袁 泉,吕巍巍,黄伟伟,孙小淋,吕卫光,周文宗

(上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海201403)

21 世纪以来,稻渔共作以其可以抑制病虫害、节肥减药、调节旱涝等多种优势在全国范围内迅速发展;稻渔共作的产品以其安全、高品质等特征受到消费者的青睐。 在当前倡导绿色农业生产的大背景下,提高水稻生产的肥料利用率,减少化学肥料的使用,对于节约资源、保护环境具有重大意义。 关于稻渔共作系统化肥减量效应已有诸多研究,普遍认为稻田综合种养较水稻单作可以减少化肥的施用[1-4]。 Xie等[2]研究发现,稻鱼共生系统较水稻单作系统可减少化肥用量24%;胡亮亮[5]研究发现,稻渔共作模式较水稻单作模式肥料投入量平均减少26.52%,其中稻鳅模式减少24.83%。 上述研究结果均通过野外充分调研获得,对定量揭示稻渔共作模式的减肥效应具有一定的参考价值。 但目前大部分有关化肥减量的研究,或是生产经验的总结,或是趋于理论分析,未从具体的施肥措施角度进行单因素对比研究。

泥鳅隶属于鳅科泥鳅属[6],是我国名特优淡水养殖品种之一[7]。 稻鳅共作模式是指在稻田中套养一定数量的泥鳅,利用稻鱼之间互利共生功能,取得生态环保、高产高效的农业模式。 目前该模式在浙江、湖南、安徽、四川等省建立了核心示范区4 个,核心示范区面积180 hm2,示范推广面积876 hm2[5]。 本研究利用因子分析方法,对不同减氮或减磷模式下的稻鳅共作系统综合效益进行分析,探讨稻鳅共作模式的化肥减量效应,以期为稻鳅共作模式的研究和推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在上海市农业科学院庄行综合试验站稻渔共作试验小区开展。 该试验小区为2016 年新开挖的试验小区,每个小区面积为20 m2,沟渠面积占总面积的10%,水稻种植面积占总面积的50%,其他为田埂面积。 台田上方布有防鸟网,进水口设有40 目(孔径0.425 mm)滤网,排水口设有用40 目绢网制作的防逃网。 供试水稻品种是上海市青浦区农业技术推广服务中心选育的‘青香软梗’(沪农品审水稻2014第004 号)。 试验泥鳅为上海市崇明区三星镇泥鳅育苗基地提供的泥鳅幼鱼。

1.2 试验设计与方法

试验设计9 个处理(表1),其中CK1 为无肥对照处理,CK2 为常规施肥处理,施氮量按照上海地区常规用量300 kg∕hm2(纯氮),施磷量按常规用量192 kg∕hm2,每处理3 个重复,试验处理在试验小区内随机排列。

表1 试验处理及肥料用量Table 1 Experimental treatment and fertilizer dosage kg·hm -2

试验时间为2017 年7 月至2018 年4 月,其中水稻生长期为2017 年7 月下旬至10 月下旬,于10 月23 日进行稻谷测产。 试验于2017 年9 月初投放泥鳅幼鱼,每个处理投放150 尾,其全长为(58.51 ±0.01)mm,体重为(0.96 ±0.44)g。 于2018 年4 月用地笼连续5 次捕捞各试验小区泥鳅,测量每尾泥鳅全长和体重。 在水稻生长周期内,根据施肥情况定期对CK1 和T2 处理试验小区沟渠水体采集混合水样,根据《水和废水监测分析方法(第四版)》测量总氮(TN)、总磷(TP)含量,现场使用便携式水质分析仪(HACH HQ40d)测定溶解氧(DO)含量、氨氮(NH4+-N)含量和pH。2017 年7—11 月每3 d 按泥鳅初始体重3%投喂一次泥鳅配合饲料,其他时间因水温低没有投喂饲料。 配合饲料为颗粒饲料,蛋白质含量320 mg∕g。 水稻分蘖前,稻田水位控制在10 cm,以促进水稻生根分蘖;水稻分蘖后,拷田期间水位控制在5—10 cm,沟水位加深到80 cm。 在养殖过程中,经常加注新水,特别是在高温季节。 草害防治采取人工除草,虫害防治选用高效低毒低残留的环境友好型农药如康宽、拿敌稳等,整个试验过程施农药2 次。

1.3 数据处理与分析

所得数据使用Excel 2003 和SPSS 23.0 软件进行统计分析,使用Origin 9.0 作图。 各处理间进行单因素方差分析,使用新复极差检验(SSR 检验)对不同处理进行多重比较,P＜0.05 表示差异显著;使用SPSS 23.0软件对各指标平均值进行因子分析。

2 结果与分析

2.1 泥鳅收获特征

经过6 个月的稻田养殖,泥鳅成活率和生长情况分别如图1、图2 所示。 由于样本量较少,且样本间数据离散程度较大,各处理泥鳅成活率在统计学上未呈现显著性差异。 从图1 可以看出,CK1 泥鳅平均成活率最高,T6 处理具有最大成活率;减磷处理(T4、T5、T6、T7)泥鳅平均成活率普遍高于减氮处理(T1、T2、T3);CK2 泥鳅平均成活率和最大成活率均最低。

从图2 可以看出,T2 和T3 处理泥鳅体重显著高于CK1。 与成活率相反,减氮处理(T1、T2、T3)泥鳅全长、体重普遍大于减磷处理(T4、T5、T6、T7)。 减氮处理泥鳅全长、体重随减氮水平的增加而升高,减磷处理泥鳅全长、体重随减磷水平的增加无明显变化,且各处理泥鳅全长、体重数值的离散水平相近。

2.2 水稻收获特征

单因素方差分析显示,各处理间稻谷和稻秆产量均无显著差异(表2)。 处理T3 稻谷产量最高,为6 850 kg∕hm2,CK1 稻谷(6 100 kg∕hm2)和稻秆产量均最低。 减磷处理(T4、T5、T6、T7)稻谷产量普遍高于减氮处理(T1、T2、T3)和常规施肥处理(CK2)。 减氮处理稻谷产量随减氮水平的增加而升高,减磷处理稻谷产量随减磷水平的增加无明显变化。 从表2 可以看出,CK1、T1、T2、T3、T4 处理重复间稻谷产量离散程度明显高于CK2、T5、T6、T7 处理,表明减磷20%、50%、100%处理稻谷产量较稳定。

表2 不同处理的稻谷和稻秆产量Table 2 Yield of rice and straw of different treatments kg·hm -2

2.3 沟渠水体理化环境变化特征

CK1 和T2 处理水体理化因子的对比监测结果如图3 所示。 稻田沟凼里溶解氧含量为3.82—9.28 mg∕L,pH 为7.46—8.48,NH4+-N 含量为0.04—0.28 mg∕L,TN 含量为1.0—6.8 mg∕L;TP 含量为0.17—0.55 mg∕L。

与施肥前(7 月19 日)收集的数据相比,施肥后溶解氧、总氮含量相较于无肥处理均有大幅上升(图3)。 水体pH 先下降后上升,7 月27 日监测结果显示,T2 处理pH 显著高于CK1。 水稻生长周期内,T2 处理水体总氮含量始终高于CK1。 高温季节(8 月29 日监测),水体pH、溶解氧、TN、TP 含量均达到最低值,氨氮含量达到最高值,且T2 处理水体氨氮含量明显高于CK1。 泥鳅放养后,水体溶解氧含量和pH均上升,CK1 水体pH 高于T2 处理;水体总氮含量有小幅上升;氨氮含量下降。

2.4 因子分析

公因子方差(表3)显示,所有变量的共同度都在85%以上,因此按照默认数量提取出的公因子对各变量的解释能力是较强的。 因子分析共提取出3 个主成分(表4),为了使提取出的公因子意义更明显,进行了因子旋转,旋转后的总方差解释和因子载荷矩阵如表4 和表5 所示。 由表5 可以看出,第一公因子(FAC1_1)在泥鳅全长、体重上有较大载荷,命名为泥鳅生长因子;第二公因子(FAC2_1)在泥鳅最大成活率、平均成活率上有较大载荷,命名为泥鳅成活因子;第三公因子(FAC3_1)在稻秆产量、稻谷产量上有较大载荷,命名为水稻产量因子。

表3 各项收获指标的公因子方差Table 3 Common factor variance of each harvest index

考虑按各公因子对应的方差贡献率比例为权数计算如下综合得分Score=39.107∕94.346∗FAC1_1 +29.680∕94.346∗FAC2_1 +25.559∕94.346∗FAC3_1。 根据综合得分排序后的施肥方案如表6 所示。 减氮50%处理(T3)得分最高,其次是减磷50%处理(T6);无肥处理(CK1)得分最低,其次是常规施肥处理(CK2)。 泥鳅生长因子T3 处理贡献最大,泥鳅成活因子CK2 贡献最低,水稻产量因子CK1 贡献最小。

表4 各项收获指标的总方差解释Table 4 Total variance explained of each harvest index %

表5 重排序后的旋转成分矩阵Table 5 Rotated component matrix after reordering

表6 施肥方案的综合排序Table 6 Comprehensive sequencing of fertilization schemes

3 讨论

3.1 施肥对泥鳅存活和生长的影响

从泥鳅的成活率可以看出,稻田养殖泥鳅成活率较低,最高成活率未超过50%。 其中CK1 泥鳅的平均成活率最高,CK2 泥鳅的平均成活率最低,减氮和减磷各处理泥鳅平均成活率介于二者之间,说明施肥降低了泥鳅的成活率。 减磷各处理泥鳅成活率普遍高于减氮处理,说明施加氮肥对提高泥鳅成活率比施加磷肥更为重要。

泥鳅的生长情况与成活率大体成反比,即泥鳅成活率越高,其生长规格越小。 这一点符合水产动物的空间利用特征,具有普遍性规律,如河蟹养殖[13],即水产动物数量与其个体所平均拥有的饵料资源呈反比,进而影响其生长水平。 但值得关注的是减氮处理泥鳅全长、体重随着减氮水平的增加而升高;减磷处理泥鳅全长、体重随减磷水平的增加无明显变化,且减磷处理泥鳅全长、体重数值的离散水平也相近,说明泥鳅的生长规格受氮肥的影响较磷肥影响大。 造成这一结果的原因有待进一步研究。

3.2 施肥对沟渠水体理化环境的影响

稻田施化肥对稻田水生生物的影响主要是通过水环境实现的。 从本研究所调查的理化环境指标结果可以看出,无肥处理在高温季节解溶氧含量低至3.82 mg∕L,而泥鳅池溶解氧含量需保持在4 mg∕L 以上才可保证泥鳅正常生长[8],说明不施化肥的稻田养殖水体在高温期间可能对水生动物存在短期或长期的低氧胁迫。 施化肥之后,溶氧含量明显高于无肥处理,高温季节溶解氧含量可达5.47 mg∕L 以上,但氨氮含量达到0.28 mg∕L,说明施化肥可能对水生动物存在短期或长期的氨氮胁迫,而氨氮胁迫会对泥鳅鳃组织和肝细胞结构造成不可逆损伤[9];施化肥过后TN 含量明显升高,且pH 显著高于无肥处理,呈弱碱性。氮磷是浮游藻类生长的主要限制因子,当N∕P 比低时,蓝藻生长较快[10],且藻类在碱性环境中光合作用会增强[11],因此施化肥可能造成浮游植物尤其是蓝藻等藻类的短期大量生长,这可能是施肥处理溶解氧含量高的主要原因之一。 张云龙等[12]研究表明,泥鳅鱼苗在清水下塘时的成活率显著高于肥水下塘。 由此可见,稻田施化肥在高温季节容易造成养殖水体环境恶化是造成泥鳅幼鱼放养后大量死亡的可能原因之一。

3.3 化肥减量对水稻产量的影响

从本研究可以看出,化肥减量对水稻产量无显著影响,应证了诸多学者对稻渔共作模式的研究结果:稻渔共作在不降低水稻产量的前提下,能够降低化肥的使用[1-2,14]。 但这并不表示不需要施加任何化肥,从本试验结果发现,施肥各处理稻谷和稻秆产量均高于无肥处理,说明在稻鳅共作模式中施加一定量的化肥仍是有必要的。 目前,仅有报道称稻鳖共生系统中实现化肥零添加,可保证水稻稳产在7 500—8 250 kg∕hm2[15]。

本研究发现,减磷各处理稻谷产量整体高于减氮各处理及常规施肥处理,且重复间离散水平较低,水稻产量较稳定,说明氮肥减量较磷肥减量更能影响水稻的产量,这与氮对水稻产量的影响大于磷这一普遍规律一致[16]。 本研究值得探讨的一点是稻谷产量随着减氮水平的增加而增加,稻秆产量却随着减氮水平的增加而呈下降趋势。 Mirhaj 等[3]研究表明,随着施肥量从(41.18±5.57)kg∕hm2增加至(57.07 ±3.62)kg∕hm2,水稻籽粒氮含量没有显著增加,而由茎和叶组成的稻草氮含量显著增加。 因此,随着减氮水平的增加,稻秆受氮肥的影响可能较大,其产量或呈下降趋势。

4 结论

如何实行化肥减量的同时保证水稻产量是当前农业面源污染研究中的热点问题,主要措施有化肥减量配施有机肥[17-18]和稻田综合种养[1]。 本研究通过因子分析发现,稻鳅共作模式下减氮50%(纯氮150 kg∕hm2)的综合效益最好,而CK1 和CK2 的综合效益较差。 结合上述研究认为:在稻鳅共作模式中,实现化肥零添加和按照常规稻田施肥均是不可行的,应在实行化肥减量保证水稻稳产的同时,提高泥鳅成活率和生长规格,其中氮肥减量带来的综合影响大于磷肥减量,以减氮50%(纯氮150 kg∕hm2)综合效益最好。