小龍蝦擾動下水稻秸稈腐解及養(yǎng)分釋放和表面結(jié)構(gòu)變化特征

關(guān)鍵詞 稻蝦共作； 秸稈還田； 腐解； 養(yǎng)分釋放； 表面微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號 S141.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2421（2024）03-0214-06

作物秸稈含有較豐富的養(yǎng)分和有機(jī)碳，是作物生產(chǎn)系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的生物資源。在土壤微生物的作用下，秸稈還田能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和改善有機(jī)質(zhì)性質(zhì)，釋放的養(yǎng)分能夠被作物吸收利用，因此，秸稈還田是秸稈資源利用的直接有效途徑［1-2］。水稻-克氏原螯蝦模式已發(fā)展成為長江中下游地區(qū)一種重要的稻田種養(yǎng)復(fù)合生態(tài)模式。2021 年，全國稻蝦種養(yǎng)面積140 萬hm²，占全國稻漁綜合種養(yǎng)面積的52.95%，是稻漁綜合種養(yǎng)的最主要模式，該模式主要分布在湖北、安徽、湖南、江蘇、江西等長江中下游地區(qū)，其中湖北面積最大［3］。在稻蝦共作模式下，水稻秸稈的持續(xù)全量還田、水草的種植、飼料殘餌、小龍蝦的蛻殼及排泄物、水稻水肥管理措施等綜合因素影響了土壤肥力［4］。相對于中稻單作，稻蝦模式改善了土壤結(jié)構(gòu)，降低了氮肥用量，增加了土壤截存的N 和P 量， 系統(tǒng)K 表觀平衡表現(xiàn)盈余，水稻產(chǎn)量顯著提高［5-7］。稻蝦種養(yǎng)又以環(huán)溝模式為主［3］，目前關(guān)于稻蝦模式小龍蝦擾動對水稻秸稈腐解影響方面的研究鮮有報(bào)道。本研究采用自制尼龍網(wǎng)箱法，在稻蝦環(huán)溝模式的養(yǎng)殖溝內(nèi)，模擬研究小龍蝦參與下水稻秸稈的腐解過程，探求秸稈養(yǎng)分釋放特征和秸稈表面微觀結(jié)構(gòu)變化特征，旨在為完善稻蝦模式水稻秸稈還田技術(shù)、實(shí)現(xiàn)秸稈資源合理利用以及土壤培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)安排在湖北省潛江市后湖管理區(qū)，稻田四周挖有4 m 寬、1.5 m 深的養(yǎng)殖溝，試驗(yàn)所用的網(wǎng)箱安置在養(yǎng)殖溝內(nèi)。

1.2 供試秸稈

水稻收割后，將收集到的秸稈風(fēng)干，試驗(yàn)前測定供試水稻秸稈成分含量分別為水分9.07%、N 6.49g/kg、P 0.73 g/kg、K 13.9 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用網(wǎng)箱法，共設(shè)２個(gè)處理，處理1 為水稻秸稈（簡稱：無蝦），處理2 為水稻秸稈+小龍蝦（簡稱：有蝦），3 次重復(fù)，5 次取樣。每處理18 個(gè)網(wǎng)箱，共36 個(gè)網(wǎng)箱，每次取樣每處理隨機(jī)選擇3 個(gè)網(wǎng)箱，此外，每處理各有3 個(gè)取樣備用網(wǎng)箱。

試驗(yàn)裝置為自制孔徑0.15 mm 尼龍網(wǎng)箱，長100cm、寬100 cm、高150 cm， 網(wǎng)箱上沿縫有20 cm 寬的防逃塑料膜。11 月26 日，將網(wǎng)箱放入養(yǎng)蝦溝內(nèi)，入水深度120 cm，用竹竿固定。每個(gè)網(wǎng)箱放入風(fēng)干水稻秸稈1 100 g，處理2 的每個(gè)網(wǎng)箱放入小龍蝦10 只，小龍蝦單只平均21 g。

1.4 樣品采集及指標(biāo)測定

試驗(yàn)前取混勻的風(fēng)干水稻秸稈1.01 kg 放入可密封的塑料袋中，密封袋口。帶回實(shí)驗(yàn)室立即精確稱質(zhì)量后，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，再次稱質(zhì)量。計(jì)算水稻秸稈含水量和干質(zhì)量。

分別于放養(yǎng)小龍蝦后60、120、150、180 和210 d各取樣1 次，每個(gè)處理各取3 個(gè)網(wǎng)箱，清除框外雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室。將框內(nèi)秸稈殘留物全部回收至孔徑0.15 mm 篩中，清除雜質(zhì)，先用自來水洗凈，再用蒸餾水漂洗1 次，70 ℃ 烘干至恒質(zhì)量。植物樣品經(jīng)H₂SO₄-H₂O₂ 消煮后，全氮和全磷采用SEAL AutoAnalyzer3 連續(xù)流動分析儀測定，全鉀采用火焰光度計(jì)檢測。

秸稈表面微觀結(jié)構(gòu)觀察：秸稈樣品真空干燥后噴金，于加速電壓 3 kV 下成像，采用超高分辨場發(fā)射掃描電鏡（ HITACHI S4800，Japan）觀察。

分析基礎(chǔ)樣和試驗(yàn)樣的全量氮、磷、鉀含量。

利用第60、120、150、180 和210 天水稻秸稈測定秸稈腐解率及全N、全P、全K 含量。在腐解率基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇第 120、150、180 和210 天有代表性秸稈，進(jìn)行表面微觀結(jié)構(gòu)觀察。

水稻秸稈含水率 =（風(fēng)干水稻秸稈質(zhì)量-烘干水稻秸稈質(zhì)量）/風(fēng)干水稻秸稈質(zhì)量×100%

供試水稻秸稈干質(zhì)量=供試風(fēng)干水稻秸稈質(zhì)量×（100%-含水率）/100

秸稈累積腐解率=（試驗(yàn)前秸稈干質(zhì)量-取樣時(shí)秸稈剩余干質(zhì)量）/試驗(yàn)前秸稈干質(zhì)量×100%

養(yǎng)分累積釋放率=（試驗(yàn)前秸稈養(yǎng)分量-取樣時(shí)秸稈養(yǎng)分量）/試驗(yàn)前秸稈養(yǎng)分量×100%

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 和 DPS 軟件進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)，采用最小顯著法（LSD）檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性水平（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸稈腐解特點(diǎn)

秸稈還田后的腐解情況通常用腐解量、腐解率和腐解速率來描述。由表1 可知，隨著腐解的進(jìn)行，2個(gè)處理的水稻秸稈各時(shí)段平均腐解速率表現(xiàn)出快—慢—快—慢—快的特點(diǎn)，前60 d 水稻秸稈腐解很快，平均腐解速率4.62～4.67 g/d； 60～120 d 腐解較慢，平均腐解速率0.82～0.98 g/d；120 ～150 d 水稻秸稈腐解最快，平均腐解速率8.96～9.62 g/d，150～180 d腐解又變慢，平均腐解速率0.56～1.34 g/d，180～210 d 腐解又變快，平均腐解速率3.94～6.40 g/d。不同處理間，150 d 及以前，2 個(gè)處理各時(shí)段腐解量、累積腐解率和各時(shí)段平均腐解速率差異均不顯著，180 d 及以后各指標(biāo)均表現(xiàn)為有蝦處理顯著高于無蝦處理，至210 d 時(shí)，有蝦處理水稻秸稈累積腐解率達(dá)85.67%，比無蝦處理高出12.35 百分點(diǎn)?？梢?，小龍蝦能促進(jìn)水稻秸稈腐解，前150 d 主要是冬季和早春，氣溫和水溫低，小龍蝦活動少，對水稻秸稈的腐解幾乎沒有影響，150 d 以后隨著氣溫升高，小龍蝦活動加強(qiáng)，逐步開始影響水稻秸稈的腐解。

2.2 水稻秸稈養(yǎng)分釋放特點(diǎn)

由水稻秸稈腐解過程中N、P、K 及總養(yǎng)分的累積釋放率（圖1）可見，水稻秸稈腐解第60 天，氮、磷、鉀的累積釋放率分別為27.94%～28.30%、68.78%～68.93%、93.92%～94.69%，氮的釋放率最低，磷居中，鉀的釋放率最高，且養(yǎng)蝦對水稻秸稈養(yǎng)分累積釋放率影響不大；隨腐解時(shí)間的延長，N、P 及總養(yǎng)分的累積釋放率保持增長，150 d 及以后，有蝦處理N 累積釋放率表現(xiàn)出高于無蝦處理的趨勢；180 d 及以后，有蝦處理P 累積釋放率和總養(yǎng)分累積釋放率表現(xiàn)出高于無蝦處理的趨勢，至210 d 時(shí)，有蝦處理K 累積釋放率表現(xiàn)出高于無蝦處理的趨勢。結(jié)合水稻秸稈累計(jì)腐解率分析可知，N 的累積釋放率與水稻秸稈腐解率在120 d 及以前保持一致，而在150 d 及以后水稻秸稈腐解率高于N 的累積釋放率；P 的累積釋放率在180 d 及以前明顯高于水稻秸稈腐解率，而在210 d 時(shí)二者基本保持一致；K 的累積釋放率在整個(gè)過程一直明顯高于水稻秸稈腐解率，說明K 的釋放主要靠浸出。

總之，在長期泡水條件下，水稻秸稈中養(yǎng)分的釋放率表現(xiàn)為鉀最快、磷次之、氮最慢的特點(diǎn)，150 d 后，小龍蝦具有加快水稻秸稈養(yǎng)分釋放的趨勢。

2.3 水稻秸稈表面微觀結(jié)構(gòu)變化特征

水稻秸稈發(fā)生腐解是由于基本組織的薄壁細(xì)胞和維管束中的韌皮部遭到破壞［8］。比較腐解過程中水稻秸稈掃描電鏡圖像（圖2）可以看出，120 d 后，水稻秸稈出現(xiàn)較明顯的腐解特征，表面的平整被打亂，結(jié)構(gòu)開始變得松散。第 150 天，秸稈表面出現(xiàn)較大的空洞，呈現(xiàn)出斷裂狀并出現(xiàn)了不平整的斷層。至第 180 天和210 天，水稻秸稈基本組織已經(jīng)被腐解。對比有蝦處理和無蝦處理水稻秸稈掃描電鏡圖像可見，有小龍蝦處理的水稻秸稈受破壞程度更嚴(yán)重，說明泡水120 d 后，小龍蝦的參與明顯加速了水稻秸稈腐解過程。

3 討論

3.1 秸稈腐解試驗(yàn)方法選擇與取樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

研究秸稈腐解一般采用砂濾管法、土壤直接培養(yǎng)法和網(wǎng)袋法。砂濾管法是將秸稈放入砂濾管并埋在土壤中進(jìn)行培養(yǎng)，其缺點(diǎn)是影響了管內(nèi)外的水分移動，并產(chǎn)生滯后效應(yīng)。土壤直接培養(yǎng)法是把秸稈直接與土壤混合進(jìn)行培養(yǎng)，缺點(diǎn)是腐解后的秸稈與土壤結(jié)合緊密，難以分離［ 9-10］。網(wǎng)袋法是將秸稈裝入一定孔徑的網(wǎng)袋后埋在土壤中培養(yǎng)，土壤水分和微生物可以自由進(jìn)出網(wǎng)袋，土壤水分狀況與田間實(shí)際接近，且方便操作，被普遍采用［11］。但網(wǎng)袋內(nèi)秸稈難以與土壤緊密接觸，從而使測定結(jié)果與真實(shí)狀況存在偏離［12］。以上3 種方法都有其自身的缺點(diǎn)，難以滿足本研究的要求。為了能使小龍蝦與水稻秸稈充分接觸，最大程度契合小龍蝦的自然生長環(huán)境，本研究在試驗(yàn)時(shí)將小網(wǎng)袋改成自制網(wǎng)箱， 并將網(wǎng)箱安置在養(yǎng)殖溝內(nèi)。

戴志剛等［13］用埋袋法研究還田秸稈養(yǎng)分釋放特征時(shí)所使用的尼龍網(wǎng)袋孔徑0.075 mm、長 25 cm、寬20 cm、厚 0.8～1 cm，每袋裝秸稈 10 g，共取樣20 次，目的是模擬研究稻田耕作方式下秸稈養(yǎng)分釋放的詳細(xì)過程。由于研究目的不同，本研究采用的網(wǎng)箱比戴志剛等［13］所用的網(wǎng)袋大得多，秸稈用量也大得多，取樣次數(shù)要少很多。本試驗(yàn)前120 d 主要在冬季和早春，小龍蝦活動少，對水稻秸稈的腐解幾乎沒有影響，每60 d 取樣1 次，120 d 以后隨著氣溫升高，小龍蝦活動加強(qiáng)，逐步影響水稻秸稈的腐解，增加取樣頻率至30 d 1 次。

3.2 小龍蝦對水稻秸稈腐解、養(yǎng)分釋放及表面微觀結(jié)構(gòu)變化的影響

作物秸稈還田后的降解過程主要受水分和通氣狀況的影響，合適的土壤水分和通氣狀況可加速秸稈的腐解，可能與秸稈腐解能調(diào)節(jié)土壤微生物代謝有關(guān)［11-12］。王景等［14］采用網(wǎng)袋法，分別在好氣和厭氧環(huán)境下研究作物秸稈的腐解特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)水稻和玉米秸稈均表現(xiàn)出前3 個(gè)月腐解速率較快、3～12 個(gè)月逐漸減緩。戴志剛等［13］采用網(wǎng)袋法研究水稻、小麥和油菜秸稈養(yǎng)分釋放規(guī)律，將供試秸稈的腐解過程分為3 個(gè)主要時(shí)期：培養(yǎng)的前36 d 為快速腐解期、36～76 d 為腐解減緩期、76～124 d 為腐解停滯期。本研究發(fā)現(xiàn)，在泡水條件下，水稻秸稈平均腐解率隨時(shí)間延長表現(xiàn)出快—慢—快—慢—快的特點(diǎn)；前60 d水稻秸稈快速腐解，可能與秸稈中大量的多糖、氨基酸、有機(jī)酸等易溶有機(jī)物和無機(jī)礦質(zhì)養(yǎng)分的快速釋放有關(guān)；60～120 d 腐解慢，可能與易溶解可溶性有機(jī)物基本釋放完全、加之此時(shí)正值冬季和早春微生物活性弱有關(guān)；120～150 d 水稻秸稈腐解速率最快，可能原因是此期氣溫和水溫回升，微生物數(shù)量增多，活性增強(qiáng)，加速了秸稈腐解礦化；150～180 d 水稻秸稈腐解速率又變慢，可能是因?yàn)殡S著腐解的進(jìn)行，秸稈中易腐解組分逐漸減少，秸稈腐解速率也隨之變慢；180～210 d 秸稈腐解速率又變快，可能是因?yàn)榇似跉鉁睾退疁馗?，秸稈中難腐解組分也逐漸在微生物的作用下開始降解。本研究中水稻秸稈的腐解特征與王景等［14］和戴志剛等［13］的研究結(jié)果不完全一致，其原因可能是試驗(yàn)開始時(shí)間和取樣的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同所致。本研究供試水稻秸稈經(jīng)過 120 d 的腐解，秸稈質(zhì)量損失率約 33%，低于以往的研究結(jié)果［ 13， 15-16］，這可能與前期低溫和厭氧環(huán)境有關(guān)。不同處理間，150 d 以前，2 個(gè)處理各時(shí)段腐解量、累計(jì)腐解率和各時(shí)段平均腐解率差異均不顯著，180 d 及以后各指標(biāo)均表現(xiàn)為有蝦處理顯著高于無蝦處理，原因可能是前150 d 主要是冬季和早春，小龍蝦活動少，對水稻秸稈的腐解幾乎沒有影響，150 d 以后隨著氣溫升高，小龍蝦活動加強(qiáng)，逐步開始影響水稻秸稈的腐解。

本研究結(jié)果表明，秸稈養(yǎng)分累積釋放率均表現(xiàn)為 Kgt;Pgt;N，與以往的研究結(jié)果一致［13，8］，但在100 d 或120 d 的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，本研究中水稻秸稈N、P、K 的累積釋放率均低于以往的研究結(jié)果［13，15］，可能主要與本試驗(yàn)前期低溫和厭氧環(huán)境有關(guān)。

對于水稻秸稈的表面微觀結(jié)構(gòu)，隨著腐解進(jìn)程的延續(xù)，秸稈殘余物外表面變得粗糙，表層的基本組織薄壁細(xì)胞被破壞，這與李逢雨［8］的研究結(jié)果相似。從 120 d 開始，有蝦處理的水稻秸稈受破壞程度明顯大于無蝦處理，特別是橫斷面斷裂的程度，這可能是由于小龍蝦的活動促進(jìn)了秸稈破碎，從而促進(jìn)秸稈腐解。

總之，稻蝦環(huán)溝模式下，小龍蝦擾動能增加中后期水稻秸稈表面微觀結(jié)構(gòu)的受破壞程度，促進(jìn)后期水稻秸稈腐解和養(yǎng)分釋放。

（責(zé)任編輯：張志鈺）