稻龟生态系统中稻田土壤养分动态变化及生产效果研究

刘 丽，周 昆，邓时铭，邹 利，李金龙，何志刚，王冬武，黄志才

（1. 湖南省水产科学研究所，水生动物营养与品质调控湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410153；2. 湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125）

生态综合种养是一种将水稻栽培技术和动物养殖技术相结合的复合农业生产方式，符合“低碳”农业模式要求，是一种可持续发展的生态农业模式。该模式一方面稻田中水稻为水产动物的生长提供丰富的天然饵料和舒适的栖息环境，有利于提高动物产品品质；另一方面水产动物又可起到疏松土壤、捕虫除草及增加土壤养分的作用，从而达到稳粮、 促渔、 增收、 提质的效果[1-2]。长期以来，我国水稻传统种植主要依靠化肥、农药等化学物质的大量施用来提高产量，从而导致稻田生态系统退化，土壤结构变劣，土壤肥力下降[3]。研究表明，稻渔共生模式对土壤理化性质改变、水稻产量以及经济效益提高等方面均具有重要影 响[4-6]。李广茂等[7]研究发现，稻鸭复合生产模式可以有效提高土壤pH 值以及碱解氮、有效磷、速效钾和有机质的含量。然而，目前稻渔综合种养模式仍停留在生产经验水平上，或重渔轻稻、或重稻轻渔，着重关注种养技术、模式升级、经济效益及高产高效的生态优势等方面[8-10]，而对于稻田土壤养分的动态变化较少关注，尤其是对稻龟生态种养模式鲜见报道，这使稻龟生态系统中的水稻增产增效机理缺乏相关科学依据。因此，了解和掌握土壤养分动态变化规律，对提高水稻产量和品质，改善草龟肌肉品质，减少农药和化肥用量，保护生态环境具有非常重要的意义。中华草龟（Chinemysreevesii）因具有较高的食用、药用和宠物养殖价值而深受人们青睐[11-12]。为此，笔者以水稻和中华草龟为研究对象，通过比较3 种模式（即单种稻、单养龟和稻龟综合种养模式）对土壤养分动态变化的影响，观察不同模式下土壤养分的动态变化规律，以期为稻龟生态种养模式的生态评价和生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

草龟来自湖南呈宝龟类繁养有限公司；水稻秧苗（品种为联优华占，2019 年5 月26 日播种）来自湖南省水稻研究所；蓝色圆形塑料桶（r=98 cm、h=120 cm，s=3 m2）9 个；鱼塘淤泥（用于塑料桶底层铺设），淤泥pH 值为6.09，养分含量：全氮4.31 g/kg、全磷1.91 g/kg、全钾20.6 g/kg、水解氮359 mg/kg、有效磷22.9 mg/kg、速效钾370 mg/kg、有机质55.3 g/kg。试验在湖南省水产科学研究所试验基地进行。

1.2 试验方法

试验采用完全随机设计，随机分成3 组，分别为草龟单养组（TM 对照组，放养20 只草龟，密度为 4 500 只/667m2）、水稻单作组（RM 对照组，种植28株水稻）和稻龟综合种养组（RT 试验组，8 只草龟，密度为1 800 只/667m2，种植28 株水稻），每组重复3 次，共9 个处理，84 只草龟。试验桶底层铺设一层鱼塘淤泥，其中TM 组高度为20 cm， RM 组和RT 组高度为40 cm。试验于2019年6月26日移栽水稻秧苗，7 月3 日放养草龟，9 月16 日捕获草龟，9 月26 日收获水稻（龟稻共生74 d）。试验设计如图1。

图1 试验设计和采样时间

1.3 日常管理

当水稻秧苗生根后，将84 只草龟分别放养至TM 组和RT 组，保持RM 组和RT 组的水深为10 cm，TM 组的水深为50 ～60 cm，且将水葫芦移植到TM 组中，以减少氮、磷的富营养化污染；每周灌水一次，以保持各试验桶水位一致，当RM 和RT 试验桶内水温超过30℃时，加深水位至20 cm。龟饲料为膨化配方商业饲料（含42.59%粗蛋白、5.16%粗脂质、10.85%粗灰分和8.68%水），按照草龟体重的3%投喂2 次/d（上午9：00 和下午5：00），且按“四定原则”（定质、定量、定点和定时）进行日常管理，每天记录水温、摄食及死亡情况；在整个试验期间，RM 组和RT组均未施用农药和肥料。

1.4 样品采集与测量项目

在试验开始前，草龟饥饿24 h 测量初始重量，试验结束后，再饥饿24 h，测量草龟形态指标、体重、增重率、特定生长率、饲料转化效率、肝脏指数和内脏指数；取TM 组和RT 组各5 只草龟的腿部肌肉搅碎后装于自封袋内，并置于-20℃冰箱保存备用；在水稻成熟时，采用收获法测定各桶水稻产量，随机选取RM 组和RT 组各桶内的10 个代表性株系，测定其水稻形态指标、结实率和千粒重等。风干大米经粉碎后过80 目筛储存在自封袋内备用。泥样采集4 次，分别于水稻返青期（2019 年7 月3 日）、拔节孕穗期（2019 年8 月6 日）、灌浆期（2019 年8 月26 日）和成熟末期（2019 年9 月16 日）的上午8：00 采集泥样样品，风干粉碎后装于自封袋内备用。采样时间如图1，计算公式如下。

式中，WG 为体增重（%），SGR 为特定生长率，FCR 为饲料转化效率，VSI 为内脏指数；HSI 为肝脏指数，W0为初重 (g)；Wt为末重（g）；d 为投喂天数。

1.5 测定方法

泥样的pH 值、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾和有机质分别按照《NY/T 1121.2—2006 土壤检测第2 部分：土壤pH 值的测定》、《LY/T 1228—2015 森林土壤氮的测定》、《GB/T 9837—1988 土壤全磷测定法》、《NY/T 1121.7—2014 土壤检测第7 部分：土壤有效磷的测定》、《NY/T 87—1988 土壤全钾测定法》、《NY/T 889—2004 土壤速效钾和缓效钾含量的测定》和《NY/T 1121.6—2006 土壤检测第6 部分：土壤有机质的测定》的方法进行测定。

1.6 数据处理

所有的测定值均进行 3 次平行重复，取平均值。所有数据经 Excel 2010 处理，试验数据以平均值±标准差（Mean±SD）表示。采用SPSS 24.0 皮尔森相关系数检验（Pearson correlation test）来分析生长性状与土壤养分之间的相关性（R2）。采用SPSS 24.0 统计软件进行2 个独立样本的T 检验分析，P ＜0.05 为差异显著。

2 结果与分析

2.1 水稻不同生育期土壤养分动态变化

2.1.1 土壤pH 值和有机质动态变化 图 2A 结果表明，从返青期、拔节孕穗期、灌浆期到成熟末期4 个时期，TM 和RT 组土壤pH 值变化不大，趋于稳定状态，而RM 组土壤的pH 值一直呈上升趋势。图2B 中，4 个时期中，TM 组的有机质含量均高于RM 组和RT组，且随着时间的推移呈上升的趋势；其中，成熟末期TM 组的有机质含量是RM 组1.97 倍，是RT 组的1.60 倍，且差异显著（P ＜0.05）；而RM 组则从返青期到拔节孕穗期呈上升的趋势，但从拔节孕穗期到成熟末期呈急剧下降的趋势，只有RT 组的有机质含量在4 个时期趋于稳定状态，差异不显著（P ＞0.05）。

2.1.2 土壤全氮和水解氮动态变化 图3A 结果显示，从返青期、拔节孕穗期、灌浆期到成熟末期4 个时期，TM 组的全氮始终处于最高水平，与RM 组和RT 组差异显著（P ＜0.05），其中，成熟末期时TM组的全氮含量分别是RM 组和RT 组的3.13 倍和1.60倍，3 组的全氮含量差异均显著（P ＜0.05）；RM 组4 个时期的全氮含量一直呈下降趋势且差异显著（P＜0.05），而RT 组则是先下降后再上升趋于稳定状态（P ＞0.05）。图3B 中4 个时期TM 组的水解氮均显著高于其他2 个组（P ＜0.05），且呈上升趋势，而RM组和RT组的水解氮却呈显著下降趋势（P＜0.05）。

图2 水稻不同生育期各试验组土壤pH 值（A）和有机质（B）的动态变化

图3 水稻不同生育期各试验组土壤全氮（A）和水解氮（B）的动态变化

2.1.3 土壤全磷和有效磷动态变化 图4 结果表明，从返青期、拔节孕穗期、灌浆期到成熟末期4 个时期，TM 组、RM 组和RT 组3 个组的全磷和有效磷变化趋势相一致，均表现为TM 组最高，且在土壤中呈不断增加的趋势，而RM 组和RT组4 个时期的全磷和有效磷均表现为不断下降的趋势（P ＜0.05）；其中，成熟末期TM 组的全磷含量分别是RM 组和RT 组的2.51 倍和2.21 倍，而有效磷含量是RM 组和RT 组的10.18 倍和8.15 倍，差异显著（P＜0.05）。

图4 水稻不同生育期各试验组土壤全磷（A）和有效磷（B）的动态变化

2.1.4 土壤全钾和速效钾动态变化 从图5A 中可以看出，返青期、拔节孕穗期、灌浆期到成熟末期4 个时期，TM 组和RT 组全钾含量差异不显著（P ＞0.05），而RM 组在灌浆期急剧下降，成熟末期又回升至返青期水平；其中，灌浆期TM 和RT 2 个组全钾含量分别比RM 组高36.67%和37.00%（P ＜0.05）。图5B结果表明，4 个时期TM 组的速效钾与全钾变化趋势一致，显著高于RM 组和RT 组（P ＜0.05），且呈先升后降再升趋势，但组内含量差异不显著（P ＞0.05）。

2.2 水稻生产效果

图5 水稻不同生育期各试验组土壤全钾（A）和速效钾（B）的动态变化

2.3 稻田土壤养分动态变化与水稻生产效果的相关性

从表3 中可以看出，土壤养分之间存在一定的相关关系，水解氮与全氮、全磷和有机质呈极显著的正相关关系（相关系数分别为0.93、0.81 和0.91），全氮与全磷和有机质也呈现出极显著的正相关关系（相关系数分别为0.94 和0.99），与全钾呈显著的正相关关系（相关系数为0.50），有机质也与全磷和全钾呈极显著（相关系数为0.94）和显著（相关系数为0.56）的正相关关系。草龟增重与土壤养分的相关关系不显著，且草龟增重与pH 值、水解氮、速效钾、全氮、全磷、有机质之间存在不显著负相关关系，谷增重与pH 值、水解氮、全氮、全磷、有机质之间存在不显著正相关关系，且与速效钾和全钾存在极显著的正相关关系（相关系数分别为0.70 和0.83）。这说明草龟增重与土壤养分的关系不大，而稻谷增重与土壤养分的关系密切。

表1 RM 组和RT 组水稻生长性状比较

表2 TM 组和RT 组草龟生长性能比较

表3 土壤养分与水稻和草龟生长相关分析

3 结论与讨论

3.1 池塘单养草龟的土壤养分含量比水稻单作和稻龟综合种养高

试验结果表明，从返青期、拔节孕穗期、灌浆期到成熟末期，池塘单养龟组的全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷和速效钾含量始终处于最高水平，与水稻单作组和稻龟综合种养组差异显著，其中，池塘单养龟组各养分含量随着水稻的生长一直呈上升的趋势，而水稻单作组和稻龟综合种养组随着水稻的生长一直呈下降的趋势（全氮和全钾除外），但稻龟综合种养组高于水稻单作组。池塘单养龟中，由于没有水稻对氮、磷、钾元素的吸收和利用，大量含有氮、磷、钾营养成分的饲料残渣和草龟粪便通过水体后沉积于底泥中，且随着时间的推移而不断的积累，导致其一直呈现上升的趋势[13]。而稻龟综合种养组中，大量的饲料残渣和草龟粪便被水稻充分吸收和利用，故而其含量显著低于池塘，但水稻单作组中，没有进行施肥和补充养分，导致其含量低于稻龟综合种养组。

土壤养分直接影响水稻的健康生长及产量，Schoenholtz 等[14]认为土壤pH 值、有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾等土壤养分指标是评价土壤肥力的重要指标[14]。近年来，国内针对稻田综合种养中土壤养分动态变化规律及经济效益进行了大量的研究[3-4,15-17]。佀国涵等[14]认为稻虾共作模式改善了土壤结构，增加了土壤养分，提高了水稻产量及经济效益。而徐敏等[16]研究发现，稻蟹共生模式可以调节土壤 pH 值，显著提高土壤中有机质的含量，但对土壤总氮含量影响不显著，在水稻生长后期会显著提高土壤中碱解氮、速效磷、有效钾含量。有研究表明，与对常规稻田和转换期稻鸭共作稻田相比，有机种植方式下稻鸭共作稻田土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量在水稻整个生长期较为稳定，这可能与秸秆还田及鸭子排泄的粪便对土壤养分状况具有一定调控、缓冲和促进作用有关[17]。研究中发现，除pH 值外，池塘单养草龟组（TM 组）土壤中有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾等各养分含量均显著高于水稻单作组（RM 组）和稻龟综合种养组（RT 组），与水稻单作组相比，稻龟综合种养组显著增加了土壤中的有机质、全氮、全磷和全钾的积累。

土壤有机质是由一系列存在于土壤中碳和氮的有机化合物组成的，有机质对污染物的迁移转化起着重要作用[18-19]，底泥有机质富集导致底层缺氧，其主要原因是有机质分解后将驱动营养物质的释放，导致底层厌氧状态的形成，进而促进有毒有害物质的产生和累积[20]。也有研究认为，土壤有机质含量是衡量土壤肥力的主要标志和影响水稻产量的重要因素之一，这是因为土壤有机质中含有水稻生长所必需的营养元素，对水稻生长具有促进作用[16]。该研究中，池塘单养龟模式中的有机质含量均高于RM 组和RT 组，且随着时间的推移呈上升的趋势，成为了池塘污染物的源和汇，而RT 组的有机质含量在4 个时期趋于稳定状态，差异不显著，这是因为稻龟综合种养可以充分利用有机质中的营养物质来促进水稻的生长，而常规水稻种植中，从返青期到拔节孕穗期呈上升的趋势，但从拔节孕穗期到成熟末期呈急剧下降的趋势，由于没有草龟的饵料残余和粪便补充，导致有机质含量急剧下降的缘故。因此，稻龟综合种养模式是一种生态可持续的农业模式，既解决了池塘污染物的源与汇问题，又提高了稻田的综合利用率。

3.2 稻龟综合种养的水稻比单作水稻增产

试验结果显示，稻龟综合种养组水稻的结实率、净重、根重和稻谷产量均显著高于水稻单作组，其中，稻谷产量比水稻单作增产24.48%（P＜ 0.05），表明稻龟种养能提高水稻生产性能，增加水稻产量，这与张剑等[21]的研究结果一致。草龟从饲料中获取的营养，部分以排泄物的形式归还给稻田后，被水稻充分吸收和利用，从而促进了水稻的生长，使得稻龟种养组水稻产量高于水稻单作组[21-22]。同时，稻龟综合种养组草龟的增重率、特定生长效率显著优于池塘单养龟组，这可能与草龟在稻田环境中，相当于模拟野生生态环境，丰富的天然食物来源提高其生长性能。土壤养分与水稻和草龟产量的相关性分析结果表明，土壤养分与草龟的生长相关关系不显著，但与水稻生长呈正相关关系，特别是全钾和速效钾，呈强正相关关系。这是因为草龟的存在可以加速土壤氮、磷、钾元素的周转，提高水稻产量[23]。余经纬[24]研究表明，稻-虾-鸭生态复合种养模式中，鸭子和虾排泄物的归还增加了土壤养分库的数量，显著提高了土壤养分的有效性和保肥性，显著提高了土壤中全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量。徐敏等[16]研究也发现，河蟹的饵料和饲料中含有丰富的氮、磷、钾元素，加上河蟹的觅食活动翻动了土壤，改善了土壤的通气状况，促进水稻对氮、磷、钾元素的吸收，从而使得稻蟹共生种植模式的水稻产量比常规水稻种植模式高出11%～16%。

3.3 草龟增重与土壤养分无明显相关关系，而水稻产量与土壤养分呈显著或极显著正相关关系

试验结果表明，草龟增重与土壤养分的相关关系不显著，且龟增重与pH 值、水解氮、速效钾、全氮、有机质等之间存在不显著负相关关系，谷增重与pH值、水解氮、全氮、全磷、有机质之间存在不显著正相关关系，且与速效钾和全钾的正相关性极显著（相关系数分别为0.70 和0.83）。这说明草龟养殖要尽量避免富营养的环境，因草龟自身能增加生境的有机质，而水稻生长过程中能吸收有机养分，又被草龟控制了虫害，因而稻龟综合种养组的草龟生长性能优于池塘单养草龟组，其水稻生长性能也优于水稻单作组。

综上所述，稻龟综合种养可以提高土壤肥力，提高稻田利用附加值，具有良好的社会、经济和生态效益，是一种值得推广的生态农业新模式。