摘要： 【目的】研究長期低投入稻魚共作模式下土壤有機碳庫和養(yǎng)分化學(xué)計量比等的變化，深入解析稻魚模式的碳庫變化，提升稻魚模式生態(tài)功能?！痉椒ā恳院蟼鹘y(tǒng)稻魚共作代表縣辰溪縣的長期低投入稻魚共作系統(tǒng)為研究對象，分析共作15 年（RF15） 和50 年（RF50） 稻魚模式下土壤養(yǎng)分含量、理化性質(zhì)、養(yǎng)分儲量、有機碳組分、化學(xué)計量比和土壤碳庫指數(shù)的變化，探討關(guān)鍵影響因子。【結(jié)果】較之水稻單作（RM），RF15 的有機碳、全氮、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷含量，有機碳儲量、氮儲量、磷儲量，易氧化有機碳含量及其在有機碳中的占比均顯著降低；C∶N、pH、顆粒有機碳含量、顆粒有機碳占比、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量占比、碳庫活度和碳庫活度指數(shù)分別顯著增加47.98%、13.15%、35.47%、72.24%、31.68%、58.07% 和58.07%。RF50 的全氮含量、C∶P、N∶P、硝態(tài)氮含量分別顯著增加13.13%、33.08%、14.31% 和51.52%，全磷含量、容重、有機碳儲量、磷儲量、易氧化有機碳含量、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量及其占比均顯著降低。RF15 和RF50 的碳庫管理指數(shù)整體保持穩(wěn)定，且均大于100。在長期稻魚模式下，與土壤有機碳庫穩(wěn)定指標(biāo)顯著相關(guān)的環(huán)境因子為全氮含量、C∶N、有機碳儲量?！窘Y(jié)論】低投入的稻魚模式系統(tǒng)雖然會導(dǎo)致養(yǎng)分流失，但自我維持時間的延長會使系統(tǒng)具備養(yǎng)分儲量自我恢復(fù)的功能。長期稻魚種養(yǎng)可以提升土壤質(zhì)量，進而改善稻田生態(tài)環(huán)境。研究結(jié)果為優(yōu)化稻魚共作模式提供了理論依據(jù)，有助于提升該模式的生態(tài)功能和可持續(xù)性。

關(guān)鍵詞： 稻魚共作；養(yǎng)分含量；養(yǎng)分儲量；化學(xué)計量比；碳庫管理指數(shù)

中圖分類號： S181；S154.1 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1001-411X（2024）06-0856-09

稻魚共作模式是利用稻、魚互利共生的關(guān)系[1]，實現(xiàn)農(nóng)田提質(zhì)增效的一種綠色、高效的生態(tài)種養(yǎng)模式[2-3]，機理包括魚排泄物的增肥效應(yīng)和魚活動對土壤養(yǎng)分礦化的促進作用。稻田水產(chǎn)動物和水稻互利共生，增加生物多樣性，提高土地、光、水等資源的利用效率，在鄉(xiāng)村振興的大背景下得到大面積的示范推廣。截至2019 年，我國使用稻魚共生模式的稻田面積已達到200 萬hm2[4]，總收益穩(wěn)定提升[5]。

大量研究表明，稻田復(fù)合種養(yǎng)模式可以不同程度地提高稻田土壤中有機質(zhì)以及氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，有效提高土壤肥力，使稻田在少施或不施化肥的情況下也能為水稻生長提供足量營養(yǎng)物質(zhì)[6-10]。水生動物在稻田里的活動有利于稻田土壤通氣，排泄物可以為稻田提供有機肥料[11]，水稻也能吸收利用魚飼料中的一部分氮元素，這些都有助于減少農(nóng)藥和化肥的使用，促進稻田中物質(zhì)的相互利用和能量的流動[12]。如紫云英還田+稻魚共生模式不僅有效提高土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，還明顯提高土壤pH，加速土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和利用[13]。有研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)魚稻田土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶及脫氫酶活性分別高于對照樣地33.3%、19.3%、20.2%、39.8% 和72.7%[14]。稻田養(yǎng)魚提高土壤微生物的豐富度，增加微生物的功能種類，但對微生物數(shù)量、均勻度和代謝強度的影響不大[15]。上述研究[13-14] 多為大量飼料投入的稻魚綜合種養(yǎng)模式。大量投入飼料可能造成飼料殘留，水質(zhì)惡化，破壞生態(tài)平衡[16]，而傳統(tǒng)稻魚模式的外源投飼很少，魚類主要攝食雜草、底棲生物、水稻害蟲等[17]，對外源物質(zhì)的依賴減少，有助于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如湖南辰溪、新化等地的稻魚模式均以系統(tǒng)自我運行為主。

碳、氮、磷的變化特征及其化學(xué)計量比（C∶N、C∶P、N∶P） 可以有效衡量微生物營養(yǎng)需求與土壤有效養(yǎng)分的關(guān)系[18]。當(dāng)C∶N 較高時，植物所需的氮素將被微生物爭奪，滿足其生長；而C∶N 較低時，植物的氮素養(yǎng)分將不會被微生物消耗[19]。C∶P 較高時，微生物將吸收磷元素補充養(yǎng)分生長，植物對磷元素的有效性吸收將變差，這將在一定程度上約束其生長，而比值較低則反之[20]。主要依靠種群互利而維持的稻魚系統(tǒng)，其有機碳組分、有機碳庫穩(wěn)定性和土壤養(yǎng)分化學(xué)計量比如何變化，相關(guān)報道還比較少。

因此，本研究以湖南傳統(tǒng)稻魚養(yǎng)殖縣懷化市辰溪縣的長期低投入稻魚模式為研究對象，比較不同年限稻魚共作下稻田土壤養(yǎng)分儲量、有機碳組分、化學(xué)計量比的差異，探究長期稻魚模式下土壤特性變化的響應(yīng)因子，為稻田種養(yǎng)模式的系統(tǒng)運行和自我維持提供理論依據(jù)，為優(yōu)化提升稻魚系統(tǒng)的生態(tài)功能提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點

選取辰溪縣仙人灣清水塘村（27°44′58′′N，110°21′9′′E） 為研究對象，該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，雨量充足，熱量和水資源豐富，無霜期長。

1.2 樣品收集與處理

當(dāng)?shù)厮境Ｒ?guī)種植和稻魚共作種植在每年6 月進行，均為一季稻種植。2 種模式的水稻秸稈均全量還田，且冬閑不泡水，水稻品種為‘玉針香’。

常規(guī)水稻種植施用有機肥和農(nóng)藥，田間水分進行干濕交替管理；稻魚共作模式在水稻移栽10～20 d 后放魚苗，每公頃0.75～1.20 萬條，放魚后淹水20 cm 直至水稻成熟，且不施用化肥、農(nóng)藥，不投喂魚飼料。稻魚共作模式和水稻單作模式均施用2 250 kg·hm?2 有機肥，w（N+P2O5+K2O）≥8%，按基肥一次性全部施用。

根據(jù)對當(dāng)?shù)胤N養(yǎng)大戶的調(diào)研結(jié)果，選取種植密度為20 cm×30 cm、位置相鄰的稻魚共作15 和50 年（RF15、RF50） 的2 種傳統(tǒng)稻田養(yǎng)魚模式，以鄰近50 m 左右的水稻單作模式（RM） 為對照，于2023 年10 月在稻田排水、收獲后取樣。在每個試驗點采集10 個約 3 m × 25 m 的試驗塊作為重復(fù)，均按“S”形布設(shè)9 個采樣點，用土鉆自上而下分別采集土層0～20 cm 的土壤樣品。

1.3 指標(biāo)測定

土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全氮、全磷、有機碳含量，pH 按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[21] 測定；容重根據(jù)環(huán)刀法測定；土壤中礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳和顆粒有機碳含量參照章曉芳等[22] 的方法測定；易氧化有機碳含量參考顧曉娟等[23] 的方法測定。有機碳、全氮和全磷含量用于計算碳、氮、磷化學(xué)計量比（C∶N、C∶P、N∶P）。土壤養(yǎng)分儲量計算公式[24]如下：

土壤養(yǎng)分儲量=Ci×VW×H／10， （1）

式中，Ci 代表土壤營養(yǎng)成分含量，i 分別代表全氮、全磷或有機碳；VW 表示土壤容重，g/cm3；H 代表土層深度，cm，本研究為20 cm。

易氧化有機碳含量占比=易氧化有機碳含量=有機碳含量×100%， （2）

顆粒有機碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量占比的計算方式與公式（2） 一致，將式中易氧化有機碳含量改為顆粒有機碳含量和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量。

土壤碳庫管理指數(shù)（Carbon pool managementindex，CPMI） 的計算公式[25] 如下：

CPMI = CPI×CAI×100%， （3）

CPI = 樣品有機碳含量／對照有機碳含量， （4）

CAI = 樣品CPA／對照CPA， （5）

CPA = 活性有機碳含量／非活性有機碳含量， （6）

活性有機碳含量=易氧化有機碳含量+顆粒有機碳含量， （7）

非活性有機碳含量= 有機碳含量-活性有機碳含量，（8）

式中，CPI 代表碳庫指數(shù)（Carbon pool index），CAI代表碳庫活度指數(shù)（Carbon pool activity index），CPA 代表碳庫活度（Carbon pool activity）。

1.4 統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)錄入和整理；使用IBM SPSS Statistics 24 進行單因素方差分析，利用LSD（Least-significant difference） 進行差異顯著性比較，Plt;0.05 時認(rèn)為存在顯著差異；所有圖用Origin 2024 繪制；使用Canoco 5 進行冗余分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤碳、氮、磷養(yǎng)分含量以及化學(xué)計量比

如圖1 所示，土壤有機碳含量表現(xiàn)為RMgt;RF50gt;RF15。與RM 相比，RF15 的土壤有機碳含量降低19.14%，差異顯著（Plt;0.05）；RF50 略有降低，未達到顯著性差異（圖1A）。全氮含量為RF50gt;RMgt;RF15。較之RM，RF15 顯著降低47.84%，RF50顯著提高13.13%（Plt;0.05）（圖1B）。全磷含量表現(xiàn)為RMgt;RF15gt;RF50。較之RM，RF15、RF50 分別顯著降低11.35%、24.76%（Plt;0.05）（圖1C）。從土壤化學(xué)計量比來看，與RM 相比，RF15 的C∶N 顯著提高47.98%（圖1D），RF50 的C∶P 和N∶P 分別顯著提高33.08%、14.31%（Plt;0.05）（圖1E、1F）。

2.2 土壤速效養(yǎng)分含量和理化性質(zhì)

如表1 所示，不同稻魚共作年限和單作模式下，土壤速效養(yǎng)分含量和理化性質(zhì)差異顯著（Plt;0.05）。較之RM，RF15 的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷含量分別顯著降低52.56%、46.96% 和66.51%，pH 顯著增加13.15%（Plt;0.05），容重?zé)o顯著變化；RF50 的銨態(tài)氮、速效磷含量和pH 無明顯變化，硝態(tài)氮含量顯著提高51.52%，容重顯著降低11.11%（Plt;0.05）。稻魚共作15 年顯著降低土壤速效養(yǎng)分含量，但顯著提高pH；共作更久的RF50 的速效養(yǎng)分含量和pH 逐漸恢復(fù)到與RM 無顯著差異，但顯著降低容重。

2.3 土壤養(yǎng)分儲量

如圖2 所示，有機碳儲量表現(xiàn)為RMgt;RF50gt;RF15，與RM 相比，RF50 顯著降低19.37%（Plt;0.05），但比RF15 略有提升；氮儲量表現(xiàn)為RF50gt;RMgt;RF15，RF15 較之RM 顯著降低47.98%（Plt;0.05）， RF50 與RM 差異不顯著；磷儲量表現(xiàn)為RMgt;RF15gt;RF50，其中RF15 顯著降低11.69%，RF50 顯著降低33.08%（Plt;0.05）。結(jié)果表明，稻魚共作會顯著降低磷儲量，共作更久的RF能更好地維持碳儲量和氮儲量。

2.4 土壤有機碳組分含量及其占有機碳比例

如表2 所示，與RM 相比，稻魚共作（RF15、RF50） 顯著改變有機碳組分含量及其占土壤有機碳的比例（Plt;0.05），其中RF15 的易氧化有機碳含量及其占比分別顯著降低32.61%、16.34%，顆粒有機碳含量及其占比以及礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳占比分別顯著增加35.47%、72.24% 和31.68%；RF50 的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量及其占比分別顯著降低36.00%、32.85%。結(jié)果表明RF15 能夠顯著提高穩(wěn)定性碳的占比。

2.5 土壤碳庫指數(shù)

如表3 所示，2 個年限的稻魚共作模式未顯著改變碳庫管理指數(shù)，但顯著改變碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù)（Plt;0.05）。與RM 相比，RF15 的碳庫活度和碳庫活度指數(shù)均顯著增加58.07%，碳庫指數(shù)顯著降低19.14%（Plt;0.05）；RF50 相關(guān)的碳庫指數(shù)均無顯著變化。稻魚共作15、50 年的碳庫管理指數(shù)整體保持穩(wěn)定，均大于100。

2.6 土壤有機碳庫穩(wěn)定性指標(biāo)與環(huán)境因子的關(guān)系50 較之RF15

對有機碳庫穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)和環(huán)境因子指標(biāo)進行冗余分析，結(jié)果如圖3 所示。其前兩軸的特征值分別為0.545 4 和0.234 1，累計解釋變異貢獻率為77.95%。其中易氧化有機碳含量占比與全氮、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、易氧化有機碳、土壤有機碳含量，有機碳儲量，氮儲量，C∶P，N∶P 呈正相關(guān)關(guān)系；與顆粒有機碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳、全磷含量，磷儲量，容重，pH，C∶N 呈負相關(guān)關(guān)系。顆粒有機碳含量占比、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量占比和碳庫管理指數(shù)與全氮、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、易氧化有機碳、土壤有機碳含量，有機碳儲量， C∶ P，N∶P 呈負相關(guān)，與全磷含量、磷儲量、容重、pH、C∶N 呈正相關(guān)。碳庫管理指數(shù)與顆粒有機碳含量占比、礦質(zhì)結(jié)合碳含量占比呈正相關(guān)，與易氧化有機碳含量占比呈負相關(guān)。其中，全氮含量、C∶N、有機碳儲量與土壤有機碳庫穩(wěn)定指標(biāo)顯著相關(guān)（Plt;0.05）。

3 討論與結(jié)論

3.1 長期低投入稻魚共作對土壤養(yǎng)分含量的影響

稻田土壤為水稻和魚生長提供養(yǎng)分和空間[26]。除了成土母質(zhì)、氣候、溫度等天然環(huán)境因素影響土壤理化性質(zhì)外，種植模式、肥料、農(nóng)藥、田間管理等人為因素也至關(guān)重要[27]。研究表明，較之常規(guī)純化肥投入，有機肥投入[28]、秸稈還田[29]、飼料投喂[30]也均可改變土壤養(yǎng)分含量。本研究為低飼料投入的稻魚共作模式，有機碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量均在共作15 年時顯著降低，到共作50 年時又逐漸恢復(fù)到與對照差異不大的水平，全氮含量表現(xiàn)為先顯著降低又顯著增加。張琴等[31] 發(fā)現(xiàn)稻魚模式下有機碳含量在水稻進入齊穗期后的第11 天顯著降低；李成芳[32] 同樣發(fā)現(xiàn)在稻鴨和稻魚種養(yǎng)模式下，土壤全氮含量在整個水稻生育期內(nèi)隨水稻生長而逐漸降低。而陳佳等[33] 發(fā)現(xiàn)有飼料投喂的稻魚共生模式使得土壤中全氮含量增加；周榆淇等[34] 經(jīng)連續(xù)兩年定點試驗發(fā)現(xiàn)，稻魚模式下土壤速效養(yǎng)分含量變化無穩(wěn)定規(guī)律。本研究RF15 模式碳、氮含量降低可能是傳統(tǒng)農(nóng)戶稻田養(yǎng)魚模式投喂飼料極少，外源投入少而每年大量有機物（稻米和魚） 被帶離系統(tǒng)，使得土壤碳、氮含量逐漸降低。另外，稻魚共作長期淹水導(dǎo)致CO2 排放增加，也可能導(dǎo)致有機碳流失[35]，養(yǎng)分流失也更多[36]。較之RF15，RF50 的有機碳和全氮含量又逐漸提升，可能是更長期的稻魚模式將水中浮游動植物中的養(yǎng)分截留在系統(tǒng)中的量增大[37]，其次，共作年限增加逐步提高土壤中的酶活性[14， 34]、微生物多樣性和豐度，促進土壤對養(yǎng)分的吸收能力[15， 38]。在本研究的稻魚共作模式（RF15、RF50） 中，全磷含量顯著降低，原因可能在于在南方酸性紅壤背景下，磷素的轉(zhuǎn)化效率低，更容易流失，與其他學(xué)者[39-41] 的研究結(jié)論相似。

3.2 長期低投入稻魚共作對土壤養(yǎng)分儲量和化學(xué)計量比的影響

土壤碳、氮、磷儲量是反映其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要指標(biāo)[40-41]。養(yǎng)分儲量庫是所有養(yǎng)分的來源，其高低能夠反映出當(dāng)?shù)氐咎锿寥鲤B(yǎng)分流失、積累情況。本研究中RF15 的有機碳儲量、氮儲量和磷儲量均顯著降低；RF50 的有機碳和磷儲量顯著降低，氮儲量變化和全氮含量變化保持一致，其中RF50 有機碳儲量顯著降低的原因可能在于土壤容重顯著降低。本研究RF50 的氮儲量沒有顯著變化，原因可能是長期稻魚共作有機模式下，水體和土壤中浮游生物、微生物的多樣性增加，微生物殘體返回系統(tǒng)內(nèi)，逐步提升RF50 土壤氮儲量。

C ∶N 升高表明有機質(zhì)積累增加[ 4 2 ] ，本研究RF15 的C∶N 增加，但其有機碳和全氮含量均顯著降低，說明全氮含量的降低比例更大。而RF50 的C∶P 和N∶P 比均顯著增加，這會降低土壤中的磷素有效性[43]。

3.3 長期低投入稻魚共作對土壤有機碳庫組分及其穩(wěn)定性的影響

活性有機碳是指土壤中可在一定時間內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)化或周轉(zhuǎn)、被微生物和植物直接利用、影響碳平衡的有機碳[44]。目前廣泛認(rèn)為有機碳是影響土壤肥力的關(guān)鍵因素，有機碳含量高的農(nóng)田結(jié)構(gòu)更好，被侵蝕風(fēng)險更低[45]。土壤有機碳因其對全球可持續(xù)發(fā)展的多種服務(wù)和益處而日益受到關(guān)注[46]。碳庫管理指數(shù)被認(rèn)為是定量評價土壤質(zhì)量指數(shù)的最有效工具，可以作為衡量農(nóng)業(yè)管理措施影響土壤質(zhì)量的早期指標(biāo)，并有效評估農(nóng)業(yè)管理措施對可以在土壤中通過微生物作用相互轉(zhuǎn)化的惰性有機碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳的影響[47-48]。礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳和活性有機碳的分配可以反映有機碳被微生物分解的難易程度[49]。本研究RF15 的易氧化有機碳含量及其占比顯著降低，顆粒有機碳含量及其占比以及礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳占比顯著增加；RF50 的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量及其占比顯著降低?？傮w來看，稻魚共作不會造成土壤碳庫管理指數(shù)的顯著改變，其可能的原因是RF15 的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量增加的同時，顆粒有機碳含量也在增加，碳庫管理指數(shù)也呈增加趨勢；RF50 的土壤碳庫管理指數(shù)沒有顯著改變，可能是還有其他活性有機碳含量也在同時降低。土壤中顆粒有機碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳占比可在一定程度上反映土壤有機碳的穩(wěn)定程度，占比越大，土壤有機碳越易礦化、周轉(zhuǎn)期越短或活性越高，反之，土壤有機質(zhì)就越穩(wěn)定[ 5 0 ]。與RM 相比，RF15 和RF50 的有機碳含量降低，但是顆粒有機碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳含量及其占比以及大部分土壤碳庫指數(shù)指標(biāo)升高，說明稻魚模式可以加速土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)，并提高其活性。原因可能是稻魚模式引入了水生動物糞便作為碳源，以支持土壤微生物的生長和繁殖，從而提高土壤碳周轉(zhuǎn)率[51]。長期低投入外源性營養(yǎng)物質(zhì)的稻魚模式能夠保持良好的碳庫穩(wěn)定性，在保證土壤質(zhì)量的前提下，提高稻田系統(tǒng)的物質(zhì)產(chǎn)出。

3.4 結(jié)論

1） 本研究通過傳統(tǒng)化學(xué)方法比較水稻單作、稻魚共作15 年、稻魚共作50 年硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷含量和全量養(yǎng)分含量的變化，證明了長期低投入循環(huán)農(nóng)業(yè)模式穩(wěn)定全量養(yǎng)分含量的能力。

2） 稻魚共作15、50 年的碳庫管理指數(shù)整體保持穩(wěn)定，且均大于100，表明長期稻魚種養(yǎng)提升了土壤質(zhì)量，進而改善了稻田生態(tài)環(huán)境。

3） 對有機碳穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)和環(huán)進行冗余分析，揭示在長期稻魚模式下，與土壤有機碳庫穩(wěn)定指標(biāo)顯著相關(guān)的環(huán)境因子為全氮含量、C∶N、有機碳儲量。

參考文獻：境因子指標(biāo)

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【責(zé)任編輯 李慶玲】

基金項目：國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點項目（U21A20184）