北方稻蟹共作系统氨挥发损失的研究

王　昂，马旭洲，于永清，徐　静，吕为群

(1.上海海洋大学 水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306； 2.上海海洋大学 水产种质资源开发利用重点实验室，上海 201306； 3.上海海洋大学 农业部淡水水产种质资源重点实验室/上海市水产养殖工程技术研究中心/水产动物遗传育种协同创新中心，上海 201306； 4.盘山县河蟹技术研究所，辽宁 盘锦 124000； 5.盘山县气象局，辽宁 盘锦 124000)

水产动物的代谢产物是NH3，通过鳃排放到环境中。Boyd等[17]研究证明在养殖过程中，约有25%～30%的饲料N素被水产动物利用，其余都以NH3的形式排出体外。因此，养鱼池塘也是NH3的排放源之一[18]。水稻与水产动物相结合，是一种因地制宜的种养模式，在我国有2 000多年的历史，并且得到学术界和生产上的广泛认可[19]。然而，Li等[20]研究了稻鱼共作系统NH3挥发，发现鱼类的存在降低了稻田的NH3挥发。因为鱼类抑制了藻类的生长，降低水体的pH，从而抑制了NH3的产生。稻蟹共作模式在我国北方稻作区被广泛应用，取得了很好的生态效益和经济效益[21]。关于养蟹对水稻生长、病虫害防治、稻田生态环境等方面的影响有广泛研究[22]，但是该系统的NH3挥发情况，还未见报道。目前稻蟹共作模式在全国有较大应用面积，仅辽宁省就超过8万hm2[23]。因此研究稻蟹共作系统NH3的挥发损失，评估其对环境的影响意义较大。本研究结合室外试验和室内检测，对比稻蟹共作模式和常规稻作模式在施肥和不施肥条件下系统NH3挥发损失，探索其影响因素，补充稻蟹共作模式的理论基础，为该模式的规模化应用提供参考。并且全国各地因地制宜，发展了许多稻田综合种养模式，如稻鱼、稻蟹、稻虾、稻鳖、稻蛙等[23]，本研究也为今后稻田综合种养模式的基础研究提供参考。

1　材料与方法

1.1　实验地点

田间实验于2013年的6月—10月，在辽宁省盘锦市坝墙子镇姜家村(122.26 E， 41.17 N)进行。实验点地处温带季风性气候区，2013年年均气温9.2 ℃，降水量613.7 mm，降水主要集中在5月—9月，占全年降水量的72.7%。该实验地点的土壤为潮棕壤，总氮(TN)1.61 g·kg-1，总磷(TP)0.45 g·kg-1，总有机碳(TOC)13.8 g·kg-1，pH为7.28。

1.2　实验材料

水稻为盐粳456(Oryzasalivasubspkeng)，生育期163 d左右，由辽宁省农业科学院提供。肥料为尿素(46% N)，过磷酸钙(16% P2O5)和硫酸钾(50% K2O)。河蟹为辽河水系中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)，由盘山县河蟹技术研究所提供。配合饲料购自禾丰牧业有限公司(辽宁沈阳)，成分：粗蛋白≥35%，粗脂肪≥5.5%，粗纤维≥9%，粗灰分≤15%，TP≥1%。

1.3　实验设计

田间实验采用施肥和养蟹二因素裂区设计。主因素为不养蟹与养蟹，不养蟹就是常规稻作模式，养蟹就是将大眼幼体放入稻田培育成一龄蟹种。副因素为施肥与不施肥，实验共4个处理，即单作稻不施肥(R0M)、稻蟹共作不施肥(R0C)、单作稻施肥(R1M)和稻蟹共作施肥(R1C)，每个处理各3个重复，一共12个小区，每个小区面积为100 m2(10 m×10 m)。

1.4　田间设施与管理

每个小区有各自的进水口和排水口。进水口用尼龙网(80目)包裹，以防杂鱼进入和河蟹逃逸。小区之间用田埂(宽1.0 m×高0.5 m)隔开，在田埂上用厚塑料膜做成高40 cm的防逃墙，田埂内沿四周用镀锌铁皮(宽45.0 cm，厚约0.5 mm)垂直插入土壤30 cm，以减少各小区之间的侧渗。5月27日，肥料一次性施入稻田(其中N肥只施于R1M和R1C处理中)，施肥量为160 kg·hm-2N，70 kg·hm-2P2O5和80 kg·hm-2K2O。施肥后，所有小区人工翻地15～20 cm。5月30日灌水泡田；6月1日，人工插秧，密度为行距30 cm×株距16 cm，之后田间无任何植保措施。6月9日，大眼幼体(0.005 g)放入养蟹单元格，密度为120万只·hm-2。每天17：00左右，投喂一次配合饲料，天气不好或者饵料有剩余的情况下不投喂。为了降低一龄蟹种提早成熟的比例，根据经验在8月25日至9月15日停止投喂，于9月16日恢复投喂至9月23日。10月1日，水稻人工收割。河蟹于10月20日收获，累积投饵量为920 kg·hm-2。

1.5　采样与测定

1.5.1NH3的采样与测定

1.5.2其他样品的采集与测定

实验期间，田面水一共采集了20次。稻田灌水的10 d内，每天采集水样。用50 mL的注射器，选择5个点，不搅动土壤抽取田面水，注入500 mL的采样瓶中，立刻送至实验室分析。水稻植株采集了5次，于苗期取秧苗20株；于分蘖期、穗分化期、灌浆期和成熟期，在各小区用铁铲随机取水稻5株。将水稻根部泥土洗净，整株放入105 ℃烘箱(DHG-9070A，精宏，上海)中杀青30 min，后将温度调整为70 ℃烘干48 h，冷却后称取质量。

1.6　数据分析

2　结果与分析

2.1　不同处理水稻的N素积累

随着水稻的生长，N素积累量不断增加，至成熟期达到最高值，4个处理水稻N素积累量为77.78～149.10 kg·hm-2(图1)。穗分化期时，水稻的N素积累量为51.65～97.44 kg·hm-2；苗期至分蘖期最低，为3.31～8.47 kg·hm-2。除了苗期以外，施肥稻田的N素积累量均显著高于不施肥稻田(P<0.05)。成熟期的水稻N素积累量，R1M较R0M提高了53.3%；R1C较R0C提高了69.7%(P<0.05)。除苗期外，养蟹也显著增加水稻的N素积累量(P<0.05)，主要发生在施肥稻田(R1M和R1C)，不施肥稻田中，R0C的N素积累量只在穗分化期显著高于R0M(P<0.05)。在成熟期，R1C的水稻N素积累量较R1M增加了25.0%(P<0.05)。

S、T、PI、F和M分别代表水稻苗期、分蘖期、穗分化期、扬花期和成熟期。不同的字母表示差异显著。S， T， PI， F and M reoresented seedling， tillering， panicle initiation， flowering and mature stages of rice， respectively. Different letters indicated significant differences at 0.05 level.图1　水稻植株不同时期N素积累量Fig.1　N accumulation in rice plants under different treatments

2.2　不同处理NH3挥发情况

NH3挥发速率受施肥的影响较大，所以施肥稻田和不施肥稻田的NH3挥发速率呈现不同趋势(图2)。在施肥稻田中，施肥后检测到少量NH3挥发，5月30日淹水后迅速升高，于6月1日达到峰值，然后迅速下降至较低水平。不施肥稻田(R0M和R0C)，NH3挥发处于较低水平，并且趋势较平稳。R0M、R0C、R1M和R1C的NH3平均挥发速率分别为0.148、0.132、1.506和1.462 kg·hm-2·d-1，其中养蟹稻田(R0C和R1C)的挥发速率略低，但是差异不显著(P>0.05)。

在水稻全生育期，各处理NH3总挥发量为4.79～49.70 kg·hm-2(表1)。施肥显著增加稻田NH3挥发量，R1M和R1C的NH3挥发量分别较R0M和R0C提高了4.33倍和4.61倍。施肥稻田，NH3挥发主要集中在淹水后10 d内(5月30日—6月8日)，R1M和R1C在该阶段的挥发量分别占总挥发量的69.1%和74.2%。从河蟹放入稻田后(6月9日—9月30日)计，R1C的NH3挥发量较R1M降低28.4%(P<0.05)。但是对比全生育期二者的NH3总挥发量，差异不显著(P>0.05)。可见养蟹可以降低稻田的NH3挥发损失，但是效果有限。R1M和R1C处理NH3总挥发量分别占当季施N量(160 kg·hm-2)的28.5%和26.0%。

字母F、I、C和箭头组合表示施肥，灌溉和放蟹时间。Arrow bars combined with letters F， I and C denoted the time of fertilization， irrigation and crab released.图2　不同处理稻田NH3挥发速率Fig.2　Ammonia volatization fluxes from rice fields under different treatments

表1不同模式NH3累积挥发量

Table1Ammonia volatization losses from paddy fields under different treatments

kg·hm-2

同一列的数据后面不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。由于9月11日检测到的NH3排放速率极小(小于0.05 kg·hm-2·d-1)，所以9月11日—9月30日的NH3排放速率以9月11日的排放速率计。

In a column， different letters mean significant differences among treatments at the 5% level， by ANOVA and DMRT. As the rate of AV was extremely low on 11th September (less than 0.05 kg·hm-2d-1)， so the rate of AV between 11th September to 30th September was calculated as the rate on 11th September.

2.3　田面水pH和浓度

在水稻全生育期，田面水pH为6.17～8.85，R0M、R0C、R1M和R1C田面水的pH值分别为7.31、7.22、7.69和7.53(图3)，施肥提高了田面水pH，主要发生在淹水后的10 d内(5月30日—6月8日)，但是总体差异不显著(P>0.05)。不施肥和施肥稻田pH变化趋势略有差异。不施肥稻田呈现前期高，然后缓慢降低的趋势，但是总体较平稳。施肥稻田，在淹水后pH迅速升高，于淹水后第4天达到峰值，然后下降至平稳。养蟹降低了田面水pH，但是差异也不显著(P>0.05)。

图3　不同处理稻田田面水pH动态变化Fig.3　Dynamics of flooding water pH under different treatments

2.4　NH3挥发速率与田面水浓度的相关性

图4　不同处理稻田田面水动态变化Fig.4　Dynamics of flooding water concentrations under different treatments

** 表示在0.01水平上显著相关。** denoted significant correlation at 0.01 level.图5　NH3 挥发速率与稻田田面水pH(a)和浓度(b)的相关性Fig.5　Dependence of ammonia volatization fluxes on pH values (a) and concentrations of (b) of flooding water in paddy fields

2.5　NH3挥发量与水稻N素积累量的相关性

NH3挥发量(y，kg·hm-2)与水稻不同阶段的N素积累量(x， kg·hm-2)呈显著负相关(P<0.05)，相关方程为y2=14.938-0.158·x，R2=0.165*(图6)。由此可见，水稻的吸收与NH3的转化竞争系统的N素，从而减少NH3的产生和挥发。

* 表示在0.05水平上显著相关。* denoted significant correlation at 0.05 level.图6　NH3的挥发损失与水稻N素积累量的相关性Fig.6　Relationship between cumulative ammonia volatization losses and N accumulation in rice plants

3　讨论

3.1　水稻的N素积累

水稻植株的N素含量及其分蘖能力与水稻群体的光合能力密切相关，对水稻的分蘖数、干物质量积累和产量有重要影响[28]。许多学者[11,29]研究表明，施肥显著促进了水稻的N素积累，本研究也证实了上述的结论，并且水稻N素积累量于苗期至分蘖期最低，占全生育期N素积累量的4.2%～6.1%；分蘖期至穗分化期最高，占全生育期N素积累量的65.3%～69.8%。因为无论水稻是直播还是移栽，在苗期对N素的需求量都小，并且根系也较弱，吸收能力差；随着水稻的生长，N素需求量不断增加，根系生物量不断增加，对N素吸收能力增强[30]。但是，水稻生物量和N素积累速率并非呈线性正相关，随着水稻的生物量不断增大，N素积累速率下降[31]。养蟹也提高了水稻的N素积累量(穗分化期至成熟期)。有如下原因：首先，河蟹养殖在稻田里，粪便给水稻提供了额外的N素[32]。此外，孙永健等[33]研究表明，随着施N量的提高，水稻对N素的吸收先增加后降低，存在N肥和P肥的协同吸收。因此，其河蟹粪便中的P可能促进了水稻对N素的吸收。其次，河蟹在稻田中的扰动，促进了水稻根系对N素的吸收[34]。然而，河蟹对水稻N素积累的显著促进作用仅仅发生在施肥稻田，可能因为在施肥条件下，水稻根系生物量较大[35]，对N素的吸收能力强，所以更加能够体现河蟹的促进作用。

3.2　不同处理的NH3挥发损失

综上，稻蟹共作模式显著提高了水稻的N素积累量，并在一定程度上降低了稻田NH3挥发损失，提高了肥料N素的利用率，降低对环境的危害，为该模式的规模化应用提供了积极的理论支持。然而，稻田系统N素损失有多种途径，除了NH3挥发以外，还有淋溶、径流和反硝化损失[50-51]，因此要全面评估稻蟹共作模式对生态环境的影响还有待补充研究。另外，本研究为了方便阐述河蟹对于系统NH3挥发损失的影响，采用了单一的施肥方式。今后，对于其他施肥策略，比如施有机肥或者有机无机配施对稻蟹共作生态系统NH3挥发损失的影响需要进一步探索。

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