無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土粒膠結(jié)的能力，秸稈還田增加了有機(jī)質(zhì)膠體含量，改善了顆粒組成，從而提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。本研究表明，在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦顯著提高了土壤團(tuán)聚體中R25、MWD和GMD，這與劉鳴達(dá)等對(duì)稻蟹模式團(tuán)聚體影響的研究結(jié)果相似。這主要是由于將秸稈還田后，克氏原螯蝦對(duì)水稻秸稈的咀嚼、粉碎等加速了秸稈的分解，秸稈還田后分解產(chǎn)生的如木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和多糖等多種物質(zhì)增加了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

土壤有機(jī)碳的積累取決于有機(jī)碳輸入與礦化速率之間的平衡。本研究表明，相對(duì)于無秸稈還田處理，秸稈還田處理的土壤有機(jī)碳、微生物量碳和顆粒有機(jī)碳含量均呈增加趨勢，但兩處理間未達(dá)到顯著差異水平（Pgt;0.05），這可能與秸稈還田的時(shí)間較短（僅6a）有關(guān)。本研究表明，相對(duì)于秸稈還田處理，秸稈還田+養(yǎng)殖克氏原螯蝦處理土壤有機(jī)碳含量顯著增加了6.2%，這可能是因?yàn)椋阂环矫婵耸显r養(yǎng)殖中未被食用的飼料以及排泄出的糞便中富含的氮素等養(yǎng)分促進(jìn)了水稻生長發(fā)育，提高了水稻產(chǎn)量，增加了水稻根系生物量及根系分泌物的分泌量；另一方面克氏原螯蝦活動(dòng)和秸稈添加均有利于土壤團(tuán)聚體的形成，從而增強(qiáng)了土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)、固定和維持能力。土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳庫中最活躍的組分，易受土壤濕度、溫度、管理措施以及易降解有機(jī)物的影響。在本研究中，秸稈還田+養(yǎng)殖克氏原螯蝦處理土壤微生物量碳含量較秸稈還田處理顯著提高了34.0%，這可能是由于克氏原螯蝦掘穴、攝食及排泄等活動(dòng)改變了土壤環(huán)境，促進(jìn)了土壤微生物的生長和繁殖，從而提高了微生物量碳含量。顆粒有機(jī)碳是動(dòng)植物殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過渡產(chǎn)物，腐殖化程度較低，且易礦化分解。本研究表明，秸稈還田+養(yǎng)殖克氏原螯蝦處理中土壤顆粒有機(jī)碳含量較秸稈還田處理顯著增加了23.1%，這可能是由于克氏原螯蝦對(duì)秸稈、雜草等的粉碎、攝食等活動(dòng)促進(jìn)了植物凋落物的腐解，從而提高了土壤顆粒有機(jī)碳含量。可溶性有機(jī)碳是指能夠溶于水且能通過0.45um濾膜的有機(jī)碳組分，其在土壤中移動(dòng)較快、易分解氧化，是微生物生命活動(dòng)的主要能源。在本研究中，相對(duì)于無秸稈還田處理，秸稈還田處理和秸稈還田+養(yǎng)殖克氏原螯蝦處理的土壤水溶性有機(jī)碳含量均呈下降趨勢，且秸稈還田處理下降顯著，這可能是因?yàn)椋阂环矫娼斩挷扇「采w還田+冬泡模式，秸稈腐解產(chǎn)生的水溶性有機(jī)碳隨養(yǎng)殖廢水排出大田；另一方面秸稈還田增加了土壤微生物對(duì)可溶性有機(jī)碳的利用，從而減少了土壤中可溶性有機(jī)碳含量。

團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布特征是土壤重要的理化性質(zhì)。Buvanovsky等的研究表明大團(tuán)聚體中有機(jī)碳生物可利用性較高，而微團(tuán)聚體中有機(jī)碳穩(wěn)定性較高，更新周期較長。本研究中，秸稈還田處理顯著提高了gt;2mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，這與王飛等的研究結(jié)果一致。水稻土中新輸入而易礦化分解的動(dòng)植物殘?bào)w主要存在于大團(tuán)聚體中而受物理保護(hù)，從而增加了大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。本研究表明，秸稈還田+養(yǎng)殖克氏原螯蝦處理較秸稈還田處理顯著提高了lt;0.25mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，由此可見，養(yǎng)殖克氏原螯蝦有利于土壤微團(tuán)聚體中有機(jī)碳穩(wěn)定性的提高。水稻土中微團(tuán)聚體主要以多糖或無機(jī)膠體膠結(jié)方式形成。稻蝦共作模式中投入的幼蝦經(jīng)過6次蛻殼至成蝦，累積的蛻殼量可達(dá)201.3kg·hm-2，蛻殼中富含的50.5%的甲殼素及其降解物——?dú)ぞ厶强赡軙?huì)優(yōu)先膠結(jié)微團(tuán)聚體，從而提高lt;0.25mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率大小主要受其團(tuán)聚體比例及有機(jī)碳含量的影響。本研究表明，秸稈還田增加了土壤gt;2mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，降低了小團(tuán)聚體（lt;0.5mm）中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，這主要是由于秸稈還田顯著提高了gt;2mm團(tuán)聚體比例及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，而降低了小團(tuán)聚體（lt;0.5mm）中有機(jī)碳含量。本研究表明，秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦顯著降低了土壤中0.053～0.25mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，這主要是由于秸稈還田雖然提高了0.053～0.25mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，但降低了0.053～0.25mm團(tuán)聚體比例。

4結(jié)論

冬泡條件下在秸稈還田的基礎(chǔ)上養(yǎng)殖克氏原螯蝦顯著提高了土壤gt;1mm團(tuán)聚體比例，降低了0.053～0.25mm團(tuán)聚體比例，增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，顯著提高了土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和微生物量碳含量，尤其提高了lt;0.25mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量。研究表明，稻蝦共作模式下克氏原螯蝦促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成，增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高了土壤有機(jī)碳及活性組分含量，尤其提高了微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，提升了土壤固碳能力。