蛙稻生态种养模式对土壤微生物特性的影响

郭文啸， 赵　琦， 朱元宏， 袁　婧， 张路驰， 曹林奎

(1.上海交通大学农业与生物学院，上海 200240； 2.上海青浦现代农业园区发展有限公司，上海 201717)

土壤微生物是土壤有机质和养分循环转化的动力，在土壤腐殖质的形成与循环等过程中都起着重要的推动作用[1]。土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon，简称SMBC)、土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen，简称SMBN)、土壤微生物熵(soilmicrobial quotient，简称SMQ)及土壤可培养细菌、真菌、放线菌数量的变化与土壤功能密切相关，均可作为土壤质量变化的微生物学评价指标，用来表征土壤质量[2-3]。

近年来，可持续发展农业一直是我国现代农业的重要议题，其中利用互利共生、生态位等生态学原理形成的“稻鱼共生”“稻蛙共生”和“稻鸭共生”等稻田生态种养模式已经成为现代农业的重要组成部分[4-5]。目前，国内外针对稻田生态种养对土壤的影响已有大量研究。全国明等研究表明，稻鸭生态种养模式较传统农业显著提高了土壤有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾含量，并降低了土壤容重[6]；展茗等研究表明，鸭和鱼在稻田间的活动能够增加土壤微生物量及土壤微生物多样性[7]；稻田种养模式还能减少农田化肥和农药的用量，这也在一定程度上降低其对土壤和水体带来的污染，对农产品质量和环境安全有重要意义[8]。但目前对蛙稻生态种养模式下土壤微生物特性方面的研究还未见报道。基于此，本研究以上海市青浦区试验推广种植的绿色蛙稻和有机蛙稻种养模式为主要对象，对比上海郊区常规水稻模式，以期探究蛙稻生态种养模式对土壤微生物特性的影响，研究成果对优化稻田间管理和农田的可持续发展具有重大实践意义。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

本试验为大田试验，试验地位于上海市青浦现代农业园区(地理位置为121.03°E，30.97°N)内，该地区属亚热带季风气候，2010—2015年平均气温为17.6 ℃，极端最高温度为38.4 ℃，极端最低温度为-7.8 ℃；全年平均降水为 135 d，平均降水量为1 269.3 mm。试验区土壤类型为湖沼相沉积物起源的青紫泥水稻土，质地较黏重。2010—2015年试验地已经连续6年实行水稻—紫云英(Astragalussinicus)轮作模式。采样期间试验地温度和降水量情况如图1所示。

1.2　试验材料

水稻品种为青角307(Oryzasativa)；蛙品种为虎纹蛙(Hoplobatrachustigerinus)。

1.3　试验设计

本试验设置3种水稻种植模式。(1)常规水稻(conventional cultivated rice，简称CR)：对照组，即上海市郊区农民常规水稻种植模式，施用化肥和农药；基肥施BB肥(bulk blending fertilizer，上海惠尔利农资有限公司)120.0 kg(N)/hm2，分蘖肥和穗肥分别施尿素90.0 kg(N)/hm2。(2)有机蛙稻(organic rice-frog，简称OR)：水稻种植过程中施用有机肥和生物农药，人工除草，并在稻田中投放虎纹蛙以控制虫害，在水稻分蘖期(7月10日)将虎纹蛙放入田中，投放密度为2.5万只/hm2，田块四周布有50 cm的拦网以防虎纹蛙跳出，水稻收割前25 d开始撤网并捕获虎纹蛙；试验区前茬植物为紫云英，水稻收割后种植紫云英并进行越冬管理，次年5月成熟后翻耕还田，以67.5 kg(N)/hm2紫云英和116.5 kg(N)/hm2菜籽饼做基肥，58.0 kg(N)/hm2菜籽饼分别做分蘖肥和穗肥。(3)绿色蛙稻(green rice-frog，简称GR)：施用有机无机混合肥，使用少部分农药和大部分的生物农药，稻田中投放2.5万只/hm2虎纹蛙，以67.5 kg(N)/hm2紫云英和 55.0 kg(N)/hm2菜籽饼做基肥，90.0 kg(N)/hm2尿素分别做分蘖肥和穗肥。本试验中的有机蛙稻通过国家有机认证，绿色蛙稻模式通过国家良好农业规范(good agriculture practice，简称GAP)认证。

每种模式各设置4个重复，每个田间小区面积为 1 600 m2，随机区组排列。试验地最初土壤性质相同，2010—2015年已连续6年施行上述3种模式的种植，每年在6月3—7日间移栽水稻，密度为1.1×105株/hm2，11月1—4日收割。2015年水稻播种前耕层(0～20 cm)土壤基础理化性质如表1所示。

表1　土壤基础理化性质

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

1.4　田间取样及分析方法

本试验于2015年稻季间对水稻移栽前(6月1日)、分蘖期(7月14日)、拔节期(8月10日)、孕穗期(9月4日)、灌浆期(9月28日)和收获期(10月28日)6个时期采集土壤样品。每个小区随机采集5个土样(0～20 cm)，混匀后快速运回实验室，部分新鲜土样于4℃冰箱内保存，用于土壤微生物量和数量等指标的测定，剩余土样风干过2 mm目筛后保存，用于土壤理化性质的测定[9]。

土壤微生物量碳采用熏蒸浸提-重铬酸钾法测定，土壤微生物量氮采用熏蒸浸提取法测定[10-11]。土壤可培养微生物数量的测定使用平板稀释法，其中细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用改良的高氏一号培养基，真菌采用马丁-孟加拉红培养基[12]。

试验数据均采用Microsoft Excel 2010进行初步整理、分析和绘制图表，用SPSS 17.0进行方差分析和相关性分析。

2　结果与分析

2.1　蛙稻生态种养模式对土壤微生物量碳、氮的影响

由图2可知，在水稻生长前期SMBC逐步上升，至分蘖期达到最大值，与移栽前相比，此时常规水稻、绿色蛙稻和有机蛙稻SMBC含量分别增加86.9%、130.6%、92.7%；然后随着水稻生长发育SMBC逐渐下降，至收获期略有回升，在收获期，常规水稻田中SMBC为移栽前的96.3%，绿色蛙稻田中为移栽前的97.0%，有机蛙稻田中为移栽前的100.4%。结果表明，不同种植模式下稻田土壤SMBC存在差异，有机蛙稻SMBC在水稻生长全季均显著高于常规水稻，而在分蘖期、拔节期和孕穗期绿色蛙稻SMBC含量显著高于常规水稻。在水稻整个生育期间的SMBC含量平均值大小顺序为有机蛙稻(567.05 mg/kg)>绿色蛙稻(513.41 mg/kg)>常规水稻土壤(426.42 mg/kg)。

整个稻季稻田土壤的SMBN与SMBC变化趋势相似。由图3可知，在水稻生长前期SMBN含量逐渐增加至分蘖期达最大值，相较移栽前常规水稻、绿色蛙稻、有机蛙稻中SMBN分别增加 109.8%、81.3%和104.6%；之后随着水稻生长SMBN含量下降，在收获期常规水稻田中SMBN为移栽前的87.3%，绿色蛙稻为91.4%，有机蛙稻田为102.0%。试验结果还表明，不同种植模式下稻田土SMBN存在差异，有机蛙稻SMBN在水稻生长全季均显著高于常规水稻，而绿色蛙稻在移栽前、分蘖期、拔节期和收获期SMBN含量显著高于常规水稻。稻季土壤SMBN含量均值大小顺序为有机蛙稻(49.11 mg/kg)>绿色蛙稻(44.56 mg/kg)>常规水稻土壤(38.42 mg/kg)。可见相较于常规水稻，蛙稻生态种养模式明显提高了稻田SMBC、SMBN含量。

2.2　蛙稻生态种养模式对土壤微生物熵的影响

土壤微生物熵是土壤微生物量碳与土壤总有机碳(total organic carbon，简称TOC)的比值，它充分反映了土壤中活性有机碳所占的比例。由图4可以看出，3种模式SMQ范围都介于1.43%～3.49%之间，SMQ在分蘖期达到最大值，之后整体下降，在灌浆期和收获期SMQ较小。从水稻整季来看，相较于常规水稻，有机蛙稻在分蘖期、拔节期和孕穗期显著提高了稻田SMQ， 而绿色蛙稻在分蘖期和拔节期显著提高了稻田SMQ。

2.3　蛙稻生态种养模式对土壤可培养微生物数量的影响

由表2可知，整个稻季不同种植模式下土壤细菌、放线菌与真菌数量变化不一致。其中细菌数量随水稻生长呈先上升后下降再上升的趋势，在分蘖期达到最大值，孕穗期达到最小值；稻田有机蛙稻和绿色蛙稻细菌平均数量分别为常规水稻模式的1.21、1.16倍。放线菌数量变化趋势与细菌相似，在分蘖期达到峰值，灌浆期达到谷值；整个稻季，有机蛙稻放线菌平均数量分别是绿色蛙稻和常规水稻的1.05、1.06倍，绿色蛙稻和常规水稻间差异不显著。真菌数量随水稻生长先减少后上升，移栽前为最大值，孕穗期达到最小值；整个稻季有机蛙稻和绿色蛙稻土壤真菌数量均显著高于常规水稻，分别是常规水稻的1.20、1.09倍。有机蛙稻和绿色蛙稻的土壤可培养微生物总量显著高于常规水稻，分别较常规水稻高出20.1%、15.5%。以上结果表明，相较于常规水稻，蛙稻生态种养模式有利于提高土壤细菌、放线菌和真菌数量，并对土壤可培养微生物中各类群微生物的组成、比例都产生了一定的影响。

表2　不同种植模式下稻田土壤可培养微生物数量动态变化

注：同列同一标签不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2.4　土壤微生物特性指标与土壤理化性质相关性分析

由表3可以看出，SMBC、SMBN分别与土壤有机质、全氮和有效钾含量呈极显著正相关，SMBN与土壤有效磷含量呈显著正相关。细菌、放线菌数量均与有机质含量呈极显著正相关，细菌数量还与全氮、有效磷、有效钾含量呈极显著正相关，放线菌、真菌数量与全氮含量呈显著正相关，放线菌数量与有效钾含量呈显著正相关。

3　结论与讨论

土壤微生物量是土壤活性养分的储存库，可以灵敏地反映环境因子、土地利用模式、农业生产活动和气候条件的变化，被用作评价土壤质量和反映微生物群落状态与功能变化的指标[13-15]。结果表明，经过多年连续试验，与传统常规水稻模式相比，有机蛙稻生态种养模式显著提高了稻田土SMBC、SMBN和SMQ，绿色蛙稻在水稻生长初期显著提高了稻田土SMBC和SMBN。这主要是因为土壤微生物与土壤质量、养分含量关系十分密切，土壤养分含量特别是有机质、氮素的提高会明显加速微生物生物量的积累[16]。一方面有机蛙稻和绿色蛙稻中长期施用的有机肥和虎纹蛙的蛙粪为土壤微生物的活动提供丰富的碳源和氮源[17]；另一方面相较于常规水稻，蛙稻生态种养模式有效地减少了稻田中养分的流失，也有利于土壤养分库的积累[18]。

表3　土壤微生物特性指标与土壤理化性质相关性分析

注：n=72，“*”“**”分别表示在0.05、0.01水平上差异显著。

土壤可培养微生物数量的测定结果表明，相比于常规水稻，有机蛙稻能提高土壤细菌、放线菌和真菌数量，绿色蛙稻能提高土壤细菌和真菌数量，同时蛙稻生态种养模式对土壤微生物群落结构也有一定影响。展茗等在稻鱼共作模式[7]、章家恩等在鸭稻共作模式[19]的研究中都表明，稻田生态种养模式可以提高土壤细菌、放线菌和真菌数量，这是因为动物生活产生的粪便增加了土壤养分，为微生物的增殖提供了良好条件；此外，动物的活动还对稻田土壤氧化还原电位有所影响，有利于土壤微生物大量增殖[20]。

综上所述，蛙稻生态种养模式作为稻田生态种养新技术，与传统常规水稻种植模式相比，明显增加了稻田土壤的SMBC、SMBN和可培养微生物数量。因此，从土壤微生物的角度出发，蛙稻生态种养模式优于常规水稻种植模式，其中有机蛙稻模式优于绿色蛙稻模式。本试验目前仅对不同种植模式土壤微生物特性指标差异进行了分析，而有关蛙稻生态种养模式的机制及其效应评价还需今后进一步研究。

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