稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)氮磷平衡及經(jīng)濟(jì)效益研究

李丹丹，孟順龍，胡庚東，陳家長(zhǎng)，2，邴旭文，2

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，江蘇無(wú)錫214081;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無(wú)錫漁業(yè)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214081)

近年來(lái)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土地和水資源利用率低，農(nóng)藥的大量使用使水稻品質(zhì)下降，已不能滿足市民對(duì)食品安全的需求［1］。以低污染、低能耗為基礎(chǔ)的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，如稻蟹種養(yǎng)。稻蟹種養(yǎng)是根據(jù)稻養(yǎng)蟹、蟹養(yǎng)稻、稻蟹共生的理論，在稻蟹種養(yǎng)的環(huán)境內(nèi)，蟹能以稻田中的雜草和害蟲為食物，吃掉雜草和害蟲，同時(shí)排泄物可以肥田，促進(jìn)水稻生長(zhǎng);而水稻又為河蟹的生長(zhǎng)提供豐富的天然餌料和良好的棲息條件，互惠互利，形成良性的生態(tài)循環(huán)［2－4］。研究稻蟹養(yǎng)殖過(guò)程中氮磷平衡及利用效率可以優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程中肥料和飼料的投入，節(jié)約成本，同時(shí)研究氮素平衡是評(píng)價(jià)系統(tǒng)中氮肥投入對(duì)環(huán)境影響的主要方法之一［5］。研究表明，過(guò)量的氮素殘留在土壤中，一部分會(huì)通過(guò)淋洗滲透到地下水中，一部分通過(guò)氨揮發(fā)和硝化反硝化進(jìn)入大氣中，這些散失的氮素，主要以活性氮形式存在環(huán)境中，是導(dǎo)致溫室氣體排放量增加、地下水污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化和土壤酸化的原因之一［6－8］。因此，為進(jìn)一步了解并優(yōu)化稻蟹共作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了不同密度的蟹與水稻共作試驗(yàn)，分析各共作系統(tǒng)中氮素平衡以及經(jīng)濟(jì)效益情況，為該生產(chǎn)模式的推廣應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)于2016年在江陰錦湖水產(chǎn)有限公司進(jìn)行，共設(shè)置3個(gè)處理，選擇中華絨螯蟹為養(yǎng)殖品種，構(gòu)建蟹－稻復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)，開(kāi)展蟹－稻復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施改造。稻田平整與田埂加固:對(duì)水源充足、水質(zhì)良好、黏質(zhì)土壤的稻田進(jìn)行平整，加高加固田埂，使稻田保持一定水位。蟹溝整挖與防逃圍欄構(gòu)筑［9］:田埂內(nèi)側(cè)挖蟹溝，稻田內(nèi)的蟹溝相通，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 蟹－稻復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)基本情況

3個(gè)處理田塊分別放養(yǎng)相同密度的沙塘鱧、不同密度的蟹苗，1號(hào)田放養(yǎng)部分蝦苗，2號(hào)田和3號(hào)田放養(yǎng)等量的草魚。選擇同一批次稻苗種植且水稻種植密度相同。種養(yǎng)情況見(jiàn)表2。

表2 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)種養(yǎng)量 kg

1.2 樣品采集

稻苗移栽前，選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的10株稻苗，清洗后裝入信封袋并記錄編號(hào)，在105℃烘箱中殺青30 min，后降至80℃烘干稱質(zhì)量，之后整株粉碎用于測(cè)定氮磷含量;雜草、水草及青苔選擇1 m2的采樣框，隨機(jī)取樣5次取平均值，采集的樣品與稻苗做同樣的烘干處理;魚、蝦、蟹苗隨機(jī)抽樣30尾稱質(zhì)量，計(jì)算其平均質(zhì)量;氮、磷含量采用標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，包括蟹產(chǎn)出量、水稻產(chǎn)出量(干質(zhì)量)、雜草產(chǎn)出量(干質(zhì)量)、投入品飼料、肥料量［10－12］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)中氮磷平衡情況，其中系統(tǒng)氮磷輸入包括化肥、飼料、魚蟹苗帶入、水稻苗帶入的氮磷，另外有來(lái)自大氣沉降的氮。根據(jù)參考文獻(xiàn)江蘇地區(qū)大氣氮沉降研究結(jié)果［13］，定義本試驗(yàn)中稻蟹種養(yǎng)期內(nèi)氮沉降值為30 kg/hm2。

氮(磷)盈余=氮(磷)總輸入量－氮(磷)總輸出量;化肥氮(磷)輸入比=［化肥氮(磷)/氮(磷)總輸入量］×100%;水稻氮(磷)輸出比=水稻氮(磷)/氮(磷)總輸出量］×100%。

稻蟹共作系統(tǒng)中氮磷循環(huán)如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)量及其效益

稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)量如表3所示。結(jié)合表1中田塊面積分析主要種養(yǎng)種類的產(chǎn)量，1號(hào)田沙塘鱧產(chǎn)量為290.32 kg/hm2，中華絨螯蟹產(chǎn)量為 350.82 kg/hm2，水稻產(chǎn)量為3 416.72 kg/hm2;2號(hào)田的沙塘鱧產(chǎn)量最高，而水稻產(chǎn)量最低，沙塘鱧產(chǎn)量為 666.88 kg/hm2，中華絨螯蟹產(chǎn)量為350.83 kg/hm2，水稻產(chǎn)量為 3 152.21 kg/hm2;3號(hào)田沙塘鱧產(chǎn)量為 586.48 kg/hm2，中華絨螯蟹產(chǎn)量為 350.84 kg/hm2，水稻產(chǎn)量為 3 273.40 kg/hm2。

表3 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)總收獲量 kg

稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益如表4所示。3個(gè)試 驗(yàn) 田 塊 的 利 潤(rùn) 分 別 為 72 504.94、88 111.89、69 125.85元/hm2。其中放養(yǎng)河蟹密度最大的田塊(2號(hào)田)利潤(rùn)最高，表明在本試驗(yàn)密度條件下可適當(dāng)增加河蟹的放養(yǎng)量以提高利潤(rùn)。

表4 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益 元

2.2 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的氮平衡情況

2.2.1 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的氮輸入 由圖2可知，1號(hào)田氮總輸入量為65.36 kg，其中通過(guò)稻苗輸入4.81 kg，蟹苗輸入 1.15 kg，肥料輸入 32.79 kg，飼料輸入 15.70 kg，大氣沉降輸入9.11 kg，其他少部分通過(guò)螺螄、魚蝦以及進(jìn)水輸入，輸入量為1.80 kg。2號(hào)田氮總輸入量為66.06 kg，其中通過(guò)稻苗輸入 5.23 kg，蟹苗輸入 1.34 kg，肥料輸入 32.79 kg，飼料輸入15.70 kg，大氣沉降輸入9.44 kg，其他少部分通過(guò)螺螄、魚蝦以及進(jìn)水輸入，輸入量為1.56 kg。3號(hào)田氮總輸入量為 64.79 kg，其中通過(guò)稻苗輸入 4.81 kg，蟹苗輸入1.60 kg，肥料輸入 32.79 kg，飼料輸入 14.30 kg，大氣沉降輸入9.68 kg，其他少部分通過(guò)螺螄、魚蝦以及進(jìn)水輸入，輸入量為 1.61 kg。

3個(gè)田塊的氮總輸入量差異不大，氮平均總輸入量為65.40 kg，肥料和飼料是最主要的氮素輸入來(lái)源，肥料輸入氮素最多為32.79 kg，占氮素總投入量的50.14%，飼料輸入氮素15.23 kg，占氮素總投入量的23.29%;大氣沉降氮素為9.41 kg，占氮素總投入量的 14.39%(圖 3)。

2.2.2 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的氮輸出 由于采用秸稈還田的種植模式，所以氮輸出的方式包括稻谷產(chǎn)量、魚蝦蟹產(chǎn)量以及池塘排水，其他氮大部分都盈余在土壤中。1號(hào)田氮總輸出量為23.75 kg，其中通過(guò)稻谷產(chǎn)量輸出16.60 kg，魚蝦蟹輸出 5.75 kg，排水輸出 1.4 kg;2號(hào)田氮總輸出量為25.36 kg，其中通過(guò)稻谷產(chǎn)量輸出 15.87 kg，魚蝦蟹輸出8.13 kg，排水輸出 1.36 kg;3 號(hào)田總輸出量為 26.69 kg，其中通過(guò)稻谷產(chǎn)量輸出16.90 kg，魚蝦蟹輸出8.20 kg，排水輸出1.59 kg。3個(gè)田塊氮總輸出量均值為25.27 kg，最主要的輸出途徑是稻谷的輸出，輸出量為16.46 kg，占總輸出量的65.14%，通過(guò)魚蝦蟹收獲 輸出 7.36 kg，占總輸出量的29.13%，通過(guò)排水輸出1.45 kg，占總輸出量的5.74%(圖4)。

2.3 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的磷平衡情況

2.3.1 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的磷輸入 1號(hào)田磷總輸入量為 28.49 kg，其中通過(guò)稻苗輸入 0.62 kg，蟹苗輸入0.09 kg，肥料輸入22.50 kg，飼料輸入5.10 kg，其他少部分通過(guò)螺螄、魚蝦以及進(jìn)水輸入，輸入量為0.18 kg。2號(hào)田磷總輸入量為28.53 kg，其中通過(guò)稻苗輸入0.67 kg，蟹苗輸入0.11 kg，肥料輸入22.50 kg，飼料輸入5.10 kg，其他少部分通過(guò)螺螄、魚蝦以及進(jìn)水輸入，輸入量為0.15 kg。3號(hào)田磷總輸入量為28.51 kg，其中通過(guò)稻苗輸入0.64 kg，蟹苗輸入0.11 kg，肥料輸入22.50 kg，飼料輸入5.10 kg，其他少部分通過(guò)螺螄、魚蝦以及進(jìn)水輸入，輸入量為0.16 kg(圖5)。

3個(gè)田塊的磷總輸入量差異不大，平均總輸入量為28.51 kg，肥料和飼料是最主要的磷素輸入來(lái)源，肥料輸入磷元素最多，為22.50 kg，占總投入量的78.92%，飼料輸入磷元素5.10 kg，占總投入量的17.89%，通過(guò)蟹苗輸入0.11 kg，占總投入的0.39%，通過(guò)稻苗輸入 0.64 kg，占總投入的2.24%(圖6)。2.3.2 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的磷輸出 1號(hào)田磷總輸出量為7.12 kg，其中通過(guò)稻谷產(chǎn)量輸出6.23 kg，魚蝦蟹輸出0.74 kg，排水輸出 0.15 kg;2 號(hào)田磷總輸出量為 7.27 kg，其中通過(guò)稻谷產(chǎn)量輸出5.95 kg，魚蝦蟹輸出1.18 kg，排水輸出0.14 kg;3號(hào)田磷總輸出量為7.69 kg，其中通過(guò)稻谷產(chǎn)量輸出 6.34 kg，魚蝦蟹輸出1.18 kg，排水輸出0.17 kg。3 個(gè)田塊磷總輸出量均值為7.36 kg，最主要的輸出途徑是稻谷的輸出，輸出量為6.17 kg，占總輸出量的83.83%，通過(guò)魚蝦蟹收獲輸出 1.04 kg，占總輸出量的 14.13%，通過(guò)排水輸出0.15 kg，占總輸出量的 2.04%(圖 7)。

3 討論與結(jié)論

3.1 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益

3個(gè)試驗(yàn)田塊的利潤(rùn)分別為 72 504.94、88 111.89、69 125.85元/hm2。其中，放養(yǎng)河蟹密度最大的田塊(2號(hào)田)利潤(rùn)最高，投放密度為238.40 kg/hm2，表明在本試驗(yàn)密度的條件下可適當(dāng)增加河蟹的放養(yǎng)量以提高利潤(rùn)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該從環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益2個(gè)方面對(duì)蟹－稻復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)要素進(jìn)行優(yōu)化，研究確定蟹－稻復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)中適宜的蟹－稻比例。本研究并沒(méi)有對(duì)環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估，因此在以后的工作中應(yīng)該進(jìn)行環(huán)境要素的研究，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益確定合適的稻蟹比例，為合理管理和生產(chǎn)，推廣稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)提供理論依據(jù)。

3.2 稻－蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)氮磷平衡

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，隨著農(nóng)藥、化肥的廣泛使用，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降、有機(jī)肥資源浪費(fèi)以及環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的需求日益強(qiáng)烈［14］。近年來(lái)，以低污染、低能耗為基礎(chǔ)的稻蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)模式成為重要的養(yǎng)殖模式之一，相關(guān)研究主要集中在產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益等方面，而有關(guān)該系統(tǒng)的環(huán)境效益與優(yōu)化生態(tài)種養(yǎng)密度方面的研究極少［15－16］。本研究設(shè)置不同密度的蟹與稻復(fù)合種養(yǎng)，分析該共作系統(tǒng)中氮磷平衡與經(jīng)濟(jì)效益情況，為進(jìn)一步優(yōu)化該生產(chǎn)模式提供了相應(yīng)理論和實(shí)踐依據(jù)。

本研究中氮總輸出量均值為25.27 kg，最主要的輸出途徑是稻谷的輸出，輸出量為 16.46 kg，占總輸出量的65.14%，磷總輸出量均值為7.36 kg，最主要的輸出途徑是稻谷的輸出，輸出量為6.17 kg，占總輸出量的83.83%，表明在生產(chǎn)過(guò)程中氮、磷元素的主要利用者是農(nóng)作物。除了收獲農(nóng)產(chǎn)品輸出氮、磷外，很大一部分氮磷元素盈余沒(méi)有被當(dāng)季農(nóng)作物吸收利用，盈余的氮為 40.14 kg，占氮總輸入量的61.36%，盈余的磷為 21.15 kg，占磷總輸入量的 74.19%，大部分的氮磷都沒(méi)有被農(nóng)作物利用，剩余的氮、磷都?xì)埩粼谕寥乐小＿^(guò)量的氮素殘留在土壤中，或者通過(guò)淋洗滲透進(jìn)入地下水，或者通過(guò)氨揮發(fā)和硝化反硝化進(jìn)入到大氣中，這些散失的氮素主要以活性氮形式存在環(huán)境中，是導(dǎo)致溫室氣體排放增加、地下水污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化和土壤酸化的原因之一［17－19］。中華絨螯蟹能對(duì)水稻生長(zhǎng)期間的蟲害和雜草發(fā)生進(jìn)行有效控制，魚蝦蟹排泄物進(jìn)入土壤中，為水稻生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)，有利于氮磷吸收利用。為了進(jìn)一步了解稻蟹養(yǎng)殖的環(huán)境效益，下一步應(yīng)設(shè)置單養(yǎng)蟹和單種水稻的對(duì)照試驗(yàn)，分析稻蟹復(fù)合生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)的環(huán)境效益［20－22］。本研究初步研究了該系統(tǒng)的氮磷平衡情況，應(yīng)進(jìn)一步研究氮磷循環(huán)的規(guī)律，從生態(tài)系統(tǒng)食物鏈及食物網(wǎng)水平研究物質(zhì)的循環(huán)和能量流動(dòng)規(guī)律，為優(yōu)化生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)提供理論依據(jù)，構(gòu)建合理的投餌量、施肥量，減少資源浪費(fèi)，減少溫室氣體排放，在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)產(chǎn)生環(huán)境效益，形成產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［23－24］。