稻田生态综合种养模式对土壤理化性质及腐殖质的影响

余经纬， 黄 巍， 李玉成， 王 宁， 张学胜

(安徽大学 资源与环境工程学院， 合肥 230601)

中国作为世界上最大的化肥生产国与消费国，2016年的化肥施用量为5984.1万t，占世界化肥总施用量的30%以上[1]。施用适量化肥可提高粮食产量，但盲目施用化肥，会使得化肥有效利用率大大降低[2-3]，且未被利用的化肥会经雨水冲刷、地表径流等作用后进入水体和土壤中，导致水体富营养化，造成稻田土壤有机碳含量降低、酸性增加和板结加重[4-5]。2016年，安徽省合肥市单位播种面积化肥施用量高达368.8 kg/hm2[6]，是国际公认肥料施用上限的1.64倍。研究发现在环巢湖流域水体富营养化污染源贡献率中，农业面源污染的贡献率达46%[7]。

稻田生态综合种养模式是一项将种植与养殖相结合的生态环保综合型农业开发技术，可保证农产品的质量安全，改善稻田生态环境[8-9]。在稻田生态综合种养模式中，采用秸秆经机械粉碎后深翻入土[10]；保持田间水量充足，减少化肥农药的施用量等耕作措施，可增加土壤微生物群落及酶类多样性，提高秸秆腐化程度[11]。养殖的禽(鱼)类生物在水稻田中的排泄物可替代部分化肥，作为优质生物有机肥料[12-13]。目前，稻田生态种养(“稻田养虾”“稻鸭共育”“稻鱼共育”等)技术对土壤理化性质的影响研究仅停留在单一种养模式[8-9,11-14]，而对“稻田养虾”和“稻鸭共育”两种生态种养技术相结合的生态综合种养模式鲜有报道。

本研究利用安徽易高丰公司提供的规模化种植基地，在化肥减量化的基础上，比较稻田生态综合种养模式(PES)与常规种植即闲置(CK)、单季水稻种植(SSR)和双季水稻种植(DSR)模式对水稻田土壤理化性质(容重、孔隙度、全氮和碱解氮等)及腐殖质(胡敏酸、富里酸、光学性质)的影响，为改良土壤和降低农业面源污染提供科学的参考依据。

1 研究地区和方法

1.1 研究区域及材料

试验田位于安徽省合肥市北圩村，以种植早晚水稻为主。研究区属于亚热带季风气候，年均气温为15.7 ℃，年均降水量1188 mm，年均湿度70%，土壤类型为典型的水稻土。本试验开始于2016年1月，土壤样品采集于2018年1月。

供试水稻品种为“南粳46”，鸭品种为“巢湖麻鸭”，虾品种为“克氏原螯虾”(Procambarusclarkii)。复合肥为安徽某公司生产(N∶P2O5∶K2O = 21∶9∶10)，尿素为安徽某公司生产，N ≥46.4%。试验前稻田表层土壤性质：容重1.31 g/cm3、pH 5.43、有机碳14.8 g/kg、全氮1440 mg/kg、碱解氮138.8 mg/kg、速效磷21.9 mg/kg和速效钾107.5 mg/kg。

1.2 田间管理

试验设置4种处理模式，根据当地水稻种植及施肥方式，以施用基肥(复合肥600 kg/hm2)，追肥(尿素150 kg/hm2)为基础，每种种植模式设置3个平行，具体试验设置方式见表1。

表1 试验设置与田间管理

稻田生态综合种养模式试验田四周挖宽2.5 m、深2 m的“回”形沟渠。四周设置防逃网与筑埂，布设简易鸭棚。水稻收割后，机械粉碎稻田秸秆，深翻入田。2月20日，以巢湖支流三叉河为水源灌溉试验田和虾沟，田间水位达30～40 cm。用生石灰+茶粕全田泼洒，以杀灭病害及野生鱼类。待药物毒性消失，种植轮叶黑藻，50%覆盖率。4月3日，投入虾苗；5月底，捕捞成品虾。7月1日翻耕水草，平整田块；未捕捞虾放入虾沟中，适当补充，7月3日施用复合肥，机械插秧，株距20 cm×20 cm。8 d后施用尿素，秧苗移栽10 d后，放适龄鸭13只/亩，稻鸭共生期为60 d。稻田中的杂草靠鸭啄食和践踏为主。稻鸭共作期间，田间水位保持在8～10 cm。水稻抽穗期赶鸭出田，并及时排水烤田。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集

2018年1月8日收获期后，在每个试验区域布设5～7个采样点，利用“X”型5点法采集表层土壤(0～10 cm)。土壤样品冷冻干燥后，研磨过筛，低温干燥皿保存，用于后续分析。

1.3.2 实验方法及数据处理

土壤质地采用激光粒度仪(LS13320ALM)[15]测定。土壤容重和总孔隙度采用环刀法测定，pH值采用pH计(水∶土=2.5∶1)测定，土壤全氮采用半微量凯氏法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用双酸浸提法测定，速效钾采用乙酸铵浸提法测定[16]。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[15]。土壤腐殖质各组分采用腐殖质组成修改法进行提取和分离[17]。可提取腐殖物质和胡敏酸的含碳量采用TOC分析仪(TOC-LCPH，日本岛津)测定，富里酸含碳量采用腐殖物质与胡敏酸的含碳量差减获得；腐殖质光学性质的测定采用紫外分光光度仪测定。

实验数据采用SPSS 21.0进行数据统计与分析，图件采用Origin 8.5绘制。

2 结果与讨论

2.1 稻田生态综合种养模式土壤理化性质的影响

2.1.1 稻田生态综合种养模式对土壤物理性质的影响

土壤质地作为土壤重要的物理性质之一，对土壤的水力特性、肥力状况等有较大影响[18]。各模式中土壤粉粒和砂粒均存在差异性(P<0.05)，见表2，PES模式下土壤砂粒含量最低。表明PES模式可提高土壤分化效率，降低土壤含砂量，改变土壤质地分配比例。

由表2还可看出，与试验前土壤相比，PES模式土壤容重降低了0.10 g/cm3。对比CK、SSR和DSR模式可看出，随着稻田化肥施用量的减少，土壤容重逐渐降低，其中以不施用化肥的CK模式土壤容重改善效果最佳。与施肥量相同的SSR模式相比，PES模式土壤容重降低了0.08 g/cm3。综上表明，稻田生态综合种养模式在施用化肥的情况下，可降低土壤容重，改善土壤物理结构。这与禹盛苗等[14]研究结果相同。

不同种植模式下土壤总孔隙度具有显著差异(P<0.05)。PES模式的总孔隙度低于CK和SSR，这可能与水稻田闲置有关。闲置期间稻田不翻耕，对土层干扰小，土壤的生物数量和土壤酶活力有所提高，从而提高了土壤总孔隙度。相比于DSR模式，PES模式的土壤总孔隙度提高了4.82%，表明稻田中虾打洞、鸭搅动、中耕浑水等活动，能增加土壤透气性，降低土壤紧实度，改善土壤的物理性质[14]。

表2 稻田生态综合种养模式对稻田土壤质地及物理性质的影响

注：土壤颗粒的粒级类型参照《国际制土壤质地分级标准》；不同字母表示模式间差异达到0.05显著水平;下同

2.1.2 稻田生态综合种养模式对土壤化学性质的影响

在水稻收获后，PES模式稻田中土壤的全氮、碱解氮含量均显著高于CK和SSR种植模式；速效磷含量显著高于CK模式；速效钾显著高于其它3种种植模式(P<0.05)(图1-B、C、D)。与其它模式相比，PES中土壤速效钾增幅最大(相比DSR提高28.63%)。而相比于原土壤基础肥力，各模式中以PES模式养分的提高效果最佳，全氮、碱解氮、速效磷和速效钾分别提高了17.22%、17.83%、8.72%和22.41%。综上，PES改善了水稻对土壤养分的吸收，增强了土壤保肥能力，尤其对土壤中速效钾保肥影响最为显著。这与刘卉[11]和禹盛苗[14]等研究结果相似。

图1 稻田生态综合种养模式对土壤酸碱度及养分含量的影响Figure 1 Effects of ecological comprehensive planting and breeding patterns on soil pH and nutrient contents in paddy fields

2.2 稻田生态综合种养模式对土壤腐殖质的影响

2.2.1 稻田生态综合种养模式对土壤有机碳含量的影响

由表3可知，相比于SSR、DSR模式，PES模式能显著提高土壤的有机碳含量(P<0.05)。相比于试验前土壤，PES模式中土壤有机碳含量增加了2.50 g/kg，这可能是由于秸秆还田、稻田养虾期间土壤微生物群落及酶类活性增加，导致秸秆、虾壳等的腐化强度提高，从而显著提高了土壤有机碳含量。相比于DSR模式，PES模式土壤中有机碳含量增加了2.674 g/kg，增幅高达18.24%；而施用等量化肥的两种模式中，PES模式中土壤有机碳含量显著高于SSR模式(P<0.05)，这与PES模式中虾与鸭活动和排放粪便等因素有关[11]。上述结果综合表明，稻田生态综合种养模式改善了土壤通气状况，提高了微生物含量，促进了土壤中微生物活性及养分循环，在一定程度上增加了土壤中的有机碳含量[23]。

2.2.2 稻田生态综合种养模式对土壤腐殖质的影响

秸秆在稻田生态综合种养模式中处于水淹状态，可提高稻田根系和菌丝的活性[24]，提高秸秆的腐化程度，从而增加有机碳(SOC)、腐殖质(HE)、胡敏素(HA)和富里酸(FA)含量。与CK模式相比，其它3种模式中土壤的腐殖质碳(HEC)和胡敏酸碳(HAC)含量均显著提高，其中以PES模式中HEC和HAC增幅最大(表3)。PES与其它3种模式相比，HAC含量显著增加(P<0.05)，相比于SSR和DSR模式分别增加了0.92和0.62 g/kg。HA和FA二者比值可表征土壤腐殖质的聚合程度，一般而言，比值越大表明HA比重占绝对优势，HE处于活跃状态，分子结构复杂[25]。PQ值(HE中HA占比情况)表示土壤中HA与FA之间相对形成速度以及相互转化关系。由图2可知，PES模式的PQ值和HA/FA值均显著高于其余3种种植模式(P<0.05)。表明PES模式可推进土壤中腐殖质向HA和FA的转化，亦可显著提升土壤中腐殖质的活性。

图2 稻田生态综合种养模式对土壤腐殖质结构特征的影响Figure 2 Effects of ecological comprehensive planting and breeding modes on soil humus structure characteristics in paddy fields

HA的光学性质是判断土壤HE特性的重要依据。一般认为，色调系数△logk值能够反映HE组分结构的复杂程度，即HA-△logk值越低，其分子结构越复杂[26]；HA吸收光谱曲线的斜率(E4/E6)反映芳香环在HA分子中的缩合程度、芳构化程度等[25]。各种植模式中土壤光学性质HA-△logk、HA-E4/E6值的大小顺序为：SSR

表3 稻田生态综合种养模式对稻田土壤有机碳与腐殖质的影响

2.3 稻田生态综合种养模式对水稻年产量及经济效益的影响

由表4可知，PES水稻产量显著高于SSR和DSR模式，其水稻产量较SSR模式提高了7.9%。且PES模式的总产值为54 455元/hm，比SSR、DSR模式分别增加了32 565元/hm和11 775元/hm，增幅达到148.8%和27.6%；从利润方面来看，PES模式的利润显著高于SSR和DSR模式，增幅达到136.6%和32.4%。可见PES模式不仅可增收单季水稻种植的产量，也可增加农民全年的经济收入。

3 结论

1)稻田生态综合种养模式(PES)显著改善了水稻田土壤质地，降低了土壤容重、提高了总孔隙度。与SSR和DSR模式土壤相比，PES模式不但改善了土壤酸化现象，而且提高了稻田土壤养分含量，增强了土壤的保肥能力。

2)与SSR和DSR模式相比，PES模式可显著增加土壤中有机碳和胡敏酸碳含量，提高土壤中腐殖质的有效性及腐殖化程度，同时降低土壤中腐殖质缩合度及分子复杂程度。稻田生态综合种养模式(PES)相比于其它3种模式，更有利于土壤中腐殖质的形成和利用。

表4 稻田生态综合种养模式对水稻田年产量及经济效益的影响

3)稻田生态综合种养模式(PES)不但降低了农药化肥施用量，而且提高了水稻的产量，增加了农民的经济收入，还可为降低环巢湖流域的农业面源污染提供科学的参考依据。