套养虎纹蛙对稻田不同形态无机磷含量及水稻产量的影响

时间：2024-05-30

刘志达，曹津桥，费加良，肖雯馨，罗文，莫亿伟

（绍兴文理学院，生命科学学院，浙江绍兴 312000）

磷是作物生长所需的主要营养元素，参与作物生长过程中多种化合物的合成、能量转化和养分运输等活动，对提高作物抗逆性及产量均有重要作用［1-2］。但磷的利用率很低，磷肥每年利用率为14.9%～25.8%［3］，剩余部分则被土壤固定，如在黄泥田中的磷易被铁和铝固定，不易被作物利用［4］。土壤中无机磷种类较多且成分较复杂，可分为矿物态磷、吸附态磷和水溶态磷3种形态。作物主要吸收利用水溶态磷，但水溶态磷含量极低，主要靠无机磷的溶解和解吸以及有机磷的矿化来补充［5］，然而土壤有机磷年矿化率仅为2%～4%［6］。所以，土壤中有机磷及无机磷的形态分布决定了土壤供磷和潜在供磷的能力［5］。

自从顾益初等［7］确定土壤无机磷分级方法后，前人认为，作物主要对Ca2-P、Al-P、Ca8-P和Fe-P吸收和利用［8］，Ca2-P最容易被作物吸收作为有效磷源，Al-P和Fe-P则是次要有效磷源，而Ca10-P和闭蓄态磷（O-P）在短期内难以被植物利用［9］。还有研究表明，水稻土壤中的Fe-P含量决定土壤有效磷水平，因为在一季作物之后仍有75%～90%的磷肥以不同形态残留在土壤中，残留的磷中45%为Fe-P，46%为O-P，而Al-P不足10%［10］。且作物种植方式不同，对难溶性磷的利用能力也不一样［11］。稻蟹共作可提高土壤中全氮、全磷含量，增加土壤中NH4+、有效磷含量和水稻产量等［12］，但Yi等［13］则发现在稻-鱼共作的模式下，稻田中不同形态的可利用磷含量也显著低于对照处理。稻蛙种养过程中，不施用化肥，仅靠虎纹蛙粪便的分解，难以满足水稻生长过程中的养分需求。特别是在氮、磷和钾3大主要元素中，磷在土壤中的有效浓度远低于氮和钾，且其利用率极低，同时磷在土壤中有多种形态，不同形态无机磷的生物有效性差别很大。本文探讨稻蛙种养对土壤不同形态无机磷含量变化及水稻产量构成的影响，以期在适当时期补充磷肥来提高水稻产量，为稻蛙种养模式下土壤养分的改良提供新的理论基础。

1 材料与方法

在浙江省绍兴市富盛镇水稻产区的稻蛙种养基地，稻田耕作层土壤主要农化性状：pH值6.1，有机质15.5 g·kg-1，全氮1.28 g·kg-1，碱解氮79.0 mg·kg-1，有效磷8.2 mg·kg-1，速效钾68.9mg·kg-1。

1.1 试验设计

水稻（Oryza sativa L.）品种为嘉禾218（单季晚粳稻）。2019年5月20日育秧，6月20日机插。插秧5 d后，每0.067 hm2放养4000只虎纹蛙（Hoplobatrachus chinensis）。稻田四周挖深50 cm、宽50 cm的环状沟，保持沟内有30 cm以上的水位，稻田四周全部用防护网围住，防止虎纹蛙逃逸。在水稻生长期间，不使用化肥和农药的稻田称为试验田。在水稻封行前保持相对较高的田间水位，以防鸟类捕食。在幼蛙放入后第2 d开始投喂甲鱼专用饲料，投喂量为幼蛙体重的4.0%～5.0%。常规使用化肥和农药的稻田（化肥用量为：N肥为尿素，用量N 180 kg·hm-2；P肥为过磷酸钙，用量P2O535 kg·hm-2；K肥为氯化钾，用量K2O 130 kg·hm-2，均作基肥一次性使用）称为对照田。试验田与对照田均以每0.067 hm2作为一个小区，每小区设3次重复，各小区间筑田埂隔离，并用塑料薄膜嵌入土壤耕作层以防小区间肥水侧渗，各小区四周田埂上方用围网分开，防止虎纹蛙从试验小区间逃逸。

1.2 样品采集与测定方法

在水稻种植前10 d和虎纹蛙放养后的第10、30、60和90 d，在田间采用“S”形5点采样法采集土样，取距离土壤表面3～15 cm处的土壤2.0～2.5 kg，自然风干后，称取适量的土壤（过1 mm筛）用于测定各处理不同形态磷含量，具体方法参考鲁如坤［10］和谷思玉等［5］的测定方法进行。有效磷采用Olsen法测定；Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P分别采用0.25 mol·L-1Na2CO3、0.50 mol·L-1CH3COONH4、0.50 mol·L-1NH4F、0.10 mol·L-1NaOH、0.05 mol·L-1Na2CO3、0.30 mol·L-1柠檬酸钠溶液浸提，总无机磷含量为本次测定的几种不同形态无机磷含量之和。

1.3 考种与测产

在成熟期收获前1 d，每小区剔除边行，各处理取具有代表性的20穴进行考种，调查每穴有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重，各处理小区机收后称重测产，按照标准含水量折算小区单产。

1.4 数据分析

试验结果以平均值±标准差表示，利用SPSS 13.0的LSD检验方法，对组间采用t检验方法分析，相同时期以不同小写字母代表显著性差异。

2 结果与分析

2.1 养殖虎纹蛙对土壤Ca2-P含量的影响

由图1可知，水稻种植前对照田与试验田的Ca2-P含量无显著性差异（P＞0.05）。水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，对照田与试验田的Ca2-P含量均表现出下降趋势，其中试验田Ca2-P含量分别比对照田下降了41.38%、35.28%、33.62%和26.48%，均达显著性差异（P＜0.05）。可能是水稻生长过程中，Ca2-P不断地被水稻吸收所致，而对照田因施用磷肥后提高了Ca2-P的含量。

图1 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤Ca2－P含量的影响

2.2 养殖虎纹蛙对土壤Ca8-P含量的影响

由图2可知，水稻种植前对照田与试验田Ca8-P含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，对照田与试验田中Ca8-P含量均表现出先上升后下降的趋势，且均在水稻种植后第60 d达到最大值，分别比种植后10 d提高了1.17和1.93倍，两者均呈显著性差异（P＜0.05）。但在同一时期内，试验田中的Ca8-P含量分别比对照田下降了46.46%、35.44%、27.90%和33.62%，均呈显著性差异（P＜0.05）。可能是水稻生长的过程中，Ca8-P不断被水稻吸收所致，而对照田含量高于试验田可能是因为磷肥施用后，提高了Ca8-P的含量。

图2 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤Ca8－P含量的影响

2.3 养殖虎纹蛙对土壤Ca10-P含量的影响

由图3可知，水稻种植前对照田与试验田Ca10-P含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，Ca10-P含量在对照田与试验田均表现出先下降再增加的趋势。试验田种植前10 d和种植后30 d无明显差异，但从种植后第60到90 d Ca10-P的含量则显著增加（P＜0.05），而对照田Ca10-P的含量在种植后30 d，明显低于种植后10 d，随着时间延长则显著增加（P＜0.05）。但在相同时期内，试验田Ca10-P含量分别比对照田下降了22.71%、20.51%、18.75%和21.46%，均达显著性差异（P＜0.05）。

图3 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤Ca10－P含量的影响

2.4 养殖虎纹蛙对土壤Al-P含量的影响

由图4可知，水稻种植前对照田与试验田的Al-P含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，Al-P含量在对照田与试验田中均表现出先上升再下降的趋势，其中对照田和试验田均在水稻种植后第30 d达到最大值，分别比种植后10 d提高了1.03和1.64倍，均达显著性差异（P＜0.05），然后开始下降，但是依然显著高于种植前10 d和种植后10 d的含量（P＜0.05）。在相同的时期内，试验田Al-P含量分别比对照田下降了36.22%、17.05%、40.81%和38.77%，均达显著性差异（P＜0.05）。

图4 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤Al－P含量的影响

2.5 养殖虎纹蛙对土壤Fe-P含量的影响

由图5可知，水稻种植前对照田与试验田的Fe-P含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，Fe-P含量在对照田与试验田均表现先上升后下降的趋势，均在水稻种植后60 d达最大值，分别比水稻种植后10 d增加了29.46%和29.73%，然后再下降。但在相同的时期内，试验田的Fe-P含量分别比对照田下降了25.92%、19.74%、26.22%和35.72%，均达显著性差异（P＜0.05）。

图5 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤Fe－P含量的影响

2.6 养殖虎纹蛙对土壤O-P含量的影响

由图6可知，在水稻种植前后10 d内对照田与试验田的O-P含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后30 d，对照田O-P含量呈现上升的趋势，并在种植后90 d达最大值，比水稻种植后10 d增加了49.98%。而试验田却是在水稻种植后30 d表现出下降的趋势。在相同的时期内，试验田O-P含量分别比对照田下降了8.49%、14.47%、21.56%和45.71%，均达显著性差异（P＜0.05）。

图6 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤O－P含量的影响

2.7 养殖虎纹蛙对土壤总无机磷含量的影响

由图7可知，水稻种植前对照田与试验田的总无机磷含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，总无机磷含量在对照田与试验田中均呈现先上升后下降的趋势，其中，对照田的总无机磷在水稻种植后60 d达最大值，而试验田在水稻种植后30 d达最大值，分别比水稻种植后10 d提高了132.34%和29.45%。但在相同的时期内，试验田总无机磷含量分别比对照田下降了30.93%、19.98%、31.61%和34.56%，均达显著性差异（P＜0.05）。说明不施肥的条件下，总无机磷在种养过程中不断减少。

图7 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤总无机磷含量的影响

2.8 养殖虎纹蛙对有效磷含量的影响

由图8可知，水稻种植前对照田与试验田有效磷的含量无显著性差异（P＞0.05）。在水稻种植和虎纹蛙养殖后10～90 d，有效磷均出现先增加后降低的趋势，其中对照田和试验田有效磷含量在种植后60 d比种植后10 d分别增加了57.89%和35.42%，但在相同时期内，对照田有效磷含量分别比试验田增加了31.73%、43.98%、41.43%和44.24%，均达显著性差异（P＜0.05）。

图8 养殖虎纹蛙对不同时期稻田土壤有效磷含量的影响

2.9 养殖虎纹蛙对水稻生长和产量的影响

由表1可知，对照田水稻的有效穗数、每穗粒数、结实率分别比试验田增加了48.55%、15.32%和11.17%，均达显著性差异（P＜0.05），试验田的千粒重虽比对照田降低了4.43%，却无显著性差异（P＞0.05），最终产量比对照田下降了28.16%，呈显著性差异（P＜0.05）。说明不施肥条件下，虎纹蛙养殖降低了试验田有效穗数、每穗粒数、结实率和最终的水稻产量。

表1 稻蛙种养对水稻产量和产量构成的影响

3 讨论

3.1 稻蛙种养降低稻田可利用磷的供应能力

本研究结果表明，套养虎纹蛙后的试验田在各时间点不同形态的无机磷、有效磷含量均低于对照田。这与前人在连续9年稻蛙或稻鱼的种养模式下，提高了不同形态磷含量的结论不同［14］。本研究发现，在进行一年的蛙养殖条件下，由于不施化肥，试验田不同形态的可利用磷含量降低，产生这样的结果可能是两方面原因：其一是在稻蛙种养模式仅实施一年条件下，蛙粪对土壤磷养分的补给较少，这种模式的优越性可能还没有展现，水稻仍只能从土壤中吸收大量无机磷，进而导致土壤有效磷含量降低；其二是试验田没有补充相应的磷肥，水稻只能吸收土壤本身固有的无机态磷来满足生长所需的养分，使得土壤无机磷含量下降，低于对照田。在稻蛙种养的后期，当土壤无机磷下降到一定程度，土壤中缓效态磷如Ca8-P、Fe-P、Al-P开始逐渐从土壤中释放并转化以供给水稻的生长发育所需。而无效态的Ca10-P含量在试验田中也显著低于对照田，可能与虎纹蛙粪便含有大量的有机酸有关，有机酸的存在可以促进土壤Ca10-P的溶解［15-16］，进而转化成有效磷供植物吸收利用；此外，在稻蛙种养过程中，还会根据试验田的水质情况进行不定期的换水处理，可能导致部分水溶性磷随水流失，也会造成磷含量下降。同时谷思玉等［5］发现，与裸地相比，农田、自然草地及苜蓿地各土层全磷储量均呈不同程度的降低，其中Ca2-P、Fe-P、Ca8-P和Al-P这4种形态的磷含量下降更快；贺敬滢［17］也从不同土壤利用磷的类型中发现，这4种磷含量总和所占全磷比例较低。本研究也发现，无论是试验田还是对照田都表现出Ca2-P含量最低，可能是Ca2-P最易被水稻吸收利用，其次是Ca8-P和Fe-P，而且Ca2-P含量在稻蛙种养过程中不断下降，可能是水稻对这几种形态的磷吸收量增加所致，也可能与植物对这几种形态的无机磷有较高的利用率有关。有研究表明，这几种形态无机磷均可促进农作物生长［18］，且磷肥施入土壤后，Ca2-P还可快速转化为Ca8-P以有效态累积在土壤中，这也会造成Ca2-P含量下降［19］。基于这几种磷易于被植物吸收利用，在稻蛙种养过程中也发现，在种养后30～60 d 时，Fe-P和Al-P的含量有所增加，但是Ca8-P和Ca10-P增加更多，说明稻蛙种养条件可能影响不同形态间无机磷之间的转化。虽有研究认为有机肥与磷酸互作可促进Ca2-P和Al-P含量增加［20-21］，而氮肥、磷肥和草木灰配肥施用，也可促进土壤Al-P、Ca2-P、Fe-P和总磷含量的提高［22-23］。因此，增加土壤中的有机质含量就能减少土壤对磷的固定，并将固定态磷释放为可溶态，从而减少铁、铝氧化物对磷的吸附，作物更易于吸收，且化肥与有机肥配施更利于磷素的累积和有效性［24］。在理论上，养殖虎纹蛙后，稻田的有机质含量应该增加，且促进试验田的磷供应能力，但由于试验田不施用化肥，仅靠虎纹蛙食物残渣和粪便，难以达到施用化肥的对照田磷含量的水平，而且虎纹蛙的食物残渣及其粪便在稻田中如何转化成为水稻可利用的磷形态还不明确，将来的研究需要设置不施化肥和不养蛙的空白对照组加以比较，才能更好地明确虎纹蛙套养对磷肥的贡献率。

3.2 稻蛙种养由于磷供应不足降低水稻生长和产量

稻蛙种养由于不施肥料，不但造成稻田不同形态磷供应能力的下降，也造成有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重的降低，最终导致总产量下降，这与连续9年的稻蛙或稻鱼种养模式能显著提高水稻产量的结论不同［14］，可能与水稻生长过程中在需要磷肥的关键时期磷供应不足有关［1-2］。在水稻种植过程中，只有提高有效穗数并提高结实率和千粒重才能实现高产，如早施、重施分蘖肥，才能实现早分蘖，提高有效穗的数量。研究还发现，由于试验田不施肥，仅通过蛙的食物残渣和粪便难以满足水稻养分的需求。特别是在水稻分孽时，若养分供应不足，分孽时间和数量可能受到影响，而对照田由于肥料供应充足，分孽早，生长快，这样田间的封行速度加快，从而抑制了无效分孽；且有效分孽生长周期长，光合产物积累量多，从而使水稻成熟时每穗粒数、结实率、千粒重明显高于试验田。而试验田由于早期养分供应不足，田间封行慢，而且在分蘖结束后，由于养殖虎纹蛙，无法排干水分进行晒田，造成分蘖时间长和无效分孽增加，植株过分旺长，不但消耗大量养分，而且无效分孽的生长期短，无法形成有效穗，最终使结实率和千粒重下降，导致试验田水稻产量降低28.45%，这与周雪芳等［25］研究稻蛙养殖时水稻产量比对照田下降了约30%的结果相似，可能是错过了水稻最关键的养分需求期。前人研究表明，水稻产量、每穗粒数会随着施氮量的增加而增加［26-27］。应在水稻的关键生长期保证适量的养分，如在分蘖期施磷能显著促进水稻生长，增加分蘖，而在其他时期施磷则对生长和产量影响较小［28］。本研究与前人在稻鱼、稻虾等模式下提高水稻产量的结果不同［29-30］，因为鱼、虾或鳖类将粪便直接产于稻田中供给水稻利用。本研究在田间调查时也发现，田埂上残留有很多虎纹蛙的粪便，这些粪便不能及时地掉落到稻田中供给水稻利用，因此稻田中虎纹蛙粪便通过何种途径分解后供给水稻生长利用，以及套养虎纹蛙后对稻田土壤不同磷形态影响的具体方式还需深入研究。将来在稻蛙种养时，可提前施足适宜种类的有机肥或磷肥，在不影响虎纹蛙生长的同时也能为水稻生长提供充足养分。除磷肥以外，也应该考虑其他肥料的缺失问题，才能提高水稻的产量。