北方稻蟹共作对水体氮素淋溶损失的影响

王昂，戴丹超，马旭洲*，牟群，于永清，吕为群

（1.上海海洋大学，水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306；2.上海海洋大学，水产种质资源挖掘与利用教育部重点实验室，上海201306；3.上海海洋大学，农业农村部淡水水产种质资源重点实验室/上海市水产养殖工程技术研究中心/水产动物遗传育种上海市协同创新中心，上海 201306；4.淮安生物工程高等职业学校，江苏 淮安 223200；5.盘山县河蟹技术研究所，辽宁 盘锦 124000）

我国是世界上最大的水稻生产国，施肥是目前维持水稻高产的主要措施之一。据报道，2010年，我国水稻氮（N）肥用量占全球水稻N肥总用量的37%，而N肥的利用率却不足40%[1]。稻田土壤N素淋溶损失是降低N肥利用率的重要原因，同时，淋失的N素还会污染地下水，威胁人类的健康[2]。由于土壤是带负电荷的胶体，所以水中的铵态氮（NH4+-N）被土壤吸附不易下渗，而土壤中的硝态氮极易随水分运移[3]，因此很多学者认为是N淋溶的主要形态[4-5]。但是也有学者持相反观点，认为NH4+-N是N淋溶的主要形态[6-7]。N淋溶受许多因素影响，例如气候条件、土壤特征、施肥模式、作物类型、耕作制度和水分管理等[2,8-9]。

稻鱼共作是我国一项传统的因地制宜种养模式，有研究表明，稻鱼共作可以减少N素的淋溶损失，因为鱼类养殖在稻田中可以改善稻田土壤质地，增加土壤团聚体，降低水分和NO3－-N的淋溶[10]。稻蟹共作也是一种典型的水稻和水产相结合的种养模式，主要应用在我国北方稻作区，有40多年的历史[11]。已有的研究表明，稻蟹共作系统中河蟹与水稻是共生关系，该模式具有较高的经济效益和生态效益[12]。但是，有关稻蟹共作生态系统中N素淋溶损失的研究还未见报道。我们之前的研究[13]发现，养蟹可以增加稻田水体的NO3－-N含量，而淋溶水中NO3－-N含量与田面水中NO3－-N含量呈显著正相关[9]，由此推测养蟹会增加N素的淋溶。另外，土壤微生物量N（microbial biomass nitrogen,MBN）含量与无机N素淋溶也有显著相关性[14]，但它们在稻蟹共作系统中的关系尚且未知。目前，稻蟹共作模式在全国有较大应用面积，仅辽宁省就超过8万hm2[15]，因此，研究稻蟹共作系统中N素的淋溶损失，评估其对环境的影响非常有必要。本试验对比了在稻蟹共作和常规稻作2种模式下N素的淋溶损失，并且结合田面水N素和土壤MBN含量变化，以探究影响N素淋溶的因素和机制，补充稻蟹共作模式的理论基础，为该模式的规模化应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

田间试验于2013年6—10月，在辽宁省盘锦市坝墙子镇姜家村（41.17°N,122.26°E）进行。试验点地处温带季风性气候区，年均气温9.2℃，降水量613.7 mm，降水主要集中在每年的5—9月，占全年降水量的72.7%。经检测，该试验地点的土壤总氮（total nitrogen,TN）质量分数为1.61 g/kg，总磷（total phosphorus,TP）质量分数为0.45 g/kg，总有机碳（total organic carbon,TOC）质量分数为13.8 g/kg，pH为7.28。

1.2 试验材料

供试水稻为盐粳456（Oryza salivasubsp.Keng），是辽宁省盐碱地利用研究所培育的一种中晚熟的水稻品种，生育期163 d左右，稻种由辽宁省农业科学院提供。河蟹为辽河水系中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis），由辽宁省盘山县河蟹技术研究所提供。肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O516%）和硫酸钾（K2O 50%）。

1.3 试验设计

田间试验按照施肥和养蟹二因素裂区设计。主处理为不养蟹与养蟹，其中，不养蟹就是常规稻作模式，养蟹就是将大眼幼体放入稻田培育成一龄蟹种；副处理为施N肥与不施N肥。试验共4个处理，即单作稻不施N肥（R0M），稻蟹共作不施N肥（R0C），单作稻施N肥（R1M）和稻蟹共作施N肥（R1C），每个处理各3次平行，一共12个小区，每个小区面积为100 m2（10 m×10 m）。

1.4 田间管理

每个小区有各自的进水口和排水口。进水口用尼龙网（80目）包裹，以防杂鱼进入和河蟹逃逸。小区之间用田埂（宽1.0 m，高0.5 m）隔开，在田埂上用厚塑料膜做成高40 cm的防逃墙，田埂内沿四围用镀锌铁皮（宽45 cm，厚约0.5 mm）垂直插入土壤内达20 cm，以减少各小区之间的侧渗。2013年5月27日，将N肥、P肥和K肥一次性施入稻田，施肥量为 N 160 kg/hm2、P2O570 kg/hm2和 K2O 80 kg/hm2。施肥后，所有小区人工翻地深15～20 cm。5月30日灌水泡田；6月1日人工插秧，密度为行距30 cm、株距16 cm，之后田间无任何植保措施。6月9日，将大眼幼体（0.005 g）放入养蟹单元格，密度为120万只/hm2。每天17：00左右投喂一次配合饲料，天气不好或者饵料有剩余的情况下不投喂。为了防止一龄蟹种提早成熟，根据经验，在8月25日—9月15日期间停止投喂，于9月16日恢复投喂，直至9月23日。配合饲料购自禾丰牧业有限公司（沈阳），成分：粗蛋白≥35%，粗脂肪≥5.5%，粗纤维≥9%，粗灰分≤15%，TP≥1%。10月1日，人工收割水稻。10月20日，收获河蟹，累积投饵量为920 kg/hm2。

1.5 采样与测定

试验期间，田面水一共进行了15次采样。用50 mL的注射器，选择5个点，在不搅动土壤的情况下抽取田面水，注入500 mL的采样瓶中，立刻送至实验室分析。淋溶水一共进行了13次采样。淋溶水的收集用聚氯乙烯（polyvinyl chloride,PVC）管淋溶计，采集和估算方法参考LI等[16]的研究。将一根外径160 mm、壁厚4 mm的PVC管截成长为100 cm的小段，一端封口严实，作为底部。在管内安置一根橡胶管，用来收集淋溶水。在距离底部20～30 cm的部分，用钻头直径为4 mm的电钻打若干小孔，将小孔部分用60目尼龙网包裹紧密，以防泥沙进入。将PVC管安置在每小区中间，距表土深度70 cm。顶部用盖子盖好，以防雨水进入。每次采集时用注射器将管中的淋溶水全部取出，测量其体积并分析其中的N素含量。

在水稻返青期、分蘖期、拔节期、灌浆期和成熟期，分别在每个单元格按“S”形取5个点，每个点用土钻（砖头直径2.5 cm）采集深度为0～20 cm的土壤样品，剔除其中的石砾和可见有机物，过2 mm筛，立即带回实验室，进行NH4+-N、NO3－-N和MBN含量的测定。NH4+-N含量测定采用纳氏试剂分光光度法，NO3－-N含量测定采用紫外分光光度法，TN含量测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法[17]。由于天然水体中亚硝态氮（NO2－-N）含量较低，可以忽略不计，所以水体TN含量减去无机N（NH4+-N+NO3－-N）含量即为溶解性有机N（soluble organic N,SON）含量[18]。土壤MBN含量采用三氯甲烷熏蒸、0.5 mol/L K2SO4溶液浸提法测定[19]。

1.6 数据分析

各处理水体N素和土壤MBN的差异显著性采用单因素方差分析和邓肯多重范围检验（Duncan's multiple range tests,DMRT）。N素淋溶量与环境因子的相关性采用回归分析法进行计算。采用SPSS 19.0软件进行数据的统计和分析；采用Origin 9.1和Excel 2007进行作图。

2 结果

2.1 不同处理土壤MBN含量的动态变化

纵观水稻整个生长期，各处理土壤MBN质量分数均呈现先升高后降低趋势，在水稻分蘖期达到最高，在成熟期降至最低（图1）。土壤MBN质量分数变化范围为7.95～28.20 mg/kg，平均为15.25 mg/kg。施肥稻田的平均土壤MBN质量分数为18.57 mg/kg，较不施肥稻田（11.65 mg/kg）提高 59.4%（P＜0.05）。养蟹稻田的土壤MBN质量分数平均为16.49 mg/kg，较单作稻田提高了17.7%。只有在水稻拔节期和灌浆期，R1C处理中土壤MBN质量分数分别为22.94 mg/kg和20.70 mg/kg，显著高于R1M处理中土壤MBN质量分数（分别为17.28 mg/kg和14.82 mg/kg，P＜0.05），在其他情况下差异不显著（P＞0.05)。

2.2 不同处理田面水N素含量的动态变化

如图2所示：水稻生育期间，各处理田面水NH4+-N质量浓度为0.27～38.80 mg/L，平均为5.10 mg/L；NO3－-N质量浓度为0.05～8.98 mg/L，平均为1.12 mg/L；TN质量浓度为0.70～76.34 mg/L，平均为10.04 mg/L。各处理田面水N素含量的变化趋势相似：施肥稻田前期达到峰值，之后迅速下降直至稳定；不施肥稻田整个生长期变化平稳。NH4+-N是田面水N素存在的主要形态，平均质量浓度占TN的50.8%，NO3－-N质量浓度仅占TN的11.2%。

图1 不同处理土壤MBN含量的动态变化Fig.1 Dynamic change of microbial biomass nitrogen(MBN)content in soil under different treatments

由图2还可以看出，施肥稻田田面水NH4+-N、NO3－-N和TN平均质量浓度分别为8.69、1.87和17.35 mg/L，分别是不施肥稻田的5.8、6.4和4.9倍，说明田面水N素含量主要受施肥的影响。对比养蟹稻田和单作稻田可以发现，在不施肥的条件下，R0M处理田面水NH4+-N、NO3－-N和TN平均质量浓度分别为1.48、0.36和2.69 mg/L，R0C处理田面水NH4+-N、NO3－-N和TN平均质量浓度分别为1.53、0.39和2.76 mg/L，二者差异不显著（P＞0.05)。在施肥的条件下，R1M处理田面水NH4+-N、NO3－-N和TN平均质量浓度分别为8.56、1.86和17.10 mg/L；R1C处理田面水NH4+-N、NO3－-N和TN平均质量浓度分别为8.81、1.88和17.60 mg/L，二者差异也不显著（P＞0.05)。可见，养蟹与否对稻田田面水的N素含量没有影响。

图2 不同处理田面水N素含量的动态变化Fig.2 Dynamic change of N concentrations in flooding water under different treatments

2.3 不同处理淋溶水N素含量的动态变化

如图3所示，水稻生育期间，稻田淋溶水NH+-4N、NO3－-N和可溶性有机氮（dissolved organic nitrogen,DON）在前期达到峰值，之后快速下降至平稳。淋溶水NH4+-N质量浓度为0～8.82 mg/L，平均为0.74 mg/L；NO3－-N质量分数为0.06～9.13 mg/L，平均为1.52 mg/L；DON质量浓度为0.09～2.73 mg/L，平均为0.46 mg/L。

在各处理下，NH4+-N、NO3－-N和DON的平均淋溶量分别为1.81、4.61和1.46 kg/hm2（表1）。NO3－-N是淋溶水N素的主要形态，占TN的58.5%；其次为淋溶水NH4+-N，占TN的23.0%；最低为DON，占TN的18.5%（表1）。在施肥稻田中，前期的N素淋溶量很大，在施肥后约半个月（2013年5月30日—6月12日）R1M和R1C的TN淋溶量分别占全生育期淋溶量的31.3%和34.6%（图4）。而R1M和R1C的TN淋溶量占各处理施N量的6.1%～7.8%，平均值分别为7.4%和6.3%（表1）。可见，淋溶不是肥料N素损失的主要途径。

图3 不同处理淋溶水N素含量的动态变化Fig.3 Dynamic change of N concentrations in leaching water under different treatments

总的来说，施肥显著提高了N素的淋溶损失，而养蟹对N素淋溶损失的影响较复杂（表1）。在不施氮肥稻田，R0M和R0C的NH4+-N、DON和TN淋溶量无显著差异（P＞0.05），R0M的NO3－-N的淋溶量显著高于R0C（P＜0.05）；在施肥稻田中，R1C的NO3－-N和TN淋溶量分别较R1M低18.1%（P＜0.05）和15.0%（P＜0.05），而两者NH4+-N和DON的淋溶量无显著差异（P＞0.05）。

表1 各处理稻田NH4+-N、NO3－-N、DON和TN的淋溶量Table 1 Cumulative leaching of total NH4+-N，NO3－-N,DON and TN under different treatments

各处理符号表示的含义见表1注。柱状图内的数值代表占总TN淋溶量的百分比。Please see the footnote of Fig.1 for the details of each treatment symbol.The values in histograms are the proportion in the total TN leaching content.

3 讨论

3.1 稻蟹共作对土壤MBN含量的影响

土壤MBN含量变化范围为7.95～28.20 mg/kg，和赵先丽等[20]报道的辽宁省稻田土壤MBN含量类似，但是低于南方土壤MBN含量[21-22]，可能与气候和土壤条件有关[23]。各处理稻田土壤MBN含量总体呈现先增加后降低的趋势，于水稻成熟期降至最低。原因是在水稻生长初期，适宜的温度和前茬留下的秸秆和稻根等有机物为土壤微生物的繁殖提供了有利的条件，增加了土壤MBN含量[21]。随着水稻的生长，土壤中MBN含量逐渐下降，直到水稻成熟期降至最低，可能是由于水稻对N素的吸收[24]。因此，土壤微生物既是“N库”，在土壤N含量丰富的时候，储存N素；也是“N源”，在水稻需要的时候为水稻供N[25]。在水稻生长后期，由于水稻根系吸N能力减弱，并且根系脱落物增加，促进了土壤MBN含量的显著提升[24-25]。类似的现象并未在本研究中发生，可能因为北方寒冷的气温造成了土壤微生物的死亡，从而降低了土壤MBN含量[26]。施肥增加了土壤MBN的含量，因为施肥增加了土壤的能源物质，提高了微生物的活性，进而促进了土壤MBN的增加[27]。养蟹也提高了土壤MBN的含量，因为河蟹的粪便增加了土壤的有机质含量，为微生物的固N提供了碳源，从而增加了土壤的MBN含量[28]。不过显著差异仅发生在施肥稻田的水稻拔节期和灌浆期，R1C处理的土壤MBN含量显著高于R1M处理，在其他情况下差异不显著。可能因为河蟹是杂食性动物，除了摄食配合饲料，还取食稻田中的水生植物[29]、水稻脱落的稻叶、掉落的稻花等有机物质，从而加速了有机质的分解。而施肥稻田中这些有机物质量要远高于不施肥稻田，从而只有在水稻生长中后期的施肥稻田中，养蟹稻田与常规稻田土壤MBN含量呈现显著差异。但是到了水稻收获期（9月30日），土壤温度较低，微生物的生物量降到较低水平，从而无显著差异。

3.2 稻蟹共作对田面水N素含量的影响

田面水N素的主要存在形态是NH4+-N，这与很多学者的报道[5,30]类似。施N可以显著提高田面水的N素含量。尿素施入稻田后，在脲酶的作用下，迅速水解为NH4+-N。大量的NH4+-N促进了水体藻类的发生，而NH4+-N又经过硝化作用成为NO3－-N，所以施肥后，N素含量迅速升高，达到峰值[31]。之后，随着氨气（NH3）挥发，N素淋失，田面水N素含量急剧下降至平稳。此时水稻在返青期，根系生物量小，且根系受伤还未恢复，吸收水肥能力弱，因此这个时期成为N素损失风险最大的时期[32]。不施肥稻田的初期田面水N素含量也最高，因为稻田土壤在插秧前经过深翻，促进了土壤有机质矿化，加速了N素释放[18]。

河蟹对田面水N素含量的影响较小，R0M和R0C、R1M和R1C的N素含量均无显著差异。虽然河蟹粪便会为稻蟹共作系统提供额外的N素，但是河蟹的活动可能促进了水稻对N素的吸收，所以并未观测到显著差异。而之前的报道[13]显示，养蟹可以增加田面水NO3－-N含量，原因是稻田四周挖掘环沟属于开阔水体，其溶解氧含量高，硝化作用强，所以田面水中的NH4+-N较易转化为NO3－-N，而水稻对于环沟水体中N素的吸收较少，因此养蟹可以增加田面水NO3－-N含量。而本次试验没有设置环沟，稻田水体较小，因此受灌溉和降雨的影响较明显。另外，在有环沟的稻田中，河蟹活动较为集中，从而增加了局部水体的N素含量[33]，而在没有环沟的稻田，河蟹分布较分散，因此，水体N素增加的现象不明显。

3.3 稻蟹共作对淋溶水NH4+-N、NO3－-N和TN的影响

施肥显著提高了N素的淋溶损失。施肥后，短时间大量的N素溶入水中，此时水稻处于秧苗期，吸收能力很弱，所以接近一半的N素淋失发生在前期；之后，随着水稻吸收，土壤固定，其他形式的N素损失，淋溶水N素含量不断下降，因此，水稻秧苗期成为N素淋溶损失的主要阶段[4]。然而，不施肥稻田前期N素淋溶量也较大，所以前期淋溶的N素不完全是因为施肥，还来源于土壤中积累的有机N的矿化[34]。本试验TN的淋失量为4.80～13.46 kg/hm2，高于QIAO等[35]和ZHANG等[36]的研究结果。分析其原因有2点：1）分次施肥较一次性施肥更能增加水稻对N素的吸收，从而降低N素淋溶损失[37]；2）有机与无机配施也可以降低N素淋溶损失[9]。施肥稻田R1M和R1C处理的N素淋失率为6.1%～8.4%，处于国内当季肥料N素淋失率范围（0.1%～15.0%）之内[16]。

关于淋溶水中主要的N素形态，一直没有统一的结论，可能与种植制度，淋溶水的收集方法、深度和频率有关[38]。本试验结果表明：淋溶水中NO3－-N是N素流失的主要形态，占58.5%，其次是NH4+-N，占23.0%，这与ZHANG等[36]的结论类似。但是纪雄辉等[39]对双季稻N素淋溶的研究表明，NH4+-N是无机N素淋溶的主要形态，远高于NO3－-N。分析其原因，本研究地处北方，降雨量少，稻田只有在6月—10月是淹水状态，其他时间大多是落干状态；此外，该区域处于季节冻融区，冻结和融化的过程增加了土壤的通气性[40]，促进了硝化反应的发生。而南方气候湿润，降雨量大，双季稻田土壤常年处于水分饱和与强还原状态，无机N大多以NH4+-N的形式存在[41]。在本研究中，淋溶水NO3－-N含量与田面水NO3－-N含量呈显著正相关（图5），因此可以推测淋溶水中的NO3－-N主要来源于田面水，之前的学者也有类似的报道[9]。

图5 田面水NO3--N含量和淋溶水NO3--N含量的相关性Fig.5 Correlation between NO3－-N concentrations in leaching water and NO3－-N concentrations in flooding water

养蟹可以显著降低NO3－-N和TN的淋溶量，其原因有以下2点：1）河蟹在稻田中扰动，促进了水稻根系对NO3－-N的吸收，从而降低了其淋溶量。水稻是一种喜NH4+-N作物，但是有研究表明，水稻对NH4+-N、NO3－-N的吸收表现出明显的阶段性，从移栽到分蘖期，水稻较多地吸收NH4+-N，从拔节到成熟期，水稻以吸收NO3－-N为主[42]，甚至水稻根系泌氧作用可以把根系周围的NH4+-N转化成为NO3－-N，进而吸收利用[43]。因此，在水稻拔节期后，河蟹活动日益旺盛，更加促进了水稻对NO3－-N的吸收。2）养殖河蟹可以不断地向稻田投入有机肥（粪便），从而改善土壤的质地，提高土壤的持水保肥能力，降低NO3－-N的淋溶速率，更利于根系对NO3－-N的吸收[36]。养蟹稻田和单作稻田的NH4+-N的淋溶损失差异不大。因为土壤可以吸附NH4+-N，除了灌溉后的10 d内（6月2—12日），各处理土壤NH4+-N均未呈盈余状态，因此，水中溶解的NH4+-N在下渗过程中主要被土壤吸附，以供水稻吸收。

3.4 稻蟹共作对淋溶水DON含量的影响

土壤中DON是土壤有机质转化和微生物代谢活动的中间产物，反映了微生物对有机质的分解和利用，是土壤中最活跃的N素组分，虽然量较少，但是容易随水分移动，所以既方便植物吸收，又容易淋失[44]。各处理稻田DON淋溶主要发生在水稻返青期和成熟期。一方面，在插秧前，前茬的秸秆、根系等丰富的有机质留在土壤中，而随着稻田淹水，大量的DON随着水分流失；另一方面，施肥稻田尿素深施，下层土壤脲酶活性低[45]，尿素分子也随着水下渗淋失。因此，施肥显著地提高了DON的淋溶损失。而随着矿化、水稻吸收、土壤微生物固持等的发生，DON的淋失降低。在水稻生育后期，水稻根系脱落物不断增多，以及微生物的死亡，均向土壤中释放DON[46-47]，导致各处理淋溶水DON含量升高。因此，在不施肥稻田中淋溶水DON含量与土壤MBN含量呈显著负相关（图6）。而在施肥稻田中，两者却不相关，推测在本试验中施肥是影响淋溶水DON含量的主要原因。

图6 不施肥稻田淋溶水DON含量与土壤MBN含量的相关性Fig.6 Correlation between DON concentrations in leaching water and MBN concentrations in soil under R0M and R0C treatments

由于河蟹的存在，R1C系统中土壤有机质含量高于R1M，而且养蟹促进了水稻根系发育，根系分泌物更多，所以理论上养蟹稻田中DON淋失量要高一些，然而二者并无显著差异，甚至养蟹稻田的淋溶DON量要低于单作稻田。原因可能是河蟹仅在水土界面活动，其粪便散布土壤表面，即使部分有机N溶于水后，在下渗的过程中被水稻吸收，或者被微生物吸收同化[48]，所以对40 cm深处的淋溶液影响较小。而河蟹增加了水稻根系的活力，促进了其对DON的吸收；同时，促进了土壤微生物的增殖，增加了其对DON的固持[25]，从而降低了DON的淋失。

4 结论

1）NH4+-N是田面水N素的主要淋溶形态，施肥可以显著提高田面水N素含量，稻蟹共作对田面水N素含量影响较小。

2）施肥和养蟹均可以提高土壤MBN含量。

3）NO3－-N是淋溶水N素的主要淋溶形态，施肥显著降低了淋溶水N素量。养蟹显著降低了淋溶水NO3－-N含量，但是对淋溶水NH4+-N和DON含量影响较小。与单作稻田相比，在施肥条件下，养蟹使TN淋溶量降低15.0%；在不施肥条件下，使TN淋溶量降低7.2%。R1M和R1C处理的TN淋溶量分别占当季施肥量的7.6%和6.3%。