佀國涵,彭成林,徐祥玉,徐大兵,袁家富**,李金華

(1.湖北省農業(yè)科學院植保土肥研究所 武漢 430064;2.潛江市農技推廣中心 潛江 433199)

稻蝦共作模式對澇漬稻田土壤理化性狀的影響*

佀國涵1,彭成林1,徐祥玉1,徐大兵1,袁家富1**,李金華2

(1.湖北省農業(yè)科學院植保土肥研究所 武漢 430064;2.潛江市農技推廣中心 潛江 433199)

稻蝦共作模式是一種以澇漬水田為基礎,以種稻為中心,稻草還田養(yǎng)蝦為特點的復合生態(tài)系統(tǒng)。本文通過10年(2005—2015年)定位試驗,以中稻單作模式為對照,研究了稻蝦共作模式對0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm土層土壤理化性狀以及水稻產(chǎn)量的影響;采用投入產(chǎn)出法,評估了稻蝦共作模式的經(jīng)濟效益。結果表明,長期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實度,其在15cm、20cm、25cm和30cm處的土壤緊實度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%。長期稻蝦共作模式提高了0～40cm土層中>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體數(shù)量、平均質量直徑和幾何平均直徑,但降低了0～20cm土層的團聚體分形維數(shù)。相對于中稻單作模式,長期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層有機碳、全鉀和堿解氮含量,0～30cm土層全氮含量,0～10cm土層全磷和速效磷含量以及20～40cm土層速效鉀含量。稻蝦共作模式顯著降低了0～10cm土層還原性物質總量,但提高了20～30cm土層土壤還原性物質總量。稻蝦共作模式的水稻產(chǎn)量較中稻單作模式顯著提高,增幅為9.5%,其總產(chǎn)值、利潤和產(chǎn)投比較中稻單作模式分別增加了46 818.0元·hm-2、40188.0元·hm-2和100.0%?？梢姷疚r共作模式改善了土壤結構,增加了土壤養(yǎng)分,提高了水稻產(chǎn)量以及經(jīng)濟效益,但增加了10cm以下土層潛育化的風險。

稻蝦共作模式;澇漬稻田;土壤結構;有機碳;土壤養(yǎng)分;經(jīng)濟效益

稻田種養(yǎng)復合生態(tài)模式是我國南方稻作區(qū)一種主要的種養(yǎng)模式,具有悠久的歷史,該模式把水稻(Oryza sativa)種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖人為地組合在同一生態(tài)系統(tǒng)中,利用稻田的立體空間,達到充分利用光、熱、水及生物資源的目的,獲得較高的物質生產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[1];同時可防止土壤肥力減退,減少環(huán)境污染,維持生態(tài)平衡,使農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于良性循環(huán)之中[2]。近年來,稻蝦共作模式已發(fā)展成為我國長江中下游地區(qū)一種以澇漬稻田為條件,以種稻為中心,稻草還田養(yǎng)蝦為特點的新興稻田種養(yǎng)復合生態(tài)模式,該模式在長江中下游稻區(qū)發(fā)展很快,目前僅在湖北省已推廣近14.0萬hm2。調查表明該模式平均產(chǎn)值比傳統(tǒng)“稻-油輪作”模式或“稻-麥輪作”模式多收入近4.5萬元·hm-2,具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

在稻蝦共作模式中,水稻和克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)互惠互利,一方面克氏原螯蝦能清除稻田中的雜草、害蟲,同時其排泄物及殘餌可供水稻生長利用,另一方面稻田水體中溶解氧較高,且動植物食源豐富,為克氏原螯蝦提供了良好的棲息環(huán)境[3]。與單純種稻的稻田系統(tǒng)相比,養(yǎng)蝦的稻田生態(tài)系統(tǒng)不僅能夠大幅提高能量、水、肥等的利用率,使其穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力得到更大提高[4],而且促進了物質就地循環(huán),阻止了稻田能量流的外溢,使稻田的生態(tài)從結構與功能上均得到了合理的改善和利用。

目前關于稻漁共作模式對稻田土壤的理化性狀的研究多集中在稻魚共作模式和稻蟹共作模式[5-7],而關于稻蝦共作模式對稻田土壤理化性狀的研究鮮有報道。本文通過對稻蝦共作模式下土壤物理和化學性狀研究,旨在為評價該模式下土壤質量變化提供數(shù)據(jù)支撐,同時為進一步推廣稻-蝦共作模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于湖北省潛江市白鷺湖農場關山分場(30°11′36.07″N、112°43′22.68″E),屬江漢平原低湖區(qū),冬季靜態(tài)地下水位 40～60cm,北亞熱帶季風濕潤氣候,年均氣溫16.1 ,℃ 無霜期246 d,年均降雨量1100 mm,土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。

1.2 試驗設計

田間試驗始于2005年,處理設置稻蝦共作模式(CR)和中稻單作模式(MR),每個處理設置3次重復。每小區(qū)面積300 m2,小區(qū)周圍做寬60cm,高40cm的埂,并用地膜包裹。為了防止串水、串蝦,處理間設寬0.4 m、深1.0 m的溝。在稻蝦共作模式小區(qū)一側開挖溝寬3.0～4.0 m、深0.8～1.0 m的蝦溝,且四周設尼龍攔蝦網(wǎng),尼龍網(wǎng)埋入地下約1.0 m,地上露出約0.3 m,并用小竹棍支撐。稻蝦共作模式采用中稻收獲后灌水養(yǎng)蝦,稻草全量還田;中稻單作模式采用水稻收獲后冬干,不養(yǎng)蝦,稻草全量還田。供試水稻為中稻品種‘鑒真2號’,供試蝦為克氏原螯蝦。

1.3 田間管理

于每年 6月中下旬進行整地、水稻移栽,栽插的原則是寬行窄株、溝邊密植,株行距為16.7cm× 26.6cm,9月底收割;水稻的施肥量一般為每年施N120kg·hm-2、P2O536.0kg·hm–2和K2O 60.0kg·hm–2。稻蝦共作模式處理中蝦苗于 2005年10月份按照15.0～22.5萬只·hm–2的標準進行投放,蝦苗在稻田中自行繁殖,以后每年此時根據(jù)實際情況補投適量親蝦,于每年的3—5月份進行蝦飼料投放,投入飼料量平均為1 800kg·hm–2,飼料中全氮、全磷和全鉀含量分別為46.6 g·kg–1、11.0 g·kg–1和10.5 g·kg–1,于每年6月上旬捕撈成蝦完畢,而未成熟的幼蝦隨水遷移至蝦溝中,待整田、插秧、曬田控蘗及復水后再次進入稻田生活,在中稻收獲前收獲第2季成熟小龍蝦,10月底中稻收割完畢灌水后進行下一季克氏原螯蝦養(yǎng)殖。

1.4 土樣采集

于2015年水稻收獲后,10月中旬進行土壤樣品的采集,采樣方式為S形5點采樣法,在每一小區(qū)按0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm 土層采集土樣,在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動,采集土樣去除植物殘根和石塊并混勻,風干土樣一部分過20目和100目篩,進行相關指標的測定,另一部分進行土壤團聚體分析。

1.5 土樣測定項目及方法

土壤緊實度采用土壤緊實度儀進行測定[8],于2015年10月中旬,采用CP40Ⅱ數(shù)顯式土壤緊實度儀在田間直接原位測定,測定土層范圍為 0～40cm,每1cm記錄1 次數(shù)據(jù),每個小區(qū)重復測18次。土壤pH、有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀的測定參考文獻[9]進行,土壤 pH采用土︰水=1︰5酸度計法,土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法,全氮采用半微量開氏法測定,全磷采用 H2SO4-HClO4消煮鉬銻抗比色法,全鉀含量采用 NaOH熔融-火焰光度法,土壤堿解氮采用堿解擴散法,速效磷含量采用Olsen法測定,速效鉀用中性NH4Ac浸提-火焰光度法測定;還原物質總量采用 Al2(SO4)3浸提-重鉻酸鉀容量法,Fe2+、Mn2+采用Al2(SO4)3浸提-容量法測定[10]。

采用Elliott[11]提供的濕篩法對水穩(wěn)性團聚體進行分級,利用DM2000-Ⅲ型土壤團粒分析儀將土樣依次過2 mm、1 mm、0.25 mm和0.053 mm,分離出>2 mm、1～2 mm、1～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm 5個級別水穩(wěn)性團聚體,分離出的不同大小團聚體的土樣60℃烘干,稱重。

1.6 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS11.0軟件進行ANOVA方差分析,其他統(tǒng)計分析采用 Microsoft Excel 2007軟件。團聚體的平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)以及分形維數(shù)(D)的計算公式為:

2 結果與分析

2.1 稻蝦共作模式對土壤物理性狀的影響

2.1.1 對土壤緊實度的影響

土壤緊實度由土壤抗剪力、壓縮力和摩擦力等構成,是衡量土壤強度的一個合成指標,它可預測土壤承載量、耕性和根系伸展阻力[12]。由表1可知,隨著土層深度的增加,土壤緊實度均呈逐漸增加的趨勢。對5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm和40cm處土壤緊實度的分析表明,稻蝦共作模式在土層15cm、20cm、25cm和30cm處的土壤緊實度均顯著小于中稻單作模式,其土壤緊實度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%,這表明長期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實度。

表1 稻蝦共作模式對不同土層深度土壤緊實度的影響Table1 Effect of integrated rice-crayfish system on soil compaction in different soil layers kPa

2.1.2 對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性是衡量土壤結構穩(wěn)定性的重要指標,>0.25 mm的團聚體數(shù)量(R0.25)越多意味著團聚體越穩(wěn)定。土壤團聚體的平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和團聚體分形維數(shù)(D)均可表征團聚體的穩(wěn)定程度。其中MWD和GMD反映土壤團聚體大小分布狀況,其值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高,穩(wěn)定性越強[13]。D表征土壤結構組成及其均勻程度,D值越小,土壤的結構越好[14]。由表2可知,隨著土層的加深,水穩(wěn)性團聚體的R0.25、MWD值和GMD值均呈逐漸降低的趨勢,D值則呈先增加后降低的趨勢。稻蝦共作模式的R0.25、MWD值和GMD值在0～40cm土層較中稻單作模式均呈增加趨勢,而D值在0～20cm土層較中稻單作模式呈降低趨勢,但均未達到顯著差異;稻蝦共作模式的MWD值和GMD值在0～10cm和30～40cm顯著高于中稻單作模式,其中MWD值在0～10cm和30～40cm較中稻單作模式分別提高了26.3%和34.3%,GMD值分別提高了40.5%和47.5%。

2.2 稻蝦共作模式對土壤化學性狀的影響

2.2.1 對土壤全量養(yǎng)分的影響

由表3可知,隨著土壤深度的增加,土壤有機碳、全氮和全磷含量均呈逐漸降低趨勢,而稻蝦共作模式的土壤全鉀含量則呈逐漸升高趨勢。稻蝦共作模式的土壤有機碳和全鉀含量在0～40cm土層顯著高于中稻單作模式,其中在0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm土層,有機碳含量較中稻單作模式分別提高了33.5%、22.6%、36.7%和31.6%,土壤全鉀含量較中稻單作模式分別提高了5.1%、5.0%、8.4%和10.1%;稻蝦共作模式的土壤全氮含量在0～30cm土層顯著高于中稻單作模式,0～10cm、10～20cm、20～30cm土層中較中稻單作模式分別提高了29.9%、23.0%和28.7%;稻蝦共作模式的土壤全磷含量僅在0～10cm土層顯著高于中稻單作模式,較中稻單作模式提高了9.8%,而在10～40cm土層無顯著差異;稻蝦共作模式的土壤C/N比隨著土層加深呈增加趨勢,較中稻單作模式有升高的趨勢,但未達到顯著差異。由此可見,長期稻蝦共作模式顯著提高了0～ 40cm土層土壤有機碳和全鉀含量、0～30cm土層土壤全氮含量以及0～10cm土層全磷含量。

CR:稻蝦共作模式;MR:中稻單作模式。同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。CR:integrated rice-crayfish system;MR:rice monoculture system.Values of the same index followed by different letters in a row are significantly different at 5% level.

表3 稻蝦共作模式對不同土層深度土壤全量養(yǎng)分的影響Table3 Effect of integrated rice-crayfish system on soil total nutrients contents in different soil layers

2.2.2 對土壤pH和速效養(yǎng)分的影響

由表4可知,隨著土壤深度的增加,土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈降低的趨勢,而土壤pH則呈增加趨勢;在0～40cm土層,稻蝦共作模式的土壤pH較中稻單作模式呈增加趨勢,但未達到顯著差異;稻蝦共作模式的土壤堿解氮含量在0～ 40cm顯著高于中稻單作模式,0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm較中稻單作模式分別提高了33.8%、28.3%、43.6%和35.9%。稻蝦共作模式土壤速效磷含量僅在0～10cm土層顯著高于中稻單作模式,而在10～40cm無顯著差異,這與全磷含量的變化趨勢一致。稻蝦共作模式土壤速效鉀含量在0～20cm較中稻單作模式無顯著差異,但在20～40cm土層土壤速效鉀含量顯著高于中稻單作模式,其土壤速效鉀含量在20～30cm和30～40cm較中稻單作模式分別提高了15.2%和22.9%?？梢姷疚r共作模式顯著提高了0～40cm土層土壤堿解氮的含量、0～10cm土層土壤速效磷的含量以及20～40cm土層土壤速效鉀的含量。

CR:稻蝦共作模式;MR:中稻單作模式。同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。CR:integrated rice-crayfish system;MR:rice monoculture system.Values of the same index followed by different letters in a row are significantly different at 5% level.

2.2.3 對土壤還原性物質的影響

水稻土中的活性還原物質(如 Fe2+,Mn2+)的變化涉及土壤的化學變化和生物化學變化,其高低反映了水稻土潛育化和質量退化程度[15]。由表5可知,中稻單作模式的土壤 Fe2+、Mn2+和還原性物質總量分別為0.048～0.084cmol·kg–1、0.017～0.028cmol·kg–1和0.094～0.214cmol·kg–1,而稻蝦共作模式的土壤Fe2+、Mn2+和還原性物質總量分別為0.073～0.100cmol·kg–1、0.018～0.025cmol·kg–1和0.184～0.286cmol·kg–1,參照潘淑貞的標準[16],兩種稻作模式的土壤均屬于輕潛育型水稻土。

隨著土層的加深,土壤中Fe2+和Mn2+含量均呈先增加后下降的趨勢,其中以 20～30cm土層含量最高;中稻單作模式的土壤還原性物質總量隨著土壤深度的增加呈逐漸下降的趨勢,而稻蝦共作模式則呈先增加后降低的趨勢,其中以20～30cm土層含量最高。稻蝦共作模式的土壤 Fe2+含量在 0～10cm、10～20cm和30～40cm中均顯著高于中稻單作模式,而在20～30cm土層差異不顯著;稻蝦共作模式的土壤 Mn2+含量在0～40cm土層與中稻單作模式無顯著差異;稻蝦共作模式的土壤還原性物質總量在10～20cm和30～40cm與中稻單作模式無顯著差異,但是在 0～10cm土層,稻蝦共作模式的土壤還原性物質總量顯著低于中稻單作模式,而在20～30cm土層,稻蝦共作模式的土壤還原性物質總量顯著高于中稻單作模式,可見長期稻蝦共作模式可能會增加10cm以下土層潛育化的風險。

表5 稻蝦共作模式對不同土層深度土壤還原性物質的影響Table 5 Effect of integrated rice-crayfish system on soil reducing substances contents in different soil layers

2.3 稻蝦共作模式對水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益影響

由表 6可知,稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量顯著高于中稻單作模式,其水稻產(chǎn)量較中稻單作模式提高了9.5%。在不考慮土地租金和用工成本的情況下,稻蝦共作模式總產(chǎn)值和利潤分別為65 858.4元·hm–2和50153.4元·hm–2,較中稻單作模式分別增加了46 818.0元·hm–2和 40188.0元·hm–2,增幅分別為245.9%和 403.3%;從產(chǎn)投比方面看,稻蝦共作模式的產(chǎn)投比達到了4.2,較中稻單作模式提高了100.0%,可見稻蝦共作模式不僅能夠提高水稻產(chǎn)量,而且能夠大幅提高農民的收入。

3 討論

土壤物理性狀是影響作物生產(chǎn)的一個因素,穩(wěn)定良好的土壤結構有利于植物生長。本研究表明,長期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實度?？耸显r具有很強的掘穴能力,在冬夏兩季營穴居生活,所挖的洞穴可以提供適宜的溫度以抵抗外界極端條件以及保持潮濕的空氣環(huán)境[17]。由于稻田旋耕等措施使得表層土壤趨于一致,但是對深層土壤影響較小,因此稻-蝦共作模式中克氏原螯蝦洞穴的存在顯著降低了深層土壤的土壤緊實度,而對表層土壤的緊實度影響不大。土壤團聚體是土壤結構最基本的單元,作為土壤結構重要的組成部分,對協(xié)調土壤中的水肥氣熱,維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化等有重要作用[18]。土壤團聚體穩(wěn)定性很大程度上取決于有機、無機膠結物質對土粒膠結的能力[19],而水穩(wěn)性團聚體的形成主要依賴于有機物質的膠連作用[20]。本研究表明,長期稻蝦共作模式下,土壤>0.25 mm的團聚體數(shù)量、MWD值和GMD值較中稻單作模式均有不同程度的提高,其中MWD值和GMD值在0～10cm和30～40cm顯著高于中稻單作模式,這可能由于長期稻蝦共作模式下,土壤有機碳在0～40cm累積量較中稻單作模式顯著提高,從而增加了有機膠結物及其在團聚過程中的作用;Oades等[21]的研究表明,多糖物質也有助于土壤團粒結構的形成,克氏原螯蝦的蛻殼中富含殼聚糖,殼聚糖有利于土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量增加[22],在一定程度上提高了水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。土壤團粒分形維數(shù)與其結構及穩(wěn)定性關系密切,即團粒結構粒徑分布的分形維數(shù)越小,則土壤結構與穩(wěn)定性越好,抗蝕能力越強[23]。本研究表明稻蝦共作模式分形維數(shù)在0～20cm土層較中稻單作模式呈降低趨勢,這表明長期稻蝦共作模式改善了0～ 20cm土層的土壤結構和穩(wěn)定性,增強了團聚體的抗蝕能力,這應該與長期稻蝦共作模式顯著提高了抗侵蝕能力更強的大粒級水穩(wěn)性團聚體含量有關。

表6 稻蝦共作模式對水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響Table 6 Effect of integrated rice-crayfish system on rice yield and economic benefit

土壤有機碳的積累主要是由有機質輸入與不同類型碳的礦化速率間的平衡決定[24]。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤總有機碳含量在0～40cm土層均顯著高于中稻單作模式。一方面由于稻蝦共作模式采取冬泡養(yǎng)蝦,稻田在冬閑季節(jié)長期處于淹水狀態(tài),土壤通氣性較差,好氧性微生物的活性減弱,有機質分解速率相對較慢;另一方面克氏原螯蝦未食用的餌料以及克氏原螯蝦生長過程中所產(chǎn)生的蝦殼、排泄物等補充,因此較采取冬干的中稻單作模式而言,稻蝦共作模式更有利于土壤有機碳的固持。土壤C/N比既是衡量土壤碳、氮營養(yǎng)平衡狀況的指標[25],又是土壤氮素礦化能力和土壤有機質分解是否受土壤氮限制的重要標志[26]。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤C/N比隨著土層加深呈增加趨勢,且其土壤C/N比較中稻單作模式有升高的趨勢,這說明稻蝦共作模式的表層新輸入的有機質或施肥后新形成的有機質有向土壤下層遷移的趨勢,而且其土壤氮素的礦化作用低于中稻單作模式,有利于土壤有機碳的存儲。本研究表明,相對于中稻單作模式,長期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層中土壤全鉀的含量,0～30cm土層中土壤全氮的含量以及0～10cm土層全磷和速效磷含量。這可能一方面由于稻蝦共作模式中克氏原螯蝦未食用的餌料以及克氏原螯蝦生長過程中所產(chǎn)生的蝦殼、排泄物等補充均增加了土壤中養(yǎng)分的投入,另一方面克氏原螯蝦的挖洞筑穴活動能夠減小土壤容重,提高土壤孔隙度,增加土壤滲透率[27],長期水分淋洗使得土壤中氮素和鉀素不斷向下遷移;而對于土壤磷素來說,一般情況下土壤中磷素除植物殘體內存在少量有機態(tài)以外,其他主要為無機形態(tài),外界進入的磷絕大多數(shù)吸附在表層,磷素在土壤中的移動性很小,向下淋溶少,因而在底層土壤中變異不大[28],因此稻蝦共作模式僅在0～10cm顯著提高了土壤全磷和速效磷的含量,這與吳建富等[29]研究結果一致。

土壤速效養(yǎng)分在剖面中的垂直移動,主要受地表覆蓋植被的吸收、溫度、降水及土壤水分運動的影響。本研究表明,隨著土壤深度的增加,土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈降低的趨勢,該變化趨勢體現(xiàn)了土壤的速效養(yǎng)分含量的分布是受明顯的生物富集和表聚作用,這可能與植物地上部的枯枝落葉量以及根系的垂直分布有關,植物根系從深層土壤中吸收養(yǎng)分,然后再通過枯枝落葉等形式將部分養(yǎng)分歸還于表層土壤并提供了豐富的養(yǎng)分源,而在深層土壤造成各養(yǎng)分逐漸減少[30]。一般情況下,土壤堿解氮與全氮,速效鉀與全鉀均呈極顯著相關。本研究表明,長期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層土壤堿解氮的含量以及20～40cm土層土壤速效鉀的含量。速效養(yǎng)分的含量水平與土壤性質有關,也受人為施肥活動的影響[31],由于水稻孕穗期追施了 50%的鉀肥,從而導致成熟后期土壤中速效鉀的殘留,使得稻蝦共作模式0～20cm土層的土壤速效鉀含量與中稻單作模式無顯著差異。

還原性物質包括無機和有機體系兩大類,前者主要有亞鐵、亞錳和硫化物,后者則是一類成份復雜得多的有機還原性物質[32]。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤Fe2+含量在0～10cm土層顯著高于中稻單作模式,但其還原性物質總量則顯著低于中稻單作模式,這可能與中稻單作模式0～10cm土層中有機還原性物質較多有關。稻蝦共作模式一方面由于克氏原螯蝦營底棲生活,其爬動、覓食、潛穴等活動擾動了水田土壤,起到中耕的作用,使得土壤中溶解氧含量增加,另一方面克氏原螯蝦吃掉了稻田雜草和水下植物,增加了透光性,使得水體和土壤的溫度升高,土壤氧氣含量和溫度的增加,會促進活性有機還原物質的氧化,降低了有機還原性物質。本研究表明,稻蝦共作模式的土壤Fe2+含量在20～30cm土層與中稻單作模式無顯著差異,但顯著提高了20～30cm土層的土壤還原性物質總量,這可能一方面由于稻蝦共作模式增加了20～30cm土層的有機碳含量,另一方面克氏原螯蝦的生物擾動對20～30cm土層的溶解氧含量增加有限,在淹水條件下,較多有機物質在厭氧條件下生成的有機還原性物質,促進了還原性物質的累積。

4 結論

1)長期稻蝦共作模式顯著降低了15～30cm土層的土壤緊實度,其在15cm、20cm、25cm和30cm處的土壤緊實度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%。

2)長期稻蝦共作模式土壤>0.25 mm的團聚體數(shù)量、MWD值和GMD值在0～40cm土層中較中稻單作模式均有不同程度的提高,其中MWD值和GMD值在0～10cm和30～40cm顯著高于中稻單作模式;稻蝦共作模式的團聚體分形維數(shù)在0～20cm土層均低于中稻單作模式。

3)稻蝦共作模式的土壤全鉀和土壤 C/N比隨著土壤深度的增加均呈增加趨勢;相對于中稻單作模式,長期稻蝦共作模式顯著提高了0～40cm土層中土壤有機碳、全鉀和堿解氮含量,0～30cm土層中土壤全氮含量,0～10cm土層全磷和速效磷含量以及20～40cm土層速效鉀的含量。

4)稻蝦共作模式顯著提高了0～10cm、10～20cm和30～40cm土層中土壤Fe2+含量;稻蝦共作模式顯著提高了20～30cm土層還原性物質總量,但降低了0～10cm土層還原性物質總量。

5)相對于中稻單作模式,稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量顯著提高,增幅為9.5%;稻蝦共作模式總產(chǎn)值、利潤和產(chǎn)投比較中稻單作模式分別增加了46 818.0元·hm-2、40188.0元·hm-2和100.0%。

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Effect of integrated rice-crayfish farming system on soil physico-chemical properties in waterlogged paddy soils*

SI Guohan1,PENG Chenglin1,XU Xiangyu1,XU Dabing1,YUAN Jiafu1**,LI Jinhua2
(1.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizers,Hubei Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430064,China;2.Qianjiang Agro-Technology Extension Center,Qianjiang 433199,China)

Integrated rice-crayfish system is a complex ecological system based on waterlogged paddy field cultivation characterized with crayfish fed by rice straw.Using rice monoculture system as the control,a10-year (2005–2015) field experiment was conducted to study the effects of integrated rice-crayfish system on rice yield and soil physico-chemical properties at soil depths of 0-10cm,10-20cm,20-30cm and30-40cm.The economic benefit of integrated rice-crayfishsystem was evaluated using the input-output method.The results indicated that long-term integrated rice-crayfish system significantly reduced soil compaction at the15-30cm layer.The soil compaction in15cm,20cm,25cm and30cm soil was lower in integrated rice-crayfish system than in rice monoculture system by 20.9%,29.9%,24.8% and14.7%,respectively.Long-term integrated rice-crayfish system increased soil water-stable aggregates (>0.25 mm) content,aggregate mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) in the 0-40cm layer,but decreased aggregate fractal dimension (D) in the 0-20cm layer.Compared with rice monoculture system,long-term integrated rice-crayfish system significantly increased the contents of soil organic carbon,total K and available N in the 0-40cm layer,then total N in the 0-30cm layer,total P and available P in the 0-10cm layer and available K in the 20-40cm layer.The total amount of reducing matter in the 0-10cm soil layer of the long-term integrated rice-crayfish system was lower than that in the monoculture rice system,but it was higher in the 20-30cm soil layer.Rice yield in integrated rice-crayfish system significantly increased by 9.5% than that in the monoculture rice system.The output,profit and ratio of output to input in integrated rice-crayfish system were higher than those in the monoculture rice system by 46 818.0 ￥·hm-2,40188.0 ￥·hm-2and100.0%,respectively.It was therefore clear that integrated rice-crayfish system improved soil structure,enhanced soil nutrient and increased rice yield and economic benefit.However,it also increased the risk of soil gleying in the10cm depth.

Integrated rice-crayfish system;Waterlogged paddy field;Soil structure;Organic carbon;Soil nutrient;Economic benefit

S181;S153

:A

:1671-3990(2017)01-0061-08

10.13930/j.cnki.cjea.160661

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* 國家科技支撐計劃項目(2013BAD07B10)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200807)、湖北省自然科學基金項目(2015CFC894)和湖北省農業(yè)科技創(chuàng)新中心項目(2011-620-003-03-063)資助

** 通訊作者:袁家富,主要從事植物營養(yǎng)與土壤保育方面研究。E-mail:fu1682@sina.com

佀國涵,主要從事土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)方面的研究。E-mail:siguoh@qq.com

2016-07-28接受日期:2016-09-07

* This work was supported by the National Key Technologies R&D Project (2013BAD07B10),the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0200807),the Natural Science Foundation of Hubei Province (2015CFC894) and the Fund of Agricultural Science and Technology Innovation Centre of Hubei Province (2011-620-003-03-063).

** Corresponding author,E-mail:fu1682@sina.com

Received Jul.28,2016;accepted Sep.7,2016