彭成林，佀国涵，赵书军，袁家富，吕洪九，徐祥玉，徐大兵，谢媛圆，周剑雄
（1.湖北省农业科学院 植保土肥研究所/国家土壤质量洪山观测实验站，湖北 武汉 430064；
2.潜江市后湖管理区农业办公室，湖北 潜江 433199）
稻 虾[水 稻（Oryza sativaL.）-克 氏 原 螯 虾（Procambarus clarkii）]共作模式是我国长江中下游地区一种稻田种养结合的生态农业模式，在稻田生态系统中引入克氏原螯虾不仅能够大幅提高水、肥和能量的利用率，增强稻田生态系统的稳定性及抗外界冲击的能力[1‐2]，而且促进了系统中物质循环，阻止了稻田物质流的外溢，使稻田生态系统结构和功能得到改善和提高[3‐4]。目前，该模式成为江汉平原低湖地区水稻生产的主要模式之一。在稻虾共作模式下，水稻秸秆的持续全量还田、水草的种植、饲料残饵、小龙虾的蜕壳及排泄物、水稻水肥管理措施等因素综合影响土壤肥力[5]。相对于水稻单作模式，稻虾共作模式改善了土壤结构，增加了土壤截存的氮和磷量，系统钾表现盈余，水稻产量显著提高[6‐9]。
由于水稻直播符合现代稻作轻简化的发展方向，其应用面积呈现逐年扩大趋势，成为部分水稻种植地区的主要栽培方式［10‐11］。该栽培方式在稻虾共作区域也得到快速发展。氮素是水稻产量最敏感的限制因素之一［12］，但是我国水稻氮肥当季平均利用率仅为35%［13］。因此，提高氮素利用效率，降低氮素损失是农业可持续发展的关键［14］。氮肥运筹对水稻产量和品质形成、氮肥利用率的提升起决定性作用[15‐16]。目前，关于氮肥运筹对水稻生长、产量、氮肥利用率的影响研究很多[15‐21]，但稻虾共作模式下直播水稻上的氮肥研究很少［22］，且其研究的是施氮量［22］，关于氮肥的基肥、分蘖肥、穗肥配比研究尚未见报道。为此，研究长期稻虾共作模式下氮肥运筹对直播水稻养分吸收和产量的影响，以期为江汉平原低湖地区稻虾共作模式下水稻的高产、优质、高效、生态栽培提供技术支撑。
1.1 试验地概况及试验材料
试验地位于湖北省潜江市白鹭湖农场关山分场（30°11′36.07″N、112°43′22.68″E），属于江汉平原低湖区，具北亚热带季风湿润气候，土壤类型为湖积物发育而成的潮土性水稻土。试验前稻虾共作模式（CR）和水稻单作模式（MR）耕作层土壤养分状况见表1。
表1 试验前稻田耕作层土壤养分含量Tab.1 Soil nutrient content of the experimental plots
供试水稻品种为中稻华润2 号，是湖北省农业科学院粮食作物研究所和湖南亚华种子有限公司共同选育的常规水稻品种，达到了湖南省一等优质稻标准[23]。
1.2 试验设计
稻虾共作模式试验田每年10 月至次年5 月，田面泡水养虾，水深20～40 cm；
而水稻单作模式试验田冬季休耕，田不泡水；
2 种模式每年6—9 月种植水稻，此期间水分管理等栽培管理措施基本一致，水稻秸秆全量还田。2 种模式的试验田相邻，其中稻虾共作模式试验田于2005 年水稻收割后挖虾沟养虾，2006 年为第1 年种植水稻，2021 年为连续第16年种植水稻。
试验设6 个氮肥运筹处理（表2）：T1—T5 处理的纯氮施用量均为105 kg/hm2，基肥分别占50%、40%、30%、20%、0；
T6 处理不施氮肥。所有处理P2O5施用量均为31.5 kg/hm2，且全部作基肥；
K2O 施用量为52.5 kg/hm2，其中基肥占50%、追肥占50%。采用随机区组设计，每处理设3 次重复，小区面积25 m2。各小区单独起田埂，并用塑料薄膜覆盖包埋，区组间留40 cm 宽的水沟，保证各小区能独立排灌，田水互不渗窜，方便灌排水和农事操作。试验于6 月7 日播种，播种量为60 kg/hm2，人工撒直播，9月30日收割。
表2 各处理氮肥运筹情况Tab.2 Nitrogen fertilizer management of each treatment
1.3 测定项目及方法
1.3.1 植株全氮、全磷、全钾含量 于成熟期，取各小区代表性稻株0.25 m2，测定秸秆和籽粒中的全氮、全磷、全钾含量。植物样品采用H2SO4-H2O2消煮，全氮、全磷含量采用SEAL Auto Analyzer3 连续流动分析仪测定，全钾含量采用火焰光度计法测定，然后计算氮、磷、钾积累量。
1.3.2 产量及其构成因素 成熟期，各处理取0.25 m2用于考种，测定有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量。各小区全部实收测产。
1.3.3 氮肥利用效率 参考张福锁等[24]、邹娟等[25]和刘宏斌等[26]的方法，用以下参数来表征氮肥的利用效率。
氮肥偏生产力（Partial factor productivity from applied N，PFPN）=施氮区产量/施氮量；
氮肥农学效率（Agronomic efficiency of applied N，AEN）=（施氮区产量-无氮区产量）/施氮量；
氮肥表观利用率（Apparent recovery efficiency of applied N，AREN）=（施氮区作物吸氮量-无氮区作物吸氮量）/施氮量×100%；
氮肥贡献率（Fertilizer contribution rate of applied N，FCRN）=（施氮区产量-无氮区产量）／施氮区产量×100%。
1.4 数据分析
使用DPS 18.10 软件对试验数据进行统计分析，采用最小显著性检验（LSD）法进行差异显著性比较。
2.1 长期稻虾共作模式下氮肥运筹对直播水稻氮、磷、钾积累量的影响
由表3可知，对于水稻氮、磷、钾的积累量，无论是秸秆+籽粒还是籽粒中，2种模式下均以不施氮肥处理最低，总体上与其他处理之间的差异均达到显著水平。对于水稻单作模式，当氮基肥比例为30%和20%时，无论是秸秆+籽粒还是籽粒中，氮、磷、钾的积累量均较高。对于稻虾共作模式，当氮基肥比例为20%和0 时，无论是秸秆+籽粒还是籽粒中，氮、磷、钾的积累量总体上均较高。在相同氮肥运筹方式下，相对于水稻单作模式，稻虾共作模式秸秆+籽粒和籽粒中氮、磷、钾积累量均增加。其中，秸秆+籽粒中氮、磷、钾积累量分别增加24.4%、45.2%、15.8%，籽粒中氮、磷、钾积累量分别增加27.0%、50.3%、36.5%。上述结果表明，水稻单作模式下氮基肥比例为30%和20%、稻虾共作模式下氮基肥比例为20%和0，均有利于水稻对氮、磷、钾的吸收；
在相同氮肥运筹方式下，稻虾共作模式较水稻单作模式能大幅促进水稻对氮、磷、钾的吸收。
表3 稻虾共作和水稻单作模式下氮肥运筹对直播水稻氮、磷、钾积累量的影响Tab.3 Effect of nitrogen fertilizer management on accumulation of nitrogen，phosphorus and potassium in direct‑seeding rice under integrated rice-crayfish model and rice monoculture model kg/hm2
2.2 长期稻虾共作模式下氮肥运筹对直播水稻产量及其构成因素的影响
由表4可知，对于所有施氮处理，水稻单作模式下，氮基肥比例降至30%及以下时，产量均显著高于氮基肥比例40%及以上处理，且有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量分别平均增加6.08%、-0.94%、4.42%和0.85%。稻虾共作模式下，当氮基肥比例降至20%及以下时，水稻产量显著高于其他处理，且氮基肥比例20%处理与0 处理间没有显著差异；
氮基肥比例降至20%及以下时，有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量分别较氮基肥比例30%及以上时平均增加1.31%、-0.91%、5.95%和0.55%。综上，水稻单作模式下氮基肥比例降至30%及以下、稻虾共作模式下氮基肥比例降至20%及以下，水稻增产主要是通过增加有效穗数和提高结实率来实现的。
表4 稻虾共作和水稻单作模式下氮肥运筹对直播水稻产量构成因子的影响Tab.4 Effect of nitrogen fertilizer management on yield and its components of direct‑seeding rice under integrated ricecrayfish model and rice monoculture model
相同氮肥运筹方式下，相对于水稻单作模式，稻虾共作模式水稻有效穗数增加8.3%～16.3%，平均增加13.7%；
穗粒数增加-6.9%～6.4%，平均增加-3.1%；
结实率增加-1.8%～6.7%，平均增加1.9%；
千粒质量增加-0.4%～3.06%，平均增加2.1%。综上，在相同氮肥运筹方式下，长期稻虾共作模式相对水稻单作模式主要是通过增加有效穗数来实现增产。
2.3 长期稻虾共作模式下氮肥运筹对直播水稻氮肥利用效率的影响
由表5 可知，水稻单作模式下，氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥贡献率总体以氮基肥比例20%处理最高，其次是氮基肥比例30%和0处理；
氮肥表观利用率以氮基肥比例30%处理最高。稻虾共作模式下，当氮基肥比例降至20%及以下时，氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥贡献率均显著高于其他处理，且氮基肥比例20%处理与0 处理间没有显著差异。总体而言，随氮基肥比例的下降，2种模式下水稻氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥表观利用率、氮肥贡献率总体上呈先上升后下降的趋势，与产量的变化趋势基本一致。
在相同氮基肥比例条件下，长期稻虾共作模式氮肥偏生产力、氮肥表观利用率分别较水稻单作模式平均提高9.5%、21.3%，氮肥农学效率和氮肥贡献率分别较水稻单作模式下降17.4%和24.5%。综上，长期稻虾共作模式相对于水稻单作模式能较大幅度提高氮肥偏生产力和氮肥表观利用率，但降低氮肥农学效率和氮肥贡献率。
研究发现，直播稻营养生长期缩短，前中期物质积累量相对偏低，中后期生长量大［27‐29］。杨波[30]以苏北苏中主推的4 个中粳水稻品种为试材，研究发现直播稻中期生长旺盛，物质生产增加的同时增强了植株对氮素的吸收，中期氮素积累量大，至拔节期其氮素积累量接近手栽稻90%；
同时，直播稻无效分蘖较多，虽然无效分蘖衰退时，氮素可以进一步运输至其他器官再利用，但这不仅在时间上具有一定的滞后性，同时也影响了该阶段有效分蘖的正常生长；
此外，直播稻氮素向籽粒输送能力较差，在抽穗以后，其氮素积累能力较弱。因此，直播稻在不同生育时期对于氮素的需求与移栽水稻并不一致。乔月等［31］研究发现，直播稻基肥施较多的氮肥并不会显著促进苗期氮素吸收积累，氮肥适当后移（基肥∶分蘖肥=4∶6）有助于直播稻的氮素吸收。张祖建等［32］认为，氮肥运筹比例主要对穗粒数产生影响，在氮肥施用量270 kg/hm2、基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3 时产量最高。赵锋等［33］在江汉平原的直播稻研究中发现，提高后期氮肥的施用比例，能显著降低无效分蘖数，提高功能叶叶绿素含量、叶面积指数、光合速率和灌浆期叶片氮含量及植株氮积累量，从而形成合理群体，改善灌浆结实，提高产量，30%氮作基肥、30%氮作分蘖肥、40%氮作穗肥时产量最高。本研究综合考虑产量、氮肥利用效率以及对磷、钾吸收的促进效果，稻虾共作模式下氮基肥适宜比例为20%和0，水稻单作模式下氮基肥适宜比例为30%和20%，降低氮基肥比例（氮肥后移）能提高水稻产量，促进水稻对氮的吸收，这与前人［30‐33］研究结果一致，但氮基肥适宜比例低于前人［30‐33］研究结果，且降低氮基肥比例还能促进水稻对磷、钾的吸收。
在稻虾共作模式与水稻单作模式的对比研究方面，相对于水稻单作模式，稻虾共作模式改善了土壤结构，增加了土壤养分含量[6‐7]。与水稻单作模式相比，长期稻虾共作模式水稻产量大幅增加，氮肥利用效率提高，在施氮水平较低时，增产和提升效果更明显［22］。佀国涵等[34]、刘卿君[35]也认为，稻虾共作模式可以显著提高水稻产量。本研究发现，不施氮条件下，稻虾共作模式产量较水稻单作模式增加了14.7%，增产幅度较大，与前人[22，34‐35]研究结果基本一致，主要原因可能是稻虾共作模式相对于水稻单作模式提高了土壤基础肥力。土壤基础肥力是影响作物产量的重要因素[36]。土壤基础肥力的提升有助于提高作物产量[37]。高地力稻田产量均高于低地力稻田，土壤基础地力越高，水稻产量越高[38]。在稻虾共作模式下，由于水稻秸秆的持续全量还田、水草的种植、饲料残饵、小龙虾的蜕壳及排泄物、水稻水肥管理措施等综合因素提高了土壤肥力[9]，因此，产量显著高于水稻单作模式。本研究结果表明，结合直播稻前中期物质积累量相对偏低的营养特性，以及稻虾共作模式对土壤基础肥力的促进作用，使其前期对化肥氮的依赖程度更低。因此，在相同施氮量条件下氮肥基施比例可降至20%甚至0亦可满足前期对氮素的需求。
总而言之，本研究结果表明，稻虾共作模式下，当氮基肥比例降至20%及以下时，水稻产量显著高于氮基肥比例30%及以上的处理；
水稻单作模式下，当氮基肥比例降至30%及以下时，水稻产量显著高于氮基肥40%及以上的处理，且主要是通过增加有效穗数和结实率来实现增产的。随氮基肥比例的下降，2种模式下水稻氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥表观利用率、氮肥贡献率总体与产量的变化趋势一致。稻虾共作模式下氮基肥比例为20%和0、水稻单作模式下氮基肥比例为30%和20%，均有利于水稻对氮、磷、钾的吸收。此外，长期稻虾共作模式相对于水稻单作模式能较大幅度提高水稻产量、氮肥偏生产力和氮肥表观利用率，促进水稻对氮、磷、钾的吸收，且主要是通过增加有效穗数来实现增产的。
