袁 泉,呂巍巍,黃偉偉,孫小淋,呂衛(wèi)光,周文宗

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海201403)

21 世紀(jì)以來(lái),稻漁共作以其可以抑制病蟲(chóng)害、節(jié)肥減藥、調(diào)節(jié)旱澇等多種優(yōu)勢(shì)在全國(guó)范圍內(nèi)迅速發(fā)展;稻漁共作的產(chǎn)品以其安全、高品質(zhì)等特征受到消費(fèi)者的青睞。 在當(dāng)前倡導(dǎo)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大背景下,提高水稻生產(chǎn)的肥料利用率,減少化學(xué)肥料的使用,對(duì)于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境具有重大意義。 關(guān)于稻漁共作系統(tǒng)化肥減量效應(yīng)已有諸多研究,普遍認(rèn)為稻田綜合種養(yǎng)較水稻單作可以減少化肥的施用[1-4]。 Xie等[2]研究發(fā)現(xiàn),稻魚(yú)共生系統(tǒng)較水稻單作系統(tǒng)可減少化肥用量24%;胡亮亮[5]研究發(fā)現(xiàn),稻漁共作模式較水稻單作模式肥料投入量平均減少26.52%,其中稻鰍模式減少24.83%。 上述研究結(jié)果均通過(guò)野外充分調(diào)研獲得,對(duì)定量揭示稻漁共作模式的減肥效應(yīng)具有一定的參考價(jià)值。 但目前大部分有關(guān)化肥減量的研究,或是生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),或是趨于理論分析,未從具體的施肥措施角度進(jìn)行單因素對(duì)比研究。

泥鰍隸屬于鰍科泥鰍屬[6],是我國(guó)名特優(yōu)淡水養(yǎng)殖品種之一[7]。 稻鰍共作模式是指在稻田中套養(yǎng)一定數(shù)量的泥鰍,利用稻魚(yú)之間互利共生功能,取得生態(tài)環(huán)保、高產(chǎn)高效的農(nóng)業(yè)模式。 目前該模式在浙江、湖南、安徽、四川等省建立了核心示范區(qū)4 個(gè),核心示范區(qū)面積180 hm2,示范推廣面積876 hm2[5]。 本研究利用因子分析方法,對(duì)不同減氮或減磷模式下的稻鰍共作系統(tǒng)綜合效益進(jìn)行分析,探討稻鰍共作模式的化肥減量效應(yīng),以期為稻鰍共作模式的研究和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站稻漁共作試驗(yàn)小區(qū)開(kāi)展。 該試驗(yàn)小區(qū)為2016 年新開(kāi)挖的試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為20 m2,溝渠面積占總面積的10%,水稻種植面積占總面積的50%,其他為田埂面積。 臺(tái)田上方布有防鳥(niǎo)網(wǎng),進(jìn)水口設(shè)有40 目(孔徑0.425 mm)濾網(wǎng),排水口設(shè)有用40 目絹網(wǎng)制作的防逃網(wǎng)。 供試水稻品種是上海市青浦區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心選育的‘青香軟?！?滬農(nóng)品審水稻2014第004 號(hào))。 試驗(yàn)?zāi)圉q為上海市崇明區(qū)三星鎮(zhèn)泥鰍育苗基地提供的泥鰍幼魚(yú)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)9 個(gè)處理(表1),其中CK1 為無(wú)肥對(duì)照處理,CK2 為常規(guī)施肥處理,施氮量按照上海地區(qū)常規(guī)用量300 kg∕hm2(純氮),施磷量按常規(guī)用量192 kg∕hm2,每處理3 個(gè)重復(fù),試驗(yàn)處理在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)排列。

表1 試驗(yàn)處理及肥料用量Table 1 Experimental treatment and fertilizer dosage kg·hm -2

試驗(yàn)時(shí)間為2017 年7 月至2018 年4 月,其中水稻生長(zhǎng)期為2017 年7 月下旬至10 月下旬,于10 月23 日進(jìn)行稻谷測(cè)產(chǎn)。 試驗(yàn)于2017 年9 月初投放泥鰍幼魚(yú),每個(gè)處理投放150 尾,其全長(zhǎng)為(58.51 ±0.01)mm,體重為(0.96 ±0.44)g。 于2018 年4 月用地籠連續(xù)5 次捕撈各試驗(yàn)小區(qū)泥鰍,測(cè)量每尾泥鰍全長(zhǎng)和體重。 在水稻生長(zhǎng)周期內(nèi),根據(jù)施肥情況定期對(duì)CK1 和T2 處理試驗(yàn)小區(qū)溝渠水體采集混合水樣,根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》測(cè)量總氮(TN)、總磷(TP)含量,現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式水質(zhì)分析儀(HACH HQ40d)測(cè)定溶解氧(DO)含量、氨氮(NH4+-N)含量和pH。2017 年7—11 月每3 d 按泥鰍初始體重3%投喂一次泥鰍配合飼料,其他時(shí)間因水溫低沒(méi)有投喂飼料。 配合飼料為顆粒飼料,蛋白質(zhì)含量320 mg∕g。 水稻分蘗前,稻田水位控制在10 cm,以促進(jìn)水稻生根分蘗;水稻分蘗后,拷田期間水位控制在5—10 cm,溝水位加深到80 cm。 在養(yǎng)殖過(guò)程中,經(jīng)常加注新水,特別是在高溫季節(jié)。 草害防治采取人工除草,蟲(chóng)害防治選用高效低毒低殘留的環(huán)境友好型農(nóng)藥如康寬、拿敵穩(wěn)等,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程施農(nóng)藥2 次。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所得數(shù)據(jù)使用Excel 2003 和SPSS 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 9.0 作圖。 各處理間進(jìn)行單因素方差分析,使用新復(fù)極差檢驗(yàn)(SSR 檢驗(yàn))對(duì)不同處理進(jìn)行多重比較,P＜0.05 表示差異顯著;使用SPSS 23.0軟件對(duì)各指標(biāo)平均值進(jìn)行因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥鰍收獲特征

經(jīng)過(guò)6 個(gè)月的稻田養(yǎng)殖,泥鰍成活率和生長(zhǎng)情況分別如圖1、圖2 所示。 由于樣本量較少,且樣本間數(shù)據(jù)離散程度較大,各處理泥鰍成活率在統(tǒng)計(jì)學(xué)上未呈現(xiàn)顯著性差異。 從圖1 可以看出,CK1 泥鰍平均成活率最高,T6 處理具有最大成活率;減磷處理(T4、T5、T6、T7)泥鰍平均成活率普遍高于減氮處理(T1、T2、T3);CK2 泥鰍平均成活率和最大成活率均最低。

從圖2 可以看出,T2 和T3 處理泥鰍體重顯著高于CK1。 與成活率相反,減氮處理(T1、T2、T3)泥鰍全長(zhǎng)、體重普遍大于減磷處理(T4、T5、T6、T7)。 減氮處理泥鰍全長(zhǎng)、體重隨減氮水平的增加而升高,減磷處理泥鰍全長(zhǎng)、體重隨減磷水平的增加無(wú)明顯變化,且各處理泥鰍全長(zhǎng)、體重?cái)?shù)值的離散水平相近。

2.2 水稻收獲特征

單因素方差分析顯示,各處理間稻谷和稻稈產(chǎn)量均無(wú)顯著差異(表2)。 處理T3 稻谷產(chǎn)量最高,為6 850 kg∕hm2,CK1 稻谷(6 100 kg∕hm2)和稻稈產(chǎn)量均最低。 減磷處理(T4、T5、T6、T7)稻谷產(chǎn)量普遍高于減氮處理(T1、T2、T3)和常規(guī)施肥處理(CK2)。 減氮處理稻谷產(chǎn)量隨減氮水平的增加而升高,減磷處理稻谷產(chǎn)量隨減磷水平的增加無(wú)明顯變化。 從表2 可以看出,CK1、T1、T2、T3、T4 處理重復(fù)間稻谷產(chǎn)量離散程度明顯高于CK2、T5、T6、T7 處理,表明減磷20%、50%、100%處理稻谷產(chǎn)量較穩(wěn)定。

表2 不同處理的稻谷和稻稈產(chǎn)量Table 2 Yield of rice and straw of different treatments kg·hm -2

2.3 溝渠水體理化環(huán)境變化特征

CK1 和T2 處理水體理化因子的對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。 稻田溝凼里溶解氧含量為3.82—9.28 mg∕L,pH 為7.46—8.48,NH4+-N 含量為0.04—0.28 mg∕L,TN 含量為1.0—6.8 mg∕L;TP 含量為0.17—0.55 mg∕L。

與施肥前(7 月19 日)收集的數(shù)據(jù)相比,施肥后溶解氧、總氮含量相較于無(wú)肥處理均有大幅上升(圖3)。 水體pH 先下降后上升,7 月27 日監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,T2 處理pH 顯著高于CK1。 水稻生長(zhǎng)周期內(nèi),T2 處理水體總氮含量始終高于CK1。 高溫季節(jié)(8 月29 日監(jiān)測(cè)),水體pH、溶解氧、TN、TP 含量均達(dá)到最低值,氨氮含量達(dá)到最高值,且T2 處理水體氨氮含量明顯高于CK1。 泥鰍放養(yǎng)后,水體溶解氧含量和pH均上升,CK1 水體pH 高于T2 處理;水體總氮含量有小幅上升;氨氮含量下降。

2.4 因子分析

公因子方差(表3)顯示,所有變量的共同度都在85%以上,因此按照默認(rèn)數(shù)量提取出的公因子對(duì)各變量的解釋能力是較強(qiáng)的。 因子分析共提取出3 個(gè)主成分(表4),為了使提取出的公因子意義更明顯,進(jìn)行了因子旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)后的總方差解釋和因子載荷矩陣如表4 和表5 所示。 由表5 可以看出,第一公因子(FAC1_1)在泥鰍全長(zhǎng)、體重上有較大載荷,命名為泥鰍生長(zhǎng)因子;第二公因子(FAC2_1)在泥鰍最大成活率、平均成活率上有較大載荷,命名為泥鰍成活因子;第三公因子(FAC3_1)在稻稈產(chǎn)量、稻谷產(chǎn)量上有較大載荷,命名為水稻產(chǎn)量因子。

表3 各項(xiàng)收獲指標(biāo)的公因子方差Table 3 Common factor variance of each harvest index

考慮按各公因子對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率比例為權(quán)數(shù)計(jì)算如下綜合得分Score=39.107∕94.346?FAC1_1 +29.680∕94.346?FAC2_1 +25.559∕94.346?FAC3_1。 根據(jù)綜合得分排序后的施肥方案如表6 所示。 減氮50%處理(T3)得分最高,其次是減磷50%處理(T6);無(wú)肥處理(CK1)得分最低,其次是常規(guī)施肥處理(CK2)。 泥鰍生長(zhǎng)因子T3 處理貢獻(xiàn)最大,泥鰍成活因子CK2 貢獻(xiàn)最低,水稻產(chǎn)量因子CK1 貢獻(xiàn)最小。

表4 各項(xiàng)收獲指標(biāo)的總方差解釋Table 4 Total variance explained of each harvest index %

表5 重排序后的旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 5 Rotated component matrix after reordering

表6 施肥方案的綜合排序Table 6 Comprehensive sequencing of fertilization schemes

3 討論

3.1 施肥對(duì)泥鰍存活和生長(zhǎng)的影響

從泥鰍的成活率可以看出,稻田養(yǎng)殖泥鰍成活率較低,最高成活率未超過(guò)50%。 其中CK1 泥鰍的平均成活率最高,CK2 泥鰍的平均成活率最低,減氮和減磷各處理泥鰍平均成活率介于二者之間,說(shuō)明施肥降低了泥鰍的成活率。 減磷各處理泥鰍成活率普遍高于減氮處理,說(shuō)明施加氮肥對(duì)提高泥鰍成活率比施加磷肥更為重要。

泥鰍的生長(zhǎng)情況與成活率大體成反比,即泥鰍成活率越高,其生長(zhǎng)規(guī)格越小。 這一點(diǎn)符合水產(chǎn)動(dòng)物的空間利用特征,具有普遍性規(guī)律,如河蟹養(yǎng)殖[13],即水產(chǎn)動(dòng)物數(shù)量與其個(gè)體所平均擁有的餌料資源呈反比,進(jìn)而影響其生長(zhǎng)水平。 但值得關(guān)注的是減氮處理泥鰍全長(zhǎng)、體重隨著減氮水平的增加而升高;減磷處理泥鰍全長(zhǎng)、體重隨減磷水平的增加無(wú)明顯變化,且減磷處理泥鰍全長(zhǎng)、體重?cái)?shù)值的離散水平也相近,說(shuō)明泥鰍的生長(zhǎng)規(guī)格受氮肥的影響較磷肥影響大。 造成這一結(jié)果的原因有待進(jìn)一步研究。

3.2 施肥對(duì)溝渠水體理化環(huán)境的影響

稻田施化肥對(duì)稻田水生生物的影響主要是通過(guò)水環(huán)境實(shí)現(xiàn)的。 從本研究所調(diào)查的理化環(huán)境指標(biāo)結(jié)果可以看出,無(wú)肥處理在高溫季節(jié)解溶氧含量低至3.82 mg∕L,而泥鰍池溶解氧含量需保持在4 mg∕L 以上才可保證泥鰍正常生長(zhǎng)[8],說(shuō)明不施化肥的稻田養(yǎng)殖水體在高溫期間可能對(duì)水生動(dòng)物存在短期或長(zhǎng)期的低氧脅迫。 施化肥之后,溶氧含量明顯高于無(wú)肥處理,高溫季節(jié)溶解氧含量可達(dá)5.47 mg∕L 以上,但氨氮含量達(dá)到0.28 mg∕L,說(shuō)明施化肥可能對(duì)水生動(dòng)物存在短期或長(zhǎng)期的氨氮脅迫,而氨氮脅迫會(huì)對(duì)泥鰍鰓組織和肝細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成不可逆損傷[9];施化肥過(guò)后TN 含量明顯升高,且pH 顯著高于無(wú)肥處理,呈弱堿性。氮磷是浮游藻類(lèi)生長(zhǎng)的主要限制因子,當(dāng)N∕P 比低時(shí),藍(lán)藻生長(zhǎng)較快[10],且藻類(lèi)在堿性環(huán)境中光合作用會(huì)增強(qiáng)[11],因此施化肥可能造成浮游植物尤其是藍(lán)藻等藻類(lèi)的短期大量生長(zhǎng),這可能是施肥處理溶解氧含量高的主要原因之一。 張?jiān)讫埖萚12]研究表明,泥鰍魚(yú)苗在清水下塘?xí)r的成活率顯著高于肥水下塘。 由此可見(jiàn),稻田施化肥在高溫季節(jié)容易造成養(yǎng)殖水體環(huán)境惡化是造成泥鰍幼魚(yú)放養(yǎng)后大量死亡的可能原因之一。

3.3 化肥減量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從本研究可以看出,化肥減量對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響,應(yīng)證了諸多學(xué)者對(duì)稻漁共作模式的研究結(jié)果:稻漁共作在不降低水稻產(chǎn)量的前提下,能夠降低化肥的使用[1-2,14]。 但這并不表示不需要施加任何化肥,從本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),施肥各處理稻谷和稻稈產(chǎn)量均高于無(wú)肥處理,說(shuō)明在稻鰍共作模式中施加一定量的化肥仍是有必要的。 目前,僅有報(bào)道稱(chēng)稻鱉共生系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)化肥零添加,可保證水稻穩(wěn)產(chǎn)在7 500—8 250 kg∕hm2[15]。

本研究發(fā)現(xiàn),減磷各處理稻谷產(chǎn)量整體高于減氮各處理及常規(guī)施肥處理,且重復(fù)間離散水平較低,水稻產(chǎn)量較穩(wěn)定,說(shuō)明氮肥減量較磷肥減量更能影響水稻的產(chǎn)量,這與氮對(duì)水稻產(chǎn)量的影響大于磷這一普遍規(guī)律一致[16]。 本研究值得探討的一點(diǎn)是稻谷產(chǎn)量隨著減氮水平的增加而增加,稻稈產(chǎn)量卻隨著減氮水平的增加而呈下降趨勢(shì)。 Mirhaj 等[3]研究表明,隨著施肥量從(41.18±5.57)kg∕hm2增加至(57.07 ±3.62)kg∕hm2,水稻籽粒氮含量沒(méi)有顯著增加,而由莖和葉組成的稻草氮含量顯著增加。 因此,隨著減氮水平的增加,稻稈受氮肥的影響可能較大,其產(chǎn)量或呈下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

如何實(shí)行化肥減量的同時(shí)保證水稻產(chǎn)量是當(dāng)前農(nóng)業(yè)面源污染研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題,主要措施有化肥減量配施有機(jī)肥[17-18]和稻田綜合種養(yǎng)[1]。 本研究通過(guò)因子分析發(fā)現(xiàn),稻鰍共作模式下減氮50%(純氮150 kg∕hm2)的綜合效益最好,而CK1 和CK2 的綜合效益較差。 結(jié)合上述研究認(rèn)為:在稻鰍共作模式中,實(shí)現(xiàn)化肥零添加和按照常規(guī)稻田施肥均是不可行的,應(yīng)在實(shí)行化肥減量保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí),提高泥鰍成活率和生長(zhǎng)規(guī)格,其中氮肥減量帶來(lái)的綜合影響大于磷肥減量,以減氮50%(純氮150 kg∕hm2)綜合效益最好。