长期稻虾共作模式下稻田土壤肥力变化特征研究

发布时间：2020-07-27 21:22

【摘要】：稻虾[水稻(Oryza sativa)-克氏原螯虾(Procambarus clarkii)]共作模式是一种以潜育性稻田为条件,种稻为中心,稻草还田养虾为特点的高效人工生态系统,该模式充分利用了稻田的浅水环境和冬闲期,把种植业和养殖业有机结合起来,达到了水稻和克氏原螯虾双丰收的目的。目前稻虾共作模式主要分布在湖北、江苏、江西、湖南、安徽等长江中下游地区,且以湖北省的面积最大。与传统的中稻单作模式相比,稻虾共作模式不仅提高了农田资源的利用率,增强了稻田生态系统的稳定性及其抗外界冲击的能力,而且促进了系统中物质就地循环,阻止了稻田能量流的外溢,改善了稻田的生态结构与功能。在稻虾共作模式中,克氏原螯虾的掘穴活动提高了土壤通透性,使水中的养分物质和溶解氧到达土壤底层,扰动了土壤氧化还原界面,改变了土壤微生物的群落结构和组成,提高了土壤有机碳转化以及养分的释放速率;另外稻田四周所挖的用于克氏原螯虾躲避的环形沟,降低了潜育性稻田耕层的水位,加速了土壤与空气的交换,减轻了耕层土壤还原状况,所有这些均会影响土壤肥力变化。本研究以江汉平原低湖地区潜育性稻田为对象,利用10年长期定位试验,研究了长期稻虾共作模式下稻田土壤物理、化学及生物等性状的变化特征,水稻产量及构成、养分累积量及利用率,明确了长期稻虾共作模式下稻田土壤肥力变化特征及其对稻田生产力的影响;通过分析稻虾共作系统中碳素、氮素和磷素的输入、输出及平衡状况,评价了稻虾共作系统中碳素、氮素和磷素平衡对稻田土壤养分演变的驱动作用。主要研究结果如下:(1)与中稻单作模式相比,稻虾共作模式使15~30 cm土层的土壤紧实度显著降低,尤其以25 cm深度处降幅度最大(近30%)。土壤容重亦显著降低,土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著提高。稻虾共作模式较中稻单作模式显著提高了0~20cm和30~40 cm土层中2 mm粗大团聚体含量,降低了0~10 cm土层中2~0.25 mm细大团聚体以及0.053 mm粉-黏团聚体的含量,促进了微团聚体聚结成大粒级团聚体;稻虾共作模式提高了0~40 cm土层中0.25 mm团聚体数量、平均质量直径和几何平均直径,降低了0~20 cm土层的团聚体分形维数,增加了水稳性团聚体的稳定性。在土壤物理性状方面,稻虾共作模式降低了土壤紧实度,增加了土壤通透性,改善了土壤团粒结构。(2)稻虾共作模式较中稻单作模式显著提高了0~40 cm土层中土壤有机质、全钾和碱解氮的含量,0~30 cm土层中土壤全氮的含量,0~10 cm土层中全磷和速效磷的含量,10~30 cm土层中硝态氮以及20~40 cm土层中速效钾的含量。与中稻单作模式比较,稻虾共作模式显著降低了0~10 cm土层中还原性物质总量,但提高了20~30 cm土层中还原性物质总量。在土壤化学性状方面,稻虾共作模式提高了土壤全量和速效养分含量,降低了表层土壤(0~10 cm)还原性物质总量,但增加了10 cm以下土层潜育化的风险。(3)与中稻单作模式相比,稻虾共作模式显著增加了0~40 cm土层中土壤总有机碳、颗粒有机碳和可溶性有机碳的含量,10~40 cm土层中土壤易氧化有机碳含量,20~40 cm土层中土壤微生物量碳含量以及10~30 cm土层中土壤碳库管理指数。稻虾共作模式较中稻单作模式显著提高了0~30 cm土层中0.053 mm粉-黏团聚体的有机碳含量,以及20~30 cm土层中各粒级团聚体中有机碳的含量。在土壤碳库方面,稻虾共作模式增加了土壤中有机碳及其活性组分的含量,提高了土壤碳库管理指数。(4)稻虾共作模式的土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶活性在0~40 cm土层较中稻单作模式均呈降低趋势,且脲酶活性在10~20 cm土层显著降低;Biolog ECO分析表明,稻虾共作模式增加了20~30 cm土层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丰富度、优势度和多样性指数,但降低了0~10cm土层中土壤微生物优势种的数量以及利用不同碳源的能力;PLFAs分析表明,稻虾共作模式提高了20~40 cm土层中好氧细菌、AMF菌和G-数量,主成分分析显示在20~30 cm土层中,稻虾共作模式的微生物群落组成与中稻单作模式显著不同,且主要增加了G-细菌、好氧细菌和真菌的比例;Pearson相关性分析表明土壤有机碳、土壤酶、全氮和全磷是土壤微生物群落组成的重要影响因素,而土壤酶和p H则与土壤微生物多样性关系较为密切。在土壤生物性状方面,稻虾共作模式降低了土壤酶的活性,改变了底层土壤(20~40cm)中微生物群落结构及功能性多样性。(5)稻虾共作模式提高了水稻每穗总粒数以及稻谷产量,其中稻谷产量于2015年和2016年较中稻单作模式分别提高了6.41%和3.66%;稻虾共作模式提高了稻谷和稻草以及地上部的氮素、磷素和钾素养分累积量及其农学利用率,且地上部的养分累积量中钾素磷素氮素。经济效益分析表明,稻虾共作模式的总产值和利润较中稻单作模式分别提高了46611.0￥/hm2和23811.0￥/hm2,增幅分别为188.0%和218.0%。在水稻产量及经济效益方面,稻虾共作模式不仅能够提高水稻产量,而且大幅增加了农民收入,具有明显的经济和社会效益。(6)稻虾共作系统和中稻单作系统均表现为碳汇,且稻虾共作系统固碳潜力大于中稻单作系统,增幅为6.38%。稻虾共作系统中土壤子系统氮盈余,而磷则出现亏缺,而中稻单作系统中土壤子系统氮和磷均呈出现亏缺;克氏原螯虾子系统中碳、氮和磷的输出/输入比值介于0.51~0.65,且以氮的输出/输入比最高;稻虾共作系统中氮和磷的输出/输入比值均小于中稻单作系统,表明稻虾共作系统中氮和磷盈余量均高于中稻单作系统,有利于土壤中氮和磷的累积。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S511;S966.12;S158
【图文】：

技术路线图,共作,平衡状况,驱动作用

评价稻虾共作系统中碳素、氮素和磷素的平衡状况对稻田土壤肥力演变的驱动作用，为进一步推广稻虾共作模式提供数据支撑和理论依据。本研究的技术路线如图2-1所示：图 2-1 技术路线图Fig. 2-1 The schematic diagram of the research

土壤紧实度,共作,土层深度,模式

作模式下稻田土壤肥力变化特征研究173.3 结果与分析3.3.1 稻虾共作模式对土壤紧实度的影响土壤紧实度可预测土壤承载量、耕性和根系伸展阻力（依艳丽 2009）。由图3-1可知，随着土层深度的增加，土壤的紧实度均呈逐渐增加的趋势，其中至40 cm处，稻虾共作模式和中稻单作模式的土壤紧实度趋于一致；在15~30 cm土层中，稻虾共作模式的土壤紧实度较中稻单作模式呈降低趋势。通过对5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和40 cm处土壤紧实度分析（表3-1）表明，稻虾共作模式在土层15 cm、20 cm、25 cm和30 cm处的土壤紧实度均显著小于中稻单作模式，其土壤紧实度较中稻单作模式分别降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%，这表明长期稻虾共作模式显著降低了15~30 cm土层的土壤紧实度。图 3-1 稻虾共作模式下不同土层深度的土壤紧实度Fig. 3-1 Soil compaction of different soil depths under integrated rice-crayfish model表 3-1 稻虾共作模式对不同土层深度土壤紧实度的影响（kPa）Table 3-1 Effect of integrated rice-crayfish model on soil compaction in different soil depths处理Treatment土层深度 Soil depths（cm）5 10 15 20 25 30 35 40MR 165.4±43.4a 318.6±37.1a 589.1±64.7a 813.4±139.8a 903.7±97.6a 922.4±80.8a 898.0±132.6a 941.8±137.6aCR 156.5±30.7a 331.1±22.3a 462.1±79.4b 558.7±112.5b 672.3±69.1b 781.0±75.5b 850.2±74.1a 907.7±83.4a注：表中数据为 3 次重复的平均值，数据后不同字母表示处理间差异达 5%显著水平； MR：中稻单作模式；CR：稻虾共作模式；下同。Note: Values were the mean of three replicates

土层,共作,中稻,模式

图 5-1 不同土层中土壤微生物的 AWCD 值Fig 5-1 AWCD value of soil microorganisms in different soil depths注：MR：中稻单作模式；CR：稻虾共作模式；下同。Note: MR: rice monoculture model; CR-crayfish model. All tables below are the same.

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