洱海流域稻田综合种养对田面水氮素和水稻产量的影响

崔荣阳，刘宏斌，毛昆明，毛妍婷，陈安强*，雷宝坤*

（1．云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201；2．云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；3．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081）

水稻是世界重要的粮食作物，种植面积大，水稻生长对氮素的需求量较大。近年来，我国氮肥施用过量现象普遍，从而导致水稻的氮肥利用率较低［1］，约 40% ～ 50%［2］的氮素通过氨挥发、径流流失、渗漏以及硝化-反硝化作用等途径损失［3］，从而造成地表水富营养化、大气质量下降、地下水硝酸盐超标等环境问题。因此，如何减少氮肥投入，提高氮肥利用率，减少稻田氮素损失对改善生态环境具有重大意义。稻田氮素流失主要受降雨强度、施肥类型、方式和水平、农田水分管理方式等因素的影响。稻季田面径流主要发生在高强度降雨时，田面水溢出田埂形成机会径流，造成氮素的径流损失［4］。施用包膜尿素和氮肥减施能降低径流中TN、NH4+-N、NO3--N含量，且稻田径流累积流失量分别减少12.90%～26.91%、54.52%～49.38%和4.03%～15.95%［5］。施肥类型及水平影响氮素渗漏损失，在化肥减施20%～30%情况下，氮素渗漏流失量减少19.43%～25.91%［6］。浅灌深蓄结合30%N+70%控释掺混肥施用能够减少氮素流失、改善土壤肥力、提高水稻产量和稻田节水［7］；间歇灌溉条件下总氮径流流失量相对于传统灌溉降低22.9%［8］。可见，目前对如何降低田面水氮素浓度，减少稻田氮素流失主要集中于施肥、灌溉等方面。

稻田综合种养不但可以实现稻季控源减排，还能促进稻作农业的可持续发展［9］。稻鸭、稻鱼、稻蟹、稻虾等模式是比较成熟的稻季种养共作模式，已广泛推广应用。稻田综合种养改变了单一种稻的养分投入、稻田环境，改变了稻田的氮素转化，从而对田面水氮浓度产生影响。稻鸭共作系统中田面水的TN、NH4+-N和NO3--N浓度含量显著高于未养鸭处理［10］，但稻田养鸭能够有效降低渗漏水TN、NO3--N含量［11］。稻田养蟹可降低化肥施用，每年可消减面源氮污染负荷6.375 kg·hm-2，一定程度上降低了水体富营养化的污染风险［12］，且稻蟹共作的水稻产量和蟹产量都显著增加，TN利用分别提高20%和34%［13］。稻鱼系统（鱼目标产量375 kg·hm-2）不会增加田面水TN、NH4+-N和NO3--N含量，甚至把鱼目标产量提高为2 250 kg·hm-2时，也不会对水体环境质量有负面影响，但当目标产量增加至3 000 kg·hm-2时，田面水TN、NH4+-N 显著提高［14］。可见，由于农艺措施、水稻目标产量、种养类型和密度、养殖动物的活动及粪便排泄量的差异，对稻季田面水氮素影响较大。稻田综合种养具有较高的经济价值和环境效益，对减少肥料投入，降低氮素损失意义重大，然而，目前稻田综合种养更关注的是经济产出，而通过合理的种养密度和优化施肥降低稻季田面水氮素浓度，减少氮素流失风险的研究较少。因此，本研究针对洱海流域稻蒜轮作区稻季氮磷化肥施用过量问题，通过稻鸭、稻蟹种养模式的田间试验，分析在不同养殖密度与优化施肥下两种种养模式对田面水氮素动态变化及水稻产量的影响，以期选择合理的种养共作模式、密度及施肥方式，实现稻季氮肥减量、稻田氮素减排，为洱海流域通过种养共作实现稻田面源污染防控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于云南省大理州洱源县右所镇梅和村稻蒜轮作区（26°01′57″N，100°03′48″E）。该区气候类型为高原亚热带季风气候，年平均气温15 ℃左右，光照充足，年平均降水量800～1 000 mm，干湿季明显，80%以上的降雨主要集中在5～10月。供试土壤为水稻土，土壤母质为河相沉积，耕层土壤有机质为67.24 g·kg-1，全氮为2.94 g·kg-1，全磷为1.35 g·kg-1，碱解氮为202.37 mg·kg-1，有效磷为47.22 mg·kg-1，pH值为6.12。

1.2 试验设计

试验设4个处理（表1），根据当地水稻种植的习惯施肥量设常规处理（HT），再结合试验区本底土壤养分含量设低密度鸭/蟹处理（DL、CL）和空白处理（CK），依据预期每只鸭、蟹饲养量及饲养期，通过粪便量或投料量和其内在的养分含量［15-16］及有关系数测算［17］设高密度鸭/蟹处理（DH、CH），每个处理设3个重复，共18个小区，其中每个处理小区面积为90 m2。试验小区四周田埂进行加高加宽，埂高为30 cm，顶宽为30 cm，田埂坚固、夯实、平坦，埂上覆地膜，防止肥水串流。进排水口对角设置，并埋设100 mm的PVC管，其中养蟹小区PVC管口用尼龙网封住。每个养鸭、养蟹小区田埂四周分别用尼龙网和薄膜建成围栏，围栏高分别为100和40 cm，防止鸭子或螃蟹逃跑及外部动物侵害。尼龙网、塑料薄膜用竹竿、绳子和铁丝固定。2016年5月25日将腐熟农家肥及磷、钾肥作为基肥一次性施入稻田，然后进行旋耕，其中，DL、CL处理每小区分别施入0.2 kg的磷肥和钾肥，HT处理施入0.4 kg的磷肥和钾肥，其余处理不施基肥。5月26日水稻移栽，株距16 cm，行距30 cm，6月1日返青时追肥，其中DL、CL处理分别追施0.14 kg的氮肥，HT处理追施0.28 kg的氮肥，其余处理不追肥。6月4日投入孵出15 d左右的鸭苗及蟹苗，蟹苗规格为20～50 只·kg-1。试验所用肥料为尿素（N 46.4%）、过磷酸钙（P2O516%）和硫酸钾（K2O 50%）。鸭子和河蟹每天傍晚6：00喂养一次，鸭饲料为豆粕、玉米面、麦麸、米糠等配成的植物性饵料，河蟹饲料为小麦和豆粕。8月11日水稻抽穗扬花时将鸭子移出稻田，在水稻收获前收获河蟹，9月16日收割测产。水稻品种为楚粳28，鸭子品种为当地旱鸭，河蟹品种为中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis H．Milne-Edwards）。

表1 试验小区处理

1.3 田面水采集与测定

在施肥后的1、3、5、7、9 d采集各小区田面水，以后每隔10 d取1次田面水样，取样时间为9:00～11:00，每个小区田面水采集5个点后混合取100 mL，样品采集后带回实验室冷冻保存。田面水测定指标包括总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、氨态氮（NH4+-N）。TN采用碱性过硫酸钾氧化消解—紫外分光光度法（GB 11894—89）测定；采用AA3型连续流动分析仪测定NO3--N和NH4+-N［18］。

1.4 指标计算

式中：Nmin为无机氮（mg·L-1），ON为有机氮（mg·L-1）。

2 结果与分析

2.1 稻田综合种养模式下田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度动态变化

从图1可以看出，CK处理田面水TN浓度持续下降，其余处理田面水TN浓度在追肥后逐渐上升，在第3～5 d达到峰值后呈逐渐下降趋势，养鸭与养蟹处理后期田面水TN浓度略有小幅上升。各处理TN平均浓度分别为（1.36±0.14）mg·L-1（CK）、（1.91±0.22）mg·L-1（HT）、（1.63±0.30） mg·L-1（CL）、（1.64±0.20）mg·L-1（CH）、（1.77±0.19）mg·L-1（DL）、（1.85±0.31）mg·L-1（DH），与HT处理相比，CK、CL、CH处理TN分别显著（P＜0.05）降低了28.8%、14.7%、14.1%，而DL、DH处理仅降低了7.3%、3.1%。养鸭处理的TN显著高于养蟹处理，低密度处理TN分别低于相对应的高密度处理。

田面水NH4+-N在施肥后的3～5 d迅速达到峰值，随后迅速降低趋于平稳，养鸭与养蟹处理后期田面水NH4+-N都出现小幅上升（图2）。监测期内HT处理的NH4+-N平均浓度最高为（0.73±0.11）mg·L-1，CL、CH、DL和DH处理NH4+-N平均浓度分别为（0.62±0.13）mg·L-1、（0.55±0.13） mg·L-1、（0.65±0.17）mg·L-1和（0.55±0.07）mg·L-1，CK处理最低，为（0.53±0.06）mg·L-1。CK、CL、CH、DL、DH处理田面水NH4+-N浓度与HT处理相比，分别降低了27.4%、15.1%、24.7%、11.0%和24.7%（P＜0.05），施肥处理的NH4+-N平均浓度高于未施肥处理。与TN相反，低密度处理的NH4+-N浓度高于相对应的高密度处理，养鸭和养蟹处理NH4+-N浓度相差不大。

图1 田面水TN浓度动态变化

图2 田面水NH4+-N浓度动态变化

施肥对田面水NO3--N浓度影响并不大，但其动态变化和田面水TN、NH4+-N相似，在第3～5 d达到峰值后又逐步下降（图3）。养鸭及养蟹处理田面水NO3--N平均浓度分别为（0.28±0.05）mg·L-1（DL）、（0.25±0.05）mg·L-（1DH）、（0.23±0.05） mg·L-（1CL）、（0.21±0.07）mg·L-1（CH）， 高 于 CK［（0.14±0.02）mg·L-1］（P＜0.05）。与 HT［（0.20±0.05）mg·L-1］处理相比，DL和DH处理NO3--N浓度分别增加了40.0%和25.0%（P＜0.05），CL和CH处理增加了15.0%和5.0%，CK处理降低了30.0%（P＜0.05）。养鸭处理NO3--N浓度显著高于养蟹处理，低密度处理NO3--N浓度高于相应的高密度处理。

图3 田面水NO3--N浓度动态变化

2.2 稻田综合种养模式下田面水氮素分配特征

不同处理的田面水NH4+-N、NO3--N在Nmin中的比例及Nmin、ON占TN的比例如表2所示。各处理NH4+-N/Nmin值由高到低分别为CK、HT、CL、CH、DL、DH，NO3--N/Nmin大小顺序与NH4+-N/Nmin相反；各处理Nmin/TN由高到低分别为DL、CL、HT、CK、CH、DH，而ON/TN大小顺序与Nmin/TN相反。其中，与HT及CK处理相比，养鸭处理能够显著降低NH4+-N/Nmin，显著增加NO3--N/Nmin；而养蟹处理也能降低NH4+-N/Nmin，增加 NO3--N/Nmin，但无显著差异；同时，养鸭和养蟹处理对Nmin/TN、ON/TN没有显著影响，HT与CK处理各形态氮素分配比例相差较小。各处理NH4+-N/Nmin高于NO3--N/Nmin，ON/TN高于Nmin/TN。

表 2 田面水各形态氮素分配比例 （%）

2.3 稻田综合种养模式下水稻产量

不同处理的水稻产量存在一定差异（图4），CL水稻产量最高，CH、DL、CK处理水稻产量也明显高于（P＜0.05）HT处理，DH水稻产量最低。相对于HT处理，CL、CH、DL和CK处理水稻产量分别提高了11.4%、9.4%、9.2%和5.1%（P＜0.05），而DH却降低4.1%。养蟹处理水稻产量高于养鸭处理，低密度处理水稻产量高于相对应的高密度处理。

图4 不同处理的水稻产量

3 讨论

3.1 稻田综合种养模式对稻季田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度动态变化影响

种养共作对田面水氮形态动态变化的影响受养殖密度、养殖物种及其粪便排泄量和活动量等影响，使得两种种养模式下田面水氮形态变化存在差异。赵学敏等［1］和李成芳等［10］研究表明，稻鸭共育田的水体中TN、NH4+-N、NO3--N浓度有所提高；而张云杰［20］发现稻蟹共作的田面水NH4+-N浓度降低，NO3--N浓度增加。本研究中，与HT处理相比，两种共作模式田面水TN、NH4+-N浓度降低，NO3--N浓度增加。这些差异可能有两个原因所致：一是相比于化肥中的氮素，鸭、蟹粪便中的氮素释放过程较缓慢，各处理施肥量也不同，且本研究中施肥处理的TN、NH4+-N平均浓度显著高于未施肥处理，这也说明施肥能够明显提高田面水中的TN、NH4+-N含量；二是由于鸭子和河蟹的活动搅动了水体与土壤，改善了土壤氧化还原状况，促进N素的硝化作用，以及觅食抑制了杂草浮萍的生长，减少对NO3--N的吸收［11］；三是优化施肥降低了种养工作的施氮量，也影响了田面水中氮浓度。

水稻生育期田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度动态变化趋势基本相似，在施肥后3～5 d浓度达到峰值，之后急剧下降趋于平稳，TN、NH4+-N后期略有小幅度上升，与李成芳等［10］、赵冬等［21］得出的田面水TN、NH4+-N等在1～3 d出峰值的变化规律略微不同，主要原因可能是不同地域、气候影响着稻田环境，轮作模式影响着稻田土壤的理化性质及土壤肥力，进而综合影响尿素向田面水中释放氮素，此外，鸭和蟹的介入也对相应处理有一定的影响。郑敏［22］研究指出，在放鸭当天田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度会达到最大值，随后下降趋于稳定，本研究于6月4日晚投入鸭苗，6月5日田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度达最大值，之后下降趋于稳定，研究结果基本一致。这是因为土壤脲酶主要在施肥后3～5 d达到峰值［23］，前期施入的氮肥在脲酶作用下迅速水解为NH4+-N，而NH4+-N浓度的增加，极大促进了硝化作用进行，因此，施肥后田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度逐渐上升并达到峰值。之后由于土壤固定、氨挥发、植株吸收、渗漏等原因，田面水TN、NH4+-N浓度逐渐下降；另外，鸭、蟹活动改变了氧化还原条件，促进了硝化作用，也导致了NH4+-N浓度下降。稻田长期处于淹水状态，强烈的厌氧环境一定程度上抑制了氮素的硝化反应，却促进了反硝化微生物和反硝化酶的活性，增强反硝化作用。加之硝化作用反应底物NH4+-N浓度降低，水稻生长直接大量吸收NO3--N［24］，对 NO3--N需求较大，故导致田面水NO3--N浓度迅速下降，且一直处于较低水平。综合以上氮素动态变化规律，得出施肥后一周内是控制洱海流域稻田氮素流失的关键时期，控制氮素流失的关键时期与施泽升等［25］、郑小龙等［26］的研究一致。

3.2 稻田综合种养模式对稻季田面水氮素分配及水稻产量的影响

各形态氮素分配比例中，各处理NH4+-N/Nmin值高于NO3--N/Nmin值，ON/TN值高于Nmin/TN值，主要因为稻田长期淹水条件下田面水无机氮以NH4+-N为主［27］，水稻对氮素的吸收以无机氮为主，加之鸭和蟹的粪便、喂养过程中饲料的投入，综合导致ON/TN较大。NH4+-N/Nmin值由高到低分别为CK、HT、CL、CH、DL、DH，主要因为稻鸭、稻蟹养殖模式能促进NH4+-N转化为NO3--N，使氮素得以被水稻充分吸收；Nmin/TN值由高到低分别为DL、CL、HT、CK、CH、DH，说明低密度养殖与优化施肥相结合能提高TN中Nmin比例。与HT和CK相比，养鸭和养蟹处理对Nmin/TN值、ON/TN值无显著影响，说明稻鸭、稻蟹共作模式不会提高氮素的相对流失潜力；HT与CK处理各形态氮素分配比例相似，表明稻鸭、稻蟹共作模式能够改变田面水各形态氮素浓度，改善稻田水生态环境，增加养分，促进氮素转化［28］。

低密度鸭处理、稻蟹共作模式均提高了水稻产量，与孙文通等［29］、王强盛等［30］研究一致。主要因为鸭、蟹投入的饲料、粪便等可缓慢且持续不断地提供C、N源，直接增加了田面水和土壤的有效养分，且鸭和蟹觅食田间浮萍杂草，使更多的养分被水稻吸收［31］；此外，鸭、蟹田间活动促进土壤中硫化氢和沼气的释放，致使根系可以更好地深扎［32］，且在一定程度上释放出被土壤固定的养分和改善了土壤氧化还原状况，促进氮的矿化和硝化，从而促进水稻生长、增产。本研究中低密度养蟹能够大幅提高水稻产量，与孙文通等［29］研究结果一致。除DH外，其它处理水稻产量均显著高于HT，可能是由于放鸭密度过大导致前期大面积破坏水稻幼苗，后期破坏谷穗，造成产量下降。CK处理水稻产量高于HT，主要因为本底土壤肥沃，养分含量较高，加之前期大蒜种植投入过量的肥料，使得大量的养分残留在土壤中，可能已经满足下季水稻对养分的需求，而水稻季再投入大量的化肥，一定程度上便造成水稻贪青晚熟，降低水稻产量。两种共作模式低密度处理水稻产量均高于高密度处理，可能是因为高密度养殖对水稻破坏力强于低密度，另外，低密度进行了优化施肥处理，前期鸭和蟹的粪便量较少，投入的养分自然也较少，而减半施入的化肥释放出的养分弥补了前期水稻生长对养分的需求，后期鸭和蟹的粪便排放量增多，这样也就供应了后期水稻生长所需的养分，这说明稻田综合种养模式既要注重养殖密度，又要注重优化施肥。本研究中水稻产量与氮素关系较为复杂，不仅与当地稻-蒜轮作中过量氮素残留土壤中有关，还与鸭子、河蟹、饲料等外源氮的输入有关，其关系还需进一步研究。

3.3 稻鸭、稻蟹种养模式引起的田面水氮浓度及水稻产量差异原因

本研究中，养鸭处理田面水TN、NO3--N浓度显著高于养蟹处理，NH4+-N浓度相差不大。可能是由于：一是鸭子的排放粪便量和养分含量高于河蟹，外源N的带入量也相应高于养蟹处理；二是鸭子的活动频繁、范围较广，觅食强度较大，在稻田立体生态位中，河蟹活动常在土-水层，而鸭子在土-水-大气层中［33］。试验期间通过对田面水溶解氧（DO）的监测发现，稻鸭共作模式能增加田面水DO浓度［11］，而稻蟹共作模式却降低了田面水DO浓度［20］，因此，相比于稻蟹共作，稻鸭共作对水体的搅动、土壤透气性的增加、土壤理化性质的改变等更强，进而氨化、硝化作用也强于稻蟹共作模式，这使得养鸭处理能够显著降低NH4+-N/Nmin，显著增加NO3--N/Nmin，而养蟹处理影响不显著。低密度处理TN平均浓度低于相对应高密度处理，而NH4+-N、NO3--N平均浓度高于相应的高密度处理，可能与养殖密度和施肥有关系，密度大排出的粪便多，但转化为无机氮部分较少，有机氮占TN比例较大，此外CL、DL施入了氮肥，相比于粪便，尿素氮更易于转化为无机氮［34］，加之鸭子与河蟹的介入，既有外源N输入又能创造出氮肥氨化、硝化的有利环境。养蟹处理水稻产量均高于养鸭处理，造成水稻差异的原因可能是由于鸭子对水稻的破坏力强于河蟹。

4 结论

整个水稻全生育期，田面水TN、NH4+-N、NO3--N浓度在施肥后逐渐上升，施肥后3～5 d、放鸭和放蟹1 d后达到峰值，之后急剧下降趋于平稳，TN、NH4+-N后期略有小幅度上升，施肥后一周内是种养稻田控制氮素流失的关键时期。

相对于HT处理，两种种养模式田面水TN、NH4+-N浓度降低，NO3--N浓度升高；养鸭处理能够显著降低NH4+-N/Nmin和增加NO3--N/Nmin，养蟹处理也降低了NH4+-N/Nmin和增加了NO3--N/Nmin，但无显著差异。

稻鸭、稻蟹共作模式减少了氮肥施用量，低密度养鸭/养蟹处理与氮肥优化相结合更有利于保证水稻产量。