稻田不同种养模式对土壤肥力的影响

孟祥杰，黄 璜，陈 灿，王 忍

（湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128）

我国有着悠久的稻田生态种养历史，据相关资料考证，稻田养鱼东汉时已经出现[1]，春秋战国时期因“灭蝗”形成了稻田养鸭模式[2]。劳动人民在长期实践中，逐渐形成了丰富多样的稻田生态种养模式，如稻田养鸡、稻田养泥鳅、稻田养黄鳝、稻田养鳖等。截至2018 年，我国稻田生态种养面积达187 万hm2[3]。稻田生态种养优势巨大，可在一定程度上控草防病[4-7]，有效地减少农药、化肥的施用，提高稻米品质[8-11]，生产绿色无公害的有机产品，符合当代消费者追求健康的理念；同时，稻田生态种养能有效提高资源利用率，实现“一水多用，一田多产”，并增强土壤肥力，改善农业生产环境[12]，对实现农业可持续发展具有重要作用；稻田生态种养的经济效益和社会效益显著，有利于促进农民增产增收，符合“藏粮于技，藏粮于地”的战略要求，对我国农业发展具有至关重要的作用。

研究表明，稻田生态种养可改善土壤肥力性状及土壤结构，提高土壤养分含量。例如，稻虾种养模式可改变土壤紧实度、土层的团聚体分形维数等，达到改善土壤结构、增加土壤养分的目的[13]；稻鸭种养模式可降低土壤容重，增加土壤总孔隙度及非毛孔孔隙度，提高微生物活性，促进土壤养分的转化[14]；稻田养蛙模式可增加土壤微生物数量及活度，促进磷的转化，提高土壤磷的供应力[15]。

因土壤肥力评价因素较为复杂，通过建立合理的隶属度函数进行分析，可保证分析结果更加准确。土壤是一种客观存在的因子，在不考虑与外界因素之间的联系时，土壤肥力就是一个独立的客体。现实生产中，土壤肥力受到农田耕作模式、土壤质地、地形、生物等有关因素的影响，土壤肥力就成为一个复杂且模糊的系统，对土壤肥力的判断就会模糊不定。笔者利用模糊数学的方法对稻田生态系统中土壤肥力变化影响进行研究，并对土壤肥力进行综合评价，以期了解和判断不同种养模式下稻田土壤肥力状况，为合理安排稻田种养模式提供基础。

1 方法与模型

1.1 参评因子的选取

土壤肥力包含的内容十分丰富，包括质地、结构等物理因素，有机质、全氮等化学因素以及土壤微生物等生物因素。该研究选择容重、有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾这6 项具有代表性的评价指标在对土壤肥力进行综合评价。

1.2 各肥力指标隶属函数的确定及隶属值的计算

综合前人研究[16-17]，利用模糊统计方法，根据评价指标与产量的关系建立隶属函数。土壤肥力指标中有机质、全氮、速效磷和速效钾的隶属函数模型为S型，pH 值、土壤质地和土壤微量元素的隶属函数为抛物型，将S 型曲线及抛物线转化为折线形式，通过相应隶属函数[18]，算出相应的隶属度ωi。

1.3 确定权重系数

结合前人研究[17]，采用因子分析，计算各指标成分的特征根和贡献率，再由公因子方差计算出评价指标的权重。将各指标的权重值写成矩阵形式，Ni={a, b, c, d, e, f, g}。

1.4 计算土壤肥力综合指标

按照公式（2）计算土壤肥力综合指标，根据最大隶属度原则，土壤肥力综合指标的值越大，表明土壤综合肥力越高。

式中：FI 为土壤肥力综合指标，Mi为各指标隶属度的值，Ni为各指标的权重值。

1.5 数据收集

采用GetData Graph Digitizer 软件提取文献[19-28]中的数据，筛选不同地区稻田生态种养模式中水稻成熟期的土壤肥力指标并进行整合，建立数据集合（见表1）。

2 结果与分析

2.1 隶属度值

稻鱼处理中的有机质含量为22.17 g/kg，代入公式（1）中，可得出稻鱼模式中有机质的隶属度为0.53，同理，可以求出其他模式下各肥力指标的隶属度值，如表2 所示。

表1 不同稻田生态种养模式下的土壤肥力

经过计算可得知，速效磷、速效钾的平均隶属度最小，分别为0.52 及0.58，为不同生态种养模式下土壤肥力的限制因子，总氮、土壤容重的隶属度最大，分别为0.81 和0.84，对土壤肥力影响最小，说明不是限制因子。由图1 可知，土壤容重、全氮、有机质的隶属度值大于碱解氮、速效磷及速效钾的数值，说明土壤肥力指标中土壤容重、全氮、有机质的肥力水平大于碱解氮、速效磷及速效钾的肥力水平。稻蛙的隶属度平均值高于其他生态种养模式，说明稻蛙的土壤肥力水平高于其他模式下的土壤肥力水平。

表2 不同稻田生态种养模式下土壤肥力平均隶属度值

图1 土壤肥力各个指标隶属度

2.2 权重系数

计算各个指标的均值和标准差以及变异系数，结果如表3 所示。

表3 土壤肥力各个指标的均值、方差及变异系数

根据上述计算得到的变异系数，进行归一化处理，可以得到各指标的权重，N={0.09，0.09，0.11，0.21，0.31，0.19}。

2.3 土壤肥力指标

根据公式（1）计算土壤肥力综合指标（FI），得到稻金鱼、稻蛙、稻蟹、稻虾和稻鸭5 种稻田生态种养模式的FI 分别为0.577、0.740、0.555、0.728 和0.734。

速效磷、速效钾、有机质、全氮是影响稻田生态种养模式下土壤肥力的主要因子。5 种模式下土壤肥力水平为稻蛙＞稻鸭＞稻虾＞稻金鱼＞稻蟹，说明稻蛙、稻虾及稻鸭种养模式下的土壤肥力水平较高，稻蟹、稻金鱼模式下的土壤肥力水平较低。

3 结论与讨论

对不同生态种养模式下土壤肥力数据进行模糊数学分析，得出如下结果：（1）速效磷、速效钾、碱解氮是影响稻田生态种养模式下土壤肥力的主要因子；（2）土壤肥力水平总体呈现稻蛙＞稻鸭＞稻虾＞稻金鱼＞稻蟹；（3）速效磷、速效钾的平均隶属度最小，为不同生态种养模式下土壤肥力的限制因子，土壤肥力指标中土壤容重、全氮、有机质的肥力水平大于碱解氮、速效磷及速效钾的肥力水平。综上所述，速效养分是影响稻田生态种养模式下土壤肥力的主要限制因子，稻金鱼和稻蟹的土壤肥力水平较低，在实际生产中应注意增施有机肥和缓效肥以保证土壤中速效养分的供给，尤其是稻金鱼和稻蟹生态种养模式下应重点关注其施肥方式和施肥水平。

速效磷、速效钾、碱解氮是影响稻田生态种养土壤肥力的主要因子。磷在土壤中溶解度低、移动性差，磷元素不同形态间的转换受自然因素及人为因素的影响：土壤pH 值及有机质含量会影响土壤中速效磷的含量，土壤pH 值在6.5～7.5 范围时，土壤中有效磷的含量最高[29]，土壤中有机质与土壤速效磷呈现正相关。稻蟹及稻鱼系统中的有机质含量偏低，速效磷含量偏低，与前人研究一致。土壤中速效钾的含量与土壤母质、气候、钾肥的应用有关[30]。在实际生产中，可以施用生石灰调整土壤的酸碱度，促进土壤中磷的转化；另外，可以通过施肥的方式提高土壤中速效磷、速效钾、碱解氮的含量，进一步提高土壤肥力。

稻蛙、稻虾及稻鸭种养模式下的土壤肥力水平较高，稻蟹、稻金鱼模式下的土壤肥力水平较低。在稻田生态种养中，稻田中饲喂的动物会对微生物群落结构产生一定影响[20]，在某种程度上改善土壤结构，提高土壤肥力[21-22]。例如，稻田中的鸭、鱼、蟹、蛙等动物通过日常活动增加稻田中空气的流动性，同时疏松土壤，促进有机质的矿化分解和养分释放，同时，田间动物的代谢产物会增加土壤中有机质和其他养分的含量。