滨海稻区稻蟹共作对水田生态的影响

李 楠，桑海旭，马晓慧，于深州,郝 鹏，王 紫

(辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010)

【研究意义】水田生态系统是一种人工生态系统，稻田养蟹是一种发展迅速的稻田生态养殖模式，近年来，关于稻田养蟹对水稻产量、生物多样性、土壤养分含量以及病虫害防治、经济效益方面取得较好的生态、经济与社会效益[1-5]，对以后的经济社会可持续发展至关重要，开展稻田养蟹对生态环境的影响有着重要的理论及实践意义。【前人研究进展】国内外研究表明，浮游植物的光合作用不仅提供了整个水域食物网最初的营养和能量的来源，并且对整个地球的生态系统正常运转起着重要的作用[6]。在水质环境中，pH可以影响植物对水体中硝酸根盐的吸收，水温和溶氧量直接影响水稻植株的生长，并且影响着水中动物的生长发育[7]。一些学者研究表明，稻田养殖系统可以提高土壤有机质、有效磷、速效钾和碱解氮的含量，同时，水中动物的粪便会有2 %以上的脂类物质残留，河蟹摄食稻田中的生物，之后会把生物体内的物质和能量利用起来，对土壤的养分含量起到了增加的效果，进而增加了土壤的肥力。【本研究切入点】由于对滨海区稻田养蟹对生态系统影响的研究比较少，所以，本文对稻田养蟹系统生态进行分析，对农田生态系统的研究进一步完善，为以后的农田可持续发展以及生态环境的保护做出贡献。【拟解决的关键问题】通过稻蟹共作模式，分别从水质、土壤、大气以及浮游植物四方面对稻田养蟹的生态影响做全面的分析，为今后农田生态系统的研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为粘质盐渍型水稻土，有机质含量为33.34 g/kg，全氮量为2.0 g/kg，碱解氮为115 mg/kg，有效磷为20.1 mg/kg，速效钾为185.23 mg/kg，全盐1.34 g/kg，pH 7.92，田间土壤肥力均一，各处理施肥量相同。肥料为有机肥，养分含量全N为12.4 g/kg，全P为14.8 g/kg，全K为11.6 g/kg。

水稻品种为盐丰47，供试河蟹为中华绒螯蟹。

1.2 试验设计

本试验于2016年在辽宁省盐碱地利用研究所基地进行,分为6个小区，埂高40 cm，用塑料薄膜围起。试验设2个处理：①不养蟹区，②养蟹区(河蟹饵料蛋白含量为30 %)，每个处理设3个重复。

水田部分水稻种植采用大垄双行栽培模式，施用有机肥作为基肥，不施追肥。河蟹规格为15 g/只，试验区放养量为50只/块。水稻生育期间不使用除草剂和农药，各试验地处理相同。4月中旬进行播种，播种量为150～200 g/m2。至稻苗三叶期时进行移苗，水稻移栽1周后，放入蟹苗，饵料喂食量为河蟹量总重的3 %。在9月20日左右时收获河蟹，10月初收获水稻，单打单收，每小区选取5穴进行考种测产。

1.3 测定方法

杂草数据测定：根据水稻生长发育阶段进行定点取样调查，记录杂草的种类和数量。

pH用电位法进行测定。水中溶解氧通常采用碘量法测定。CH4、N2O的排放量采用静态箱-气相色谱法测定。

2 结果与分析

2.1 稻蟹共作对田间杂草控制的效果

养蟹区杂草平均密度为9.09株/m2，对照区杂草密度为11.29株/m2。从图1可以看出，在水稻生长的5个时期，养蟹区的杂草密度明显低于对照区的杂草密度，出现这种规律的原因可能是由于河蟹的长时间运动引起水体浑浊，抑制了杂草种子和病原体的萌发，也有可能是因为河蟹是杂食性动物，不断地摄食杂草，影响了杂草的生长。通过稻蟹共作对田间杂草影响的试验，说明了河蟹的存在可以有效地抑制杂草的生长。本文研究的结果与刘青[8]等人研究一致。就杂草密度试验处理而言，各处理结果差异显著。

2.2 稻蟹共作对土壤理化性质的影响

2.2.1 稻蟹共作对土壤碱解氮的影响 从图2可以看出，养蟹区和对照区碱解氮的变化趋势相同，都是先升高后趋于稳定，两块试验地碱解氮的最高值均出现在拔节抽穗期，此时养蟹区的碱解氮为103.7 mg/kg，高于对照区的碱解氮。在水稻生长的5个时期里，养蟹区的碱解氮高于对照区的碱解氮，出现此种状况主要是因为河蟹的存在，在喂食河蟹时，河蟹的饵料中含有氮素，溶于水中，变成氮肥，可以增加土壤的氮含量。河蟹在生长过程中会有排泄物的出现，排泄物中含有大量的氮素，也增加了土壤中的氮素。同时，河蟹在生长的时候会出现脱壳死亡情况，死亡的河蟹会发生腐烂，经微生物分解转化成氮肥，增加了土壤的氮素。此研究结果与魏金连[9]等人的研究相一致，统计表明2种处理的碱解氮含量差异显著。

图1 不同生育期稻苗杂草消长情况Fig.1 Different weed growth stages of rice seedlings

经上分析，由于水稻对氮肥的吸收量不断的增加，使得土壤的碱解氮含量降低。在养蟹区，由于河蟹的存在，其粪便饵料以及腐败的死亡河蟹在水体和微生物的溶解分解下，使得土壤的碱解氮高于对照区的稻田，这与王华[12]等人的研究相一致。

图2 不同生育期稻田土壤碱解氮含量变化Fig.2 Changes of soil alkaline nitrogen content in paddy soil in different growth stages

图3 不同生育期稻田土壤变化Fig.3 Changes of in paddy soil in different growth stages

2.2.4 稻蟹共作对土壤有效磷的影响 在试验期间养蟹区和对照区不同时期有效磷的含量平均为17.01 和15.67 mg/kg，水稻生长期间，有效磷的含量维持在18 g/kg左右，在拔节抽穗期降低到12.4和11.41 mg/kg。图5为不同时期土壤有效磷含量的变化，通过试验结果表明，养蟹区与对照区有效磷的含量是先降低后升高的趋势，在拔节抽穗期达到了最低，出现此趋势主要是因为在水稻生长前期对磷素的吸收量较小，在拔节抽穗期时，水稻根系生长良好，分蘖增加，代谢作用旺盛，加快了磷素的吸收，使得土壤中的有效磷下降，所以在拔节抽穗期时达到了最低点，之后生长对磷素需求不高，吸收量减少，又呈现出了上升的趋势。养蟹区有效磷含量略高于对照区稻田，这主要是因为河蟹的存在，河蟹的粪便和觅食影响了土壤中的有效磷的含量。河蟹觅食时，使土壤松动，改善了土壤气体通透性，利于植株根系的生长，植株吸收养分，使得土壤中有效磷含量降低。河蟹的粪便中含有微生物，微生物可以分解河蟹的饵料，同样增加了土壤中的有效磷含量。土壤气体通透性的改善，利于微生物对养分的分解，增加了土壤原有的养分，进而使得了土壤有效磷的含量增加，此试验结果与刘鸣达[13]等人的研究相一致。

图4 不同生育期稻田土壤变化Fig.4 Changes of in paddy soil in different growth stages

图5 不同生育期稻田土壤有效磷含量变化Fig.5 Changes of available phosphorus contents in paddy soil in different growth stages

2.2.5 稻蟹共作对土壤速效钾的影响 本试验养蟹区速效钾含量为138.97 mg/kg，对照区的含量为137.39 mg/kg。从6中可以看出，养蟹区与对照区土壤速效钾含量的变化为先升高再降低最后又升高的趋势。从试验开始到分蘖期土壤有效钾含量增至140 mg/kg以上，在拔节抽穗期和孕穗期速效钾含量又降至130 mg/kg以下，之后又升至140 mg/kg以上。出现此趋势的原因是在返青期水稻需要壮苗对土壤中的钾素需求大，当到分蘖期时，对钾素的需求逐渐减少，所以土壤中的速效钾会出现上升的趋势。在拔节期抽穗期和孕穗期时，植株生长代谢旺盛，钾参与一些重要的生理代谢例如碳水化合物的分解和转移，具有媒介的作用，同时还有助于氮素代谢和蛋白质的合成，大量需要钾素，所以土壤中的速效钾大量减少，到成熟期时，植株代谢作用减弱，需钾量减少，所以土壤中的速效钾增加。养蟹区速效钾的含量高于对照区的稻田，出现此情况，主要是因为河蟹的存在。河蟹的饵料中含有钾素，溶于水中转化成钾肥，增加了土壤中速效钾的含量。河蟹本身含有大量的钾素，当河蟹死亡腐败时，经过水体和土壤的转化，增加了土壤中速效钾的含量。河蟹觅食扰动水土，减少杂草的数量，降低了杂草对土壤中速效钾的吸收，所以养蟹区速效钾的含量高于对照区的稻田。此试验结果与胡宗云[14]等人的研究相一致，根据数学统计分析，两个处理的土壤速效钾的含量有明显显著。

图6 不同生育期稻田土壤速效钾含量的变化Fig.6 Changes of available potassium content in paddy soil in different growth stages

2.2.6 稻蟹共作对土壤有机质的影响 从图7可以看出养蟹区与对照区的有机质在试验期间整体呈现出先上升后下降的变化，在拔节抽穗期达到最高之后又下降，出现此趋势的原因主要是因为稻田土壤长期淹水，通气效果不佳，有利于土壤有机质的积累，所以在拔节分蘖期达到最高，当水稻进入孕穗期时，植株对有机质的需求量增加，出现了下降的趋势。总体看来，养蟹区的土壤有机质含量显著高于对照区，主要是因为河蟹饵料中含有丰富的蛋白质，当饵料残留时，通过微生物的分解，可以有效的增加土壤的有机质含量。所以养蟹区土壤有机质的含量高于对照区的稻田，这个结论与Daily[15]等人研究相近。根据统计学分析，2个处理的土壤有机质含量的差异性显著。

2.3 稻蟹共作对水质的影响

2.3.1 稻蟹共作对水体pH值的影响 从图8可以看到，在水稻整个生育期，pH的变化在7.8～7.2之间，养蟹区pH与对照区pH相比并无很大差异，水体pH基本无变化，说明河蟹对水体pH的影响并不明显。

图7 不同生育期稻田土壤有机质含量变化Fig.7 Changes of soil organic matter content in different growth stages of paddy soil

图8 不同生育期稻田水体pH值变化Fig.8 Changes of pH in rice water body at different growth stages

2.3.2 稻蟹共作对水体溶解氧的影响 从图9可以看出，水体溶解量的变化趋势为先降低，之后趋于稳定，变化不大，主要是进入7月以后，雨季增加，光照强度减弱，温度降低，水温也逐渐降低，植株光合作用减弱，水中的溶解氧也会下降。当进入孕穗期时，雨量减少，光照充足，植株光合作用旺盛，使得水体溶氧量又缓慢的增加，所以出现了升高的趋势。养蟹区水体的溶氧量低于对照区的水体，但其差异并未达到统计学上的显著水平。出现此现象主要是由于河蟹的存在，河蟹的饵料溶于水中，微生物分解养分需要一部分溶解氧，所以导致养蟹区的溶解氧略低于对照区。

2.4 稻蟹共作对CH4和N2O排放的影响

从图10可以看出，CH4排放量的变化呈抛物线趋势，主要是因为在返青期时，由于基肥施入，土壤的有机质含量较高，经过厌氧发酵，释放出大量的CH4，随着水稻的生长，到了分蘖期，水稻呼吸旺盛，CH4排放处于较高水平，之后随着水稻的生长，根系壮大，供甲烷细菌生长的基质增加，因此到拔节抽穗期时甲烷排放达到最大值，水稻成熟后，土壤的通气性增强，土壤的厌氧环境被破坏，抑制了厌氧菌的繁殖，所以甲烷的排放有所降低。本研究中，养蟹区的甲烷排放量显著低于对照区。主要是因为河蟹的存在，河蟹在水里活动，增强了甲烷通过水体对外排放的途径；而且，河蟹消耗了水体中的溶解氧，觅食杂草，使得水体的溶解氧增加，减少了甲烷的排放。

图9 不同生育期稻田水体溶氧量变化Fig.9 Changes of dissolved oxygen content rice water in different growth stages

不同时期N2O排放量从整体看呈上升趋势(图11)，养蟹区的N2O的平均排放量为0.0702 g/m2，对照区N2O的平均排放量为0.07322 g/m2。N2O是生物硝化和反硝化作用中间的产物，受到氧的有效性和作为反硝化与硝化反应底物无机氮的影响。开始时，稻田一直受到水淹的作用，处于厌氧环境，抑制了NO3-的生成，反硝化的中间产物基本为N2，进而抑制了N2O的释放，之后，稻田落干，通气性良好，有利于土壤的氮矿化反应，硝化作用提高了反硝化作用的反应底物的NO3-的量，进而有利于反硝化的进行，促进了N2O的释放。与对照相比，养蟹田N2O的释放量显著降低，主要是因为河蟹的存在，河蟹消耗了溶解氧，降低了水溶解氧的含量，提高了稻田与土界面的还原反应。

3 讨 论

本文对稻田养蟹的生态做了全面的分析，分别从浮游植物、土壤、水质以及大气四方面进行了研究，并将稻田养蟹与稻田不养蟹进行了对比研究，通过研究表明，稻田养蟹相对于不养蟹来说四方面都有相应的变化，从数据结果可以说明稻田养蟹模式更能改变水田的生态环境。但本实验是从小区域试验的，如果转化成大尺度时，对于今后的农田生态系统的研究还需要考虑更多的问题。

图10 不同生育期稻田CH4排放量的变化Fig.10 Changes of CH4 emissions from rice fields in different growth stages

图11 不同生育期稻田N2O排放量的变化Fig.11 Changes of N2O emissions from rice fields in different growth stages

4 结 论

稻田养蟹生态系统模式可以显著的提高土壤的养分，改善水体环境，净化空气。在土壤方面，与无蟹生态模式相比土壤有效磷增加了1.34 mg/kg、速效钾增加了1.58 mg/kg、碱解氮增加了4.3 mg/kg、有机质增加了0.86 g/kg，含量都有所提升，这样不仅减少肥料的施用，而且能够保护环境以及减少农民的施肥成本；在水质方面，稻田养蟹增加了土壤含氧量，水体溶氧量降低了0.12 mg/L，这样有利于植株根系的生长进而增加了水稻产量，提高了农民收益；在空气方面，减少了CH4和NO2的排放，进而起到了净化空气的作用。此生态模式的优势就是提高农民的经济收益的同时还保护环境，对生态系统的调节具有非常大的作用。