稻田生態(tài)種養(yǎng)防控農(nóng)田面源污染研究進(jìn)展

儀凱 儀小梅

摘要 水稻是我國重要的糧食作物，大量化肥、農(nóng)藥的使用使得糧食產(chǎn)量大幅提高。然而過量的化肥、農(nóng)藥隨著滲漏和徑流進(jìn)入周邊水體環(huán)境中，帶來一系列地表水環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著我國糧食安全。防控農(nóng)業(yè)面源已引起了國家的高度重視，工作重點逐漸轉(zhuǎn)移到稻田可持續(xù)發(fā)展。稻田生態(tài)種養(yǎng)這種古老傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)方式因利用生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)原理，減少化肥農(nóng)業(yè)的投入再次受到人們重視。對目前稻-漁生態(tài)種養(yǎng)、稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)以及稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)防控面源污染等研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為稻田耕作、農(nóng)藥化肥的合理使用提供理論支撐，為我國的糧食安全提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 稻田;化肥;面源污染;生態(tài)種養(yǎng);糧食安全

中圖分類號 X 71? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）09-0027-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.09.008

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research Progress on Prevention of Non-point Source Pollution in Paddy Field by Integrated Planting-feeding Farming

YI Kai1，YI Xiao-mei2，3

（1.COFCO Agricultural Industry Management Service Co.，Ltd.，Beijing 100020;2.Shanghai Geotechnical Engineering Detecting Centre，Shanghai 200436;3.School of Agriculture and Biology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240）

Abstract Rice is an important food crop in China.The greatly increased grain yield owed to the large use of chemical fertilizers and pesticides in agriculture.However，excessive chemical fertilizers and pesticides get into the surrounding water environment with leakage and runoff loss，which brings a series of surface water environmental problems and seriously threatens China’s food security.The prevention and control of agricultural non-point source has attracted great attention of the government.And the focus of work has gradually transferred to the sustainable development of agriculture.Integrated planting-feeding farming which is an ancient traditional agricultural pattern，has attracted people’s attention again.Integrated planting-feeding farming can use the principle of ecosystem circulation and reduce the input fertilizers and pesticides.In this paper，we review the research progress of prevention and control of non-point source pollution by integrated rice-fish farming，integrated rice-frog farming and integrated rice-duck farming.The aim is to provide theoretical support for rice cultivation，rational use of pesticides and fertilizers，and provide technical support for China’s food security.

Key words Paddy field;Chemical fertilizer;Non-point source pollution;Ecological cultivation;Food security

水稻是我國重要的糧食作物，大量施用化肥和農(nóng)藥是保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的主要措施，但隨著農(nóng)藥和化肥的過量使用，過量的肥料以及農(nóng)藥隨著滲漏和徑流進(jìn)入周邊地表水體中，帶來了一系列的環(huán)境問題，農(nóng)業(yè)面源污染已成為當(dāng)前地表水水體污染的主要驅(qū)動因素，嚴(yán)重威脅著我國食品安全[1]。農(nóng)業(yè)面源污染造成的環(huán)境問題已引起黨中央、國務(wù)院的高度重視，我國明確提出，2020年中國將形成“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”的兩型農(nóng)業(yè)。2017年農(nóng)業(yè)部辦公廳印發(fā)了《重點流域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理示范工程建設(shè)規(guī)劃（2016—2020年）》[2]。2021年生態(tài)環(huán)境部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合印發(fā)了《農(nóng)業(yè)面源污染治理與監(jiān)督指導(dǎo)實施方案（試行）》，方案中指出農(nóng)業(yè)面源污染治理是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容，事關(guān)農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)，事關(guān)國家糧食安全和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，事關(guān)城鄉(xiāng)居民的水缸子、米袋子、菜籃子，需要大力發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，擴大綠色、有機和地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品種養(yǎng)規(guī)模，增加綠色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品供給，提升農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益[3]。

近年來，我國稻田生態(tài)種養(yǎng)已接近233.33萬hm2，成為世界上稻田水產(chǎn)養(yǎng)殖面積和產(chǎn)量最大的國家[4]，我國稻田生態(tài)種養(yǎng)正逐步向規(guī)?；?、集約化方向發(fā)展，生產(chǎn)力有了較大提高，稻田生態(tài)種養(yǎng)模式已成為未來可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。稻田生態(tài)種養(yǎng)農(nóng)業(yè)是在水稻生長季節(jié)，水稻與水生動物共同生活在同一環(huán)境中的一種生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，動物和植物互惠互利，相互影響。在保證水稻正常生長發(fā)育的前提下，合理利用稻田濕地資源的空間和養(yǎng)分，進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃a(chǎn)動物和水禽養(yǎng)殖，如：稻-漁（稻-魚、稻-蝦、稻-蟹、稻-鱉）、稻-鴨、稻-蛙等生態(tài)種養(yǎng)耦合模式，可保證稻田養(yǎng)殖動物的安全，減少農(nóng)藥化肥的投入，從源頭上減少氮磷等面源污染，提高稻田的生產(chǎn)力，生產(chǎn)高附加值的綠色無公害水稻，同時提高農(nóng)民的收入。研究表明，稻田生態(tài)種養(yǎng)能夠改善營養(yǎng)循環(huán)，控制害蟲和雜草，減少氮磷流失[5]。水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合的生態(tài)種養(yǎng)模式不僅能夠減少稻田對周邊環(huán)境的污染壓力，也能夠提高經(jīng)濟效益，是一種既生態(tài)又能產(chǎn)生經(jīng)濟價值的水稻種植模式。

1 稻-漁生態(tài)種養(yǎng)

稻-漁生態(tài)種養(yǎng)包括：稻-魚、稻-蝦、稻-蟹、稻-鱉和稻-螺等。稻漁生態(tài)種養(yǎng)歷史悠久，稻田養(yǎng)魚在東漢時期（公元20—226年）便已出現(xiàn)[6]，稻田生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)中，水稻和水生動物同時生長和生活在同一濕地環(huán)境中，既生產(chǎn)稻谷等碳水化合物，又能產(chǎn)出漁蝦鱉等的動物性蛋白，被公認(rèn)為糧食生產(chǎn)及飼養(yǎng)動物相結(jié)合的成功典范，在提高人們營養(yǎng)水平、減輕世界貧困和維持糧食安全方面發(fā)揮著積極作用[7]。稻-漁生態(tài)種養(yǎng)能夠減少化肥農(nóng)藥投入量，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，減少農(nóng)業(yè)面源污染，促進(jìn)糧食生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖，保障糧食安全。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）自1950年開始在世界范圍內(nèi)大力推廣稻田生態(tài)種養(yǎng)，并于2005年評選我國的“青田稻魚共生系統(tǒng)”為首批“全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”。據(jù)記載，稻-魚生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)已經(jīng)具有1 200多年的歷史[8]。2020年12月25日，“青田田魚”生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)正式獲得中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志登記保護(hù)。此外，隨著政府的重視和推廣，稻-蝦、稻-蟹、稻-鱉和稻-螺等生態(tài)種養(yǎng)模式也得到了迅速發(fā)展，稻-蝦生態(tài)種養(yǎng)目前已成為我國應(yīng)用面積最大、綜合產(chǎn)量最高的稻-漁綜合種養(yǎng)方式[4]。

王晨等[9]研究表明，在稻-魚種養(yǎng)型農(nóng)場中，稻-魚生態(tài)種養(yǎng)共作模式的氮肥投入和農(nóng)藥投入顯著低于水稻單作模式，減少了農(nóng)藥化肥的使用和流失風(fēng)險。Li等[10]研究發(fā)現(xiàn)，稻-魚共生和稻-蝦共生系統(tǒng)中，稻-魚共生系統(tǒng)能夠降低營養(yǎng)物質(zhì)（TP和TN）的含量，緩解沉降物再懸浮，在緩解水體富營養(yǎng)化中起著重要的作用，并且使得稻田氨揮發(fā)和N2O的排放量顯著降低。吳敏芳等[11]研究發(fā)現(xiàn)，稻-魚共作系統(tǒng)中處理氮肥使用量較常規(guī)水稻種植系統(tǒng)中減少30%。Hu等[12]研究表明，與傳統(tǒng)的水稻種植模式相比，稻-魚生態(tài)種養(yǎng)可以在不增加稻田污染輸出的基礎(chǔ)上顯著提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，是一種環(huán)境友好型的水稻種植模式。與常規(guī)水稻種植相比，稻-魚生態(tài)種養(yǎng)既可以保證稻谷產(chǎn)量又能降低CH4和N2O的排放量，降低全球增溫潛勢。Ahmed等[13]研究發(fā)現(xiàn)，稻-魚生態(tài)種養(yǎng)能夠提高土壤和稻米品質(zhì)，減少農(nóng)藥投入23.4%。佀國涵等[14]研究表明，長期稻-蝦生態(tài)種養(yǎng)模式能夠顯著降低氮和磷的流失，促進(jìn)土壤中氮和磷的積累。陳飛星等[15]發(fā)現(xiàn)，稻蟹生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)化肥和除蟲劑的投入顯著少于常規(guī)水稻種植，并且每年可減少氮素面源污染負(fù)荷6.375 kg/hm2。Zhang等[16]在研究稻-鱉生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，部分含有氮磷未被鱉及時食用的飼料能夠被水稻植株再吸收利用，不僅減少了水產(chǎn)動物飼料的浪費，降低水稻氮磷肥料的施用量，同時降低了面源污染的風(fēng)險。

2 稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)

古人利用稻蛙生態(tài)種養(yǎng)的自然生態(tài)理念管理水稻種植，早在公元1181年，宋代詞人辛棄疾在《西江月·夜行黃沙道中》便有“稻花香里說豐年，聽取蛙聲一片”的詩句，意思是聽到稻田里傳來的片片蛙聲，人們便能想象得到今年又是一個稻米的豐收年。稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)中，水稻田為青蛙提供棲息和捕食的場所，青蛙在稻田的捕食和碰撞活動可以降低水稻害蟲的發(fā)生率，降低病害發(fā)生，減少農(nóng)藥和化肥的使用并起到生物防治的作用。近年來，關(guān)于稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)控制農(nóng)田面源污染的研究多有報道。苑圓圓[17]研究發(fā)現(xiàn)，在稻田中引入虎紋蛙，一方面其在稻田生長過程中的捕食和跳躍活動能夠為稻田中耕松土，減少病蟲害發(fā)生以及農(nóng)藥投入，保障了環(huán)境和糧食安全;另一方面虎紋蛙在稻田里的活動能夠刺激水稻吸收養(yǎng)分，增強農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。有研究指出，稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)中，用50%有機肥替代化肥的綠色稻-蛙系統(tǒng)不會顯著降低水稻產(chǎn)量，并且減少了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮徑流流失量，分別減少20.00%、27.39%和25.16%，同時也減少了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮的滲漏流失量，分別降低14.42%、17.62%和14.82%;用100%有機肥代替化肥的有機稻蛙系統(tǒng)，明顯降低了總氮滲漏和徑流流失負(fù)荷，分別降低28.70%和28.45%，但會顯著降低水稻產(chǎn)量[18]。周雪芳等[19]也發(fā)現(xiàn)，稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)可提高巨大芽孢桿菌數(shù)量以及酸性磷酸酶活性，促進(jìn)難溶性的磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷，從而提高稻田土壤磷素的供應(yīng)能力。Fang等[20]在上海市青浦區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，稻-蛙生態(tài)系統(tǒng)（IRFE）具有減少稻田CH4、N2O排放和維持稻田產(chǎn)量的潛力，2018年水稻生長季CH4和N2O排放分別減少了24.70%和41.75%，2019年分別減少了21.68%和51.21%，CH4排放隨青蛙數(shù)量的增加而減少，青蛙還能增加水稻根系的直徑、生物量和體積，從而促進(jìn)水稻的生長。另外，稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)能夠減少稻田氨揮發(fā)損失，稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)為稻田的高效利用，避免過度使用化肥、除草劑和在不降低水稻產(chǎn)量的前提下減少面源污染，提高水稻營養(yǎng)狀況提供了一種新模式[21-23]。

3 稻鴨生態(tài)種養(yǎng)

稻鴨生態(tài)種養(yǎng)是以水田為基礎(chǔ)、種稻為核心、田間養(yǎng)殖鴨子為特點的生態(tài)種養(yǎng)模式，稻鴨生態(tài)種養(yǎng)歷史悠久，我國以鴨治蟲可以追溯到明朝[24]。在稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)中，在水稻分蘗期后抽穗之前，將鴨子引入稻田，稻田為鴨子提供生存場地和食物，鴨子為雜食性動物，避開水稻植株取食稻田里的雜草和害蟲，同時排泄物為水稻提供營養(yǎng)。鴨子通過不停踩踏，增加擾動，提高稻田中的溶解氧含量，幫助釋放土壤中有害氣體硫化氫和沼氣等，使水稻根系扎得更深，并且鴨子不停地碰撞水稻植株，可促進(jìn)水稻植株的生長[25]。稻-鴨耦合互惠期間，鴨子的糞便是良好的肥料，可作為有機肥代替化肥，從而生產(chǎn)出健康的有機大米，與此同時還降低了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險[26]。因為鴨子的引入不僅減少了化肥和農(nóng)藥的使用量，鴨子糞便排入稻田，顯著增加土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、堿解氮和全氮等養(yǎng)分的含量，而且鴨子的活動能夠降低土壤容重、改善土壤通氣情況與氧化還原狀況[27]。

李成芳等[28]研究表明，稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)模式能夠顯著降低土壤有機氮和可溶性總氮含量，減少土壤可溶性氮的淋溶流失風(fēng)險。鄭敏[29]在稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)方面做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)放鴨當(dāng)天，田面水的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度均達(dá)到了峰值，之后急劇下降至緩慢平穩(wěn)，鴨糞是氮素的主要來源，放鴨后期由于鴨子活動促進(jìn)了水稻生長，增加了水體中氮素的吸收，這使得水體環(huán)境中氮素的含量有所減少，氮素流失的風(fēng)險也相應(yīng)的減少。Gao等[30]在上海地區(qū)進(jìn)行稻-鴨生態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)能夠控制化肥投入，提高土壤生產(chǎn)力和水稻利用效率，顯著降低氮素流失，并且與單施有機肥相比，稻田引入鴨子增加水稻對磷的利用效率，減少總磷和可溶性磷通過滲漏和徑流流失。Yang等[31]發(fā)現(xiàn)，在沼液替代化肥的稻田系統(tǒng)，同時引入家鴨，稻-鴨共作提高了水稻對氮磷的利用效率，減少氮磷通過徑流流失。稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)不僅減少氮素滲漏流失，并且降低了N2O排放和氨揮發(fā)，稻-鴨生態(tài)系統(tǒng)相對于常規(guī)水稻種植降低了CH4和N2O溫室氣體的排放，降低全球增溫潛勢[26-27]。

4 展望

隨著生態(tài)種養(yǎng)模式日益受到重視，在全國迅速推廣，生態(tài)種養(yǎng)模式向多元化發(fā)展，不僅出現(xiàn)稻-漁生態(tài)種養(yǎng)、稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)以及稻-鴨生態(tài)種養(yǎng)等單一動植物復(fù)合種養(yǎng)方式，更出現(xiàn)了稻-魚-蝦、稻-魚-蛙、稻-魚-蛙-蝦等多元化復(fù)合種養(yǎng)方式。生態(tài)種養(yǎng)模式利用生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)原理，做到“一田多用，一地多收”，能夠提高稻田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性，減少化肥農(nóng)藥的投入，保障糧食安全，同時保護(hù)環(huán)境，減少農(nóng)田面源污染風(fēng)險，有效地提高生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，是值得推廣的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。

在當(dāng)前的生態(tài)種養(yǎng)模式下，如何利用生態(tài)原理平衡好植物和動物的關(guān)系，以及避免過多的餌料投入造成浪費，防治動物疾病導(dǎo)致的抗生素過度使用也值得警惕，尤其是過多的有機肥投入潛在地增加磷素流失的風(fēng)險防控值得深思和注意。

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