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开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
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稻渔综合种养是一种“粮渔双赢”、绿色高效的生态循环农业模式，将“保粮”和“增收”、国家战略和民生福祉有机统一，是践行大农业观、大食物观的有效路径[1]。近年来，重庆市依托丰富的宜渔稻田资源，大力推进稻虾、稻鱼、稻蟹、稻鳅等多种立体种养模式，形成了“一田双收、粮渔共赢”的产业格局[2]。2023年全市稻渔综合种养面积已突破2.67万hm2，成为乡村振兴的重要抓手。然而，随着稻渔综合种养规模的快速扩张，水产动物放养量与稻田生态系统承载力间的矛盾逐渐凸显。过量放养可导致水体富营养化、土壤酸化及生物多样性降低[3-4]，而放养量不足则难以实现预期经济效益。如何科学调控水产动物放养量以平衡"生产-生态"关系，已成为稻渔模式可持续发展的关键科学问题。良好的稻田水体水质是养殖水产动物的根本[5]。土壤肥力是土壤维持植物生长所需养分供应与环境条件调控的综合能力，其直接决定作物产量与品质的高低[6-7]。土壤酶是土壤生物体产生的高催化作用的酶，其活性可作为土壤质量的辅助判断依据。
本研究以重庆典型稻虾蟹共生系统为对象，通过设置不同放养密度梯度试验，探究不同虾蟹放养量对稻田水体水质、土壤肥力和土壤酶活性的影响，并基于主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)构建土壤综合肥力评价模型，量化种养密度与系统生产力的剂量-效应关系(Dose-Effect Relationship)，揭示虾蟹生物扰动与稻田物质循环的互作机制，确定兼顾生态安全与经济效益的优化放养区间，为长江中上游丘陵区稻渔系统水肥平衡的精准调控提供理论依据与技术参数。
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基于本底调查无显著差异(p＞0.05)，选取地势平坦、远离人类干扰的田块作为试验田与对照田，确保田块间水质及土壤理化性质无显著差异。试验在重庆市合川区龙井坝育婴村开展。试验区水源以钵耳水库和大气降水为主，田块分布见图 1。
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选取12块土壤理化性质无显著差异的(表 1)高标准农田(1 000 m2/块)，其中稻虾蟹共作田9块(“田”字形环沟+双边沟，环沟面积占比＜10%)，水稻单作田3块。水稻均采用人工插秧。选择单体质量(15.27±0.30) g的健康中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)及单体质量0.50±0.05 g的健康青虾(Macrobrachium nipponense)为投放对象。将稻虾蟹共作试验组按放养量分为低放养量(LD)组(每块试验田投放青虾7.0 kg、蟹7.5 kg)、中放养量(MD)组(每块试验田投放青虾10.0 kg、蟹12.0 kg)、高放养量(HD)组(每块试验田投放青虾15.0 kg、蟹18.0 kg)，以水稻单作(RD)组为对照组，每组设置3个平行。每日早晚投喂，依据天气及残饵量动态调整投饲量，养殖时段为6-12月。
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水稻管理：于5月中下旬移栽秧苗。水稻收割前20 d(约8月下旬)开始逐步排水，成熟后人工收割。
虾蟹放养：4月初进行蟹种暂养(约50 d)，待6月中旬水稻分蘖后，选择晴天将蟹种分散投放至稻田，以提高大规格蟹比例。6月初一次性投放虾苗，均匀撒布。放养宜在晴天早晚进行，避免高温强光影响成活率。
投喂管理：日投喂量依据存塘虾蟹体质量及月份调整(参考范围：3-4月约1%，5-6月3%~5%，7-10月5%~10%)。
水位调控：根据水稻生长阶段调节水位。虾蟹蜕壳关键期维持适宜水温与水位。水稻收割前排水，保留环沟蓄水，使虾蟹集中于环沟。收割后加深稻田水位至20~50 cm，使虾蟹返回稻田继续生长至12月。
样本采集与捕捞：自9月起，每10 d采样一次。实行“捕大留小”，将达到上市规格的个体及时出售并记录数据。12月将剩余虾蟹进行一次性捕捞统计。
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试验于2022年6月至2023年5月进行。水样与土样采集期设定为：水稻分蘖期(S1)、孕穗期(S2)、抽穗期(S3)、成熟期(S4)、收割后3个月(S5)及翌年育秧前期(S6)。采样时间均规避人为活动干扰。因试验期间RD组存在断水情况，因此本试验只对试验组进行了水样采集与分析。
水样现场参数使用经标准溶液校准的哈希(HACH)三合一溶解氧仪，现场垂直测定水下30~50 cm处水温、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)和pH值。取样前，采集器与样品瓶均用待测水润洗。采集稻田4边环沟与田间混合水样1 L，确保样品代表性。样品于-4 ℃保存，48 h内完成实验室指标测定。
土样采集：依据《土壤养分循环实地采样调查方法》，每个小区采用五点法采集10~20 cm深度土壤混合样品2 kg。鲜土样品于实验室内剔除动植物残体、杂草及石块等杂质，阴干。研磨后过60目筛，避光干燥保存。
土壤化学性质测定：pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾等7项指标参照文献[8]的土壤理化性质测定方法进行测定。因NY/T 1749—2009已于2025年废止，本研究参考该标准肥力分级思路，采用修正内梅罗综合肥力指数法[9]对研究区耕地土壤综合肥力进行定量评价，其评价指数如表 2所示，内梅罗评价指标详见表 3。
土壤酶活性测定：土壤中的相关酶活检测使用的土壤碱性磷酸酶、土壤过氧化氢酶、土壤蔗糖酶、土壤碱性蛋白酶活性检测试剂盒购自南京建成生物有限公司。按照说明书上的操作步骤进行土壤酶活性测定。
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采用IBM SPSS 19进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，结果以均值±标准差(Mean±SD)表示，显著性阈值设为p＜0.05。Pearson相关性分析用于解析11项土壤指标间的关联性。
采用方差最大化正交旋转法构建载荷矩阵表征土壤肥力特征，数据可视化通过Origin 2024完成。
1.1. 试验区概况
1.2. 试验设计
1.3. 田间管理
1.4. 样品采集与测定
1.5. 数据处理及统计分析
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由图 2a可知，除S4期外，各时期LD组的DO显著高于HD组(p＜0.05)。随着放养量的升高，虾蟹的呼吸消耗量增加，同时HD组虾蟹残饵、摄食产生的粪便会随之增加，使水体DO的消耗增加，降低水体DO，从而导致HD组的DO低于LD组。由图 2b可知，在各时期各试验组间水温均无显著性差异(p＞0.05)。由图 2c可知，在S2、S4、S6 3个时期，HD组水质pH值均显著高于LD组(p＜0.05)。在S1、S5期，MD组pH值显著高于LD、HD组(p＜0.05)，主要与中密度种养下水体酸碱缓冲能力适中、虾蟹扰动适度、稻田植物根分泌有机酸较少、有机质分解平稳有关。整个养殖周期内，稻田水质pH值变动范围为7.28~7.95，符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类标准和《渔业水质标准》(GB 11607—1989)。由图 2d可知，S4期HD组化学需氧量显著高于LD、MD组(p＜0.05)，其余时期各试验组间均无显著性差异(p＞0.05)。稻田水质化学需氧量在S1、S2、S3期均处于较高水平，但仍符合Ⅲ类水质国家标准(≤20 mg/L)，到S4期，化学需氧量才出现下降。
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在整个种养期，总氮呈先升高后降低的变化趋势(图 3a)，在S4期出现最大值，其值为2.01±0.06 mg/L；在S5期，总氮含量出现下降，可能因为此时部分虾蟹已经捕捞。各时期不同试验组间，HD组总氮含量均显著高于LD组(p＜0.05)。由图 3b可知，在除S6期外的其他几期试验中，HD组总磷含量均显著高于LD、MD组(p＜0.05)。各试验组总磷在S1期到S2期下降，水稻对于磷的需求量较高，较多的磷被水稻吸收利用。S2期到S3期总磷涨幅较高，可能是因为虾蟹不断生长，产生的残饵及代谢废物也随之增加。
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土壤理化性质研究需测定最小通用数据集(土壤诊断指数组合项)[10]，包括土壤有机质、pH值、速效钾、全氮、全磷、全钾、碱解氮等。土壤有机质含量变化如图 4a所示，从时间顺序来看，S2、S3、S4期HD组土壤有机质含量显著高于MD组(p＜0.05)。相比S1期，在经历了一个养殖周期的S6期，LD、MD组土壤有机质含量明显上升(p＜0.05)，而HD、RD组土壤有机质含量显著下降(p＜0.05)。各时期3个试验组土壤有机质含量显著高于对照组(p＜0.05)，可能是稻渔综合种养模式加快了稻田生态系统物质积累的速度。HD组有机质含量在S2期达到最大值，其值为28.61±0.18 g/kg。MD组在S3期出现最大值，其值为(26.50±0.29) g/kg。试验组呈先升高后降低的变化趋势，RD组有机质含量呈先上升后下降的变化趋势，最大值出现在S2期为(21.04±0.31) g/kg。
土壤pH值变化如图 4b所示，在整个试验期间，土壤pH值呈显著波动趋势。试验组土壤pH值显著高于对照组(p＜0.05)。土壤pH值在S1期LD组显著高于MD组与HD组(p＜0.05)，其余时期各试验组间无显著性差异(p＞0.05)。RD组土壤呈现酸性，而LD、MD、HD组土壤pH值呈现中性。从可持续发展角度看，S6期的试验组土壤pH值平均值为6.6，相较于RD组的4.8，依旧呈现中性。结果表明稻渔综合种养模式更有利于保持生态系统中的酸碱度平衡，有利于水稻的生长。
土壤全氮含量变化如图 4c所示，不同放养量的虾蟹综合种养对土壤全氮含量有显著影响。在S1、S2期，MD、HD组土壤全氮含量显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S3、S4、S5、S6期，LD、MD、HD组土壤全氮含量显著高于RD组(p＜0.05)。从时间顺序看，土壤全氮含量呈现先升高后降低的趋势。在S2、S4、S5期，HD组土壤全氮含量显著高于LD组(p＜0.05)；在S3期，各试验组之间无显著性差异(p＞0.05)。
土壤全磷含量变化如图 4d所示：在S1、S2、S4、S5期，HD、RD组土壤全磷含量显著高于LD组(p＜0.05)；在S3期，RD组土壤全磷含量出现降低趋势可能是水稻对磷的需求量上升导致的。在S6期，RD组、MD组无显著性差异(p＞0.05)，RD组、MD组显著高于LD、HD组(p＜0.0.05)。RD组土壤全磷含量在整个养殖周期无显著变化(p＞0.05)，LD组呈现先升高后下降趋势。
土壤全钾含量变化如图 4e所示，在整个试验期间，各试验组土壤全钾含量显著高于RD组(p＜0.05)。在S2、S4期，HD组土壤全钾含量显著高于LD、MD组(p＜0.05)；在S5期，HD、MD组土壤全钾含量显著高于LD组(p＜0.05)；相比S1期，经过一个养殖周期，S6期各试验组土壤全钾含量均显著升高(p＜0.05)，各组含量均在S6期达到最大值。
土壤碱解氮含量变化如图 4f所示，碱解氮主要反映近期土壤氮素供应能力，在土壤中含量不稳定，易受土壤水热条件及生物活动影响。在整个试验期间，试验组MD、HD组土壤碱解氮含量显著高于RD组(p＜0.05)。在S1、S2期，LD组碱解氮含量显著低于RD组(p＜0.05)；在S3、S4、S5期，HD组土壤碱解氮含量显著高于LD、MD组(p＜0.05)；相比S1期，经过一个养殖周期，S6期各试验组土壤碱解氮含量均显著升高(p＜0.05)。土壤碱解氮呈先上升后下降的变化趋势，在S2期达到最大值。
土壤速效钾含量变化如图 4g所示，各时期MD、HD组土壤速效钾含量均显著高于RD组(p＜0.05)。在S1期，HD、MD组土壤速效钾显著高于LD组(p＜0.05)；在S2期，HD组土壤速效钾含量显著高于MD组(p＜0.05)，MD组显著高于LD组(p＜0.05)；其余时期，各试验组间无显著性差异(p＞0.05)。
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土壤碱性磷酸酶活性变化如图 5a所示：在S1、S2期，MD、HD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S3期，MD组显著高于LD、HD、RD组(p＜0.05)；在S4-S5期，土壤碱性磷酸酶活性呈现上升趋势，且MD、HD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S6期，试验组显著高于对照组(p＜0.05)，试验组之间无显著性差异(p＞0.05)。
土壤蔗糖酶活性变化如图 5b所示，试验组土壤蔗糖酶活性显著高于RD组(p＜0.05)。在S1期，MD、HD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S2期，MD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S3期，各组之间无显著性差异(p＞0.05)；在S4期，HD组显著高于LD、MD、RD组(p＜0.05)；S5、S6时期，HD组显著高于LD、MD、RD组(p＜0.05)。
土壤碱性蛋白酶活性变化如图 5c所示，试验组土壤碱性蛋白酶活性显著高于RD组(p＜0.05)。在S1期，MD组显著高于LD、HD组(p＜0.05)，在S2期，HD组显著高于LD、MD组(p＜0.05)；在S6期，HD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S3、S4、S5期，各试验组之间无显著性差异(p＞0.05)。
土壤过氧化氢酶活性变化如图 5d所示，除S1期外，试验组土壤过氧化氢酶活性均显著高于对照组(p＜0.05)。在S1期，RD组显著高于LD、MD、HD组(p＜0.05)；S2期，MD、HD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S3期，试验组显著高于对照组(p＜0.05)；在S4期，HD、LD组显著高于MD、RD组(p＜0.05)；在S5期，HD、MD组显著高于LD、RD组(p＜0.05)；在S6期，LD、MD组显著高于HD、RD组(p＜0.05)。
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依据改进后的内梅罗综合指数，对LD、MD、HD、RD组进行土壤肥力评价(表 3)。由表 3可知，MD、HD组的肥力综合指数均高于0.9，达到Ⅲ级土壤标准，LD、RD组处于Ⅳ级。
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在不同生态种养模式下，所测定的11个土壤特征指标间存在显著或极显著的正相关性或负相关关系，多数土壤指标间的相关系数的绝对值大于0.3。进行KMO和巴特利特球形度检验，得到KMO值为0.663，巴特利特球形度检验的相伴概率p＜0.01。在此基础上采用主成分分析法进一步分析，土壤肥力与土壤酶活性相关性见图 6。
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通过SPSS软件对不同生态种养模式稻田土壤特征进行主成分分析，所得各主成分特征值及方差贡献率见表 4，初始因子载荷与成分得分系数矩阵见表 5。在表 4中按特征值＞1原则提取出3个主成分，其方差贡献率分别为48.199%，16.424%和13.470%，累计贡献率为78.093%，说明提取出的3个主成分能够基本反映不同放养量下稻田土壤情况。由表 5中因子载荷可知：第1主成分因子中速效钾、有机质、全氮因子载荷较高，表明第1主成分与速效钾、有机质、全氮含量相关；第2主成分因子中碱性蛋白酶、pH因子载荷较高；第3主成分因子中全磷、碱性蛋白酶因子载荷较高。
由表 3-5内主成分得分矩阵可以得出3个主成分的线性表达式F1、F2和F3：
其中：Xi(i=1，2，…，11)为经过SPSS标准化之后的土壤特征因子；λ1、λ2和λ3分别为对应主成分因子的贡献率，分别是48.199%、16.424%和13.470%。
如表 6所示：在S1期，各试验组土壤F值从高到低依次为MD组、HD组、LD组、RD组；在S2-S4期，土壤F值从高到低依次为HD组、MD组、RD组、LD组；在S5期，土壤F值从高到低依次为HD组、MD组、RD组、LD组；在S6期，土壤F值从高到低依次为MD组、HD组、LD组、RD组。
2.1. 放养量对稻田水质的影响
2.1.1. 放养量对稻田水质溶解氧、水温、pH、化学需氧量的影响
2.1.2. 放养量对稻田水质总氮、总磷的影响
2.2. 放养量对稻田土壤肥力的影响
2.3. 放养量对稻田土壤酶活性的影响
2.4. 土壤肥力诊断及评价
2.5. 土壤酶活性与土壤肥力的相关性分析
2.6. 主成分分析
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土壤肥力是指土壤环境为植物生长提供营养和协调环境条件的综合能力，是影响作物生长和产量的重要因素，也是土壤最基本的属性[11-12]。土壤的肥力来源于其养分含量，这些养分的含量直接关乎农作物的生长状况和最终产量。在水稻生长过程中，土壤养分的动态变化与土壤生产力的可持续发展息息相关[13]。
土壤酸碱性是土壤重要化学性质，是评价土壤肥力的重要指标之一[14]，其动态变化影响着土壤物质循环、能量流动和生物活性等。在现代化农田生态系统中，化肥的大量施用是农田土壤酸化的主要原因。土壤pH值的降低会导致铝、锰等对植物的毒害，从而影响粮食品质[15]。土壤pH值在6.5到7.5之间的为中性土壤，低于6.5为酸性土壤，高于7.5为碱性土壤。中性土壤适宜水稻生长。在本试验中，试验组土壤pH值大多在6.5~7.2，为中性土壤，而对照组土壤pH值在4.5~5.4，呈现酸性，说明稻虾蟹综合种养能有效缓解土壤酸化情况。氮、磷以及有机质作为土壤中的关键元素，是水稻生长发育不可或缺的主要营养来源。依据土壤养分分级评价标准可知[16]，在S2、S3、S4期，试验组土壤全氮均位于1.5~2.0，处于丰富层级；S1、S5、S6期，试验组土壤全氮含量均值位于1.0~1.5，属于中等丰富层级，RD组大多属于中等层级，S5期属于较缺乏层级。土壤全氮含量整体呈现先升高后下降的趋势，在S3期土壤达到最高。各试验组土壤全氮含量最低值均出现在S1期，且低于S4期各试验组土壤全氮含量均仍高于S1期，说明稻渔综合种养会提升稻田土壤肥力，这与Xie等人[17]研究结果一致。在S2、S4、S5期，随着放养量增加，土壤全氮呈现增加趋势，可能与虾蟹排泄物被土壤吸收利用有关。全氮、碱解氮、全钾、土壤速效钾含量试验组都显著高于稻田单作组，说明稻渔综合种养能显著提升土壤肥力，显著高于传统的单作模式，这与余经纬[18]、喻记新[19]、禹盛苗[20]等人的研究结果一致。而土壤全磷的含量在S2期3个试验组显著低于RD组，可能是在S2期稻渔综合生态种养模式能够有效吸收、转化土壤中的养分，加速稻田生态系统物质循环，还有可能是对照组由于施肥原因，在S2期就呈现出较高的总磷含量。土壤全氮和全磷的含量在S6期都呈现出MD组含量最高，说明在此放养量下对土壤的可持续发展作用最强，对土壤肥力的提升效果最佳。在整个生长周期，稻渔综合种养试验组土壤速效钾含量高于水稻单作组，原因可能是虾蟹的代谢废物提高了土壤肥力。在S3-S5期，试验组土壤有机质的含量高于对照组，原因可能是虾蟹排泄物和残饵的积累、生物扰动、植物残茬的分解以及微生物作用等。随着放养量的增加，稻田土壤有机质含量呈现上升趋势，而到S4期后，土壤有机质含量趋于稳定。
土壤酶活性是衡量土壤质量的重要指标，在土壤养分循环和供应过程中发挥着至关重要的作用，可以作为辅助判断土壤质量的依据。不同气候环境和耕作方式会导致不同的土壤环境，从而影响土壤酶活性的表现[21-22]。本研究发现，不同时期和不同放养量间土壤酶活性存在显著性差异。本试验结果证明，稻渔综合种养模式能显著提高土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、碱性蛋白酶以及过氧化氢酶活性(p＜0.05)。土壤碱性磷酸酶是一种具有催化功能的酶，它能够促进土壤中有机磷化合物的矿化过程，从而直接影响有机磷在土壤中的分解转化效率和生物可利用性[23]。其与土壤有机质、有机磷、无机磷和土壤有效氮含量有很强的相关性，可被用作植物和微生物获得无机磷的指标[24]。在本研究中，土壤碱性磷酸酶活性试验组显著高于对照组。在S1、S2期，LD组的碱性磷酸酶活性显著低于MD组、HD组(p＜0.05)，可能是在水稻的S1期同时处于虾蟹的旺盛生长期，两者协同作用显著提高了其酶活性。而到S3期时，3个试验组土壤酶活性呈现稳定趋势，可能是此时水稻生长所需降低。土壤蔗糖酶是一种水解酶，能够水解蔗糖为相应的单糖，进而被机体吸收利用。这一水解过程与土壤中的有机质、氮、磷含量，微生物的数量以及土壤的呼吸强度等因素密切相关[25]，参与土壤碳循环。试验组土壤蔗糖酶活性显著高于RD组，在S4、S5、S6期HD组显著高于LD组、RD组，可能是在水稻S4期后，虾蟹的活动导致土壤蔗糖酶活性提高，此时HD组的虾蟹活动使土壤的呼吸强度增加，从而提高土壤酶活性。土壤过氧化氢酶是氧化还原酶的一种，可以分解过氧化氢为水和氧气，解除土壤中过氧化氢的毒害作用，减轻过氧化物对植物的毒害作用[26]。在稻虾蟹综合种养模式下，稻田的水位和灌溉方式可能与水稻单作田不同，这也会对土壤过氧化氢酶的活性产生影响。因此，需要进一步的研究来确定稻虾蟹综合种养S1期土壤过氧化氢酶活性低于水稻单作田的确切原因。土壤碱性蛋白酶参与氨基酸、蛋白质和其他土壤中含有蛋白质氮的有机物的转化，调节生物的氮素代谢，是促进土壤氮循环的重要组分[27]。土壤蛋白酶活性受到土壤理化性质、CO2浓度、土壤污染物和耕作方式等影响[28]。
土壤肥力含量和土壤酶活性状况可作为反映土壤化学和生物性质相互作用的综合指标。本研究通过对11项土壤肥力与土壤酶活性指标进行相关分析，发现不同指标间存在一定相关性，且通过KMO和巴特利特球形度检验后，适合进行主成分分析。通过主成分分析将原始指标进行降维处理，提取出3个主成分，累计贡献率为78.093%，表明这3个主成分能较好地代表影响土壤状况的核心因素。第1主成分因子中速效钾、有机质、全氮因子载荷较高，表明第1主成分同速效钾、有机质、全氮含量这些土壤肥力指标相关，反映了土壤的基础供养能力；第2主成分因子中碱性蛋白酶、pH因子载荷较高，反应土壤酸碱环境与土壤胞外酶活性存在紧密协同关系；第3主成分因子中全磷与碱性蛋白酶因子载荷较高，表明第3主成分与土壤酶活性相关，体现了土壤磷素供给水平与酶促养分转化过程协同变化的规律。计算不同时期的不同放养量下稻渔生态种养和对照组的综合得分及排序可知，除S5期外，试验组得分始终高于对照组，说明稻田采取稻渔生态种养能够显著增强土壤综合肥力。
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本研究结果表明，稻虾蟹综合种养模式对土壤肥力具有显著提升作用。相较于RD组，LD组、MD组、HD组土壤pH值、全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷及有机质含量均显著升高。LD组、MD组、HD组土壤酶活性显著改善，碱性磷酸酶、碱性蛋白酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均显著高于对照组，其中HD组在S4期表现出显著土壤酶活性峰值。土壤综合肥力评价结果表明，MD组、HD组均达Ⅲ级肥力水平，显著优于LD、RD组的Ⅳ。经过一个完整种养周期，主成分分析显示，MD组以0.309综合得分位列首位，土壤综合肥力从高到低依次为MD组、HD组、LD组、RD组。综上可知，稻虾蟹中放养量种养模式在土壤改良方面具有最优综合效益。
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