李威,成永旭,孙颖,刘小飞,刘明明,奚业文,李正友,李嘉尧*
(1.上海海洋大学农业农村部稻渔综合种养生态重点实验室/水产科学国家级试验教学示范中心/上海水产养殖工程技术研究中心,上海 201306;2.安徽省水产技术推广总站,安徽 合肥 230601;3. 贵州省农业科学院水产研究所,贵州 贵阳 550025)
稻-小龙虾综合种养模式(以下简称“稻虾综合种养模式”)是我国长江中下游平原地区一种主流的稻田种养生态模式,近年来发展迅速,其模式特点是周年养殖小龙虾、种植水稻,实现“一水两用、一田两收”,获得了较好的经济效益。在水稻田中引入小龙虾不仅能够大幅提升水肥和物质的利用率,增强稻田生态系统的稳定性及抗外界因素(降雨、施肥等)冲击的能力[1-2];而且促进稻田生态系统中物质循环,阻止稻田营养物质的外溢,使稻田生态系统从结构与功能上得到改善和提高[3]。根据中国小龙虾产业发展报告,2020年养殖小龙虾的总面积为145.64万hm2,比2019年增长13.25%,其中稻田养殖小龙虾面积为126.13万hm2,占养殖总面积的86.61%[4]。
由于该模式长期处于淹水环境,易造成稻田土壤次生潜育化,并且不同养虾年限的土壤有机碳变化较大,水溶性有机碳含量低于水稻单作田[5]。秸秆粉碎翻埋到土壤中,可以降低土壤容重,增加土壤的透气性,改善土壤状况。农作物秸秆是土壤中有机物质的主要来源[6],秸秆还田可以增加有机碳含量[7]和其他土壤养分含量,在提高土壤肥力、增加土壤有机质、改善微生物群落等方面具有巨大潜力[8-9]。在稻虾田进行秸秆全量还田,会造成水体污染,降低水体中溶解氧含量,危害小龙虾正常生长,还会增加温室气体的排放,加剧温室效应[10]。在稻虾综合种养模式中进行秸秆还田,不同于传统水稻单作还田,小龙虾对水质有更高要求,在秸秆全量还田下,田面水氨氮含量最高至12.17 mg·L-1,并随着氮肥用量增加而增加[11]。
目前对稻虾综合种养模式下不同秸秆还田量的研究鲜有报道,稻虾田中养殖水体以及土壤养分的变化与秸秆还田量之间的关系尚不明确;在水稻单作田秸秆还田研究中,秸秆还田量多用半量或者全量来表述,缺乏对适宜的秸秆还田量的定量研究。笔者在之前研究中已得出,在同一还田量下(1 500 kg·hm-2),秸秆还田配施氮肥调节碳氮比为15∶1(质量比)最为合适[12]。研究表明秸秆还田量为4 500 kg·hm-2可以更好地增加土壤肥力[13],我们希望在保证养殖水质的前提下能将更多的秸秆用于还田,因此本文在2019年春季进行田间试验,设置秸秆还田碳氮比为15∶1,研究不同秸秆还田量对养殖水体、土壤养分以及酶活性的影响,为探究稻虾种养模式下最佳还田量、提高土壤肥力提供科学依据。
1.1 试验地概况
试验在上海海洋大学崇明基地(31°34′N,121°33′E)进行,地处上海市崇明区竖新镇。试验地属于亚热带海洋性季风气候,温和湿润,年均日照1 973.9 h,年平均气温15.2 ℃,无霜期236 d,雨水充沛,年平均降雨量1 128.9 mm。
试验地0～20 cm土层土壤基本理化性质:全氮含量0.74 g·kg-1,全磷含量0.25 g·kg-1,有机质含量12.20 g·kg-1,速效磷含量26.41 mg·kg-1,铵态氮含量4.72 mg·kg-1,硝态氮含量0.54 mg·kg-1,pH7.6,土壤容重 1.13 g·cm-3,土壤黏粒 14.45%。供试土壤为水稻土,土壤质地为砂壤土。供试水稻品种为‘寒优湘晴’,秸秆营养元素(C、N、P、S)含量分别为381.20、3.03、1.10和2.54 g·kg-1。虾为克氏原螯虾(Procambarusclarkii),俗名小龙虾。试验所用氮肥均为尿素(N,46.4%)。
1.2 试验设计
定位试验开始于2015年,稻虾综合种养模式,本试验于2019年春季进行。采取田间小区试验,小区面积125 m2(12.5 m×10 m),按小区面积的10%在四周开“回”字沟,每个小区均有独立的进、排水口,保证各小区之间水环境是相互独立的。在进行试验前1周,每个小区使用25 kg漂白粉统一进行消毒处理。共设置4个处理:秸秆不还田不施氮肥(CK)、秸秆还田量为1 500 kg·hm-2(S1N1)、秸秆还田量为3 500 kg·hm-2(S2N2)、秸秆还田量为4 500 kg·hm-2(S3N3)。具体试验设计见表1。除CK处理外,其他3个处理统一使用氮肥调节还田C/N为15∶1。秸秆经自然风干后,粉碎成3～5 cm段,于2019年1月31日铺盖于土壤表面,氮肥均匀泼洒在水稻种植平台上,每种处理统一翻耕15 cm深,之后加水保持水位在平台以上30 cm,待水位明显下降时加水至同一刻度线,每个处理3个重复,随机排列。在每个试验小区环沟内种植伊乐藻(Elodeanuttallii),占环沟面积的30%。于2019年4月6日在每个试验塘投放3 kg平均规格为(5±0.5)g的幼虾。试验期间,每日17:00按小龙虾体重的5%投喂商业配合饲料(浙江澳华饲料有限公司),根据天气状况以及小龙虾体重变化灵活改变投喂量。饲料主要成分:粗蛋白(干重)29.6%、粗脂肪3%、总磷0.9%、小麦粉28.3%、菜粕26.5%、花生粕8%、豆粕8%、棉粕6%、总脂(干重)4.54%、鱼粉4%,试验结束后收获成虾。
表1 各试验处理的还田秸秆和氮肥施用量及C/NTable 1 Application rates of rice straw and urea,and C/N ratios of the experimental treatments
1.3 样品采集与测定
采用半自动凯氏定氮蒸馏法测定土壤全氮含量,采用苏州科铭生物技术有限公司生产的试剂盒测定土壤有机质、铵态氮、硝态氮、全磷、速效磷含量及脲酶、蔗糖酶、纤维素酶、碱性磷酸酶活性。其中,采用钼锑抗比色法测定土壤TP含量,重铬酸钾容量法测定有机质含量,酚二磺酸比色法测定硝态氮含量,靛酚蓝比色法测定铵态氮含量,靛酚蓝比色法测定脲酶活性,采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性,磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性,3,5-二硝基水杨酸比色法测定纤维素酶活性,采用邻苯三酚比色法测定多酚氧化酶活性。
1.4 数据分析与处理
2.1 不同秸秆还田量对养殖水体水质指标的影响
图1 不同秸秆还田量对水体溶氧含量(A)和pH值(B)动态变化的影响Fig.1 Effects of different straw returning amount on the dynamic changes of dissolved oxygen(DO)content(A)and pH value(B)
图2 秸秆还田期间不同处理的水质指标Fig.2 Water quality index under different treatment during straw returning period 不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。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 不同秸秆还田量对土壤养分含量动态变化的影响
从图3可知:不同处理土壤TN含量呈先下降后上升再下降的规律性变化。相较于秸秆还田前,除了CK处理外,其他处理土壤TN含量均有不同程度的下降,分别下降10.70%、7.78%、3.68%。土壤TP含量变化与土壤TN变化趋势不同,自还田后先升高后处于平稳状态,各处理间差异不显著,但S3N3处理土壤TP含量增幅最大;在秸秆还田60～90 d内,随着还田量的增加,土壤TP含量也增加。
从图4可知:不同处理土壤铵态氮含量先升高后下降,在秸秆还田30～60 d,S2N2、S3N3处理显著高于CK、S1N1处理;除S3N3处理外,其他处理在秸秆还田60 d后达到峰值,之后开始降低。各处理土壤硝态氮含量随还田时间增加而升高,并与还田量成正比,各处理之间差异显著(P<0.05)。实施秸秆还田处理的土壤硝态氮含量高于CK处理,对比秸秆还田前,还田后CK、S1N1、S2N2、S3N3处理下土壤硝态氮分别增加354.92%、629.41%、1 092.68%、1 139.21%。秸秆还田120 d后,除S1N1处理外,其他处理的土壤有机质含量都增加,其中S3N3处理增幅最大。
图3 不同秸秆还田量对土壤总氮和总磷含量动态变化的影响Fig.3 Effects of different straw returning amount on the dynamic changes of soil TN and TP contents
图4 不同秸秆还田量对土壤养分含量动态变化的影响Fig.4 Effect of different straw returning amount on dynamic change of soil nutrient content
图5 不同秸秆还田量对土壤酶活性动态变化的影响Fig.5 Effect of different straw returning amount on dynamic change of soil enzymes activities
2.3 不同秸秆还田量对土壤酶活性动态变化的影响
从图5可知:秸秆还田30 d后,CK处理土壤脲酶活性都高于3种秸秆还田处理组,表明秸秆还田配施氮肥处理降低了土壤脲酶活性。秸秆还田后,除了还田30 d S3N3处理土壤脲酶活性明显高于其他处理外,3种秸秆还田处理之间差异不显著(P>0.05)。S2N2、S3N3处理土壤脲酶活性自还田后呈现升高—降低—升高的规律性变化,在还田后的30 d达到峰值,分别为84.06、113.63 μg·d-1·g-1,但CK、S1N1处理脲酶活性始终低于还田前。秸秆还田30 d后,S2N2、S3N3处理土壤碱性磷酸酶活性高于还田前,在秸秆还田120 d后达到最大值;还田后秸秆还田处理下的碱性磷酸酶活性高于CK处理,秸秆还田60 d后CK处理碱性磷酸酶活性低于3种秸秆还田处理。
秸秆还田前期不同处理土壤纤维素酶活性差异不显著,秸秆还田30 d后开始出现差异,并且随着还田量的增加而增加。秸秆还田60～120 d,S2N2、S3N3处理土壤纤维素活性高于CK处理,并在秸秆还田60～90 d差异显著(P<0.05),表明3 500、4 500 kg·hm-2还田量对于提升土壤纤维素酶活性作用较为明显。不同处理土壤蔗糖酶活性在秸秆还田前处于较低水平,在还田后CK、S1N1处理无较大变化。S2N2、S3N3处理蔗糖酶活性变化趋势较为明显,秸秆还田30 d后达峰值,分别为22.76和28.14 mg·d-1·g-1。S3N3处理下的土壤蔗糖酶活性显著高于其他处理(P<0.05),表明4 500 kg·hm-2的还田量可以显著提高土壤蔗糖酶活性。
2.4 土壤养分和土壤酶活性相关性分析
从表2可知:土壤脲酶和土壤硝态氮成极显著负相关关系(P<0.01),说明土壤硝态氮含量的升高会导致土壤脲酶活性的降低。同时土壤碱性磷酸酶和土壤总磷成极显著的正相关关系(P<0.01),这表明随着土壤碱性磷酸酶活性的升高,土壤中总磷含量增加。
表2 土壤养分和土壤酶活性相关系数Table 2 Correlative coefficient between soil nutrients and soil enzymes activities
2.5 不同秸秆还田量对小龙虾产量和规格的影响
从表3可知:不同处理之间小龙虾的产量无显著性差异,其中秸秆还田处理的小龙虾产量略高于CK处理;S1N1处理产量最高,为1 401.45 kg·hm-2。秸秆还田处理小龙虾平均规格高于CK处理,其中S3N3处理小龙虾规格最大,每尾为38.17 g。秸秆还田处理对于小龙虾的产量没有较大影响,秸秆还田处理下小龙虾的平均规格高于对照处理。
表3 不同处理下小龙虾产量和规格Table 3 Yield and size of crayfish under different treatments
3.1 不同秸秆还田量对养殖水体的影响
3.2 不同秸秆还田量对土壤养分的影响
土壤中氮素的形态主要分为有机态和无机态[19]。无机氮水平是评价土壤中氮素可利用性的重要指标,其动态变化是土壤有机氮和无机氮形态间相互转化的结果,并受到秸秆还田量的显著影响[13,20]。本研究中,在秸秆还田后的采样时期内S3N3处理土壤TN含量高于其他2种秸秆还田处理,表明随着秸秆还田量的增加,土壤中TN含量也随之增加。但是在秸秆还田60 d后CK处理的TN含量高于还田处理,并且CK处理的土壤硝态氮和土壤铵态氮含量低于秸秆还田处理组,表明未实施秸秆还田的土壤氮素形态主要以有机态氮为主。
本研究中,在秸秆还田前期土壤铵态氮含量高于后期,而土壤硝态氮含量趋势与此相反,这表明在秸秆还田前期土壤无机氮形态主要以铵态氮为主,后期主要以硝态氮为主。分析其原因,一方面前期秸秆还田输入的氮肥先被分解为土壤铵态氮,造成前期铵态氮含量升高,并且秸秆还田前土壤无机氮含量较低,当把秸秆和氮肥混合施入时,秸秆能被土壤微生物较快固持、矿化并释放出氮素到土壤中;另一方面,秸秆粉碎翻埋到土壤中,随着秸秆的腐解,降低土壤容重,增加土壤的透气性[7],有助于增强硝化作用,使得土壤铵态氮转化为硝态氮,硝化作用的增强会导致N2O的排放量增加[21]。硝态氮随着生长季节的变化而变化,施氮土壤中硝态氮是无机氮的主要存在形式[22-23]。土壤铵态氮的含量相对稳定,受施氮水平影响较小,所以在土壤营养诊断中经常直接把土壤硝态氮含量当作诊断的指标,没有考虑土壤铵态氮含量的变化趋势[24]。在本试验中,不同秸秆还田时期的主要无机氮形态氮变化较大,原因可能是秸秆还田配施氮肥对土壤硝化作用产生较大影响。因此,建议在秸秆还田地区衡量土壤的营养状况时,不能仅把土壤硝态氮作为关键指标,还应该关注土壤铵态氮含量的变化。
有机质的增加可以增强吸收温室气体和固定二氧化碳的能力,使农田从碳源转变成碳汇[25-26]。本试验中,不同处理之间有机质含量没有较大差异,但还田后S3N3处理有机质含量一直高于其他处理,4 500 kg·hm-2还田量可以提升土壤有机质含量。土壤有机质的积累是一个漫长而复杂的过程,有学者通过2年的秸秆还田试验研究得出,秸秆还田增加了有机质含量,但增幅不明显[27]。但土壤有机质易受到土壤类型、温度、环境因子等因素的影响,不同种类秸秆碳氮比也有所不同。
3.3 不同秸秆还田量对土壤酶活性的影响
本试验结果显示,在秸秆还田前期,秸秆还田处理的土壤脲酶活性较CK增幅较大,表明此时期土壤供氮能力较强;在秸秆还田60 d后,秸秆还田处理的土壤脲酶活性较低,并且与CK差异显著,表明土壤供氮能力较弱,可能会影响秸秆的腐解进程,所以此时期可以考虑追加施用氮肥。秸秆还田后除了处理30 d S3N3处理高于CK处理外,其他任何采样时期CK处理均高于秸秆还田处理,表明秸秆还田处理降低了土壤脲酶活性。刘玮斌等[28]在进行秸秆全量还田研究时发现,秸秆还田处理高于不还田处理。Wu等[29]在室内的秸秆还田试验结果表明,秸秆还田降低了土壤脲酶活性,认为这是由于还田前的土壤无机氮含量过低导致。本研究中,实施秸秆还田处理的土壤碱性磷酸酶活性随着还田时间的延长逐渐高于CK处理,表明秸秆还田可以增加土壤碱性磷酸酶活性。
李威等[12]在秸秆还田配施氮肥调节碳氮比对土壤纤维素酶活性的研究中,发现不同还田处理之间的纤维素酶活性差异不显著。在本试验中,随着秸秆还田量的增加,土壤纤维素酶活性也随之增加,秸秆还田60～90 d,S2N2、S3N3处理土壤纤维素活性显著高于CK处理,表明土壤纤维素酶活性与秸秆还田量关联性更大。土壤纤维素酶与土壤铵态氮呈显著正相关关系,表明纤维素酶活性的升高可以提高土壤铵态氮含量。土壤蔗糖酶活性反映了土壤中有机碳的累计和分解转化的规律,对增加土壤中易溶性营养物质起重要作用,与土壤的碳循环有关。在本试验中,S1N1处理土壤蔗糖酶跟CK相比没有较大差异,S3N3处理始终显著高于CK、S1N1处理,表明4 500 kg·hm-2还田量可以显著提升土壤蔗糖酶含量。
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