彭成林，佀國涵，趙書軍，袁家富，呂洪九，徐祥玉，徐大兵，謝媛圓，周劍雄

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院 植保土肥研究所/國家土壤質量洪山觀測實驗站，湖北 武漢 430064；2.潛江市后湖管理區(qū)農(nóng)業(yè)辦公室，湖北 潛江 433199）

稻 蝦[水 稻（Oryza sativaL.）-克 氏 原 螯 蝦（Procambarus clarkii）]共作模式是我國長江中下游地區(qū)一種稻田種養(yǎng)結合的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中引入克氏原螯蝦不僅能夠大幅提高水、肥和能量的利用率，增強稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力[1‐2]，而且促進了系統(tǒng)中物質循環(huán)，阻止了稻田物質流的外溢，使稻田生態(tài)系統(tǒng)結構和功能得到改善和提高[3‐4]。目前，該模式成為江漢平原低湖地區(qū)水稻生產(chǎn)的主要模式之一。在稻蝦共作模式下，水稻秸稈的持續(xù)全量還田、水草的種植、飼料殘餌、小龍蝦的蛻殼及排泄物、水稻水肥管理措施等因素綜合影響土壤肥力[5]。相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式改善了土壤結構，增加了土壤截存的氮和磷量，系統(tǒng)鉀表現(xiàn)盈余，水稻產(chǎn)量顯著提高[6‐9]。

由于水稻直播符合現(xiàn)代稻作輕簡化的發(fā)展方向，其應用面積呈現(xiàn)逐年擴大趨勢，成為部分水稻種植地區(qū)的主要栽培方式［10‐11］。該栽培方式在稻蝦共作區(qū)域也得到快速發(fā)展。氮素是水稻產(chǎn)量最敏感的限制因素之一［12］，但是我國水稻氮肥當季平均利用率僅為35%［13］。因此，提高氮素利用效率，降低氮素損失是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵［14］。氮肥運籌對水稻產(chǎn)量和品質形成、氮肥利用率的提升起決定性作用[15‐16]。目前，關于氮肥運籌對水稻生長、產(chǎn)量、氮肥利用率的影響研究很多[15‐21]，但稻蝦共作模式下直播水稻上的氮肥研究很少［22］，且其研究的是施氮量［22］，關于氮肥的基肥、分蘗肥、穗肥配比研究尚未見報道。為此，研究長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響，以期為江漢平原低湖地區(qū)稻蝦共作模式下水稻的高產(chǎn)、優(yōu)質、高效、生態(tài)栽培提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗地位于湖北省潛江市白鷺湖農(nóng)場關山分場（30°11′36.07″N、112°43′22.68″E），屬于江漢平原低湖區(qū)，具北亞熱帶季風濕潤氣候，土壤類型為湖積物發(fā)育而成的潮土性水稻土。試驗前稻蝦共作模式（CR）和水稻單作模式（MR）耕作層土壤養(yǎng)分狀況見表1。

表1 試驗前稻田耕作層土壤養(yǎng)分含量Tab.1 Soil nutrient content of the experimental plots

供試水稻品種為中稻華潤2 號，是湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所和湖南亞華種子有限公司共同選育的常規(guī)水稻品種，達到了湖南省一等優(yōu)質稻標準[23]。

1.2 試驗設計

稻蝦共作模式試驗田每年10 月至次年5 月，田面泡水養(yǎng)蝦，水深20～40 cm；而水稻單作模式試驗田冬季休耕，田不泡水；2 種模式每年6—9 月種植水稻，此期間水分管理等栽培管理措施基本一致，水稻秸稈全量還田。2 種模式的試驗田相鄰，其中稻蝦共作模式試驗田于2005 年水稻收割后挖蝦溝養(yǎng)蝦，2006 年為第1 年種植水稻，2021 年為連續(xù)第16年種植水稻。

試驗設6 個氮肥運籌處理（表2）：T1—T5 處理的純氮施用量均為105 kg/hm2，基肥分別占50%、40%、30%、20%、0；T6 處理不施氮肥。所有處理P2O5施用量均為31.5 kg/hm2，且全部作基肥；K2O 施用量為52.5 kg/hm2，其中基肥占50%、追肥占50%。采用隨機區(qū)組設計，每處理設3 次重復，小區(qū)面積25 m2。各小區(qū)單獨起田埂，并用塑料薄膜覆蓋包埋，區(qū)組間留40 cm 寬的水溝，保證各小區(qū)能獨立排灌，田水互不滲竄，方便灌排水和農(nóng)事操作。試驗于6 月7 日播種，播種量為60 kg/hm2，人工撒直播，9月30日收割。

表2 各處理氮肥運籌情況Tab.2 Nitrogen fertilizer management of each treatment

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株全氮、全磷、全鉀含量 于成熟期，取各小區(qū)代表性稻株0.25 m2，測定秸稈和籽粒中的全氮、全磷、全鉀含量。植物樣品采用H2SO4-H2O2消煮，全氮、全磷含量采用SEAL Auto Analyzer3 連續(xù)流動分析儀測定，全鉀含量采用火焰光度計法測定，然后計算氮、磷、鉀積累量。

1.3.2 產(chǎn)量及其構成因素 成熟期，各處理取0.25 m2用于考種，測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率和千粒質量。各小區(qū)全部實收測產(chǎn)。

1.3.3 氮肥利用效率 參考張福鎖等[24]、鄒娟等[25]和劉宏斌等[26]的方法，用以下參數(shù)來表征氮肥的利用效率。

氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity from applied N，PFPN）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學效率（Agronomic efficiency of applied N，AEN）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥表觀利用率（Apparent recovery efficiency of applied N，AREN）=（施氮區(qū)作物吸氮量-無氮區(qū)作物吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥貢獻率（Fertilizer contribution rate of applied N，F(xiàn)CRN）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(qū)產(chǎn)量）／施氮區(qū)產(chǎn)量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用DPS 18.10 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用最小顯著性檢驗（LSD）法進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻氮、磷、鉀積累量的影響

由表3可知，對于水稻氮、磷、鉀的積累量，無論是秸稈+籽粒還是籽粒中，2種模式下均以不施氮肥處理最低，總體上與其他處理之間的差異均達到顯著水平。對于水稻單作模式，當?shù)时壤秊?0%和20%時，無論是秸稈+籽粒還是籽粒中，氮、磷、鉀的積累量均較高。對于稻蝦共作模式，當?shù)时壤秊?0%和0 時，無論是秸稈+籽粒還是籽粒中，氮、磷、鉀的積累量總體上均較高。在相同氮肥運籌方式下，相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式秸稈+籽粒和籽粒中氮、磷、鉀積累量均增加。其中，秸稈+籽粒中氮、磷、鉀積累量分別增加24.4%、45.2%、15.8%，籽粒中氮、磷、鉀積累量分別增加27.0%、50.3%、36.5%。上述結果表明，水稻單作模式下氮基肥比例為30%和20%、稻蝦共作模式下氮基肥比例為20%和0，均有利于水稻對氮、磷、鉀的吸收；在相同氮肥運籌方式下，稻蝦共作模式較水稻單作模式能大幅促進水稻對氮、磷、鉀的吸收。

表3 稻蝦共作和水稻單作模式下氮肥運籌對直播水稻氮、磷、鉀積累量的影響Tab.3 Effect of nitrogen fertilizer management on accumulation of nitrogen，phosphorus and potassium in direct?seeding rice under integrated rice-crayfish model and rice monoculture model kg/hm2

2.2 長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表4可知，對于所有施氮處理，水稻單作模式下，氮基肥比例降至30%及以下時，產(chǎn)量均顯著高于氮基肥比例40%及以上處理，且有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率和千粒質量分別平均增加6.08%、-0.94%、4.42%和0.85%。稻蝦共作模式下，當?shù)时壤抵?0%及以下時，水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理，且氮基肥比例20%處理與0 處理間沒有顯著差異；氮基肥比例降至20%及以下時，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率和千粒質量分別較氮基肥比例30%及以上時平均增加1.31%、-0.91%、5.95%和0.55%。綜上，水稻單作模式下氮基肥比例降至30%及以下、稻蝦共作模式下氮基肥比例降至20%及以下，水稻增產(chǎn)主要是通過增加有效穗數(shù)和提高結實率來實現(xiàn)的。

表4 稻蝦共作和水稻單作模式下氮肥運籌對直播水稻產(chǎn)量構成因子的影響Tab.4 Effect of nitrogen fertilizer management on yield and its components of direct?seeding rice under integrated ricecrayfish model and rice monoculture model

相同氮肥運籌方式下，相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式水稻有效穗數(shù)增加8.3%～16.3%，平均增加13.7%；穗粒數(shù)增加-6.9%～6.4%，平均增加-3.1%；結實率增加-1.8%～6.7%，平均增加1.9%；千粒質量增加-0.4%～3.06%，平均增加2.1%。綜上，在相同氮肥運籌方式下，長期稻蝦共作模式相對水稻單作模式主要是通過增加有效穗數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)。

2.3 長期稻蝦共作模式下氮肥運籌對直播水稻氮肥利用效率的影響

由表5 可知，水稻單作模式下，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學效率和氮肥貢獻率總體以氮基肥比例20%處理最高，其次是氮基肥比例30%和0處理；氮肥表觀利用率以氮基肥比例30%處理最高。稻蝦共作模式下，當?shù)时壤抵?0%及以下時，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學效率和氮肥貢獻率均顯著高于其他處理，且氮基肥比例20%處理與0 處理間沒有顯著差異?？傮w而言，隨氮基肥比例的下降，2種模式下水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學效率、氮肥表觀利用率、氮肥貢獻率總體上呈先上升后下降的趨勢，與產(chǎn)量的變化趨勢基本一致。

在相同氮基肥比例條件下，長期稻蝦共作模式氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥表觀利用率分別較水稻單作模式平均提高9.5%、21.3%，氮肥農(nóng)學效率和氮肥貢獻率分別較水稻單作模式下降17.4%和24.5%。綜上，長期稻蝦共作模式相對于水稻單作模式能較大幅度提高氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率，但降低氮肥農(nóng)學效率和氮肥貢獻率。

3 結論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，直播稻營養(yǎng)生長期縮短，前中期物質積累量相對偏低，中后期生長量大［27‐29］。楊波[30]以蘇北蘇中主推的4 個中粳水稻品種為試材，研究發(fā)現(xiàn)直播稻中期生長旺盛，物質生產(chǎn)增加的同時增強了植株對氮素的吸收，中期氮素積累量大，至拔節(jié)期其氮素積累量接近手栽稻90%；同時，直播稻無效分蘗較多，雖然無效分蘗衰退時，氮素可以進一步運輸至其他器官再利用，但這不僅在時間上具有一定的滯后性，同時也影響了該階段有效分蘗的正常生長；此外，直播稻氮素向籽粒輸送能力較差，在抽穗以后，其氮素積累能力較弱。因此，直播稻在不同生育時期對于氮素的需求與移栽水稻并不一致。喬月等［31］研究發(fā)現(xiàn)，直播稻基肥施較多的氮肥并不會顯著促進苗期氮素吸收積累，氮肥適當后移（基肥∶分蘗肥=4∶6）有助于直播稻的氮素吸收。張祖建等［32］認為，氮肥運籌比例主要對穗粒數(shù)產(chǎn)生影響，在氮肥施用量270 kg/hm2、基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3 時產(chǎn)量最高。趙鋒等［33］在江漢平原的直播稻研究中發(fā)現(xiàn)，提高后期氮肥的施用比例，能顯著降低無效分蘗數(shù)，提高功能葉葉綠素含量、葉面積指數(shù)、光合速率和灌漿期葉片氮含量及植株氮積累量，從而形成合理群體，改善灌漿結實，提高產(chǎn)量，30%氮作基肥、30%氮作分蘗肥、40%氮作穗肥時產(chǎn)量最高。本研究綜合考慮產(chǎn)量、氮肥利用效率以及對磷、鉀吸收的促進效果，稻蝦共作模式下氮基肥適宜比例為20%和0，水稻單作模式下氮基肥適宜比例為30%和20%，降低氮基肥比例（氮肥后移）能提高水稻產(chǎn)量，促進水稻對氮的吸收，這與前人［30‐33］研究結果一致，但氮基肥適宜比例低于前人［30‐33］研究結果，且降低氮基肥比例還能促進水稻對磷、鉀的吸收。

在稻蝦共作模式與水稻單作模式的對比研究方面，相對于水稻單作模式，稻蝦共作模式改善了土壤結構，增加了土壤養(yǎng)分含量[6‐7]。與水稻單作模式相比，長期稻蝦共作模式水稻產(chǎn)量大幅增加，氮肥利用效率提高，在施氮水平較低時，增產(chǎn)和提升效果更明顯［22］。佀國涵等[34]、劉卿君[35]也認為，稻蝦共作模式可以顯著提高水稻產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，不施氮條件下，稻蝦共作模式產(chǎn)量較水稻單作模式增加了14.7%，增產(chǎn)幅度較大，與前人[22，34‐35]研究結果基本一致，主要原因可能是稻蝦共作模式相對于水稻單作模式提高了土壤基礎肥力。土壤基礎肥力是影響作物產(chǎn)量的重要因素[36]。土壤基礎肥力的提升有助于提高作物產(chǎn)量[37]。高地力稻田產(chǎn)量均高于低地力稻田，土壤基礎地力越高，水稻產(chǎn)量越高[38]。在稻蝦共作模式下，由于水稻秸稈的持續(xù)全量還田、水草的種植、飼料殘餌、小龍蝦的蛻殼及排泄物、水稻水肥管理措施等綜合因素提高了土壤肥力[9]，因此，產(chǎn)量顯著高于水稻單作模式。本研究結果表明，結合直播稻前中期物質積累量相對偏低的營養(yǎng)特性，以及稻蝦共作模式對土壤基礎肥力的促進作用，使其前期對化肥氮的依賴程度更低。因此，在相同施氮量條件下氮肥基施比例可降至20%甚至0亦可滿足前期對氮素的需求。

總而言之，本研究結果表明，稻蝦共作模式下，當?shù)时壤抵?0%及以下時，水稻產(chǎn)量顯著高于氮基肥比例30%及以上的處理；水稻單作模式下，當?shù)时壤抵?0%及以下時，水稻產(chǎn)量顯著高于氮基肥40%及以上的處理，且主要是通過增加有效穗數(shù)和結實率來實現(xiàn)增產(chǎn)的。隨氮基肥比例的下降，2種模式下水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學效率、氮肥表觀利用率、氮肥貢獻率總體與產(chǎn)量的變化趨勢一致。稻蝦共作模式下氮基肥比例為20%和0、水稻單作模式下氮基肥比例為30%和20%，均有利于水稻對氮、磷、鉀的吸收。此外，長期稻蝦共作模式相對于水稻單作模式能較大幅度提高水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥表觀利用率，促進水稻對氮、磷、鉀的吸收，且主要是通過增加有效穗數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)的。