稻田不同種養模式對土壤肥力的影響

孟祥杰，黃 璜，陳 燦，王 忍

（湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128）

我國有著悠久的稻田生態種養歷史，據相關資料考證，稻田養魚東漢時已經出現[1]，春秋戰國時期因“滅蝗”形成了稻田養鴨模式[2]。勞動人民在長期實踐中，逐漸形成了豐富多樣的稻田生態種養模式，如稻田養雞、稻田養泥鰍、稻田養黃鱔、稻田養鱉等。截至2018 年，我國稻田生態種養面積達187 萬hm2[3]。稻田生態種養優勢巨大，可在一定程度上控草防病[4-7]，有效地減少農藥、化肥的施用，提高稻米品質[8-11]，生產綠色無公害的有機產品，符合當代消費者追求健康的理念；同時，稻田生態種養能有效提高資源利用率，實現“一水多用，一田多產”，并增強土壤肥力，改善農業生產環境[12]，對實現農業可持續發展具有重要作用；稻田生態種養的經濟效益和社會效益顯著，有利于促進農民增產增收，符合“藏糧于技，藏糧于地”的戰略要求，對我國農業發展具有至關重要的作用。

研究表明，稻田生態種養可改善土壤肥力性狀及土壤結構，提高土壤養分含量。例如，稻蝦種養模式可改變土壤緊實度、土層的團聚體分形維數等，達到改善土壤結構、增加土壤養分的目的[13]；稻鴨種養模式可降低土壤容重，增加土壤總孔隙度及非毛孔孔隙度，提高微生物活性，促進土壤養分的轉化[14]；稻田養蛙模式可增加土壤微生物數量及活度，促進磷的轉化，提高土壤磷的供應力[15]。

因土壤肥力評價因素較為復雜，通過建立合理的隸屬度函數進行分析，可保證分析結果更加準確。土壤是一種客觀存在的因子，在不考慮與外界因素之間的聯系時，土壤肥力就是一個獨立的客體。現實生產中，土壤肥力受到農田耕作模式、土壤質地、地形、生物等有關因素的影響，土壤肥力就成為一個復雜且模糊的系統，對土壤肥力的判斷就會模糊不定。筆者利用模糊數學的方法對稻田生態系統中土壤肥力變化影響進行研究，并對土壤肥力進行綜合評價，以期了解和判斷不同種養模式下稻田土壤肥力狀況，為合理安排稻田種養模式提供基礎。

1 方法與模型

1.1 參評因子的選取

土壤肥力包含的內容十分豐富，包括質地、結構等物理因素，有機質、全氮等化學因素以及土壤微生物等生物因素。該研究選擇容重、有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀這6 項具有代表性的評價指標在對土壤肥力進行綜合評價。

1.2 各肥力指標隸屬函數的確定及隸屬值的計算

綜合前人研究[16-17]，利用模糊統計方法，根據評價指標與產量的關系建立隸屬函數。土壤肥力指標中有機質、全氮、速效磷和速效鉀的隸屬函數模型為S型，pH 值、土壤質地和土壤微量元素的隸屬函數為拋物型，將S 型曲線及拋物線轉化為折線形式，通過相應隸屬函數[18]，算出相應的隸屬度ωi。

1.3 確定權重系數

結合前人研究[17]，采用因子分析，計算各指標成分的特征根和貢獻率，再由公因子方差計算出評價指標的權重。將各指標的權重值寫成矩陣形式，Ni={a, b, c, d, e, f, g}。

1.4 計算土壤肥力綜合指標

按照公式（2）計算土壤肥力綜合指標，根據最大隸屬度原則，土壤肥力綜合指標的值越大，表明土壤綜合肥力越高。

式中：FI 為土壤肥力綜合指標，Mi為各指標隸屬度的值，Ni為各指標的權重值。

1.5 數據收集

采用GetData Graph Digitizer 軟件提取文獻[19-28]中的數據，篩選不同地區稻田生態種養模式中水稻成熟期的土壤肥力指標并進行整合，建立數據集合（見表1）。

2 結果與分析

2.1 隸屬度值

稻魚處理中的有機質含量為22.17 g/kg，代入公式（1）中，可得出稻魚模式中有機質的隸屬度為0.53，同理，可以求出其他模式下各肥力指標的隸屬度值，如表2 所示。

表1 不同稻田生態種養模式下的土壤肥力

經過計算可得知，速效磷、速效鉀的平均隸屬度最小，分別為0.52 及0.58，為不同生態種養模式下土壤肥力的限制因子，總氮、土壤容重的隸屬度最大，分別為0.81 和0.84，對土壤肥力影響最小，說明不是限制因子。由圖1 可知，土壤容重、全氮、有機質的隸屬度值大于堿解氮、速效磷及速效鉀的數值，說明土壤肥力指標中土壤容重、全氮、有機質的肥力水平大于堿解氮、速效磷及速效鉀的肥力水平。稻蛙的隸屬度平均值高于其他生態種養模式，說明稻蛙的土壤肥力水平高于其他模式下的土壤肥力水平。

表2 不同稻田生態種養模式下土壤肥力平均隸屬度值

圖1 土壤肥力各個指標隸屬度

2.2 權重系數

計算各個指標的均值和標準差以及變異系數，結果如表3 所示。

表3 土壤肥力各個指標的均值、方差及變異系數

根據上述計算得到的變異系數，進行歸一化處理，可以得到各指標的權重，N={0.09，0.09，0.11，0.21，0.31，0.19}。

2.3 土壤肥力指標

根據公式（1）計算土壤肥力綜合指標（FI），得到稻金魚、稻蛙、稻蟹、稻蝦和稻鴨5 種稻田生態種養模式的FI 分別為0.577、0.740、0.555、0.728 和0.734。

速效磷、速效鉀、有機質、全氮是影響稻田生態種養模式下土壤肥力的主要因子。5 種模式下土壤肥力水平為稻蛙＞稻鴨＞稻蝦＞稻金魚＞稻蟹，說明稻蛙、稻蝦及稻鴨種養模式下的土壤肥力水平較高，稻蟹、稻金魚模式下的土壤肥力水平較低。

3 結論與討論

對不同生態種養模式下土壤肥力數據進行模糊數學分析，得出如下結果：（1）速效磷、速效鉀、堿解氮是影響稻田生態種養模式下土壤肥力的主要因子；（2）土壤肥力水平總體呈現稻蛙＞稻鴨＞稻蝦＞稻金魚＞稻蟹；（3）速效磷、速效鉀的平均隸屬度最小，為不同生態種養模式下土壤肥力的限制因子，土壤肥力指標中土壤容重、全氮、有機質的肥力水平大于堿解氮、速效磷及速效鉀的肥力水平。綜上所述，速效養分是影響稻田生態種養模式下土壤肥力的主要限制因子，稻金魚和稻蟹的土壤肥力水平較低，在實際生產中應注意增施有機肥和緩效肥以保證土壤中速效養分的供給，尤其是稻金魚和稻蟹生態種養模式下應重點關注其施肥方式和施肥水平。

速效磷、速效鉀、堿解氮是影響稻田生態種養土壤肥力的主要因子。磷在土壤中溶解度低、移動性差，磷元素不同形態間的轉換受自然因素及人為因素的影響：土壤pH 值及有機質含量會影響土壤中速效磷的含量，土壤pH 值在6.5～7.5 范圍時，土壤中有效磷的含量最高[29]，土壤中有機質與土壤速效磷呈現正相關。稻蟹及稻魚系統中的有機質含量偏低，速效磷含量偏低，與前人研究一致。土壤中速效鉀的含量與土壤母質、氣候、鉀肥的應用有關[30]。在實際生產中，可以施用生石灰調整土壤的酸堿度，促進土壤中磷的轉化；另外，可以通過施肥的方式提高土壤中速效磷、速效鉀、堿解氮的含量，進一步提高土壤肥力。

稻蛙、稻蝦及稻鴨種養模式下的土壤肥力水平較高，稻蟹、稻金魚模式下的土壤肥力水平較低。在稻田生態種養中，稻田中飼喂的動物會對微生物群落結構產生一定影響[20]，在某種程度上改善土壤結構，提高土壤肥力[21-22]。例如，稻田中的鴨、魚、蟹、蛙等動物通過日常活動增加稻田中空氣的流動性，同時疏松土壤，促進有機質的礦化分解和養分釋放，同時，田間動物的代謝產物會增加土壤中有機質和其他養分的含量。