鱼排泄物与分泌物对水稻土壤酶活性及土壤养分的影响

丁姣龙，陈 璐，王 忍，陈 灿, 2，黄 璜, 2

(1.湖南农业大学农学院，中国 长沙 410128；2.湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，中国 长沙 410000)

稻田养鱼是我国的传统稻田养殖技术[1]。对于稻鱼共生系统的研究，主要聚焦于提高养鱼产量方面的技术性工作，如共生田的工程建设、放养密度与鱼苗品种搭配、饲养方法、鱼病防治等[2]。也有少数关于稻田养鱼模式对土壤环境的影响[3-5]，但尚未形成系统理论体系。土壤酶是土壤的重要成分之一，参与土壤中所有复杂的生化过程，对土壤的营养物质转化、养分固定与释放起关键作用，与土壤的供肥能力紧密相关，是目前评价土壤肥力变化的一项重要指标[6-8]。适宜的土壤养分可促进水稻根系的生长发育，是影响水稻生长发育的重要因素[9]。本文通过室内模拟稻鱼共生系统，排除鱼类活动的影响因子，分类探讨鱼类排泄物和溶于水体的分泌物对土壤酶活性和土壤养分的影响，为探究稻鱼生态种养模式下的生态效益及其深层机理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种为中早35；排泄物来自草鱼，采集于养殖草鱼的鱼塘：每天早晚两次投放杂草等饲料，喂食1～2 h后，用鱼网打捞浮于水面的团状排泄物并收集于水桶中；鱼池水来自湖南农业大学校园内鱼池，每天用水桶取水一次，鱼分泌物溶于鱼池水中，采集后伴随鱼池水施入供试土壤。试验土壤为红黄泥，采集于湖南农业大学耘园试验基地，前茬作物为水稻。土壤pH值5.6，有机质2.7 mg·g-1，全氮 1.02 mg·g-1，全磷0.94 mg·g-1，全钾45.68 mg·g-1，碱解氮69.23 μg·g-1，速效磷50.05 μg·g-1，速效钾11.2 μg·g-1。经风干后的土壤过5 mm孔径筛网，充分混合装入直径50 cm，高40 cm的桶中，于2019年7月1日进行直播，10月21日收割。

1.2 试验设计

试验共设计3个处理，每个处理30盆，分别为完全模拟稻鱼共生(施加鱼排泄物+鱼池水灌溉，MP)、半模拟稻鱼共生(施加鱼排泄物+自来水灌溉，MW)和常规单一栽培(不施加鱼排泄物+自来水灌溉，CK)。MP与MW以腐熟鱼粪作为基肥，每30 d施用一次生石灰，水稻全生育期内不使用任何化肥、除草剂等化学品。根据稻田养鱼的密度和草鱼的排泄量，每两天施加一次排泄物，每盆约施加120 g。MP全程使用鱼池水进行灌溉，MW用自来水灌溉，水面高度均按照稻田养鱼的技术要求保持。CK组则以复合肥为基肥，9月1日施用尿素作为追肥，按常规水稻栽培进行操作。

1.3 测定指标与方法

土样采集：约每30 d取样一次，取样日期分别为7月11日(苗期)、8月11日(孕穗期)、9月11日(齐穗期)和10月21日(完熟期)，每次从同一处理组中随机抽取5盆进行取样，取样深度为10～20 cm，土样充分混合后装袋、封口并做好标记，带回实验室进行处理。

土壤酶活性：采用苯酚钠一次氯酸钠比色法测定脲酶活性、滴定法测定过氧化氢酶活性，蔗糖酶活性采用硫代硫酸钠滴定法测定[10]。

鱼排泄物与分泌物对土壤酶活性影响指数:

影响指数=(b-a)/a×100%，

其中:a为CK处理的土壤酶活性；b为MP或MW处理的土壤酶活性。

评价标准:影响指数>0，起促进作用；影响指数<0，起抑制作用。

土壤全量养分：采用浓硫酸消煮—流动分析仪法测定土壤全氮、全磷含量；浓硫酸消煮—火焰光度法测定土壤全钾含量[11]。

抽穗期至灌浆成熟期的叶绿素含量：80%的水稻抽穗至水稻完熟(9月20日至10月18日)，在此期间每隔7天用SPAD仪测定一次剑叶的叶绿素含量。

1.4 统计分析

数据用SPSS 19.0进行方差分析，不同处理间采用Duncan’s新复极差法进行多重比较，绘图软件为OriginPro 2018和Excel软件。

2 结果与分析

2.1 鱼排泄物与分泌物对土壤酶的影响

2.1.1 鱼排泄物与分泌物对过氧化氢酶的影响 过氧化氢酶是土壤中促进多种化合物氧化的一种氧化还原酶，参与土壤中的物质和能量转化，其活性的高低影响土壤肥力。由图1可知，7月11日，CK处理的过氧化氢酶活性显著高于MP及MW处理；8月11日，MP和MW处理的过氧化氢酶活性提高，显著高于CK处理，MP与MW间无显著差异；9月11日，3个处理的过氧化氢酶活性均有所降低，3个处理间表现出显著差异，其中MW最高，MP和CK处理降至最低值，分别为0.32和0.11；10月21日，3个处理间的过氧化氢酶活性具有显著性差异，表现为MW>CK>Mp。

由此可见，鱼的排泄物和其溶于水体的分泌物均可提高土壤过氧化氢酶活性，二者的作用效果相差不大，均能使土壤过氧化氢酶在全生育期内维持较高水平的酶活性。

2.1.2 鱼排泄物与分泌物对脲酶的影响 土壤脲酶活性与土壤供氮能力有密切关系，一定程度上反映了土壤肥力情况[12]。图2表明，7月11日，3个处理间土壤脲酶活性的差异显著，表现为MW>CK>MP；8月11日，MP和CK处理的土壤脲酶活性提高，显著高于MW处理；9月11日，3个处理间表现出显著差异，MW处理的土壤脲酶活性最高，其次为MP，CK处理的土壤脲酶活性最低；10月21日，MP和MW处理的土壤脲酶活性显著高于CK处理，分别是CK的2.25倍和1.75倍。

随着水稻生长，土壤脲酶活性呈下降趋势。在水稻生长后期，鱼排泄物与其溶于水的分泌物均对土壤脲酶活性有明显提升。其中，MW(仅施用鱼排泄物)的土壤脲酶活性在水稻全生育期维持较稳定水平，可见鱼类排泄物能使土壤脲酶保持较高活性。总体而言，鱼类的加入能显著提高稻田土壤脲酶活性，尤其在完熟期，对维持脲酶活性、保持土壤供氮能力起到重要作用。

图1 不同处理对过氧化氢酶活性的影响Fig. 1 Effects of different treatments on soil catalase activity

图2 不同处理对脲酶活性的影响Fig. 2 Effects of different treatments on soil urease activity

图3 不同处理对蔗糖酶活性的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on soil sucrase activity

2.1.3 鱼排泄物与分泌物对蔗糖酶的影响 蔗糖酶是土壤中分布较广的一种土壤酶，能直接参与土壤中的有机质代谢，常被用于评价土壤肥力的指标之一。如图3所示， 各时期、各处理间的土壤蔗糖酶活性均存在不同程度的差异。7月11日，3个处理间的土壤蔗糖酶活性具有显著性差异，MW处理的蔗糖酶活性最高，MP处理最低；8月11日，MP和MW处理的蔗糖酶活性降到最低值，MP低于MW，显著低于CK处理；9月11日，MP处理的土壤蔗糖酶活性与其他两个处理没有显著差异，MW处理的该酶活性显著高于CK处理；10月21日，3个处理间的土壤蔗糖酶活性出现显著差异，表现为MW>MP>CK。

结果表明鱼排泄物和分泌物均能在水稻生长后期明显提高该酶活性，排泄物的作用更显著。

2.1.4 鱼类排泄物及分泌物对土壤酶的影响对比 如表1和表2所示，7月11日，MP处理抑制了3种土壤酶的活性，MP和MW处理均是对过氧化氢酶活性的抑制率最高；8月11日，MP和MW处理均为对过氧化氢酶活性的促进率最高，对蔗糖酶活性的抑制最大；9月11日，MP和MW处理对3种土壤酶都起促进作用，且都表现为对过氧化氢酶活性的促进率最高，分别为191%和254%；10月21日，MP处理对脲酶活性和过氧化氢酶活性的促进率均高于MW处理，分别为125%和122%，MW处理对3种酶均起促进作用，表现为过氧化氢酶>脲酶>蔗糖酶。

2.2 鱼类排泄物及分泌物对土壤养分的影响

2.2.1 不同处理对土壤全氮含量的影响 如图4，在7月11日，MP处理的土壤全氮含量显著低于CK和MW， 8月11日，MP处理的土壤全氮含量上升，显著高于CK与MW；在9月11日，CK处理的土壤全氮量降至最低，为0.89 mg·g-1；10月21日各处理的土壤全氮量差异显著，表现为MW>MP>CK，MP和MW处理的土壤全氮量分别为CK的1.24倍和1.33倍。

表1 MP对土壤酶的影响指数 单位：%

表2 MW对土壤酶的影响指数 单位：%

2.2.2 不同处理对土壤全磷含量的影响 如图5所示，7月11日至8月11日，各处理土壤全磷量的变化幅度不大，处理间具有显著差异，表现为MP>CK>MW；在9月11日，CK和MP处理的土壤全磷量均降至最低，分别为0.82和0.85，MP和MW处理均显著高于CK；10月21日，各处理间的土壤全磷量差异显著，MP的土壤全磷量最高，为0.89。总体而言，MP处理的土壤全磷量在各个时期都高于CK。

图4 不同处理对土壤全氮含量的影响Fig. 4 Effects of different treatments on soil total nitrogen

图5 不同处理对土壤全磷含量的影响Fig. 5 Effects of different treatments on soil total phosphorus

2.2.3 不同处理对土壤全钾含量的影响 图6表明，7月11日各处理间的土壤全钾量无显著差异；8月11日CK的土壤全钾量降到最低值，为41.7 mg·g-1，显著低于MP和MW；9月11日MP和MW处理的土壤全钾量有所降低，显著低于CK；10月21日MP和MW的土壤全钾量变化不大，CK的土壤全钾量有所降低，显著低于MP和MW。

2.3 不同处理下水稻齐穗期至灌浆期的叶绿素变化

如图7所示，MW处理的叶绿素含量显著低于CK和MP处理，MP处理的叶绿素含量与CK无明显差异；10月4日～10月18日，MW处理的叶绿素含量下降速度最快。

图6 不同处理对土壤全钾含量的影响Fig. 6 Effects of different treatments on soil total potassium

图7 齐穗期至灌浆期的叶绿素含量变化Fig. 7 The change of chlorophyll content during filling stage

3 讨论

传统单一稻作系统的生产结构单一，系统内部的物质循环与能量流动需依赖外界投入的化肥、农药等才能顺利进行，系统的自我调节能力较差，然而滥用化肥已成为我国现阶段农业生产面临的突出问题[13]。稻鱼共生生态系统通过加入鱼类形成多级食物链，提高了稻田的自我调节能力。

1)对土壤酶的影响 本研究显示鱼类排泄物以及其分泌物对土壤酶活性有不同程度的影响，特别是在水稻生长后期。从水稻抽穗至灌浆成熟，MP和MW处理显著提高了脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性，结果均显著高于CK，与孙刚[14]等人研究结果一致。稻鱼共生期间，营养元素随着鱼的排泄及分泌活动不断扩散到水和土壤中，改变了土壤生态环境，从而影响了土壤酶活性。过氧化氢酶可以分解过氧化氢，进而减轻其对植株根系的毒害[15]。研究结果显示鱼类排泄物的加入显著提高了过氧化氢酶的活性，说明稻鱼共生模式可能有助于水稻根系的生长发育，从而影响到其产量、品质等。脲酶的酶促反应产物氨是植物氮源之一，其活性受到土壤尿素含量的影响。研究表明，苗期后，MP处理的脲酶活性均显著高于CK，原因在于鱼排泄物增加了土壤中含氮化合物。蔗糖酶参与土壤中碳水化合物的转化，土壤肥力越高该酶活性越强[16]。试验结果显示，水稻收割后MP和MW处理的蔗糖酶活性显著高于CK，说明稻鱼共生能一定程度地提高土壤肥力。

2)对土壤全量养分含量的影响 在水稻生长后期，MP与MW的土壤全氮含量均显著高于CK，与土壤脲酶活性的结果相符，说明鱼的排泄物与分泌物能为水稻生长提供氮素营养，稻鱼共生起到不间断施肥的作用。MW的土壤全磷含量低于MP和CK，表明磷素营养主要来源于鱼溶于水的分泌物，具体机理还有待进一步研究。土壤全钾含量的结果显示，鱼排泄物与分泌物能在水稻成熟期为水稻生长提供钾。结合土壤全量养分的结果，可说明稻鱼共生能在一定程度上提高土壤肥力。

3)对水稻生理特性的影响 对比水稻灌浆期叶绿素含量的变化发现，MP处理的叶绿素含量下降较为平缓，与CK近似。叶绿素是植物光合作用的主要参与物质，其含量通过影响植物体内的有机物质积累，对植物的长势起重要作用[17]。叶绿素含量受到肥料种类、施肥方式等因素的影响[18-20]。完全模拟稻鱼共生(MP)在不施加化肥的情况下能保持较高的叶绿素含量，使水稻在灌浆期间保持良好的光合能力，进而可为籽粒灌浆提供足够能量，有助于保证水稻产量和品质的稳定。

4 结论

1)鱼排泄物与分泌物能使土壤养分含量维持较高水平。水稻收割后，MP处理的土壤全氮、全磷、全钾含量均高于CK处理。

2)鱼排泄物与分泌物的加入提高了土壤酶活性，水稻收割后，MP与MW处理的过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性均显著高于CK。

3)影响指数表明，鱼类排泄物和溶于水的分泌物都对脲酶和过氧化氢酶活性起到促进作用，其中分泌物的作用更为显著。MP的促进率分别达到10%～125%和70%～75%，MW的促进率分别达到10%～125%和106%～254%。