稻蝦共作對(duì)土壤有機(jī)碳的影響及其與土壤性狀的關(guān)系

管勤壯，成永旭，3，李 聰，王海峰，陳煥根，李嘉堯，3，*

(1.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201306； 2.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部魚類營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究中心，上海 201306； 3.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306； 4.江蘇省漁業(yè)技術(shù)推廣中心，江蘇 南京 210036)

近50 a來(lái)，化肥和農(nóng)藥的大量施用在提高糧食產(chǎn)量的同時(shí)，也造成了巨大的環(huán)境污染[1]。稻漁綜合種養(yǎng)，即水稻田在種稻的同時(shí)養(yǎng)殖水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物，利用生物間的相互作用，有效減少雜草和害蟲，降低農(nóng)藥的施用量，減少了水體污染，增加了土壤肥力，穩(wěn)定了水稻產(chǎn)量[1-2]。

土壤有機(jī)碳與長(zhǎng)期耕作農(nóng)田土壤的肥力密切相關(guān)[3]。土壤有機(jī)質(zhì)是高質(zhì)量農(nóng)業(yè)土壤的重要組分，是土壤肥力的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，可作為衡量土壤質(zhì)量的重要指示物[4]。腐殖化的有機(jī)質(zhì)是土壤活性有機(jī)碳的主要來(lái)源[5]。土壤酶幾乎參與了土壤中所有的生物化學(xué)過(guò)程，能夠反映土壤中進(jìn)行各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向，對(duì)于土壤肥力的形成、提高，以及土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程都具有重要意義[6]。土壤有機(jī)質(zhì)分解直接受酶活性的調(diào)控[7]，同樣，土壤有機(jī)碳的礦化也由土壤酶介導(dǎo)，直接影響土壤中養(yǎng)分元素的釋放和供應(yīng)、土壤質(zhì)量的維持等[8]，其速率受溫度條件、水分狀況、土壤性質(zhì)等因素的影響，其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程主要體現(xiàn)在其積累/礦化過(guò)程上[9]。

克氏原螯蝦(Procambarusclarkia)，俗稱小龍蝦，適應(yīng)性廣，在我國(guó)分布廣泛[10]。目前，對(duì)于稻-小龍蝦共作的研究主要涉及養(yǎng)殖技術(shù)、田間工程、生產(chǎn)效益[11-12]，以及對(duì)環(huán)境(如水體、雜草和害蟲[11]、土壤[12-13]等)的影響等方面。佀國(guó)涵等[13-14]在稻蝦共作對(duì)土壤理化性質(zhì)和肥力的研究中發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤養(yǎng)分，降低了底層土壤有機(jī)碳和全氮含量。但曹湊貴等[11]的研究表明，當(dāng)前稻蝦共作對(duì)稻田土壤可能亦有一些不良影響，特別是在長(zhǎng)期淹水條件下，土壤養(yǎng)分變化與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳變化的關(guān)系，及其與土壤酶活力變化的聯(lián)系等亟待進(jìn)一步研究。

本研究以土壤有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)為指示物，結(jié)合土壤酶活力變化，研究稻蝦共作對(duì)土壤肥力的影響，為稻蝦共作模式的優(yōu)化及可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年7—12月在上海海洋大學(xué)崇明基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫15.3 ℃，年均降水量1 117.1 mm，年均無(wú)霜期229 d，年均日照時(shí)數(shù)2 104 h。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)開始前，土壤有機(jī)碳(31±5) g·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)(31±6) g·kg-1，土壤全磷(0.15±0.05) g·kg-1。供試水稻品種為寒優(yōu)湘晴，幼蝦購(gòu)自光明特種水產(chǎn)養(yǎng)殖公司，飼料購(gòu)自浙江欣欣飼料有限公司，麩皮購(gòu)自崇明天成飼料有限公司，無(wú)水葡萄糖購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及日常管理

采取田間小區(qū)試驗(yàn)，每小區(qū)面積125 m2，中間為種稻區(qū)域(中央田塊長(zhǎng)10.5 m、寬8 m)，四周為環(huán)溝，獨(dú)立進(jìn)排水。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：CK(對(duì)照)，水稻單作；RC1，飼料投喂(C/N=8)，稻蝦共作；RC2，飼料+麩皮投喂(C/N=12)，稻蝦共作；RC3，飼料+麩皮+糖投喂(C/N=16)，稻蝦共作。每處理重復(fù)4次，采取隨機(jī)區(qū)組排列。各組別餌料投喂量為克氏原螯蝦體質(zhì)量的3%～5%。

于2016年3月20日將曬干的水稻秸稈5 kg粉碎至2 cm翻埋于土中。6月24日，4個(gè)處理組均施基肥(N 72 kg·hm-2、P2O572 kg·hm-2、K2O 72 kg·hm-2)；7月31日插秧，每穴4株，穴間距32 cm×24 cm；8月20日投放平均單體質(zhì)量7.29 g的蝦苗3.45 kg。種養(yǎng)期間不施用農(nóng)藥。

1.4 樣品采集

于2016年8月6日、9月22日、10月25日、12月5日，采用五點(diǎn)取樣法采集0～15 cm耕層土壤作為土壤理化性質(zhì)供試土樣。樣品采回后，剔除可見的動(dòng)植物殘?bào)w和石塊等雜質(zhì)，放置在通風(fēng)陰涼處進(jìn)行風(fēng)干，過(guò)40目和100目篩網(wǎng)，備用。采用對(duì)角線取樣法采集0～15 cm耕層土壤作為土壤酶的供試土樣，每個(gè)處理3次重復(fù)。樣品采回后，存放在-20 ℃冰箱，測(cè)定前用烘箱37 ℃烘干，過(guò)40目篩，備用。

1.5 土壤測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理后，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行Pearson(皮爾遜)相關(guān)分析和方差分析。采用GraphPad Prism 5做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的變化

由圖1可知，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，4個(gè)處理組的土壤有機(jī)質(zhì)都呈現(xiàn)出先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)。相較于試驗(yàn)前(8月6日)，最后一次采樣(12月5日)CK、RC1、RC2、RC3的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加了49.70%、60.00%、66.34%、146.59%，且差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，各處理中，以RC3增幅最大，CK增幅最小。

同一處理不同取樣日期的樣品間沒(méi)有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。The bars of the same treatment without the same lowercase letters showed the significant difference (P<0.05)among different date. The same as below.圖1 稻蝦共作模式下土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳隨時(shí)間的變化Fig.1 Changes of soil organic matter and soil organic carbon over time in rice-crayfish coculture

在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，除CK的土壤有機(jī)碳無(wú)顯著變化外，其他處理均表現(xiàn)為先快速下降后漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。相較于試驗(yàn)前，最后一次采樣RC1、RC2、RC3的土壤有機(jī)碳分別降低了36.25%(P<0.05)、32.37%(P<0.05)、24.12%(P>0.05)。

2.2 土壤纖維素酶、脫氫酶和全磷的變化

由圖2可知，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，RC1和RC3的土壤纖維素酶活性無(wú)顯著變化，CK的土壤纖維素酶活性先顯著增高，后漸趨穩(wěn)定，至最后一次采樣時(shí)，土壤纖維素酶活性與試驗(yàn)前無(wú)顯著差異。RC2處理的土壤纖維素酶活性表現(xiàn)為總體上升的趨勢(shì)，相較于試驗(yàn)前，最后一次采樣的土壤纖維素酶活性顯著增加22.59%(P<0.05)。

在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，RC3的土壤脫氫酶活性呈現(xiàn)出增高趨勢(shì)，相較于試驗(yàn)前，最后一次采樣的土壤脫氫酶活性顯著增加53.18%(P<0.05)。其他處理組的土壤脫氫酶活性無(wú)顯著變化。

圖2 稻蝦共作模式下土壤纖維素酶、脫氫酶及全磷隨時(shí)間的變化Fig.2 Changes of soil cellulase， dehydrogenase and total phosphorus over time in rice-crayfish coculture

在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，各處理組土壤全磷含量均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。相較于試驗(yàn)前，除RC1最后一次采樣的土壤全磷含量顯著(P<0.05)降低外，其他處理無(wú)顯著差異。

2.3 土壤過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶和堿性蛋白酶的變化

由表1、2可知，土壤過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶活性在CK、RC1和RC2處理下，在水稻全生育期內(nèi)無(wú)顯著變化，在RC3處理下，土壤過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶活性先增長(zhǎng)，至10月25日達(dá)到峰值，之后迅速下降。與試驗(yàn)前相比，最后一次采樣時(shí)RC3的土壤過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶活性無(wú)顯著增強(qiáng)。

如表3所示，RC1和RC2處理的土壤堿性蛋白酶活性在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)顯著變化。CK處理下，土壤堿性蛋白酶活性先快速增加再下降，然后趨于穩(wěn)定，9月22日達(dá)到極大值，與試驗(yàn)前相比，最后一次采樣時(shí)的土壤堿性蛋白酶活性無(wú)顯著變化。RC3處理的土壤堿性蛋白酶活性在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中總體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，與試驗(yàn)前相比，最后一次采樣時(shí)的土壤堿性蛋白酶活性顯著(P<0.05)降低。

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳與土壤理化性狀的相關(guān)性分析

對(duì)比稻蝦共作和水稻單作條件下，土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳與土壤理化性狀的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)：在稻蝦共作模式下，土壤有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)、脲酶、全磷、纖維素酶，土壤有機(jī)質(zhì)與銨氮、纖維素酶，土壤脲酶與脫氫酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化物酶，土壤脫氫酶與堿性蛋白酶、銨氮、堿性磷酸酶、纖維素酶，土壤全磷與銨氮，土壤銨氮與纖維素酶，土壤堿性磷酸酶與過(guò)氧化物酶的相關(guān)性均達(dá)到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平；但在水稻單作條件下，這些相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。此外，在水稻單作條件下，僅見土壤有機(jī)質(zhì)與脲酶、土壤脫氫酶與全磷、土壤堿性磷酸酶與纖維素酶的相關(guān)性達(dá)顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平，但這些指標(biāo)的相關(guān)性在稻蝦共作模式下未達(dá)顯著水平(表4、5)。

表1稻蝦共作模式下土壤過(guò)氧化氫酶活性隨時(shí)間的變化

Table1Changes of soil catalase activity over time in rice-crayfish coculture

處理Treatment2016-08-062016-09-222016-10-252016-12-05CK20.57±3.07 a17.11±1.50 a22.98±2.56 a21.60±2.15 aRC125.46±1.07 a23.71±1.46 a20.11±5.62 a19.58±3.99 aRC221.27±2.58 a19.61±5.00 a22.61±2.89 a23.91±1.45 aRC322.25±2.53 ab18.80±3.85 b23.78±0.77 a20.86±0.87 ab

同行數(shù)據(jù)后無(wú)相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters within the same row indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表2稻蝦共作模式下土壤過(guò)氧化物酶活性隨時(shí)間的變化

Table2Changes of soil peroxidase activity over time in rice-crayfish coculture

處理Treatment2016-08-062016-09-222016-10-252016-12-05CK59.54±4.40 a57.19±1.00 a62.26±0.32 a62.40±5.72 aRC161.26±7.06 a61.11±4.75 a57.25±4.96 a56.37±1.22 aRC261.42±4.77 a59.46±1.81 a58.76±2.60 a56.55±2.84 aRC360.32±3.82 b59.00±2.83 b65.29±1.47 a56.81±1.27 b

表3稻蝦共作模式下土壤堿性蛋白酶活性隨時(shí)間的變化

Table3Changes of soil alkaline protease activity over time in rice-crayfish coculture

處理Treatment2016-08-062016-09-222016-10-252016-12-05CK2.80±0.20 b10.22±2.50 a7.70±2.41 ab7.65±0.77 abRC15.61±2.04 a7.47±1.21 a7.63±2.34 a9.59±0.85 aRC27.63±1.33 a4.96±1.80 a8.58±1.11 a6.41±3.21 aRC310.99±2.19 a8.26±2.67 b8.90±1.67 b3.09±2.01 b

3 討論

本研究顯示，水稻單作與稻蝦共作條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈上升趨勢(shì)，與先前稻蟹、稻魚、稻鴨共作的研究結(jié)果[15-17]類似，種養(yǎng)過(guò)程中的殘餌、排泄物等是土壤有機(jī)質(zhì)增量的主要來(lái)源[18]。本試驗(yàn)開始前進(jìn)行了秸稈還田，由于土壤纖維素酶能促進(jìn)土壤纖維素分解，有利于土壤腐殖質(zhì)的形成，因此本試驗(yàn)條件下各處理的土壤纖維素酶活力都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且稻蝦共作模式土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受氣候條件、土壤性質(zhì)、土地利用方式及耕作制度等自然和人為因素的影響[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式下土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這不同于之前的很多研究結(jié)果[13-15，20]。造成土壤有機(jī)碳下降的可能原因有以下幾方面：(1)本試驗(yàn)地處崇明島，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候條件上不利于土壤有機(jī)碳的積累[21]。(2)稻蝦共作模式下長(zhǎng)期淹水，導(dǎo)致甲烷排放增加[12]。(3)克氏原螯蝦的掘洞行為也可能是造成土壤有機(jī)碳下降的原因之一。土壤有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳，其中容易變化的是活性有機(jī)碳，因此試驗(yàn)中土壤有機(jī)碳總體呈現(xiàn)出先快速下降后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。這和Franzluebbers等[22]對(duì)活性有機(jī)碳的研究結(jié)果一致。先期土壤易礦化有機(jī)碳數(shù)量多，易被微生物分解，后期土壤微生物開始分解難礦化有機(jī)碳，分解速率下降[23]。Fanjul等[24]的研究也發(fā)現(xiàn)，顆粒新厚蟹的掘穴行為會(huì)增加土壤易分解有機(jī)碳的比例，加快有機(jī)碳的礦化作用，降低沉積物中碳的儲(chǔ)備能力。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，稻蝦共作模式下土壤全磷與有機(jī)碳含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，暗示土壤全磷的下降也可能是造成土壤有機(jī)碳下降的原因之一。土壤全磷的變動(dòng)受溫度、降水[25]、溶解氧、pH，以及擾動(dòng)[26]等的影響。大型底棲動(dòng)物的擾動(dòng)會(huì)使底泥中的顆粒磷再懸浮，增加了泥-水界面的磷交換，同時(shí)也加速了底泥間隙水?dāng)U散，增加磷向水體的釋放[26]。本研究中，RC1處理下試驗(yàn)前后土壤全磷含量顯著下降，與小龍蝦的擾動(dòng)會(huì)顯著增加土壤磷釋放一致。同時(shí)，土壤全磷的變化特點(diǎn)也有助于解釋小龍蝦田間擾動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生的影響。

表4稻蝦共作下土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳與土壤理化性狀的相關(guān)性

Table4Correlation analysis of soil organic matter， organic carbon and soil physical and chemical indexes in rice-crayfish coculture

指標(biāo)IndexSOCSOMUEDHATPCATSLPTNH+4-NAKP/ALPPODSOM-0.846**UE0.583*-0.519DHA-0.450.549-0.661*TP0.655*-0.5520.386-0.129CAT0.274-0.1820.258-0.0860.534ALPT0.065-0.2110.367-0.781**-0.141-0.071NH+4-N0.467-0.582*0.335-0.632*0.594*0.1770.427AKP/ALP0.556-0.5130.761**-0.594*0.0550.2670.4120.219POD0.316-0.3230.729**-0.5370.2000.4680.2810.1780.648*CL-0.603*0.705*-0.4800.686*-0.3280.270-0.492-0.626*-0.293-0.259

**，P<0.01；*，P<0.05。下同。

**，P<0.01; *，P<0.05. The same as below.

表5水稻單作下土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳與土壤理化性狀的相關(guān)性

Table5Correlation analysis of soil organic matter， organic carbon and soil physical and chemical indexes in rice monoculture

指標(biāo)IndexSOCSOMUEDHATPCATSLPTNH+4-NAKP/ALPPODSOM-0.367UE0.453-0.995**DHA0.720-0.5970.629TP0.798-0.7550.7830.996*CAT0.5910.465-0.376-0.077-0.017SLPT-0.8390.637-0.707-0.633-0.695-0.376NH+4-N0.112-0.8020.7950.2630.297-0.343-0.616AKP/ALP0.943-0.6530.7230.8510.8930.332-0.9290.404POD0.5500.575-0.494-0.0280.0100.945-0.177-0.6070.244CL-0.8110.829-0.880-0.846-0.883-0.1020.934-0.629-0.959*0.028

下土壤纖維素酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。

研究表明，長(zhǎng)期淹水會(huì)降低土壤氧化還原電位，而土壤脫氫酶和氧化還原電位呈顯著正相關(guān)[27]。本試驗(yàn)條件下，CK組土壤脫氫酶活性無(wú)顯著變化，但在RC3處理下，由于小龍蝦擾動(dòng)對(duì)土壤通氣性的提升及對(duì)土壤氧化還原電位的改善[27]，土壤脫氫酶活性表現(xiàn)出升高趨勢(shì)。前人在對(duì)稻鴨、稻魚共作的研究中也有類似發(fā)現(xiàn)[28]。但綜合本研究結(jié)果來(lái)看，長(zhǎng)期淹水的稻蝦養(yǎng)殖田仍存在一定的潛育化風(fēng)險(xiǎn)。

土壤中合適的C/N能有效促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)，提高土壤酶活性，進(jìn)而提升土壤的綜合肥力[29-30]。在本研究中，高C/N較低C/N組呈現(xiàn)出減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳下降的趨勢(shì)，暗示調(diào)控土壤C/N是改善稻蝦共作土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、積累的一個(gè)可行手段。結(jié)合上文小龍蝦擾動(dòng)對(duì)土壤磷釋放的促進(jìn)作用，以及土壤理化性質(zhì)與土壤酶的相關(guān)性分析，建議根據(jù)養(yǎng)殖動(dòng)物的生活習(xí)性，合理調(diào)控氮磷肥的施用比例，改善土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高綜合肥力，這也是今后稻田綜合種養(yǎng)中亟須優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。