稻漁綜合種養的科學范式

管衛兵, 劉 凱, 石 偉, 宣富君, 王為東

1 上海海洋大學,海洋生態與環境學院, 上海 201306 2 淮安市蘇澤生態農業有限公司, 淮安 223218 3 銀川科海生物技術有限公司, 銀川 750000 4 鹽城師范學院,江蘇灘涂生物農業協同創新中心/江蘇省鹽土生物資源研究重點實驗室, 鹽城 224051 5 中國科學院生態環境研究中心,環境水質學國家重點實驗室/中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室, 北京 100085

稻漁綜合種養是在我國傳統稻田養魚的基礎上,經過近年來的不斷提升和優化、推廣和實踐發展起來的新的農業模式[1]。稻田綜合種養這個詞最早是從江蘇省揚州市傳統稻田養殖發展中提出來的,起先是由揚州大學張洪程院士團隊提出稻漁共作這個概念[2- 3]。2012年,江西省水產技術推廣站第一次提出“稻漁種養”模式概念。2016年江蘇省泗陽縣首次使用“稻漁綜合種養”這個名詞[4]。

不少水稻種植大省,根據自身的條件,發揮農民的智慧,創新發展稻田綜合種養模式,尤其是湖北省稻蝦連作的創舉為中國稻田綜合種養殖的現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年開始發展稻蝦共作和輪作實踐[7]。浙江省是稻田養魚的傳統產區,具有著悠久的歷史[8],2013年在德清縣召開了稻漁綜合種養示范項目總結會。2016年農業部成立稻漁綜合種養產業技術創新聯盟,確定稻漁綜合種養是一種農業可持續發展的新模式。至此,稻田綜合種養走上了新的階段[9- 11]。

實踐證明,稻田綜合種養具有良好的經濟和生態效益,能夠實現水稻田化肥、農藥減量化,實現綠色、高效生產[12- 14]。但稻田綜合種養模式很多,涉及學科領域較多,是一種復合的生態模式,很多關鍵技術都亟需突破[15],本文對此進行系統總結歸納。

1 傳統稻漁綜合種養模式

傳統稻漁綜合種養大體上可以劃分為稻魚、稻蟹、稻蝦3種主要類型(圖1)。

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

1.1 稻田養魚

稻田養魚的歷史比較悠久,浙江省青田縣稻田養魚距今已有1200多年的歷史,是全球重要農業文化遺產保護項目[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依賴于可持續的水稻生產,稻魚系統可以幫助維持水稻生產[19]。稻-魚養殖系統構成了世界上獨特的農業景觀[20]。在稻-魚系統中,傳統水稻品種其產量低于雜交品種,但肥料和農藥的施用量亦較低[21- 22]。綜合稻魚養殖可通過優勢互補利用來優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同作用來互促養分利用[23]。盡管綜合稻田養魚是資源利用、多樣性、生產力、生產效率和糧食供應方面最好的養殖系統[24- 25],但要充分發揮其潛力,還需要更多的政策鼓勵[26]。

1.1.1稻魚系統水稻生產效益情況

許多研究者報道了稻-魚養殖對水稻產量的影響。一些報告顯示水稻產量增加,另外一些報告則顯示水稻產量沒有受到影響或者產量發生下降[27]。有報道顯示：與單一的栽培系統相比,稻田中養殖面積的增加,導致稻魚系統中水稻產量可能會降低[28]。另有報道指出：水稻-魚類整合系統水稻產量增加的百分比為7.9%—8.6%;無論放養密度如何,系統中總體的水稻產量在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、水產養殖效益不同[30]。有研究報道表明：與常規稻作系統相比,稻魚共生系統其凈收入較高,投入產出比、投資利潤率并不高,但從生態系統服務價值角度看,稻魚共生系統卻比常規稻作系統要高出7447元/hm2[31]。稻-魚整合可能是低地地區小農戶農業多樣化的可行選擇[32]。有研究者發現深水稻-魚類養殖系統中有較高的稻米產量(38.5 t/hm2),這種生態友好的雙重生產系統和堤壩上的園藝能產生利潤豐厚的回報,并創造就業機會,可以在低地和澇漬地區采用和推廣[33]。但如果播種率高則會導致稻秧過度密集,從而抑制魚類的生長。所以,改善魚類生產的有利情況是適當的稻田建設,減少播種率,并在旱季早期放養魚種和可采取更加密集的飼養[34]。

1.1.2稻魚系統稻田基礎設施及種植情況

由中央水稻研究所開發的水稻-魚類綜合養殖系統于2002年在阿薩姆邦Gerua區域旱作水稻研究站進行了測試,取得了較好的效果,其基礎設施情況是在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%用于在農場周圍建造堤壩及種植蔬菜、水果、觀賞植物和發展其他農林業[35]。種植水稻的具體模式可以遵循常規種植(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能夠使稻田內的水生初級生產力水平全面提升,從而具有作為低技術方法的潛力,可推廣用于提高孟加拉國和其他發展中國家的稻田魚類生產[36]。為了提高稻田單位體積的生產率,稻田堰高宜設為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%的魚溝中魚群放養密度可達25000尾/hm2,在不施用農藥的情況下可產生約4.4 t/hm2的水稻當量產量。從該雙重生產系統中獲得的凈利潤為10781.01盧比/hm2[37]。

1.1.3稻魚系統營養利用情況

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

農業活動產生的沉積物和養分徑流可能導致水體污染和水質惡化,在農業活動的關鍵時期,有必要探索將魚塘與水、沉積物及其中養分的臨時儲存,以及天然濕地作為沉積物和農業養分的緩沖區的整合[42]。魚類與作物的綜合種養殖越來越受到關注,以減少水產養殖的養分污染。高稈水稻-魚類共培養體系下底土中氨氮、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%。這些結果表明,池塘中的稻魚共培養是減輕集約化養殖池中富營養化的有效方法,也是增加水稻生產以實現糧食安全和養魚戶額外收入的潛在新途徑[43]。日本的稻田系統中通過鯽魚養殖,稻魚地塊的水稻產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,而且導致環境污染的發生[45]。稻-魚共作系統中隨著魚類養殖密度和餌料投放量的增加,系統的生產力和經濟產出大幅度提高,但是過高的養殖密度和飼料投喂肯定會導致稻田系統過高的營養負荷[46]。北方寒地稻田引入魚類養殖后,農田土壤有機質、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,產量增長較多[48- 49]。

水稻-魚類種養殖系統中氮素的管理對于提高水稻和魚類之間協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稻魚系統生態系統研究

稻魚系統有較高的生態效益。稻田鯉魚腸道內容物分析顯示共有60種食物,水稻為附生生物的定殖和生長在提供基質方面具有直接的影響[51- 52]。有報道表明稻魚共生系統中浮游植物群落多樣性增加,這說明已經形成較好的生態系統,食物網結構亦更加復雜,系統的穩定性和生產力均得以提升[53]。稻田中藻類對氮元素的遷移與轉化非常重要,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]。松嫩平原稻魚養殖復合生態系統水體中異養細菌的數量顯著高于普通稻田濕地中的數量,其生產量達到307.5 kg/hm2,所提供的魚產力為7.0 kg/hm2[55]。此外,針對稻魚養殖的生態模型也有相關報道。熱帶池塘質量動力學的模塊化是面向對象的多營養模型?；谝阎锓N的生物學,12種代表性、功能性浮游生物物種的質量動力學被包括在該模型中[56- 57]。

1.1.5稻魚系統農藥使用和病蟲害控制情況

稻魚養殖的重要環節之一是控制或減少農藥的使用,否則會嚴重影響水產品的生長和品質,導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,5%、41%(樂果)和1%、17%(殺螟松)的農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,三種放養模式下的魚類無法控制稻飛虱和葉蟬的數量,其他捕食性魚類可能在飛虱和葉蟬控制方面更有效[59]。稻-魚模式下農戶化肥、農藥使用量比常規水稻種植模式的使用量減少15.2%和40.2%,成為改善稻區農業生態環境的重要途徑[60]。與水稻單作相比,采用稻田養魚會導致農藥施用量降低(23.2%),在稻田養殖魚類的農民不使用除草劑,在干燥和潮濕的季節分別將生產力提高40%—57%[61]。

對湄公河三角洲稻魚共生的農業實踐和害蟲管理策略調查后發現,未來的生產系統不應該被優化為僅提供單一的生態系統服務,例如大米,而是旨在提供各種相互關聯的生態系統服務,如大米、魚類、害蟲控制和養分循環[62]。稻魚養殖為集約化水稻種植提供了競爭性和可持續的替代方案,但前提是限制農民使用殺蟲劑。這不僅有助于降低生產成本,而且還有助于減少對環境和健康的影響,以實現可持續和多樣化的糧食生產[63]。

1.1.6稻魚系統溫室氣體排放研究

魚類養殖與水稻栽培的整合有望實現對水淹生態系統的生態健全的、環境可行的管理[64]。稻米農業導致溫室氣體甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的排放,但人們對稻魚養殖對這兩種溫室氣體排放的影響還知之甚少。稻田向水產養殖的轉化顯著降低了其CH4和N2O的排放量,降低比例達到48%、56%,將稻田轉變為水產養殖將有利于協調溫室氣體減排和農業收入增長之間的平衡[65]。稻鴨和稻魚復合生態種養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境和經濟效益都很重要[66]。

亦有報道,養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 稻蟹共作系統研究

與傳統的稻田養魚相比,稻蟹共作的歷史相對較短,只有近30年的發展歷史[68]。稻蟹共生已成為中國北方水稻生產中重要的生態農業過程。稻田養殖河蟹最早是從1986年麗水市首次進行稻田養殖河蟹實驗開始的[69],1992年遼寧大洼縣全縣稻田養蟹面積發展到46.7 hm2以上,到1993年已達到466.7 hm2以上[70]。近年來,隨著稻田養蟹規模的不斷發展,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魚模式之后,水稻與水產結合領域的一次重大革新,尤其是遼寧等北方地區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育進程,初步篩選出適宜江蘇里下河地區種植的水稻品種[73]。同時,亦有學者根據稻蟹共作系統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],并初步構建了稻蟹生育與季節優化同步的模式[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致嚴重的生態和環境問題以及不可持續的農業。盤錦市遼河流域水稻單作和常規稻蟹模式相比,優化稻蟹模式的稻和蟹產量分別增加了8%—12%和9%;價值成本比例、經濟效益密度和效益成本比分別增加了46%—51%、55%—80%和59%—66%[77]。不同河蟹幼蟹放養密度對水稻和蟹種產量有影響,研究表明在稻-蟹培養系統中,每平方米放養密度為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

稻田養蟹對稻田的土壤結構是有很大影響的,養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值得到調節,土壤有機質的含量增加,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量和組成,以確保水稻土的可持續利用;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蟹模式效果更為明顯[81- 83]。

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

1.2.3稻蟹共作水化學

稻蟹共作水體的水質情況是否良好,對于蟹生產的保證是關鍵因素。養蟹田較不養蟹田的溶解氧更低,環溝中氮磷指標也較田間稍高[87- 88]。研究發現：稻蟹養殖前期稻田水質相對較好,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;同時秋季風少,也不利于自然增氧[89]。

1.2.4稻蟹共作生態系統

稻蟹共作是一種生態型種養新模式,其中浮游生物是重要組成部分,對稻蟹共作生態系統平衡有一定的維持作用。研究表明稻蟹養殖中,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,稻蟹田和常規稻田的浮游植物密度和生物量變化是不同的。揚花期,常規稻田顯著高于高密度養蟹稻田;成熟期,常規稻田高于養蟹稻田。成熟期,養蟹稻田枝角類平均密度顯著大于常規稻田,但輪蟲變化規律是相反的。水稻分蘗期各稻田底棲動物無顯著差異,拔節期和揚花期,養蟹稻田底棲動物的種類數和密度均小于常規稻田;成熟期,底棲動物的種類數和密度均達到最低點[91]。

利用穩定碳氮同位素研究了遼寧省盤錦市稻蟹系統的養分途徑和營養關系。δ13C結果表明,麥穗魚對中華絨螯蟹的餌料貢獻最大,而δ15N結果表明大多數食物對螃蟹的餌料貢獻超過10%;系統由3個營養級別(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位置[92]。

1.2.5稻蟹共作草害和蟲害

稻蟹養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]。與常規稻田相比,稻蟹共作蟲害發生較輕,主要是稻田紋枯病。稻飛虱及稻縱卷葉螟等發生危害均較輕,但條紋葉枯病發生略重于常規稻田[95]。

1.3 稻蝦共作系統生態研究

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

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

佀國涵以江漢平原低湖地區潛育性稻田為對象,研究了長期稻蝦共作模式下稻田土壤的理化及生物學等特征,以及水稻產量和構成、養分累積量及利用率,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力的影響;通過分析稻蝦共作系統中碳素、氮素和磷素的輸入、輸出及平衡狀況,評價了稻蝦共作系統中碳素、氮素和磷素平衡對稻田土壤養分演變的驅動作用[102]。

稻蝦共作是現代農業的新型種養模式,生態環保且經濟效益高。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排放的季節性變化均一致,都呈現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]。

有關稻田小龍蝦生理生態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生更大的負面影響;對管理的實際意義預計在水稻生長的前6天特別有效[105]。克氏原螯蝦對水生大型無脊椎動物的消耗反映了它們的季節性利用性,在克氏原螯蝦已經適應的棲息地中,將其營養行為調整為水生大型無脊椎動物的季節性可利用性[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)提出了適應水平生長的生態子模型,將模擬的最終水稻生產參數與兩年的觀測值進行比較[108];(2)提出了小龍蝦種群動態的生態子模型[109];(3)藻類生物量、水文和氧氣動態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,但存在重視龍蝦養殖,而輕視水稻種植的現象;二是提高了土壤能力,也會導致土壤發生次生潛育化;三是起到涵養水源的作用,但是也有可能導致水源的過度消費;第四,實現化肥和農藥的減少,增加養殖水體的肥度,但是可能造成對外源水體富營養化的增強;第五,蟲害減輕,但某些病害加重,同時生物多樣性發生變化[112]?？傊?稻蝦共作是一種具有保產增蝦、低碳減排、具有降低全球溫室氣體排放、緩解全球增溫潛勢,同時增加生態系統凈經濟效益的共作方式。

1.4 系統的整合

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

多品種混養殖也是常用的養殖模式,稻-魚-蝦系統的稻米產量為3.04 t/hm2,比單作水稻高16.9%。在稻-魚-蝦系統中,50%的面積用于養魚和對蝦養殖,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)對水和土壤中養分的有效性產生了深遠的影響,提高了稻谷和羅氏沼蝦的產量。農村貧困農民通過采用稻-蝦綜合養殖系統,最終在經濟和營養方面受益[117]。

Gher養殖(稻-魚-蝦系統)是一個獨特的系統,包括三個生產類型的聯合運作：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迅速擴張[118]。孟加拉國東南部養蝦和養魚的可持續發展具有相當大的潛力,可以增加收入,改善農戶的糧食安全,更廣泛地說,通過蝦的出口收入來實現該國的經濟增長[119]。

世界范圍內有機農業發展迅猛,獲取有機農業的一個策略是發展稻田養魚。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內容。已有研究結果表明各種稻魚共生系統有助于降低氮磷損失,有助于經濟和環境的可持續發展。但傳統稻漁共生模式中雖然取得雙重經濟和生態效益,還存在需要改變其養殖規模過小和魚產量較低的現狀。

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

2 稻田-池塘復合生態養殖模式

長江水產研究所李谷、長江大學朱建強團隊等提出“稻田-池塘復合生態”生態技術[129- 130]。主要是構建人工稻田濕地對池塘污水進行處理。新式池塘生態工程化養殖方法,將池塘養殖有機結合形成的循環水養殖系統中,系統對養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方式可望解決上述水產養殖尾水處理困難的問題。由此實現養殖廢水資源化利用,是一種可持續的水產養殖方式,可為我國漁農混作區池塘養殖廢水的處理和循環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”,另一方面也是農業面源污染的“源”,只有合理構建和應用稻田濕地才能發揮“匯”的功能[133]。地勢較低的稻田,可極大地影響地表徑流中氮、磷等營養物質的遷移轉化過程[134]。在水稻拔節期和灌漿期,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凈化能力,利用水稻對富營養化水體進行生態修復成為植物修復的一個重要的研究方向[136]。

對于該系統的相關研究主要是集中在構建稻田濕地對池塘營養物質的去除機制和效果方面。研究發現稻田對來自養殖池塘的灌溉水中的營養物質具有明顯的吸收效果,尤其是對硝態氮和總磷[137]。養殖水經稻田表面流處理后,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,稻田對不同形態的氮去除效果不同,養殖水中主要營養物質的去除率隨表面流的流量增大而減小[139]。稻田-池塘復合系統通過稻田對池塘尾水中氮磷的循環利用和復氧作用,降低了循環池塘水的富營養化水平,并提升池塘中的溶解氧,同時優化浮游細菌群落的結構和功能[140]。池塘養殖廢水灌溉后對水稻的產量、養分吸收和0—60 cm土壤剖面中氮磷分布產生影響[141]。這些研究表明,稻田-池塘復合生態系統有助于營養的高效利用,同時能減少養殖污染。

3 稻漁共生-池塘復合生態養殖系統

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

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

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

發展漁農結合的復合生態農業是現代農業的發展方向,但關鍵是如何構建高效的復合農業系統。高效復合生態農業構建的核心是碳、氮、磷等主要營養物質要實現高效循環;其次復合生態要形成一個自組織運作狀態,即強化對其物質促進下的生態系統結構的自組織建設過程的研究。復合生態系統達到自組織運作狀態或總體趨勢時,生態系統就達到了可持續發展[145- 146]。傳統原位綜合養殖生態養殖系統中有機碳氮磷的收支已有較好的研究基礎[147]。但對稻漁共生-池塘復合生態系統中碳氮磷的營養收支還缺少研究。

概括地講,排水是傳統池塘養殖氮源的主要流失途徑,底泥(顆粒物)吸附沉降是池塘養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循環的“稻漁共生-池塘復合生態系統”恰恰可以解決這三大類營養物質在生態系統中的高效保持和循環利用;氮磷和有機質被稻漁共生系統所利用,而水稻又有利于加大養殖系統中的碳源。因此,加大對該新養殖模式中的有機碳、氮、磷的營養收支和循環等相關機制的研究及復合生態系統對外源營養投入的整體響應機制研究是非常必需的。

21世紀是漁業的世紀。中國和世界水產業經過數十年的發展為人類解決食品危機做出了巨大的貢獻[148]。然而,我國水產業對產量的片面追求導致養殖環境日趨惡化,養殖生態系統不斷退化[149]。傳統稻田氮素流失亦是導致農業面源污染的主要原因之一[150]。我國當前的環境問題源于復合生態系統演化過程的缺陷,解決當前的環境問題,必須從優化復合生態系統演化過程著眼,大力發展循環經濟、實現經濟體系的綠色化[151]。

建立良好的養殖生態結構,實現水產養殖業的可持續發展,關鍵是優化池塘養殖系統內的食物鏈,使包括碳、氮、磷在內的營養物質盡可能多的在這一個微環境內轉化為養殖生物產量,而不是排向外部環境,減少對環境的污染[152]。養殖池塘物質循環和碳氮磷等化學收支的研究有助于說明進入生態系統的各營養物質的歸宿[153- 154]。人類當前消耗了約38%的全球凈初級生產力(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]。以漁農相結合的復合農業生態系統為基礎的綜合養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建的新式復合生態系統有著較高的生態效益和產量,是一種可持續的農業發展模式。稻漁復合生態系統的創新模式因其特有的生態循環機制及系統的高彈性、高復合性、高可持續性,將成為我國乃至世界應對農田、漁業生態系統退化,復合高效解決漁業、農業或農牧業生態環境問題的典型范式。