稻田不同種養(yǎng)模式對土壤肥力的影響

孟祥杰，黃 璜，陳 燦，王 忍

（湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128）

我國有著悠久的稻田生態(tài)種養(yǎng)歷史，據(jù)相關資料考證，稻田養(yǎng)魚東漢時已經(jīng)出現(xiàn)[1]，春秋戰(zhàn)國時期因“滅蝗”形成了稻田養(yǎng)鴨模式[2]。勞動人民在長期實踐中，逐漸形成了豐富多樣的稻田生態(tài)種養(yǎng)模式，如稻田養(yǎng)雞、稻田養(yǎng)泥鰍、稻田養(yǎng)黃鱔、稻田養(yǎng)鱉等。截至2018 年，我國稻田生態(tài)種養(yǎng)面積達187 萬hm2[3]。稻田生態(tài)種養(yǎng)優(yōu)勢巨大，可在一定程度上控草防病[4-7]，有效地減少農(nóng)藥、化肥的施用，提高稻米品質[8-11]，生產(chǎn)綠色無公害的有機產(chǎn)品，符合當代消費者追求健康的理念；同時，稻田生態(tài)種養(yǎng)能有效提高資源利用率，實現(xiàn)“一水多用，一田多產(chǎn)”，并增強土壤肥力，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境[12]，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用；稻田生態(tài)種養(yǎng)的經(jīng)濟效益和社會效益顯著，有利于促進農(nóng)民增產(chǎn)增收，符合“藏糧于技，藏糧于地”的戰(zhàn)略要求，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有至關重要的作用。

研究表明，稻田生態(tài)種養(yǎng)可改善土壤肥力性狀及土壤結構，提高土壤養(yǎng)分含量。例如，稻蝦種養(yǎng)模式可改變土壤緊實度、土層的團聚體分形維數(shù)等，達到改善土壤結構、增加土壤養(yǎng)分的目的[13]；稻鴨種養(yǎng)模式可降低土壤容重，增加土壤總孔隙度及非毛孔孔隙度，提高微生物活性，促進土壤養(yǎng)分的轉化[14]；稻田養(yǎng)蛙模式可增加土壤微生物數(shù)量及活度，促進磷的轉化，提高土壤磷的供應力[15]。

因土壤肥力評價因素較為復雜，通過建立合理的隸屬度函數(shù)進行分析，可保證分析結果更加準確。土壤是一種客觀存在的因子，在不考慮與外界因素之間的聯(lián)系時，土壤肥力就是一個獨立的客體。現(xiàn)實生產(chǎn)中，土壤肥力受到農(nóng)田耕作模式、土壤質地、地形、生物等有關因素的影響，土壤肥力就成為一個復雜且模糊的系統(tǒng)，對土壤肥力的判斷就會模糊不定。筆者利用模糊數(shù)學的方法對稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤肥力變化影響進行研究，并對土壤肥力進行綜合評價，以期了解和判斷不同種養(yǎng)模式下稻田土壤肥力狀況，為合理安排稻田種養(yǎng)模式提供基礎。

1 方法與模型

1.1 參評因子的選取

土壤肥力包含的內容十分豐富，包括質地、結構等物理因素，有機質、全氮等化學因素以及土壤微生物等生物因素。該研究選擇容重、有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀這6 項具有代表性的評價指標在對土壤肥力進行綜合評價。

1.2 各肥力指標隸屬函數(shù)的確定及隸屬值的計算

綜合前人研究[16-17]，利用模糊統(tǒng)計方法，根據(jù)評價指標與產(chǎn)量的關系建立隸屬函數(shù)。土壤肥力指標中有機質、全氮、速效磷和速效鉀的隸屬函數(shù)模型為S型，pH 值、土壤質地和土壤微量元素的隸屬函數(shù)為拋物型，將S 型曲線及拋物線轉化為折線形式，通過相應隸屬函數(shù)[18]，算出相應的隸屬度ωi。

1.3 確定權重系數(shù)

結合前人研究[17]，采用因子分析，計算各指標成分的特征根和貢獻率，再由公因子方差計算出評價指標的權重。將各指標的權重值寫成矩陣形式，Ni={a, b, c, d, e, f, g}。

1.4 計算土壤肥力綜合指標

按照公式（2）計算土壤肥力綜合指標，根據(jù)最大隸屬度原則，土壤肥力綜合指標的值越大，表明土壤綜合肥力越高。

式中：FI 為土壤肥力綜合指標，Mi為各指標隸屬度的值，Ni為各指標的權重值。

1.5 數(shù)據(jù)收集

采用GetData Graph Digitizer 軟件提取文獻[19-28]中的數(shù)據(jù)，篩選不同地區(qū)稻田生態(tài)種養(yǎng)模式中水稻成熟期的土壤肥力指標并進行整合，建立數(shù)據(jù)集合（見表1）。

2 結果與分析

2.1 隸屬度值

稻魚處理中的有機質含量為22.17 g/kg，代入公式（1）中，可得出稻魚模式中有機質的隸屬度為0.53，同理，可以求出其他模式下各肥力指標的隸屬度值，如表2 所示。

表1 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下的土壤肥力

經(jīng)過計算可得知，速效磷、速效鉀的平均隸屬度最小，分別為0.52 及0.58，為不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的限制因子，總氮、土壤容重的隸屬度最大，分別為0.81 和0.84，對土壤肥力影響最小，說明不是限制因子。由圖1 可知，土壤容重、全氮、有機質的隸屬度值大于堿解氮、速效磷及速效鉀的數(shù)值，說明土壤肥力指標中土壤容重、全氮、有機質的肥力水平大于堿解氮、速效磷及速效鉀的肥力水平。稻蛙的隸屬度平均值高于其他生態(tài)種養(yǎng)模式，說明稻蛙的土壤肥力水平高于其他模式下的土壤肥力水平。

表2 不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力平均隸屬度值

圖1 土壤肥力各個指標隸屬度

2.2 權重系數(shù)

計算各個指標的均值和標準差以及變異系數(shù)，結果如表3 所示。

表3 土壤肥力各個指標的均值、方差及變異系數(shù)

根據(jù)上述計算得到的變異系數(shù)，進行歸一化處理，可以得到各指標的權重，N={0.09，0.09，0.11，0.21，0.31，0.19}。

2.3 土壤肥力指標

根據(jù)公式（1）計算土壤肥力綜合指標（FI），得到稻金魚、稻蛙、稻蟹、稻蝦和稻鴨5 種稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的FI 分別為0.577、0.740、0.555、0.728 和0.734。

速效磷、速效鉀、有機質、全氮是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的主要因子。5 種模式下土壤肥力水平為稻蛙＞稻鴨＞稻蝦＞稻金魚＞稻蟹，說明稻蛙、稻蝦及稻鴨種養(yǎng)模式下的土壤肥力水平較高，稻蟹、稻金魚模式下的土壤肥力水平較低。

3 結論與討論

對不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力數(shù)據(jù)進行模糊數(shù)學分析，得出如下結果：（1）速效磷、速效鉀、堿解氮是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的主要因子；（2）土壤肥力水平總體呈現(xiàn)稻蛙＞稻鴨＞稻蝦＞稻金魚＞稻蟹；（3）速效磷、速效鉀的平均隸屬度最小，為不同生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的限制因子，土壤肥力指標中土壤容重、全氮、有機質的肥力水平大于堿解氮、速效磷及速效鉀的肥力水平。綜上所述，速效養(yǎng)分是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)模式下土壤肥力的主要限制因子，稻金魚和稻蟹的土壤肥力水平較低，在實際生產(chǎn)中應注意增施有機肥和緩效肥以保證土壤中速效養(yǎng)分的供給，尤其是稻金魚和稻蟹生態(tài)種養(yǎng)模式下應重點關注其施肥方式和施肥水平。

速效磷、速效鉀、堿解氮是影響稻田生態(tài)種養(yǎng)土壤肥力的主要因子。磷在土壤中溶解度低、移動性差，磷元素不同形態(tài)間的轉換受自然因素及人為因素的影響：土壤pH 值及有機質含量會影響土壤中速效磷的含量，土壤pH 值在6.5～7.5 范圍時，土壤中有效磷的含量最高[29]，土壤中有機質與土壤速效磷呈現(xiàn)正相關。稻蟹及稻魚系統(tǒng)中的有機質含量偏低，速效磷含量偏低，與前人研究一致。土壤中速效鉀的含量與土壤母質、氣候、鉀肥的應用有關[30]。在實際生產(chǎn)中，可以施用生石灰調整土壤的酸堿度，促進土壤中磷的轉化；另外，可以通過施肥的方式提高土壤中速效磷、速效鉀、堿解氮的含量，進一步提高土壤肥力。

稻蛙、稻蝦及稻鴨種養(yǎng)模式下的土壤肥力水平較高，稻蟹、稻金魚模式下的土壤肥力水平較低。在稻田生態(tài)種養(yǎng)中，稻田中飼喂的動物會對微生物群落結構產(chǎn)生一定影響[20]，在某種程度上改善土壤結構，提高土壤肥力[21-22]。例如，稻田中的鴨、魚、蟹、蛙等動物通過日?；顒釉黾拥咎镏锌諝獾牧鲃有?，同時疏松土壤，促進有機質的礦化分解和養(yǎng)分釋放，同時，田間動物的代謝產(chǎn)物會增加土壤中有機質和其他養(yǎng)分的含量。