磷是生物必需的营养元素之一。它是构成生物分子如磷脂、核酸、蛋白质、多糖的重要组成成分，而且还以多种途径参与光合作用的光合磷酸化和碳同化等重要过程，在细胞生理生化中起重要作用(Hanrahanetal．，2005)。磷循环是生态系统最基本的功能之一。磷的循环路径和效率对提高农业生态系统生产力起着重要作用。“稻鸭共生”生态系统是充分利用共生互利、生态位和食物链等生态学原理，以稻作水田为条件，以种稻为中心，家鸭田间网养的自然与人工相配合的稻田种养生态系统，是对中国传统农业稻田养鸭的继承与发展。该系统以鸭子捕食害虫代替农药、以鸭子踩食杂草代替除草剂、以鸭子粪便作为有机肥料代替部分化肥、以鸭子不间断的活动产生中耕混水效果来刺激水稻生长，实现以田养鸭，以鸭促稻，以鸭护稻，使鸭和水稻共栖生长。“稻鸭共生”生态系统磷循环不同于常规的稻田生态系统，磷素是发生在水稻-鸭-土壤界面下的循环。鸭是该系统一个“流动”磷库，其周转一般以鸭与水稻田“共生”的时间为周期。因施肥制度、饲料、灌溉水等田间管理因素影响，该循环同时受人为的补给和控制。目前，国内有关“稻鸭共生”的研究主要集中在对温室气体的影响效果及机理(Fuetal．，2001;Huangetal．，2005;李成芳等，2008a;Yuanetal．，2009)、病虫草害的控制效果及机理(刘小燕等，2004;杨志平等，2004;魏守辉等，2005;禹盛苗等，2008)、水体生态系统(汪金平等，2006;李成芳等，2008b;全国明等，2008a;汪金平等，2009a)、水稻(禹盛苗等，2005;章家恩等，2007;全国明等，2008b)、土壤性质(杨志辉等，2004;章家恩等，2004;李成芳等，2008c，2008d，2009a;展茗等，2008)等方面。李成芳等(2009b)研究了稻鸭共作系统稻田P的动态变化及转化规律，及其对环境的影响。然而从生态系统物质元素循环的角度尚未见到“稻鸭共生”生态系统P循环的研究报道。本文以开展的田间试验，采用投入产出法(input-outputanalysis，IOA)，研究P在“稻鸭共生”生态系统中流动和转化，分析系统P的输入输出及循环情况，旨在为完善稻田的P肥管理、科学组装和协调食物链各环节使物质产投结构更合理、促进稻鸭技术的推广应用提供参考依据。 1材料与方法 1.1试验地点和自然条件 本研究于2010年5—10月在湖南省浏阳市北圣镇乌龙村一肥力均匀的稻田自然丘块上进行，该地区具有亚热带季风湿润气候，年平均气温16～18℃，≥10℃的活动积温5000～5800℃，无霜期260～310d，年降雨量1200～1700mm，种植制度为“早稻-晚稻-冬闲”。土壤类型为第四纪红色粘土发育的红黄泥水稻土，土壤有机质14.1g?kg－1，全氮1.53g?kg－1，全磷0.55g?kg－1，土壤容重1.02g?cm－3。 1.2试验材料 早稻品种为“湘早籼24”，晚稻品种为“岳优9113”，鸭品种为“江南一号”水鸭。鸭饲料为国雄8549肉仔鸭中后期配合饲料，主要原料组成为玉米、豆粕、棉粕、菜粕、豆油、洗米糠、大米蛋白粉、食盐、碳酸钙、磷酸氢钙、酶制剂、赖氨酸和蛋氨酸等。 1.3试验设计与栽培管理 1.3.1试验田地设置 2010年5月1日自然丘块进水泡田，泡田3d后，进行机械旋地。然后将此自然丘田分成6个面积均等的小区(四周留有保护行)，小区面积为18m×12m。各小区四周均用长为6m，厚为30mm，高为35cm的硬质塑料薄板链接隔开，塑料薄板地下深埋20cm，田面上留15cm，以防止0～20cm耕层土壤及各小区间肥水窜流。各小区均留有一可控制的进水口和排水口，田面水深可根据塑料薄板上的刻度来控制。自然丘田四周用泥巴砌成田埂，埂高30cm，并设有一个进水口和出水口。作物早稻收获后(早稻收割时留10cm的残茬)，稻田立刻进水泡田，泡田2d后，采用小型旋耕机对试验田各小区进行旋耕，不改变试验田地设置。 1.3.2试验设计 试验设2个处理，随机区组设计，重复3次。处理Ⅰ(常规稻作):不放鸭，在水稻的整个生育期间根据田间病虫害情况施用农药(早稻为3次;晚稻为4次;杀虫剂为噻嗪酮和阿维杀虫单)，施用水田除草剂(早稻2次，晚稻1次;除草剂为苄乙)。处理Ⅱ(稻鸭共生):每小区均放10只鸭(放鸭数量以450只?hm－2为标准)，在水稻的整个生育期间不施用农药和除草剂。 1.3.3田间管理 本研究早稻移栽时间是5月10日，收获时间是7月24日;晚稻移栽时间是7月27日，收获时间是10月31日。早、晚稻插植密度均为24cm×24cm。早、晚稻移栽前各处理小区均施入基肥，早稻基肥为复合肥(N-P2O5-K2O:15-4-6)，施用量为600kg?hm－2;晚稻基肥为复合肥(N-P2O5-K2O:21-9-10)，施用量为375kg?hm－2。早、晚稻均在移栽7d后追N肥(尿素，含氮量为45%)，施用量为112.5kg?hm－2。稻田灌溉水来自附近的自然水塘。各处理田面水均维持在10cm，当田面水降至5cm时稻田灌水。水稻齐穗期以后稻田不再灌溉。稻鸭共生小区四周用高100cm的尼纶丝网做成围栏，以防鸭子外逃;并在小区角落放置一鸭棚，以便鸭子休憩和喂食，同时防止鸭饲料进入稻田土壤和水体。鸭放养期间根据田间饵料情况酌情补饲料。早稻移栽24d后即6月4日，稻鸭共生每小区均放入鸭龄为22d，体重为250g的鸭子。晚稻移栽10d后即8月7日，稻鸭共生每小区均放入鸭龄为30d，体重为300g的鸭子。早、晚稻均在齐穗期收鸭。因试验年度4—6月湖南遭遇低温自然灾害，故本研究早稻放鸭时间以田间试验秧苗的生长情况适时作了调整。 1.4样品的采集与测定方法 在4月30日和11月1日，依据S形5点采样法用内径20mm的土钻，采集耕层土壤，混匀风干，备用;用环刀法测定耕层土壤容重(BD)，用德国El-ementar公司生产的VarioMaxCN分析仪测定土壤样品全C和全N，用碱熔-钼锑抗比色法测定土壤样品全P(鲁如坤，2000)。在早、晚稻收获期，每重复小区随机取5个1m2样方测定其水稻植株地上部分(分水稻籽粒和秸秆)和地下部分生物量，植株样全P采用硫酸-双氧水消煮-钼锑抗比色法测定(鲁如坤，2000)。每天详细记录喂鸭的饲料重量，计算其投入饲料总量，并化验分析鸭饲料全P养分含量，测定方法同植株样分析。稻鸭共生期，每隔7d对每小区的鸭进行随机采样，测定每只鸭的日排泄量(在试验小区的鸭子身上安装了收集粪便的装置，不影响鸭子正常的田间活动)，根据测定的鸭的日排泄量(包括日鲜粪和日干粪)和测定次数推算鸭平均的日排泄量，依据共生天数计算总排泄量;鸭粪全P养分含量采用硫酸-过氧化氢消煮-钒钼黄比色法测定(鲁如坤，2000)。稻田杂草一般在秧苗移栽后的5d萌发，禾苗封行时达到生长高峰，稻鸭共生时，杂草即生即食，根本无法持续生长。放鸭前一天(早稻为6月3日;晚稻为8月6日)，稻鸭共生小区随机取5个0.25m2样方测定田间杂草生物量，杂草样品全P含量测定方法同植株样分析。在稻田虫害发生的每个时期，以S形5点法，用纱巾网袋收集稻鸭共生小区水稻植株上的稻飞虱等害虫(每点收集10株水稻的害虫，剔除蜘蛛)。害虫样于105℃烘24h后，称重并粉碎过100目筛。害虫样全P含量测定方法同植株样分析。记载水稻整个生育期间灌水次数。从稻田进水口处定期取灌溉水样，灌溉水全P含量采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定(鲁如坤，2000)。在水稻齐穗期收鸭子，并称重;并随机取每小区的1只鸭放血屠宰，血毛收集，内脏除去内容物，称得血、毛、头、鸭掌、内脏、鸭肉、皮、骨、油各部分重量，按部位和重量比例每只鸭采样100g，样品于105℃烘24h后粉碎过100目筛。鸭样品全P含量测定方法同植株样分析。放鸭前取3只雏鸭，内脏除去内容物，取整只做样品烘干，按成鸭的化验方法进行全P测定分析。土壤P库的计算，南方稻田土壤耕层厚度取15cm。土壤P库量为耕层土壤重量与土壤全P含量的乘积。耕层土壤重量为耕层土壤体积与土壤容重的乘积。#p#分页标题#e# 1.5数据处理 试验结果均以处理的3次重复分析的平均值来表示，试验数据采用DPSV7.05软件统计分析。不同处理之间多重比较采用Duncan新复极差法。 2结果与分析 2.1“早稻-鸭”共生生态系统P循环 2.1.1早稻季土壤子系统P循环 早稻季土壤子系统P素输入、输出及平衡状况见表1。土壤子系统P素的输入和输出“稻鸭共生”均高于常规稻作。早稻-鸭共生期，每只鸭平均日排鲜粪为76.16g，稻鸭共生38d，可对稻田增加磷6.62kg?hm－2，且鸭粪P占总输入的36.9%。灌溉水总P平均浓度为0.08mg?L－1，“稻鸭共生”和常规稻作灌溉水的体积分别是8500和8000m3?hm－2，因此灌溉水P输入分别为0.68和0.64kg?hm－2。土壤子系统的磷输出主要指水稻植株吸收的磷量。“稻鸭共生”水稻P吸收量是52.91kg?hm－2，比常规稻作高11.1%(P＞0.05)。土壤子系统P素的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。常规稻作和“稻鸭共生”在目前的P投入水平下，均存在严重的P亏缺现象。 2.1.2早稻季鸭子系统P循环 “稻鸭共生”由于鸭子的引入形成了一个种养复合的生态系统，鸭子系统的加入使整个系统具有次级生产，鸭子的日常活动与排泄等行为使系统更加复杂化，系统P投入产出发生改变。“稻鸭共生”系统中以鸭子捕食害虫代替农药、以鸭子踩食杂草代替除草剂，因此鸭子所食的杂草和害虫的P含量也是鸭子系统物质循环的有效部分。由表2可见，早稻季鸭子系统P输入大于P输出。鸭子系统输入的P中，饲料带入的P所占比例最大，为97.0%。成鸭P输出仅为1.71kg?hm－2，占总输出的20.5%，说明鸭产品本身所固定的P量并不大，输出的P大部分以鸭粪排泄物的形式归还给稻田土壤。鸭子系统的输出/输入比为0.36。 2.1.3“早稻-鸭”共生生态系统P循环 由表3可见，在整个早稻季常规稻作和“稻鸭共生”系统的P输入、P输出及P归还量各不相同。常规稻作P输入主要是化学肥料、灌溉水及早稻秧苗带入，化肥P占92.8%。常规稻作系统中只有初级生产，所以P输出主要是收获的水稻籽粒和水稻秸秆，其中水稻籽粒P占71.2%。归还给系统的P主要是水稻植株地下部分P，仅为2.13kg?hm－2。常规稻作系统内P输出大于系统外P输入。“稻鸭共生”系统因有次级生产鸭的引入，P的输入、输出均高于常规稻作，同时因有鸭粪还田P归还量也高于常规稻作。“稻鸭共生”系统内P输出大于系统外P输入。“稻鸭共生”P输入中，饲料P占66.3%，而化肥P占30.9%。“稻鸭共生”系统中P输出为52.28kg?hm－2，其中水稻籽粒P占61.6%，而鸭产品P仅占3.3%。归还给系统的P是水稻植株地下部分P和鸭粪P，鸭粪P占归还量的73.9%，而且在早稻季鸭粪参与了系统内的P循环。“稻鸭共生”P输出/输入比低于常规稻作，这是因为系统中加入次级生产后，养分输入量大幅上升，而鸭粪又保留在系统内循环的结果。鸭粪P作为循环养分被当季利用，循环率为12.5%。归还率为稻田归还量占稻田总投入的百分比，它体现了稻田的自我维持能力。本研究中，稻田的归还指归还稻田的根茬和鸭粪。稻田总投入除上述归还外，还包括化肥、水稻秧苗、灌溉水等。“稻鸭共生”P的归还率为0.45，是常规稻作的2.81倍。 2.2“晚稻-鸭”共生生态系统P循环 2.2.1晚稻季土壤子系统P循环 晚稻季土壤子系统P素输入、输出及平衡状况见表1。土壤子系统P素的输入和输出“稻鸭共生”均高于常规稻作。本研究中，晚稻-鸭共生期，每只鸭平均日排鲜粪为105.81g，稻鸭共生57d，可对稻田增加磷11.13kg?hm－2，且鸭粪P占总输入的32.1%。灌溉水总P平均浓度为0.63mg?L－1，“稻鸭共生”和常规稻作灌溉水的体积分别是11333和10667m3?hm－2，因此灌溉水P输入分别为7.08和6.67kg?hm－2。本研究中，土壤子系统的磷输出主要指水稻植株吸收的磷量。“稻鸭共生”水稻P吸收量是82.12kg?hm－2，比常规稻作仅高3%(P＞0.05)。晚稻季常规稻作和“稻鸭共生”在目前的P投入水平下，均存在严重的P亏缺现象。 2.2.2晚稻季鸭子系统P循环 鸭子系统P素输入输出情况见表2。晚稻季鸭子系统P输入大于P输出。湖南双季稻种植区，晚稻种植季节正逢夏季7月中下旬，晚稻秧苗移栽后返青活棵快，一般7～10d就可放鸭。晚稻季通过鸭子摄食的田间杂草进入食物链流通，在食物网中循环的杂草P仅为0.03kg?hm－2。鸭子系统输入的P中仍以饲料带P所占比例最大，为99.5%。成鸭P输出仅为6.17kg?hm－2，占总输出的35.7%，输出的P大部分以鸭粪排泄物的形式归还给稻田土壤。鸭子系统的输出/输入比为0.5。 2.2.3“晚稻-鸭”共生生态系统P循环 由表3可见，在整个晚稻季常规稻作和“稻鸭共生”系统的P输入、P输出及P归还量各不相同。常规稻作P输入主要是化学肥料、灌溉水及晚稻秧苗带入，化肥P占63.7%。常规稻作系统P输出中，水稻籽粒和水稻秸秆P分别占80.4%和19.6%。归还给系统的P主要是水稻植株地下部分P，仅为3.12kg?hm－2。常规稻作系统内P输出大于系统外P输入。“稻鸭共生”系统因有次级生产鸭的引入，P的输入、输出均高于常规稻作，同时因有鸭粪还田P归还量也高于常规稻作。“稻鸭共生”系统内P输出大于系统外P输入。稻鸭共生P输入中，饲料P占59.3%，而化肥P占25.4%。“稻鸭共生”系统中P输出为83.24kg?hm－2，其中水稻籽粒P占72.1%，鸭产品P占7.4%。归还给系统的P是水稻植株地下部分P和鸭粪P，鸭粪P占归还量的68.8%，而且在晚稻季鸭粪参与了系统内的P循环。“稻鸭共生”P输出/输入比低于常规稻作，这是因为系统中加入次级生产后，养分输入量大幅上升，而鸭粪又保留在系统内循环的结果。鸭粪P作为循环养分被当季利用，循环率为13.5%。#p#分页标题#e# 2.3“双季稻-鸭”共生生态系统P循环 以早、晚稻两季作为系统的稻季时间边界，常规稻作和“稻鸭共生”系统稻田土壤P库变化见表4，常规稻作和“稻鸭共生”系统的P输入输出情况见表5。在整个稻季里，“稻鸭共生”系统P的输入、输出均高于常规稻作，但P输出/输入比低于常规稻作。“稻鸭共生”系统中水稻植株地下部分固定的P是7.39kg?hm－2，土壤截存的P是195.41kg?hm－2，分别比常规稻作提高了40.8%和36.9%，且差异显著(P＜0.05)。鸭粪作为循环养分在“稻鸭共生”系统内循环利用，在整个稻季里循环量是17.75kg?hm－2，循环率为13.1%。 3讨论 本研究“稻鸭共生”和常规稻作处理设在同一块自然丘田上，为保证水鸭的正常生长，稻田要长期保持一定深度的水层，试验期间稻田尽量控制在只进水不排水(仅在早稻季6月份数次暴雨后排了水);采用浅水层分蘖代替烤田期;纪雄辉等(2008)研究得出洞庭湖区种植双季稻期间稻田土壤的总磷淋失很小且施磷与不施磷无差异。因此，本文未将稻田的P淋失量列入P循环中。 土壤磷含量及其动态平衡也是反映土壤质量和土壤健康的重要指标，直接影响着土壤肥力和土壤生产力。土壤中以收获物形式带出系统的磷素得不到有效的补充，土壤磷库亏损严重。早、晚稻两季，“稻鸭共生”均使得输出系统的磷素增加，但比常规稻作均降低了稻田土壤磷素的亏缺量;两季稻作后，本研究得出“稻鸭共生”处理稻田土壤全P为0.68g?kg－1(常规稻作为0.64g?kg－1)，土壤截存的P是195.41kg?hm－2(常规稻作为142.78kg?hm－2)，均显著高于常规稻作(P＜0.05)。因此，“稻鸭共生”能促进稻田土壤的可持续利用。与常规稻作相比，杨志辉等(2004)研究和李成芳等(2009b)研究均得出“稻鸭共生”提高了土壤速效P含量;章家恩等(2004)研究得出“稻鸭共生”降低了土壤速效P含量。两季稻作后“稻鸭共生”土壤P的形态有待于做进一步研究，因为土壤全P是土壤潜在的P素肥力，能反映土壤中P的储量，而土壤有效P是反应土壤供P能力的重要指标，含量高低直接影响到作物对土壤P素的吸收利用(陈安磊等，2008;赵庆雷等，2009)，全P含量高的土壤速效P含量未必高;其次，湖南冬春多雨，土壤速效P含量和冬闲田的水分管理将会影响稻田土壤P素的迁移和周边生态环境。土壤对P有强烈的固定作用，中国南方红壤和红壤性水稻土普遍缺磷(陈安磊等，2008;赵庆雷等，2009)，虽然P肥的当季利用率仅有10%～25%(陈安磊等，2008)，但施磷仍是解决土壤P素亏缺的最有效办法，施磷能明显增加土壤有效P的含量(Hanrahanetal．，2004)。从晚稻季“稻鸭共生”可以得出，稻鸭共生期鸭粪可对稻田增加磷11.13kg?hm－2，仅比化学肥料磷少了3.61kg?hm－2。因此，关于在“稻鸭共生”中能否适当减少化学肥料P投入，进而降低了化肥损失所造成的环境危害同时又能保障水稻稳产的问题有待于做进一步研究。 早、晚稻两季，“稻鸭共生”系统内P输出均大于系统外P输入。“稻鸭共生”生态系统P输出仍以水稻籽粒P和水稻秸秆P为主，说明初级生产在该系统P循环中十分重要。“稻鸭共生”生态系统不施用任何除草剂和农药，鸭子系统P循环一方面依附于植物生产初级产品(稻田杂草)和次级产品(蝗虫、稻飞虱、卷叶虫等害虫)的供给数量及其分配格局;另一方面依附于人类添加饲料的数量和质量。本研究得出，早、晚稻两季鸭子系统输入的P主要是饲料带入，饲料P占95%以上，说明鸭对系统外投入依存度高，自持能力较差;该区的种植制度是“早稻—晚稻—冬闲”，冬闲期杂草的滋生和早稻季放鸭时间的延后，是引起早稻季进入食物链流通的杂草P高于晚稻季的主要原因;早、晚稻两季鸭产品本身所固定的P量均不大，鸭产品P占40%以下，输出的P大部分以鸭粪排泄物的形式归还给稻田土壤，特别是鸭子系统的P输出/输入比随稻鸭共生期的延长而提高。 4结论 “稻鸭共生”能增加土壤全P含量、土壤截存的P量及降低土壤P亏缺，因此在“稻鸭共生”系统中可利用鸭子的生态功能来促进土壤中P的流动与转化，减少化学P肥的投入。