張 印,余政軍,王 忍,呂廣動,陳 燦,黃 璜,陳治鋒
(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,湖南 長沙 410128;2. 湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410128;3. 衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,湖南 衡陽 421100;4. 湖南省煙草公司長沙市公司,湖南 長沙 410011)
稻田生態(tài)種養(yǎng),即在稻田中既種植水稻又養(yǎng)殖動物,利用動物和植物間生態(tài)位互補(bǔ)效應(yīng),創(chuàng)造時(shí)間維度和空間維度的雙重耦合,達(dá)到“一水兩用、一田雙收、糧漁共贏”的效果,以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其中,稻鴨共生模式是稻田生態(tài)種養(yǎng)的典型模式,歷史悠久。稻鴨共生模式具有較高的生態(tài)效益。研究表明,稻鴨共生模式可改善稻田土壤養(yǎng)分狀況[1],防控稻田病蟲草害[2],減緩全球增溫潛勢[3],優(yōu)化稻田土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[4]。稻鴨共生模式也具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。研究表明,稻鴨共生模式能通過增強(qiáng)水稻莖稈抗倒伏性能[5]、改善水稻根系生長狀況[6]、優(yōu)化水稻株型結(jié)構(gòu)[7]進(jìn)而穩(wěn)定或提高水稻的生物量及產(chǎn)量[1],同時(shí)由于鴨的產(chǎn)出,其利潤遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水稻單作[8]。然而,縱觀當(dāng)前稻鴨共生相關(guān)研究,大部分主要集中于探究單一鴨品種,而且各研究間鴨品種表現(xiàn)出多樣性,這可能是諸多同類研究表現(xiàn)出差異性結(jié)果的一個(gè)重要原因。研究表明,不同鴨品種在田間活動的運(yùn)動能力[9]及食量存在差異。因此,有必要將鴨品種設(shè)為試驗(yàn)變量,研究不同鴨品種對稻鴨共生系統(tǒng)水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響。目前,此類研究極少,僅羅璇等[9]進(jìn)行了鴨品種的比較研究,但其側(cè)重點(diǎn)在于鴨行為學(xué)差異及產(chǎn)量,而未對土壤理化性質(zhì)及綜合效益進(jìn)行研究。為此,選取常用鴨品種水鴨、洋鴨和綠頭鴨,探究其對稻鴨共生系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)、水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響,以期為稻鴨共生系統(tǒng)鴨品種的選擇及模式優(yōu)化提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2020 年7—10 月在湖南省瀏陽市永安鎮(zhèn)永和村(113°15′27″E、28°10′32″N)進(jìn)行,永安鎮(zhèn)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,熱量充足,降水豐沛,光照較足,種植制度以煙稻輪作為主。本試驗(yàn)所在稻田前茬作物為煙草,煙草收獲后取稻田土樣,其基本理化性質(zhì)如下:堿解氮含量63.70 mg/kg、速效磷含量17.13 mg/kg、速效鉀含量403.33 mg/kg、全氮含量0.25 g/kg、全磷含量0.60 g/kg、全鉀含量8.00 g/kg、有機(jī)質(zhì)含量20.13 g/kg,pH值5.72。
供試水稻品種為H 優(yōu)518,由湖南神農(nóng)大豐種業(yè)科技有限責(zé)任公司提供;供試鴨苗均從永安鎮(zhèn)養(yǎng)殖場購買,均已經(jīng)注射過相關(guān)疫苗。
試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)水稻單作(CK)、稻水鴨共生(SY)、稻洋鴨共生(YY)和稻綠頭鴨共生(LTY)共4 個(gè)處理,3 次重復(fù),共12 個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)333 m2,鴨養(yǎng)殖密度為300 只/hm2。各小區(qū)間有田埂以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)排灌,養(yǎng)鴨小區(qū)四周采用尼龍網(wǎng)包圍以防鴨逃離和敵害進(jìn)入,養(yǎng)鴨小區(qū)內(nèi)靠近田埂處設(shè)置鴨棚供鴨棲息。
鴨下田前在室內(nèi)養(yǎng)殖25 d,于水稻分蘗期(8月20 日)投放至稻田,下田時(shí)鴨平均體質(zhì)量為0.5 kg。下田后每天早晚各進(jìn)行一次投喂,飼料選用早稻谷,早晚投喂飼料量比為4∶6。根據(jù)3 種鴨食量差異,給予不同的投喂量,水鴨、綠頭鴨和洋鴨分別為50 g/(只·d)、100 g/(只·d)和150 g/(只·d)。水稻抽穗后,根據(jù)鴨啄食稻穗情況適時(shí)收鴨,鴨在室內(nèi)暫行養(yǎng)殖一段時(shí)間,待水稻收獲后再次放入稻田。
水稻于7 月20 日采用機(jī)插,株行距分別為15、20 cm,秧齡為20 d。稻田旋耕前,施用復(fù)合肥300 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O 為20∶8∶12,之后不再進(jìn)行追肥。8 月10 日,試驗(yàn)區(qū)噴施除草劑一次,之后無病蟲草害防治藥物噴施。水分管理同常規(guī)稻作田。水稻于10月28日收獲。
1.3.1 土壤理化性質(zhì) 分別于水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期、灌漿期和成熟期,在每個(gè)小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法取耕作層(0~20 cm)土樣,混合后陰干備用。土壤全氮、全磷含量采用濃硫酸消煮—流動分析儀法測定;土壤全鉀含量采用濃硫酸消煮—火焰光度法測定;堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定;速效磷含量采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L(1/2H2SO4)法測定;速效鉀含量采用NH4OAc 浸提—火焰光度法測定;pH 值采用電位法測定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測定[10]。
1.3.2 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于水稻成熟期,每小區(qū)隨機(jī)選取3 點(diǎn),每點(diǎn)連續(xù)選取5 株水稻測量有效穗數(shù);并隨機(jī)選取代表性植株5 蔸去除根部后分別裝入網(wǎng)袋帶回室內(nèi),脫粒,并用水選法將實(shí)粒和空癟粒分開,計(jì)算穗總粒數(shù)和結(jié)實(shí)率。再從實(shí)粒中隨機(jī)選出1 000粒,于80 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量,計(jì)算千粒質(zhì)量,最后根據(jù)有效穗數(shù)、穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量計(jì)算理論產(chǎn)量。與此同時(shí),每小區(qū)隨機(jī)選取3點(diǎn),每點(diǎn)割取1 m2水稻,裝入網(wǎng)袋帶回室內(nèi)脫粒,曬干后稱質(zhì)量,并測量含水率,由此計(jì)算出含水率14%的實(shí)際產(chǎn)量。
1.3.3 經(jīng)濟(jì)效益 經(jīng)濟(jì)效益由投入和產(chǎn)出兩方面構(gòu)成。投入包括水稻種植成本和鴨養(yǎng)殖成本兩方面。水稻種植成本包括種子、肥料、農(nóng)藥、機(jī)械、人工費(fèi)用等;鴨飼養(yǎng)成本包括鴨苗、飼料、設(shè)施、人工費(fèi)用等。產(chǎn)出包括稻谷收入和鴨收入。所有成本和收入均按當(dāng)年當(dāng)?shù)厥袌鰞r(jià)計(jì)算。水稻種植成本:種子1 080 元/hm2、肥 料 及 農(nóng) 藥1 500 元/hm2、機(jī) 械3 000元/hm2、人工3 000 元/hm2,總計(jì)8 580 元/hm2;水鴨飼養(yǎng)成本:鴨苗1 500 元/hm2、飼料2 700 元/hm2、設(shè) 施 折 舊 費(fèi)400 元/hm2、人 工300 元/hm2,總 計(jì)4 900元/hm2;洋鴨飼養(yǎng)成本:鴨苗4 500元/hm2、飼料8 100元/hm2、設(shè)施折舊費(fèi)400元/hm2、人工300元/hm2,總計(jì)13 300 元/hm2;綠頭鴨飼養(yǎng)成本:鴨苗4 500元/hm2、飼料5 400元/hm2、設(shè)施折舊費(fèi)400 元/hm2、人工300 元/hm2,總計(jì)10 600 元/hm2。稻谷收入:按3元/kg 計(jì)算。鴨收入:水鴨收鴨時(shí)1.2 kg/只,售價(jià)25元/只;綠頭鴨收鴨時(shí)1.65 kg/只,售價(jià)80 元/只;洋鴨收鴨時(shí)2.5 kg/只,售價(jià)50元/kg。
使用WPS 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與繪圖,使用DPS 7.05 對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,采用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。
2.1.1 速效養(yǎng)分含量 由圖1 可知,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),4 個(gè)處理土壤堿解氮含量均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,在灌漿期達(dá)到最大值,CK、SY、YY、LTY 處理分別為92.6、89.4、80.7、88.4 mg/kg;在灌漿期 至 成 熟 期,YY 處 理(31.47%)和LTY 處 理(38.01%)土壤堿解氮含量的下降幅度明顯大于CK(4.00%)和SY 處理(17.00%)。在分蘗期,LTY 處理土壤堿解氮含量顯著高于CK、SY、YY 處理;孕穗期至灌漿期,均以YY 處理土壤堿解氮含量最低,CK和LTY 處理較高;在成熟期,SY、YY、LTY 處理土壤堿解氮含量均低于CK,分別降低16.54%、37.80%、38.36%,其中YY和LTY處理達(dá)到顯著水平。
由圖2 可知,4 個(gè)處理土壤速效磷含量均在分蘗期最大,CK、SY、YY、LTY 處理分別為22.5、17.5、15.0、21.3 mg/kg,CK 和LTY 處理顯著高于SY 和YY處理。在孕穗期至灌漿期,4 個(gè)處理土壤速效磷含量變化不大,CK 土壤速效磷含量均顯著高于SY、YY、LTY 處理;在成熟期,CK 土壤速效磷含量顯著高于SY和YY處理,但和LTY處理無顯著差異,LTY處理顯著高于YY處理。
由圖3 可知,分蘗期至成熟期,4 個(gè)處理土壤速效鉀含量變化幅度均較小。在分蘗期至孕穗期,SY和LTY 處理土壤速效鉀含量均顯著高于CK 和YY處理;在齊穗期,SY、LTY、YY 處理土壤速效鉀含量均顯著高于CK,以SY處理最高;在灌漿期,YY處理土壤速效鉀含量顯著低于其他3個(gè)處理;在成熟期,土壤速效鉀含量表現(xiàn)為SY>LTY>CK>YY,SY 處理與CK差異顯著。
2.1.2 全量養(yǎng)分含量 由表1 可知,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),CK、SY、YY 處理土壤全氮含量總體上呈先升高后降低的趨勢,LTY 處理呈降低趨勢。分蘗期至成熟期,SY、YY 和LTY 處理土壤全氮含量總體均低于CK,但差異均不顯著。
表1 不同處理土壤全量養(yǎng)分含量Tab.1 Total nutrient content of soil under different treatmentsg/kg
續(xù)表1 不同處理土壤全量養(yǎng)分含量Tab.1(Continued) Total nutrient content of soil under different treatmentsg/kg
由表1 可知,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),CK 和SY 處理土壤全磷含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢,而YY 和LTY 處理土壤全磷含量呈現(xiàn)先升后降再升的趨勢。在分蘗期,SY、YY 和LTY 處理的全磷含量均低于CK,但僅有SY 處理達(dá)到顯著水平;在孕穗期、灌漿期和成熟期,SY、YY 和LTY 處理的全磷含量均顯著低于CK,均以YY 處理最低,SY 處理次之,成熟期SY、YY、LTY 處理分別較CK 降低13.16%、17.11%、11.84%。
由表1 可知,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),CK 和LTY處理土壤全鉀含量均呈現(xiàn)先升后降再升的趨勢,SY和YY 處理土壤全鉀含量均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。分蘗期至成熟期,各處理間全鉀含量雖有差異,但總體上均未達(dá)到顯著水平。在成熟期,全鉀含量表現(xiàn)為YY>CK>SY>LTY,與CK 相比,僅LTY 處理差異顯著,降幅為3.67%。
2.1.3 有機(jī)質(zhì)含量和pH 值 由表2 可知,4 個(gè)處理土壤有機(jī)質(zhì)含量在分蘗期至成熟期變化幅度均不大,且處理間沒有顯著差異。
表2 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量Tab.2 Soil organic matter content under different treatmentsg/kg
由圖4 可知,CK、YY 和LTY 處理土壤pH 值均呈現(xiàn)先升后降的趨勢,而SY 處理土壤pH 值呈現(xiàn)先升后降再升的趨勢。CK、SY 和YY 處理土壤pH 值均在孕穗期達(dá)到最大值,分別為6.11、6.48 和6.30,而LTY 處理土壤pH 值在灌漿期達(dá)到最大值,為6.42。在分蘗期至灌漿期,SY、YY 和LTY 處理土壤pH 值均顯著高于CK。在成熟期,SY、YY 和LTY 處理土壤pH 值均高于CK,增幅分別為6.67%、1.17%和3.67%。其中,SY和LTY處理達(dá)到顯著水平。
由表3可知,YY 和LTY 處理水稻理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量均無顯著差異,但均顯著高于CK 和SY 處理,SY 處理水稻理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量均與CK 無顯著差異。YY 和LTY 處理水稻理論產(chǎn)量分別較CK提高18.53%和23.34%,實(shí)際產(chǎn)量分別較CK 提高21.92%和20.68%。在產(chǎn)量構(gòu)成因素中,與CK 相比,YY 和LTY 處理均顯著增加了水稻有效穗數(shù),增幅均為16.31%,SY 處理水稻有效穗數(shù)無顯著差異;YY 和LTY 處理均顯著降低了水稻穗總粒數(shù),降幅分別為18.86%和12.75%,SY 處理水稻穗總粒數(shù)無顯著差異;YY 和LTY 處理均顯著增加了水稻結(jié)實(shí)率,增幅分別為26.26%和21.64%,SY處理水稻結(jié)實(shí)率無顯著差異;穗實(shí)粒數(shù)和千粒質(zhì)量在4 個(gè)處理間均無顯著差異。綜上,YY 和LTY 處理通過顯著增加有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率進(jìn)而顯著增加水稻產(chǎn)量,而SY處理則維持了水稻產(chǎn)量。
表3 不同處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Tab.3 Yield and its component of rice under different treatments
由表4 可知,SY、YY 和LTY 處理的總投入、總產(chǎn)出、純利潤和產(chǎn)投比均高于CK。SY、YY、LTY 處理的純利潤分別為7 610.3、31 720.7、20 756.0元/hm2,以YY 處理最高。SY、YY、LTY 處理的產(chǎn)投比分別為1.56、2.45、2.08,以YY處理最高,LTY處理次之。SY、YY 和LTY 處理雖然都增加了總投入,但最后通過穩(wěn)定或增加稻谷產(chǎn)量、增加鴨子產(chǎn)出提高了稻田的經(jīng)濟(jì)效益??傊?,3個(gè)稻鴨共生處理均提高了稻田的經(jīng)濟(jì)效益,以YY處理最優(yōu),LTY處理次之。
表4 不同處理稻田經(jīng)濟(jì)效益Tab.4 Economic benefits of paddy fields under different treatments
土壤養(yǎng)分含量影響作物的生長發(fā)育。稻鴨共生可提高土壤養(yǎng)分含量[11-14]。張軍等[11]研究發(fā)現(xiàn),多年的稻鴨共作增加了稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量,有利于土壤培肥。禹盛苗等[12]研究發(fā)現(xiàn),稻鴨種養(yǎng)模式增加了土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量。張帆等[13]研究發(fā)現(xiàn),稻鴨共生能增加土壤全磷含量、土壤截存的磷量,有利于減少化學(xué)磷肥的投入。張苗苗等[14]研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)稻鴨共作有利于稻田土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量在整個(gè)水稻生長期相對穩(wěn)定。然而,本研究結(jié)果表明,與CK 相比,3個(gè)稻鴨共生處理稻田土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮和速效磷含量均降低,速效鉀含量增加,有機(jī)質(zhì)含量相對穩(wěn)定。這可能是因?yàn)轼喸诘咎锏幕顒悠鸬搅藴喫鲅?、改善田間微生態(tài)的作用,同時(shí)刺激了水稻根系[6]、改善了株型[7],有利于水稻對土壤養(yǎng)分的吸收,從而造成土壤養(yǎng)分短時(shí)間內(nèi)降低;稻田養(yǎng)分的變化可能與稻田施肥結(jié)構(gòu)有關(guān),本研究僅施用了少量基肥,肥料總量較常規(guī)施肥大幅降低;稻田養(yǎng)分的變化還與種植制度有關(guān),本試驗(yàn)前茬作物為煙草,煙草為喜鉀作物,煙草季大量鉀肥的施用提高了稻田中鉀肥的含量,水稻季鴨在稻田的活動大大提高了鉀肥的有效性,使速效鉀含量較水稻單作田增加;稻鴨共生對土壤養(yǎng)分的影響還可能與種養(yǎng)年限和鴨養(yǎng)殖密度有關(guān)。因此,建議建立長久規(guī)范的稻鴨共生區(qū),合理增加養(yǎng)殖密度,種植前適量多施基肥。
土壤酸化是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題,很大程度上制約作物生產(chǎn)。稻田養(yǎng)鴨對稻田土壤和水體pH 值有一定影響[4,11,15-18]。廖詠梅等[4]和張軍等[11]研究發(fā)現(xiàn),稻田養(yǎng)鴨一定程度上降低了稻田土壤pH 值。沈建凱等[15]研究表明,稻田養(yǎng)鴨使水稻根際和根表土壤pH值上升。全國明等[16]研究發(fā)現(xiàn),稻鴨共生一定程度上降低了稻田水體的pH 值。李成芳等[17]研究發(fā)現(xiàn),稻田養(yǎng)鴨使稻田水體pH 值上升。本研究結(jié)果與前人[15,17]研究結(jié)果一致,3個(gè)稻田養(yǎng)鴨處理均使稻田土壤pH 值上升,在一定程度上緩解了土壤酸化,其中,稻田養(yǎng)殖水鴨和稻田養(yǎng)殖綠頭鴨處理達(dá)到顯著水平。水稻根系一般處在銨態(tài)氮-硝態(tài)氮混合營養(yǎng)中,但仍然以吸收和利用土壤中的銨態(tài)氮為主,根系在吸收大量銨態(tài)氮的同時(shí),向土壤迅速釋放H+導(dǎo)致根表pH 值下降[18],吸收硝態(tài)氮向土壤釋放OH-致使土壤pH 值升高[15]。在稻鴨共生系統(tǒng)中,鴨在稻田活動有渾水增氧的效果,更有利于硝化作用的進(jìn)行,使水稻對硝態(tài)氮吸收增多,釋放出更多OH-[19-20],使pH值上升。本研究發(fā)現(xiàn),水鴨和綠頭鴨的運(yùn)動能力明顯強(qiáng)于洋鴨,故其渾水增氧效果更好,進(jìn)而pH值上升幅度更大。
稻鴨共生是稻田生態(tài)種養(yǎng)的一種經(jīng)典模式,具有穩(wěn)產(chǎn)[3]或增產(chǎn)[21]的效果,主要表現(xiàn)為提高水稻有效穗數(shù)[22]、千粒質(zhì)量[23]和結(jié)實(shí)率[24]等。本研究發(fā)現(xiàn),稻鴨共生對產(chǎn)量的影響與養(yǎng)殖的鴨品種有關(guān),YY和LTY 處理顯著提高了水稻產(chǎn)量,而SY 處理水稻產(chǎn)量雖然有所提高,但與CK 無顯著差異。YY 和LTY 處理水稻有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率顯著增加,而穗總粒數(shù)顯著降低。本研究發(fā)現(xiàn),3 種鴨的行為特征存在明顯差異,綠頭鴨運(yùn)動能力強(qiáng)、食量和個(gè)頭適中,洋鴨食量和個(gè)頭大、運(yùn)動能力弱,水鴨運(yùn)動能力適中、食量和個(gè)頭小。因此,推測洋鴨憑借其大個(gè)頭增加對水稻的有利刺激,加之其相對大的排糞量提供更多的養(yǎng)分,促進(jìn)了水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成;綠頭鴨憑借其強(qiáng)大的運(yùn)動能力在田間穿梭,刺激水稻的同時(shí)也刺激了土壤和水體,提高了土壤和水體中氧含量,有利于土壤養(yǎng)分的釋放和水稻對養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而促進(jìn)了水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成;而水鴨相關(guān)優(yōu)勢比不上前兩者,對水稻產(chǎn)量影響不大。在水稻灌漿期,試驗(yàn)地遭遇持續(xù)低溫天氣,嚴(yán)重影響了水稻籽粒充實(shí),致使試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)量均低于往年平均產(chǎn)量,但稻鴨共生的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)效果依然明顯。
稻鴨共生在保障正常糧食生產(chǎn)的同時(shí)增加了鴨的產(chǎn)出,而且由于化肥和農(nóng)藥的大幅減量,稻米[25-26]和鴨肉品質(zhì)[27-28]得到明顯改善,市場優(yōu)勢明顯,使得該模式具備較水稻單作更高的經(jīng)濟(jì)效益[8,14]。本研究結(jié)果表明,與CK 相比,3 個(gè)稻鴨共生處理的經(jīng)濟(jì)效益均提高,表現(xiàn)為YY>LTY>SY>CK。此外,本研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)遭遇嚴(yán)重氣候?yàn)?zāi)害時(shí)(如本試驗(yàn)灌漿期遇到的持續(xù)低溫),水稻產(chǎn)量大幅降低,水稻單作田的效益明顯下降,而稻鴨共生處理由于鴨產(chǎn)品的增加,均能提高效益,說明稻鴨共生具有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。稻鴨共生具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,不需要復(fù)雜的田間改造,種養(yǎng)管理相對較簡便。因此,可以作為鄉(xiāng)村集體產(chǎn)業(yè)的一大抓手,融合一二三產(chǎn)業(yè),助力鄉(xiāng)村振興。