垄作稻鱼鸡共生对稻田土壤养分含量及水稻产量的影响

马微微，陈灿，2，黄璜，2，任勃，周晶，李桂香，王忍

（1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；3.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128）

民以食为天，粮食安全已上升为国家战略，粮食安全主要包括粮食产量安全和粮食质量安全。近年来，我国稻谷年产量稳定在2 亿t 以上[1]，稻谷质量安全备受人们关注。农业生产中长期大量农药化肥的使用，破坏了农田生态系统平衡，严重制约水稻生产的良性循环发展[2]。如何在保障粮食产量安全的同时，降低农业面源污染，成为现代农业的研究热点。稻田生态种养作为水稻绿色生产模式，能够节肥26.52%、减药61.08%，达到稳产增产效果[3]，是实现农业可持续发展的一种重要途径。稻鸭[4]、稻鱼[5]是我国传统稻田生态种养模式，稻田生态种养创新模式主要有稻鱼鸡[6]、稻鳖虾[7]等。

土壤养分是土壤提供给植物生长所必需的营养元素，其中氮、磷、钾是影响水稻生长的主要元素[8]。已有研究发现，稻田生态种养模式能显著提高土壤中的全氮、全磷、有效磷、速效钾等养分含量[9]，稻鸭模式能加速有机质的分解[10]，稻鱼模式能增加水中溶氧量[11]；稻田养殖中水产（放养）动物的饵料及排泄物能为水稻提供天然的营养物质，稻鳅模式可增加水稻每穴分蘖数和成穗数[12]。而垄作栽培技术可解决稻田长年积水、还原性有毒物质聚积、光温水土资源利用率低等问题[13]，提高土壤水肥利用率[14]、协调作物的生长环境，利于作物稳产增产[15-17]。目前，有关垄作稻鱼鸡共生对水稻的影响研究报道较少，主要集中于垄作稻鱼鸡共生对水稻生长发育及产量的影响方面，且多为同一田块研究[18-19]，关于垄作栽培稻鱼鸡共生对土壤养分含量的影响研究尚未见报道。为此，在不同田块进行2 a 的垄作稻鱼鸡共生试验，研究垄作稻鱼鸡共生对土壤养分含量及水稻产量的影响，以期为垄作稻鱼鸡共生模式的发展和推广提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况及试验材料

试验地位于湖南省长沙县路口镇明月村（113°29′48″E、28°40′38″N），于2018 年5—10 月进行第1年试验，2019 年5—10 月在同一区域不同田块进行第2 年试验，该区属亚热带湿润气候，年均气温16～18 ℃，全年无霜期260～300 d，日照时间1 600～1 800 h，年均降水量1 200～1 500 mm，年均蒸发量1 194.9 mm。土壤类型为红黄泥水稻土，试验前0～20 cm耕层土壤养分含量见表1。

表1 2018、2019年试验田土壤养分含量Tab.1 The soil nutrient contents in the experimental fields in 2018 and 2019

供试水稻品种为常规中稻品种农香32。供试鸡为青脚黄麻鸡，供试鱼为工程鲫。

1.2 试验设计

水稻采用垄作栽培。采用起垄机起垄，垄沟宽（相邻两垄底之间的距离）为0.3 m，深为0.4 m，垄基部宽为0.9 m，养殖田的四周开一条围沟使各垄沟相连通，围沟垄沟面积不超过总面积的10%。设置4个处理，即垄作稻鱼鸡处理（RFC）、垄作稻鱼处理（RF）、垄作稻鸡处理（RC）、垄作单稻处理（CK），每个处理3 个小区，小区面积60 m2。分别于2018 年6月10 日和2019 年5 月20 日播种，2018 年7 月5 日和2019 年6 月15 日移栽。水稻均移栽于垄的两侧，行距为15 cm，株距为30 cm，每穴4～5 苗。水稻移栽后10 d，垄肩放鸡，垄沟放鱼，稻鱼和稻鱼鸡处理小区投放约8 cm 长、50 g 的工程鲫50 尾，稻鸡和稻鱼鸡处理小区投放约0.5 kg的青脚黄麻鸡10只。

1.3 田间管理

1.3.1 施肥、灌水 稻田起垄前施复合肥（15-15-15）600 kg/hm2；于水稻分蘖期放鱼之前追施1 次尿素（含N 46%），用量为75 kg/hm2；于孕穗期和灌浆初期各喷1次5 g/L磷酸二氢钾+10 g/L尿素，用量为300 L/hm2。试验期间，稻鱼、稻鸡和稻鱼鸡小区均不喷施化学药剂。水稻移栽后采取垄沟蓄水,垄上为半旱式浸润灌溉。

1.3.2 鱼的消毒、投放 鱼苗投放之前用20～30 g/L的食盐水浸泡3～5 min 进行消毒处理，并调节水温，使运鱼的袋装水温与稻田水温差低于3 ℃。

1.3.3 放养动物的饲养 青脚黄麻鸡放养初期进行人为驯食，引导鸡全田活动、均匀作业。放养期间，养殖的鱼和鸡以昆虫、浮游生物、杂草为食，根据生长情况，每天定时、定点、定量补充谷物饲料。保证稻鱼鸡共生时间达60 d以上。

1.3.4 防逃防鸟 小区周围设置尼龙围栏，在木桩上绑上彩带并挂上气味驱鸟剂。养鱼小区进排水口设置拦鱼栅，养鸡小区于边界搭建鸡棚。

1.3.5 收获 水稻灌浆期收获鸡；2018 年于10 月20 日收割水稻，2019 年于10 月6 日收割水稻；水稻收割前10 d收获鱼。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤养分含量 于水稻分蘖期、孕穗期、齐穗期、成熟期，每个小区采用5 点取样法，采集0～20 cm 垄上土壤样品，风干后磨样，过筛分装用于土壤养分含量测定。其中，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮、全磷含量采用浓硫酸消煮—流动分析仪法测定，全钾含量采用浓硫酸消煮—火焰光度法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L（1/2 H2SO4）提取—可见分光光度计法测定，速效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。

1.4.2 水稻产量 于水稻收获前1 d，每个小区选取有代表性的水稻植株5株，进行考种，调查有效穗数、穗总粒数、穗实粒数、千粒质量，计算结实率；在水稻收获当天，每个小区随机割取3个1 m2的样方，脱粒后晒干，计算产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2013 整理数据，使用SPSS 23.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 垄作稻鱼鸡共生对稻田土壤养分含量的影响

2.1.1 全量养分

2.1.1.1 全氮 由表2 可知，随着水稻生育进程的推进，2 a 土壤全氮含量变化趋势一致，均表现为孕穗期升高、齐穗期降低、成熟期再增加。分蘖期，2018 年土壤全氮含量以RF 处理最高，为1.57 g/kg，显著高于CK、RC、RFC 处理，较CK 高出25.60%；而2019 年以CK 最高，为0.86 g/kg，与RF、RFC 处理差异均不显著。孕穗期和齐穗期，2018 年土壤全氮含量均以RC 处理最高，齐穗期RC 处理显著高于CK、RF、RFC 处理，较CK 提高34.44%；2019 年均以RF处理最高，分别较CK 显著提高17.05%和19.28%。成熟期，2 a 土壤全氮含量均表现为RFC＞RC＞CK＞RF，RFC、RC 处理分别较CK 提高51.33%、38.94%和4.27%、1.71%，且2018 年达到显著水平。与土壤全氮含量本底值1.46 g/kg（2018 年）、0.69 g/kg（2019年）相比，成熟期，RFC 和RC 处理土壤全氮含量均提高，2018 年分别提高了17.12%和7.53%，2019 年分别提高了76.81%和72.46%。

2.1.1.2 全磷 由表2 可知,分蘖期、孕穗期，2018年土壤全磷含量分别以RFC、RC 处理最高，2019 年则分别以RC、RF处理最高，但均与CK无显著差异。齐穗期，2018 年土壤全磷含量以RFC 处理最高，RC处理次之，RFC、RC 处理分别较CK 显著提高44.83%、24.14%；2019 年各处理均显著低于CK，降幅为7.02%～12.28%。成熟期，2 a 土壤全磷含量均表现为RFC、RC 处理显著高于CK，分别提高35.71%、14.29%和28.13%、26.56%。与土壤全磷含量本底值0.65 g/kg（2018 年）、0.54 g/kg（2019 年）相比，成熟期，2018 年各处理土壤全磷含量总体上均降低，但RFC 处理降幅最小；2019 年各处理土壤全磷含量均提高，其中RFC 和RC 处理提高幅度较大，分别为51.85%和50.00%。

2.1.1.3 全钾 由表2 可知,2018 年分蘖期、孕穗期、齐穗期均以RFC 处理土壤全钾含量最高，孕穗期和齐穗期较CK 分别显著提高15.42%和26.35%，各处理成熟期土壤全钾含量无显著差异。与土壤全钾含量本底值7.29 g/kg相比，成熟期，各处理均降低了土壤全钾含量。2019年各处理土壤全钾含量在各生育时期均无显著差异，与土壤全钾含量本底值5.22 g/kg相比，成熟期，各处理土壤全钾含量均提高。

表2 不同处理土壤全量养分含量Tab.2 The soil total nutrient contents of different treatments g/kg

2.1.2 速效养分

2.1.2.1 碱解氮 由图1 可知，2018 年RC 处理土壤碱解氮含量在分蘖期至成熟期均高于CK，增幅为12.22%～57.98%，除孕穗期外均达到显著水平；成熟期，土壤碱解氮含量表现为RFC＞RC＞RF＞CK，其中RFC、RC 处理显著高于CK、RF 处理，较CK 分别增加了56.36%、47.05%。2019年RFC、RC处理土壤碱解氮含量在分蘖期至成熟期均显著高于CK，增幅分别为11.23%～18.54%、4.07%～13.75%；与土壤碱解氮含量本底值115.15 mg/kg 相比，成熟期，各处理土壤碱解氮含量均提高，其中RFC、RC 处理增幅分别为28.68%、20.28%。

2.1.2.2 速效磷 从图2 可知，2 a 土壤速效磷含量无明显变化规律。2 a 齐穗期土壤速效磷含量均以RC 处理最高，分别较CK、RFC、RF 处理提高52.71%、85.41%、90.03%。2 a 成熟期土壤速效磷含量总体上均以RC、RFC 处理显著高于CK 和RF 处理，分别较CK 提高37.22%、31.45% 和29.43%、41.14%。与土壤速效磷含量本底值24.82 mg/kg（2018 年）和20.10 mg/kg（2019 年）相比，成熟期，RC、RFC 处理土壤速效磷含量均增加，增幅分别为79.45%、71.92%和51.39%、65.07%。

2.1.2.3 速效钾 从图3 可以看出，2 a 分蘖期土壤速效钾含量均以RF、RFC处理显著高于CK和RF处理，分别较CK 提高18.58%、17.40% 和44.44%、14.78%。2 a 齐穗期土壤速效钾含量均以RFC 处理最高，分别为167.00 mg/kg 和90.00 mg/kg，显著高于CK、RC、RF 处理。2018 年成熟期土壤速效钾含量以RC 处理最高，为84.67 mg/kg，显著高于其他处理，2019 年各处理间无显著差异。与土壤速效钾含量本底值相比，成熟期，2 a 各处理土壤速效钾含量均降低。

2.1.3 有机质 如图4 所示，2018 年，分蘖期土壤有机质含量表现为RF＞RFC＞RC＞CK，差异显著，RF处理为25.14 g/kg，较CK 处理提高18.19%；孕穗期，RF 处理显著高于RFC、CK、RC处理，增幅为15.95%、12.44%、10.32%；成熟期，土壤有机质含量表现为RFC＞RC＞RF＞CK，差异显著，RFC、RC、RF处理分别较CK 提高18.69%、16.93%、2.47%。与土壤有机质含量本底值24.52 g/kg 相比，成熟期，各处理土壤有机质含量均增加，以RFC、RC处理增幅较大。2019 年，分蘖期、成熟期土壤有机质含量均表现为RFC＞RC＞RF＞CK，RFC 处理显著高于其他处理，RC、RF处理均显著高于CK，RFC处理分别为34.62、36.56 g/kg，分别较CK 提高18.28%、21.46%；孕穗期、齐穗期RF 处理土壤有机质含量显著高于CK 和RC 处理，分别较CK 提高10.67%、12.97%，齐穗期RFC 处理土壤有机质含量显著高于CK 和RC 处理，较CK 提高16.37%。与土壤有机质含量本底值24.23 g/kg 相比，成熟期，各处理土壤有机质含量均增加。

2.2 垄作稻鱼鸡共生对水稻产量及其构成因素的影响

由表3 可知，2018 年RF 处理水稻产量达到7.54 t/hm2，较CK 提高5.75%，但各处理间差异不显著。2019 年水稻产量表现为RFC＞RC＞RF＞CK，其中，RFC 处理为7.21 t/hm2，RC 处理为7.07 t/hm2，RF处理为6.78 t/hm2，均显著高于CK，分别较CK 提高16.29%、14.03%、9.35%。产量构成因素中，2018 年各处理有效穗数无显著差异，2019 年RF、RC、RFC处理有效穗数分别较CK显著提高13.76%、10.64%、11.93%；2 a RC、RFC 处理穗总粒数均显著高于CK，分别提高了6.93%、5.90%和5.04%、3.06%；除RF 处理结实率显著低于CK 外，2 a 各处理结实率与CK均无显著差异；2 a RFC 处理千粒质量均显著高于CK，分别提高9.64%和4.67%，2019 年RF、RC 处理也均显著高于CK，分别较CK提高7.80%、1.46%。

表3 不同处理水稻产量及其构成因素Tab.3 Rice yield and its components of different treatments

3 结论与讨论

3.1 垄作稻鱼鸡共生对稻田土壤养分含量的影响

垄作栽培具有增温效应，能有效增强土壤微生物的活力和酶的活性，使土壤非腐殖质转化为腐殖质，形成良好的土壤结构[20]。稻田养鸡、鱼对土壤肥力的提升是综合性的，鸡在田间的啄食、踩踏和鱼的游动、掘食，发挥了中耕松土的作用，同时两者的排泄物和残留饲料刺激土壤中的微生物将其转化为可吸收态养分，补充了土壤养分[21]。高明等[22]研究结果表明，垄作栽培处理的0～20 cm 土层土壤全氮、全磷、全钾、有效磷含量均高于平作处理。稻鱼共生能有效提高土壤中的有机质、全氮和速效养分含量[23-24]。本研究将垄作和稻田养殖两者结合，结果表明，与CK 相比，水稻成熟期RC、RFC 处理土壤全氮、全磷含量总体均显著提高，土壤全钾含量无明显变化规律。研究发现，垄作稻鱼鸡模式与垄作单稻模式相比，能显著提高土壤速效氮、速效磷、速效钾含量，分别提高22.01、3.04、1.81 mg/kg[21]。本研究结果表明，2 a RC、RFC 处理土壤碱解氮、速效磷含量均较CK 提高；2 a RFC 处理齐穗期土壤速效钾含量均显著高于CK。这与前人[21]研究结果一致，说明RC、RFC 处理能提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量。张志毅等[25]研究指出，垄作栽培提高了稻田土壤中活性有机碳和难解有机碳含量，促进了稻田土壤有机碳的累积。稻田养殖鸡、鱼对田间杂草等生物的转化及其排泄物也提高了稻田土壤有机质含量[21]。本研究结果表明，2 a RFC、RC、RF 处理土壤有机质含量在分蘖期和成熟期均显著高于CK，这与前人[21]研究结果一致。由此说明，稻田系统中引入的鸡和鱼减少了杂草、浮游生物等好氧生物对土壤养分的吸收，再加上鸡和鱼的粪便提高了土壤中的全氮、全磷和有机质含量；鸡和鱼的觅食活动提高了土壤的速效养分含量，改善了土壤的通透性，增加了土壤中微生物数量进而促进了土壤有机质的分解，加速土壤养分的转化。综合2 a 不同处理对土壤养分含量的影响发现，RC、RFC 处理由于鸡群具有较强的活动性，且稻田中放养的鸡相对较大，其抗干扰能力也较强，除虫、除草、增加土壤养分含量效果较佳。而RF 处理土壤养分含量的增幅较RC、RFC处理低，出现这种现象的原因，一方面是投放鱼苗时间为水稻移栽后10 d，此时水稻暂未封行，垄沟中的鱼苗易被天敌捕食导致鱼的数量减少；另一方面，垄侧区域保持半干旱半湿润状态，导致杂草快速生长，继而诱发病害和虫害，而放养的鱼无法有效防控垄侧区域杂草，杂草与水稻争水、肥、光等，使得RF 处理土壤养分含量的增幅降低。因此，垄作稻田养鱼需要适当加宽、加深垄沟，以保证养殖鱼类安全越夏和避害；同时，选择适宜的鱼种以达到更佳的种养耦合效果。

3.2 垄作稻鱼鸡共生对水稻产量及其构成因素的影响

作物产量受土壤水分状况、透气性能和土壤养分含量的影响[26]。水稻垄作使稻株处在不同的平面上，有利于密植，且垄上稻株整体的通风透光性好，有利于提高水稻的产量。研究发现，水稻垄作栽培能够改善水稻生长的小环境，促使水稻各产量构成因素达到较高水平的协调统一，从而实现水稻高产[20]。稻田生态种养能增强土壤的通透性、结构稳定性和团聚化程度，加速土壤养分周转，提高水稻氮素的输出[23,27]。前人研究结果表明，水稻垄作栽培和稻鱼共生均能有效提高水稻产量[28-30]，这与本研究结果一致。2018 年各处理水稻产量差异不显著，2019 年RFC、RC、RF 处理水稻产量均显著高于CK，分别较CK 提高16.29%、14.03%、9.35%。由此说明，稻鱼鸡共生系统中，鱼和鸡的摄食及排泄活动能够向农田土壤中输入一定数量的氮、磷、钾等养分，且随着鱼和鸡的生长，其排泄物表现出不断增加的趋势，这种趋势十分贴近水稻对养分的需求规律，保证了水稻对养分的吸收；鱼在田中的取食、搅动等行为增加了稻田水体溶氧量，也保证了水稻根系的健壮发育，两者共同为水稻获得高产提供了较好的源、流条件。

综上所述，将垄作和稻田养鸡、鱼结合，实现垄侧种稻、垄上养鸡、垄沟养鱼，既能提高土壤养分含量，又能保证水稻的稳产增产。其中，稻田养鸡和稻田养鱼、鸡模式具有稳定水稻产量和增加土壤养分含量的作用，在稻田生态种养中更具有推广价值。垄作稻鱼鸡共生模式，充分利用稻田资源，实现稻田立体种养，一田多产，增强了稻田生产的抗风险能力，且具有改造低产田、撂荒田、小微田的功效，既符合现代农业生产要求，又加强了生态防控效果，还兼具粮食丰产与土壤培肥的作用，做到“藏粮于地，藏粮于技”，更值得推广。