長期稻蝦共作模式下稻田土壤肥力變化特征研究.pdf

1、稻蝦[水稻(Oryza sativa)-克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)]共作模式是一種以潛育性稻田為條件，種稻為中心，稻草還田養(yǎng)蝦為特點的高效人工生態(tài)系統(tǒng)，該模式充分利用了稻田的淺水環(huán)境和冬閑期，把種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機結(jié)合起來，達(dá)到了水稻和克氏原螯蝦雙豐收的目的。目前稻蝦共作模式主要分布在湖北、江蘇、江西、湖南、安徽等長江中下游地區(qū)，且以湖北省的面積最大。與傳統(tǒng)的中稻單作模式相比，稻蝦共作模式不僅提高了農(nóng)田資源的利用

2、率，增強了稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其抗外界沖擊的能力，而且促進(jìn)了系統(tǒng)中物質(zhì)就地循環(huán)，阻止了稻田能量流的外溢，改善了稻田的生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能。在稻蝦共作模式中，克氏原螯蝦的掘穴活動提高了土壤通透性，使水中的養(yǎng)分物質(zhì)和溶解氧到達(dá)土壤底層，擾動了土壤氧化還原界面，改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和組成，提高了土壤有機碳轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分的釋放速率;另外稻田四周所挖的用于克氏原螯蝦躲避的環(huán)形溝，降低了潛育性稻田耕層的水位，加速了土壤與空氣的交換，減輕了耕層土壤還

3、原狀況，所有這些均會影響土壤肥力變化。本研究以江漢平原低湖地區(qū)潛育性稻田為對象，利用10年長期定位試驗，研究了長期稻蝦共作模式下稻田土壤物理、化學(xué)及生物等性狀的變化特征，水稻產(chǎn)量及構(gòu)成、養(yǎng)分累積量及利用率，明確了長期稻蝦共作模式下稻田土壤肥力變化特征及其對稻田生產(chǎn)力的影響;通過分析稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素的輸入、輸出及平衡狀況，評價了稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素平衡對稻田土壤養(yǎng)分演變的驅(qū)動作用。主要研究結(jié)果如下:
　　(1

4、)與中稻單作模式相比，稻蝦共作模式使15～30cm土層的土壤緊實度顯著降低，尤其以25cm深度處降幅度最大（近30％）。土壤容重亦顯著降低，土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著提高。稻蝦共作模式較中稻單作模式顯著提高了0～20cm和30～40cm土層中＞2mm粗大團(tuán)聚體含量，降低了0～10cm土層中2～0.25mm細(xì)大團(tuán)聚體以及＜0.053mm粉-黏團(tuán)聚體的含量，促進(jìn)了微團(tuán)聚體聚結(jié)成大粒級團(tuán)聚體;稻蝦共作模式提高了0～40cm土層中＞0.25m

5、m團(tuán)聚體數(shù)量、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑，降低了0～20cm土層的團(tuán)聚體分形維數(shù)，增加了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。在土壤物理性狀方面，稻蝦共作模式降低了土壤緊實度，增加了土壤通透性，改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。
　　(2)稻蝦共作模式較中稻單作模式顯著提高了0～40cm土層中土壤有機質(zhì)、全鉀和堿解氮的含量，0～30cm土層中土壤全氮的含量，0～10cm土層中全磷和速效磷的含量，10～30cm土層中硝態(tài)氮以及20～40cm土層中速效鉀的含量。與

6、中程單作模式比較，稻蝦共作模式顯著降低了0～10cm土層中還原性物質(zhì)總量，但提高了20～30cm土層中還原性物質(zhì)總量。在土壤化學(xué)性狀方面，稻蝦共作模式提高了土壤全量和速效養(yǎng)分含量，降低了表層土壤(0～10cm)還原性物質(zhì)總量，但增加了10cm以下土層潛育化的風(fēng)險。
　　(3)與中稻單作模式相比，稻蝦共作模式顯著增加了0～40cm土層中土壤總有機碳、顆粒有機碳和可溶性有機碳的含量，10～40cm土層中土壤易氧化有機碳含量，20～40

7、cm土層中土壤微生物量碳含量以及10～30cm土層中土壤碳庫管理指數(shù)。稻蝦共作模式較中稻單作模式顯著提高了0～30cm土層中＜0.053mm粉-黏團(tuán)聚體的有機碳含量，以及20～30cm土層中各粒級團(tuán)聚體中有機碳的含量。在土壤碳庫方面，稻蝦共作模式增加了土壤中有機碳及其活性組分的含量，提高了土壤碳庫管理指數(shù)。
　　(4)稻蝦共作模式的土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶活性在0～40cm土層較中稻單作模式均呈降低趨勢，且脲酶活性在10～20

8、cm土層顯著降低;Biolog ECO分析表明，稻蝦共作模式增加了20～30cm土層中土壤微生物利用不同碳源的能力，提高了土壤微生物群落的豐富度、優(yōu)勢度和多樣性指數(shù)，但降低了0～10cm土層中土壤微生物優(yōu)勢種的數(shù)量以及利用不同碳源的能力;PLFAs分析表明，稻蝦共作模式提高了20～40cm土層中好氧細(xì)菌、AMF菌和G-數(shù)量，主成分分析顯示在20～30cm土層中，稻蝦共作模式的微生物群落組成與中稻單作模式顯著不同，且主要增加了G-細(xì)菌、好

9、氧細(xì)菌和真菌的比例;Pearson相關(guān)性分析表明土壤有機碳、土壤酶、全氮和全磷是土壤微生物群落組成的重要影響因素，而土壤酶和pH則與土壤微生物多樣性關(guān)系較為密切。在土壤生物性狀方面，稻蝦共作模式降低了土壤酶的活性，改變了底層土壤(20～40cm)中微生物群落結(jié)構(gòu)及功能性多樣性。
　　(5)稻蝦共作模式提高了水稻每穗總粒數(shù)以及稻谷產(chǎn)量，其中稻谷產(chǎn)量于2015年和2016年較中稻單作模式分別提高了6.41％和3.66％;稻蝦共作模式提

10、高了稻谷和稻草以及地上部的氮素、磷素和鉀素養(yǎng)分累積量及其農(nóng)學(xué)利用率，且地上部的養(yǎng)分累積量中鉀素＞磷素＞氮素。經(jīng)濟效益分析表明，稻蝦共作模式的總產(chǎn)值和利潤較中稻單作模式分別提高了46611.0￥/hm2和23811.0￥/hm2，增幅分別為188.0％和218.0％。在水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益方面，稻蝦共作模式不僅能夠提高水稻產(chǎn)量，而且大幅增加了農(nóng)民收入，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。
　　(6)稻蝦共作系統(tǒng)和中稻單作系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯，且稻蝦