稻田养鸭对不同秸秆还田方式下秸秆降解效应及土壤肥力的影响

吕广动，黄 璜，张 印，马微微，周 晶，隆斌庆，罗志嘉

(1.湖南农业大学农学院/湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；2.衡阳市农业科学院，湖南 衡阳 421101；3.娄底职业技术学院，湖南 娄底 417000；4.湘西土家族苗族自治州农业科学研究院，湖南 吉首 416000)

【研究意义】我国是水稻种植大国，亦是水稻秸秆的生产大国，秸秆处理俨然成为当下水稻生产中的关键问题。近些年来，出于环境保护和土壤培肥的需要，国家鼓励秸秆还田。但秸秆还田存在病虫害增加的风险[1-2]，增加温室气体排放量[3-4]，并且秸秆腐解前期会与水稻争夺氮肥[5]等问题，因此秸秆还田在推广过程中阻力较大。在农业生产成本“地板”和农产品价格“天花板”双重挤压下，农民生产积极性大幅下降。稻田养鸭作为我国传统耕作模式，可以实现“一田双收”，提高农民收入的同时，为当下秸秆还田提供了新思路。【前人研究进展】作物生产通过秸秆的形式带走田间部分养分，秸秆还田有利于维持土壤肥力，减少肥料施用，但秸秆田间降解慢，还田周期长，是目前秸秆还田中的难点[6]。一般认为，自然水热条件在很大程度上影响了秸秆的降解效果，并且土壤自身的理化环境以及微生物环境也是影响秸秆降解的重要因素[7]。前人通过调控田间水分管理或者氮肥管理来提高秸秆的降解速率，使得秸秆中的养分更快速、高效的返还土壤[8-10]。蒋炳伸等[11]的研究表明，双季稻田秸秆还田利于提高土壤有效性磷的含量和水稻磷素利用率。宋佳等[12]的研究表明冬种紫云英耦合双季稻秸秆还田促进土壤团聚体和有机质稳定性的提升。柴如山等[13]在对安徽省秸秆还田的养分资源量和利用潜力的研究表明，安徽省主要的秸秆还田基本可以满足土壤钾素供应，同时补充田间部分氮素和钾素的流失。稻田养鸭可以有效的调节农田生物链(网)结构，减少虫、草对物质和能量的占用，而鸭子的活动作为刺激源，有利于提高水稻对养分的利用效率，提高光合效率，从而提高水稻产量[14-16]。同时，鸭子的粪便是农田的有机质来源，可以有效的提高稻田土壤肥力[17-18]。苏品[19]、盛锋[20]、温婷等[21]的研究表明，稻田养鸭可以有效减轻水稻病害的发生，还有抑制杂草和减少温室气体排放的作用，这正弥补了水稻秸秆还田可能存在的风险。【本研究的切入点】目前，稻田养鸭对不同秸秆还田方式下秸秆的降解效果及对土壤肥力影响规律的研究较少，稻田养鸭条件下秸秆还田肥田效应有待进一步探究。【拟解决的关键问题】本研究开展稻田养鸭对不同秸秆还田方式下秸秆降解效果、土壤肥力变化规律的研究，以期探索稻田养鸭模式下秸秆降解规律，指导稻田养鸭模式下高效培肥，提高稻田养分利用效率，实现水稻生产可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本研究于2019年在长沙县路口镇明月村开展(28°41′N,113°23′E)，该地区属亚热带湿润气候。年均气温16～20 ℃，全年无霜期260～300 d，日照时数1600～1800 h，年均降水量1472.9 mm，年平均蒸发量1194.9 mm，平均相对湿度81%。土壤类型为红黄泥水稻土，前茬作物为水稻。

早稻结束后以五点取样法，采取土壤背景值并测定土壤肥力指标，测定结果如下：土壤全氮含量为1.32 g/kg，全磷含量为0.67 g/kg，碱解氮含量为118.13 mg/kg，速效磷含量为21.60 mg/kg，pH为5.48，有机质含量为27.74 g/kg。

1.2 试验材料

早稻栽培品种为陆两优996，晚稻栽培品种为中早39，供试鸭品种为洋鸭，晚稻试验用秸秆取自前茬早稻。

1.3 处理设置

早稻未做试验划分。晚稻采用随机区组试验，设置秸秆直接还田处理(ZR)、秸秆直接还田耦合养鸭处理(ZD)、秸秆粉碎还田处理(FR)、秸秆粉碎还田耦合养鸭处理(FD)、秸秆不还田耦合养鸭处理(BD)、以秸秆不还田处理(BR)为对照，共6个处理，每个处理设3个重复，共18个小区，每个小区为60 m2。秸秆直接还田为水稻秸秆完整还田，秸秆粉碎还田为水稻秸秆切割为15 cm左右的小段后还田，还田量均为全量还田。

1.4 田间管理

早稻于2019年3月25日播种育秧，4月21日插秧移栽，采用人工手插秧方式，陆两优996每穴2株秧苗，株行距为20 cm×25 cm。移栽前7 d施尿素240 kg/hm2、磷肥240 kg/hm2、钾肥180 kg/hm2为基肥，水稻返青后追复合肥300 kg/hm2，后期不再追肥。早稻于7月18日收割。

晚稻于6月30日播种育秧，7月21日插秧移栽，采用人工手插秧方式，中早39每穴4株秧苗，株行距为20 cm×25 cm。移栽前3 d施尿素240 kg/hm2、磷肥240 kg/hm2、钾肥180 kg/hm2作基肥，水稻返青后追复合肥300 kg/hm2，后期不再追肥。8月10日放养20日龄洋鸭每个小区2只，鸭子的投喂以“定时、定点、定质、定量”的原则进行投喂。晚稻于10月21日收割。

1.5 测定指标及方法

秸秆降解试验采用埋袋法，在每个小区以五点取样法随机选取5个采样点，在每个采样点掩埋秸秆样品袋5个。分别于20、35、50、60 d对埋袋秸秆进行采样，对采样后的样品用蒸馏水反复清洗干净，在烘箱中烘干至恒重，称重，计算失重。烘干后的样品用粉碎机粉碎并过40目筛，用来测定半纤维素、纤维素、木质素含量，水稻秸秆中半纤维素、纤维素、木质素含量采用Van Soest法[22]测定。

秸秆中剩余半纤维素、纤维素、木质素的含量=Pn/P0×100(Pn表示不同处理时间的秸秆中半纤维素、纤维素、木质素的含量；P0表示处理前秸秆中半纤维素、纤维素、木质素的含量)。

在晚稻翻耕前以及水稻分蘖期、孕穗期、成熟期对试验区采用五点采样法采集耕作层(0～20 cm)土壤样品，充分混匀，风干后研磨过筛，密封避光保存。pH采用电位法；全氮、全磷采用H2SO4-H2O2消解—流动分析仪法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L(1/2H2SO4)法；有机质采用重铬酸钾容量法——稀释热法[23]。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2013整理数据和制表，使用SPSS19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下秸秆降解效果的影响

由表1可知，在秸秆降解20 d时，各处理的失重率最高，各处理的失重率表现为FD>FR>ZD>ZR，FD处理的失重率较FR、ZD和ZR处理分别增加了7.85%、13.94%和17.12%。在处理时间为60 d时，各处理的失重率表现为ZR>FD>FR>ZD，累积失重率表现为FD>FR>ZD>ZR，FD处理的累积失重率较FR、ZD和ZR处理分别增加了0.27%、3.22%和5.25%。

如图1所示，各处理半纤维素的初始含量(处理时间为0 d)为16.22%。在处理时间为60 d时，各处理残余秸秆中半纤维素含量表现为ZR>ZD>FR>FD，其中FD处理残余秸秆中半纤维素含量为3.85%，较FR、ZD和ZR处理分别降低了20.62%、41.13%和47.97%。

如图2所示，各处理纤维素的初始含量(处理时间为0 d)为34.21%。在处理时间为60 d时，各处理残余秸秆中纤维素含量表现为ZR>FR>ZD>FD，其中FD处理残余秸秆中纤维素含量为12.25%，较FR、ZD和ZR处理分别降低了10.91%、7.20%和24.38%。

如图3所示，各处理木质素的初始含量(处理时间为0 d)为13.31%。在处理时间为60 d时，各处理残余秸秆中木质素含量表现为FR>ZD>FD>ZR，其中FD处理残余秸秆中木质素含量为6.35%，较FR和ZD处理分别降低了12.41%和3.79%，较ZR处理增加了3.25%。

2.2 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下水稻土壤肥力的影响

2.2.1 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下水稻土壤全量养分含量的影响 由图4可知，孕穗期BD和FR处理的土壤全氮含量较BR处理增加了3.62%和0.72%，且BD处理与BR处理差异显著(P<0.05)。成熟期BD、FD、FR和ZD处理的土壤全氮含量较BR处理增加了1.49%、2.99%、1.49%和2.24%，且BD、FD和ZD处理与BR处理达到显著性差异(P<0.05)。成熟期各处理的土壤全氮含量表现为FD>ZD>BD=FR>ZR=BR，其中FD处理的土壤全氮含量为1.38 g/kg。

表1 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下秸秆失重的影响

图1 不同处理残余秸秆中半纤维素的含量Fig.1 Hemicellulose contents of residual straw in different treatments

图2 不同处理残余秸秆中纤维素的含量Fig.2 Cellulose contents of residual straw in different treatments

由图5可知，孕穗期和成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR处理的土壤全磷含量均高于BR处理，且养鸭处理的处理效果优于其对应的养鸭处理。孕穗期和成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR处理的土壤全磷含量较BR处理增加了2.82%～2.86%、4.23%～7.14%、0.00%～1.41%、2.82%～5.71%和4.29%～5.63%，且BD、FD、ZD和ZR处理与BR处理均达到显著性差异(P<0.05)。成熟期各处理的土壤全磷含量表现为FD>ZD>ZR>BD>FR=BR，其中FD处理的土壤全磷含量为0.75 g/kg。

图3 不同处理残余秸秆中木质素的含量Fig.3 Lignin contents of residual straw in different treatments

图4 不同生育时期各处理的土壤全氮含量Fig.4 Total nitrogen in soil of different treatments at different growth stages

图5 不同生育时期各处理的土壤全磷含量Fig.5 Total phosphorus in soil of different treatments at different growth stages

2.2.2 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下水稻土壤速效养分含量的影响 由表2可知，秸秆还田和稻田养鸭较单一水稻种植均可以有效的提高土壤碱解氮和速效 磷含量，且稻田养鸭处理(BD、FD、ZD)的处理效果优于其对应的不养鸭处理(BR、FR、ZR)，其中以秸秆粉碎还田耦合稻田养鸭处理(FD)效果最好。

孕穗期BD、FD、FR和ZD处理的土壤碱解氮含量较BR处理分别增加了1.42%、1.90%、2.84%和1.23%，且FR处理与BR处理差异显著(P<0.05)。成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR处理的土壤碱解氮含量较BR处理分别增加了1.40%、5.36%、1.40%、2.68%和1.99%，且除BD处理外其余处理均与BR处理达到显著性差异(P<0.05)。

BD、FD、FR、ZD和ZR处理的土壤速效磷含量在孕穗期和成熟期均高于BR处理，增幅分别为6.68%～8.06%、14.58%～17.20%、12.06%～13.02%、9.21%～11.93%和5.09%～8.78%，且均达到显著性差异(P<0.05)。

2.2.3 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下水稻土壤有机质含量和土壤pH的影响 由表3可知，秸秆还田和稻鸭共生较单一水稻种植均可以有效的提高土壤有机质含量，其中以秸秆粉碎还田耦合稻鸭共生处理(FD)的效果最佳。各处理的土壤有机质含量在孕穗期和成熟期均高于BR处理，成熟期BD、FD、FR、ZD和ZR处理的土壤有机质含量较BR处理分别增加了8.04%、11.94%、7.69%、7.10%和8.39%，且均达到显著性差异(P<0.05)。

表2 不同生育时期各处理的土壤碱解氮和速效磷含量

养鸭处理(BD、FD、ZD)较其对应的不养鸭处理(BR、FR、ZR)的土壤pH有增加的趋势，且秸秆还田耦合养鸭处理(FD、ZD)较其对应的不养鸭处理(FR、ZR)处理效果显著。孕穗期FD和FR处理的土壤pH较BR处理分别增加了0.04和0.06个单位，且均差异显著(P<0.05)；BD、ZD和ZR处理的土壤pH较BR处理分别降低了0.01、0.02和0.05个单位，且BR处理与ZR处理达到显著性差异(P<0.05)。成熟期BD、FD、ZD和ZR处理的土壤pH较BR处理分别增加了0.01、0.04、0.05和0.01个单位，且FD和ZD处理与BR处理达到显著性差异(P<0.05)。

3 讨 论

3.1 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下秸秆降解的影响

试验结果显示，各处理的秸秆失重表现为先快后慢，其原因在于秸秆中的可溶性糖和蛋白质会在秸秆降解前期较快降解，而占秸秆质量70%～80%的半纤维素、纤维素和木质素分子结构稳定，因此降解过程较为缓慢，这与前人的研究结果一致[24]。在处理20 d时，各处理的失重率表现为FD>FR>ZD>ZR，主要是由于秸秆表面有一层蜡质，可以有效的阻止秸秆的降解，秸秆粉碎为微生物侵入和可溶性物质的溶解提供了途径，而鸭子的踩踏和啄食行为对于促进秸秆表面蜡质的脱落和秸秆中可溶性物质的溶解效果更为突出。杨连飞等，欧阳家风等的研究表明，淹水状态有利于秸秆的降解和养分的释放[25-26]，这也是稻田养鸭促进水稻秸秆降解的原因之一。在秸秆的降解过程中，土壤微生物的作用至关重要[27-28]，鸭子的活动、觅食等行为，可以有效的增加土壤通气性和水体溶氧量，为土壤微生物的生存与繁殖提供了适宜的环境，较传统水田可以有效的提高土壤微生物的丰富度和多样性，增加土壤微生物的数量[29-31]，有利于秸秆的降解。稻田养鸭对水稻的根系生长和水稻生物量得积累有显著的促进作用[32]，而水稻根系分泌物—微生物—土壤养分之间存在相互关系，这种相互关系也将对水稻秸秆的降解产生促进作用。综上，稻田养鸭可以有效的促进秸秆的降解，这与本试验结果一致，FD处理在60 d时的累计失重率为62.50%，较FR、ZD和ZR处理分别高出0.27%、3.22%和5.25%。ZD处理在60 d时的累计失重率低于FR处理，其原因可能是由于秸秆粉碎还田后，由于切段较小，更有利于秸秆的降解。鸭子促进秸秆降解的原因是多方面，而秸秆中分子质量高且结构稳定的纤维素和木质素的降解需要有一定的过程和时间，本试验结果表明，稻田养鸭虽然对不同秸秆还田方式下，秸秆中纤维素和木质素的降解均有促进作用，但在处理时间为60 d时，各处理的纤维素和木质素的降解效果差异并不明显。

表3 不同生育时期各处理的土壤有机质含量和土壤pH

3.2 稻田养鸭对不同秸秆还田方式下土壤养分含量的影响

秸秆全量还田对于维持土壤肥力，保持土壤耕性有积极的意义。秸秆的降解速度和程度与秸秆所含养分返还土壤的程度有直接关系。本试验结果表明，稻田养鸭可以有效的促进不同秸秆还田方式下秸秆的降解，且秸秆粉碎还田耦合养鸭处理(FD)的效果较秸秆直接还田耦合养鸭处理(ZD)的效果更好。稻田养鸭通过在稻田生态系统中添加引入鸭子这一生态位，改善了稻田生态系统的群落结构，鸭子通过觅食、活动等行为可以有效的抑制病虫草害的发生，使更多的物质和能量得以更高效的流向水稻和鸭子，并且鸭子作为扰动源，可以刺激水稻的根系和植株生长，促进水稻对土壤养分的吸收[18-20]。鸭子可以加速土壤中有机物质的矿化释放，提高土壤有效养分的增加[33-34]。本试验结果表明，秸秆还田处理(FR、ZR)可以有效的维持土壤肥力，水稻成熟期的土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷、有机质含量较对照处理(BR)均有不同程度的提高。而稻田养鸭可以有效促进水稻秸秆的降解，因此养鸭处理(FD、ZD)较其对应的不养鸭处理(FR、ZR)成熟期的土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷、有机质含量有显著提高，其中以FD处理的处理效果更明显。并且稻田养鸭耦合秸秆还田对缓解土壤酸化效果较好，对保持土壤的良好耕性和提高土壤肥力的有效供给有促进作用。

4 结 论

稻田养鸭可以有效的促进不同秸秆还田方式下的秸秆降解速率和降解效果，其中以秸秆粉碎还田耦合养鸭方式的处理效果较好。与之对应的，秸秆还田耦合养鸭可以促进秸秆养分更高效的返还农田，提高土壤肥力，稻田养鸭可以促进有机物质的矿化释放，提高水稻对土壤养分的利用效率。并且稻田养鸭可以有效的改善秸秆还田中的潜在风险，利于水稻的绿色高效生产。