管衛(wèi)兵, 劉 凱, 石 偉, 宣富君, 王為東

1 上海海洋大學(xué),海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 上海 201306 2 淮安市蘇澤生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司, 淮安 223218 3 銀川科海生物技術(shù)有限公司, 銀川 750000 4 鹽城師范學(xué)院,江蘇灘涂生物農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省鹽土生物資源研究重點實驗室, 鹽城 224051 5 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點實驗室/中國科學(xué)院飲用水科學(xué)與技術(shù)重點實驗室, 北京 100085

稻漁綜合種養(yǎng)是在我國傳統(tǒng)稻田養(yǎng)魚的基礎(chǔ)上,經(jīng)過近年來的不斷提升和優(yōu)化、推廣和實踐發(fā)展起來的新的農(nóng)業(yè)模式[1]。稻田綜合種養(yǎng)這個詞最早是從江蘇省揚州市傳統(tǒng)稻田養(yǎng)殖發(fā)展中提出來的,起先是由揚州大學(xué)張洪程院士團隊提出稻漁共作這個概念[2- 3]。2012年,江西省水產(chǎn)技術(shù)推廣站第一次提出“稻漁種養(yǎng)”模式概念。2016年江蘇省泗陽縣首次使用“稻漁綜合種養(yǎng)”這個名詞[4]。

不少水稻種植大省,根據(jù)自身的條件,發(fā)揮農(nóng)民的智慧,創(chuàng)新發(fā)展稻田綜合種養(yǎng)模式,尤其是湖北省稻蝦連作的創(chuàng)舉為中國稻田綜合種養(yǎng)殖的現(xiàn)代化突破提供了標準版[5- 6]。安徽省有較好的自然氣候條件,2006年開始發(fā)展稻蝦共作和輪作實踐[7]。浙江省是稻田養(yǎng)魚的傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū),具有著悠久的歷史[8],2013年在德清縣召開了稻漁綜合種養(yǎng)示范項目總結(jié)會。2016年農(nóng)業(yè)部成立稻漁綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟,確定稻漁綜合種養(yǎng)是一種農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新模式。至此,稻田綜合種養(yǎng)走上了新的階段[9- 11]。

實踐證明,稻田綜合種養(yǎng)具有良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益,能夠?qū)崿F(xiàn)水稻田化肥、農(nóng)藥減量化,實現(xiàn)綠色、高效生產(chǎn)[12- 14]。但稻田綜合種養(yǎng)模式很多,涉及學(xué)科領(lǐng)域較多,是一種復(fù)合的生態(tài)模式,很多關(guān)鍵技術(shù)都亟需突破[15],本文對此進行系統(tǒng)總結(jié)歸納。

1 傳統(tǒng)稻漁綜合種養(yǎng)模式

傳統(tǒng)稻漁綜合種養(yǎng)大體上可以劃分為稻魚、稻蟹、稻蝦3種主要類型(圖1)。

圖1 稻漁綜合種養(yǎng)的3種類型Fig. 1 Three types of integrated rice-fish farming systems (a) 傳統(tǒng)的同池稻漁共作,就是傳統(tǒng)的稻魚共生;(b) 分池稻漁共作形式,將稻田作為濕地,凈化水產(chǎn)池塘養(yǎng)殖用水;(c) 采用稻漁共作系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)相耦合的模式,其中水產(chǎn)養(yǎng)殖采用一種水產(chǎn)養(yǎng)殖形式或多種形式一起構(gòu)建

1.1 稻田養(yǎng)魚

稻田養(yǎng)魚的歷史比較悠久,浙江省青田縣稻田養(yǎng)魚距今已有1200多年的歷史,是全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護項目[16- 17]。1981年倪達書提出了“稻魚共生”理論[18]。安全的全球糧食供應(yīng)依賴于可持續(xù)的水稻生產(chǎn),稻魚系統(tǒng)可以幫助維持水稻生產(chǎn)[19]。稻-魚養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)成了世界上獨特的農(nóng)業(yè)景觀[20]。在稻-魚系統(tǒng)中,傳統(tǒng)水稻品種其產(chǎn)量低于雜交品種,但肥料和農(nóng)藥的施用量亦較低[21- 22]。綜合稻魚養(yǎng)殖可通過優(yōu)勢互補利用來優(yōu)化稀缺的土地和水資源,并可充分利用魚類和水稻之間的協(xié)同作用來互促養(yǎng)分利用[23]。盡管綜合稻田養(yǎng)魚是資源利用、多樣性、生產(chǎn)力、生產(chǎn)效率和糧食供應(yīng)方面最好的養(yǎng)殖系統(tǒng)[24- 25],但要充分發(fā)揮其潛力,還需要更多的政策鼓勵[26]。

1.1.1稻魚系統(tǒng)水稻生產(chǎn)效益情況

許多研究者報道了稻-魚養(yǎng)殖對水稻產(chǎn)量的影響。一些報告顯示水稻產(chǎn)量增加,另外一些報告則顯示水稻產(chǎn)量沒有受到影響或者產(chǎn)量發(fā)生下降[27]。有報道顯示：與單一的栽培系統(tǒng)相比,稻田中養(yǎng)殖面積的增加,導(dǎo)致稻魚系統(tǒng)中水稻產(chǎn)量可能會降低[28]。另有報道指出：水稻-魚類整合系統(tǒng)水稻產(chǎn)量增加的百分比為7.9%—8.6%;無論放養(yǎng)密度如何,系統(tǒng)中總體的水稻產(chǎn)量在12.5 cm堰高度地塊中都很高[29]。

不同稻魚共生方式中其水稻、水產(chǎn)養(yǎng)殖效益不同[30]。有研究報道表明：與常規(guī)稻作系統(tǒng)相比,稻魚共生系統(tǒng)其凈收入較高,投入產(chǎn)出比、投資利潤率并不高,但從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值角度看,稻魚共生系統(tǒng)卻比常規(guī)稻作系統(tǒng)要高出7447元/hm2[31]。稻-魚整合可能是低地地區(qū)小農(nóng)戶農(nóng)業(yè)多樣化的可行選擇[32]。有研究者發(fā)現(xiàn)深水稻-魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)中有較高的稻米產(chǎn)量(38.5 t/hm2),這種生態(tài)友好的雙重生產(chǎn)系統(tǒng)和堤壩上的園藝能產(chǎn)生利潤豐厚的回報,并創(chuàng)造就業(yè)機會,可以在低地和澇漬地區(qū)采用和推廣[33]。但如果播種率高則會導(dǎo)致稻秧過度密集,從而抑制魚類的生長。所以,改善魚類生產(chǎn)的有利情況是適當?shù)牡咎锝ㄔO(shè),減少播種率,并在旱季早期放養(yǎng)魚種和可采取更加密集的飼養(yǎng)[34]。

1.1.2稻魚系統(tǒng)稻田基礎(chǔ)設(shè)施及種植情況

由中央水稻研究所開發(fā)的水稻-魚類綜合養(yǎng)殖系統(tǒng)于2002年在阿薩姆邦Gerua區(qū)域旱作水稻研究站進行了測試,取得了較好的效果,其基礎(chǔ)設(shè)施情況是在0.5 hm2的低地稻田中,60%用于田間,17%用于溝渠和池塘,剩余的23%用于在農(nóng)場周圍建造堤壩及種植蔬菜、水果、觀賞植物和發(fā)展其他農(nóng)林業(yè)[35]。種植水稻的具體模式可以遵循常規(guī)種植(regular planting, RP, 行間距26 cm)、兩種寬行大壟種植(border planting, BP) (BP1行間距36 cm, BP2行間距75 cm)等模式。其中,BP2能夠使稻田內(nèi)的水生初級生產(chǎn)力水平全面提升,從而具有作為低技術(shù)方法的潛力,可推廣用于提高孟加拉國和其他發(fā)展中國家的稻田魚類生產(chǎn)[36]。為了提高稻田單位體積的生產(chǎn)率,稻田堰高宜設(shè)為12.5 cm,并在稻田的三面開挖溝渠(0.5 m寬,0.3 m深),占地面積9%的魚溝中魚群放養(yǎng)密度可達25000尾/hm2,在不施用農(nóng)藥的情況下可產(chǎn)生約4.4 t/hm2的水稻當量產(chǎn)量。從該雙重生產(chǎn)系統(tǒng)中獲得的凈利潤為10781.01盧比/hm2[37]。

1.1.3稻魚系統(tǒng)營養(yǎng)利用情況

傳統(tǒng)的稻魚共生系統(tǒng)能夠有效地利用水體和土地資源。通過優(yōu)化肥料與飼料中添加氮相對數(shù)量的管理,傳統(tǒng)稻魚系統(tǒng)中在魚產(chǎn)量增加的同時不會加重氮污染[38]。稻魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中要注意保證稻田水體常規(guī)水質(zhì)達到水產(chǎn)養(yǎng)殖的基本要求[39],而稻魚養(yǎng)殖中還會施用大量的肥料,不同施肥處理之間產(chǎn)量存在顯著的差異,氮∶磷∶鉀(N∶P∶K)比例為(20∶10∶10)的情況下,水稻的產(chǎn)量最高,表明肥料處理對水稻產(chǎn)量有顯著影響[40],在稻田中放養(yǎng)魚類可能有助于提高稻田的土壤肥力[41]。

農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的沉積物和養(yǎng)分徑流可能導(dǎo)致水體污染和水質(zhì)惡化,在農(nóng)業(yè)活動的關(guān)鍵時期,有必要探索將魚塘與水、沉積物及其中養(yǎng)分的臨時儲存,以及天然濕地作為沉積物和農(nóng)業(yè)養(yǎng)分的緩沖區(qū)的整合[42]。魚類與作物的綜合種養(yǎng)殖越來越受到關(guān)注,以減少水產(chǎn)養(yǎng)殖的養(yǎng)分污染。高稈水稻-魚類共培養(yǎng)體系下底土中氨氮、總磷和有效磷含量分別降低了91.1%、37.0%和58.6%?？偝杀緝H增加了2.9%,但稻魚共生的凈收入增加了114.5%。這些結(jié)果表明,池塘中的稻魚共培養(yǎng)是減輕集約化養(yǎng)殖池中富營養(yǎng)化的有效方法,也是增加水稻生產(chǎn)以實現(xiàn)糧食安全和養(yǎng)魚戶額外收入的潛在新途徑[43]。日本的稻田系統(tǒng)中通過鯽魚養(yǎng)殖,稻魚地塊的水稻產(chǎn)量比單純的水稻地塊高出20%,魚類排泄物的施肥效果可能增加水稻產(chǎn)量[44]。

氮是作物生長的必需元素,但過量施用氮肥有可能帶來肥效的降低,而且導(dǎo)致環(huán)境污染的發(fā)生[45]。稻-魚共作系統(tǒng)中隨著魚類養(yǎng)殖密度和餌料投放量的增加,系統(tǒng)的生產(chǎn)力和經(jīng)濟產(chǎn)出大幅度提高,但是過高的養(yǎng)殖密度和飼料投喂肯定會導(dǎo)致稻田系統(tǒng)過高的營養(yǎng)負荷[46]。北方寒地稻田引入魚類養(yǎng)殖后,農(nóng)田土壤有機質(zhì)、全氮、全磷較高[47]。稻鰍共作提高了稻田土壤肥力,有助于促進水稻對于磷、鉀元素的吸收,水稻分蘗率提高,產(chǎn)量增長較多[48- 49]。

水稻-魚類種養(yǎng)殖系統(tǒng)中氮素的管理對于提高水稻和魚類之間協(xié)同作用具有重要意義,魚類可以提高水稻對氮素的吸收。此外,補充飼料的供應(yīng)由于動物的排泄而對水稻具有施肥效果[50]。

1.1.4稻魚系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)研究

稻魚系統(tǒng)有較高的生態(tài)效益。稻田鯉魚腸道內(nèi)容物分析顯示共有60種食物,水稻為附生生物的定殖和生長在提供基質(zhì)方面具有直接的影響[51- 52]。有報道表明稻魚共生系統(tǒng)中浮游植物群落多樣性增加,這說明已經(jīng)形成較好的生態(tài)系統(tǒng),食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)亦更加復(fù)雜,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力均得以提升[53]。稻田中藻類對氮元素的遷移與轉(zhuǎn)化非常重要,同時藻類光合作用也會增加水體溶解氧(dissolved oxygen, DO)的含量,提升水體的氧化還原電位;同樣地,藻類也會加快尿素的水解,當然稻田系統(tǒng)中過多的藻類又會與水稻爭肥,影響水稻的生長[54]。松嫩平原稻魚養(yǎng)殖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水體中異養(yǎng)細菌的數(shù)量顯著高于普通稻田濕地中的數(shù)量,其生產(chǎn)量達到307.5 kg/hm2,所提供的魚產(chǎn)力為7.0 kg/hm2[55]。此外,針對稻魚養(yǎng)殖的生態(tài)模型也有相關(guān)報道。熱帶池塘質(zhì)量動力學(xué)的模塊化是面向?qū)ο蟮亩酄I養(yǎng)模型。基于已知物種的生物學(xué),12種代表性、功能性浮游生物物種的質(zhì)量動力學(xué)被包括在該模型中[56- 57]。

1.1.5稻魚系統(tǒng)農(nóng)藥使用和病蟲害控制情況

稻魚養(yǎng)殖的重要環(huán)節(jié)之一是控制或減少農(nóng)藥的使用,否則會嚴重影響水產(chǎn)品的生長和品質(zhì),導(dǎo)致較大的食品健康負面影響。采用綜合蟲害管理(integrated pest management, IPM)是主要的方向。在春季和夏季作物季節(jié),5%、41%(樂果)和1%、17%(殺螟松)的農(nóng)藥施用量分別從稻田流失到鄰近的池塘[58]。稻飛虱和葉蟬是主要的水稻害蟲,三種放養(yǎng)模式下的魚類無法控制稻飛虱和葉蟬的數(shù)量,其他捕食性魚類可能在飛虱和葉蟬控制方面更有效[59]。稻-魚模式下農(nóng)戶化肥、農(nóng)藥使用量比常規(guī)水稻種植模式的使用量減少15.2%和40.2%,成為改善稻區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要途徑[60]。與水稻單作相比,采用稻田養(yǎng)魚會導(dǎo)致農(nóng)藥施用量降低(23.2%),在稻田養(yǎng)殖魚類的農(nóng)民不使用除草劑,在干燥和潮濕的季節(jié)分別將生產(chǎn)力提高40%—57%[61]。

對湄公河三角洲稻魚共生的農(nóng)業(yè)實踐和害蟲管理策略調(diào)查后發(fā)現(xiàn),未來的生產(chǎn)系統(tǒng)不應(yīng)該被優(yōu)化為僅提供單一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),例如大米,而是旨在提供各種相互關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),如大米、魚類、害蟲控制和養(yǎng)分循環(huán)[62]。稻魚養(yǎng)殖為集約化水稻種植提供了競爭性和可持續(xù)的替代方案,但前提是限制農(nóng)民使用殺蟲劑。這不僅有助于降低生產(chǎn)成本,而且還有助于減少對環(huán)境和健康的影響,以實現(xiàn)可持續(xù)和多樣化的糧食生產(chǎn)[63]。

1.1.6稻魚系統(tǒng)溫室氣體排放研究

魚類養(yǎng)殖與水稻栽培的整合有望實現(xiàn)對水淹生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健全的、環(huán)境可行的管理[64]。稻米農(nóng)業(yè)導(dǎo)致溫室氣體甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的排放,但人們對稻魚養(yǎng)殖對這兩種溫室氣體排放的影響還知之甚少。稻田向水產(chǎn)養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)化顯著降低了其CH4和N2O的排放量,降低比例達到48%、56%,將稻田轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)養(yǎng)殖將有利于協(xié)調(diào)溫室氣體減排和農(nóng)業(yè)收入增長之間的平衡[65]。稻鴨和稻魚復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)模式可以有效地減少和控制CH4和N2O排放,是減少稻田溫室氣體和緩解全球變暖的兩種有效策略。因此,這兩種模式的采用對環(huán)境和經(jīng)濟效益都很重要[66]。

亦有報道,養(yǎng)魚增加了種植兩種水稻品種的田間CH4排放量,其中CH4排放量增加了112%。相反,魚類放養(yǎng)減少了種植這兩種水稻品種的田間地塊的N2O排放量。魚類與相關(guān)生物運動的擾動加上較高的溶解有機碳和CH4含量以及較低的溶解氧可能是水稻+魚類組合系統(tǒng)釋放大量CH4的原因,而較高的溶解氧含量可能會影響單獨的水稻種植田并使之有更多的N2O釋放。就溫室氣體總排放量而言,與單獨水稻種植地塊(78%—81%)相比,水稻+魚類地塊排放顯著更高,其中CH4貢獻了更大的份額(91%)。相反,N2O的貢獻則相對較小,在水稻單獨種植地塊中其比例為19%—22%,而在水稻+魚類地塊中進一步降低至9%[67]。

1.2 稻蟹共作系統(tǒng)研究

與傳統(tǒng)的稻田養(yǎng)魚相比,稻蟹共作的歷史相對較短,只有近30年的發(fā)展歷史[68]。稻蟹共生已成為中國北方水稻生產(chǎn)中重要的生態(tài)農(nóng)業(yè)過程。稻田養(yǎng)殖河蟹最早是從1986年麗水市首次進行稻田養(yǎng)殖河蟹實驗開始的[69],1992年遼寧大洼縣全縣稻田養(yǎng)蟹面積發(fā)展到46.7 hm2以上,到1993年已達到466.7 hm2以上[70]。近年來,隨著稻田養(yǎng)蟹規(guī)模的不斷發(fā)展,在不少省市也得到了大面積推廣[71]。稻蟹共作模式是繼稻田養(yǎng)魚模式之后,水稻與水產(chǎn)結(jié)合領(lǐng)域的一次重大革新,尤其是遼寧等北方地區(qū)稻田培育蟹種的模式是相當成功的[72]。

1.2.1稻蟹共作中水稻和河蟹的生長

稻蟹共作需要合適的水稻品種,胡小軍等研究了多個水稻品種在稻漁(蟹)共作條件下的生長發(fā)育進程,初步篩選出適宜江蘇里下河地區(qū)種植的水稻品種[73]。同時,亦有學(xué)者根據(jù)稻蟹共作系統(tǒng)中水稻育秧移栽與直播水稻的栽培特點也提出適宜的生長方式[74],并初步構(gòu)建了稻蟹生育與季節(jié)優(yōu)化同步的模式[75]。此外,不同稻蟹共作模式的純收入差異顯著[76],不合理的水稻種植模式可能導(dǎo)致嚴重的生態(tài)和環(huán)境問題以及不可持續(xù)的農(nóng)業(yè)。盤錦市遼河流域水稻單作和常規(guī)稻蟹模式相比,優(yōu)化稻蟹模式的稻和蟹產(chǎn)量分別增加了8%—12%和9%;價值成本比例、經(jīng)濟效益密度和效益成本比分別增加了46%—51%、55%—80%和59%—66%[77]。不同河蟹幼蟹放養(yǎng)密度對水稻和蟹種產(chǎn)量有影響,研究表明在稻-蟹培養(yǎng)系統(tǒng)中,每平方米放養(yǎng)密度為3.75只至30只被認為是合理的[78]。

1.2.2稻蟹共作中土壤理化變化

稻田養(yǎng)蟹對稻田的土壤結(jié)構(gòu)是有很大影響的,養(yǎng)殖稻田明顯改變了土壤的容重,增加大粒徑(>0.2 mm)團聚體的含量,降低小粒徑(<0.002 mm)微團聚體的含量,土壤pH值得到調(diào)節(jié),土壤有機質(zhì)的含量增加,但對土壤總氮含量的影響不顯著[79- 80]。有機稻蟹模式有效地改善了土壤碳水化合物的數(shù)量和組成,以確保水稻土的可持續(xù)利用;可顯著提高土壤有機碳和重組有機碳的含量,尤其是高量有機肥養(yǎng)蟹模式效果更為明顯[81- 83]。

稻蟹共生系統(tǒng)雖然水稻增產(chǎn)和普通稻田水稻產(chǎn)量差異并不太明顯,但可能由于“不間斷施肥”的效果,養(yǎng)蟹田其水稻產(chǎn)量較不養(yǎng)蟹田的產(chǎn)量相對較高,同時低密度放養(yǎng)扣蟹的生長性狀較其他兩個處理均較為優(yōu)越,所以提高了整體經(jīng)濟效益。綜合考慮,低密度較為合理,0.75只/m2稻田養(yǎng)蟹的凈利潤最高[84- 85]。稻蟹共作水稻的施肥關(guān)鍵在于用好基蘗肥,主攻穗數(shù)[86]。

1.2.3稻蟹共作水化學(xué)

稻蟹共作水體的水質(zhì)情況是否良好,對于蟹生產(chǎn)的保證是關(guān)鍵因素。養(yǎng)蟹田較不養(yǎng)蟹田的溶解氧更低,環(huán)溝中氮磷指標也較田間稍高[87- 88]。研究發(fā)現(xiàn)：稻蟹養(yǎng)殖前期稻田水質(zhì)相對較好,比較適宜,這是由于河蟹總生物量較低,投餌量也較低;稻田環(huán)溝溫差較大,后期稻田溶解氧水平較低,與河蟹在邊溝中活動較多有關(guān);同時秋季風(fēng)少,也不利于自然增氧[89]。

1.2.4稻蟹共作生態(tài)系統(tǒng)

稻蟹共作是一種生態(tài)型種養(yǎng)新模式,其中浮游生物是重要組成部分,對稻蟹共作生態(tài)系統(tǒng)平衡有一定的維持作用。研究表明稻蟹養(yǎng)殖中,稻田浮游甲殼動物平均密度和平均生物量變化受溫度和河蟹的攝食影響最大[90]。

水稻不同生長期,稻蟹田和常規(guī)稻田的浮游植物密度和生物量變化是不同的。揚花期,常規(guī)稻田顯著高于高密度養(yǎng)蟹稻田;成熟期,常規(guī)稻田高于養(yǎng)蟹稻田。成熟期,養(yǎng)蟹稻田枝角類平均密度顯著大于常規(guī)稻田,但輪蟲變化規(guī)律是相反的。水稻分蘗期各稻田底棲動物無顯著差異,拔節(jié)期和揚花期,養(yǎng)蟹稻田底棲動物的種類數(shù)和密度均小于常規(guī)稻田;成熟期,底棲動物的種類數(shù)和密度均達到最低點[91]。

利用穩(wěn)定碳氮同位素研究了遼寧省盤錦市稻蟹系統(tǒng)的養(yǎng)分途徑和營養(yǎng)關(guān)系。δ13C結(jié)果表明,麥穗魚對中華絨螯蟹的餌料貢獻最大,而δ15N結(jié)果表明大多數(shù)食物對螃蟹的餌料貢獻超過10%;系統(tǒng)由3個營養(yǎng)級別(級別0—2)組成：中華絨螯蟹、麥穗魚和泥鰍、霍甫水絲蚓處于第二級,浮游動物處于第一級,懸浮顆粒物和大型植物處于最低營養(yǎng)位置[92]。

1.2.5稻蟹共作草害和蟲害

稻蟹養(yǎng)殖對雜草和防蟲有控制功能。對雜草防除效果良好,可與施用除草劑的效果相當或稍好,除草效果持久。株防效和鮮重防效分別可達26.4%—44.3%、17.7%—42.8%,不投料的可以達到50%以上[93- 94]。與常規(guī)稻田相比,稻蟹共作蟲害發(fā)生較輕,主要是稻田紋枯病。稻飛虱及稻縱卷葉螟等發(fā)生危害均較輕,但條紋葉枯病發(fā)生略重于常規(guī)稻田[95]。

1.3 稻蝦共作系統(tǒng)生態(tài)研究

稻蝦共作是先進綠色農(nóng)業(yè)種養(yǎng)模式,可實現(xiàn)經(jīng)濟和生態(tài)效益雙豐收的目的[96]。湖北江漢平原地區(qū)克氏原螯蝦(簡稱小龍蝦)養(yǎng)殖主要有稻蝦共作、池塘養(yǎng)殖、湖泊養(yǎng)殖等三大類型。近年來,藕-蝦、茭-蝦、蝦-蟹-魚、蝦-鱔-稻等新模式也不斷發(fā)展。稻蝦共作模式是一種以澇漬水田為基礎(chǔ),以種稻為中心,稻草還田養(yǎng)蝦為特點的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建模式。稻田養(yǎng)蝦有很多益處：第一個就是能有效控制雜草數(shù)量,減少除草劑的用量。隨著稻蝦共作時間的延長,稻田雜草發(fā)生和多樣性表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢,并呈現(xiàn)出新的雜草群落結(jié)構(gòu)[97]?？傮w效果與化學(xué)除草處理相當[98]。

中國稻田的水稻-克氏原螯蝦養(yǎng)殖(integrated rice-crayfish culture, IRCC)極大地影響了磷肥力,長期連續(xù)IRCC會降低稻田的磷肥,并且不推薦在高產(chǎn)稻田中實施IRCC[100]。稻蝦共作模式更有助于保持區(qū)域內(nèi)稻田的土壤肥力[101]。

佀國涵以江漢平原低湖地區(qū)潛育性稻田為對象,研究了長期稻蝦共作模式下稻田土壤的理化及生物學(xué)等特征,以及水稻產(chǎn)量和構(gòu)成、養(yǎng)分累積量及利用率,明確了長期稻蝦共作模式下稻田土壤肥力的變化特征及其對稻田生產(chǎn)力的影響;通過分析稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素的輸入、輸出及平衡狀況,評價了稻蝦共作系統(tǒng)中碳素、氮素和磷素平衡對稻田土壤養(yǎng)分演變的驅(qū)動作用[102]。

稻蝦共作是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新型種養(yǎng)模式,生態(tài)環(huán)保且經(jīng)濟效益高。秸稈不還田+不投食處理其甲烷排放量最低。不同處理稻田N2O排放的季節(jié)性變化均一致,都呈現(xiàn)出非稻季和整年的稻蝦處理具有N2O排放通量降低的特征,非稻季稻蝦共作處理其N2O累積排放通量比稻單處理低,其中稻蝦處理秸稈還田+不投食處理累積排放通量最小[103]。

有關(guān)稻田小龍蝦生理生態(tài)方面也有較多的研究,如有的研究旨在評估吡蚜酮對小龍蝦幼蝦的急性毒性。吡蚜酮對幼蝦的毒性呈劑量和時間依賴性,LC50從24 h的1.034 mg/L降至96 h的0.479 mg/L。小龍蝦對吡蚜酮的最大允許濃度(maximum allowable concentration, MAC)為0.106 mg/L[104]。小龍蝦對水稻幼苗有直接的負面影響,增加小龍蝦的大小會對水稻的立苗產(chǎn)生更大的負面影響;對管理的實際意義預(yù)計在水稻生長的前6天特別有效[105]?？耸显r對水生大型無脊椎動物的消耗反映了它們的季節(jié)性利用性,在克氏原螯蝦已經(jīng)適應(yīng)的棲息地中,將其營養(yǎng)行為調(diào)整為水生大型無脊椎動物的季節(jié)性可利用性[106]。

有作者建立稻蝦共作模式(crayfish and rice integrated system of production, CRISP)的幾個模型[107]：(1)提出了適應(yīng)水平生長的生態(tài)子模型,將模擬的最終水稻生產(chǎn)參數(shù)與兩年的觀測值進行比較[108];(2)提出了小龍蝦種群動態(tài)的生態(tài)子模型[109];(3)藻類生物量、水文和氧氣動態(tài)被建模為稻田小龍蝦和水稻相互作用項目的一部分[110];(4)建立稻蝦共作模式氮循環(huán)模型[111]。

稻蝦共作模式存在“雙刃性”,一方面雖然糧食安全得到保障,但存在重視龍蝦養(yǎng)殖,而輕視水稻種植的現(xiàn)象;二是提高了土壤能力,也會導(dǎo)致土壤發(fā)生次生潛育化;三是起到涵養(yǎng)水源的作用,但是也有可能導(dǎo)致水源的過度消費;第四,實現(xiàn)化肥和農(nóng)藥的減少,增加養(yǎng)殖水體的肥度,但是可能造成對外源水體富營養(yǎng)化的增強;第五,蟲害減輕,但某些病害加重,同時生物多樣性發(fā)生變化[112]?？傊?稻蝦共作是一種具有保產(chǎn)增蝦、低碳減排、具有降低全球溫室氣體排放、緩解全球增溫潛勢,同時增加生態(tài)系統(tǒng)凈經(jīng)濟效益的共作方式。

1.4 系統(tǒng)的整合

稻魚共作未來講究復(fù)合性,不是簡單將多種類混養(yǎng)在一塊稻田中,而是采用復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建模式,建立多品種分區(qū)養(yǎng)殖模式是未來的方向,從而取得更大的經(jīng)濟效益[113],如發(fā)展中華鱉、草魚、鯽魚、田螺等種類的混合養(yǎng)殖[114]。湄公河三角洲是越南最重要的水稻和蝦產(chǎn)區(qū),多個證據(jù)表明,水稻和蝦的環(huán)境條件都不是最理想的,導(dǎo)致產(chǎn)量和存活率低?？赡艿某雎肥牵?1)提高研究區(qū)稻-蝦-蟹池的生產(chǎn)力可能需要分離水稻和蝦類,提高土地利用效率;(2)管理干預(yù)增加水的氧化作用及蝦的食物供應(yīng)和質(zhì)量[115]。這是第一個提出稻、蝦、蟹分離養(yǎng)殖的思維。

多品種混養(yǎng)殖也是常用的養(yǎng)殖模式,稻-魚-蝦系統(tǒng)的稻米產(chǎn)量為3.04 t/hm2,比單作水稻高16.9%。在稻-魚-蝦系統(tǒng)中,50%的面積用于養(yǎng)魚和對蝦養(yǎng)殖,與單作水稻相比,凈回報增加了23倍[116]。在稻田中引入對蝦和鈍齒魚(Amblypharyngodonmola)對水和土壤中養(yǎng)分的有效性產(chǎn)生了深遠的影響,提高了稻谷和羅氏沼蝦的產(chǎn)量。農(nóng)村貧困農(nóng)民通過采用稻-蝦綜合養(yǎng)殖系統(tǒng),最終在經(jīng)濟和營養(yǎng)方面受益[117]。

Gher養(yǎng)殖(稻-魚-蝦系統(tǒng))是一個獨特的系統(tǒng),包括三個生產(chǎn)類型的聯(lián)合運作：淡水蝦、魚和雜交水稻,并且由于其公認的高收入潛力,在孟加拉國沿海地區(qū)迅速擴張[118]。孟加拉國東南部養(yǎng)蝦和養(yǎng)魚的可持續(xù)發(fā)展具有相當大的潛力,可以增加收入,改善農(nóng)戶的糧食安全,更廣泛地說,通過蝦的出口收入來實現(xiàn)該國的經(jīng)濟增長[119]。

世界范圍內(nèi)有機農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛,獲取有機農(nóng)業(yè)的一個策略是發(fā)展稻田養(yǎng)魚。針對稻魚共生的很多研究都力求證明稻魚共生不會降低水稻產(chǎn)量,但是又不會增加外流水體的污染,減少對土壤的污染等相關(guān)內(nèi)容。已有研究結(jié)果表明各種稻魚共生系統(tǒng)有助于降低氮磷損失,有助于經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。但傳統(tǒng)稻漁共生模式中雖然取得雙重經(jīng)濟和生態(tài)效益,還存在需要改變其養(yǎng)殖規(guī)模過小和魚產(chǎn)量較低的現(xiàn)狀。

很多研究表明,采用優(yōu)化的生態(tài)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式,如綜合水產(chǎn)養(yǎng)殖可以大大提高氮磷的利用率[120]。尋求更持續(xù)的綜合養(yǎng)殖模式是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展必然的方向和要求[121- 122]。養(yǎng)殖池塘富營養(yǎng)化是目前制約我國淡水養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。作為全國最大的一類人工濕地系統(tǒng)[123],稻作系統(tǒng)具有顯著的水質(zhì)凈化能力,如何將稻作系統(tǒng)和淡水養(yǎng)殖系統(tǒng)進行生態(tài)耦合實現(xiàn)氮磷養(yǎng)分的循環(huán)利用,是一個重要研究方向[124- 126]。此外,如何解決精養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖需要配套大量的尾水處理用地的難題,現(xiàn)有尾水處理模式還需要時間檢驗其真正的效果[127- 128],是水產(chǎn)界亟需面對和解決的問題。

2 稻田-池塘復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖模式

長江水產(chǎn)研究所李谷、長江大學(xué)朱建強團隊等提出“稻田-池塘復(fù)合生態(tài)”生態(tài)技術(shù)[129- 130]。主要是構(gòu)建人工稻田濕地對池塘污水進行處理。新式池塘生態(tài)工程化養(yǎng)殖方法,將池塘養(yǎng)殖有機結(jié)合形成的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,系統(tǒng)對養(yǎng)殖廢水有高效的處理能力[131- 132]。新的分池或異位的稻漁共作生產(chǎn)方式可望解決上述水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理困難的問題。由此實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水資源化利用,是一種可持續(xù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,可為我國漁農(nóng)混作區(qū)池塘養(yǎng)殖廢水的處理和循環(huán)利用提供一種新方法。稻田濕地一方面是消納氮磷污染的“匯”,另一方面也是農(nóng)業(yè)面源污染的“源”,只有合理構(gòu)建和應(yīng)用稻田濕地才能發(fā)揮“匯”的功能[133]。地勢較低的稻田,可極大地影響地表徑流中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程[134]。在水稻拔節(jié)期和灌漿期,太湖流域稻田濕地對低污染水中TN和TP的去除率分別可達77%—93%、87%—96%[135]。水稻具有顯著的水質(zhì)凈化能力,利用水稻對富營養(yǎng)化水體進行生態(tài)修復(fù)成為植物修復(fù)的一個重要的研究方向[136]。

對于該系統(tǒng)的相關(guān)研究主要是集中在構(gòu)建稻田濕地對池塘營養(yǎng)物質(zhì)的去除機制和效果方面。研究發(fā)現(xiàn)稻田對來自養(yǎng)殖池塘的灌溉水中的營養(yǎng)物質(zhì)具有明顯的吸收效果,尤其是對硝態(tài)氮和總磷[137]。養(yǎng)殖水經(jīng)稻田表面流處理后,其中30%以上的總氮、20%以上的總磷可被去除[138];在水稻的不同生育期,稻田對不同形態(tài)的氮去除效果不同,養(yǎng)殖水中主要營養(yǎng)物質(zhì)的去除率隨表面流的流量增大而減小[139]。稻田-池塘復(fù)合系統(tǒng)通過稻田對池塘尾水中氮磷的循環(huán)利用和復(fù)氧作用,降低了循環(huán)池塘水的富營養(yǎng)化水平,并提升池塘中的溶解氧,同時優(yōu)化浮游細菌群落的結(jié)構(gòu)和功能[140]。池塘養(yǎng)殖廢水灌溉后對水稻的產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和0—60 cm土壤剖面中氮磷分布產(chǎn)生影響[141]。這些研究表明,稻田-池塘復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有助于營養(yǎng)的高效利用,同時能減少養(yǎng)殖污染。

3 稻漁共生-池塘復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)

如前所述,稻田-池塘復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖兼具分池循環(huán)和高效濕地的功能,從而可以有效地降低池塘養(yǎng)殖中的污染物,各種稻魚共生也可以更有效地利用營養(yǎng)資源。但是采用“稻漁共生”模式處理養(yǎng)殖用水的研究很少報道[142];同時用“稻漁共生”系統(tǒng)處理后的水源進一步對池塘養(yǎng)殖凈化的相關(guān)研究基本沒有報道。

我們建立了新式分池稻漁共作模式,是一種更高復(fù)合水平的稻田-池塘復(fù)合系統(tǒng),稱為陸基生態(tài)漁場構(gòu)建技術(shù)[143]。該創(chuàng)新系統(tǒng)采用新型水循環(huán)技術(shù),實現(xiàn)多個功能單元之間的互相連通,成為網(wǎng)格狀的池塘復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)。這樣就解決了水稻種植業(yè)(過度施肥、排放污染)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)(排放污水、缺少水源)兩個行業(yè)的難題。實踐證明該技術(shù)是高效可行的,在寧夏和全國其他地方已得到較大規(guī)模的推廣和應(yīng)用,取得了良好的成效。不僅建立了大宗淡水魚池塘精養(yǎng)的模式,還建立了南美白對蝦養(yǎng)殖、池塘工程化和工廠化養(yǎng)殖等模式的耦合模式。

利用現(xiàn)有稻漁綜合種養(yǎng)行業(yè)標準規(guī)定的10%的溝渠面積,加上池塘或原來的農(nóng)田溝渠或減少的田埂面積,尤其是較大的河道可以將傳統(tǒng)稻田中的規(guī)定溝渠增加到20%以上,溝渠水面發(fā)展各種形式的高密度養(yǎng)殖和稻魚共生結(jié)合。舉例：6.7 hm2稻田,20%面積采用溝渠或工程化設(shè)施精養(yǎng),養(yǎng)魚產(chǎn)量可達37.5 t/hm2,80%面積用于稻魚共作(常規(guī)魚或蟹產(chǎn)量為225 kg/hm2,小龍蝦則有2250 kg/hm2),平均魚產(chǎn)量約為7.68—9.30 t/hm2,即單位面積水產(chǎn)品產(chǎn)量大致約為7.5 t水產(chǎn)量/hm2。中國0.27億多公頃稻田,假設(shè)0.13億公頃可以采用這個模式,增加漁業(yè)產(chǎn)量將為1億噸。增產(chǎn)量是非?？捎^的,也是難以想像的。現(xiàn)有的稻田-池塘復(fù)合生態(tài)研究中,基本以稻田凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)為研究重點,而對凈化后的水體再次用于池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)的相關(guān)研究較少。同時也僅以傳統(tǒng)濕地原理來進行構(gòu)建,稻田的設(shè)置規(guī)模較小[144];濕地構(gòu)建工藝過于復(fù)雜,導(dǎo)致稻田改造成本較高,制約其技術(shù)的大面積推廣。

發(fā)展?jié)O農(nóng)結(jié)合的復(fù)合生態(tài)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向,但關(guān)鍵是如何構(gòu)建高效的復(fù)合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。高效復(fù)合生態(tài)農(nóng)業(yè)構(gòu)建的核心是碳、氮、磷等主要營養(yǎng)物質(zhì)要實現(xiàn)高效循環(huán);其次復(fù)合生態(tài)要形成一個自組織運作狀態(tài),即強化對其物質(zhì)促進下的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自組織建設(shè)過程的研究。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)達到自組織運作狀態(tài)或總體趨勢時,生態(tài)系統(tǒng)就達到了可持續(xù)發(fā)展[145- 146]。傳統(tǒng)原位綜合養(yǎng)殖生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)中有機碳氮磷的收支已有較好的研究基礎(chǔ)[147]。但對稻漁共生-池塘復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中碳氮磷的營養(yǎng)收支還缺少研究。

概括地講,排水是傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖氮源的主要流失途徑,底泥(顆粒物)吸附沉降是池塘養(yǎng)殖磷流失的主要途徑,而碳源主要是通過魚類等生物的呼吸而消耗?；谏鷳B(tài)循環(huán)的“稻漁共生-池塘復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”恰恰可以解決這三大類營養(yǎng)物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中的高效保持和循環(huán)利用;氮磷和有機質(zhì)被稻漁共生系統(tǒng)所利用,而水稻又有利于加大養(yǎng)殖系統(tǒng)中的碳源。因此,加大對該新養(yǎng)殖模式中的有機碳、氮、磷的營養(yǎng)收支和循環(huán)等相關(guān)機制的研究及復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)對外源營養(yǎng)投入的整體響應(yīng)機制研究是非常必需的。

21世紀是漁業(yè)的世紀。中國和世界水產(chǎn)業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展為人類解決食品危機做出了巨大的貢獻[148]。然而,我國水產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)量的片面追求導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境日趨惡化,養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)不斷退化[149]。傳統(tǒng)稻田氮素流失亦是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一[150]。我國當前的環(huán)境問題源于復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程的缺陷,解決當前的環(huán)境問題,必須從優(yōu)化復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程著眼,大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、實現(xiàn)經(jīng)濟體系的綠色化[151]。

建立良好的養(yǎng)殖生態(tài)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,關(guān)鍵是優(yōu)化池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的食物鏈,使包括碳、氮、磷在內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)盡可能多的在這一個微環(huán)境內(nèi)轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖生物產(chǎn)量,而不是排向外部環(huán)境,減少對環(huán)境的污染[152]。養(yǎng)殖池塘物質(zhì)循環(huán)和碳氮磷等化學(xué)收支的研究有助于說明進入生態(tài)系統(tǒng)的各營養(yǎng)物質(zhì)的歸宿[153- 154]。人類當前消耗了約38%的全球凈初級生產(chǎn)力(net primary production, NPP),未來地球要增長的NPP,只能以更少的灌溉、肥料和土地資源使用情況下來獲得[155]。以漁農(nóng)相結(jié)合的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合養(yǎng)殖可能是解決這個世界難題的重要途徑[113]。實踐證明這種人工構(gòu)建的新式復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有著較高的生態(tài)效益和產(chǎn)量,是一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。稻漁復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)新模式因其特有的生態(tài)循環(huán)機制及系統(tǒng)的高彈性、高復(fù)合性、高可持續(xù)性,將成為我國乃至世界應(yīng)對農(nóng)田、漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)退化,復(fù)合高效解決漁業(yè)、農(nóng)業(yè)或農(nóng)牧業(yè)生態(tài)環(huán)境問題的典型范式。