“稻鸭共生”养分归还特征及水稻植株对氮、磷的吸收

"稻鸭共生"是对我国传统农业稻田养鸭的继承与发展。在长江流域双季稻主产区湖南布置了稻田养鸭田间试验,以常规稻作为对照,研究早、晚稻两季"稻鸭共生"养分归还特征及对水稻植株氮、磷吸收的影响。结果表明:两季"稻鸭共生"后,稻田可增加鸭粪碳229.87 kg.hm 2、鸭粪氮18.22 kg.hm 2、鸭粪磷17.75 kg.hm 2。"稻鸭共生"归还稻田土壤的碳、氮、磷量分别为1 491.21 kg.hm 2、66.02 kg.hm 2、25.14 kg.hm 2,比常规稻作分别提高20.43%(P>0.05)、55.81%(P<0.05)、379.00%(P<0.05)。"稻鸭共生"归还稻田土壤的碳、氮、磷量表现为碳>氮>磷,归还的碳、氮量以水稻根碳、氮占明显优势,归还的磷量以鸭粪磷占明显优势。与常规稻作相比,土壤全氮含量提高5.73%,全磷含量显著提高6.25%;"稻鸭共生"提高了早、晚稻根和秸秆的全氮、全磷含量及早、晚稻籽粒的全磷含量,增加了早、晚稻秸秆的氮、磷吸收量和早、晚稻根的磷吸收量,降低了双季稻产量及籽粒的氮、磷积累量。"稻鸭共生"对水稻植株磷的影响效果好于氮。     

长期肥料试验对土壤和水稻微量元素及重金属含量的影响

长期肥料试验会影响土壤中微量元素和重金属状况以及作物对微量元素和重金属的吸收。本文研究了长期的不同施肥处理对土壤、糙米中微量元素Cu、Zn、Fe、Mn和重金属Pb、Cd含量的影响,结果表明:经17a连续施用猪粪及秸秆还田显著增加了土壤Cu、Zn和Cd全量,而土壤Fe、Mn和Pb全量在不同施肥处理间没有显著差异;施肥增加了土壤有效态Cu、Zn和Fe含量,其中施用猪粪及秸秆还田的3个处理显著增加了土壤有效态Cu、Zn和Cd含量,而土壤有效态Pb含量在不同施肥处理间没有显著差异。不同处理糙米Cu、Zn、Fe、Mn和Pb含量变化较小或没有显著性差异,而在3个施猪粪和秸秆还田处理中,糙米Cd含量均超过国家食品卫生标准(>0.2 mg kg-1)。水稻地上部吸收积累Cu、Zn、Fe、Mn、Pb和Cd总量与其地上部生物量呈正相关,土壤Cu、Zn、Cd有效态与全量含量呈极显著相关关系,而糙米中的镉含量与土壤镉含量有较好的相关关系。长期施用畜粪导致土壤Cd污染问题应引起高度重视。     

衢州典型重金属污染农田镉、铅输入输出平衡分析

为定量评估区域农田土壤重金属输入输出平衡,以浙江省衢州市某典型镉(Cd)、铅(Pb)中、轻度复合污染农田为研究对象,对其主要输入源(大气沉降、灌溉、肥料和农药)的Cd、Pb输入通量以及输出通量(水稻秸秆与籽粒移出)开展了长期监测与定量平衡分析。结果表明,大气沉降通量无显著季节变化,由大气沉降导致的Cd、Pb年均输入量分别为3.18和54.46 g·hm^-2,输入量占比分别达到34.98%和34.95%;而灌溉水Cd、Pb年均输入量分别为5.76和100.62 g·hm^-2,占比分别达到63.37%和64.57%;由肥料带入的Cd、Pb年均输入量分别为0.15和0.74 g·hm^-2,占比仅为1.65%和0.47%;而农药带入的Cd、Pb输入量可忽略不计。在该地区双季稻种植模式下,通过水稻秸秆和籽粒的收获和转移,Cd、Pb年输出量分别为10.69和41.74 g·hm^-2。综上,调查区域农田土壤Cd的输入输出基本达到平衡,而土壤Pb仍为输入状态,建议对该地区灌溉水进行净化并开展长期监测,同时避免水稻秸秆直接还田。本研究强调了重金属污染区水稻秸秆移除的重要性,为农田土壤重金属污染风险管控提供了理论依据和数据支持。     

秸秆还田对稻田渗漏液DOC含量及土壤Cd活度的影响

通过盆栽试验,研究了秸秆还田对稻田渗漏液DOC含量及重金属污染土壤Cd溶出的影响。结果表明,秸秆还田增加了稻田渗漏液的DOC含量,提高了土壤Cd的活度。稻田渗漏水DOC的浓度随秸秆还田量的增加而增大。秸秆还田增加了Cd随稻田渗漏水的流失,使得稻田土壤Cd全量、有效态Cd量均随秸秆还田量的增加而降低,部分处理降低幅度达显著水平。本试验条件下由于较多的秸秆还田影响了水稻生长,使水稻植株Cd浓度、累积量均随秸秆还田量的增加呈先上升后下降的趋势。秸秆还田0.5%处理的水稻植株Cd浓度、累积量最高,分别为45.10mg·kg-1、1858.1μg·pot-1。     

钝化剂对铅锌尾矿砂中重金属的固化作用

铅锌尾矿砂重金属含量高,对环境危害大。为了减缓铅锌尾矿砂的重金属污染风险,采用室内培养实验方法,在铅锌尾矿砂中添加油菜秸秆、芒草秸秆、水稻秸秆、石灰和磷酸一铵等钝化剂,并通过DTPA及Tessier连续提取铅、锌、镉的化学形态,评价钝化剂对铅、锌、镉的移动性和生物有效性的影响。结果表明,油菜秸秆、芒草秸秆、水稻秸秆、石灰和磷酸一铵均显著地降低Cd的生物有效性及其迁移能力;磷酸一铵、油菜秸秆均能有效地降低尾矿砂中Pb的生物有效性及其迁移能力,尤其是磷酸一铵有极显著的效果;油菜秸秆、芒草秸秆、水稻秸秆和磷酸一铵均能有效地降低尾矿砂中Zn的生物有效性及其迁移能力。尾矿砂中DTPA态Cd、Zn与交换态、碳酸盐结合态Cd、Zn极显著正相关,DTPA态Pb与碳酸盐结合态Pb极显著正相关。从Pb、Cd、Zn生物有效态含量的减少方面考虑,油菜秸秆和磷酸一铵是较好的铅锌尾矿砂原位钝化剂。     

秸秆还田配施石灰对水田土壤铜、锌、铅、镉活性的影响

秸秆还田是我国培肥地力和增加农田土壤碳固定的重要措施,但进入农田的秸秆存在着活化土壤重金属的风险。为了解不同来源的秸秆对污染水平不同农田土壤重金属活性的影响,采取相应措施防止因秸秆还田对农田土壤重金属的激活,开展了盆栽和田间小区试验研究秸秆还田配施石灰对水田土壤铜、锌、镉、铅活性的影响。盆栽和田间试验在轻度和重度污染2种土壤上同时进行。盆栽试验中施用秸秆包括重污染水稻秸秆、轻污染水稻秸秆和轻污染油菜秸秆3种,石灰用量设对照(0 kg·hm-2)和石灰处理(750 kg·hm-2)2个处理;田间小区试验设对照(不施秸秆和石灰)、秸秆还田及秸秆还田+石灰3个处理。动态观察了试验过程中土壤有效态重金属、重金属形态及水稻籽粒中重金属积累情况。结果表明,试验初期(前20 d)秸秆还田显著增加了水田土壤中水溶性有机碳与水溶性重金属的含量;与对照处理比较,水溶性重金属含量以重度污染土壤增幅较为明显。试验后期(60 d后)秸秆还田对土壤重金属的活性的影响逐渐变得不明显。油菜秸秆还田土壤中水溶性重金属含量低于水稻秸秆还田,重污染水稻秸秆还田土壤中水溶性重金属含量高于低污染水稻秸秆还田。盆栽试验和田间试验的结果都表明,重污染水稻秸秆还田可轻微增加水稻籽粒中镉的积累,但轻度污染水稻秸秆还田与油菜秸秆还田对水稻籽粒镉积累的影响较小;3种秸秆还田对水稻籽粒铅、铜、锌积累的影响不明显。配施石灰可显著降低土壤中水溶性重金属的含量,降低水稻籽粒中重金属的积累。研究认为,在污染农田管理上应控制重污染水稻秸秆还田,在秸秆还田的同时适量配施石灰。     

稻鸭共作对水稻部分株型结构指标的影响

水稻株型结构能够影响水稻的产量和品质。稻鸭共作能否对水稻株型结构产生影响,目前这方面的定量研究还很少。本研究通过田间对比试验,探讨了稻鸭共作与常规稻作两种处理对水稻分蘖期和齐穗期的部分株型结构指标的影响。结果表明,与常规稻作方式相比,稻鸭共作使水稻基部宽度呈减小趋势、冠层幅度呈增大趋势,最终使植株松散度显著增加,分蘖期和齐穗期增幅分别为12.2%和42.3%。稻鸭共作使水稻倒3叶和倒4叶的叶长、叶开角和披垂度减少,使剑叶和倒2叶的叶长、叶开角和披垂度增大,从而使水稻呈上披下挺的株型结构,并使叶面积主要分布于上部叶片。稻鸭共作使水稻植株的基叶高呈增加趋势,在齐穗期与常规处理达到显著性差异。稻鸭共作有利于水稻生育前期和中期的茎蘖合理发展,而且在后期可促进水稻上部功能叶片的生长,这在一定程度上有利于水稻高产的形成。     

不同土壤质地条件下麦秸、铅对镉在水稻-土壤系统中迁移的影响

通过室外砂土和黏土的大型土柱栽培试验,研究了麦秸、铅对镉在水稻-土壤中迁移的影响。研究结果表明,在砂土和黏土中随着水稻的生长发育,水稻植株镉含量逐渐降低,添加铅和麦秸均促进了水稻对镉的吸收,增加了水稻植株镉的含量,且铅的促进效应大于麦秸处理。添加铅和麦秸有利于镉向籽粒的转运和提高水稻籽粒镉的富集系数,砂土中添加铅、麦秸的处理籽粒镉含量和富集系数比镉单一处理分别增加44.00%、36.00%和41.67%、50.00%;黏土中分别增加58.62%、43.00%和46.15%、61.54%。镉进入土壤后会随着水分流动向下迁移,在砂土中的迁移能力大于黏土。随着土壤深度的增加镉含量逐渐减少,黏土在40～60cm、砂土在60～80cm土层中镉含量与对照含量差异不显著。添加铅和麦秸可以降低镉在土壤中向下迁移的能力,降低幅度黏土大于砂土。     

冶炼企业影响的土壤-水稻系统中重金属分布特性及污染评价

以苏南某冶炼厂原址场地附近土壤、水稻为对象,研究了土壤及水稻籽粒中重金属（Cu、Pb、Cd）污染状况及其迁移、累积特征。结果表明,研究区土壤重金属综合污染指数均大于3,污染等级超过5级,属重度污染且各重金属间污染程度呈现Cd〉Cu〉Pb的特征,水稻籽粒中重金属Pb、Cd超标严重。在迁移、累积方面,表层土壤重金属呈现出由东南向西北方向扩散的趋势,且向下迁移及在水稻籽粒中累积的趋势明显,各重金属在水稻籽粒中富集能力的大小顺序为Cu〉Cd〉Pb。     

控制灌溉模式对稻田土壤-植物系统镉和铬累积的影响

为了揭示不同灌溉模式Cd、Cr灌溉输入量差异及对Cd、Cr在稻田土植系统总累积的影响,基于田间试验开展了不同灌溉模式稻田土-植系统Cd、Cr含量观测。结果表明,控制灌溉与淹水灌溉相比在水稻全生育期可分别减少Cd、Cr灌溉输入量60.8%和59.8%。灌溉模式的改变显著影响了重金属Cd、Cr在植株地上部分的累积。与淹水灌溉相比,控制灌溉植株地上部分Cd、Cr累积量分别增加了29.5%和5.4%。植株吸收的Cd、Cr大部分储存在根部,只有少量向地上部分迁移,控灌植株根部Cd、Cr吸收富集系数大于淹灌处理。控制灌溉增强了Cd、Cr向水稻植株的迁移能力,以及Cd、Cr向地上部分迁移。因此控制灌溉减少了稻田重金属Cd、Cr的输入风险和土壤累积风险,但会导致水稻植株吸收Cd的增加,需要有针对性地进一步开展相关修复和防治研究。     

近10多年来我国鸭稻共作生态农业技术的研究进展与展望

近10多年来,我国在鸭稻共作生态农业技术的理论研究和生产实践等方面均取得了长足进步,因此有必要加以总结。其中,在理论研究层面,主要涉及鸭稻共作对稻田养分循环与能、物流特征的影响,对病虫害的防控和天敌害虫动态的影响,对杂草群落结构的影响及其防控,对水体环境与水体生物多样性的影响,对土壤肥力特征及土壤生物多样性的影响,对水稻生长性状及水稻群体结构形态建成的影响,对温室气体排放及全球变化的影响,对水稻品质、产量、综合效益与生态服务功能的影响,利用鸭稻共作控制福寿螺的效果与机制等领域,并取得了相应的研究进展。在技术层面,主要开展了鸭稻共作生产技术规程、直播方式下鸭稻共作生产技术、免耕抛秧养鸭技术以及其他鸭稻共作新技术的探索与创新实践。在此基础上,提出了4个方面的研究展望,包括鸭稻共作的生态效应与机制及其长期定位研究、鸭稻共作关键技术的创新、系统集成与示范研究、鸭稻共作生产技术的标准化与产业化研究,以及与全球变化和低碳农业发展的关联与接轨研究。     

稻鸭共作对稻田水体底栖动物生物多样性的影响

在水稻不同生育时期对稻鸭共作稻田和常规稻田的土壤取样,研究不同稻田生态系统水体底栖动物的生物多样性。结果表明：与常规稻田相比,稻鸭共作使水体底栖动物的种类数减少。水稻生育前期,稻鸭共作使底栖动物的个体总数减少较大,后期与常规稻田差异较小。水稻各生育时期常规稻田和稻鸭共作稻田底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数变化趋势相似,均为水稻生育前期稻鸭共作稻田的生物多样性指数和均匀度指数高于常规稻田,而后期低于常规稻田。研究结果为规范稻鸭共作稻田水分管理和稻鸭共作技术提供理论指导,促进稻鸭共作技术的推广和应用。     

稻田开放式自动化养鸭设备的研制及试验

为了解决鸭稻共作过程中依靠人工饲养鸭子费时费力的问题,加速推广具有良好经济效益和社会效益的水稻生态农业模式,该文设计了一种以单片机为控制核心,在无人值守情况下在稻田中自动化养鸭设备。该设备放置在稻田的输水渠上不占农田,由太阳能电池板产生的能量驱动,能够按照昼夜变化规律运行,早晨05:30后自动开门,傍晚18:00奏音乐唤鸭回笼并能自动补料、给水和关门。由于料斗放置在田间,饲料容易受潮而结拱影响补料量控制的精准度,设计了振动式料斗破拱装置,试验确定了破拱装置的振动偏心距为30 mm、转速为1 200 r/min。田间试验结果表明,在自动门延迟关门1 min和声音响度100 d B时,鸭群回笼率达到97.5%以上;自动化养鸭设备饲养鸭群体质量增长与人工喂养无显著性差异(P0.05)。该研究成果对鸭稻共作技术的推广应用具有重要意义。     

稻鸭共作对不同栽培环境稻季CH4和N2O排放的影响

稻田是大气温室气体甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)的重要排放源, 稻田温室气体减排一直是生态农业研究的热点。目前, 采用水稻品种选择利用、水分控制管理、肥料运筹管理、耕作制度调整以及种养结合模式等方法来减少稻田温室气体排放有较好实践效应, 但不同稻田栽培环境(露地、网室)基础上的稻鸭共作对麦秸全量还田的稻田温室气体排放特征及相关土壤理化特性关联性的影响尚为少见。本研究采用裂区设计, 在两种栽培环境条件下, 以无鸭子放养的常规稻作和麦秸不还田为对照, 在等养分条件下分析麦秸全量还田与稻鸭共作模式对稻田土壤氧化还原电位、CH₄排放量、产CH₄潜力及CH₄氧化能力、N₂O排放量及N₂O排放高峰期土壤反硝化酶活性、全球增温潜势、水稻产量的影响, 为稻田可持续生产和温室气体减排提供参考。结果表明, 麦秆还田增加了稻田产CH₄潜力、提高了CH₄排放量, 降低了稻田土壤反硝化酶活性、土壤氧化还原电位和N₂O排放量, 整体上导致全球增温潜势上升96.89%~123.02%; 稻鸭共作模式, 由于鸭子的不间断活动提高了稻田土壤氧化还原电位, 降低了稻田产CH₄潜力, 增强了稻田CH₄氧化能力, 从而降低稻田CH₄排放量, N₂O排放量虽有提高, 整体上稻鸭共作模式的全球增温潜势较无鸭常规稻田下降8.72%~14.18%; 网室栽培模式显著提高了稻田土壤氧化还原电位, 降低稻田产CH₄潜力、CH₄氧化能力和土壤反硝化酶活性, 减少了稻田CH₄和N₂O排放量, 全球增温潜势降低6.35%~13.14%。本试验条件下, 稻田土壤的CH₄氧化能力是产CH₄潜力的2.21~3.81倍; 相同环境条件下, 稻鸭共作和麦秸还田均能增加水稻实际产量, 网室栽培的所有处理较相应的露地栽培减少了水稻实际产量1.19%~5.48%。本试验表明, 稻鸭共作和网室栽培可减缓全球增温潜势, 稻鸭共作和麦秸还田能够增加水稻实际产量。     

稻-鸭复合生态系统稻田土壤质量研究

通过田间试验对湿地稻-鸭复合生态系统的稻田土壤质量进行了研究。研究结果表明,与常规稻田相比,实行稻-鸭生态复合种养,其土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾都有所增加,增加幅度分别为11.3～29.3%、3.0～15.1%、5.9～9.6%、3.8～9.7%、23.4～27.3%;土壤物理性状也得到一定程度地改善,土壤容重降低0.01gcm-3,>0 25mm团聚体增加2.65～3.12%,土壤结构系数增加2.56～6.63%;同时,稻田土壤氧化还原状况也得到了明显改善;而且由于土壤肥力的提高以及土壤通气状况的改善,也促进了水稻对N、P、K养分的吸收。     

稻鸭萍共作复合生态系统的物能特征分析

对稻鸭萍共作生态系统物能流特征的分析结果表明,通过在稻田生态位添加鸭子和绿萍,使原来的稻田食物链结构趋向复杂化,增加了稻田生态系统的稳定性.稻鸭萍共作生态系统光能利用率最高,比稻鸭共作生态系统和常规稻作系统分别提高18.52%和23.08%;能流循环指数为0.096,显著高于稻鸭共作系统和常规稻作系统.此外,稻鸭萍共作生态系统氮磷钾各养分循环通量也表现为最高,显示稻鸭萍共作生态系统农田养分循环强度较高,对施肥的依赖程度较低,对环境压力小.     

放养密度对稻田内鸭子运动规律及杂草控制效果的影响

为探索放养密度对鸭子在田间运动行为规律的影响及其对杂草的控制效果,该文采用超宽带(ultra wide band,UWB)定位技术,检测了鸭子在田间运动位置信息,研究了不同放养密度下鸭子在田间的活动规律及其对水田主要杂草的防除效果。结果表明,随着放养密的增加:1)鸭子的活动范围变大,单位面积出入几率也增大;2)鸭子在田间运动时间占总时间的比例逐步加大,对应每660 m2放养15、20、25和30只4种放养密度,该比例分别是69.17%,75.33%,77.83%和80.00%;3)鸭子进入各个小单元格的平均次数越多,对应上述4种放养密度,鸭子每天平均进入各单元格次数分别是12.05、17.82、23.03和27.73次,其中,高频次比例逐渐增加,且增加较快,而低频次比例逐渐较小;4)对杂草的控制效果越好,因为鸭子在田间活动的目的是获取食物,放养密度越大,鸭子为获取食物而产生的竞争越激烈,鸭子在田间的活动范围越广、时间越长、进入各个小单元格的频次越高,其采食杂草的机会越多。研究成果将为鸭稻共作技术工艺的进一步优化提供参考。     

Ecological effects of rice-duck integrated farming on soil fertility and weed and pest control

Purpose

This paper aims to study the ecological effects of rice-duck integrated farming on soil fertility and weed and pest control.

Materials and methods

A field experiment was carried out in the suburb of Shanghai in 2014, which included a rice-duck integrated treatment and non-duck treatment (CK) under organic management. Each treatment was in triplicate, and the experiment included six plots in total, with each plot 667 m² in area.

Results and discussion

(1) The number of weeds in the plots with the duck treatment was significantly lower than that with CK (p?<?0.01). (2) The incidence of stem borers (Chilo suppressalis) with the duck treatment was significantly lower than that with CK (p?<?0.05). The incidences of rice leaf rollers (Cnaphalocrocis medinalis), rice sheath blight (Rhizoctonia solani), and planthoppers with the duck treatment were extremely significantly lower than those with CK (p?<?0.01). (3) The contents of NH₄ ⁺-N, alkali-hydrolyzable N, available P, and available K in the soils with the duck treatment were higher than those with CK, and the activities of urease, phosphatase, sucrase, and catalase in the soils with the duck treatment were also much higher than those with CK. The grain yield with the duck treatment was 1.9 times that with CK. (4) The number of soil nematodes with the duck treatment was significantly higher than that with CK in the late rice growing stage (p?<?0.01).

Conclusions

Raising ducks in the paddy fields not only showed a potential of controlling weed hazards and reducing rice pests and diseases but also raised soil fertility, improved soil biodiversity, and increased grain yield effectively. Implementing the rice-duck integrated farming could highly reduce the amount of pesticides and herbicides and was beneficial to develop the organic rice farming in the suburbs of Shanghai, Southeast China.