稻蝦輪作模式下江漢平原土壤理化性狀特征研究*

蔡 晨 李 谷 朱建強? 彭 亮 李繼福 吳啟俠

（1 長江大學農(nóng)學院，湖北荊州 434025）

（2 中國水產(chǎn)科學研究院長江水產(chǎn)研究所，湖北荊州 434000）

水稻作為我國主要的糧食作物，年種植面積已達3 000萬hm2［1］。傳統(tǒng)的水稻種植方式通過施用化肥、農(nóng)藥來保證水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，然而這種生產(chǎn)方式常造成養(yǎng)分資源浪費、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，還會降低水稻品質、品味，甚至威脅食品安全［2］。為了充分利用稻田水、肥、氣、熱資源，不同地區(qū)根據(jù)氣候和生產(chǎn)特點將水稻種植與動物養(yǎng)殖結合起來形成了獨具特色的稻田養(yǎng)魚、稻田養(yǎng)鴨和稻田養(yǎng)蝦等稻田綜合種養(yǎng)模式［3-5］。研究表明，與水稻單作相比，水稻種植與魚、蝦、鴨等水產(chǎn)動物養(yǎng)殖組成的互利共生復合生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點［6-11］。稻漁共生系統(tǒng)在世界很多國家均有分布，其中，稻田養(yǎng)蝦模式在美國已開展數(shù)十年［12-14］，在我國湖北省的江漢平原也較為普遍。2016年，湖北省就有20萬hm2以上的稻田養(yǎng)殖小龍蝦［15］。生產(chǎn)實踐中，稻田養(yǎng)殖小龍蝦多在水稻收后進行，即稻蝦輪作，這種模式易于操作而得到廣泛推廣和應用。近年來，國內外學者對稻田綜合種養(yǎng)模式進行了較為深入的研究，但多集中在稻魚模式和稻蟹模式［16-19］。目前，關于稻蝦模式的研究側重稻田小龍蝦養(yǎng)殖的技術和經(jīng)濟效益評估，對稻田土壤自身演化規(guī)律方面的研究尚較為薄弱［20］。為此，本研究基于前期調研數(shù)據(jù)，在長期實行稻蝦輪作的同一農(nóng)渠范圍內，選擇中稻單作和不同年限中稻/小龍蝦輪作的稻田，進行0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層理化性質分析，旨在揭示長期稻蝦輪作下稻田土壤理化性質的演變規(guī)律，為稻蝦田管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

調查取樣稻田位于湖北省石首市調關鎮(zhèn)敕王廟村（29°41′25.2″N，112°39′40.8″E），毗鄰長江、屬江漢平原（圖1），該村從20世紀90年代中期開始稻蝦輪作生產(chǎn)。20年來，稻蝦輪作集中在僅能種植一季水稻的低湖田上。土壤類型為第四紀沉積物發(fā)育的沼澤型水稻土，質地為黏壤土。稻蝦種養(yǎng)單元呈矩形，寬20～30 m、長約50～100 m。根據(jù)1982年湖北省土壤普查結果顯示，該區(qū)域土壤基本理化性質為：pH 7.28，有機質24.05 g·kg-1，全氮1.54 g·kg-1，全磷0.33 g·kg-1，全鉀17.24 g·kg-1，堿解氮78.0 mg·kg-1，有效磷2.59 mg·kg-1，速效鉀78.75 mg·kg-1。

1.2 稻蝦輪作生產(chǎn)管理

稻蝦輪作因地制宜利用了低湖田水土資源，且經(jīng)濟效益顯著，逐漸由濱湖稻田向湖區(qū)地勢較高的常規(guī)稻田發(fā)展，由此形成不同稻蝦輪作年限的稻田。稻蝦輪作模式中，水稻一般于每年6月中旬進行整地、插秧，9月底收獲。水稻所施肥料為：尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。年均施肥量一般為N 150 kg·hm-2、P2O550 kg·hm-2和K2O 60 kg·hm-2。蝦苗于當年10月水稻收獲后，按每公頃15～20萬尾的標準進行投放，至翌年3月幼蝦在稻田中自然生長，每年3—5月份投放蝦飼料，投放量平均為2 000 kg·hm-2，6月上旬捕撈成蝦。捕蝦完畢后（6月中下旬）進行下一季的中稻種植，在9月底中稻收割完畢灌水，進行下一季小龍蝦養(yǎng)殖，依次循環(huán)。

稻蝦輪作模式下，水稻收獲后泡田養(yǎng)蝦，稻草粉碎后全量還田，還田量約為6 750 kg·hm-2；普通中稻模式水稻收獲后冬閑，不養(yǎng)蝦。供試水稻品種為當?shù)刂魍破贩N“黃花占”，小龍蝦品種為克氏原螯蝦。在4—5月稻田養(yǎng)蝦期間，用生石灰進行水體消毒。按150 g·m-2用量在藻體聚集處撒生石灰，連續(xù)施用3次，每次間隔3～4 d，殺滅藻類，合計施用量約為340 kg·hm-2。

1.3 土樣采集與測定方法

圖1 采樣點位置圖Fig. 1 Location of sampling site

2017年9月水稻收獲后，根據(jù)稻蝦輪作年限，分別在中稻單作稻田（記為CK）以及稻蝦輪作1 a、7 a、13 a、18 a和23 a的稻田（分別記為CR1、CR7、CR13、CR18、CR23）分層取土樣。采用不銹鋼土鉆和環(huán)刀按S型5點法，分別采集0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土樣，重復3次。土樣帶回實驗室，剔除其中石塊、根系等雜物，混勻、風干并分別過0.1 mm和0.149 mm篩備用。環(huán)刀采集的土樣用于測定土壤容重和孔隙度，風干土樣用于測定土樣pH、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、陽離子交換量（CEC）和土壤易氧化有機碳（ROC）。

土壤pH測定采用電位法；土壤容重和孔隙度測定采用環(huán)刀法；土壤全氮測定采用凱氏定氮法；堿解氮測定采用堿解擴散法；有效磷測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—比色法（UV-1600紫外可見分光光度計，Mapada，上海）；速效鉀測定采用1 mol·L-1醋酸銨浸提—火焰光度法（HG-3火焰光度計，北京檢測儀器有限公司）；陽離子交換量（CEC）測定采用乙酸鈉-火焰光度法［21］。土壤易氧化有機碳（ROC）測定采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法［22］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)和制圖，DPS 15.10進行方差分析，最小顯著差異（LSD）法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結 果

2.1 不同年限稻蝦輪作對土壤容重和孔隙度的影響

從空間尺度而言，各處理土壤容重自表層而下逐漸增加；從時間尺度而言，不同輪作年限各層土壤容重均較中稻單作的低，且隨著輪作年限的延長而逐漸減小（圖2）。從容重變幅而言，在0～40 cm土層中，隨稻蝦輪作年限的增加，土壤容重表現(xiàn)為先緩慢降低（0～1 a），隨后顯著降低（1～13 a），最后達到穩(wěn)定，且土壤容重發(fā)生較大轉折的時間為稻蝦輪作的第7年與第13年之間。在40～60 cm土層中，土壤容重隨輪作年限的延長逐漸降低，但降幅緩慢，表現(xiàn)為稻蝦輪作13 a以內與中稻單作無差異。與中稻單作（CK）相比，稻蝦輪作23 a后，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的容重分別降低了12.2%、14.8%和1.26%。因此，長期稻蝦輪作會顯著降低土壤0～40 cm土層的容重，但對40～60 cm的土壤容重無顯著影響。

圖2 不同年限稻蝦輪作土壤容重變化Fig. 2 Changes in soil buik density in the paddy field with history of the rotation

由表1可知，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均表現(xiàn)為隨土層深度加深而減小的趨勢。在0～20 cm土層中，與中稻單作相比，輪作1 a的毛管孔隙度和非毛管孔隙度緩慢增加，但總孔隙度顯著增加；輪作1～13 a的毛管孔隙度、1～18 a期間的非毛管孔隙度和總孔隙度顯著增加，隨后趨于穩(wěn)定。在20～40 cm土層中，土壤毛管孔隙度和總孔隙度的變化表現(xiàn)為：在輪作1～13 a期間緩慢增加，隨后（18～20 a）趨于穩(wěn)定。在40～60 cm土層中，土壤毛管孔隙度和總孔隙度的增加趨勢更為緩慢，基本無變化。土壤非毛管孔隙度在20～60 cm土層中隨年限的延長變化不明顯。

表1 不同年限稻蝦輪作對土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度的影響Table 1 Effects of rice-crawfish rotation on soil capillary porosity, non-capillary porosity, and total porosity, relative to rotation history

2.2 不同年限稻蝦輪作對土壤pH和陽離子交換量的影響

圖3A結果顯示，不同年限稻田土壤的pH介于7.28～8.29之間，且隨土層深度增加呈升高的趨勢。中稻單作和稻蝦輪作1 a的稻田，其表層（0～20 cm）和下層土壤pH差異顯著，輪作7 a以后，各層土壤pH差異不明顯。與中稻單作相比，稻蝦輪作可顯著提高土壤表層pH。在稻蝦輪作模式下，土壤pH隨輪作年限增加而緩慢增加，各層土壤pH均表現(xiàn)為：23 a ＞18 a ＞13 a ＞7 a ＞1 a＞CK。與CK相比，輪作23 a的3個土層pH分別提高了12.8%、5.8%和4.8%。

圖3B結果顯示，土壤陽離子交換量（CEC）由表層向下逐漸降低，不同土層CEC隨輪作年限表現(xiàn)出不同的變化趨勢。在0～20 cm土層，當輪作年限在13 a以內時，CEC 隨輪作年限緩慢增加，之后趨于穩(wěn)定；在20～40 cm土層，土壤CEC 隨輪作年限的變化不顯著；在40～60 cm土層，輪作7 a內CEC隨輪作年限有緩慢增加趨勢，隨后變化不顯著。

2.3 不同年限稻蝦輪作對土壤全氮的影響

圖3 不同年限稻蝦輪作稻田土壤pH（A）和陽離子交換量（B）變化Fig. 3 Changes in soil pH (A) and cation exchange capacity (B) in the rice-crawfish field with history of the rotation

由圖4可知，中稻單作時，土壤全氮含量自表層而下逐漸降低，且差異顯著；而稻蝦不同輪作年限各處理本身的20～40 cm和40～60 cm土壤全氮含量差異不顯著。就時間尺度而言，各層土壤的全氮含量均隨稻蝦輪作年限延長而增加。與CK相比，輪作23 a稻田0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的全氮含量依次提高了128.6%、124.14%和96.2%。此外，從圖4可以看出，土壤全氮含量發(fā)生較大轉折的時間介于稻蝦輪作的第13年和第18年之間。

就不同土層全氮含量變幅而言，在0～20 cm土層，隨稻蝦輪作年限的增加，土壤全氮含量有一個明顯增加的過程。在20～40 cm土層，隨稻蝦輪作年限的增加，土壤全氮含量表現(xiàn)為先顯著增加（0～1 a），隨后緩慢增加（1～13 a），最后達到穩(wěn)定的趨勢。在40～60 cm土層，土壤全氮含量在輪作的0～1 a、7～13 a、18～23 a 3個時段增幅最為明顯。

圖4 不同年限稻蝦輪作土壤全氮含量變化Fig. 4 Changes in soil total N content in the rice-crawfish field with history of the rotation

2.4 不同年限稻蝦輪作對土壤速效養(yǎng)分的影響

由表2可知，土壤速效養(yǎng)分表層最高，向下逐漸降低；同時，土壤速效養(yǎng)分隨著輪作年限延長均表現(xiàn)出增加的趨勢。與中稻單作相比，輪作23 a后，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層中堿解氮、有效磷和速效鉀均有顯著增加。其中，0～20 cm土層中堿解氮、有效磷和速效鉀分別增加35.6%、71.7%和117.1%，這表明長期稻蝦輪作有利土壤速效養(yǎng)分含量提高，具體變化表現(xiàn)為：

1）0～20cm土層：隨著輪作年限的增加，土壤速效養(yǎng)分均表現(xiàn)出先緩慢增加，隨后顯著增加的趨勢。輪作7 a內，土壤堿解氮和有效磷含量緩慢增加，而速效鉀在輪作1 a后顯著增加。土壤堿解氮和有效磷在輪作13 a時趨于穩(wěn)定，但速效鉀一直呈顯著增加趨勢。

2）20～40cm土層：與對照相比，輪作7 a以上堿解氮才有顯著增加；土壤有效磷含量在輪作1 a時顯著增加，7～13 a時緩慢累積，輪作18 a以上又顯著增加；土壤速效鉀含量變化趨勢與土壤有效磷類似。

3）40～60cm土層：與對照相比，土壤有效磷和速效鉀含量在輪作1 a后均緩慢增加，13 a以上有顯著增加的趨勢，但不同輪作年限的土壤堿解氮含量之間差異較小，無明顯規(guī)律。

2.5 不同年限稻蝦輪作對土壤易氧化有機碳的影響

圖5結果顯示，土壤易氧化有機碳（ROC）由表層向下逐漸減少，且隨輪作年限延長而逐漸增加。與中稻單作相比，稻蝦輪作23 a后，0～20 cm和20～40 cm土層的ROC分別達到3.19 g·kg-1和3.13 g·kg-1，分別提高了95.7%和311.8%（P＜0.05），40～60 cm土層處理間差異不顯著。

3 討 論

3.1 稻蝦輪作下土壤物理性狀變化及原因

土壤容重和孔隙度是土壤的重要物理性質，受到氣候、土壤動物、微生物及耕作方式等的影響，對土壤透氣性能、持水量、抗侵蝕能力和根系生長阻力有非常大的影響［23］。本研究結果顯示，長期稻蝦輪作會顯著降低土壤0～20 cm和20～40 cm土層的容重（圖2），并增加土壤孔隙度（表1）；而對40～60 cm土層容重無明顯影響。這是由于在稻蝦種養(yǎng)過程中，會投喂水草和秸稈還田，這些有機物料在微生物和土壤酶的作用下逐漸腐解，且腐解產(chǎn)物的密度小于土壤自身密度，因此，能夠與土壤顆粒結合形成穩(wěn)定疏松態(tài)的團粒結構。此外，小龍蝦在生長過程中排泄的糞便和掘洞行為也會加速這種團粒結構的形成和向較深層（20～40 cm）土壤遷移、轉化的速率，從而改善土壤緊實程度。本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤容重的降低和孔隙度的增大并未隨著稻蝦輪作年限的延長呈現(xiàn)無限下降和增長的趨勢，而是表現(xiàn)出隨著輪作年限延長趨于穩(wěn)定的特點。如0～20 cm土層中，土壤容重和毛管孔隙度在輪作1～13 a期間呈現(xiàn)逐漸減小和增加的趨勢，當輪作達到13 a之后基本保持穩(wěn)定。在20～40 cm土層中，土壤容重在輪作1～18 a期間呈現(xiàn)逐漸減小，毛管孔隙度和總孔隙度在輪作1～18 a期間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，當輪作達到18 a之后保持穩(wěn)定。這可能是每年秸稈攝入量和土壤有機物質消耗量達到動態(tài)平衡的結果，尚需要進一步進行試驗研究。

表2 不同年限稻蝦輪作下土壤速效養(yǎng)分的變化Table 2 Change in content of soil available nutrients in the rice-crawfish field with history of the rotation

圖5 不同年限稻蝦輪作土壤易氧化有機碳含量變化Fig. 5 Change in soil ROC content in the rice-crawfish field with history of the rotation

3.2 稻蝦輪作下土壤化學性狀變化及原因

土壤pH是衡量土壤酸堿性的重要指標，受到土壤鹽基狀況、成土母質和人為活動等綜合因素的影響，其中，土壤鹽基狀況主要取決于淋溶過程和復鹽基過程的強弱［24］。本研究區(qū)，地下水位較高、成土過程穩(wěn)定，故而，本研究區(qū)域土壤pH的變化主要受生物過程和人為活動的影響。水稻土是受人為活動作用影響劇烈、土壤質量變異最為顯著的土壤。本研究表明，與第二次土壤普查數(shù)據(jù)相比，長期中稻單作對土壤pH無顯著影響，而長期稻蝦輪作可使土壤pH增加，稻蝦輪作23 a時可使0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的pH較中稻單作依次增加12.8%、5.8%和4.8%（圖3A）。這與佀國涵等［25］的研究基本一致。這一方面是在稻蝦種養(yǎng)過程中，需要施用大量石灰來進行田間消毒，另一方面，小龍蝦脫殼含有大量鈣質，長期的生石灰和含鈣較多的殼灰、貝殼粉等施入農(nóng)田可中和田間H+，引起土壤pH緩慢升高，尤其是表層土壤表現(xiàn)更為明顯［26-27］。

土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附和交換的各種陽離子的容量，直接反映土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力，其量值與土壤膠體種類和含量有關。土壤有機質中的有機膠體為兩性膠體，是土壤固相中陽離子交換量最大的部分，隨著有機質含量的增加，土壤陽離子交換量也增加［24］。本研究表明，在表層（0～20 cm）土壤中，隨著稻蝦輪作年限的增加，土壤陽離子交換量隨之增加，但對20～60 cm土層的土壤陽離子交換量無顯著影響（圖3B）。長期稻蝦輪作模式下秸稈還田和小龍蝦糞便進入了土壤表層，增加了土壤有機質的含量［25］，從而使土壤表層陽離子交換量隨之增加，而對深層土壤無顯著影響，因此，深層土壤的陽離子交換量無明顯變化。

本研究結果顯示，土壤全氮、速效養(yǎng)分、易氧化有機碳含量和陽離子交換量均隨土層深度的增加而呈遞減趨勢，表現(xiàn)為：0～20 cm ＞ 20～40 cm ＞40～60 cm（圖4，表2，圖5）。這種變化趨勢體現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量的垂直分布，與生物富集、表聚作用密切相關。隨著稻蝦輪作年份的延長，土壤深層的養(yǎng)分含量也隨之增加。這是因為在長期稻蝦輪作過程中，小龍蝦以還田稻草和投喂的飼料為食，食物殘渣及小龍蝦排泄物進入土壤，有效補充和提高了土壤養(yǎng)分含量［6,16］。小龍蝦在稻田的掘穴行為改變了土壤的通氣特性，加快了有機物質在有氧和厭氧界面的交換過程，從而使土壤深層中相對難降解的有機物逐漸被好氧微生物降解，顯著影響了土壤中有機碳的轉化［28］。此外，與中稻單作相比，短期稻蝦輪作模式下20～60 cm土壤速效鉀含量有一個明顯的下降，之后隨輪作時間的延長逐漸上升的過程。原因在于：（1）水稻根系從深層土壤中吸收鉀素，然后再通過秸稈還田等形式將部分鉀素歸還于表層土壤，短期內深層土壤中的鉀素得不到及時補充而減少；（2）周年淹水狀態(tài)造成土壤部分溶液流失，引起養(yǎng)分損失［17,25,29］。

土壤易氧化有機碳的變動主要發(fā)生在土壤表層，40 cm以下深度變化不明顯，且隨著土壤深度的增加而顯著降低［30-34］。Fanjul等［34］研究表明，螃蟹的掘穴行為可提高沼澤地沉積物中有機質含量及其生物有效性，增加易分解有機碳的比例和加快有機碳的礦化速率。曹湊貴等［35］研究表明，不同養(yǎng)蝦年限的稻田土壤易氧化態(tài)碳含量顯著高于常規(guī)水稻單作田，水溶性有機碳含量低于常規(guī)水稻單作田。本研究表明，長期稻蝦輪作能夠顯著增加0～20 cm和20～40 cm土層中土壤易氧化有機碳含量，但對40～60 cm土層的土壤易氧化有機碳含量影響不明顯（圖5）。這與兩方面的因素有關：（1）稻蝦輪作期間，小龍蝦排泄物在一定程度上增加了表層土壤易氧化有機碳的來源［25,33］；（2）小龍蝦活動對稻田起到中耕的效果，促進水稻根系正常生長，進而增加根系有機分泌物量和土壤穩(wěn)定態(tài)腐殖質向易分解態(tài)轉化［30,33,35］。

4 結 論

長期稻蝦輪作會顯著降低土壤0～20和20～40 cm土層的容重并提高其非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度，而40～60 cm土層無明顯變化。稻蝦輪作模式下，土壤pH隨輪作年限增加而緩慢增加，各層土壤pH均表現(xiàn)為：23 a ＞18a ＞13 a ＞7 a＞1 a ＞0（CK）。在0～20 cm、20～40 cm土層中，當輪作小于13 a時，CEC隨輪作年限緩慢增加，之后趨于穩(wěn)定；在40～60 cm土層中，輪作大于7 a后，CEC趨于穩(wěn)定。各層土壤中的全氮含量隨稻蝦輪作年限延長而增加，與CK相比，稻蝦輪作23 a后，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的全氮含量分別增加128.6%、124.14%和96.15%。土壤速效養(yǎng)分隨著輪作年限延長均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，這表明長期稻蝦輪作有利提高土壤速效養(yǎng)分。稻蝦輪作下，0～20 cm的土壤易氧化有機碳含量隨輪作年限增加較快，13 a后變化不明顯；在20～40 cm土層，土壤易氧化有機碳呈現(xiàn)平穩(wěn)增加趨勢，輪作23 a后保持平衡。因此，與中稻單作相比，稻蝦輪作模式有助于改善土壤通透性、提高土壤肥力和增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益。