稻-鴨-蝦模式下稻田土壤肥力變化特征

中圖分類號 S511；S966.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2421（2025）03-0084-07

水稻作為我國主要的糧食作物，在保障國家糧食安全及全球糧食供給等方面發(fā)揮重要作用。作為人口大國，我國面臨著糧食短缺、環(huán)境質(zhì)量退化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和土地資源有限等多重挑戰(zhàn)。在這種背景下，食品需求持續(xù)攀升，糧食產(chǎn)量需不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的壓力日益增加[1]。因此，如何在確保糧食產(chǎn)量穩(wěn)步增長的同時(shí)，減少化學(xué)肥料的過量使用，維持土壤養(yǎng)分平衡，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是亟需解決的問題[2]。稻田綜合種養(yǎng)作為一種水稻生產(chǎn)創(chuàng)新模式，可以減少污染、提高稻田生產(chǎn)力，對生態(tài)保護(hù)和增加農(nóng)民收益具有重要意義。稻田綜合種養(yǎng)模式是將水稻種植與水生動物（如魚、蝦、蟹、鴨等）養(yǎng)殖相結(jié)合，通過動物和植物生態(tài)位的互補(bǔ)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的多級循環(huán)利用，這種搭配不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還能帶來良好的生態(tài)效益，共同促成一種高產(chǎn)、高效、環(huán)保的水稻生產(chǎn)新模式[3]。研究證實(shí)，稻田綜合種養(yǎng)模式有助于穩(wěn)定水稻產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還能維持農(nóng)田生物多樣性[4-5]，降低農(nóng)業(yè)面源污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境具有重要作用[6]

以往的研究主要集中在稻田綜合種養(yǎng)模式下的土壤性狀、水稻生長、病蟲草害防治、生物多樣性、水體理化性狀和生態(tài)環(huán)境，其中土壤性狀是最基礎(chǔ)也是核心的研究方向[7-8]。研究表明，稻田綜合種養(yǎng)模式不僅能改善土壤物理性質(zhì)，還能提高土壤養(yǎng)分含量。稻田中投喂的飼料殘留物及水產(chǎn)動物的排泄物會增加土壤中有機(jī)質(zhì)和其他有效養(yǎng)分的含量[9-10]。劉赫群等[1]研究表明，稻田綜合種養(yǎng)模式會導(dǎo)致土壤容重下降、大團(tuán)聚體含量上升等，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)。稻田綜合種養(yǎng)模式對土壤生物學(xué)性質(zhì)也會產(chǎn)生積極的影響。稻蛙共作模式中，土壤微生物量碳、氮含量均呈上升趨勢[12]

目前，關(guān)于稻田綜合種養(yǎng)體系下土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究大都停留在單一種養(yǎng)模式上，而對稻田養(yǎng)蝦和稻鴨共育相結(jié)合的種養(yǎng)模式下土壤肥力演變特征的研究則較為稀缺。因此，本研究以稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式為研究對象，與水稻單作模式作對比，明確稻-鴨-蝦模式種養(yǎng)2a后土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化情況，闡明該種養(yǎng)模式對土壤肥力的影響，以期為稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式養(yǎng)分管理和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省監(jiān)利市橫臺村華中農(nóng)業(yè)大學(xué)雙水雙綠基地 （30^°54^′00^′′N，112^°55^′48^′′E） 。監(jiān)利市地處江漢平原，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為15.9～16.6^°C ，年均降水量為 1100～1300mm ，土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。其中供試水稻品種為華墨香5號，鴨品種為武禽10肉鴨，蝦品種為克氏原蝦（Procambarusclarkii）。試驗(yàn)前稻田耕層（ 0～20cm 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：容重 1.12g/ cm³，pH7.23 ，有機(jī)質(zhì) 14.71g/kg ，全氮 1.36g/kg ，速效氮 12.08mg/kg ，速效磷 4.94mg/kg ，速效鉀160.80mg/kg 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2022年4月至2023年11月開展，以稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式（rice-duck-crayfishmodel，CDR）為研究對象，以水稻單作模式（ricemonoculturemod-el，RM）作為對照。每種處理3個(gè)重復(fù)，一共6個(gè)田塊，平均每個(gè)田塊面積約為 0.22hm² ，水稻種植株行距為 15cm×30cm 。

稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式管理：分為養(yǎng)蝦季（4一6月）和水稻季（6一10月）。在養(yǎng)蝦季，小區(qū)周圍開挖圍溝作為蝦溝，水位沒過田埂成塘塊，平均塘塊面積為0.34hm²，4 月在塘塊中投放蝦苗，投放密度為400kg/hm² （規(guī)格為 3.5g/ 尾），精準(zhǔn)投放飼料，飼料投喂量約為 1500kg/hm²，5 月開始捕撈成蝦，6月捕撈成蝦完畢，未成熟的幼蝦隨水遷移至蝦溝中，在整田、插秧、曬田控蘗及復(fù)水后再次進(jìn)人稻田活動，同時(shí)在各小區(qū)邊緣圍起 0.4m 的尼龍防逃網(wǎng)。在水稻季，稻田四周搭建尼龍網(wǎng)圍欄，各個(gè)田塊設(shè)有單個(gè)鴨棚，供鴨休憩和喂食，為了避免飼料進(jìn)入稻田土壤和水體，飼料以稻田自然飼料為主，根據(jù)稻田飼料實(shí)際情況適量喂食稻谷粒，其投入量約為 500kg/hm² 。各單元設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)水口和出水口，以此保證試驗(yàn)田水環(huán)境一致又互相獨(dú)立。在水稻移栽后 10～15d ，將室內(nèi)培育20d的雛鴨以密度為180只/ hm² （規(guī)格為200g/只）置于稻田，實(shí)行鴨稻共作，在鴨入場前將育雛場所和用具進(jìn)行消毒處理。放鴨時(shí)間為每日上午09：00至10：00。鴨稻共育時(shí)保持適當(dāng)水層，根據(jù)鴨大小和水稻生長狀況合理保持水層高度，抽穗時(shí)將鴨趕出田外再排水?dāng)R田。整個(gè)生育期內(nèi)不施農(nóng)藥。另外該模式僅施用基肥，基肥采用復(fù)合肥（N-P-K：17-17-17），其中氮肥用量為 50kg/hm²

水稻單作模式管理：基肥采用復(fù)合肥（N-P-K：17-17-17），總氮肥用量為 150kg/hm² ，追肥采用47% 的尿素，基追肥比例為5：5。灌溉方式為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)淹灌，除了曬田和收獲期田間自然曬干且不灌水外，其余時(shí)期田面水保持 10cm 。

1.3樣品采集及指標(biāo)測定

不同種養(yǎng)模式的水稻收獲后分別采集 0～20cm 的土壤，采用環(huán)刀法測定土壤容重，即用一定容積的環(huán)刀切割未攪動的自然狀態(tài)土樣，使土樣充滿其中，然后烘干稱量再計(jì)算單位容積的烘干土質(zhì)量。在田間按“S”型進(jìn)行5點(diǎn)采樣，取回的土樣分成2份，一部分作為新鮮樣品經(jīng)濕篩法（過孔徑 250μm 篩）處理后置于冰箱保存；另一部分土樣經(jīng)風(fēng)干、剔除雜質(zhì)、磨細(xì)，分別過 850{μm 和 149μm 孔徑篩后用于各項(xiàng)指標(biāo)測定。pH值采用電位法（水土質(zhì)量比為2.5：1）進(jìn)行測定；土壤有機(jī)質(zhì)和全氮采用Elementar元素分析儀進(jìn)行測定；土壤速效氮采用KCI浸提-SEALAU-ALTYICAL流動注射分析儀測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法；微生物量碳和微生物量氮分別采用氯仿熏蒸 -K₂SO₄ 提取-總有機(jī)碳分析儀（TOC儀）和氯仿熏蒸 -K₂SO₄ 提取-過硫酸鹽氧化法測定[13]；酸性磷酸酶和堿性磷酸酶用MUB緩沖液提取-紫外分光光度計(jì)比色測定，其中酸性磷酸酶用pH值為6.5的MUB緩沖液提取，而堿性磷酸酶則用pH值為11的MUB緩沖液提取[14]。

1.4土壤肥力評價(jià)方法

土壤理化性質(zhì)采用模糊綜合評價(jià)法[15]，具體步驟如下：

1隸屬度值 F_i 的確定。本研究通過隸屬度函數(shù)計(jì)算參評指標(biāo)的隸屬度值大小，從而體現(xiàn)出各指標(biāo)對土壤肥力的貢獻(xiàn)率。根據(jù)土壤理化指標(biāo)與作物生長的關(guān)系，選取拋物線型和“S\"型函數(shù)，其公式如下：

拋物線型隸屬度函數(shù)：

\"S\"型隸屬度函數(shù)：

式 （1）～（2） 中 ，x 表示指標(biāo)實(shí)際測定值， F_i 是第 i 個(gè)指標(biāo)的隸屬度值， ，x₁，x₂，x₃，x₄ 分別表示該指標(biāo)的下限臨界值、下限最優(yōu)值、上限最優(yōu)值、上限臨界值。其中土壤容重 Φ，pH 采用拋物線型隸屬函數(shù)，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀采用“S\"型隸屬函數(shù)。參照全國第二次土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)確定各參評指標(biāo)的函數(shù)類型及拐點(diǎn)取值（表1）。

生物學(xué)指標(biāo)采用簡單線性評分法[16]，計(jì)算公式如下：

F_i=x_i/x_max

式（3）中，x表示第i個(gè)指標(biāo)的實(shí)際測定值，xmax為指標(biāo)最高測定值。

2）權(quán)重 W_i 的確定。依據(jù)相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，即某評價(jià)指標(biāo)和其他指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)均值與所有評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)均值總和的比值。

3）土壤肥力綜合指數(shù)（integrated fertility index，IFI，公式中記作 I_IF ）按下式計(jì)算[17]：

式（4）中， n 為土壤指標(biāo)個(gè)數(shù)； F_i，W_i 分別為各個(gè)指標(biāo)的隸屬度值和權(quán)重值。土壤質(zhì)量越高則土壤肥力指數(shù)越高。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2019和SPSS25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對土壤性質(zhì)進(jìn)行方差分

析，并使用Origin2022繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下稻田土壤容重的變化

由圖1可知，2022—2023年，稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下稻田土壤容重含量不變，土壤容重略高于水稻單作模式，分別高出 3.67%.2.72% 。與基礎(chǔ)土壤相比，稻-鴨-蝦模式種養(yǎng)2a后，土壤容重增加了 0.89% ，變化不明顯。

2.2稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下稻田土壤理化性質(zhì)分析

由圖2可知，稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下，2023年稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量分別較2022年增長12.76%.2.94%.1.53% ，呈現(xiàn)上升趨勢；而pH值、速效氮、速效磷含量分別較2022年降低 2.64% 、13.06%.15.49% ，呈現(xiàn)下降趨勢；但2a間該模式下土壤理化指標(biāo)間均無顯著差異。

與基礎(chǔ)土壤相比，稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式種養(yǎng)2a后，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量分別提高了20.12%.2.94%.5.84%，pF 、速效氮、速效磷含量分別降低了 3.18%，27.81%，29.32% 。2022年稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下王壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著低于水稻單作模式，分別降低了 24.20% 和 23.16% ;2023年稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下土壤全氮含量顯著低于水稻單作模式，降幅為 19.08% ，pH、有機(jī)質(zhì)等其他土壤理化指標(biāo)均低于水稻單作模式，但無顯著差異。

2.3稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下稻田土壤生物學(xué)性質(zhì)分析

由圖3可知，稻-鴨-蝦模式種養(yǎng)2a，微生物量碳含量增加了 49.60% ，而微生物量氮含量降低了53.27% ，且達(dá)到顯著水平；酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性分別減少了 9.64%.20.43% 。稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下，與水稻單作模式相比，2022年稻田土壤微生物量

2.4稻田土壤肥力指數(shù)變化特征

通過模糊綜合評價(jià)法和簡單線性評分法計(jì)算的土壤肥力指數(shù)如圖4所示，2a種養(yǎng)條件下，稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式與水稻單作模式的土壤肥力指數(shù)均無顯著差異。從2a的土壤肥力指數(shù)變化和比較來看，稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式的土壤肥力指數(shù)增長了 7.94% ，而水稻單作模式的土壤肥力指數(shù)降低了 5.71% 。另外，2022年稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式的土壤肥力指數(shù)低于水稻單作模式，而2023年呈現(xiàn)相反趨勢。

3討論

土壤的理化性質(zhì)可以直接反映其肥力狀況，進(jìn)而影響作物的生長情況[18]。本研究結(jié)果表明，稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下稻田土壤pH呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是由于鴨在田間活動導(dǎo)致雜草生長受阻，使植物與微生物等對 NH₄⁺ 的吸收能力降低，進(jìn)而使光合作用過程中的 CO₂ 含量降低，致使pH值降低[19]。Li等[20]研究表明稻田綜合種養(yǎng)體系隨著年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量會逐漸升高。這與本研究結(jié)果一致，其原因可能是由于種養(yǎng)過程中投喂的飼料未被動物充分利用，殘留在土壤中，從而增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量。速效養(yǎng)分極易受到環(huán)境的影響，研究表明長期的稻蝦共作模式會降低稻田中的磷含量，灌水和排水也會影響土壤速效磷的養(yǎng)分含量，造成徑流養(yǎng)分流失，從而速效磷含量會降低[21]。這與本研究結(jié)果類似，2a的種養(yǎng)試驗(yàn)中，稻-鴨-蝦模式土壤速效磷含量降低了 15.49%

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組分，參與養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵的土壤過程，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著重要作用，其中土壤微生物量碳氮和土壤酶是土壤微生物活性的重要評價(jià)指標(biāo)[22-24]。本研究2a的種養(yǎng)試驗(yàn)中，稻-鴨-蝦模式下稻田土壤微生物量氮含量顯著下降了53.27% 。微生物量氮含量變化比較復(fù)雜，稻田綜合種養(yǎng)技術(shù)雖然有助于提高土壤養(yǎng)分和促進(jìn)微生物生長，但是由于這種模式長期處于淹水環(huán)境，土壤中會有酸類物質(zhì)的大量累積，這不僅抑制水稻根系的發(fā)育和影響水稻的生長，還會被微生物作為有效碳源轉(zhuǎn)化為 CH₄ 等溫室氣體[25]。

土壤肥力指數(shù)可以較全面地反映土壤的肥力特征，科學(xué)合理地評價(jià)土壤肥力對實(shí)現(xiàn)稻田的可持續(xù)利用具有重要意義。本研究采用模糊綜合評價(jià)法和線性評分法分析了稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式以及水稻單作模式的土壤綜合肥力指數(shù)。已有研究表明，在2a的大田試驗(yàn)下，稻-鴨-蝦生態(tài)復(fù)合種養(yǎng)模式有利于改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，能夠優(yōu)化稻田王壤環(huán)境質(zhì)量[26]。本研究2a的種養(yǎng)試驗(yàn)中，稻-鴨-蝦模式與水稻單作模式的土壤肥力指數(shù)無顯著差異，2023年稻-鴨-蝦模式下稻田土壤肥力指數(shù)要略高于水稻單作模式。在稻-鴨-蝦模式稻田土壤用肥量低于水稻單作模式的情況下，其土壤肥力卻與水稻單作模式差異不大，其可能的原因如下：（1）稻-鴨-蝦模式利用鴨和蝦在水稻田中活動，促進(jìn)了生態(tài)平衡，這些動物可以幫助控制雜草和害蟲，減少對化肥和農(nóng)藥的需求[27]；（2）稻田綜合種養(yǎng)水產(chǎn)動物的養(yǎng)殖密度和飼料投入可以增加稻田水體的養(yǎng)分含量，使得該模式下水分管理更為科學(xué)，能夠確保水稻在生長過程中的水分需求，達(dá)到優(yōu)化養(yǎng)分吸收的作用[28]。因此，即使在較低施肥量下，稻-鴨-蝦模式也能保持土壤肥力。

綜上所述，2a的種養(yǎng)試驗(yàn)中，無論是稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式還是水稻單作模式，其土壤肥力指數(shù)均無顯著差異，且稻-鴨-蝦模式的王壤指標(biāo)與水稻單作模式相比也多數(shù)無顯著差異。就稻-鴨-蝦模式而言，稻田王壤肥力指數(shù)存在小幅度上升，而水稻單作的王壤肥力有下降趨勢，并且在第2年稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式稻田土壤肥力指數(shù)要高于水稻單作模式。本研究僅通過2a的田間試驗(yàn)揭示稻-鴨-蝦種養(yǎng)模式下稻田土壤肥力的變化，后續(xù)可以繼續(xù)開展定位研究，關(guān)注該模式下稻田土壤肥力的中長期演變規(guī)律。

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Characteristics of changes in soil fertility in paddy field under model of rice-duck-crayfish

WU Lingyun1，MA Tianqiao1，ZHANG Wanyang1，WANG Jinping2，LI Xiaokun'

1.College ofResources and Enuironment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 43O07o， China; 2. Shuangshui Shuanglii Institute，Huazhong Agricultural University，Wuhan 43oO7o， China; 3.College of Plant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 43007O，China

AbstractThe efects of the rice-duck-crayfish（CDR）model on soil fertility in paddy fields were studied by using field experiments and sampling tests from 2O22 to 2O23.The physical，chemical，and biological properties of soil after harvesting rice were compared between CDR and the rice monoculture （RM） model.The fertity of soil under two models was comprehensively evaluated by combining fuzzy comprehensive evaluation method and simple linear scoring method.The results showed that the content of micro bial biomass nitrogen in soil significantly decreased by 53.27% after 2 years of CDR. The content of organic mater，total nitrogen，available potassium，and microbial biomass carbon in soil had an increasing trend，while the pH ，the content of available nitrogen，available phosphorus，acid phosphatase，and alkaline phosphatase in soil had a decreasing trend，but there was no significant difference.Allindexes except for the content of microbial biomass nitrogen had a decreasing trend to varying degrees compared with RM. There was no significant diference between CDR and RM in term of soil fertility. However， CDR had an upward trend in the soil fertility index of paddy fields，with an increase of 7.94% ，while the soil fertility index ofRM decreased，and the soil fertility index of CDR was 3.03% higher than that of RM in 2O23.It is indicated that there was no significant change in soil fertility in paddy fields under two years of CDR.

Keywordsintegrated farming in paddy field ；soil properties ； soil fertility ；soil fertility index

（責(zé)任編輯：葛曉霞）