王子臣　陳震　管永祥　張岳芳　劉紅江　朱普平　鄭建初　馬艷

摘要：為明確土壤改良基質對稻蝦共作田土壤性狀和稻蝦生長的影響，采用稻蝦共作水泥池模擬試驗，以等量替換的方式設置不施化肥（CK）、常規(guī)化肥（CF）、無菌土壤改良基質替代30%化肥（NMOSF）、復合菌土壤改良基質替代30%化肥（MOSF）4個施肥處理，分析土壤改良基質施用后土壤性狀、水稻產量、田面水質、克氏原螯蝦生長指標的變化及相互關系。結果表明：NMOSF、MOSF處理土壤總氮、總磷、速效氮、有效磷含量均高于CF處理，土壤容重低于CF處理，其中NMOSF處理土壤總磷、速效氮、有效磷含量增幅分別達15.7%、176.6%、19.8%，差異顯著。但NMOSF、MOSF處理稻蝦產量均顯著低于CF處理，水稻分別減產19.0%、18.0%，克氏原螯蝦分別減產55.8%、74.5%?？耸显r成活率、產量與土壤改良基質施用后的田面水化學需氧量（COD）濃度呈極顯著負相關，MOSF處理孕籽克氏原螯蝦占比顯著低于NMOSF處理。試驗所用土壤改良基質對稻蝦共作田土壤培肥有效，但等量替代30%化肥施用會造成稻蝦減產，施用后田面水COD濃度升高和復合菌的存在是導致克氏原螯蝦成活率及繁殖能力下降的重要原因。

關鍵詞：土壤改良基質；稻蝦共作；次生潛育化；復合菌劑；水稻產量；克氏原螯蝦

中圖分類號：X53；S156.2文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）12-0223-07

稻蝦共作模式是稻田綜合種養(yǎng)典型模式之一，將水稻種植與克氏原螯蝦養(yǎng)殖組成互利共生復合生態(tài)系統(tǒng)，稻在水中長，蝦在稻下游，既能節(jié)約空間又可實現一水兩用、一田雙收、穩(wěn)糧增效、綠色環(huán)保。據《中國克氏原螯蝦產業(yè)發(fā)展報告（2021年）》顯示，2021年克氏原螯蝦養(yǎng)殖業(yè)產值約為748.38億元，同比增加11.4%，其中，克氏原螯蝦稻田養(yǎng)殖面積約為126.14萬hm2，養(yǎng)殖產量20.623億 kg，分別占克氏原螯蝦養(yǎng)殖總面積和養(yǎng)殖總產量的86.6%、86.2%，分別占全國稻漁綜合種養(yǎng)總面積和總產量的49.2%、63.4%。湖北省潛江市發(fā)展的稻蝦共作生態(tài)種養(yǎng)高效模式更是被農業(yè)農村部譽為“現代農業(yè)發(fā)展的成功典范”。然而，稻蝦共作模式亦有其“雙刃性”［1］，由于長期淹水、地下水位較高，往往造成稻田土壤次生潛育化，成為冷浸田、爛泥田。稻蝦共作田土壤顏色偏暗，根系密度增高，土壤結構更為緊密、潛育化明顯，且土壤脲酶活性和過氧化氫酶活性均低于常規(guī)水稻單作［1］。土壤有機碳和全氮含量在25～50 cm土層顯著低于中稻單作模式，其土壤有機碳和全氮含量較中稻單作模式分別下降了41.8%、34.8%［2］。長期稻蝦共作降低了0～20 cm土層的團聚體分形維數，增加了20～30 cm土層土壤還原性物質總量［3］。稻田土壤潛育化是一個嚴重的土壤退化問題［4］，土壤礦化度低，有效養(yǎng)分偏少，供肥性能欠佳。且長期處于漬水狀態(tài)，土壤缺氧、水土溫度低、生物活性差以及還原性有害物質的積累［5］，對水稻生長極為不利［6］，嚴重時減產達54.5%［7］。因此，研究稻蝦共作模式田土壤培肥、次生潛育化阻控技術對穩(wěn)產增效具有重要意義和實用價值。

適量的土壤改良劑可提高土壤養(yǎng)分有效性，增加水稻產量，并對潛育化水稻土起到培肥改良效果［8-9］。張賡等研究表明，施入石灰、有機質能夠提高土壤pH值、電荷量，降低還原性物質總量，但對產量影響不明顯［10］。而石灰和秸稈混合施用不僅能顯著提高土壤Eh值，而且能降低土壤活性還原性物質和Fe2+含量，降幅分別為40.0%、49.3%，顯著增產19.8%。王飛等研究結果表明，淺腳爛泥田施用干牛糞、油菜籽餅的有機復合改良劑7 500 kg/hm2，籽粒產量提高19.3%，差異顯著［11］。侯紅乾等研究表明，施用土壤改良劑對土壤有機質含量、堿解氮含量無顯著影響，但對土壤有效磷含量、速效鉀含量、pH值、電導率有顯著的提升作用，施用有機材料枯餅、牛糞均能補充潛育性稻田土壤速效養(yǎng)分，從而促進水稻分蘗、提高水稻有效穗數及抽穗期葉綠素含量，最終提升水稻產量。而牛糞、枯餅、粉煤灰、石灰4種改良劑配合作用效果更顯著，是綜合提升鄱陽湖區(qū)潛育化稻田水稻產量的最有效措施［12］。但也有研究表明，未腐熟的有機肥或有機物料不宜在冷泥田中施用或大量施用［13］。復合微生物菌劑的土壤改良培肥基質能夠提高麥田土壤有機質含量、改善土壤物理環(huán)境，并且增強微生物活性和豐富度，促進秸稈降解，進而提升作物產量［14］。

稻蝦共作模式田施用復合微生物菌劑的土壤改良基質對土壤性狀的影響以及對稻蝦生長是否存在不利影響還需要進一步探索。為此，本研究以連續(xù)3年以上稻蝦共作的水泥池土壤為對象，分析富含復合微生物菌劑的土壤改良基質對水稻及克氏原螯蝦生長、土壤性狀、水體環(huán)境因子的影響，旨在明確土壤改良基質用于稻蝦共作田土壤培肥的效果及生物安全風險，以期為稻蝦共作模式田土壤培肥產品開發(fā)及土壤次生潛育化阻控技術研發(fā)提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2019年在江蘇省農業(yè)科學院內稻蝦共作定位水泥池進行（定位始于2016年）。所在地南京屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫15.4 ℃，平均降水日數117 d，平均降水量1 106.5 mm，相對濕度76%，每年6月下旬至7月上旬為梅雨季節(jié)。試驗開始前耕層（0～15 cm）土壤含總氮（0.65±0.06） g/kg、銨態(tài)氮（13.15±0.54） mg/kg、硝態(tài)氮（55.05±2.05） mg/kg、總磷（0.80±0.05） g/kg、有效磷（42.73±7.55） mg/kg、速效鉀（294.75±4.14） mg/kg、有機碳（10.37±1.83） g/kg，pH值為（7.22±0.11）、電導率為（162.0±4.9） μS/cm。供試土壤改良基質由某商品有機肥生產企業(yè)提供，該批次產品由牛糞、菇渣、礦物土、深海魚油廢料等物料混合發(fā)酵后添加復合微生物菌劑（B3、黑曲霉、枯草芽孢桿菌、蜂房芽孢桿菌等）制成，每克含有效菌落數（CFU） ≥2億個，有機質含量≥55%，總氮含量≥1.2%、總磷含量≥1.2%、總鉀含量≥1.2%；供試水稻品種為南粳9108；供試克氏原螯蝦幼苗單體平均體質量為（5.77±0.67） g。

1.2 試驗設計與田間管理

本試驗以等量替換的方式設置不施肥（CK）、常規(guī)化肥（CF）、無菌土壤改良基質替代30%化肥（NMOSF）、復合菌土壤改良基質替代30%化肥（MOSF）4個施肥處理，采用稻蝦共作水泥池微區(qū)試驗，每個處理3個重復，隨機區(qū)組排列，共計12個水泥池微區(qū)。每個水泥池微區(qū)面積2 m2（長2 m、寬 1 m）。在不考慮克氏原螯蝦飼料投喂帶入養(yǎng)分的情況下，設置氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥施用總量分別為240、120、120 kg/hm2，各處理肥料運籌及基質用量見表1。

6月26日排空水泥池土壤表層積水，撒施基肥，人工翻耙入土；6月27日上水，6月28日移栽水稻秧苗，每池移栽水稻44 株，每株1～2棵基本苗；7月3日投放克氏原螯蝦苗，每池放養(yǎng)克氏原螯蝦苗20尾（放養(yǎng)密度10尾/m2），克氏原螯蝦喂養(yǎng)按照平均每7 d喂養(yǎng)1次顆粒飼料171.90 kg/hm2、每 15 d 喂養(yǎng)1次菜籽餅63.75 kg/hm2，克氏原螯蝦放養(yǎng)至水稻收獲期間，水泥池上搭拱棚覆蓋尼龍網防鳥；9月28—30日收獲克氏原螯蝦，10月21日水稻成熟期測產。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤指標測定 水稻收獲當天，用環(huán)刀法測定土壤容重，用土鉆采集0～15 cm土層土壤，風干、粉碎、過篩后，測定土壤pH值、有機碳尾、土壤電導率、總氮、總磷含量，測定方法參考土壤農化分析方法［15］。圖1為稻蝦共作水泥池試驗現場。

1.3.2 稻蝦生長指標測定 在水稻成熟期，統(tǒng)計連續(xù)11 株水稻的有效穗數，選取與平均值接近的水稻植株測定每穗粒數、結實率及千粒質量，并將池中的水稻全部收獲用于測定實收產量；試驗結束前誘捕全部克氏原螯蝦，統(tǒng)計成活數量、孕籽克氏原螯蝦數量，測算群體指標（克氏原螯蝦成活率、孕籽克氏原螯蝦占比），測量克氏原螯蝦個體指標（體質量、體長、體寬）。

1.3.3 水體指標測定 在克氏原螯蝦放養(yǎng)1 d（土壤改良基質施用后8 d）、放養(yǎng)40 d（穗肥施用后 1 d）、放養(yǎng)49 d（穗肥施用后10 d）采集田面水樣，測定田面水pH值、電導率、化學需氧量（COD），并用SAN++全自動流動分析儀（荷蘭SKALAR公司）測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷含量。

1.4 數據分析與統(tǒng)計

采用Office Excel 2016軟件進行試驗數據匯總、分析及作圖，采用IBM SPSS Statistics 22軟件的單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncans法進行方差分析和多重比較（α=0.05），用Pearsons法對克氏原螯蝦生長指標和田面水體性狀進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 土壤改良基質對土壤性狀的影響

由圖2可知，與CF處理比較，NMOSF處理提升了稻田土壤有機碳含量、總氮含量、總磷含量、速效氮含量、有效磷含量以及土壤pH值和電導率，并降低了土壤容重，其中土壤總磷含量、速效氮含量、有效磷含量平均提升幅度分別達15.7%、176.6%、19.8%，差異顯著（P<0.05）；MOSF處理提升了土壤總氮含量、總磷含量、速效氮含量、有效磷含量以及土壤pH值和電導率，降低了土壤容重和土壤有機碳含量，除速效氮含量差異達顯著水平（P<0.05）外，其他差異均不顯著。說明本試驗采用的土壤改良基質對稻蝦共作田土壤具有良好的改良培肥效果，體現在能夠提升土壤有機碳含量、總氮含量、總磷含量、速效氮含量、有效磷含量，并降低土壤容重。比較NMOSF處理和MOSF處理，可發(fā)現土壤改良基質中的復合微生物菌劑能起到降低土壤pH值、有機碳含量、總磷含量、速效氮含量、有效磷含量，提升土壤電導率的功能。

2.2 土壤改良基質對水稻產量的影響

由表2可見，與CF處理比較，NMOSF和MOSF處理均顯著降低了水稻產量（P<0.05），理論產量平均降幅分別達19.0%和18.0%，實收產量平均降幅分別達20.9%和17.6%，表明本試驗采用的土壤改良基質等量替代30%化肥時，會造成水稻顯著減產，在產量構成因素上表現為有效穗數和結實率增加，但每穗粒數及千粒質量均下降。與NMOSF處理比較，MOSF處理水稻理論產量平均增加了1.3%，實收產量平均增加了4.2%，差異未達顯著水平，表明土壤改良基質中的復合微生物菌劑有促進水稻增產的功效，但增產效果不顯著，在產量構成因素上表現為有效穗數、結實率和千粒質量增加，但每穗粒數下降。

2.3 土壤改良基質對田面水質的影響

克氏原螯蝦放養(yǎng)1 d（土壤改良基質作為基蘗肥施用8 d）、40 d（穗肥施用1 d）、49 d（穗肥施用10 d）稻田水體指標變化情況見圖3?？芍寥栏牧蓟|施用8 d，與CF處理相比，NMOSF處理降低了田面水pH值、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量，平均降幅分別達11.1%、72.2%、3.5%，提高了田面水COD濃度、電導率、總磷濃度，平均增幅分別達340.7%、36.0%、49.7%，其中，田面水pH值、COD濃度、銨態(tài)氮、總磷濃度變化均達顯著性差異（P<0.05）。MOSF處理較NMOS處理降低了田面水pH值、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度，平均降幅分別達1.5%、3.0%、71.4%、7.3%，提高了田面水COD濃度和電導率，平均增幅分別達148.5%、22.2%，其中，田面水COD、 銨態(tài)氮濃度變化在0.05水平下差異顯著。穗肥期以后，與CF處理比較，NMOSF處理和MOSF處理仍持續(xù)增加田面水COD濃度和電導率，其中NMOSF處理增加田面水COD濃度的效果顯著（P<0.05），其他各指標隨稻蝦共作期的延長，差異逐步縮小。比較NMOSF和MOSF處理，可知土壤改良基質組分中的復合微生物菌劑能夠降低水體COD含量（圖3）。

2.4 土壤改良基質對克氏原螯蝦生長的影響

土壤改良基質的施用降低了稻田克氏原螯蝦產量，與CF比較，NMOSF處理、MOSF處理克氏原螯蝦產量分別降低55.8%、74.5%，差異達顯著水平（P<0.05）。MOSF處理與NMOSF處理比較，克氏原螯蝦產量降低42.3%，差異顯著（P<0.05），說明土壤改良基質中的基質載體和復合微生物菌劑均是構成克氏原螯蝦產量下降的原因。從克氏原螯蝦生長指標可以看出，與CK處理比較，NMOSF處理、MOSF處理克氏原螯蝦的成活率分別下降72.0%、78.0%，孕籽克氏原螯蝦占比分別下降37.5%、100%，下降顯著（P<0.05）；與CF處理比較，克氏原螯蝦成活率分別下降57.6%、66.7%，差異均達顯著水平（P<0.05），NMOSF處理孕籽克氏原螯蝦占比下降11.0%，MOSF處理孕籽克氏原螯蝦占比下降100%。說明土壤改良基質等量替代30%化肥不利于稻田克氏原螯蝦的成活與繁殖（表3）。與NMOSF處理比較，MOSF處理克氏原螯蝦成活率和孕籽克氏原螯蝦占比分別下降21.4%、100%，其中孕籽克氏原螯蝦占比下降顯著（P<0.05）。說明土壤改良基質中的復合微生物菌劑是造成克氏原螯蝦繁殖能力降低的主要因素。此外，MOSF處理克氏原螯蝦體質量增長量、體質量增長率、體長及體寬均最低，且體質量增長量及體質量增長率與CF和CK處理相比，下降幅度均達顯著水平（P<0.05）。

3 討論與結論

3.1 土壤改良基質對土壤性狀的影響

土壤改良劑分為無機改良劑、有機改良劑以及有機無機復合調配改良劑，針對稻田土壤的改良培肥，因種類、用量、調配方式不同而作用效果不同［9-13，16］。本研究采用的土壤改良基質作為有機民改良劑、無機改良劑混合調配產品類型之一，由牛糞、菇渣、礦物土、深海魚油廢料等物料混合發(fā)酵后添加復合微生物菌劑（B3、黑曲霉、枯草芽孢桿菌、蜂房芽孢桿菌等）制成，提升土壤有機碳、總氮、總磷、速效氮、有效磷含量的效果與張賡等的研究結果［10-12］一致。這是由于土壤改良基質的施用，直接提升了土壤碳氮比［17］，減緩了土壤原有有機碳的分解，并刺激土壤中可利用性氮、磷固定形成穩(wěn)定土壤有機質［18］，降低氮磷養(yǎng)分向下層土壤淋溶遷移量。MOSF處理降低了土壤有機碳含量，可能與復合微生物活動有關［14］。土壤改良基質的施用提升了土壤pH值和電導率，可有效防止土壤酸化［19］，但受復合微生物菌劑成分影響，提升效果略有不同，這與有機物質中高堿度灰分的中和作用有關［20-21］。

3.2 土壤改良基質對水稻產量的影響

有機土壤改良劑對促進水稻增產有功效，但離不開合適的產品配方以及科學的施用技術。侯紅乾等指出有機改良劑通過顯著影響水稻的穗數、每穗粒數進而影響水稻產量［12］。陳琨等研究表明，泥炭、商品有機肥、雞糞等處理均能提升水稻結實率，但泥炭、商品有機肥處理沒有增產效果，反而使水稻出現小幅減產［13］。王飛等在研究中發(fā)現，干牛糞、菇渣、秸稈、豬糞、油菜籽餅等處理均能增加冷浸田水稻單位面積有效穗數，但3 750 kg/hm2干牛糞和 3 000 kg/hm2 秸稈處理水稻籽粒產量均降低［11］。本研究在設置土壤改良基質替代30%化肥用量時，綜合考慮了生產企業(yè)推薦量4 500～7 500 kg/hm2 和水稻有機肥替代化肥比例49%的適宜用量［22］。施用土壤改良基質后水稻單位面積有效穗數及結實率均有所提升，與王飛等的研究結果［11，13］一致。造成減產的可能原因是土壤改良基質中的有機物質被復合微生物分解形成了還原性物質［23］，增加了土壤pH值、電導率及氧化還原電位［24］，對水稻正常穗分化和籽粒灌漿造成脅迫傷害，導致每穗粒數減少，千粒質量降低，最終形成減產。

3.3 土壤改良基質對克氏原螯蝦生長的影響

稻蝦共作模式田與常規(guī)潛育化稻田有所區(qū)別，在選擇和施用土壤改良劑時，除考慮土壤培肥及水稻增產效果外，還需特別關注克氏原螯蝦生長情況，以不影響克氏原螯蝦生長為前提。邵乃麟等研究發(fā)現，枯草芽孢桿菌能夠提升鱔蝦稻共作水體溶解氧，降低pH值，去除氨氮、亞硝酸氮、總氮、總磷含量最高分別達68.1%、86.5%、50.0%和58.8%［25］。程建平等認為，增施富含微生物菌劑的營養(yǎng)料可穩(wěn)定維持稻蝦共作水體弱堿性環(huán)境，降低水體中氨氮、亞硝酸鹽類物質含量，增加水體總磷含量，為克氏原螯蝦健康生長創(chuàng)造適宜水體環(huán)境，促進克氏原螯蝦生長［26］。本研究所用土壤改良基質中的復合微生物菌劑對克氏原螯蝦生長不利，可能原因是復合菌與克氏原螯蝦在同一環(huán)境中存有競爭關系，或復合菌活動代謝產物對克氏原螯蝦生長有毒副作用，相關機理需要進一步深入研究。表4是克氏原螯蝦生長指標與田面水質之間的相關性分析，克氏原螯蝦成活率與田面水COD濃度、電導率呈極顯著負相關（P<0.01），與總磷濃度呈顯著負相關（P<0.05），且克氏原螯蝦產量與COD濃度呈極顯著負相關。此外，孕籽克氏原螯蝦占比與田面水pH值呈極顯著負相關，克氏原螯蝦體質量增長率與總磷濃度呈顯著正相關，克氏原螯蝦體長與銨態(tài)氮濃度呈顯著正相關。COD表征了水中受還原性物質污染的程度［27］，其降解過程需要消耗水體中的溶解氧。Plumb等指出，處于連續(xù)低溶氧環(huán)境中的動物，其免疫力下降，對病原體的抵抗力減弱［28］。本研究所用無菌和復合菌土壤改良基質在克氏原螯蝦放養(yǎng)初期均顯著增加了水體COD含量，造成水中溶解氧下降，是造成克氏原螯蝦成活率低的重要因素之一。在稻蝦共作過程中，水體pH值要求保持在7.0～8.5，適度提高水體pH值有利于克氏原螯蝦生長［26，29-30］，本研究中無菌土壤改良基質在施用初期顯著降低了稻田水體pH值，不利于克氏原螯蝦幼苗成活及生長繁育。大多數天然淡水的電導率為50～500 μS/cm，電導率與水體營養(yǎng)物質濃度和懸浮物質含量呈一定的正相關性［31］，本研究驗證了這一觀點（表5），其中田面水電導率與水體COD和總磷濃度呈極顯著正相關（P<0.01）。稻田水體適宜的營養(yǎng)物質含量對克氏原螯蝦生長指標有利（表6），但濃度過高也會形成毒害作用［25-26］，本研究水體總磷濃度能促進克氏原螯蝦體質量增長，但總磷濃度與COD含量呈極顯著正相關，無菌土壤改良基質處理顯著增加水體總磷濃度也是造成克氏原螯蝦成活率降低的重要因素。

4 結論

土壤改良基質等量替代化肥能夠提升稻蝦共作田土壤總氮、總磷、速效氮、有效磷含量，并降低土壤容重，可作為稻蝦共作田土壤培肥產品。但等量替代30%化肥施用會造成水稻和克氏原螯蝦顯著減產，水稻減產主要體現在每穗粒數和千粒質量下降，克氏原螯蝦減產體現在成活率與繁殖能力下降。土壤改良基質施用后的田面水COD濃度上升是導致克氏原螯蝦成活率下降、克氏原螯蝦減產的主要原因，土壤改良基質中的復合菌劑是降低克氏原螯蝦繁殖能力的重要因素。在開發(fā)稻蝦共作田土壤培肥產品及研發(fā)稻蝦共作田土壤次生潛育化阻控技術時，應將田面水COD濃度作為表征克氏原螯蝦生長的安全風險指標，并控制復合菌劑的投入量。

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收稿日期：2022-08-12

基金項目：江蘇省重點研發(fā)計劃（現代農業(yè)）項目（編號：BE2019395、BE2018355-2）；江蘇省農業(yè)重大技術協同推廣計劃（編號：2020-SJ-047-04-01）。

作者簡介：王子臣（1986—），男，安徽利辛人，博士，副研究員，主要從事農業(yè)生態(tài)與環(huán)境養(yǎng)分循環(huán)利用工程研究。E-mail：20160028@jaas.ac.cn。

通信作者：陳 震，碩士，高級農藝師，主要從事水稻、油菜綠色高質高效新技術新模式新產品的研發(fā)及推廣。E-mail：jsszzzcz@163.com。