不同施氮量下稻虾共作水稻产量与田面水水质特征

黄飞 聂玺斌 杨朔 丁紫娟 李锦涛 郜红建叶新新 葛永虎 梅军 曹玉贤 侯俊*

（1 长江大学农学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025；2 安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；3 仙桃市农业技术推广中心，湖北 仙桃 433000；4 中垦锦绣华农武汉科技有限公司，武汉 430070；5 长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025；*通讯作者：173442877@qq.com; houjungoodluck1@163.com）

稻虾共作是种一季中稻的同时养殖克氏原螯虾，实现了“一水两用、一田双收、稳粮增效、钱粮双赢”的目的。稻虾共作比传统稻油轮作模式或稻麦轮作模式每hm2多收入4.5 万元，具有良好的经济效益和社会效益[1-2]。该模式在长江中下游稻区发展很快，据统计，2016年仅湖北省稻虾共作和连作面积就达到23.5 万hm2。然而该模式在养分投入上依然存在许多问题：施肥过量，造成养分利用率低，流失严重，引起一系列环境问题[3]，甚至污染地下水而危害人体健康；过量施氮还会影响水质从而影响虾的生长；为了保证水质，追求虾的经济效益少施肥甚至不施肥，导致水稻产量低，影响了水稻生产[4]。因此，稻虾田施氮应该综合考虑粮食生产和虾的养殖，既满足我国粮食安全的需要，同时也兼顾提高农民收益。

在稻虾共作模式中稻和小龙虾互惠互利，一方面，克氏原螯虾能清除稻田中的杂草、害虫，同时其排泄物及残饵可供水稻生长利用；另一方面，稻田水体中溶解氧较高，且动植物食源丰富，为克氏原螯虾提供了良好的栖息环境[5]。该系统相比于普通单季稻能够大幅度提高能量、水、肥等的利用效率[6]，使其稳定性和抗外界冲击的能力得到提升[7-8]。稻虾共作由于饲料残留和虾粪便等的有机氮转化，其化肥用量相比传统稻作减少[9]，但减少幅度或者合适的施肥用量还未有准确的结论，尤其缺乏实证。本试验通过设置不同氮肥施用量，研究了不同氮肥用量对稻虾共作系统水稻产量及田面水水质的影响，确定最佳施肥量，为稻虾共作的可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验于2020年5月至10月在湖北省仙桃市彭场镇千丰村（330°14′34″ N，113°32′27″E）进行。仙桃市属北亚热带大陆性气候，年平均气温16.0℃~16.6℃，年均日照时数2 028 h，年均降水量1 074~1 286 mm，全年无霜期261 d 左右。试验地2018年开始稻虾共作，土壤pH 6.8，有机质 25.1 g/kg，碱解氮 108 mg/kg，速效磷14.1 mg/kg，速效钾110 mg/kg。田块采用环沟设计，环沟宽度5~8 m，面积占共作田块的5%~10%，深度1.3~2.0 m，供试小龙虾为克氏原螯虾。

1.2 试验设计

根据施氮量的不同试验共设5个处理，即为0、60、120、180 和 240 kg/hm2，依次以 CK、N60、N120、N180、N240表示。所有处理氮肥按基肥∶分蘖肥=7∶3 的比例施用，基肥于移栽前3 d 施入，分蘖肥移栽后7~15 d 施入。磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%），磷钾肥作基肥插秧前一次性施入。各处理磷肥和钾肥用量相同，均为120 kg/hm2。供试水稻品种为富优135，秧龄25 d，5月25日移栽，大田栽插密度20万/hm2，行株距 25 cm×20 cm，9月30日收获。小区面积为150 m2，两边设有保护行，每个处理3 次重复。小区间筑田埂，埂宽30 cm，并用塑料薄膜包裹，以减少各小区间的相互影响。秧苗移栽后约15 d 投放虾苗，按照当地养殖习惯进行管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稻关键生育期的植株干物质量及全氮含量

分别于分蘖期和齐穗期取样，各小区取有代表性植株3 丛，处理后置于105℃烘箱内杀青30 min，80℃烘干至恒质量称重，粉碎后用半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[10]。群体生长率=（w2-w1）/（t2-t1）。式中，w1 和w2 分别为前后2个时期测定的干物质量，t1 和t2 分别为前后2个时期测定的时间，本研究中分蘖期至齐穗期采集样品相隔37 d。

1.3.2 土壤无机氮

在分蘖期和齐穗期每小区随机取3个点，取耕层土壤（0~15 cm），混匀后经2 mol/L 的KCl 浸提后分别采用靛酚蓝比色法和分光光度计法测定铵态氮和硝态氮含量[10]，同时测定含水量并换算为干土的无机氮含量。

1.3.3 水质监测

基肥施用后第 1 d、3 d、5 d、7 d、9 d、12d 和 14 d，每天上午9∶00 进行田面水取样，测定氨态氮、亚硝态氮、pH 等水质指标。氨态氮含量采用纳氏试剂分光光度法测定（HJ535-2009），亚硝态氮含量采用分光光度法测定（GB 7493-87），采用 pH 计（雷磁 PHSJ-4F,上海仪电科学仪器股份有限公司）测定pH 值。

1.3.4 产量及氮素利用效率

成熟期每小区随机选取10 丛进行考种，调查有效穗数及穗粒数，并测定千粒重。各小区采样10 m2实打实收，风干后计产。氮肥农学效率=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量。

1.4 数据处理

用SPSS 18.0 软件进行方差分析，用LSD 法比较不同处理间的差异显著性。相关图表制作用Excel 2019 软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量下稻虾共作水稻的干物质积累特征

由表1 可见，施肥显著提高水稻的干物质积累量。在分蘖期，N60、N120、N180和 N240处理的干物质积累量分别比CK 高21%、42%、63%、51%，不同施肥量处理之间差异显著。在齐穗期，茎叶中干物质积累量N60、N120、N180和N240处理分别比CK 高20%、34%、59%和51%，穗中干物质积累量分别比CK 高48%、29%、54%和39%。分蘖期至齐穗期群体生长率各处理之间差异显著。

表1 不同施肥量下水稻干物质积累量变化

2.2 不同施氮量下稻虾共作水稻植株氮含量

由表 2 可知，在分蘖期，N60、N120、N180和 N240处理的水稻植株氮含量分别比CK 高17%、19%、23%和20%，差异显著，但不同施肥处理间水稻植株氮含量差异不显著。在齐穗期，水稻植株氮含量变化幅度不大，茎叶和穗中各处理间差异不显著。

表2 不同施氮量处理对水稻地上部氮含量的影响 （单位：%）

2.3 不同施氮量下稻虾共作土壤无机氮供应特征

由表3 可知，施肥量的增加明显提升了土壤铵态氮的含量。在分蘖期，N120、N180和N240处理的铵态氮含量比CK 分别高21%、46%和54%，差异显著，N60处理比CK 高但差异不显著；在齐穗期，N120、N180和N240处理比CK 分别高30%、31%和33%，差异显著，N60处理比CK 高但差异不显著，N120、N180和N240之间差异亦不显著。在分蘖期，N180和N240处理的土壤硝态氮含量与CK 相比差异不显著，而N60和N120处理分别比CK 高68%和 36%，差异显著；在齐穗期，N60、N120和 N180处理土壤硝态氮含量比CK 分别高23%、51%和41%，差异显著，N240处理与 CK 相比差异不显著，N60、N120和 N180处理间差异亦不显著。

表3 不同施氮量下土壤铵态氮与硝态氮的变化 （单位：mg·kg-1）

2.4 不同施氮量下稻虾共作水稻产量

从表4 可见，施肥能提高水稻的有效穗数、千粒重及产量，但对穗粒数没有显著影响。N60、N120和N180处理的有效穗数比CK 分别高15%、42%和27%，差异显著，N240处理与CK 相比差异不显著。随着施肥量增加水稻产量先增后降，以N120处理的产量最高，通过施氮量与产量二次曲线拟合发现，最高产量时的施氮量为130 kg/hm2。在不同的施氮量下，氮肥农学效率随着施氮量增加先升高后降低，以N120处理最高，N60处理次之，N120处理与N60处理差异不显著。

表4 不同施氮量下水稻产量以及施氮量与产量的关系拟合

2.5 不同施氮量下稻虾共作基肥施用后田面水的水质特征

从图1 可见，基肥施用后14 d 内，田面水氨态氮浓度先升高后降低（图1a）。在施肥后的前7 d，N240处理的田面水氨态氮变化明显，与第1 d 相比第3 d 氨态氮含量降低了54%，而所有处理在第5 d 和第9 d 有明显的氨态氮增幅，在14 d 各处理氨态氮含量在1.54～2.92 mg/L 之间。田面水硝态氮浓度先升高再降低后又略微升高（图1b），在第5 d 时各处理均达到最大值，然后开始降低。各处理在基肥施用后14 d 内的田面水pH 波动范围为 6.57～8.22，第 7 d pH 降幅明显，在 14 d趋于平稳，范围为 7.33～7.43（图 1c）。

图1 稻虾不同施肥量田面水的水质变化特征

3 讨论

3.1 不同施肥量对稻虾共作水稻产量及氮肥利用效率的影响

郑盛华等[11]研究认为，不同肥力稻田有效穗数和千粒重是影响水稻产量的主要因素。本研究中，各施氮量处理有效穗数、千粒重的趋势均与产量一致，这与前人的研究结果相似。稻虾共作系统在施氮量180 kg/hm2条件下干物质积累量和积累速率最高（表1），然而其产量要低于施氮量120 kg/hm2的处理（表4）。李月梅[12]研究发现，减少10%~20%肥料用量水稻并未减产，而且随着稻渔共作年限的增加，节肥潜力增加。胡亮亮等[13]对我国13个水稻主产省（市）5 种重要稻渔模式的研究表明，稻渔共作水稻产量平均比水稻单作增加2.98%，肥料投入平均减少26.52%。彭成林等[14]用“线性+平台”模型确定了长期稻虾共作的直播稻氮肥最佳用量为102 kg/hm2，实现最高产量8 242 kg/hm2。本研究中，稻虾共作水稻移栽模式下最佳施氮量为120 kg/hm2，其产量为8 452 kg/hm2，而且该施氮量下氮素利用效率也最高，达29.9 kg/kg。综合考虑产量和干物质积累，稻虾共作系统中的适宜施氮量为120~130 kg/hm2。

长期稻虾共作会增加土壤养分[1-2]。HOU 等[3]研究发现，稻虾共作系统平均每年10%~13%的表观氮盈余（356 kg/hm2）贡献给土壤全氮（每年约35.6~46.3 kg /hm2），因此，随着共作年限的增加，氮素养分投入也要酌量减少，例如，稻虾共作4年的施氮量应比共作1年的施氮量减少25%[15]。由于工作量的关系，本研究未考虑不同稻虾共作年限的适宜施氮量，这需要深入研究。此外，稻虾共作的施肥同样需要遵循测土配方的原则，不能简单认为土壤养分增加就盲目减肥，更不能“重虾轻稻”而不施肥[4]，否则会造成水稻减产。

3.2 不同施肥量对田面水水质的影响

水体中的氨态氮和亚硝态氮含量是影响养殖甲壳类生长、生存和生理机能的主要限制因素[16-18]，因此，将氨态氮和亚硝态氮控制在较低水平利于预防疾病促进甲壳类动物生长。程建平等[19]研究表明，稻虾共作稻田增施微生物营养物料分别降低氨态氮和亚硝态氮含量0.09 和0.06 mg/L，并能促进小龙虾增产140 kg/hm2。本研究中，施肥14 d 后田面水氨态氮和亚硝态含量范围分别为 1.54～2.92 mg/L 和 0.053～0.105 mg/L，氨态氮含量符合《渔业水质标准》（GB11607-1989）。刘卿君[20]研究表明，稻虾共作施肥后田面水的氨态氮迅速升高，然后逐渐下降，这与本研究中的氨态氮变化规律相同。

小龙虾养殖的最适pH 为7.0～8.5[21-22]。本研究中，施肥14 d 后的田面水pH 符合小龙虾的养殖要求。施氮会降低水体的pH[23]，本研究中，在施肥后第6 d 水体pH 值明显下降，其原因是6月份（稻虾共作期）正值高温，氨挥发加快，田面水中H+浓度增加，pH 降低[24]。

4 结论

综合考虑水稻生长、产量和水质等因素，稻虾共作模式推荐的施氮量为120~130 kg/hm2，在该施肥量下土壤无机氮供应以及水稻产量高，且14 d 后田面水氨氮为2.46 mg/L、亚硝态氮为0.081 mg/L、pH 值为7.37，均符合小龙虾的生存条件，有利于小龙虾回田觅食和生长。