长期稻虾共作模式提高稻田土壤生物肥力的机理

  【目的】  长期稻虾共作是提高稻田肥力的有机生态途径。研究该模式对稻田土壤有机碳库和土壤酶活性的影响,为该模式的可持续应用提供理论依据。  【方法】  基于连续10年 (2005—2015) 中稻单作和稻虾共作的田间定位试验,于2015年10月中旬水稻收获后,按照0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 土层采集土样,分析不同土层中总有机碳 (total organic carbon,TOC)、土壤微生物量碳 (microbial biomass carbon,MBC)、可溶性有机碳 (dissolved organic carbon,DOC)、易氧化有机碳 (easily-oxidized organic carbon,EOC) 和颗粒有机碳 (particulate organic carbon,POC) 含量,测定不同土层土壤水稳性团聚体中有机碳的含量,计算了土壤碳库管理指数,同时分析了与土壤碳、氮和磷代谢有密切关系的纤维素酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。  【结果】  1) 相对于中稻单作,稻虾共作显著增加了各土层中TOC、POC和DOC含量,增加30—40 cm土层中MBC含量以及10—40 cm土层中EOC含量;2) 稻虾共作显著提高了10—30 cm土层中土壤碳库管理指数,碳库管理指数在10—20 cm和20—30 cm土层中较中稻单作模式分别提高了52.7%和58.2%;3) 稻虾共作模式下,0—20 cm土层中小于0.053 mm粉–黏团聚体的有机碳含量显著高于中稻单作模式,而在20—30 cm土层各粒级团聚体的有机碳含量均显著高于中稻单作模式;4) 与中稻单作相比,稻虾共作土壤脲酶活性在10—20 cm土层显著降低了16.7%,而在20—30 cm土层纤维素酶活性显著提高了28.0%;5) 除DOC外,TOC、POC、MBC与纤维素酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均呈显著正相关。  【结论】  长期稻虾共作提高了稻田土壤有机碳及其活性组分含量,特别是提高了20—30 cm土层纤维素酶活性,促进了根茬等有机物的分解,提高了该层次各粒级团聚体内的有机碳含量,改善了土壤结构,加大了水稻根系的下扎深度,改善了固持速效养分的能力,从而提升了稻田土壤生物肥力。     

稻–虾共作模式对涝渍稻田土壤微生物群落多样性及 土壤肥力的影响

研究了稻–虾共作模式对涝渍稻田土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响。结果表明,稻–虾共作模式的土壤平均颜色变化率(AWCD值)在0~50 cm土层均高于中稻单作模式,其中在25~50 cm土层中土壤AWCD值达到显著差异。0~25 cm土层,相对于中稻单作模式,稻–虾共作模式的土壤微生物群落Mc Intosh指数显著增加,且其微生物对胺类和酸类的利用率显著提高;而25~50 cm土层,稻–虾共作模式的土壤微生物群落Shannon指数和Mc Intosh指数均显著高于中稻单作模式,其土壤微生物对糖类、醇类和酸类的利用率较中稻单作模式显著提高;主成分分析表明对碳源利用主成分起分异作用的碳源为糖类和酸类。稻–虾共作模式的土壤有机碳和全氮含量在25~50 cm土层显著低于中稻单作模式,其土壤有机碳和全氮含量较中稻单作模式分别下降了41.8%和34.8%,0~25 cm土层不同模式的土壤养分无显著差异。由上可知稻–虾共作模式提高了土壤微生物的活性以及群落功能多样性,尤其对底层土壤的影响尤为显著,但降低了底层土壤的有机碳和全氮含量。     

稻虾共作模式对稻田土壤细菌群落结构与多样性的影响

通过研究稻虾共作模式下0 ~ 60 cm土层土壤细菌群落结构与多样性,明确该模式下稻田土壤细菌的群落特征,旨在为研究稻虾共作模式下稻田土壤养分循环提供理论依据。依托湖北省潜江市白鹭湖农场15年定位试验,采集0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm、30 ~ 40 cm、40 ~ 50 cm和50 ~ 60 cm土层土样,采用高通量测序技术分析土壤细菌群落结构和多样性,并研究土壤细菌群落特征与土壤理化性状的关系。与中稻单作模式相比,长期稻虾共作模式显著提高了0 ~ 10 cm和20 ~ 40 cm土层有机碳（TOC）含量、0 ~ 30 cm土层全氮（TN）含量、0 ~ 20 cm和30 ~ 40 cm土层全磷（TP）含量以及10 ~ 40 cm土层有效钾（AK）含量。长期稻虾共作模式后土壤细菌的群落组成发生了改变,显著提高了土壤中绿弯菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门和芽单胞菌门的相对丰度,降低了蓝细菌门、放线菌门和疣微菌门的相对丰度;同时,稻虾共作模式显著提高了10 ~ 20 cm和30 ~ 50 cm土层细菌的物种丰富度和多样性,但降低了0 ~ 10 cm土层细菌的丰富度。相关性分析表明,TOC、TN、AP和AK是影响稻虾共作模式土壤中细菌群落结构及多样性的主要因素。长期稻虾共作模式改变了稻田土壤理化性状,改变了土壤细菌的群落组成,提高了深层土壤的细菌物种丰富度和多样性。     

稻–虾共作模式对涝渍稻田土壤微生物群落多样性及 土壤肥力的影响

研究了稻-虾共作模式对涝渍稻田土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响。结果表明,稻-虾共作模式的土壤平均颜色变化率(AWCD值)在0-50cm土层均高于中稻单作模式,其中在25-50cm土层中土壤AWCD值达到显著差异。在0-25cm土层中,相对于中稻单作模式,稻-虾共作模式的土壤微生物群落McIntosh指数显著增加,且其微生物对胺类和酸类的利用率显著提高;而在25-50cm土层中,稻-虾共作模式的土壤微生物群落Shannon指数和McIntosh指数均显著高于中稻单作模式,其土壤微生物对糖类、醇类和酸类的利用率较中稻单作模式显著提高;主成分分析表明对碳源利用主成分起异作用的碳源为糖类和酸类。稻-虾共作模式的土壤有机碳和全氮含量在25-50cm土层中显著低于中稻单作模式,其土壤有机碳和全氮含量较中稻单作模式分别下降了41.8%和34.8%,在0-25cm土层中不同模式的土壤养分无显著差异。由上可知稻-虾共作模式提高了土壤微生物的活性以及群落功能多样性,尤其对底层土壤的影响尤为显著,但降低了底层土壤的有机碳和全氮含量。     

稻虾轮作模式下江汉平原土壤理化性状特征研究

稻虾轮作模式在湖北江汉平原已发展近30年,对农民增产增收具有重要作用。开展不同年限稻虾轮作对土壤理化性质影响的研究,有助于科学指导该模式下的农田管理。在同一农渠范围内选择相似的稻田,分别采集水稻单作(CK)和稻虾轮作(1、3、7、13、18和23a)的3个土层深度(0～20、20～40和40～60 cm)原状土样,分析其相应的理化指标。结果显示,与中稻单作相比,长期稻虾轮作会显著降低0～20和20～40 cm土层土壤容重并提高非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度,而40～60 cm土层变化较小;稻虾轮作1 a后土壤pH、全氮和易氧化有机碳含量显著增加,但速效养分和阳离子交换量增幅不明显。与稻虾轮作1 a相比,轮作7～13 a稻田的土壤pH和其他各项指标均显著增加;轮作13 a以上,0～20 cm土层的pH、全氮和速效养分增幅最为明显,但20～60 cm土层的理化性质无明显变化。随着轮作年限的延长,0～20 cm土层的pH和其他各项指标均表现为:23 a18 a13a7a1a0(CK),20～40cm和40～60cm土层的pH、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量也有相似规律,但增幅并不明显。因此,长期稻虾轮作有助于改善耕层土壤结构、增强土壤缓冲能力和提高pH及氮、磷、钾等速效养分含量。     

水分优化管理对稻虾共作模式水稻产量及 土壤还原性物质的影响

通过探索水分优化管理对稻虾共作模式水稻产量及土壤还原性物质的影响,为该模式下水稻水分管理和土壤改良提供科学依据。在水稻直播和机插两种种植方式下,分别设置以水稻分蘖后期和成熟期两次重晒田等措施为主的水分优化管理处理、以水稻分蘖后期和成熟期两次轻晒田等措施为主的水分常规管理处理,于湖北省潜江市采用田间定位试验开展研究。结果表明,在水稻直播和机插条件下,水分优化管理相对于常规管理平均增产率分别为8.5%和9.4%,增产效果均达到显著水平。相对于常规管理,水分优化管理对水稻有效穗数和每穗粒数的正效应大于结实率和千粒质量。水稻分蘖后期,水分优化管理相对于常规管理0～10 cm土层亚铁含量下降40.8%～41.8%,0～20 cm土层还原性物质总量下降45.1%～46.4%;与分蘖后期相比,水稻收获后0～20 cm土层亚铁和还原性物质总量总体呈下降趋势。由此表明,稻虾共作模式下分蘖后期和成熟期两次重晒田等水分优化管理措施能够显著增加水稻产量,缓解土壤潜育化程度。     

长期稻虾共作模式下稻田钾素平衡状况及合理施钾量研究

通过田间试验,研究了长期稻虾共作模式和中稻单作模式下农田生态系统钾素的输入、输出特征、平衡状况以及不同施钾量对直播水稻产量和钾肥利用效率的影响。结果表明,稻虾共作模式钾输入总量为134.3kg/hm~2,主要由化肥、饲料、降雨及灌溉水等带入,分别占输入总量的46.3%、10.3%、5.5%和34.8%;相对于中稻单作模式,稻虾共作模式由饲料和灌溉水输入的钾大幅增加。稻虾共作模式钾输出总量为119.4 kg/hm~2,主要由水稻籽粒、商品虾、渗漏以及排水带出,分别占输出总量的26.5%、5.0%、41.2%和27.3%,相对于中稻单作模式,以上4种途径钾输出均大幅增加。两种模式下钾表观平衡均出现盈余,且稻虾共作模式系统钾的盈余量低于中稻单作模式。同等施钾量条件下,长期稻虾共作模式的水稻产量、钾肥偏生产力和钾肥利用率较中稻单作模式分别平均提高了14.1%、14.2%和5.6%,且水稻增产主要是通过增加有效穗数来实现的。中稻单作模式和稻虾共作模式施钾量分别达到47.3 kg/hm~2(即K_2O施用量57.0 kg/hm~2)和21.6 kg/hm~2(即K_2O施用量26.0 kg/hm~2)时能够维持农田生态系统钾素平衡,而K_2O施用量分别达到82.2和85.0 kg/hm~2时水稻能够获得较高的产量。     

稻虾共作模式氮和磷循环特征及平衡状况

稻虾共作模式是我国长江中下游地区一种新兴的稻田复合种养生态模式,研究稻虾共作系统中氮（N）和磷（P）的循环特征及盈亏状况,对合理调控稻虾共作系统养分循环和平衡,指导系统N和P优化管理具有重要的意义。本文通过田间试验,采用投入产出法,以中稻单作模式作为对照,研究了稻虾共作模式下N和P的循环特征及平衡状况。结果表明：克氏原螯虾子系统N和P的输出/输入比分别为0.62和0.44,且子系统中N和P以饲料输入最大,占总输入的92.9%和96.4%,以成虾N和P输出最大,分别占总输出的53.3%和59.5%;在目前投入水平下,两种模式土壤子系统中N和P表观平衡均出现盈余,且稻虾共作模式土壤子系统N的盈余量高于中稻单作模式,而P的盈余量则低于中稻单作模式;稻虾共作模式和中稻单作模式的N和P输出/输入比均小于1,且稻虾共作模式的N和P输出/输入比均小于中稻单作模式;稻虾共作模式增加了土壤截存的N和P量,其土壤截存的N和P量较中稻单作模式分别提高49.2 kg·hm^-2和9.1 kg·hm^-2;稻虾共作模式提高了系统N和P表观损失量,其系统N和P表观损失量较中稻单作模式分别提高10.2 kg·hm^-2和1.0 kg·hm^-2。可见稻虾共作模式降低了N和P输出/输入比,促进了土壤中N和P的累积,但增加了系统N和P表观损失量。     

伊犁河谷栗钙土区不同产量雨养麦田土壤物理性质比较研究

以伊犁河谷栗钙土区雨养麦田为研究对象,采取田间调查、取样和实验室测定的方法,研究伊犁河谷不同产量水平栗钙土土壤物理指标变化特征,为该地区麦田土壤物理性质的改善和耕层构建提供理论支撑。结果表明:不同产量麦田土壤容重、紧实度从0~10 cm土层到20~40 cm土层均呈现增加的趋势;土壤总孔隙度、水稳性团聚体含量变化趋势刚好与土壤容重、紧实度相反,即0~10 cm> 10~20 cm> 20~40 cm。高产田土壤容重、土壤总孔隙度、紧实度、土壤三相比R值、水稳性团聚体各项指标均优于中、低产田。因此,通过土壤培肥、改进耕作措施改善土壤物理性质十分必要。     

稻虾共作模式的“双刃性”及可持续发展策略

近年来,稻虾[水稻-克氏原螯虾(小龙虾)]共作模式由于其较高的综合效益而在全国范围内得以大力发展。其中以湖北省稻虾共作发展最为迅速,面积大,技术也较为成熟,并形成了"潜江模式"。本文介绍了稻虾共作模式的特点及其发展情况,以湖北省稻虾共作模式为研究对象,采用产业调查,结合试验示范和定位试验,研究了稻虾共作模式的生产和生态效应,重点分析了稻虾共作模式的"双刃性"。稻虾共作模式的"双刃性"主要体现在(1)稳粮增效,但同时存在重虾轻稻的现象:稻虾共作模式较传统水稻单作模式可增产4.63%~14.01%,改善稻米品质,但部分稻虾共作模式中忽略水稻的管理,导致水稻产量偏低;(2)提高土壤肥力,但同时加剧了土壤次生潜育化:稻虾共作模式土壤中易氧化态有机碳(ROC)、全氮、全磷、全钾含量要高于传统水稻单作模式,但稻虾共作模式土壤颜色偏暗,土壤结构更为紧密,潜育化明显;(3)涵养水源,但同时可能增加水资源消耗:稻虾共作模式中地下水位高的稻田水分利用率提高,储水功能增强,但地下水位低的稻田可能增加50%~80%的耗水量;(4)减肥减药、提高水体养分含量,但同时增加了水体富营养化的风险:稻虾共作模式肥料和农药成本分别降低了79.5%和50.0%,稻虾共作模式田面水的全氮、全磷含量及硝态氮、氨态氮含量均高于水稻单作;(5)虫害减轻,但某些病害加重,同时生物多样性发生变化:稻虾共作模式螟虫发生减轻,但基腐病加重,生物多样性随共作年限先降低后又增高。根据以上现状与问题,本研究提出了稻虾共作的模式优化及建议,如因地制宜,避免盲目发展;研究标准,规范化发展;优化模式,科学水肥调控;因势利导,防治病虫草害,为稻虾共作模式的可持续发展提供依据。     

耕作方式对紫色水稻土全硫及有效硫的影响

以位于西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站 1990 年设立的长期免耕试验田为研究对象,通过采集 0 ~ 60 cm 土壤,应用等质量计算方法,探讨了冬水田平作（DP）、水旱轮作（SH）、垄作免耕（LM）和垄作翻耕（LF）等不同耕作方式对土壤全硫和有效硫的影响。结果表明,在 0 ~ 60 cm 深度内,土壤全硫和有效硫含量呈现出明显的垂直递减规律,即随着土壤深度的增加,含量逐渐降低;不同耕作方式下,土壤全硫含量及储量为 LM＞SH＞DP＞LF,有效硫含量及储量为 LM＞DP＞LF＞SH。长期垄作免耕提高了土壤全硫及有效硫的含量和储量,与对照 DP 处理相比,LM 处理全硫与有效硫含量分别增加了 20.80% 和 1.31%,储量分别增加了 19.54% 和 5.36%。耕作层（0 ~ 20 cm）,DP、SH、LM、LF 处理土壤有效硫平均含量分别为 27.15、13.45、31.43 和 24.01 mg/kg,DP、LF 以及 LM 处理为硫不缺或硫丰足,而 SH 处理为缺硫土壤（土壤有效硫含量＜16 mg/kg）。对缺硫土壤,应重视硫肥的施用,以促进农作物产量和品质的提高。     

虾稻共作对稻田土壤线虫群落结构的影响

农业生态系统利用种间互惠将种植业与养殖业相结合,既能提高农作物产量,也能减少化肥农药等对环境的危害。本研究以土壤线虫作为指示生物,研究外来物种克氏原螯虾与水稻种养结合模式对稻田土壤生态系统的影响,为虾稻共作模式下稻田生态系统的健康和可持续利用提供依据。通过比较水稻单作和虾稻共作,分别在水稻分蘖期、抽穗期和成熟期采集土壤样品,分析土壤线虫群落结构。结果表明:与水稻单作相比,虾稻共作土壤中食细菌线虫的百分比较高(分蘖期增加了26.52%,抽穗期增加了19.85%,成熟期增加了32.65%),同时机会主义cp1线虫类群所占百分比较高(分蘖期增加了31.13%,抽穗期增加了24.91%,成熟期增加了19.49%),说明虾稻共作生态系统中农田土壤养分循环较快,土壤呈养分富集。但是,虾稻共作农田土壤中捕食杂食性线虫、cp3~5线虫类群百分比较低(P0.05),同时成熟度指数也显著低于水稻单作。因此,在克氏原螯虾的影响下,稻田土壤食物网趋于简化,土壤的生物稳定性有下降趋势,故需要进一步加强虾稻共作对稻田土壤健康长期影响的监测和研究。     

黄土丘陵区不同退耕还林地土壤有机碳、氮密度变化特征

探讨了黄土丘陵区退耕种植10～40a的柠条、侧柏及刺槐林地0—60cm不同土层有机碳及全氮密度随退耕年限及在土层分布上的变化特征。结果表明:不同土层相比,退耕栽植柠条、侧柏、刺槐10～40a后0—20cm土层有机碳密度平均比20—60cm增加4.20,6.87,4.46Mg/hm2;0—20cm土层的全氮密度比20—60cm平均增加0.08,0.02,0.07Mg/hm2。与坡耕地比较,0—20cm土层在退耕30a中固碳速率为侧柏[0.33Mg/(hm2·a)]>刺槐[0.28Mg/(hm2·a)]>柠条[0.17Mg/(hm2·a)],固氮速率则为刺槐[0.03Mg/(hm2·a)]>侧柏[0.02Mg/(hm2·a)]>柠条[0.01Mg/(hm2·a)],且碳氮固定速率均显著高于深层土壤。10～30a不同退耕还林地增加的有机碳、氮平均分别有57%和51%来自0—20cm的土层。不同退耕还林地土壤C/N随土层深度的增加而减小。综上,退耕还林土壤表现出显著的提升土壤碳氮的效应,且以侧柏林地固碳能力较佳,刺槐林地固氮效果较好。     

有机肥对设施菜地土壤磷素状况的影响

以辽宁沈阳市郊某设施菜地土壤为研究对象,通过设置不同有机肥用量处理(0,20,60thm-2)的小区实验,系统研究不同有机肥处理对不同本底肥力设施菜地土壤全磷、速效磷含量变化的影响。研究结果表明,有机肥能够提高不同肥力设施菜地土壤0～20cm土层全磷含量,其中P1全磷含量与CK相比增加2.7～19.5%,P2增加7.6～33.6%。土壤0～20cm速效磷含量也随有机肥施用量的增加而明显增加,P2即有机肥施用量60thm-2时,不同肥力设施菜地土壤在黄瓜拉秧期速效磷含量与CK、P1之间均达显著差异(P<0.05)。本实验条件下,施用有机肥20thm-2,可保持施肥当季中肥力与高肥力设施菜地土壤磷素水平;当地常规有机肥施用量60thm-2可显著提高设施菜地土壤全磷与速效磷含量,从而加剧高肥力土壤磷素的累积,并对环境造成压力。     

稻-油轮作下保护性耕作对土壤肥力的影响及评价

本文选取湖北省武穴市、荆州市和武汉市3个稻-油轮作长期定位试验点(试验时间分别为9年、5年和3年),通过连续监测土壤容重、孔隙度、p H、有机质、全氮、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾等,研究在不同耕作年限和方式下,秸秆还田和免耕对水稻季(2015年10月)和油菜季(2016年5月)各土层(0~20 cm和20~40 cm)中土壤物理性质和养分的影响,并应用内梅罗指数法综合评价各土层土壤肥力水平,以探讨长期秸秆还田对土壤肥力的影响。结果表明:1)秸秆还田处理使水稻季和油菜季的土壤容重降低2.00%~16.54%,土壤总孔隙度增加1.00%~15.07%;而免耕处理下油菜季的变化与其相反,水稻季的变化不显著。2)秸秆还田处理增加了3个试验点0~20 cm土层中有机质(4.76%~35.07%)、全氮(1.80%~32.03%)、速效磷(20.95%~65.82%)、碱解氮(5.97%~37.00%)和速效钾(8.71%~133.04%)的含量,其中速效钾含量的增加幅度最高;免耕处理对土壤各养分的影响不显著,而在配施秸秆后,相对于其他处理,其对各养分的增加效果相对最好。各处理对20~40cm土层的影响与0~20 cm土层相似,但整体增加效果没有后者显著。3)各试验处理中,免耕+秸秆还田和施氮磷钾肥+秸秆还田两种处理增加各土层土壤综合肥力系数较大(7.56%~25.93%),它们对土壤肥力的提高效果相对较好。     

臭氧污染对水稻土物理结构和氮磷钾含量的影响

利用中国稻-麦轮作O3FACE(Free-air O3 concentration enrichment)试验平台,研究了连续3年大气O3浓度升高(比周围大气高50%)对稻田表层(0~20 cm)土壤团聚体、土壤容重及孔隙度和氮磷钾养分含量的影响。结果表明,大气O3浓度升高显著增加耕层土壤0.25~0.053 mm团聚体23.5%和降低<0.053 mm团聚体24.6%。O3污染具有增大0~10 cm土层和降低10~20 cm土层土壤容重的趋势,0~10 cm土壤中气体孔隙度显著减小39.8%,10~20 cm土壤中毛管孔隙度显著增加9.1%和气体孔隙度显著减小32.4%,改变了固、液、气三相比。长期O3污染显著降低土壤全氮含量10.5%和速效钾13.3%,显著增加有效磷40.8%,但对有效氮未产生显著影响。结果表明,长期臭氧污染将改变土壤物理结构和养分物质的生物地球化学循环。