發(fā)布時間：2020-07-27 21:22

【摘要】：稻蝦[水稻(Oryza sativa)-克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)]共作模式是一種以潛育性稻田為條件,種稻為中心,稻草還田養(yǎng)蝦為特點的高效人工生態(tài)系統(tǒng),該模式充分利用了稻田的淺水環(huán)境和冬閑期,把種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機結合起來,達到了水稻和克氏原螯蝦雙豐收的目的。目前稻蝦共作模式主要分布在湖北、江蘇、江西、湖南、安徽等長江中下游地區(qū),且以湖北省的面積最大。與傳統(tǒng)的中稻單作模式相比,稻蝦共作模式不僅提高了農田資源的利用率,增強了稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其抗外界沖擊的能力,而且促進了系統(tǒng)中物質就地循環(huán),阻止了稻田能量流的外溢,改善了稻田的生態(tài)結構與功能。在稻蝦共作模式中,克氏原螯蝦的掘穴活動提高了土壤通透性,使水中的養(yǎng)分物質和溶解氧到達土壤底層,擾動了土壤氧化還原界面,改變了土壤微生物的群落結構和組成,提高了土壤有機碳轉化以及養(yǎng)分的釋放速率;另外稻田四周所挖的用于克氏原螯蝦躲避的環(huán)形溝,降低了潛育性稻田耕層的水位,加速了土壤與空氣的交換,減輕了耕層土壤還原狀況,所有這些均會影響土壤肥力變化。本研究以江漢平原低湖地區(qū)潛育性稻田為對象,利用10年長期定位試驗,研究了長期稻蝦共作模式下稻田土壤物理、化學及生物等性狀的變化特征,水稻產(chǎn)量及構成、養(yǎng)分累積量及利用率,明確了長期稻蝦共作模式下稻田土壤肥力變化特征及其對稻田生產(chǎn)力的影響;通過分析稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素的輸入、輸出及平衡狀況,評價了稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素平衡對稻田土壤養(yǎng)分演變的驅動作用。主要研究結果如下:(1)與中稻單作模式相比,稻蝦共作模式使15~30 cm土層的土壤緊實度顯著降低,尤其以25 cm深度處降幅度最大(近30%)。土壤容重亦顯著降低,土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著提高。稻蝦共作模式較中稻單作模式顯著提高了0~20cm和30~40 cm土層中2 mm粗大團聚體含量,降低了0~10 cm土層中2~0.25 mm細大團聚體以及0.053 mm粉-黏團聚體的含量,促進了微團聚體聚結成大粒級團聚體;稻蝦共作模式提高了0~40 cm土層中0.25 mm團聚體數(shù)量、平均質量直徑和幾何平均直徑,降低了0~20 cm土層的團聚體分形維數(shù),增加了水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。在土壤物理性狀方面,稻蝦共作模式降低了土壤緊實度,增加了土壤通透性,改善了土壤團粒結構。(2)稻蝦共作模式較中稻單作模式顯著提高了0~40 cm土層中土壤有機質、全鉀和堿解氮的含量,0~30 cm土層中土壤全氮的含量,0~10 cm土層中全磷和速效磷的含量,10~30 cm土層中硝態(tài)氮以及20~40 cm土層中速效鉀的含量。與中稻單作模式比較,稻蝦共作模式顯著降低了0~10 cm土層中還原性物質總量,但提高了20~30 cm土層中還原性物質總量。在土壤化學性狀方面,稻蝦共作模式提高了土壤全量和速效養(yǎng)分含量,降低了表層土壤(0~10 cm)還原性物質總量,但增加了10 cm以下土層潛育化的風險。(3)與中稻單作模式相比,稻蝦共作模式顯著增加了0~40 cm土層中土壤總有機碳、顆粒有機碳和可溶性有機碳的含量,10~40 cm土層中土壤易氧化有機碳含量,20~40 cm土層中土壤微生物量碳含量以及10~30 cm土層中土壤碳庫管理指數(shù)。稻蝦共作模式較中稻單作模式顯著提高了0~30 cm土層中0.053 mm粉-黏團聚體的有機碳含量,以及20~30 cm土層中各粒級團聚體中有機碳的含量。在土壤碳庫方面,稻蝦共作模式增加了土壤中有機碳及其活性組分的含量,提高了土壤碳庫管理指數(shù)。(4)稻蝦共作模式的土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶活性在0~40 cm土層較中稻單作模式均呈降低趨勢,且脲酶活性在10~20 cm土層顯著降低;Biolog ECO分析表明,稻蝦共作模式增加了20~30 cm土層中土壤微生物利用不同碳源的能力,提高了土壤微生物群落的豐富度、優(yōu)勢度和多樣性指數(shù),但降低了0~10cm土層中土壤微生物優(yōu)勢種的數(shù)量以及利用不同碳源的能力;PLFAs分析表明,稻蝦共作模式提高了20~40 cm土層中好氧細菌、AMF菌和G-數(shù)量,主成分分析顯示在20~30 cm土層中,稻蝦共作模式的微生物群落組成與中稻單作模式顯著不同,且主要增加了G-細菌、好氧細菌和真菌的比例;Pearson相關性分析表明土壤有機碳、土壤酶、全氮和全磷是土壤微生物群落組成的重要影響因素,而土壤酶和p H則與土壤微生物多樣性關系較為密切。在土壤生物性狀方面,稻蝦共作模式降低了土壤酶的活性,改變了底層土壤(20~40cm)中微生物群落結構及功能性多樣性。(5)稻蝦共作模式提高了水稻每穗總粒數(shù)以及稻谷產(chǎn)量,其中稻谷產(chǎn)量于2015年和2016年較中稻單作模式分別提高了6.41%和3.66%;稻蝦共作模式提高了稻谷和稻草以及地上部的氮素、磷素和鉀素養(yǎng)分累積量及其農學利用率,且地上部的養(yǎng)分累積量中鉀素磷素氮素。經(jīng)濟效益分析表明,稻蝦共作模式的總產(chǎn)值和利潤較中稻單作模式分別提高了46611.0￥/hm2和23811.0￥/hm2,增幅分別為188.0%和218.0%。在水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益方面,稻蝦共作模式不僅能夠提高水稻產(chǎn)量,而且大幅增加了農民收入,具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。(6)稻蝦共作系統(tǒng)和中稻單作系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯,且稻蝦共作系統(tǒng)固碳潛力大于中稻單作系統(tǒng),增幅為6.38%。稻蝦共作系統(tǒng)中土壤子系統(tǒng)氮盈余,而磷則出現(xiàn)虧缺,而中稻單作系統(tǒng)中土壤子系統(tǒng)氮和磷均呈出現(xiàn)虧缺;克氏原螯蝦子系統(tǒng)中碳、氮和磷的輸出/輸入比值介于0.51~0.65,且以氮的輸出/輸入比最高;稻蝦共作系統(tǒng)中氮和磷的輸出/輸入比值均小于中稻單作系統(tǒng),表明稻蝦共作系統(tǒng)中氮和磷盈余量均高于中稻單作系統(tǒng),有利于土壤中氮和磷的累積。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S511;S966.12;S158
【圖文】：

評價稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素的平衡狀況對稻田土壤肥力演變的驅動作用，為進一步推廣稻蝦共作模式提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。本研究的技術路線如圖2-1所示：圖 2-1 技術路線圖Fig. 2-1 The schematic diagram of the research

作模式下稻田土壤肥力變化特征研究173.3 結果與分析3.3.1 稻蝦共作模式對土壤緊實度的影響土壤緊實度可預測土壤承載量、耕性和根系伸展阻力（依艷麗 2009）。由圖3-1可知，隨著土層深度的增加，土壤的緊實度均呈逐漸增加的趨勢，其中至40 cm處，稻蝦共作模式和中稻單作模式的土壤緊實度趨于一致；在15~30 cm土層中，稻蝦共作模式的土壤緊實度較中稻單作模式呈降低趨勢。通過對5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和40 cm處土壤緊實度分析（表3-1）表明，稻蝦共作模式在土層15 cm、20 cm、25 cm和30 cm處的土壤緊實度均顯著小于中稻單作模式，其土壤緊實度較中稻單作模式分別降低了20.9%、29.9%、24.8%和14.7%，這表明長期稻蝦共作模式顯著降低了15~30 cm土層的土壤緊實度。圖 3-1 稻蝦共作模式下不同土層深度的土壤緊實度Fig. 3-1 Soil compaction of different soil depths under integrated rice-crayfish model表 3-1 稻蝦共作模式對不同土層深度土壤緊實度的影響（kPa）Table 3-1 Effect of integrated rice-crayfish model on soil compaction in different soil depths處理Treatment土層深度 Soil depths（cm）5 10 15 20 25 30 35 40MR 165.4±43.4a 318.6±37.1a 589.1±64.7a 813.4±139.8a 903.7±97.6a 922.4±80.8a 898.0±132.6a 941.8±137.6aCR 156.5±30.7a 331.1±22.3a 462.1±79.4b 558.7±112.5b 672.3±69.1b 781.0±75.5b 850.2±74.1a 907.7±83.4a注：表中數(shù)據(jù)為 3 次重復的平均值，數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達 5%顯著水平； MR：中稻單作模式；CR：稻蝦共作模式；下同。Note: Values were the mean of three replicates

圖 5-1 不同土層中土壤微生物的 AWCD 值Fig 5-1 AWCD value of soil microorganisms in different soil depths注：MR：中稻單作模式；CR：稻蝦共作模式；下同。Note: MR: rice monoculture model; CR-crayfish model. All tables below are the same.

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本文編號：2772401