油-稻轮作及鸭-稻共作等模式对土壤影响的 研究进展

李海渤，郭小丽，温晓彤，江 艳，冯慧敏

（1.韶关学院 英东生物与农业学院/韶关市油菜新品种选育工程技术研究中心，广东 韶关 512005； 2.临汾市农业农村局，山西 临汾 041000）

我国是世界上最大的水稻生产国，2020年稻谷产量为2.12亿吨［1］. 除水稻单作外，油-稻轮作、鸭-稻共作均是我国传统水稻生产模式. 油-稻轮作模式可利用水稻冬闲田种植油菜绿肥，与水稻轮作倒茬，可提高土壤肥力和改善土壤理化性质、减少病虫害、提高稻米产量和品质［2-5］. 鸭-稻共作模式可追溯到明代洪武年间，当时《渭崖文集》记载这一时期广东地区蟛蜞泛滥而建立的鸭-稻共作、以鸭治虫模式［6］，经过后人的继承和改良，在我国东北地区、长江中下游地区、华南地区等稻米产区示范较多［7-10］. 该技术通过鸭子在稻田间的活动，以鸭活水、捉虫、鸭粪还田，从而实现生产绿色有机大米. 油-鸭-稻模式在油-稻轮作基础上，进行稻田养鸭，增加了养鸭的收益，其在土壤改良、稻米提质增收、增加稻田附加值、资源循环利用方面更具优势. 该模式下养殖出的鸭子肉质鲜美、结实，熬出的汤浓稠地道、色香味俱全［11］.

笔者通过综述油-稻轮作、鸭-稻共作和油-稻-鸭模式对土壤理化性质、微生物及酶活性的影响程度，总结各模式的优势，为水稻的优质高效种植模式示范提供参考.

1 油-稻轮作对土壤理化性质的影响

1.1 油-稻轮作对土壤pH的影响

土壤pH是衡量土壤质量的重要指标，对土壤微生物活性、矿物质和有机质的分解起重要作用. 长期施用化肥或有机肥缺失，会造成土壤酸化. 杨文叶等发现油菜绿肥翻压2年后，pH有一定的降低［12］，也有研究结果与此一致［13-14］，可能因为油菜绿肥还田后，经过微生物的分解，影响了土壤pH［2］. 但也有报道，油-稻轮作土壤pH值高于单稻模式pH值［15］，连续冬种油菜绿肥8年后稻田土壤的pH比冬闲田要略高［5］.

1.2 油-稻轮作对土壤团粒结构的影响

油-稻轮作使得紧结态腐殖质增加，而腐殖质的增加有利于形成土壤的团粒结构［16］；通过28年冬季种植绿肥研究发现，长期冬种油菜绿肥形成了2~5 mm的水稳性团聚体［17］；与稻-稻-油菜相比，稻-稻休耕显著减少了2~5 mm的水稳性团聚体；油-稻轮作模式，种植前土壤0.25~1 mm的微团体含量是9.05%，种植后为12.95%，比种植前提高了3.90%［16］. 以上均说明油菜还田后，可以影响土壤团粒结构含量.

1.3 油-稻轮作对土壤有机质的影响

冬季种植油菜可以提高稻田土壤的有机质［14］. 油-稻轮作土壤有机质比单稻模式相比可增长0.15%~9.78%［12，16-19］，甚至更高［20］；另外，连续3年及以上的油-稻轮作土壤有机质比麦-稻轮作高出40.7%［21］. 另据报道，甘蓝型油菜油肥1号腐解后，土壤有机质含量显著高于对照田块的含量［22］. 此外，通过研究28年冬季种植绿肥发现，长期冬种油菜绿肥显著增加了土壤有机碳含量，稻-稻-油菜、稻-稻-紫云英和稻-稻-黑麦草地块的有机碳分别比水稻休闲地高8.0%、4.8%和6.7%，说明稻-稻-油菜处理提升土壤有机碳的效果更为显著［17］. 但LI等的研究结果表明，土壤不稳定有机碳组分仅对上部土壤剖面变化敏感，连续实施NT（no-tillage）或NT与作物残茬覆盖的短期效应只会改善上部土壤剖面的土壤质量［5］. 也就是说耕层土壤有机碳受绿肥还田的影响更为显著. 综上，油-稻轮作在增加土壤有机质方面效果较为显著.

1.4 油-稻轮作对土壤碱解氮的影响

据报道，连续冬种油菜绿肥8年后稻田土壤碱解氮含量高于冬闲田的［5］；与常规种植模式相比，油菜还田处理土壤碱解氮含量上升［18］. 油菜15.0 t·hm-2还田量处理，后茬水稻土的碱解氮含量比CK（对照组）增加16.1%［23］. 研究发现，油-稻轮作种植系统，油菜季结束后，与基础土样相比，油菜还田处理土壤碱解氮含量增加17.53%~47.63%［24］，另有报道，油-稻轮作土壤碱解氮含量较麦-稻轮作高25.1%［20］；而连续3年及以上的油-稻轮作土壤碱解氮会比麦-稻轮作高72.1%［21］. 刘新红等研究发现，甘蓝型油菜油肥1号腐解后，土壤水解性氮含量显著高于对照田块的. 因此，油-稻轮作可显著增加土壤碱解氮的含量［22］.

1.5 油-稻轮作对土壤有效磷的影响

据报道，油-稻轮作种植后的土壤有效磷含量升高［15］，翻压102 d后，无油菜绿肥添加的试验田有效磷含量是48.8 mg·kg-1，而添加油菜绿肥的试验田有效磷含量可达51.2 mg·kg-1［22］；另据报道，油菜 15.0 t·hm-2还田量处理，后茬水稻土的有效磷含量比CK增加55.0%［23］. 即，油-稻轮作也可提高有效磷含量. 但也有研究表明，油菜绿肥翻压还田后，土壤有效磷会有一定的下降［5，25］.

1.6 油-稻对土壤速效钾的影响

据报道，连续3年及3年以上油-稻轮作的土壤速效钾比麦-稻轮作相应高出了52.6%［21］；研究发现，有油菜绿肥的田地土壤速效钾含量显著高于无油菜绿肥田块的［22］. 油菜15.0 t·hm-2还田量处理，后茬水稻土的速效钾含量比CK增加11.1%［23］. 因此，油-稻轮作可在一定程度上提高土壤速效钾含量.

1.7 油-稻轮作对土壤微生物的影响

土壤微生物是衡量土壤质量的又一指标，其功能有分解有机质、帮助合成土壤腐殖质和形成土壤团聚体、进行生物固氮和病虫害防治等. 研究表明，油-稻轮作方式有利于形成土壤团粒结构、增加土壤养分，进而提高土壤微生物数量，改善土壤环境［13］.油菜15.0 t·hm-2还田土壤微生物碳源综合代谢活性最强，生物多样性较高，Shannon指数及均匀度指数均高于其他处理，土壤可培养微生物的A/F（放线菌与真菌数量比）、B/F（细菌与真菌数量比）值最高，F/T（真菌占可培养微生物总数比）值最低，更有利于土壤微生态系统稳定［23］. 据在油菜收获后测定，根茬土的自生固氮菌、氨化细菌和亚硝酸细菌分别比休闲土高3.7倍、24.9倍和2.8倍，尤以氨化细菌最为明显［26］. 油菜还田可以提高微生物含量［27］. 据报道，油菜还田可有效改善后茬麦田土壤细菌群落多样性（大播量晚期还田细菌多样性指数高于CK）及其群落组成（优势菌门为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门等）、增加土壤有益菌群落数量（与土壤碳、氮代谢相关的细菌群落增加）［28］，油菜绿肥还为微生物提供了重要的能量和营养来源，激发土壤微生物数量的增加.

1.8 油-稻轮作对土壤酶活性的影响

土壤中的酶主要来源于微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中释放的酶，土壤酶对消除土壤中有毒物质、促进分解有机质和土壤养分供给能力的提高有着重要作用［13］. 微生物的活动可以释放酶活性，并加速油-稻轮作模式的发展［27］. 油-稻模式下，土壤的转化酶含量显著高于单-稻模式［13］. 因此，油-稻轮作可提高稻田土壤酶活性，促进土壤养分的提高.

1.9 油-稻轮作对土壤动物的影响

土壤动物（蚯蚓等）是反映土壤质量的又一重要指标. 据报道，蚯蚓产量、蚯蚓粪产量与土壤有机质含量显著正相关（P＜0.05），与冬季作物（油菜、紫云英）产量均呈极显著正相关（P＜0.01）. 油-稻田块的蚯蚓密度、蚯蚓及蚯蚓粪产量均高于冬闲田块［29］. 这说明，油-稻轮作有助于增加蚯蚓的数量.

2 鸭-稻共作对土壤理化性质的影响

2.1 鸭-稻共作对土壤pH的影响

鸭-稻共作的优势在于鸭粪可以还田，其腐解后产生的物质会影响土壤的酸碱性.鸭-稻共作土壤平均pH为7.19，略低于常规耕作的7.23，但两者差异不大［30］；与单稻种植相比，鸭-稻共作的土壤深度 5~15 cm的pH增幅为0.26~0.31［31］. 因此，鸭-稻共作可在一定程度上调节土壤pH.

2.2 鸭-稻共作对土壤颗粒组成的影响

鸭-稻共作对土壤颗粒组成有一定的影响. 据报道，鸭-稻共作下水稻生育期间土壤中0.2~1 mm的砂粒平均含量高于常规耕作的12.5%，0.02~0.2 mm黏粒平均含量比常规耕作高2.3%，小于0.002 mm黏粒含量下降，是常规耕作的73%［30］；另据报道，与常规耕作相比，鸭-稻共作模式下土壤中大于0.25 mm团聚体增加2.65%~3.12%，小于0.001 mm微团聚体减少0.75%~1.75%［32］. 因此，鸭-稻共作时，土壤颗粒组成发生改变，水稳性团聚体数量增多，团聚化程度加强，起到了疏松土质的作用、改善了土壤结构.

2.3 鸭-稻共作对土壤有机质的影响

鸭稻共作有助于土壤有机质含量的增加［32-33］. 鸭-稻共作3季后土壤有机质含量增加了33.7%，比常规耕作高出12.3%［34］. 另外，种植双季稻后，水稻品种混作养鸭处理下土壤有机质含量显著高于其他模式［35］. 因此，鸭-稻共作有助于提升土壤肥力.

2.4 鸭-稻共作对土壤碱解氮的影响

据报道，鸭-稻共作土壤碱解氮含量在水稻收获后达到了187.45 mg·kg-1，比常规耕作高了3.68%［33］；鸭-稻共作土壤中碱解氮含量在抽穗期、灌浆期和乳熟期比常规耕作分别提高了13.74%，15.97%和5.83%［36］. 而鸭-稻共作3季模式下土壤碱解氮增加了50%，共作3季碱解氮含量比常规耕作高出38.9%［34］；水稻品种混作养鸭处理的土壤碱解氮显著高于水稻单作模式［35］. 因此，鸭-稻共作可以提高稻田土壤中碱解氮含量.

2.5 鸭-稻共作对土壤有效磷的影响

据报道，鸭-稻共作土壤有效磷含量比常规耕作增加了3.8%~9.7%［32］；并且水稻收获后土壤有效磷比常规高5.94%［33］；而鸭-稻共作3季的土壤有效磷增加了200.9%，3季平均含量比常规高118.9%［34］. 水稻品种混作养鸭处理的土壤有效磷显著高于水稻单作模式［35］. 所以，鸭-稻共作可以增加土壤有效磷含量.

2.6 鸭-稻共作对土壤速效钾的影响

据报道，鸭-稻共作的水稻收获后，土壤速效钾比常规耕作高5.61%［33］；也有报道，鸭-稻共作3季的土壤速效钾增加了57.4%，平均含量比常规高17.9%［34］；与单稻相比，鸭-稻共作模式的速效钾增加23.4%~27.3%［31］；而水稻品种混作养鸭处理的土壤速效钾较水稻单作显著提高［35］. 因此，鸭-稻共作可以增加土壤中的速效钾含量.

2.7 鸭-稻共作对土壤微生物的影响

鸭-稻共作土壤中细菌、放线菌、真菌数量比常规耕作分别增加963%、705%、262%［37］；鸭-稻共作土壤氨化细菌共作3季后的数量比常规耕作高每克3 104.38×104个［34］；细菌、真菌和放线菌在后期比水稻单作分别高130.9%、50.6%、114.2%［38］. 可知，鸭-稻共作可使土壤中的微生物数量增加.

2.8 鸭-稻共作对土壤酶活性的影响

土壤微生物的增加，再加上鸭粪的腐解，土壤酶活性也会发生一定的变化. 研究发现，鸭-稻共作孕穗期时土壤中过氧化氢酶活性比常规耕作高0.3 mL·g-1，而在成熟期时又比常规耕作低0.05 mL·g-1，多酚氧化平均酶活性比常规耕作低18.8%［34］；鸭-稻共作土壤过氧化氢酶活性比常规耕作高20.6%，土壤脲酶活性也显著增加［38］，磷酸酶、蔗糖酶的活性也显著高于对照.因此，鸭-稻共作能促进或抑制土壤酶活性.

3 油-稻-鸭模式对土壤肥力影响的研究进展

目前关于油-稻-鸭模式的研究报道较少，关于其对土壤肥力影响的报道则更少［40-42］. 据报道［40］，通过油-稻-鸭模式实行绿色生态农业栽培，可以改善生态环境，且畜禽粪便利用率高达100%. 研究发现，油-稻-鸭农田生态系统中，氮的盈亏量是118.43 kg·（hm2·年）-1，磷的盈亏量是68.52 kg·（hm2·年）-1，而钾的 盈亏量则是-23.30 kg·（hm2·年）-1［42］. 可以看出，油-稻-鸭模式下可以提高氮磷含量，增加土壤肥力. 虽然有关于油-稻-鸭模式报道较少，但综合油-稻轮作、鸭-稻共作各自对土壤肥力的贡献分析，前茬种植油菜、水稻种植过程中养鸭的油-稻-鸭模式应更有利于改善稻田土壤理化性质， 但具体效果有待进一步证明.

4 讨论与小结

4.1 讨论

4.1.1 油-稻轮作对土壤理化性质的影响

综上所述，油菜绿肥还田提高了后茬稻田土壤有机质、碱解氮、速效钾及团粒结构的含量，调节了土壤pH值及有效磷的含量，有益于土壤微生物、动物数量和酶活性的提高. 土壤有机质是土壤固相的一个重要组成部分，影响着土壤一系列特性［43］，土壤有机质的增加可以增加土壤团聚体的数量［44］，有助于改善土壤物理结构，为土壤微生物、动物生存提供有利的环境条件及碳源，因此可以增加土壤微生物和动物的数量. 土壤微生物生物量碳与有机碳、全氮、有效氮呈显著正相关（P＜0.05）［45］，部分呈极显著正相关（P＜ 0.01）［46］，而化肥减量配施有机肥（40%化肥+60%有机肥处理）能够显著增加土壤有机质含量，并改善土壤微生物群落结构，降低绿弯菌门相对丰度，增加拟杆菌门、子囊菌门和担子菌门相对丰度［47］. 蚯蚓能分解有机质、提高土壤肥力，促进土壤团粒结构的形成，改善土壤物理性质［29］，改善土壤结构［48］、活化土壤养分［49］、优化土壤微生物群落结构［50］，而高地力水平下的土壤有机质含量较高，有利于蚯蚓种群的增长［51］；油菜还田田块的蚯蚓数量也显著高于空闲田；而油菜根系分泌物及油菜绿肥的腐解，以及蚯蚓的活动及其粪便分解，也在一定程度上调节了稻田土壤pH值和酶活性.

油菜绿肥富含氮磷钾元素，还田后，对土壤氮磷钾养分有一定的提升效果，但不同研究报道的有所不同，如前所述的磷素有升、降两种趋势. 另有研究发现，油菜腐解过程中钾的释放率显著高于氮和磷［52-53］，钾以离子态存在，易溶于水，释放最快；氮、磷以难分解的有机态为主，物理作用下不易分解，释放较慢［54］. 同时土壤养分也影响到微生物的数量［55］，说明绿肥腐解释放的磷素有益于微生物的生长.

4.1.2 鸭-稻共作对土壤理化性质的影响

稻鸭共作是典型的稻田生态农业模式之一. 在这种耕作制度下，鸭子可以通过日夜活动对土壤养分产生影响. 据报道，鲜鸭粪含有机质丰富，因此，稻田养鸭，不仅能有效减少水稻病虫草害的发生，还能通过鸭粪增加土壤肥力［56］. 同时，稻田鸭能疏松表土，促进土壤有机质的矿化分解和养分释放［57］，促进田间氮磷养分的积累. 由于鸭子在田间搅动泥水改善土壤通气状况，加速了钾元素的有效转化［58］，使其土壤速效钾含量显著高于其他模式［35］. 土壤有机质的增加和鸭粪的分解，为土壤微生物提供良好的生活环境，进一步增加了土壤微生物数量，调节了酶土壤活性. 这说明，鸭-稻共作模式有助于增加土壤肥力.

4.2 小结

综上所述，油-稻轮作、鸭-稻共作，均可通过油菜还田或鸭粪还田不同程度地改善土壤质地、提高土壤的有机质、氮磷钾等，还可以提高土壤中微生物的数量和酶活性. 而油-稻-鸭模式的报道较少，但该模式有助于土壤磷的积累.

值得一提的是，油-稻-鸭模式除具有土壤改良效果外，还利用了冬闲田，同时增加了菜薹销售收入及养鸭收入，比油-稻轮作、鸭-稻共作模式经济收益更高. 因此，我国南方地区可根据本地区的实际情况，在水稻主产区加大油-稻-鸭农业生产模式的推广力度，提高冬闲的利用率，增加稻田副收益，美化乡村环境.