張本華，張宇虹，孔愛菊，宋玉秋，鄔立巖，辛明金，劉翠紅，崔紅光，任文濤

0 引 言

鴨稻共作技術起源于中國，完善在日本，發(fā)展在亞洲[1]。中國明代就有稻田養(yǎng)鴨的文字記載，該方法20世紀90年代傳入日本，經(jīng)過日本人的深入研究后，2000年又重新傳回中國，目前在日本、中國、韓國、越南、緬甸、菲律賓和馬來西亞等國家得到廣泛推廣和應用[2-3]。1991年，日本成立了鴨稻共作協(xié)會，2000年開始每年召開 1次亞洲稻鴨共作研討會。專家們深入研究了鴨稻共作技術稻田養(yǎng)分循環(huán)、病蟲草害、水體環(huán)境、土壤環(huán)境、水稻生理生態(tài)、溫室氣體排放、生物多樣性變化與利用等各個方面[4-7]。鴨稻共作是一類由人工構(gòu)建起來的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng), 不同的組分搭配、比例結(jié)構(gòu)和技術體系配置,都會產(chǎn)生不同的生態(tài)效應與功能，而且其內(nèi)在的生態(tài)學過程與作用機制也相互交織，甚為復雜[8-11]。在目前已有的研究成果中，多數(shù)是關于鴨稻共作技術以及該技術對于病、蟲、草害的防治，增加產(chǎn)量、收入等方面的研究[12-22]。因此，尚需對鴨稻共作系統(tǒng)的效應與機制(特別是機制方面)開展更深入的研究[23]。同時，還需開展長期鴨稻共作定位試驗，特別是需要開展鴨稻共作對土壤肥力、溫室氣體排放、稻田生物多樣性維持等方面的長期定位試驗，揭示鴨稻共作的長期生態(tài)效應與功能[24]。

1 材料與方法

試驗地點選在新民市胡臺鎮(zhèn)車古營子村，該村位于120°20′~120°26′E，41°31′~42°17′N，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。冬季氣候干燥、寒冷，多北風和西北風；夏季氣候濕潤多雨，多南風和西南風。年平均溫度7.6 ℃，平均年降水量608 mm，無霜期160 d。全年日照時數(shù)平均為2 753.2 h，日照率為52%[25-26]。

1.1 試驗材料與設備

采用如圖 1所示的超寬帶定位系統(tǒng)檢測鴨子在田間的運動位置信息。候鳥遷徙和野生動物的活動都具有廣域性，對于監(jiān)測范圍廣闊但目標位置精度要求相對較低的情況，多數(shù)采用衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)就能很好的滿足要求。在牛、豬等養(yǎng)殖過程中，主要利用傳感器監(jiān)測動物的躺臥等行為信息[27]。為了研究不同放養(yǎng)密度下鴨子運動規(guī)律，進而研究相應的生態(tài)效益，本文要對鴨子進行位置追蹤，需要判斷鴨子田間活動區(qū)域范圍，監(jiān)測的范圍較小，對位置精度要求較高，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)均不能很好地適應。為此，本文采用超寬帶（UWB，ultra wide band）定位系統(tǒng)檢測鴨子在田間的運動位置信息。系統(tǒng)采用DW1000定位芯片構(gòu)建定位基站和標簽，主要由定位標簽、定位基站、定位引擎軟件和API（application programming interface）接口（用戶配置軟件及定位顯示軟件）4部分組成，檢測精度為10 cm，在室外或復雜環(huán)境中可實現(xiàn)多只鴨子的位置實時監(jiān)測。

圖1 超寬帶高精度定位系統(tǒng)Fig.1 Ultra wide band high-precision positioning system

1.2 試驗場地與環(huán)境

供試水稻品種為蘆葦?shù)?，鴨子品種為本地麻鴨，試驗地土壤肥沃，采用研制的自動化鴨舍管理鴨子。

UWB定位系統(tǒng)有多個定位單元，每個定位單元由4個基站組成，各單元可監(jiān)控范圍為50 m×50 m，基站能實時獲取區(qū)域內(nèi)定位標簽信息并發(fā)送至定位引擎服務器。定位引擎服務器通過TDOA（time difference of arrival）定位算法計算出每個標簽的坐標（x，y），經(jīng)由API接口傳至后臺系統(tǒng)。本試驗監(jiān)測地塊面積為4×660 m2，所以采用6個基站（采用3×2布局）。根據(jù)地形條件，標定44 m×60 m的矩形地塊，6個基站分別固定在矩形的4個頂點和長邊的中點處，每臺基站距離地面均為2 m。

1.3 試驗方法

水稻移栽行株距為30 cm，穴距為16.7 cm，每穴平均苗數(shù)為 5株。各處理的養(yǎng)鴨田，僅在耕整地時施用有機復合肥50 kg/（660 m2），不施除草劑和殺蟲劑。對照田分3次共施用復合肥25 kg/（660 m2），硫酸鉀10 kg/（660 m2），尿素10 kg/（660 m2）作基肥，正常施用除草劑和殺蟲劑。

試驗設稻田養(yǎng)鴨（20日齡起）密度為每660 m2放養(yǎng)15、20、25和30只4個處理，編號分別為1、2、3、4，以不養(yǎng)鴨常規(guī)移栽為對照（CK）。每個試驗小區(qū)隨機選擇3只鴨子攜帶定位標簽，視為3次重復，連續(xù)觀測10天。每個試驗處理小區(qū)水稻面積均為11 m×60 m，各小區(qū)間作0.1 m的泥埂，用70～80 cm高的尼龍網(wǎng)隔離。每個試驗小區(qū)地頭放置 1個自動化鴨舍，作為投食和鴨子棲息場所。

1.4 數(shù)據(jù)采集方法

1.4.1 鴨子位置信息采集

UWB定位系統(tǒng)可實現(xiàn)對多標簽實時位置監(jiān)測。標簽由鴨子攜帶，基站能實時獲取區(qū)域內(nèi)定位標簽時間信息和基站之間的時間同步信息，并發(fā)送至上位機定位系統(tǒng)軟件進行TDOA計算分析得到位置坐標，并把坐標信息進行后臺存儲。因數(shù)據(jù)的采集需實時進行，檢測持續(xù)時間較長。鴨子田間活動位置信息最終以坐標（x，y）的形式進行存儲，用MATLAB軟件對鴨子田間活動的軌跡還原。每隔2 d采集1次位置信息，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)差異不明顯，因此僅對8月1日鴨子（30日齡）在田間的位置信息進行統(tǒng)計分析。鴨子的位置坐標數(shù)據(jù)以點的形式分別散落在大小固定的各個矩形平面內(nèi)（1 m×1 m）。每個試驗小區(qū)相當于范圍固定的坐標系，而標簽上報的位置坐標數(shù)據(jù)是一組散落在這個固定坐標系中的點。不同放養(yǎng)密度的試驗條件一致，即各處理地塊大小、形狀完全一致（11 m×60 m）；每只鴨子所攜帶的標簽是同批產(chǎn)品，數(shù)據(jù)上報頻率一致；每只鴨子的監(jiān)測時長相同，即不同密度下鴨子位置坐標數(shù)據(jù)的維數(shù)一致。每晚（約20:00）為鴨子提供食物（10 g/只）。

1.4.2 雜草信息采集

采用5點取樣法，用取樣方框每點取樣1 m2，為了不影響試驗條件，僅對雜草進行種類鑒別和株數(shù)記錄，不除雜草。經(jīng)過一段時間的適應，于8月1日采集田間雜草數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 放養(yǎng)密度對鴨子活動范圍的影響

圖2所示為7:00—17:00時，不同放養(yǎng)密度下，鴨子在田間活動的軌跡。3種不同顏色的曲線代表了同一處理中3只佩戴標簽鴨子的運動軌跡?？傮w上看，3只鴨子的運動軌跡走勢很相近，說明鴨子是群體活動動物，即各重復之間的誤差不大。隨放養(yǎng)密度的增加，鴨子在田間的運動軌跡越雜亂，鴨子的活動密度越大、范圍越大、覆蓋面越廣。

2.2 放養(yǎng)密度對鴨子田間活動時間的影響

結(jié)合圖像和實際地形條件分析可知，曲線的斷點處集中在田埂位置和鴨舍入口處，表明鴨子不斷地從田埂或鴨舍門口處的空地出發(fā)到水田中覓食、戲水。

對圖 2所示坐標數(shù)據(jù)進行歸類分析，設當鴨子處于田埂或鴨舍位置時，即為休息狀態(tài)，取R= -1；當鴨子處于試驗田塊內(nèi)時，即為運動狀態(tài)，取R=1。每一個坐標點對應著一個時間點，標簽數(shù)據(jù)上報頻率為 3 s/次，因此t=0，3，6，9，12…，將單位轉(zhuǎn)換成min，則T=t/60，監(jiān)測總時長為10 h。鴨子田間活動狀態(tài)與時間的關系如表1所示?？梢钥闯?，隨著放養(yǎng)密度增加，鴨子在田間運動時間占總時間（運動與休息狀態(tài)時間之和）的比例呈上升趨勢。對應 4個處理的鴨子運動狀態(tài)時間占總時間的比例分別是69.17%，75.33%，77.83%和80.00%。表明放養(yǎng)密度越大，鴨子在田間越活躍，鴨子吃草吃蟲的時間越長。原因是因投放飼料有限，放養(yǎng)密度越大，鴨子為食物而競爭越激烈，用在尋找食物的時間就越長。

圖2 不同放養(yǎng)密度下鴨子運動軌跡Fig.2 Duck trajectory under different feeding density

表1 鴨子活動狀態(tài)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of duck activity status

2.3 放養(yǎng)密度對鴨子進入單位面積水田頻次的影響

鴨子的位置信息以坐標點的形式存儲，每一個坐標點都代表一只鴨子。系統(tǒng)首先對試驗小區(qū)以1 m2為單元格進行網(wǎng)格分割。每個試驗小區(qū)均為11 m×60 m的矩形，被均勻分割成660塊面積為1 m2的小單元。統(tǒng)計1 d之內(nèi)鴨子進入各個1 m2單元網(wǎng)格的次數(shù)，該次數(shù)越多，說明鴨子出現(xiàn)在該類區(qū)域的頻次越高。本文定義，在 1個單元格內(nèi)，鴨子每天進入1～3次為低頻次，4～6次為中頻次，7～13次為高頻次。針對每個處理，檢測攜帶標簽鴨子的數(shù)據(jù)，取平均值后再乘以各處理的鴨子放養(yǎng)數(shù)量，分別得到每天各處理單位面積內(nèi)鴨子的活動頻次，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲽喿舆M入單元格的平均次數(shù)，隨著鴨子放養(yǎng)密度的增加而增加。4種放養(yǎng)密度下，各單元格日平均進入次數(shù)分別是12.05、17.82、23.03和27.73次?？梢姡硼B(yǎng)密度越大，鴨子進入各個單元格的次數(shù)越多。對應同一個放養(yǎng)密度，鴨子進入各單元格的頻次規(guī)律是低頻次較多，其次是中頻次，再次是高頻次。當放養(yǎng)密度為15只/660 m2時，鴨子每天進入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為4 455次，占總進入次數(shù)的56.04%；進入6～7次（中頻次）的次數(shù)為2 385次，占總進入次數(shù)的 30.00%；進入 7～13次（高頻次）的次數(shù)為 1 110次，占總進入次數(shù)的13.96%。當放養(yǎng)密度為20只/660 m2時，鴨子每天進入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為5 880次，占總進入次數(shù)的50.00%；6～7次（中頻次）的次數(shù)為3 640次，占總進入次數(shù)的30.95%；7～13次（高頻次）的次數(shù)為2 240次，占總進入次數(shù)的19.05%。當放養(yǎng)密度為25只/660 m2時，鴨子每天進入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為6 375次，占總進入次數(shù)的41.94%；進入6～7次（中頻次）的次數(shù)為5 025次，占總進入次數(shù)的33.06%；7～13次（高頻次）的次數(shù)為3 800次，占總進入次數(shù)的25.00%。當放養(yǎng)密度為30只/660 m2時，鴨子每天進入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為7 470次，占總進入次數(shù)的40.82%；6～7次（中頻次）的次數(shù)為6 120次，占總進入次數(shù)的33.44%；7～13次（高頻次）的次數(shù)為4 710次，占總進入次數(shù)的25.74%?？梢姡喿用刻爝M入各個單元格內(nèi)1～3次的概率較大。

圖3 放養(yǎng)密度對鴨子活動頻次的影響Fig.3 Influence of feeding density on frequency of duck activity

對各處理不同單元格內(nèi)，每天鴨子進入的高頻、中頻和低頻次數(shù)占總進入次數(shù)的比例進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖 4所示?？梢钥闯?，鴨子進入各個單元格的頻次比例變化規(guī)律明顯，隨著放養(yǎng)密度增加，高頻次比例逐漸增加，且增加較快；中頻次比例也在逐漸增加，但增加較慢；低頻次比例在逐漸較小。說明隨著放養(yǎng)密度加大，鴨子進入各個單元格的次數(shù)在逐漸增多。

圖4 放養(yǎng)密度對鴨子進入各單元頻次比例的影響Fig.4 Influence of feeding density on proportion of moving frequency duck entering cell

2.4 鴨子運動頻次對雜草控制效果的影響

為進一步分析放養(yǎng)密度對雜草控制效果的影響，分別對鴨子活動的高頻區(qū)域、中頻區(qū)域、低頻區(qū)域采集主要雜草樣本數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如表2所示。

表2 鴨子運動頻次對主要雜草發(fā)生的影響Table 2 Influence of duck moving frequency on occurrence of weeds

可以看出，隨著鴨子活動頻次增加，矮慈姑、稗草、鴨舌草和四葉萍等主要雜草的數(shù)量呈顯著減少趨勢。由此可見，鴨子活動頻次越高，對雜草的控制效果越好。因為鴨子在田間的活動目的是獲取食物，進入各個單元格的頻次越高，在單元格內(nèi)采食雜草的頻次越高，雜草長大的機會越少。F檢驗結(jié)果如表3所示，方差分析結(jié)果表明，鴨子的活動頻次對主要雜草的影響在α=0.05水平上顯著，證明了上述結(jié)論的可靠性。

3 結(jié) 論

1）隨著放養(yǎng)密度增加，鴨子的活動范圍越大、密度越大、覆蓋面越廣；鴨子在田間運動狀態(tài)時間占總時間的比例呈上升趨勢；對應 4種放養(yǎng)密度，鴨子運動狀態(tài)時間占總時間的比例分別是69.17%，75.33%，77.83%和80.00%。

2）隨著放養(yǎng)密度越大，鴨子進入單元格的平均次數(shù)越多。4種放養(yǎng)密度下，各個單元格平均進入次數(shù)分別是12.05、17.82、23.03和27.73次；同一個放養(yǎng)密度，鴨子進入各單元格低頻次較多，高頻次最少。

3）隨著放養(yǎng)密度增加，鴨子進入各單元格高頻次比例逐漸增加，且增加較快；中頻次比例也在逐漸增加，但增加較慢；低頻次比例在逐漸較小。

4）鴨子的放養(yǎng)密度越大，對雜草的控制效果越好，鴨子在田間的活動范圍越廣、時間越長、進入各個小單元格的頻次越高，采食雜草的機會越多。

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