Effects of frog density on soil aggregate structure, soil nutrient and rice yield in rice-frog integrated farming model

试验区位于浙江省杭州市临安区龙岗镇娘娘畈(30°09′38″N，119°07′01″E)。该区属于亚热带季风气候，2023年降水量为1012.1 mm，年平均气温为15.8 ℃。试验地土壤基本性状：土壤pH为5.40，有机质为22.62 g·kg⁻¹，全氮为1.42 g·kg⁻¹，有效磷为25.81 mg·kg⁻¹，速效钾为36.74 mg·kg⁻¹。

田间试验采用随机区组设计。试验开始于2023年4月，共设置4种处理方式：常规种植水稻处理(ck)，蛙投放低密度处理(0.9万只·hm⁻²，T1)，中密度处理(1.2万只·hm⁻²，T2)和高密度处理(1.8万只·hm⁻²，T3)，其中，稻蛙综合种养模式处理于5月投放黑斑蛙Pelophylax nigromaculatus，并于2023年9月30日前全部抓获。每种处理设置3个重复试验小区，所有处理的水稻均在相同时间种植和收割。在施肥和农药管理方面，对照处理施肥方式为当地常规模式，使用三元复合肥(氮∶磷∶钾质量比为18∶8∶18)，施用量为375 kg·hm⁻²。稻蛙综合种养模式水稻全生育期不施肥不使用农药，水分管理同当地常规水平保持一致。

在水稻排水收割后，土地较干时采集土壤样品，采集不同处理表层0~20 cm土样。各处理小区按照5点棋盘布局混合取样，每个处理3个重复。采集土样带回实验室后风干，去除植物根系，用于后续土壤团粒结构和土壤养分测定。

土壤团粒结构数据测定。①土壤容重：采用容积为100 cm³环刀田间采样，带回实验室后105 ℃烘干至恒量，称量后计算土壤容重；②土壤水稳性大团聚体：将2 kg土壤样品装入塑料包装盒，带回实验室后采用湿筛法测定。

土壤养分测定。①全氮：采用凯氏定氮法，将土壤样品与试剂混合加热消化，经滴定后根据消耗酸量计算其质量分数。②土壤硝态氮：采用紫外分光光度法，将土壤样品提取过滤后测定吸光度，根据标准曲线计算其质量分数。③土壤铵态氮：采用靛酚蓝比色法，用2 mol·L⁻¹氯化钾溶液提取土壤样品，与靛酚蓝试剂反应，测定吸光度并根据标准曲线计算其质量分数。④土壤全磷：采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，将土壤样品与氢氧化钠熔融提取后，测定吸光度并根据标准曲线计算其质量分数。⑤土壤速效磷测定：采用Olsen法，用0.5 mol·L⁻¹碳酸氢钠溶液提取土壤样品后，测定吸光度并根据标准曲线计算其质量分数。⑥土壤速效钾：采用醋酸铵浸提-火焰光度法，用1 mol·L⁻¹醋酸铵溶液提取土壤样品后，测定钾发射强度并根据标准曲线计算其质量分数。⑦土壤有机质：采用重络酸钾氧化-外加热法，将土壤样品与重络酸钾溶液和硫酸混合后滴定，根据消耗量计算其质量分数。⑧土壤pH：采用pH计电位法，将土壤样品与水按1.0∶2.5质量比混合，振荡均匀后静置，测定pH。⑨水稻产量与综合效益：在水稻成熟后，随机选取1 m²代表性样方，收割水稻并脱粒。将脱粒后稻谷晒干至恒量后，称量后计算水稻产量。同时，记录结实率、千粒重等数据。综合效益根据当前稻米和稻蛙实际产量经济效益进行统计。

应用SPSS 20.0和Excel 2016进行数据处理与分析。采用多重比较检验法(Duncan’s法)对不同处理中指标差异性进行显著性检验，显著水平为0.05。使用Origin 2023绘图。

由图1可知：相比ck，各蛙投放密度处理均显著降低土壤容重(P＜0.05)，但3个蛙投放密度处理(T1、T2、T3)之间无显著差异。与ck相比，各蛙投放密度处理均显著提高了土壤水稳性大团聚体质量分数(P＜0.05)，且随着蛙投放密度的增加，土壤水稳性大团聚体质量分数呈上升趋势(T1为79.83%，T2为80.57%，T3为83.20%)，但3个蛙投放密度处理间无显著差异。

Figure 1.  Effects of different frog densities on soil bulk density and water stable macroaggregates

由图2可知：相比ck，不同蛙投放密度处理对全氮质量分数无显著差异，虽然T2处理全氮质量分数低于其他蛙投放密度处理和对照，但差异不显著。不同处理下铵态氮质量分数差异较大，T1处理的铵态氮最高，为4.68 mg·kg⁻¹，高于ck处理的3.90 mg·kg⁻¹。T2处理的铵态氮质量分数与ck相近，差异不显著。T3处理的铵态氮最低，显著低于ck、T1、T2处理(P＜0.05)。不同蛙投放密度处理显著提高了土壤硝态氮质量分数(P＜0.05)，其中，T3处理的硝态氮最高，为12.82 mg·kg⁻¹，其次是T1 (11.55 mg·kg⁻¹)和T2处理(11.14 mg·kg⁻¹)，3个蛙投放密度处理之间差异不显著。

Figure 2.  Effects of different frog densities on soil total nitrogen, ammonium nitrogen, and nitrate nitrogen

由图3可知：T1处理全磷质量分数显著低于ck、T2、T3处理(P＜0.05)，T2和T3处理全磷质量分数与ck差异不显著。随着蛙投放密度的增加，全磷质量分数呈增加趋势。除T1处理外，各蛙投放密度处理速效磷与ck相比差异不显著，T1处理显著降低了速效磷质量分数(P＜0.05)，T2和T3处理速效磷质量分数均高于对照组，其中T3处理速效磷最高。与ck相比，T1处理速效钾质量分数略有增加，但差异不显著，T2和T3处理速效钾质量分数均显著低于ck和T1处理(P＜0.05)。

Figure 3.  Effects of different frog densities on soil total phosphorus, available phosphorus, and available potassium

由图4可知：与ck相比，各蛙投放密度处理显著降低了土壤有机质质量分数(P＜0.05)，T2和T3处理土壤有机质降低幅度较大，但各蛙投放密度处理(T1、T2、T3)之间无显著差异，随着蛙投放密度的增加，土壤有机质呈现下降趋势。与ck相比，所有蛙投放密度处理均导致土壤pH显著下降(P＜0.05)，但不同处理(T1、T2、T3)之间差异不显著。

Figure 4.  Effects of different frog densities on soil organic matter and pH

由表1可知：不同蛙投放密度处理有效穗数显著低于ck (P＜0.05)，各蛙投放密度处理之间有效穗数差异不显著。各蛙投放密度处理每穗粒数与ck间差异不显著，ck结实率显著高于各蛙投放密度处理(P＜0.05)，各蛙投放密度处理之间千粒重差异不显著。对照组水稻产量最高，显著高于各蛙投放密度处理(P＜0.05)。在3个蛙投放处理中，T3处理产量最高，其次为T2和T1，但三者间差异不显著。各蛙投放密度处理综合效益纯利润显著高于ck (P＜0.05)，且随着投放密度增加，呈显著增加趋势。

已有研究发现：稻田动物活动如钻洞、筑穴能有效疏松土壤，增加土壤孔隙度，改善土壤的通气性，改变土壤团聚体分形维数，进而改善土壤物理性质^[31−33]。本研究结果表明：与ck相比，不同蛙投放密度处理显著改善了土壤团粒结构，低密度处理显著降低了土壤容重和土壤水稳性大团聚体质量分数，土壤水稳性大团聚体质量分数随着蛙投放密度的增加呈现增加趋势。这表明稻蛙综合种养模式系统能有效促进土壤团聚体的形成与稳定^[9]。在本研究中，虽然土壤水稳性大团聚体质量分数显著增加，但土壤有机质质量分数显著下降。水稳性团聚体稳定性不仅受土壤有机质影响，还受到土壤矿物质和微生物活性影响，稻蛙活动促进了土壤颗粒之间黏结作用，但并未显著增加土壤有机质积累或转化，可能是蛙类活动有助于土壤团聚体形成，但同时可能加速了有机质分解过程^[22]，导致土壤有机质降低。

与ck相比，不同蛙投放密度处理对土壤全氮质量分数的影响较小。此结果与已有研究结果一致，即蛙投放密度变化对全氮的影响较为有限，可能是因为全氮受到多种因素综合调控^[20−22]。然而铵态氮和硝态氮质量分数表现出明显差异，低密度蛙投放处理提高了铵态氮质量分数，表明低密度蛙投放处理蛙类生物活动可能促进了铵态氮释放。研究表明：通过动物活动或土壤微生物活动可增加土壤的氮转化速率，尤其是铵态氮释放^[20]。然而，本研究中，随着蛙投放密度增加，土壤铵态氮质量分数呈下降趋势，高密度蛙投放处理铵态氮质量分数降低最为显著，这表明较高密度处理可能对铵态氮积累具有抑制作用，可能是由于高密度蛙投放处理中蛙活动过度，抑制了氮源有效积累。各蛙投放密度处理硝态氮质量分数均显著高于对照组。硝态氮通常是植物易于吸收的氮源，因此，高密度蛙投放处理通过其活动可能促进了氮素转化过程^[34]，使土壤中硝态氮质量分数显著提高。

高密度蛙投放处理中全磷和速效磷质量分数均高于低密度处理，这可能是高密度处理中蛙活动通过有效促进土壤微生物繁殖，促进了土壤中难溶性磷转化和利用^[22]。然而，在低密度蛙投放处理中，土壤全磷和速效磷质量分数显著低于ck，尤其是速效磷减少了约13%，表明低密度处理对磷素影响有限，可能原因是低密度处理中蛙数量太少，导致粪便累积少，整体活动影响不够，难以有效地促进稻田磷素积累和转化。相比ck，T2和T3处理速效钾质量分数显著降低，可能与稻蛙活动导致土壤结构的变化有关，较高密度蛙投放处理通过其生物扰动作用可能加速了钾流失，或通过改变土壤结构影响了钾吸附和释放过程^{[32, 34−35]}。本研究还发现：不同蛙投放密度处理对土壤有机质质量分数具有显著影响，尤其在高密度蛙投放处理下，土壤有机质质量分数显著下降。这与朱练峰等^[19]研究结果相似。土壤有机质减少可能与稻蛙活动促进了土壤有机质的矿化过程有关，蛙粪内含有丰富易降解有机质^[22]，从而加速土壤有机质整体矿化速率。所有蛙投放密度处理土壤pH均显著低于ck，但各蛙投放密度处理间差异不显著。土壤pH轻微下降可能与稻蛙活动中有机物分解过程中酸性物质的释放有关，但这种变化不足以显著影响土壤酸碱度。尽管本研究分析了不同蛙投放密度处理对土壤物理化学性质的短期影响，但其长期效应仍需进一步探讨，如土壤有机质积累与分解、养分循环动态以及土壤结构稳定性需要更长时间观测，从而揭示稻蛙综合种养模式对土壤结构和土壤养分的累积效应和可持续性影响。

稻蛙综合种养模式中的蛙类粪便能够给水稻提供一定养分供给，蛙类活动影响稻田土壤结构、养分积累和转化过程，且蛙类能够捕食稻田中的害虫，从而与常规水稻管理相比，大大减少了水稻生育期内化肥农药的施用量，或者不施用化肥农药，有效提升稻米品质^[26−29]。但稻蛙综合种养模式需要给蛙类留出一定的饲料投放平台面积(一般不超过总面积的10%)，使得水稻种植面积减少，降低水稻总产量。已有研究均表明：相比常规水稻种植模式，稻蛙综合种养模式水稻产量均有所减少，减少幅度为23.45%~28.16%^{[19−20, 28]}。本研究结果表明：常规水稻产量要显著高于稻蛙综合种养模式，稻蛙综合种养模式的水稻产量降低幅度为15.49%~17.52%，但随着蛙投放密度的增加，水稻产量呈现上升趋势，这与李兴华等^[27]的研究结果一致。从产量构成因子看，稻蛙综合种养模式降低了水稻有效穗数和结实率，从而导致水稻产量降低，这与已有研究结果类似。在不施肥的条件下，仅靠青蛙粪便分解提供养分不能满足水稻生长发育^[28]。本研究中高密度蛙投放处理土壤铵态氮、速效钾和有机质显著低于ck。因此可在非稻蛙生育期提高氮肥、钾肥和有机质施用量，或者使用缓释肥和炭基肥等新型肥料^[11−12]，维持养分平衡，保障水稻产量。虽然单作水稻模式生产成本显著低于稻鱼综合种养模式，但是综合效益远不如稻鱼综合种养模式^{[15, 25, 36−37]}。本研究结果也得到类似结论，且在高密度蛙投放处理下，综合效益最为显著。

相较于常规施肥及低、中密度蛙投放处理，高密度蛙投放处理稻蛙综合种养模式下土壤团粒结构改善最为明显。虽然该模式下土壤铵态氮、有机质、速效钾等降低，但土壤全氮、全磷、硝态氮、速效磷等土壤养分仍能保持一定水平，且水稻产量下降幅度较低、中密度蛙投放处理小，提升稻田综合经济效益最为显著，同时减少了化肥和农药使用，降低了环境面源污染风险。因此，高密度蛙投放处理是本研究中推荐的最适宜稻蛙综合种养模式。