稻田種養(yǎng)模式對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響分析

焦文獻，陳燦，2?，黃璜，2?

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長沙 410128；2 湖南省稻田生態(tài)種養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，長沙 410128)

在水稻生產(chǎn)過程中，化肥、農(nóng)藥、除草劑等有害物質(zhì)的大量使用對環(huán)境造成了一定的污染，影響土壤的理化性質(zhì)，并且這些有害物質(zhì)會不同程度的殘留在稻谷中，影響其品質(zhì)，進而威脅人體健康。因此，在節(jié)約資源、保護環(huán)境的前提下，生態(tài)種養(yǎng)逐漸受到越來越多的關(guān)注。前人研究表明，種養(yǎng)模式可對農(nóng)田環(huán)境產(chǎn)生積極影響，但由于養(yǎng)殖的動物種類和數(shù)量不同，導致其影響程度存在差異。例如孟祥杰等分析了稻田不同種養(yǎng)模式對土壤肥力的影響，各種模式的影響表現(xiàn)為稻蛙>稻鴨>稻蝦>稻金魚>稻蟹[1]。強潤等分析了稻田不同種養(yǎng)模式對病蟲草害的影響，發(fā)現(xiàn)稻鴨模式的總體防治效果優(yōu)于稻魚、稻鱉等模式[2]。這些研究都是選擇從某一個方面對多種形式的種養(yǎng)模式進行比較，并不能全面反映不同種養(yǎng)模式在改善農(nóng)田環(huán)境方面的效果差異。本文通過整理多個種養(yǎng)模式的相關(guān)數(shù)據(jù)，從土壤理化性質(zhì)、土壤微生物、土壤酶活性等方面對生態(tài)種養(yǎng)模式進行系統(tǒng)的比較分析，明確種養(yǎng)模式對農(nóng)田環(huán)境的影響程度，以便于更清楚地認識種養(yǎng)模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上所發(fā)揮的積極作用。

1 不同稻田種養(yǎng)模式對農(nóng)田土壤環(huán)境的影響

1.1 對土壤肥力的影響

土壤肥力是作物生長過程中必須考慮的一項基本指標，它的好壞直接影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。稻田生態(tài)種養(yǎng)充分利用養(yǎng)殖動物的糞便，增加了土壤中的有機肥含量，并且借助動物在稻田中的活動，加速養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提升了土壤肥力；在減少化肥使用量的同時，保證土壤中各種養(yǎng)分含量不會降低，既為作物生長提供充足的營養(yǎng)，又改善了土壤理化性狀，減少了環(huán)境污染。由于養(yǎng)殖的各種動物的活動強度以及在稻田中的活動區(qū)域不同，各種動物的排泄物存在一定差異等，對土壤肥力會產(chǎn)生不同的影響(表1)。

表1 不同稻田種養(yǎng)模式的土壤肥力變化Table 1 The changes of soil fertility under different planting and breeding models of paddy fields

從表1 可見，稻田生態(tài)種養(yǎng)模式不同，對土壤肥力的調(diào)節(jié)效果不同，但總體而言，同常規(guī)水稻種植模式下或生態(tài)種養(yǎng)前的土壤肥力相比，各種全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分含量均有一定程度的提高，此外有機質(zhì)含量也有相應(yīng)提高。有試驗表明，不同地區(qū)、不同品種以及水稻生長發(fā)育的不同時期，種養(yǎng)模式中各種土壤養(yǎng)分含量均高于對照組[3，4]。禹盛苗等[5]研究表明，在種養(yǎng)模式中化肥施用量較少的情況下，土壤有機質(zhì)含量仍高于水稻單作模式。

通過比較不同生態(tài)種養(yǎng)模式對土壤肥力的影響可發(fā)現(xiàn)，生物的種類越豐富，對土壤肥力的調(diào)節(jié)效果越佳。例如劉貴斌[6]研究表明，在壟作稻魚雞共生模式和壟作稻魚共生模式中，各種養(yǎng)分含量較常規(guī)稻作均有增加，但雞魚兩種動物對養(yǎng)分的作用效果明顯高于單一的魚。周江偉[7]研究表明，在稻魚、稻鱉、稻鱉魚3 種種養(yǎng)模式中，稻鱉魚共生模式各種速效養(yǎng)分的增長率高于稻魚、稻鱉共生模式。其次，在稻田中只養(yǎng)殖一種動物時，稻鴨、稻蛙對土壤肥力的調(diào)節(jié)效果較佳，優(yōu)于稻魚、稻蟹等模式[1]。

1.2 對土壤物理性狀的影響

水稻種植過程中，土壤通透性較差，則會使水稻根部發(fā)生毒害，影響水稻的正常生長。在稻田生態(tài)種養(yǎng)中，一方面，引入動物后，其排泄物增加了田間有機養(yǎng)分含量；另一方面，動物的活動可以中耕松土，從而影響土壤結(jié)構(gòu)。養(yǎng)殖動物種類不同以及養(yǎng)殖密度的差異等等，都會導致土壤物理性狀的改變(表2)。

表2 不同稻田種養(yǎng)模式的土壤物理性狀變化Table 2 The changes of soil physical properties under different modes of planting and breeding in paddy fields

由表2 可見，與對照相比，不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的土壤容重下降，總孔隙度、土壤含水量和非毛管孔隙度上升。種養(yǎng)模式對土壤物理性狀產(chǎn)生了積極的影響，更有利于水稻的生長。在同一種養(yǎng)模式下，由于養(yǎng)殖動物數(shù)量的改變，對土壤結(jié)構(gòu)的作用效果也會產(chǎn)生差異。例如李艷薔等[8]比較了稻鰍種養(yǎng)模式下15 萬、30 萬、45 萬尾/hm23 種鰍種密度處理的土壤物理性狀，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖密度越大，土壤容重越小，孔隙度越大。綜合前人的研究可發(fā)現(xiàn)，在稻鰍模式中，由于泥鰍在田間善于鉆泥打洞，土壤容重明顯降低，能改善土壤通氣性，所以從土壤物理性狀這方面來看，該模式效果更好。其次，類似稻鱉魚、稻魚雞等復(fù)合種養(yǎng)模式由于引入的動物種類增加，對土壤物理性狀的改良影響效果也優(yōu)于稻魚、稻鱉等單一種養(yǎng)模式和水稻單作模式[6，7，9]。

1.3 對土壤微生物、土壤酶活性的影響

1.3.1 對土壤微生物的影響

在稻田生態(tài)種養(yǎng)模式中，生物多樣性的增加，會使土壤微生物的種類、數(shù)量和代謝活性等產(chǎn)生差異，對數(shù)量的影響程度如表3 所示。

表3 不同種養(yǎng)模式的土壤微生物數(shù)量變化Table 3 The changes of soil microbial quantity under different plantings and breeding modes

在稻田中投放動物后，其排泄物改變了土壤環(huán)境，改善了土壤肥力狀況，可以減少農(nóng)藥、化肥使用量，對土壤微生物有積極影響，增加其數(shù)量，其中對細菌的作用效果最明顯[10，11]。且在稻田中引入動物后稻田土壤微生物的多樣性得到提高，隨著時間的延長，微生物活度不斷增加并高于常規(guī)稻作[12，13]。佀國涵[14]研究表明，在稻蝦共作模式中，隨著時間的延長，土壤微生物對不同碳源的利用程度逐漸提高，說明微生物的活性有所增加，在20～30 cm 土層中，土壤微生物群落的豐富度、優(yōu)勢度和多樣性指數(shù)均顯著提高。羅衡[15]研究表明，稻田中飼養(yǎng)鱉，對上層和深層土壤微生物均會產(chǎn)生影響。與水稻單作模式相比，土壤微生物群落的豐富度和多樣性均有所增加。郭文嘯[16]研究發(fā)現(xiàn)，蛙的活動可提高土壤微生物量碳和氮，說明該模式下微生物的生物量增加，有利于提高土壤肥力和改善水稻生長的環(huán)境?？傊鞣N種養(yǎng)模式普遍可以提高微生物活性、多樣性等指標。從微生物的數(shù)量變化進行比較分析，可以發(fā)現(xiàn)稻鴨模式效果更佳(表3)。

1.3.2 對土壤酶活性的影響

土壤酶在養(yǎng)分的分解與釋放中發(fā)揮著重要作用，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化必不可少的部分。在稻田中引入動物后會影響酶的活性(表4)，而當酶活性發(fā)生變化時，田間物質(zhì)分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等各種反應(yīng)同時也會受到影響。

表4 不同稻田種養(yǎng)模式的土壤酶活性變化Table 4 The changes of soil enzyme activity under different plantings and breeding modes

研究表明，在稻鴨模式中，鴨的活動可以顯著影響土壤酶活性，使其在水稻生長過程中顯著高于對照組[17，18]。在稻魚模式中也得到與上述相同的結(jié)論，其中對蔗糖酶和脫氫酶活性的影響程度最大[19]。李成芳[20]研究發(fā)現(xiàn)，土壤脫氫酶的活性在水稻移栽1 個月后逐漸上升，隨后趨于穩(wěn)定，在收獲期時酶活性又會降到最低。林海雁等[21]研究表明，在養(yǎng)蛙30 d 左右時，種養(yǎng)稻田的各種酶活性是低于水稻單作的，當養(yǎng)蛙時間達到60～90 d 后，酶活性開始上升，并逐漸高于水稻單作區(qū)。趙靜[22]研究表明，稻鱉共作模式下，酶活性在中后期逐漸上升，到成熟期達到最高或穩(wěn)定。這反映了土壤酶活性在水稻生育期內(nèi)的變化情況，并表明酶活性隨養(yǎng)殖密度的增加而上升。

綜上所述，種養(yǎng)模式可改善各種土壤酶的活性。從表4 所整理的稻鴨、稻魚、稻蛙3 種模式的相關(guān)數(shù)據(jù)可看出，稻鴨對過氧化氫酶活性的影響程度最大，稻魚對脫氫酶的影響程度最大，稻蛙則對脲酶影響程度最大。綜合來看，稻鴨、稻蛙對土壤酶活性的效果優(yōu)于稻魚。

2 不同稻田種養(yǎng)模式對農(nóng)田水體環(huán)境的影響

對于水稻的生長發(fā)育來說，農(nóng)田水體環(huán)境同土壤環(huán)境一樣重要，特別是在稻魚綜合種養(yǎng)模式中，水不僅影響魚類的生存，而且水質(zhì)的好壞關(guān)乎到水產(chǎn)品的健康，是種植、養(yǎng)殖中都不可缺少的一部分。

種養(yǎng)模式首先影響農(nóng)田水體的理化性狀，如電導率、氧化還原電位、溶氧量以及各種養(yǎng)分含量等(表5)。甄若宏[23]研究發(fā)現(xiàn)，稻鴨模式中，水體的總氮、總磷、總鉀含量比水稻單作高，水體的養(yǎng)分含量得到改善；溶解氧有所增加，說明動物在田間的活動雖然會引起水體混濁，但可增加空氣中的氧在水中的溶解量；氧化還原電位升高，有利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，降低了田間有害物質(zhì)的積累。在稻魚鴨模式中，溶解氧增加且每日的變化趨勢是先升后降[24，25]。但稻蝦模式中可能是因為蝦的日常活動增加了水體混濁度，影響太陽光的穿透，從而影響水生植物的光合作用，放氧量減少，使溶解氧含量降低了9.41%[26]。稻蝦共作期間，除了水體的養(yǎng)分含量增加外，水溫和pH 略下降，水體混濁度以及硝態(tài)氮含量上升。而將稻鴨、稻蝦兩種模式組合在一起形成的稻鴨蝦種養(yǎng)模式則可減少水體的氮、磷含量[27，28]。

表5 不同稻田種養(yǎng)模式的水體理化性質(zhì)變化Table 5 The changes of physical and chemical properties of water body in different planting and breeding of paddy fields

其次，在稻田生態(tài)種養(yǎng)模式中，動物在田間的取食以及在水田里的活動等會對水生生物產(chǎn)生一定的影響，包括其數(shù)量、種類、生存環(huán)境等。對于浮游植物來說，既是稻田養(yǎng)殖動物的食物來源，又具有葉綠素，可以進行光合作用，增加水體的溶解氧含量。浮游動物作為魚類的天然餌料，對魚類的生長十分有利，并且可減少飼料的投入。在生態(tài)種養(yǎng)模式中，養(yǎng)殖動物的密度、種類等不同，會影響到水生生物的生物量以及多樣性[29－31]。稻鴨模式中，藻類和水生動物的種類數(shù)和生物量明顯少于對照區(qū)，但合適的養(yǎng)殖密度可以增加水體生物的多樣性，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[32，33]。袁偉玲等[34]研究表明，在稻魚模式中，浮游植物的密度在整個期間波動較大，隨著時間延長呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。張慶陽等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在稻蟹共作模式中，絲狀藻類的平均干質(zhì)量低于對照組，說明在稻田里養(yǎng)蟹對絲狀藻類的生長具有一定的抑制作用。而對藻類產(chǎn)生的影響進一步影響水溫，當飼料投入量增加時，蟹對藻類的取食量減少，藻類生物量增加，水體的覆蓋面積擴大，導致水溫略有下降，對水稻的分蘗會有影響。

綜上所述，種養(yǎng)模式中動物通過活動、攝食等對水生生物產(chǎn)生影響外，還影響農(nóng)田水體的理化性質(zhì)。在上述幾個種養(yǎng)模式中，稻蝦模式降低了水中的溶解氧，稻鱉模式降低水體總氮、總磷含量和化學需氧量，稻鴨蝦模式降低水體養(yǎng)分含量，而稻鴨模式對水體養(yǎng)分、溶解氧、化學需氧量等均有積極作用，說明該模式的作用效果優(yōu)于其他模式。

3 不同稻田種養(yǎng)模式對農(nóng)田雜草及病蟲害的影響

稻田中常見的雜草主要有稗草、鴨舌草、節(jié)節(jié)菜、異型莎草、千金子等，蟲害有稻飛虱、稻縱卷葉螟、二化螟、三化螟等，病害主要有稻瘟病、紋枯病、稻曲病和條紋葉枯病。病蟲害大量發(fā)生，不僅使水稻植株受到傷害，嚴重時可導致水稻減產(chǎn)、降低稻米品質(zhì)。在種養(yǎng)模式中，動物在田間捕食害蟲、取食并踩踏雜草以及其他活動，對病蟲草害的發(fā)生有一定的抑制作用(表6、7)，在一定程度上可以減少除草劑和農(nóng)藥的使用，達到節(jié)約成本和環(huán)保的目的。

表6 稻田種養(yǎng)的雜草防控效果Table 6 Weed control effect of planting in the paddy fields

對于農(nóng)田雜草來說，種養(yǎng)模式的總體防控效果較好，但對不同類型的雜草影響程度不同。滕青[11]的研究表明，稻鴨共作期間，非禾本科的李氏禾、節(jié)節(jié)菜、鴨舌草、水花生等大部分雜草的數(shù)量明顯降低；對于一些禾本科雜草，鴨子雖不直接食用，但其踩踏等活動也可以對其生長起到一定的控制作用，使整體的雜草數(shù)量低于對照區(qū)。除稻鴨外，在稻鱉、稻魚、稻蝦等種養(yǎng)模式也表現(xiàn)出對禾本科雜草的抑制作用弱，但綜合防治效果較好[7，36]。呂東鋒等[37]研究表明，在養(yǎng)蟹稻田中，河蟹既可取食雜草，又可通過自身活動對雜草起到抑制作用，降低草害發(fā)生的可能性。

表7 稻田種養(yǎng)的水稻主要病蟲害防治效果Table 7 Control effect of main diseases and insect pests of rice cultivated ecologically in the paddy fields

研究表明，稻鴨、稻魚模式對稻田主要病蟲害的發(fā)生有一定的抑制作用，但由于魚類的活動范圍不及鴨子廣泛，其抑制效果相對較弱[38，39]。稻魚模式對農(nóng)藥的需求量減少23.4%[40]，改善了田間環(huán)境，作為害蟲天敵的蜘蛛數(shù)量有所上升；但在稻魚鴨模式中，蜘蛛的數(shù)量會有明顯波動，說明放鴨對蜘蛛有影響[41，42]。盛瀛[43]研究表明，在稻鱉共作模式中，鱉逐漸長大，不斷適應(yīng)環(huán)境，在田間的活動性增強，對稻飛虱的防控效果逐漸增加，而施藥處理的防治效果先升后降，說明相對于施用農(nóng)藥來說，種養(yǎng)模式對害蟲的防控效果更好且更穩(wěn)定，不會對環(huán)境造成嚴重影響。徐建欣等[44]研究表明，在稻鱉魚鴨復(fù)合種養(yǎng)模式中，養(yǎng)殖動物的種類增加后，田間蟲量明顯減少，對雜草的抑制作用進一步增強。

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)來看，不同稻田生態(tài)種養(yǎng)模式都可以有效防治田間病蟲草害，但鴨對農(nóng)田中病蟲草害的綜合防治效果優(yōu)于其他動物。但在水稻生長過程中，動物很難捕食植株上部的害蟲，只能通過在田間的活動撞擊植株，減少害蟲在上部產(chǎn)卵，并捕食因撞擊或其他原因而掉落的部分害蟲，因此對植株上部害蟲的控制效果差異較大。

4 不同稻田種養(yǎng)模式對水田氣體排放的影響

稻田生產(chǎn)過程中，影響溫室氣體排放的因素很多，其中包括稻田土壤理化性狀、土壤微生物、水體環(huán)境等等。在生態(tài)種養(yǎng)模式中，稻田土壤和水體環(huán)境均會受到影響，導致溫室氣體的排放量與水稻單作模式相比有一定的差異(表8)。

表8 稻田種養(yǎng)的溫室氣體排放變化Table 8 The changes of greenhouse gas emissions from ecological planting of paddy fields

研究表明，稻鴨模式中，鴨子的活動使土壤氧化還原電位、溶解氧含量上升，甲烷功能菌的數(shù)量增加、活性增強，可以減少CH4的排放，且與養(yǎng)鴨密度呈負相關(guān)；而N2O 的排放量增加[45－47]，同時CO2的排放量增加了11.36%[48]。雖然在整個共作期間，只減少了甲烷的排放，但綜合增溫潛勢低于水稻單作，達到了環(huán)保的目的。與稻鴨模式不同的是，稻魚模式可同時降低CH4、N2O 的排放量[49]。在稻蝦模式中，蝦的活動提高了水體溶解氧含量以及改變了氧化還原電位，可以減少CH4的排放量[50，51]。周江偉[52]研究表明，稻鱉魚、稻鱉和稻魚模式都可以減少CH4的排放，且同時養(yǎng)殖魚鱉兩種動物效果更佳。

綜上所述，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，稻田生態(tài)種養(yǎng)模式普遍可減少溫室氣體的排放，緩解溫室效應(yīng)。其中，CH4的排放量減少最明顯的是稻蝦模式，N2O 排放量減少最明顯的是稻魚模式，就綜合增溫潛勢來看，稻鴨、稻魚作用效果更明顯。

5 研究展望

稻田種養(yǎng)對農(nóng)田環(huán)境的影響十分明顯，具有改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤微生物數(shù)量、提高土壤酶活性、有效防控病蟲草害等多個方面的優(yōu)勢。在實施綠色發(fā)展的前提下，稻田生態(tài)種養(yǎng)逐漸受到重視。關(guān)于種養(yǎng)的理論和技術(shù)已經(jīng)有相當多的研究，結(jié)合當前的研究現(xiàn)狀，提出以下幾點展望:第一，在現(xiàn)有的水稻品種中，篩選更加適合稻田種養(yǎng)的品種，在綠色生產(chǎn)的前提下，確保產(chǎn)量和品質(zhì)。第二，深入研究種養(yǎng)模式對土壤、農(nóng)田水體等的影響機制與機理，在目前的研究基礎(chǔ)上，篩選出最佳種養(yǎng)模式，并于生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。第三，壟作、廂作等耕作方式，由于微地域發(fā)生變化，增強了水稻基部通風透光性能，提高了水肥利用率等，協(xié)調(diào)了作物的生長環(huán)境，因此可探究生態(tài)種養(yǎng)模式在不同耕作方式下的綜合效益。通過不斷實踐，創(chuàng)新發(fā)展高效種養(yǎng)耦合新技術(shù)模式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。