蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤微生物特性的影響

郭文嘯， 趙　琦， 朱元宏， 袁　婧， 張路馳， 曹林奎

(1.上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，上海 200240； 2.上海青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展有限公司，上海 201717)

土壤微生物是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的動力，在土壤腐殖質(zhì)的形成與循環(huán)等過程中都起著重要的推動作用[1]。土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon，簡稱SMBC)、土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen，簡稱SMBN)、土壤微生物熵(soilmicrobial quotient，簡稱SMQ)及土壤可培養(yǎng)細菌、真菌、放線菌數(shù)量的變化與土壤功能密切相關(guān)，均可作為土壤質(zhì)量變化的微生物學評價指標，用來表征土壤質(zhì)量[2-3]。

近年來，可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)一直是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要議題，其中利用互利共生、生態(tài)位等生態(tài)學原理形成的“稻魚共生”“稻蛙共生”和“稻鴨共生”等稻田生態(tài)種養(yǎng)模式已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[4-5]。目前，國內(nèi)外針對稻田生態(tài)種養(yǎng)對土壤的影響已有大量研究。全國明等研究表明，稻鴨生態(tài)種養(yǎng)模式較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)顯著提高了土壤有機碳、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，并降低了土壤容重[6]；展茗等研究表明，鴨和魚在稻田間的活動能夠增加土壤微生物量及土壤微生物多樣性[7]；稻田種養(yǎng)模式還能減少農(nóng)田化肥和農(nóng)藥的用量，這也在一定程度上降低其對土壤和水體帶來的污染，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境安全有重要意義[8]。但目前對蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤微生物特性方面的研究還未見報道?；诖耍狙芯恳陨虾Ｊ星嗥謪^(qū)試驗推廣種植的綠色蛙稻和有機蛙稻種養(yǎng)模式為主要對象，對比上海郊區(qū)常規(guī)水稻模式，以期探究蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤微生物特性的影響，研究成果對優(yōu)化稻田間管理和農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展具有重大實踐意義。

1　材料與方法

1.1　試驗地概況

本試驗為大田試驗，試驗地位于上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)(地理位置為121.03°E，30.97°N)內(nèi)，該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，2010—2015年平均氣溫為17.6 ℃，極端最高溫度為38.4 ℃，極端最低溫度為-7.8 ℃；全年平均降水為 135 d，平均降水量為1 269.3 mm。試驗區(qū)土壤類型為湖沼相沉積物起源的青紫泥水稻土，質(zhì)地較黏重。2010—2015年試驗地已經(jīng)連續(xù)6年實行水稻—紫云英(Astragalussinicus)輪作模式。采樣期間試驗地溫度和降水量情況如圖1所示。

1.2　試驗材料

水稻品種為青角307(Oryzasativa)；蛙品種為虎紋蛙(Hoplobatrachustigerinus)。

1.3　試驗設(shè)計

本試驗設(shè)置3種水稻種植模式。(1)常規(guī)水稻(conventional cultivated rice，簡稱CR)：對照組，即上海市郊區(qū)農(nóng)民常規(guī)水稻種植模式，施用化肥和農(nóng)藥；基肥施BB肥(bulk blending fertilizer，上?；轄柪r(nóng)資有限公司)120.0 kg(N)/hm2，分蘗肥和穗肥分別施尿素90.0 kg(N)/hm2。(2)有機蛙稻(organic rice-frog，簡稱OR)：水稻種植過程中施用有機肥和生物農(nóng)藥，人工除草，并在稻田中投放虎紋蛙以控制蟲害，在水稻分蘗期(7月10日)將虎紋蛙放入田中，投放密度為2.5萬只/hm2，田塊四周布有50 cm的攔網(wǎng)以防虎紋蛙跳出，水稻收割前25 d開始撤網(wǎng)并捕獲虎紋蛙；試驗區(qū)前茬植物為紫云英，水稻收割后種植紫云英并進行越冬管理，次年5月成熟后翻耕還田，以67.5 kg(N)/hm2紫云英和116.5 kg(N)/hm2菜籽餅做基肥，58.0 kg(N)/hm2菜籽餅分別做分蘗肥和穗肥。(3)綠色蛙稻(green rice-frog，簡稱GR)：施用有機無機混合肥，使用少部分農(nóng)藥和大部分的生物農(nóng)藥，稻田中投放2.5萬只/hm2虎紋蛙，以67.5 kg(N)/hm2紫云英和 55.0 kg(N)/hm2菜籽餅做基肥，90.0 kg(N)/hm2尿素分別做分蘗肥和穗肥。本試驗中的有機蛙稻通過國家有機認證，綠色蛙稻模式通過國家良好農(nóng)業(yè)規(guī)范(good agriculture practice，簡稱GAP)認證。

每種模式各設(shè)置4個重復(fù)，每個田間小區(qū)面積為 1 600 m2，隨機區(qū)組排列。試驗地最初土壤性質(zhì)相同，2010—2015年已連續(xù)6年施行上述3種模式的種植，每年在6月3—7日間移栽水稻，密度為1.1×105株/hm2，11月1—4日收割。2015年水稻播種前耕層(0～20 cm)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。

表1　土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

1.4　田間取樣及分析方法

本試驗于2015年稻季間對水稻移栽前(6月1日)、分蘗期(7月14日)、拔節(jié)期(8月10日)、孕穗期(9月4日)、灌漿期(9月28日)和收獲期(10月28日)6個時期采集土壤樣品。每個小區(qū)隨機采集5個土樣(0～20 cm)，混勻后快速運回實驗室，部分新鮮土樣于4℃冰箱內(nèi)保存，用于土壤微生物量和數(shù)量等指標的測定，剩余土樣風干過2 mm目篩后保存，用于土壤理化性質(zhì)的測定[9]。

土壤微生物量碳采用熏蒸浸提-重鉻酸鉀法測定，土壤微生物量氮采用熏蒸浸提取法測定[10-11]。土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的測定使用平板稀釋法，其中細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用改良的高氏一號培養(yǎng)基，真菌采用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基[12]。

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010進行初步整理、分析和繪制圖表，用SPSS 17.0進行方差分析和相關(guān)性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤微生物量碳、氮的影響

由圖2可知，在水稻生長前期SMBC逐步上升，至分蘗期達到最大值，與移栽前相比，此時常規(guī)水稻、綠色蛙稻和有機蛙稻SMBC含量分別增加86.9%、130.6%、92.7%；然后隨著水稻生長發(fā)育SMBC逐漸下降，至收獲期略有回升，在收獲期，常規(guī)水稻田中SMBC為移栽前的96.3%，綠色蛙稻田中為移栽前的97.0%，有機蛙稻田中為移栽前的100.4%。結(jié)果表明，不同種植模式下稻田土壤SMBC存在差異，有機蛙稻SMBC在水稻生長全季均顯著高于常規(guī)水稻，而在分蘗期、拔節(jié)期和孕穗期綠色蛙稻SMBC含量顯著高于常規(guī)水稻。在水稻整個生育期間的SMBC含量平均值大小順序為有機蛙稻(567.05 mg/kg)>綠色蛙稻(513.41 mg/kg)>常規(guī)水稻土壤(426.42 mg/kg)。

整個稻季稻田土壤的SMBN與SMBC變化趨勢相似。由圖3可知，在水稻生長前期SMBN含量逐漸增加至分蘗期達最大值，相較移栽前常規(guī)水稻、綠色蛙稻、有機蛙稻中SMBN分別增加 109.8%、81.3%和104.6%；之后隨著水稻生長SMBN含量下降，在收獲期常規(guī)水稻田中SMBN為移栽前的87.3%，綠色蛙稻為91.4%，有機蛙稻田為102.0%。試驗結(jié)果還表明，不同種植模式下稻田土SMBN存在差異，有機蛙稻SMBN在水稻生長全季均顯著高于常規(guī)水稻，而綠色蛙稻在移栽前、分蘗期、拔節(jié)期和收獲期SMBN含量顯著高于常規(guī)水稻。稻季土壤SMBN含量均值大小順序為有機蛙稻(49.11 mg/kg)>綠色蛙稻(44.56 mg/kg)>常規(guī)水稻土壤(38.42 mg/kg)。可見相較于常規(guī)水稻，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式明顯提高了稻田SMBC、SMBN含量。

2.2　蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤微生物熵的影響

土壤微生物熵是土壤微生物量碳與土壤總有機碳(total organic carbon，簡稱TOC)的比值，它充分反映了土壤中活性有機碳所占的比例。由圖4可以看出，3種模式SMQ范圍都介于1.43%～3.49%之間，SMQ在分蘗期達到最大值，之后整體下降，在灌漿期和收獲期SMQ較小。從水稻整季來看，相較于常規(guī)水稻，有機蛙稻在分蘗期、拔節(jié)期和孕穗期顯著提高了稻田SMQ， 而綠色蛙稻在分蘗期和拔節(jié)期顯著提高了稻田SMQ。

2.3　蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

由表2可知，整個稻季不同種植模式下土壤細菌、放線菌與真菌數(shù)量變化不一致。其中細菌數(shù)量隨水稻生長呈先上升后下降再上升的趨勢，在分蘗期達到最大值，孕穗期達到最小值；稻田有機蛙稻和綠色蛙稻細菌平均數(shù)量分別為常規(guī)水稻模式的1.21、1.16倍。放線菌數(shù)量變化趨勢與細菌相似，在分蘗期達到峰值，灌漿期達到谷值；整個稻季，有機蛙稻放線菌平均數(shù)量分別是綠色蛙稻和常規(guī)水稻的1.05、1.06倍，綠色蛙稻和常規(guī)水稻間差異不顯著。真菌數(shù)量隨水稻生長先減少后上升，移栽前為最大值，孕穗期達到最小值；整個稻季有機蛙稻和綠色蛙稻土壤真菌數(shù)量均顯著高于常規(guī)水稻，分別是常規(guī)水稻的1.20、1.09倍。有機蛙稻和綠色蛙稻的土壤可培養(yǎng)微生物總量顯著高于常規(guī)水稻，分別較常規(guī)水稻高出20.1%、15.5%。以上結(jié)果表明，相較于常規(guī)水稻，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式有利于提高土壤細菌、放線菌和真菌數(shù)量，并對土壤可培養(yǎng)微生物中各類群微生物的組成、比例都產(chǎn)生了一定的影響。

表2　不同種植模式下稻田土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量動態(tài)變化

注：同列同一標簽不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.4　土壤微生物特性指標與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由表3可以看出，SMBC、SMBN分別與土壤有機質(zhì)、全氮和有效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，SMBN與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)。細菌、放線菌數(shù)量均與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，細菌數(shù)量還與全氮、有效磷、有效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，放線菌、真菌數(shù)量與全氮含量呈顯著正相關(guān)，放線菌數(shù)量與有效鉀含量呈顯著正相關(guān)。

3　結(jié)論與討論

土壤微生物量是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫，可以靈敏地反映環(huán)境因子、土地利用模式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和氣候條件的變化，被用作評價土壤質(zhì)量和反映微生物群落狀態(tài)與功能變化的指標[13-15]。結(jié)果表明，經(jīng)過多年連續(xù)試驗，與傳統(tǒng)常規(guī)水稻模式相比，有機蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式顯著提高了稻田土SMBC、SMBN和SMQ，綠色蛙稻在水稻生長初期顯著提高了稻田土SMBC和SMBN。這主要是因為土壤微生物與土壤質(zhì)量、養(yǎng)分含量關(guān)系十分密切，土壤養(yǎng)分含量特別是有機質(zhì)、氮素的提高會明顯加速微生物生物量的積累[16]。一方面有機蛙稻和綠色蛙稻中長期施用的有機肥和虎紋蛙的蛙糞為土壤微生物的活動提供豐富的碳源和氮源[17]；另一方面相較于常規(guī)水稻，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式有效地減少了稻田中養(yǎng)分的流失，也有利于土壤養(yǎng)分庫的積累[18]。

表3　土壤微生物特性指標與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

注：n=72，“*”“**”分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著。

土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的測定結(jié)果表明，相比于常規(guī)水稻，有機蛙稻能提高土壤細菌、放線菌和真菌數(shù)量，綠色蛙稻能提高土壤細菌和真菌數(shù)量，同時蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也有一定影響。展茗等在稻魚共作模式[7]、章家恩等在鴨稻共作模式[19]的研究中都表明，稻田生態(tài)種養(yǎng)模式可以提高土壤細菌、放線菌和真菌數(shù)量，這是因為動物生活產(chǎn)生的糞便增加了土壤養(yǎng)分，為微生物的增殖提供了良好條件；此外，動物的活動還對稻田土壤氧化還原電位有所影響，有利于土壤微生物大量增殖[20]。

綜上所述，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式作為稻田生態(tài)種養(yǎng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)常規(guī)水稻種植模式相比，明顯增加了稻田土壤的SMBC、SMBN和可培養(yǎng)微生物數(shù)量。因此，從土壤微生物的角度出發(fā)，蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式優(yōu)于常規(guī)水稻種植模式，其中有機蛙稻模式優(yōu)于綠色蛙稻模式。本試驗?zāi)壳皟H對不同種植模式土壤微生物特性指標差異進行了分析，而有關(guān)蛙稻生態(tài)種養(yǎng)模式的機制及其效應(yīng)評價還需今后進一步研究。

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