不同稻田种养模式对土壤与水体理化性状及水稻产量的影响分析

汤伟，陈灿，2∗，黄璜，2∗

(1 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2 湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，长沙 410128)

我国以水稻为主食的人口超过总人口的65%，水稻生产是国家粮食安全的基石[1]。虽然我国水稻在产量方面已基本满足需求，但农民仅靠水稻获得的收入还不够，需要增加其他农产品的产出和收益。稻田综合种养模式能够较好地稳定水稻生产，同时有利于提高水稻的稻米品质和生产优质稻米[2，3]。该模式还能利用物种间互利共生的生态优势，通过减少化肥、杀虫剂和除草剂的使用，有效地降低农业点、面源污染[4-6]，且能有效解决农民收入问题。稻田综合种养农业生产模式是国家现代农业发展上的重点推广适用工程，符合国家“藏粮于地、藏粮于计”的政策。目前，关于生态种养对水稻生长[7-9]、病虫草害[10，11]、生 态环境[12-14]、生物多样性[15-17]的影响及其发展前景[18-23]的研究较多，但是对于不同种养模式对土壤肥力性状、水体理化性状和土壤生物变化及水稻产量影响的研究相对较少。本文对不同稻田种养模式下土壤及水体理化性状的变化及水稻产量进行比较分析，以期为不同稻田生态种养模式的进一步推广提供参考。

1 不同稻田种养模式对土壤理化性状的影响

1.1 土壤肥力

表1 为不同种养模式下的土壤肥力变化。从中可以看出，与水稻单作情况相比，稻鸭、稻—鸭—鳅、稻鳝、稻—鸭—鳝4 种种养模式下各类土壤养分均增加，而稻鳅模式的速效磷和速效钾含量减少。稻鸭模式土壤有机质含量增加7.8%，仅次于稻鳅种养模式；其碱解氮、速效磷、速效钾含量分别增加了5.1%、3.0%、3.2%。稻鸭模式下，鸭子能够去除杂草，减少杂草对肥料的吸收，鸭子排泄的粪便还能为土壤补充有机质和其他各类养分，是一种稻田的天然肥料[28，29]，且稻鸭共作可以刺激水稻生长[30]。稻鳅模式下土壤中有机质和碱解氮含量分别增加13.6%、26.0%，增幅最大；但速效磷、速效钾分别减少了4.6%、11.1%。由于泥鳅粪中含有大量有机质和丰富的微生物群落，能够增加土壤有机质和其他养分；同时泥鳅的钻孔活动疏松了土壤，有利于微生物将固态磷转换为液态，大大增加了水稻对速效磷的吸收。受鸭子和泥鳅活动的影响，稻—鸭—鳅模式下的土壤养分均有不同程度的增加，其中有机质含量增加0.3%，增幅最小；碱解氮、速效磷、速效钾含量分别增加5.1%、4.2%、16.7%。稻鳝模式下的有机质含量增加2.5%，高于稻—鸭—鳅模式；而速效氮、速效磷、速效钾含量分别增加了8.0%、7.4%、15.8%，增幅较高。稻—鸭—鳝种养模式下有机质含量增加6.7%，速效氮、速效磷和速效钾含量分别增加了24.6%、17.4%和32.0%，远超其他种养模式。在不考虑稻鳝和稻—鸭—鳝试验中减少的水稻面积情况下，以上5 种生态种养模式土壤中的有机质和养分氮含量均比水稻单作高。

表1 不同生态种养模式下土壤养分含量变化Table 1 Changes of soil nutrient content under different ecological planting and breeding modes

1.2 土壤物理性状

将稻鸭[24]、稻鳅[31]、稻—鸭—鳅[26]、稻鳝[27]、稻—鸭—鳝[27]和稻蟹[32]6 种生态种养模式的土壤物理性状与水稻单做模式进行的比较研究结果进行分析和汇总(表2)，6 种种养模式的土壤容重均有不同程度的降低，降低幅度为2.1%～8.8%；其他土壤物理性状也均有不同程度的变化。稻鸭模式的土壤容重降低4.9%，孔隙度提高了7.0%。因为稻鸭种养模式下鸭子的觅食活动可以疏松土壤，改善土壤结构和土壤通气条件，从而满足水稻对水分和氧气的需求[33]。而土壤容重的降低和孔隙度的提高改善了土壤的通气条件，有利于水稻的生长发育，对水稻增产有重要的影响。稻鳅模式土壤容重降低幅度最大，为8.8%；孔隙度提高了8%。稻鳅模式对土壤容重的影响与稻鸭模式类似，都是动物活动能有效疏松土壤，从而改善土壤结构，便于水稻根系吸收养分。稻—鸭—鳅模式土壤容重降低2.5%，仅高于稻鳝模式，其>0.25 mm 团聚体提高21.2%，<0.001 mm微团聚体降低7.6%。因为泥鳅和鸭子的扰动可以使土壤团聚化程度增加，减少分散性，并改良土壤结构，有利于水稻产量的增加。稻—鳝模式土壤容重降低幅度最低，仅2.1%，其>0.25 mm 团聚体提高5.6%，<0.001 mm 微团聚体降低33.9%。稻—鸭—鳝模式土壤容重降低了4.2%，降低程度较低，其>0.25 mm 团聚体提高21.3%，<0.001 mm 微团聚体降低53.4%。鳝鱼和鸭子的活动使田中水稳性团聚体数量增多，并大大增加了土壤团聚化程度，有利于满足水稻的生长需求。稻蟹模式土壤容重降低6.7%，仅低于稻鳅模式，其>0.2 mm 土壤粘粒提高13.9%，<0.002 mm 土壤粘粒降低3.3%。与水稻单作相比，不同生态种养模式的土壤容重均降低，而孔隙度和团聚化程度均提高，土壤结构得到改善。

表2 不同生态种养模式下土壤物理性状变化Table 2 Changes of soil physical properties under different ecological planting and breeding modes

2 不同稻田种养模式对水体理化性状的影响

2.1 水体溶氧、pH、温度和氨氮等

选取稻鸭[34]、稻蟹[35]、稻鳖[36]3 种具有代表性的种养模式来进行水体溶氧、pH 和温度等指标的研究与分析。与水稻单作模式相比，稻鸭模式的稻田水溶解氧的含量显著提高了20.0%，田面水pH 显著降低了2.4%；-N 含量显著提高了42.7%，-N 含量显著提高了24.6%，土温变化范围为24.48～30.18 ℃，比水稻单作变化小，对稻田土壤温度的影响不显著。稻蟹模式的田间溶解氧在扬花期和灌浆期比水稻单作显著降低，但在分蘖期和拔节期时差异不显著；水体pH 与水稻单作模式差异不显著。由于河蟹的呼吸代谢等活动消耗了部分水体的溶解氧，间接降低了水体pH 值，导致稻蟹共作溶解氧低于水稻单作；田间温度与水稻单作无显著差异；灌浆期的NH3-N 含量比水稻单作降低52.6%。稻鳖共作模式水体溶氧与水稻单作差异不显著；水稻移植后86 d，水稻单作模式的水体pH 显著高于稻鳖共作模式；土壤温度与水稻单作差异不显著；-N 与-N 含量均高于水稻单作模式。原因主要是稻鳖共作模式的N 来源增加了养殖鳖的投饵和粪便，且养殖动物对于稻田土壤结构具有一定的扰动作用，有利于水稻根系对营养物质的吸收[37]。

2.2 水体藻类

目前，关于不同种养模式对水体藻类变化的影响研究较少，仅对稻鸭[34]、稻—鸭—虾[38]2 种种养模式进行了比较分析。

稻鸭模式的水体藻类优势种与水稻单作模式一致，均为裸藻门、绿藻门和硅藻门，优势种的种类数约占藻类种类数的90%。与水稻单作相比，稻鸭模式的稻田水体中没有甲藻门，硅藻门和隐藻门种类数差异不显著，蓝藻门和绿藻门种类平均值分别显著降低了29.9%和26.7%，裸藻门种类平均值显著提高了30.0%。曹凑贵等[39]研究发现，水体浑浊、光照强度低会对浮游藻类的种类和数量造成影响，而且稻田养鸭模式的浮游藻类种类比对照组少。汪金平等[40]也发现稻鸭共育模式中的稻田藻类种类数明显少于常规不养鸭的稻田。在水体藻类的生物量变化方面，稻鸭共育对隐藻门生物量没有显著影响；但硅藻门、蓝藻门、绿藻门的生物量平均值都显著低于水稻单作，分别降低了46.7%、13.6%、29.0%；裸藻门的生物量平均值则显著增加了45.0%。

稻—鸭—虾模式中水体藻类的优势种主要为绿藻门和硅藻门，分别占27.8%和30.2%。黄巍等[38]试验发现水稻单作模式的优势种主要为蓝藻门和绿藻门，分别占46.7%和37.0%，与盛锋[34]的研究结果不同，这可能是土壤肥力和施肥水平不同造成的；水体藻类总种类比水稻单作增加了3.8%，其总生物量减少了3.8%；多样性指数(2.34)较水稻单作模式(1.77)高；水体污染程度下降，增加了水体的稳定性。

3 不同稻田种养模式对农田土壤生物的影响

3.1 杂草

对稻鸭[24]、稻蟹[41]、稻—鱼—鸡[42]3 种种养模式的杂草情况进行比较和分析。稻鸭模式的杂草种类主要是牛毛草、鸭舌草、扁杆糜草、矮慈菇、稗草等。稻鸭模式试验初期杂草一直增长，放鸭30 d 后到鸭子上岸期间，杂草发生率大大降低，放鸭区除少量稗草外，无其他杂草发生，同时杂草发生率比水稻单作降低了86.2%。王强盛等[43]通过田间调查发现，稻鸭模式的稻田杂草控制率超过99.4%，而且比化学除草更具经常性和彻底性。稻蟹模式的稻田杂草主要有阔叶杂草、禾本科杂草、莎草科杂草和藻草。与水稻单作相比，稻蟹模式的杂草密度降低显著，而且稻田阔叶杂草密度降低最为明显，扣蟹对阔叶杂草的控草效果为70.9%～ 80.9%。刘小燕等[44]研究发现，增加稻田的生物多样性可以明显减轻杂草带来的危害。稻—鱼—鸡模式稻田杂草主要为稗草、狗牙根、双穗雀稗和千金子，对比水稻单作减少了鸭舌草、矮慈姑、牛毛毡和异型莎草等种类；杂草密度比水稻单作模式上减少了84.5%，有利于抑制稻田草害的爆发。3 种种养模式对稻田杂草的防治效果都很明显，能够改善群落结构，促进水稻生长。

3.2 土壤微生物

选取稻鸭[45]、稻蛙[46]和稻虾[47]3 种具有代表性的种养模式的土壤微生物进行比较分析。稻鸭模式稻田土壤中微生物生物量碳和生物量氮的含量显著高于常规稻田，分别高39.67%和28.89%，表明稻鸭共作能够增加土壤的微生物生物量。稻蛙模式土壤微生物量碳、量氮含量分别比常规稻田显著提高了28.9%和26.6%。稻蛙模式中青蛙活动产生的粪便能为微生物增殖提供良好条件，使土壤中的细菌、放线菌、真菌数量显著高于对照稻田[48，49]。稻虾模式土壤微生物量碳含量比对照稻田显著提高了40.0%。可能是因为小龙虾在稻田中挖掘巢穴使土壤的通气状况得到改善，让氧气能够达到土壤深层，从而使土壤微生物的生物量提高，促进水稻生长。3 种种养模式中，土壤微生物量碳提高最多的为稻虾模式，土壤微生物量氮提高最多的为稻鸭模式，且差异均达到显著水平。

4 不同稻田种养模式对水稻产量的影响

选取稻鸭[24]、稻蟹[32]、稻鳖[36]、稻虾[47]、稻—鸭—虾[38]和稻—鱼—鸡[42]等几种具有代表性的生态种养模式进行水稻产量分析。与常规水稻单作模式相比，稻鸭模式水稻每穗粒数、千粒质量分别增加了5.3%、1.1%，水稻产量增加4.3%。该模式增产的主要原因是鸭子取食杂草，使得肥料得到更高效的利用，而且鸭子的粪便一定程度上增加了土壤的各项养分。稻鸭模式中水稻产量的增加主要在于穗数和每穗粒数的增加[50，51]。稻蟹模式下，水稻产量增加明显(11.5%)，其主要提高了水稻每穗粒数(比对照高13.8%)，而千粒质量变化不大，仅增加0.1%。在稻田中，螃蟹的活动能增加土壤团聚化程度，便于满足水稻的生长需求。稻鳖模式水稻的各类产量指标均高于稻田单作模式，水稻产量显著增加19.3%。由于养殖鳖需要投入一定量的饲料，且有部分饲料会残留在稻田中，一定程度上增加了稻田的各类养分，有利于水稻吸收利用。稻虾模式水稻产量较水稻单作模式提高了3.7%，但是差异未达到显著水平。由于小龙虾有挖掘巢穴的习性，能够改善土壤的通气状况，增加土壤微生物的生物量，从而促进水稻生长。稻—鸭—虾模式和常规水稻单作相比，水稻产量增加5.7%，其中水稻的有效穗、穗粒数和结实率均有提高，提高幅度分别为4.8%、5.3%和2.8%。该模式中，鸭子和小龙虾的扰动可以使土壤团聚化程度增加，减少分散性，改良土壤结构。稻—鱼—鸡模式较水稻单作产量显著增加了5.3%，单位面积有效穗数和千粒质量分别显著增加了1.4%和0.3%。该模式对杂草的防治效果极为明显，极大抑制了稻田草害的爆发，使肥料能够得到充分利用。不同种养模式均能不同程度地促进水稻产量的增加，增产幅度为3.7%～19.3%。增产的原因主要有以下几个方面:一是直接养分来源的增加。不同种养模式中由于养殖动物增加了饲料的投入，饲料残留在土壤中可增加养分，同时动物排泄的粪便也是一种不错的天然肥料；二是间接改善环境、促进水稻吸收养分。动物在田间的活动能增加土壤孔隙度和土壤团聚化程度，改良土壤结构，同时还能改善土壤的通气状况，增加土壤微生物的生物量，有利于水稻根系对养分的吸收，且养殖的动物还能取食杂草，提高肥料的利用率。

5 总结

本文分析和比较了不同种养模式对土壤、水体理化性状和土壤微生物以及水稻产量的影响。不同模式主要通过养殖动物的粪便来增加有机质和其他土壤养分来增加肥力，稻鸭相比于其他模式有机质增幅较多，而养分氮、速效钾和速效磷的增幅较小。关于土壤物理性状，大多模式通过养殖动物在田间的活动来降低土壤容重，提高孔隙度或土壤团聚化程度来改善土壤结构，其中稻—鸭—鳅和稻—鸭—鳝两种复合种养模式的土壤团聚化变化较为明显，可能是鸭子和泥鳅、鳝鱼的配合效果较好。关于水体溶氧、pH、温度、氨氮含量等指标，不同模式对水体环境有不同方面的改善，稻鸭可显著提高稻田水溶解氧的含量并降低田面水pH，稻蟹由于螃蟹的呼吸代谢减少了水体的溶解氧，对水体pH 无显著影响，稻鳖由于饲料的投入增加了田间、的含量，但3 种模式对于水体的温度都无显著影响。关于水体藻类，稻鸭模式显著提高了裸藻门种类，并且硅藻门、蓝藻门、绿藻门的生物量平均值都显著降低，稻—鸭—虾模式提高了多样性指数，减少了水体污染程度，提高了水体稳定性。关于土壤杂草，不同模式通过养殖动物的活动有效降低杂草种类和生物量，明显改善群落结构，稻蟹共作模式中的阔叶杂草密度降低最为明显，扣蟹对阔叶杂草的控草效果在70.93%～80.89%之间。关于土壤微生物，各模式的土壤微生物量碳、量氮均增加，稻虾模式中小龙虾在稻田中挖掘巢穴使土壤的通气状况得到改善，让氧气能够达到土壤深层，便于水稻利用。生态种养各种模式由于养殖动物的加入，不仅在来源处增加了饲料、粪便的额外养分投入，还改善了农田环境，促进水稻对养分的吸收利用，有利于水稻增产。

总之，生态种养农业在土壤及水体理化性状的改善方面与常规稻田相比具有极好的生态效果，需进一步加强种养模式中农田环境与水稻之间的联系，明晰农田环境与水稻产量更深层次的关系，构建土壤—水体—水稻—动物之间的良性循环途径，实现生态环境的改善和水稻产量的大丰收。