稻蝦共作對產地環境及農產品質量安全風險的影響
——基于洪湖市的實證分析

鄭雄偉，吳艷萍，洪 波，張元培，孫為國，羅軍強，白 洋， 王俊鋒，吳 穎，胡 青，趙 辭，鄭國權

(1.湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056； 2.洪湖市規劃編制研究中心,湖北 洪湖 433200；3.洪湖市自然資源和規劃局,湖北 洪湖 433200)

“稻蝦共作”是目前中國發展較為快速的一種農業模式,它的核心是利用水稻田空閑季節將低洼稻田改變成臨時性淺水塘養殖小龍蝦[1]。在水稻生長季節,人工建設的蝦稻共作生態系統使水稻、小龍蝦共同生活,時間和各自生長期配合得當,二者之間相輔相成,有效發揮小龍蝦在該系統中的積極作用,促進物質能量向有利方向流動(圖1)。稻田中小龍蝦能夠食用大量雜草,黑藻、浮萍等都是小龍蝦天然的餌料。每年雜草奪取稻谷產量的7%～30%,由于小龍蝦食用雜草,減少了雜草與水稻對肥料的爭奪,間接促進了水稻產量的提高。在水稻空閑季節,小龍蝦攝食顆粒飼料及餌料,排糞積累在水田中,糞便中含有的氮磷鉀增加了水稻肥源[2-3]。

圖1 “稻蝦共作”生態系統中物質能量轉換示意圖Fig.1 Schematic diagram of matter-energy conversion in shrimp-rice co-cropping ecosystem

“稻蝦共作”生態系統中,小龍蝦兼有滅蟲、保肥、造肥的作用,不僅攝食雜草,還能清除稻腳葉,改善水稻植株間的通風透氣性能,促進水稻植株生長,與人工除草相比具有經常性、徹底性。小龍蝦的活動引起了環境的變化,促進了水稻的生長,二者相互利用,相得益彰。

洪湖市的“稻蝦共作”模式正在處于起步階段,呈現“蝦稻田不集中,局部規?；钡奶攸c。“稻蝦共作”模式提高了農民種養的積極性,促進了糧食增產、農民增收,在農業供給的結構性改革中,經濟效益顯著,同時生物農藥的使用,有利于種養品種生態安全和食品安全,生態效益明顯提高[4-9]。通過評價區“稻田單種”和“稻蝦共作”兩種生產模式調查對比,發現“稻蝦共作”模式畝均利潤是水稻單作的3倍,且抗風險能力強,若水稻因高溫、病害、水災等遭受損失,可以從龍蝦中收回成本,若龍蝦養殖過程中遭受了損失,還可以依靠糧食收回部分成本,與水稻單作、池塘養龍蝦相比較,其抗風險能力大大增強,未來發展“稻蝦共作”、種養雙贏模式的空間很大,前景廣闊。

本次研究選取洪湖區內典型的“蝦稻共作”田作為研究對象,通過生態環境地質調查及樣品采集分析,對“蝦稻共作”田土壤、小龍蝦安全質量、水稻安全質量進行綜合評價,為推進當地農(漁)業供給側結構性的改革、促進農(漁)民增收提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本次研究在經過前期資料搜集,市場調查、生態調查后,選取洪湖全域稻田養殖基地及常規種植區域(空白對照區)進行監測,并取樣驗證,養殖產品捕撈時間為2019年的 4—7月,水稻收割時間為2019年的10月15—30日。在每個區域的稻田養殖區采集土壤、灌溉水、水稻籽實及小龍蝦樣品,常規種植區采集土壤及農產品樣品。按照X形走向采集5個點根系土土壤(0～20 cm),混合為1個樣本；與土壤一一對應采集稻谷樣品 5個點,混合為1個樣本；小龍蝦采集30尾混合為1個樣本；灌溉水樣采集3個點的樣本,混合為1個樣本,樣品采集情況見表1。

表1 樣品采集統計表(單位：件)Table 1 Statistical table of sample collection

1.2 樣品分析及方法

1.2.1測試項目

(1) 水稻及小龍蝦分析指標：Se、Sr、Ge、I、S、Li、F、Cu、Zn、Ni、Cr、As、Cd、Pb、Hg共15項。

(2) 水稻根系土分析指標：Se、Sr、Ge、I、S、Li、F、Cu、Zn、Ni、Cr、As、Cd、Pb、Hg、N、P、K、Fe、Na、Mn、Ca、Mg、Si、Al、pH、Org.C共27項。

(3) 養殖水樣品分析測試指標：pH、總磷、總氮、總砷、總汞、鎘、六價鉻、鉛、銅、鋅、硒、硼、鐵、錳、釩、氟化物、硫化物、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、高錳酸鹽指數、總硬度、溶解性總固體共23項。

1.2.2測試方法

(1) 生物樣品：依據自然資源部《生態地球化學評價動植物樣品分析方法》(DZ/T 0253.1—4—2014),不同分析項目采用不同的分析方法,具體見表2。

表2 生物樣品分析方法Table 2 Methods for analysis of biological samples

(2) 養殖水樣品：根據《多目標區域地球化學調查規范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)、《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)、《地質礦產實驗室測試管理規范》(DZ/T 0130—2006)等相關規范測定,水樣分析方法全部采用水質分析系列國家標準分析方法進行,具體見表3。

表3 水質樣品分析方法Table 3 Methods for analysis of water samples

(3) 根系土樣品：選擇以X射線熒光光譜法、等離子體原子發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法為主體的測試方案,輔以其它分析方法,各元素所采用的分析方法見表4。

表4 土壤樣品分析方法Table 4 Methods for analysis of soil samples

各元素檢出限、準確度、精密度均符合有關規范的要求。

2 結果與分析

2.1 不同種養模式下土壤含量變化特征

2.1.1養分元素對比

在“稻蝦共作”田采集了30件根系土樣品,同時采集其周邊單作水稻田做對比,各元素變化分析見表5。

表5 “蝦稻共作”田與周邊單作稻田土壤營養元素變化分析表Table 5 Variation of soil nutrient elements in shrimp-rice co-cropping field and peripheral monoculture rice field

隨著地方標準《蝦稻輪作克氏原螯蝦稻田養殖技術規程》(DB42/T 496—2008)的標準化推廣,評價區在近幾年開始對單作稻田改造為“稻蝦共作”田。隨著“稻蝦共作”年限時間的增加,土壤中營養元素略微富集,有機質含量增幅較明顯,見圖2。

圖2 “稻蝦共作”田與周邊單作稻田土壤營養元素變化分析圖Fig.2 Analysis map of soil nutrient element change in shrimp-rice co-cropping field and peripheral monoculture rice field

“稻蝦共作”田模式較單作模式相比,在土層0～10 cm、10～20 cm,氮元素提高了29.9%、23%；磷元素提高了9%、7.5%；鉀元素提高了5.2%、5.1%；有機質提高了33%、22.5%。出現增長的原因是小龍蝦未食用的殘餌及小龍蝦生長過程中所產生的蝦殼、排泄物補充增加了土壤中養分的投入[10]。

洪湖地區“蝦稻共作”田可能因為對原有單作田改造時間不長,小龍蝦未食用的殘餌及其蝦殼、排泄物在土壤中的積累較少,造成評價區內“稻蝦共作”田營養元素積累量過少。同時,由于小龍蝦對環境的敏感性,造成當地農民施肥謹慎,多用微生物肥料、農家有機肥,只為保證小龍蝦正常生長安全,“重蝦輕稻”現象普遍,造成土壤施肥量減少。在此也可以看出,評價區內散戶的“稻蝦共作”技術力量較為薄弱,迫切需要技術支撐。

2.1.2重金屬元素對比

“稻蝦共作”模式土壤中8種重金屬含量與常規種植區相比,無明顯差異,且8種重金屬含量均未超過《農產品安全質量——無公害水產品產地環境要求》(GB/T 18407.4—2001)規定的限值。

2.2 不同種養模式下農產品的含量變化特征

由于“稻蝦共作”田改變了稻田原有的生態環境,使得原有的生態系統物質能量流動方向發生了改變,農產品(水稻、小龍蝦)的質量需作進一步研究。

2.2.1蝦仁對比

小龍蝦是一種主動攝取食物的物種,根據食物鏈可知,在該農田生態系統中,小龍蝦處于食物鏈的最頂端,本次對比分析選取蝦仁作取樣調查,各元素對比結果見表6。

表6 不同類型水稻田蝦仁元素含量對比表Table 6 Comparative table of element contents of shrimps in different types of paddy fields

“稻蝦共作”田產出的龍蝦與普通蝦塘中的蝦仁中,硒元素及重金屬元素差距不大,含量均遠遠小于《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中限量值,且均未超過《農產品質量安全 無公害水產品安全要求》(GB 18406.4—2001)規定的限值,均達到無公害水產品質量安全要求,可見小龍蝦是健康可食用的,見圖3。

圖3 不同類型水稻田蝦仁元素含量對比圖Fig.3 Comparison of element contents of shrimps in different types of paddy fields

圖4為小龍蝦中重金屬單因子污染指數Pi比較,單因子污染指數表達式為Pi=Ci/Si,其中Pi為重金屬單項污染指數,Ci為該重金屬的實測平均值,Si為各項評價標準值。由圖2可知,洪湖地區小龍蝦中重金屬Pb、Cr、Cd、As、Hg單因子污染指數Pi均<0.2,該地區小龍蝦未受Pb、Cr、Cd、As、Hg的污染。

圖4 不同類型水稻田蝦仁中重金屬單因子污染指數Pi比較Fig.4 Comparison of single factor pollution index (Pi) of heavy metals in shrimps from different types of paddy fields

由此可見,“稻蝦共作”生態系統雖然改變了原有生態系統物質能量流動的方向,不影響小龍蝦中硒元素及其重金屬元素的含量。

2.2.2水稻籽實對比

本次研究對洪湖地內“稻蝦共作”田、單種水稻田進行了水稻籽實樣品采集,根據《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中對鉛、鎘、汞、砷、鎳、鉻做了限量標準,考慮評價區內對硒作為重點分析對象,本次對比添加硒元素,對比分析表見表7?！暗疚r共作”田與普通水稻田的籽實中,無論是硒元素,硒元素及重金屬元素差距不大；含量均遠遠小于稻米限值標準值,污染風險較小,見圖5。

表7 不同類型水稻田籽實元素含量對比表Table 7 Comparative table of seed element contents in different types of paddy fields

圖5 不同類型水稻田籽實元素含量對比圖Fig.5 Comparison of seed element contents in different types of paddy fields

2.3 不同種養模式下養殖水中含量變化特征

2.3.1養分含量分析

“稻蝦共作”模式養殖水中全氮、全磷含量均高于常規種植模式。在實際生產中,農民往往比較重視蝦的產量,投放較多的飼料,稻蝦共作有利于提高水體養分含量,但同時也增加了水體富營養化的風險。

表8 不同類型養殖水元素含量對比表(單位：mg/L)Table 8 Comparison of element contents in different types of aquaculture water

2.3.2重金屬含量分析

本次試驗養殖水中8種重金屬含量均未超過《無公害農產品 淡水養殖產地環境條件》(NY 5361—2016)規定的限值,但都有檢出,說明養殖水中存在潛在的危險性。養殖人員要在這一方面加強管理力度,定期跟蹤監控并且不定期對水體進行抽檢,運用當前的先進技術消除污染出現的原因,有效避免重金屬污染水體、破壞環境。

3 結論

(1) 稻蝦養殖基地與常規種植區相比,隨著“稻蝦共作”年限時間的增加,土壤中營養元素略微富集,有機質含量增幅較明顯。

(2) 稻蝦養殖區與常規種植區的稻米中,8種重金屬含量無顯著差異,均未超過食品安全國家標準規定的限量值,污染風險較??；小龍蝦重金屬含量均遠遠小于《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中限量值,且均未超過《農產品質量安全 無公害水產品安全要求》(GB 18406.4—2001)規定的限值,重金屬單因子污染指數Pi<0.2。

(3) 養殖水中8種重金屬含量均未超過《無公害農產品 淡水養殖產地環境條件》(NY 5361—2016)規定的限值。

通過研究可知,相比于常規的種植模式,“稻蝦共作”這一種全新的生態養殖模式,既能夠保證水稻和小龍蝦的品質安全,又能夠實現現有資源的充分利用,它一定程度上降低了養殖成本,大幅增加了農民收入,具有明顯的經濟和社會效益,它是目前值得推廣的一種健康的農業生態養殖模式。

致謝：對在工區工作的同仁們表示由衷的敬意,感謝嚴向軍教授級高級工程師對文章的審閱。樣品分析由湖北省地質實驗測試中心的曾慧美高級工程師、張響蓉工程師等協助完成,在此一并表示感謝！