2026, Vol. 58
2. 中国地质大学(武汉)环境学院, 武汉 430074;
3. 洪湖市农业技术推广中心, 湖北洪湖 433299;
4. 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, 武汉 430064
稻虾共作(Integrated rice-crayfish co-culture，IRCC)，即在同一块稻田种植水稻和养殖小龙虾(克氏原螯虾，Procambarus clarkii)，是近十几年在我国迅猛发展起来的一种稻渔综合利用模式[1]。该模式每年可收获1季中稻和2季小龙虾，社会经济效益良好，在湖北、安徽、湖南、江苏和江西等省份得到快速推广。截至2023年底，全国稻虾种养面积达2 530万亩(15亩=1 hm2)，占小龙虾总养殖面积的85.8%[2]。
IRCC的基本理念与传统稻–渔综合种养相似，即通过稻田生态系统中的微生物和害虫为小龙虾提供天然饵料，同时小龙虾的排泄物为水稻生长提供生物肥，实现能量和物质的高效循环，从而提高单位营养物质投入的经济效益[3]。然而，IRCC的水力管理显著区别于传统稻渔模式。传统稻渔模式中，由于生活习性、捕鱼方法和上市时间等因素，养殖对象(鱼、蟹、泥鳅等)通常在水稻田进行短期的单养或套养[4-5]，不影响后续旱生作物种植。IRCC则不同，小龙虾分散的繁殖习性限制了苗种的集约化培育，苗种主要来源于自然繁殖[6]。为获取翌年的小龙虾苗种，养殖户多在每年的9—10月水稻收获后，将稻田灌满水，以未捕完的成虾为亲本，繁殖小龙虾苗种。IRCC模式下，稻田基本上变成了浅水的养虾池，全年淹水时间达到320多天。
由于长期淹水、小龙虾饲料大量投入和磷肥施用等，IRCC加剧了稻田次生潜育化，土壤全磷盈余，磷形态改变，磷肥力下降[7-10]。磷是生命活动必需的矿质营养元素，也是水体富营养化的关键控制因子[11-12]。IRCC稻田土壤中全磷的积累高于传统水旱轮作田，实施IRCC年限越长，土壤全磷增量越大[9-10]。土壤磷素盈余，存在流失和污染下游水体的风险[13-15]。同时，为保障小龙虾生长所需，小龙虾饲料富含一定量的钙盐，而小龙虾摄取的大部分钙会以脱壳形式返回土壤，导致土壤钙积累，促进土壤交换性磷、铁结合态磷等向钙结合态磷转化，磷的有效性降低。
随着IRCC持续实施，稻田土壤肥力、pH和氧化还原电位等关键理化性质改变，部分IRCC稻田出现水稻减产现象，且呈逐年加剧的趋势[16]。同时，由于小龙虾国内市场的饱和以及消费习惯的改变，IRCC模式的总体经济效益逐年下降。为降低风险，部分农户开始将IRCC稻田恢复为传统的水旱轮作(Paddy-upland rotation，PR)模式，如水稻-小麦、油菜、蔬菜轮作或休耕。PR模式不仅能有效改善淹水土壤的理化性质，缓解次生潜育化，维持土壤肥力与生产力，还具有更低的磷素投入和用水强度，显著降低农业面源磷流失风险，在当前日益严峻的水体富营养化背景下，展现出突出的环境优势。因此，IRCC恢复为PR不仅是对市场波动的适应策略，也是提升土壤磷资源管理效率、实现农业绿色发展的有效路径之一[17-19]。然而，当前关于长期淹水背景下IRCC稻田恢复PR后土壤磷形态及其有效性变化规律的研究仍较为缺乏，制约了相关管理策略的优化与推广。
基于此，本研究以江汉平原恢复PR的IRCC稻田为研究对象，探讨恢复PR后土壤磷形态和有效性的变化规律，为IRCC稻田转型利用后土壤磷肥力的可持续管理、环境风险控制提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况和试验设计研究区位于湖北省洪湖市燕窝镇(113°90′E~ 114°00′E，30°03′N~30°09′N)，位于长江中游江汉平原的东南部。洪湖市是全国最早发展IRCC模式的区域之一，常年位居全国县市小龙虾产量排名第二位[2]。该地区气候属于亚热带湿润季风气候，年平均降水量为1 060.5~1 331.1 mm，降水主要集中在5—9月。年平均气温约为16.6 ℃，无霜期较长，平均为266.5 d[20]。除IRCC模式外，该地区稻田的主要种植模式有水稻–油菜、水稻–小麦、水稻–棉花轮作等。土壤类型以水稻土为主，同时分布有潮土、黄棕壤和草甸土[21]。
本研究以燕窝镇洲脚村一块大田为研究对象(114°00′4.06′′E，30°05′28.17′′N)。该田块原采用水稻–油菜轮作种植模式，后根据农户需求调整为以下3种不同耕作模式：①稻虾共作恢复水旱轮作模式(IRCC-PR)，3块试验田(每块面积0.55 hm2)，于2018年3月起实施IRCC，至2020年10月水稻收获后开始种植油菜，恢复为水稻–油菜轮作；②持续稻虾共作模式(IRCC)，1块试验田，面积1.05 hm2，自2020年3月起持续实施IRCC；③传统水旱轮作模式(PR)，2块试验田(每块面积0.50 hm2)，始终维持水稻–油菜轮作模式。该大田土壤类型为粉砂壤质水稻土。作物施肥管理如下：水稻季施氮肥(N)150 kg/hm2、磷肥(P2O5)75 kg/hm2、钾肥(K2O)100 kg/hm2，其中，磷肥、钾肥及50% 的氮肥作为基肥施用，剩余氮肥作为追肥。油菜季施氮肥(N)120 kg/hm2、磷肥(P2O5) 60 kg/hm2、钾肥(K2O)75 kg/hm2，其中，磷肥以及50% 的钾肥和氮肥作为基肥施用，剩余钾肥和氮肥作为追肥。
1.2 样品采集于2022年5月采用五点采样法采集0~50 cm土壤样品。采样时，去除表面可见凋落物，按深度分为5个土层(0~5、5~10、10~20、20~30、30~50 cm)采集土样，同一田块内相同土层的土壤混合为一个样品，共采集30个样品。部分土样于室内风干后，挑出可见的石块、残根等，研磨、过筛(10目和100目)，用于后续相关指标分析。其余新鲜土壤样品在–20 ℃下冷冻保存。供试土壤基本理化性质见表 1。
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表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of soils |
土壤有效磷(Olsen-P)采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法测定[22]；土壤碱性磷酸酶活性(Alkaline phosphatase activity，APA)使用新鲜土壤，采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定[22]。
土壤磷形态分级：采用Moir和Tiessen[23]改进的Hedley磷分级方法，按照土壤磷素稳定性由弱到强，依次分为H2O提取磷(H2O-Pi和H2O-Po)、NaHCO3提取磷(NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po)、NaOH提取磷(NaOH-Pi和NaOH-Po)、HCl提取磷(HCl-Pi)和残余磷(Residual-P)。提取步骤如下：称取1.0 g过100目筛的风干土样于50 mL离心管中，逐级加入H2O、0.5 mol/L NaHCO3(pH=8.2)、0.1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl进行提取；剩余残渣在550 ℃煅烧2 h，用1 mol/L H2SO4提取。每次振荡提取16 h，离心后取上清液测定[23]。其中，HCl-Pi和Residual-P采用钼锑抗比色法直接测定；H2O、NaHCO3和NaOH提取态磷包含有机(Po)和无机(Pi)两种形态，无机磷部分直接采用钼锑抗比色法测定；部分提取液经过K2SO4消解后测定全磷，全磷与无机磷的差值即为有机磷。其中，H2O提取磷和NaHCO3提取磷为活性磷(Labile-P)，NaOH提取磷和HCl提取磷为中等活性磷(Moderate-P)。
Olsen-P反映土壤中易被作物吸收利用的磷，是指征土壤磷有效性的最常用指标[24-26]；土壤APA活性常用于表征有机磷的矿化水平。本研究用二者指示受试土壤的磷有效性水平。所有指标分析均进行3组平行测定。
1.4 数据处理所有数据运用Excel 2016进行整理，利用SPSS 26.0软件进行方差分析、组间多重比较和Pearson相关性分析，通过Origin 2021完成作图。
2 结果与分析 2.1 稻虾共作恢复水旱轮作后土壤磷形态变化由表 2可知，所有耕作模式土壤中均以HCl-P含量最高(298.9~414.4 mg/kg)，其次为Residual-P(136.0~ 248.1 mg/kg)，其余形态磷含量均低于40.0 mg/kg。不同形态磷含量排序为HCl-P > Residual-P > NaOH-P > NaHCO3-P > H2O-P。IRCC-PR和PR土壤中，所有形态磷含量均表现为表层高、深层低；IRCC土壤中，仅H2O-Po、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Pi呈一定程度表层高、深层低，且表层和深层土壤含量差值小于其余两种耕作模式处理土壤。
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表 2 土壤不同形态磷含量(mg/kg) Table 2 Contents of various soil phosphorus fractions (mg/kg) |
按照土壤磷形态活性进一步分类计算(图 1)。结果显示，所有耕作模式土壤中等活性磷(Moderate-P)含量最高(323.1~492.9 mg/kg)，活性磷(Labile-P)含量最低(9.8~42.2 mg/kg)。相较于IRCC，IRCC-PR土壤Moderate-Pi和Moderate-Po含量在0~5、5~10和10~ 20 cm 3个土层升高，在20~30 cm和30~50 cm土层中降低；Residual-P则在所有土层高于IRCC土壤。所有耕作模式土壤中，Moderate-P占比最高(57.2%~ 72.7%)，其次为稳定态磷(Residual-P，25.5%~40.0%)，Labile-P占比最低(1.8%~5.4%)(表 3)；其中，Moderate-P和Labile-P主要由无机磷组成。相较于IRCC，IRCC-PR土壤Moderate-P占比降低，而Residual-P占比升高。
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图 1 土壤不同活性形态磷含量变化 Fig. 1 Changes in contents of different active forms of phosphorus in soil |
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表 3 不同活性形态磷在全磷中的占比(%) Table 3 Percentages of different active forms of phosphorus in total phosphorus (%) |
由图 2可知，3种耕作模式处理土壤Olsen-P含量随土层深度的变化规律不同。IRCC-PR土壤Olsen-P含量介于2.3~11.8 mg/kg，且随土层深度的增加显著下降；表层0~5 cm土壤的Olsen-P含量为底层30~50 cm土壤的5.1倍。PR土壤Olsen-P含量介于3.3~8.7 mg/kg，随土层深度增加的下降趋势较缓，在20~30 cm土层开始呈现显著下降；表层0~5 cm土壤的Olsen-P含量为底层30~50 cm土壤的2.6倍。IRCC土壤Olsen-P含量介于5.3~7.0 mg/kg，且随土层深度的增加无明显变化趋势；其30~50 cm土层含量最低，20~30 cm土层Olsen-P含量最高，为前者的1.3倍。IRCC土壤Olsen-P在0~5 cm和5~10 cm土层显著低于IRCC-PR和PR土壤，而在20~30 cm和30~50 cm土层则显著高于二者。
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(图中大写字母不同表示同一土层不同耕作模式处理间差异显著(P < 0.05)；小写字母不同表示同一耕作模式处理不同土层间差异显著(P < 0.05)；下图同) 图 2 不同耕作模式处理土壤有效磷含量 Fig. 2 Soil available phosphorus contents under different cultivation modes treatments |
与Olsen-P相似，3种耕作模式处理土壤APA活性随土层深度的变化规律不同(图 3)。IRCC-PR和PR土壤的APA活性无明显差异，分别介于183.5~554.6 mg/ (kg·h) 和71.4~517.7 mg/(kg·h)，且均随土层深度的增加而下降；其中，前者在10~20 cm土层开始呈现显著下降，后者在20~30 cm土层开始呈现显著下降，0~5 cm土层分别是30~50 cm土层的3.0倍和7.3倍。IRCC土壤APA活性介于71.8~196.9 mg/(kg·h)，随土层深度的增加无明显趋势，在0~5、5~10和10~ 20 cm土层显著低于IRCC-PR和PR土壤。
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图 3 不同耕作模式处理土壤碱性磷酸酶活性 Fig. 3 Soil alkaline phosphatase activity under different cultivation modes treatments |
利用Pearson相关性分析探讨土壤不同形态磷对磷有效性的影响(表 4)。结果表明，土壤Olsen-P与APA、Labile-Pi、Labile-Po、Moderate-Pi和Moderate-Po间均呈显著正相关(P < 0.01)，土壤APA与Labile-Pi、Labile-Po、Moderate-Po和Residual-P间呈显著正相关(P < 0.01)。不同活性的磷形态间总体呈显著正相关(P < 0.05)，Moderate-Pi与Residual-P间呈显著负相关(P < 0.05)。
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表 4 不同形态磷与土壤有效磷、碱性磷酸酶的Pearson相关性 Table 4 Correlation coefficients among soil available phosphorus, alkaline phosphatase activity, and various soil phosphorus fractions |
在IRCC-PR模式下，长期淹水的IRCC土壤经历了较长时间的旱生作物生长期，土壤水分的显著变化可诱导土壤磷形态的转变[27]。本研究中，各形态磷含量的排序依次为HCl-P > Residual-P > NaOH-P > NaHCO3-P > H2O-P，这一结果与闫金垚等[28]在长江流域水稻–油菜轮作土壤及吴璐璐等[29]在潮土中的研究结果一致。相较于IRCC和PR模式，IRCC-PR土壤的Moderate-P占比下降，而Labile-P和Residual-P占比上升。Moderate-P主要由化学吸附于铁、铝矿物表面的磷及钙矿物结合态磷构成，而Labile-P主要包含弱吸附于土壤表面的可交换无机磷及易矿化可溶性有机磷[23]。植物优先利用土壤中的Labile-P，当活性磷供应不足时，土壤中会发生一系列生物地球化学过程，将Moderate-P转化为有效磷以维持供应[30]。IRCC-PR土壤磷形态的变化增强了短期土壤磷活性，但削弱了土壤长期供磷潜能，可能导致磷肥需求增加，从而提高生产成本并加大环境风险。因此，在IRCC-PR模式下，通过施肥管理来优化磷的有效性尤为重要。例如，可以选择在旱生作物生长季节增加磷肥施用量，而在水稻季减少磷肥施用，以平衡作物对磷的需求，并降低环境风险[31]。
土壤TP和Olsen-P含量在IRCC-PR和PR模式下的相同土层中近似，且均表现为表层高、深层低。在耕作层(0~20 cm)，其含量明显高于IRCC，但在底层土壤则明显低于后者。这可能是由于以下两方面原因：①在IRCC-PR和PR模式下，每年种植水稻和油菜两茬作物，作物吸收的磷随植株残体分解富集于表层土壤；②IRCC模式下，田块只在水稻季施用一季化肥，而IRCC-PR和PR模式下需施用两季化肥[32]。由于磷肥多以基肥方式施用，且土壤基质对磷具有强吸附性，施入的磷主要积累于耕作层，提高了土壤TP和Olsen-P含量。相比之下，IRCC土壤的TP和Olsen-P含量随土层深度增加略微升高，可能是由于小龙虾掘洞的生活习性增强了土层间物质交换，促进了磷素的剖面迁移。IRCC-PR和IRCC土壤的TP和Olsen-P呈现不同的剖面分布规律，表明恢复水旱轮作后需采取不同的磷流失风险控制策略。在IRCC-PR模式下，磷肥施用量增加，磷素在表层土壤中富集，应重点关注磷随土壤侵蚀和地表径流的流失风险；而在IRCC模式下，则需关注磷的淋溶流失风险。
土壤APA活性通常用于表征微生物矿化有机磷的能力，而活性磷含量的增加可抑制土壤APA活性[33-34]。本研究发现，IRCC-PR和PR模式下，土壤APA活性随土层深度增加显著下降，并且在0~30 cm土层中的活性明显高于IRCC土壤；而IRCC土壤APA活性随土层深度变化不明显。这一差异可能与长期淹水抑制了微生物活性，进而降低微生物胞外酶活性有关[35-36]。土壤APA活性与Olsen-P呈现相似的分布趋势，可能由以下两方面因素共同导致：①本研究中土壤Olsen-P平均含量为6.1 mg/kg(1.8~12.4 mg/kg)，低于都江雪等[37]调查的稻田平均Olsen-P含量(21.79 mg/kg)，总体处于缺磷状态；②IRCC-PR土壤的Olsen-P含量相较IRCC虽有所增加，但仍不足以满足水旱轮作引起的微生物生物量增长需求。
土壤Olsen-P和APA活性均可指示土壤磷的有效性，其与某一形态磷的相关性越高，说明该形态磷的有效性越高[38]。本研究发现，Olsen-P与Labile-Pi相关性最佳，相关性系数高达0.97(P < 0.01)，表明Labile-Pi是作物最有效的磷源，这一结果与不同类型土壤的已有研究一致[39-41]。此外，Olsen-P与Labile-Po、Moderate-Pi和Moderate-Po相关系数为0.53~0.82，均呈显著正相关(P < 0.01)，说明这些磷形态可在有效磷库不足时，通过微生物矿化或生物地球化学过程转化为有效磷。土壤APA活性与Labile-Pi、Labile-Po和Moderate-Po间相关性最佳，相关系数为0.66~0.71(P < 0.01)，说明这些磷形态在土壤微生物活动中优先被吸收利用。此外，APA活性与Residual-P也呈显著正相关(相关系数为0.49，P < 0.01)，表明在易获取磷源不足的情况下，土壤微生物可通过活化稳定态磷获取有效磷[30]。
4 结论相比于持续稻虾共作土壤，恢复水旱轮作后，土壤活性磷和稳定态磷占比增加，而中等活性磷占比下降，土壤中长期供磷潜力降低，磷肥需求可能上升。土壤有效磷在剖面上的分布表现为表层高、深层低，耕作层含量高于持续稻虾共作土壤，而底层土壤则低于后者。恢复水旱轮作的稻虾共作田，土壤磷随土壤侵蚀和地表径流的流失风险较高，而持续稻虾共作田土壤磷的淋溶流失风险较高，需针对性调整磷流失风险控制策略。未来，需在更大区域范围和更长时间尺度上开展研究，深入解析恢复水旱轮作后土壤磷形态的演变规律、磷肥力的恢复速度和程度，以指导磷肥的科学施用和环境风险管理。
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2. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Honghu Agricultural Technology Extension Center, Honghu, Hubei 433299, China;
4. Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer, Hubei Academy of Agricultural Sciences/National Agricultural Experimental Hongshan Station for Soil Quality, Wuhan 430064, China