李威,成永旭,孫穎,劉小飛,劉明明,奚業(yè)文,李正友,李嘉堯*

(1.上海海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻漁綜合種養(yǎng)生態(tài)重點實驗室/水產(chǎn)科學(xué)國家級試驗教學(xué)示范中心/上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心,上海 201306;2.安徽省水產(chǎn)技術(shù)推廣總站,安徽 合肥 230601;3. 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所,貴州 貴陽 550025)

稻-小龍蝦綜合種養(yǎng)模式(以下簡稱“稻蝦綜合種養(yǎng)模式”)是我國長江中下游平原地區(qū)一種主流的稻田種養(yǎng)生態(tài)模式,近年來發(fā)展迅速,其模式特點是周年養(yǎng)殖小龍蝦、種植水稻,實現(xiàn)“一水兩用、一田兩收”,獲得了較好的經(jīng)濟效益。在水稻田中引入小龍蝦不僅能夠大幅提升水肥和物質(zhì)的利用率,增強稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗外界因素(降雨、施肥等)沖擊的能力[1-2];而且促進稻田生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán),阻止稻田營養(yǎng)物質(zhì)的外溢,使稻田生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)與功能上得到改善和提高[3]。根據(jù)中國小龍蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告,2020年養(yǎng)殖小龍蝦的總面積為145.64萬hm2,比2019年增長13.25%,其中稻田養(yǎng)殖小龍蝦面積為126.13萬hm2,占養(yǎng)殖總面積的86.61%[4]。

由于該模式長期處于淹水環(huán)境,易造成稻田土壤次生潛育化,并且不同養(yǎng)蝦年限的土壤有機碳變化較大,水溶性有機碳含量低于水稻單作田[5]。秸稈粉碎翻埋到土壤中,可以降低土壤容重,增加土壤的透氣性,改善土壤狀況。農(nóng)作物秸稈是土壤中有機物質(zhì)的主要來源[6],秸稈還田可以增加有機碳含量[7]和其他土壤養(yǎng)分含量,在提高土壤肥力、增加土壤有機質(zhì)、改善微生物群落等方面具有巨大潛力[8-9]。在稻蝦田進行秸稈全量還田,會造成水體污染,降低水體中溶解氧含量,危害小龍蝦正常生長,還會增加溫室氣體的排放,加劇溫室效應(yīng)[10]。在稻蝦綜合種養(yǎng)模式中進行秸稈還田,不同于傳統(tǒng)水稻單作還田,小龍蝦對水質(zhì)有更高要求,在秸稈全量還田下,田面水氨氮含量最高至12.17 mg·L-1,并隨著氮肥用量增加而增加[11]。

目前對稻蝦綜合種養(yǎng)模式下不同秸稈還田量的研究鮮有報道,稻蝦田中養(yǎng)殖水體以及土壤養(yǎng)分的變化與秸稈還田量之間的關(guān)系尚不明確;在水稻單作田秸稈還田研究中,秸稈還田量多用半量或者全量來表述,缺乏對適宜的秸稈還田量的定量研究。筆者在之前研究中已得出,在同一還田量下(1 500 kg·hm-2),秸稈還田配施氮肥調(diào)節(jié)碳氮比為15∶1(質(zhì)量比)最為合適[12]。研究表明秸稈還田量為4 500 kg·hm-2可以更好地增加土壤肥力[13],我們希望在保證養(yǎng)殖水質(zhì)的前提下能將更多的秸稈用于還田,因此本文在2019年春季進行田間試驗,設(shè)置秸稈還田碳氮比為15∶1,研究不同秸稈還田量對養(yǎng)殖水體、土壤養(yǎng)分以及酶活性的影響,為探究稻蝦種養(yǎng)模式下最佳還田量、提高土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在上海海洋大學(xué)崇明基地(31°34′N,121°33′E)進行,地處上海市崇明區(qū)豎新鎮(zhèn)。試驗地屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,溫和濕潤,年均日照1 973.9 h,年平均氣溫15.2 ℃,無霜期236 d,雨水充沛,年平均降雨量1 128.9 mm。

試驗地0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì):全氮含量0.74 g·kg-1,全磷含量0.25 g·kg-1,有機質(zhì)含量12.20 g·kg-1,速效磷含量26.41 mg·kg-1,銨態(tài)氮含量4.72 mg·kg-1,硝態(tài)氮含量0.54 mg·kg-1,pH7.6,土壤容重 1.13 g·cm-3,土壤黏粒 14.45%。供試土壤為水稻土,土壤質(zhì)地為砂壤土。供試水稻品種為‘寒優(yōu)湘晴’,秸稈營養(yǎng)元素(C、N、P、S)含量分別為381.20、3.03、1.10和2.54 g·kg-1。蝦為克氏原螯蝦(Procambarusclarkii),俗名小龍蝦。試驗所用氮肥均為尿素(N,46.4%)。

1.2 試驗設(shè)計

定位試驗開始于2015年,稻蝦綜合種養(yǎng)模式,本試驗于2019年春季進行。采取田間小區(qū)試驗,小區(qū)面積125 m2(12.5 m×10 m),按小區(qū)面積的10%在四周開“回”字溝,每個小區(qū)均有獨立的進、排水口,保證各小區(qū)之間水環(huán)境是相互獨立的。在進行試驗前1周,每個小區(qū)使用25 kg漂白粉統(tǒng)一進行消毒處理。共設(shè)置4個處理:秸稈不還田不施氮肥(CK)、秸稈還田量為1 500 kg·hm-2(S1N1)、秸稈還田量為3 500 kg·hm-2(S2N2)、秸稈還田量為4 500 kg·hm-2(S3N3)。具體試驗設(shè)計見表1。除CK處理外,其他3個處理統(tǒng)一使用氮肥調(diào)節(jié)還田C/N為15∶1。秸稈經(jīng)自然風(fēng)干后,粉碎成3～5 cm段,于2019年1月31日鋪蓋于土壤表面,氮肥均勻潑灑在水稻種植平臺上,每種處理統(tǒng)一翻耕15 cm深,之后加水保持水位在平臺以上30 cm,待水位明顯下降時加水至同一刻度線,每個處理3個重復(fù),隨機排列。在每個試驗小區(qū)環(huán)溝內(nèi)種植伊樂藻(Elodeanuttallii),占環(huán)溝面積的30%。于2019年4月6日在每個試驗塘投放3 kg平均規(guī)格為(5±0.5)g的幼蝦。試驗期間,每日17:00按小龍蝦體重的5%投喂商業(yè)配合飼料(浙江澳華飼料有限公司),根據(jù)天氣狀況以及小龍蝦體重變化靈活改變投喂量。飼料主要成分:粗蛋白(干重)29.6%、粗脂肪3%、總磷0.9%、小麥粉28.3%、菜粕26.5%、花生粕8%、豆粕8%、棉粕6%、總脂(干重)4.54%、魚粉4%,試驗結(jié)束后收獲成蝦。

表1 各試驗處理的還田秸稈和氮肥施用量及C/NTable 1 Application rates of rice straw and urea,and C/N ratios of the experimental treatments

1.3 樣品采集與測定

采用半自動凱氏定氮蒸餾法測定土壤全氮含量,采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒測定土壤有機質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷含量及脲酶、蔗糖酶、纖維素酶、堿性磷酸酶活性。其中,采用鉬銻抗比色法測定土壤TP含量,重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量,酚二磺酸比色法測定硝態(tài)氮含量,靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮含量,靛酚藍比色法測定脲酶活性,采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性,磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性,3,5-二硝基水楊酸比色法測定纖維素酶活性,采用鄰苯三酚比色法測定多酚氧化酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量對養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標的影響

圖1 不同秸稈還田量對水體溶氧含量(A)和pH值(B)動態(tài)變化的影響Fig.1 Effects of different straw returning amount on the dynamic changes of dissolved oxygen(DO)content(A)and pH value(B)

圖2 秸稈還田期間不同處理的水質(zhì)指標Fig.2 Water quality index under different treatment during straw returning period 不同小寫字母表示不同處理在0.05水平差異顯著。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level. TN:Total nitrogen;TP:Total phosphorus. 下同The same below.

2.2 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分含量動態(tài)變化的影響

從圖3可知:不同處理土壤TN含量呈先下降后上升再下降的規(guī)律性變化。相較于秸稈還田前,除了CK處理外,其他處理土壤TN含量均有不同程度的下降,分別下降10.70%、7.78%、3.68%。土壤TP含量變化與土壤TN變化趨勢不同,自還田后先升高后處于平穩(wěn)狀態(tài),各處理間差異不顯著,但S3N3處理土壤TP含量增幅最大;在秸稈還田60～90 d內(nèi),隨著還田量的增加,土壤TP含量也增加。

從圖4可知:不同處理土壤銨態(tài)氮含量先升高后下降,在秸稈還田30～60 d,S2N2、S3N3處理顯著高于CK、S1N1處理;除S3N3處理外,其他處理在秸稈還田60 d后達到峰值,之后開始降低。各處理土壤硝態(tài)氮含量隨還田時間增加而升高,并與還田量成正比,各處理之間差異顯著(P<0.05)。實施秸稈還田處理的土壤硝態(tài)氮含量高于CK處理,對比秸稈還田前,還田后CK、S1N1、S2N2、S3N3處理下土壤硝態(tài)氮分別增加354.92%、629.41%、1 092.68%、1 139.21%。秸稈還田120 d后,除S1N1處理外,其他處理的土壤有機質(zhì)含量都增加,其中S3N3處理增幅最大。

圖3 不同秸稈還田量對土壤總氮和總磷含量動態(tài)變化的影響Fig.3 Effects of different straw returning amount on the dynamic changes of soil TN and TP contents

圖4 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分含量動態(tài)變化的影響Fig.4 Effect of different straw returning amount on dynamic change of soil nutrient content

圖5 不同秸稈還田量對土壤酶活性動態(tài)變化的影響Fig.5 Effect of different straw returning amount on dynamic change of soil enzymes activities

2.3 不同秸稈還田量對土壤酶活性動態(tài)變化的影響

從圖5可知:秸稈還田30 d后,CK處理土壤脲酶活性都高于3種秸稈還田處理組,表明秸稈還田配施氮肥處理降低了土壤脲酶活性。秸稈還田后,除了還田30 d S3N3處理土壤脲酶活性明顯高于其他處理外,3種秸稈還田處理之間差異不顯著(P>0.05)。S2N2、S3N3處理土壤脲酶活性自還田后呈現(xiàn)升高—降低—升高的規(guī)律性變化,在還田后的30 d達到峰值,分別為84.06、113.63 μg·d-1·g-1,但CK、S1N1處理脲酶活性始終低于還田前。秸稈還田30 d后,S2N2、S3N3處理土壤堿性磷酸酶活性高于還田前,在秸稈還田120 d后達到最大值;還田后秸稈還田處理下的堿性磷酸酶活性高于CK處理,秸稈還田60 d后CK處理堿性磷酸酶活性低于3種秸稈還田處理。

秸稈還田前期不同處理土壤纖維素酶活性差異不顯著,秸稈還田30 d后開始出現(xiàn)差異,并且隨著還田量的增加而增加。秸稈還田60～120 d,S2N2、S3N3處理土壤纖維素活性高于CK處理,并在秸稈還田60～90 d差異顯著(P<0.05),表明3 500、4 500 kg·hm-2還田量對于提升土壤纖維素酶活性作用較為明顯。不同處理土壤蔗糖酶活性在秸稈還田前處于較低水平,在還田后CK、S1N1處理無較大變化。S2N2、S3N3處理蔗糖酶活性變化趨勢較為明顯,秸稈還田30 d后達峰值,分別為22.76和28.14 mg·d-1·g-1。S3N3處理下的土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理(P<0.05),表明4 500 kg·hm-2的還田量可以顯著提高土壤蔗糖酶活性。

2.4 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性相關(guān)性分析

從表2可知:土壤脲酶和土壤硝態(tài)氮成極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01),說明土壤硝態(tài)氮含量的升高會導(dǎo)致土壤脲酶活性的降低。同時土壤堿性磷酸酶和土壤總磷成極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),這表明隨著土壤堿性磷酸酶活性的升高,土壤中總磷含量增加。

表2 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlative coefficient between soil nutrients and soil enzymes activities

2.5 不同秸稈還田量對小龍蝦產(chǎn)量和規(guī)格的影響

從表3可知:不同處理之間小龍蝦的產(chǎn)量無顯著性差異,其中秸稈還田處理的小龍蝦產(chǎn)量略高于CK處理;S1N1處理產(chǎn)量最高,為1 401.45 kg·hm-2。秸稈還田處理小龍蝦平均規(guī)格高于CK處理,其中S3N3處理小龍蝦規(guī)格最大,每尾為38.17 g。秸稈還田處理對于小龍蝦的產(chǎn)量沒有較大影響,秸稈還田處理下小龍蝦的平均規(guī)格高于對照處理。

表3 不同處理下小龍蝦產(chǎn)量和規(guī)格Table 3 Yield and size of crayfish under different treatments

3 討論

3.1 不同秸稈還田量對養(yǎng)殖水體的影響

3.2 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分的影響

土壤中氮素的形態(tài)主要分為有機態(tài)和無機態(tài)[19]。無機氮水平是評價土壤中氮素可利用性的重要指標,其動態(tài)變化是土壤有機氮和無機氮形態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果,并受到秸稈還田量的顯著影響[13,20]。本研究中,在秸稈還田后的采樣時期內(nèi)S3N3處理土壤TN含量高于其他2種秸稈還田處理,表明隨著秸稈還田量的增加,土壤中TN含量也隨之增加。但是在秸稈還田60 d后CK處理的TN含量高于還田處理,并且CK處理的土壤硝態(tài)氮和土壤銨態(tài)氮含量低于秸稈還田處理組,表明未實施秸稈還田的土壤氮素形態(tài)主要以有機態(tài)氮為主。

本研究中,在秸稈還田前期土壤銨態(tài)氮含量高于后期,而土壤硝態(tài)氮含量趨勢與此相反,這表明在秸稈還田前期土壤無機氮形態(tài)主要以銨態(tài)氮為主,后期主要以硝態(tài)氮為主。分析其原因,一方面前期秸稈還田輸入的氮肥先被分解為土壤銨態(tài)氮,造成前期銨態(tài)氮含量升高,并且秸稈還田前土壤無機氮含量較低,當把秸稈和氮肥混合施入時,秸稈能被土壤微生物較快固持、礦化并釋放出氮素到土壤中;另一方面,秸稈粉碎翻埋到土壤中,隨著秸稈的腐解,降低土壤容重,增加土壤的透氣性[7],有助于增強硝化作用,使得土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,硝化作用的增強會導(dǎo)致N2O的排放量增加[21]。硝態(tài)氮隨著生長季節(jié)的變化而變化,施氮土壤中硝態(tài)氮是無機氮的主要存在形式[22-23]。土壤銨態(tài)氮的含量相對穩(wěn)定,受施氮水平影響較小,所以在土壤營養(yǎng)診斷中經(jīng)常直接把土壤硝態(tài)氮含量當作診斷的指標,沒有考慮土壤銨態(tài)氮含量的變化趨勢[24]。在本試驗中,不同秸稈還田時期的主要無機氮形態(tài)氮變化較大,原因可能是秸稈還田配施氮肥對土壤硝化作用產(chǎn)生較大影響。因此,建議在秸稈還田地區(qū)衡量土壤的營養(yǎng)狀況時,不能僅把土壤硝態(tài)氮作為關(guān)鍵指標,還應(yīng)該關(guān)注土壤銨態(tài)氮含量的變化。

有機質(zhì)的增加可以增強吸收溫室氣體和固定二氧化碳的能力,使農(nóng)田從碳源轉(zhuǎn)變成碳匯[25-26]。本試驗中,不同處理之間有機質(zhì)含量沒有較大差異,但還田后S3N3處理有機質(zhì)含量一直高于其他處理,4 500 kg·hm-2還田量可以提升土壤有機質(zhì)含量。土壤有機質(zhì)的積累是一個漫長而復(fù)雜的過程,有學(xué)者通過2年的秸稈還田試驗研究得出,秸稈還田增加了有機質(zhì)含量,但增幅不明顯[27]。但土壤有機質(zhì)易受到土壤類型、溫度、環(huán)境因子等因素的影響,不同種類秸稈碳氮比也有所不同。

3.3 不同秸稈還田量對土壤酶活性的影響

本試驗結(jié)果顯示,在秸稈還田前期,秸稈還田處理的土壤脲酶活性較CK增幅較大,表明此時期土壤供氮能力較強;在秸稈還田60 d后,秸稈還田處理的土壤脲酶活性較低,并且與CK差異顯著,表明土壤供氮能力較弱,可能會影響秸稈的腐解進程,所以此時期可以考慮追加施用氮肥。秸稈還田后除了處理30 d S3N3處理高于CK處理外,其他任何采樣時期CK處理均高于秸稈還田處理,表明秸稈還田處理降低了土壤脲酶活性。劉瑋斌等[28]在進行秸稈全量還田研究時發(fā)現(xiàn),秸稈還田處理高于不還田處理。Wu等[29]在室內(nèi)的秸稈還田試驗結(jié)果表明,秸稈還田降低了土壤脲酶活性,認為這是由于還田前的土壤無機氮含量過低導(dǎo)致。本研究中,實施秸稈還田處理的土壤堿性磷酸酶活性隨著還田時間的延長逐漸高于CK處理,表明秸稈還田可以增加土壤堿性磷酸酶活性。

李威等[12]在秸稈還田配施氮肥調(diào)節(jié)碳氮比對土壤纖維素酶活性的研究中,發(fā)現(xiàn)不同還田處理之間的纖維素酶活性差異不顯著。在本試驗中,隨著秸稈還田量的增加,土壤纖維素酶活性也隨之增加,秸稈還田60～90 d,S2N2、S3N3處理土壤纖維素活性顯著高于CK處理,表明土壤纖維素酶活性與秸稈還田量關(guān)聯(lián)性更大。土壤纖維素酶與土壤銨態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系,表明纖維素酶活性的升高可以提高土壤銨態(tài)氮含量。土壤蔗糖酶活性反映了土壤中有機碳的累計和分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律,對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起重要作用,與土壤的碳循環(huán)有關(guān)。在本試驗中,S1N1處理土壤蔗糖酶跟CK相比沒有較大差異,S3N3處理始終顯著高于CK、S1N1處理,表明4 500 kg·hm-2還田量可以顯著提升土壤蔗糖酶含量。