稻鳖共作模式中的土壤养分动态变化及产量形成

杨飞翔，黄 璜，陈 灿，常培恩，欧林志

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

土壤养分作为稻田土壤肥力的物质基础，其丰 缺程度直接影响水稻生长及其产量水平，同时也是评价稻田土壤肥力水平的主要指标。水稻生长离不开养分支持，尤其是土壤中的氮、磷、钾等关键元素［1］。在现代农业生产中，土壤中的养分通常通过化肥、厩肥或动物粪便来补充使其整个系统物质循环能持续进行。农田生态系统中尤其是稻田生态系统中，养分含量之间的互作效应机理复杂，且与外部环境、农田食物链都有一定的联系［2］。由于人为因素，我国常规种植模式中，氮肥、磷肥使用量大，但利用率低［3］。化学肥料中部分氮素、磷素被水稻、土壤吸收利用外，大部分通过不同的方式如气态损失、淋溶和地表径流等途径流失到环境中，对水体和大气环境造成污染，如地表水的富营养化、地下水的硝酸盐污染以及温室效应等［4］。而在生态种养模式中，在免去人为干扰的同时，通过科学方法创造新型农田生态系统，使农田中的物质循环更合理、有序，并能促进养分吸收。本研究通过测定2个水稻品种稻鳖共作模式中头季稻—再生稻各时期的稻田土壤有效养分、全量养分、有机质等关键指标动态变化，探究生态种养模式与一般种植模式中土壤养分变化规律及差异，并分析对比不同种植模式中的水稻产量，为稻田生态种养模式中的农田管理提供一定的科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 供试地点与材料

试验于2018年在湖南省长沙县明月村养分均匀的稻田进行。该地区属于亚热带季风湿润气候，年平均气温16～18℃，≥10℃的年活动积温5000～5500℃，无霜期260～320 d，年降雨量1200～1500 mm。试验地土壤养分含量如表1所示。供试水稻品种为黄华占和Y两优800，前茬作物为紫云英。

表1 试验地土壤基本性状Table 1 Physical-chemical properties of background soils in the study areas

1.2 试验设计

试验共设个4处理，两个水稻品种黄华占（H）及Y两优800（Y），两个品种分别设置稻鳖共作模式（T）与常规单作模式（N）。试验田总面积720 m2，每个处理面积为180 m2，每个处理用田埂分为3个小区，小区面积为60 m2。稻鳖共作模式小区中，四周开围沟，宽1 m，深0.8 m。小区田埂使用防渗膜隔离，防止肥水串灌，插秧后一周投放中华鳖，中华鳖投放规格为200 g／只，中华鳖投放前用3%食盐液浸泡15 min。小区四周搭建钙塑板防逃，地上部高0.8 m，稍向田内倾斜，并于角落设置砂质露台供鳖休憩晒背。9月份前（含9月）沟内每月1日清淤1次并将淤泥撒入田中，同时向沟中按1∶1施入2.5 t／hm2猪粪、鸡粪两种腐殖质培养浮游生物作为中华鳖食物来源之一。采用定时、定点、定质、定量的方式投喂饲料，上午8点及下午5点各投喂总饲料量的50%。饲料配方为80%玉米粉+20%油糠，每周投放1次福寿螺。试验设计见表2。5月9日进行头季稻移植，参照当地一般的基本苗密度，Y两优800插2株／穴，黄华占插3株／穴，株距20 cm，行距25 cm。8月中旬收割头季稻，留桩种植再生稻，所有处理在水稻的整个生育期间不施农药和除草剂。头季稻4叶期追施尿素100 kg／hm2，分蘖盛期追施复合肥500 kg／hm2，头季稻收割前6 d施催芽复合肥160 kg／hm2。收割后3 d追施尿素160 kg／hm2。

表2 试验处理概况Table 2 General situation of test treatment

1.3 试验方法

1.3.1 土壤养分变化动态测定

于水稻未翻耕前（4月15日，T1）、头季稻分蘖期（5月20日，T2）、头季稻幼穗分化期间（6月20日，T3）、再生稻幼穗分化期间（8月15日，T4）、再生稻灌浆后期（9月26日，T5）及再生稻收割期间（11月1日，T6），用S形5点取样法取试验田中表层土壤，取样深度15 cm，自然风干后混匀，研磨过100目筛后自封袋保存。测定指标分别为全量氮（全N）、全量磷（全P）、碱解N、有效P、土壤有机质。各指标的测定方法如表3。

表3 样品名称、试验指标及检测方法Table 3 Sample measurement index and test method

1.3.2 水稻产量及产量构成因素测定

水稻成熟后，每个小区随机选取3穴具有代表性的水稻（边3行不取），统计有效穗数；脱粒后装于小网袋中晒干，然后水选出实粒和秕粒，再分开晒干，统计实粒数与总粒数并计算出结实率；将实粒于70℃恒温烘箱烘3 d，然后随机取1000粒实粒样本3份，得出千粒重。理论产量=单位面积有效穗数×穗粒数×结实率×千粒重。

每个小区选取有代表性且从未进行取样处理的3个1 m×1 m面积大小的区域作为测产区，人工收割，脱粒、晒干，测量样品重量和含水量，按标准含水量计算实际产量。

采用Microsoft Excel 2013制图及数据处理，用SPSS19.0对数据进行分析，Duncan法进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 稻鳖共作对土壤对全N、全P含量的影响

稻鳖共作模式中，除一定的施肥投入外，人工投放的喂养饲料及腐殖质中含有大量的氮、磷等元素，饲料中一部分经中华鳖消化系统处理后排放到稻田中，未被取食部分则残留在围沟中，将围沟中的淤泥撒入田面后，田间土壤的氮磷元素含量显著提高。如表4、5所示，由T1至T2时期，各处理由于基肥的施入使全N、全P上升，但上升幅度不同，其中YT、HT处理上升幅度较大，而YN、HN仅小幅上升，各处理间全N、P含量无显著差异。T2至T3时期，由于饲料残留及中华鳖的代谢物的积累，稻鳖共作YT、HT的全N分别上升6.3%、6.9%，而常规单作YN、HN则分别下降3.3%、2.4%；YT、HT的全P分别上升5.8%、5.9%，YN、HN 则分别下降2%、1.4%，HT、HN间差异不显著，而YT、YN间差异显著，说明YN耗磷量较大。T3至T4时期为中华鳖生长活动的旺盛期，至T4时期时，稻鳖共作的YT、HT的全N含量较T1时期上升9.4%、9.7%，全P较T1时期分别上升14.7%、16%，而此时期YN、HN全N含量较T1时期分别下降5.1%、4.5%，全P含量分别下降6.9%、5%，在T4时期，经过一季水稻的吸收消耗，稻鳖共作模式与常规单作之间全N、全P差距达到最大值，在全N含量方面，YT较YN高14.9%，HT较HN高15.7%。在全P方面，YT较YN高15.3%，HT较HN高17.4%。T4至T5时期为再生稻抽芽、孕穗时期，各处理的全N、全P的含量进一步下降，其中稻鳖共作模式（HT、YT）的全N含量降幅较大，说明水稻对N的需求最大。在T5时期，稻鳖共作模式中全N的整体含量较高，与常规单作同时期相比，差异不显著，同时期不同模式之间，稻鳖共作模式全P含量较高，且差异显著。T6时期各处理的全量养分相对于T5时期均有所下降，其中YT、HT的全N、P含量下降幅度较大，YN、HN的全N、P含量下降幅度较小。至T6时期时各处理间的全量养分已无显著差异，稻鳖共作模式土壤的全量养分（N、P）含量整体较高。

表4 水稻各时期的土壤全N含量变化 g／kgTable 4 Change of total nitrogen content in soil under different treatments

表5 不同处理下水稻各时期的土壤全P含量变化 g／kgTable 5 Change of total nitrogen content in soil under different treatments

2.2 稻鳖共作对土壤有机质含量的影响

土壤有机质是土壤养分的重要指标，其胶体特性对土壤养分分解转化和缓冲具有重要作用，同时也是土壤中各种元素特别是氮、磷的重要来源［6］。如表6所示，T1时期稻鳖共作（HT、YT）与常规单作（YN、HN）之间有机质含量均无显著差异。T1至T2时期由于各处理在水稻种植前撒入等量基肥及紫云英还田等因素的影响，各处理间有机质含量呈上升趋势，YT上升12.24%，YN上升6.4%，HT上升15.6%，HN上升8%，品种间不同种植模式差异显著，不同品种相同种植时间无明显差异。由T2时期直至T6时期，各处理间的有机质含量逐步下降，但稻鳖共作模式下（HT、YT）的土壤有机质持续高于常规单作模式（HN、YN）且差异显著，其中HT整体较HN高约7%，YT整体较YN高约6.4%，YN在T4时期下降明显。

表6 不同处理下土壤有机质含量变化 g／kgTable 6 Change of soil organic matter content under different treatments

2.3 稻鳖共作对稻田土壤有效养分含量的影响

有效养分作为可被水稻吸收的养分，直接影响水稻的生长发育状况。如表7、8所示，T1时期各处理有效养分含量无明显差异，此时期土样为未翻耕田土（紫云英尚未还田），且未进行试验处理，处理间差异主要受田块自然养分分布影响。T2时期为水稻分蘖期，由于基肥的影响，各处理的碱解N含量均有所上升，稻鳖共作模式（HT、YT）相对于常规稻作模式（HN、YN），其含碱解N含量更高，但是差异不显著，主要是因为稻鳖模式中撒入了猪粪、鸡粪等所引起，而有效P含量有所下降，常规稻作模式（HN、YN）中由于养分输入的途径仅靠施肥，其含量与稻鳖共作模式（HT、YT）达到显著差异水平。由T2至T3时期，为水稻生长旺盛时期，对养分及能量需求最大，各处理碱解N、有效P含量均有所下降，但稻鳖共作模式下，其碱解N、有效P含量相对更高，且差异显著。T4至T6时期，土壤有效养分均逐步下降；到再生稻成熟时期（T6），稻鳖共作模式下的碱解N含量略高于T1时期，常规单作模式下的碱解N含量略低于T1时期，有效P含量相较T1时期有显著下降，稻鳖共作模式（HT、YT）的有效P含量相对常规单作模式（HN、YN）较高，但差异不显著。

表7 不同处理下土壤碱解N含量变化 mg／kgTable 7 Change of soil alkaline nitrogen content under different treatments

表8 不同处理的土壤有效P含量变化 mg／kgTable 8 Change of soil available phosphorus content under different treatments

2.4 稻鳖共作对水稻产量及产量构成因素的影响

由表9可知，黄华占的稻鳖共作模式头季稻（HT）相较其常规单作模式（HN）产量高9.9%，两者之间达到显著差异水平，说明稻鳖共作模式对水稻增产有正向作用。在产量构成方面，HT的单位面积有效穗数、穗总粒数、穗实粒数较HN分别高5.1%、5.09%、5.38%，达到显著差异水平，HN千粒重低于HT但差异不显著，说明对于黄华占头季稻而言，稻鳖共作模式能有效提高有效穗数、穗粒数和实粒数，并在一定程度上增加灌浆充实度，使产量增加。Y两优800的稻鳖共作模式头季稻（YT）的产量比其常规单作模式增加9.6%。在产量构成方面，YT与YN的千粒重与结实率无明显差异，而YT单位面积有效穗数、穗粒数、实粒数较YN分别高4.97%、5.34%、4.82%，差异显著，说明稻鳖共作模式能提高其穗粒数、实粒数及有效穗数，但在稻鳖共作模式中的结实率相对较低。

黄华占再生稻在稻鳖共作模式（RHT），相对于常规单作（RHN）产量增加12.4%，达到显著差异水平。在产量构成方面，RHT的单位面积有效穗数比RHN高4.7%，达到显著差异水平；RHT的穗粒数及实粒数也显著高于RHN，但结实率更低；黄华占再生稻不同模式下千粒重差异不显著。Y两优800再生稻在稻鳖共作模式中（RYT）相较常规稻作模式的再生稻（RYN），产量提高7.7%。在产量构成因素方面，RYT的单位面积有效穗数显著高于RYN，但穗粒数及结实率无明显差异。

表9 稻鳖共作的水稻产量及产量构成因素Table 9 Effects of rice-turtle farming on rice yield and yield components

3 讨论与小结

3.1 稻鳖共作对土壤养分变化动态的影响

在稻鳖复合种养系统中，有效养分的来源除了施肥及土壤原有养分外，还有人工投喂的饲料。有研究表明，稻田中养殖动物的分泌与排泄物中的氮元素有75%～85%都是以的离子态形态存在，而是水稻吸收氮元素的主要形式。稻鱼共作中投喂的饲料中仅有11.1%的N和14.2%的P被鱼所同化［6］，而玉米粉中含约4%的N，0.27%的P，油糠中含P量为1.82%，含N量为2.7%［7］。众多学者对生态种养的土壤养分变化进行了大量研究，认为稻鱼模式提高了稻田田面土壤有效P含量及水稻植株对P的吸收，而土壤全P有所增加［8］。本研究中，相对常规单作，稻鳖共作模式下水稻生育期间的土壤有效P含量更高，再生稻灌浆后期不同品种对有效P的吸收量亦有差异，土壤中全P含量亦有所提高，头季稻成熟期两种模式之间的全P含量差距最大（22.1%），与前人研究结果相似。本研究结果同时表明，在稻鳖共作系统中，土壤中的碱解N及全氮含量相较常规单作模式有所提高，与罗衡等［9］的研究结果相同。但罗衡等在碱性土壤的试验中，有机质含量无显著差异，与本研究有较大差异，可能由于投食内容及加入腐殖质不同所致。汪清［10］认为在稻田中引入动物后，动物的活动翻动了土壤，增加了土壤透气性，促进了土壤微生物的活动，从而促进了土壤氧化还原反应，且能有效提升土壤有机质含量。本研究中，稻田土壤在引入中华鳖后，通过中华鳖的活动及投喂饲料与培养浮游生物的措施，在满足中华鳖生活需要的同时，能增加土壤中的有机质含量，改善土壤环境。

3.2 稻鳖共作对水稻产量及产量构成因素的影响

稻鳖共作模式中，前期撒入猪粪、鸡粪等，除了能为鳖培养浮游生物外，同时还能作为水稻基肥，增加了水体中的有机质及微生物数量及类型，有助于土壤无效养分转化为有效养分。鳖投放后，鳖的活动有效控制了杂草及无效分蘖，避免了养分的浪费，有助于有效穗的形成，与赵静［11］的研究结果相同。日常投放的饲料未被取食及取食后未被同化的部分被水体中浮游生物快速取食分解，成为水稻的养分来源。王夏雯等［12］的研究显示，在水稻幼穗分化期，更高的速效养分含量使稻鱼共作模式中的水稻在枝梗分化期及小穗原基分化期时间延长，有助于形成更多枝梗及颖花，表现为在后期增加穗粒数及实粒数。本研究中，黄华占、Y两优800在头季稻稻鳖共作模式中能使二者产量都有所增加，而作为杂交稻品种的Y两优800产量更高。在产量构成因素方面，二者单位面积有效穗数及穗粒数均有所增加。

对于再生稻的产量及产量构成因素而言，何花榕等［13］的研究表明，养分供应特别是氮素供应与再生稻产量成正比，本研究中两品种在稻鳖共作模式下，再生稻均有不同程度增产，与其研究结果相似。除养分因素外，再生稻发苗成穗率取决于头季稻有效分蘖及收割后的天气状况，黄华占在温度适宜且养分条件较好的情况下，RHT单位面积有效穗及实粒数相对RHN更高，增产明显。Y两优800再生稻抽芽期间逢低温阴雨天气，导致抽芽能力降低，再生叶片无法生长，导致其光合作用效率降低，物质吸收转化能力降低从而使幼穗发育受限，两种模式间的有效穗数及穗粒数无显著差异。由于其头季稻的单位面积有效穗较多，使再生稻的单位面积有效穗相对更高。本试验说明，稻鳖共作模式有利于水稻增产。但在品种选择时，应考量其生育期与当地气候特征的适应程度，避免在再生茬抽芽期间遭遇低温阴雨天气。就湖南地区而言，应选择生育期适中的一季稻品种。