不同稻作模式下農田生態環境效應研究

楊海龍， 封志明， 呂 耀

(1．中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2．中國進出口銀行，北京 100031)

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不同稻作模式下農田生態環境效應研究

楊海龍1， 封志明1， 呂 耀2

(1．中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2．中國進出口銀行，北京 100031)

高投入-高產出的現代化農業模式，在帶來糧食增產的同時也付出了慘重的資源、環境代價，最終走入了經濟學和生態學的雙重困境。在我國悠久的農業文明進程中，因地制宜地發展出很多資源高效、環境友好的農業生產方式，稻魚復合系統即是其中的杰出代表之一。以貴州的稻田養殖農業生態系統為研究對象，通過田間觀測和實驗室測定獲得相關數據，分析了4種不同稻作模式下病蟲草害發生情況及土壤養分的變化，得到以下主要結論：①從稻種選擇角度看，雜交稻抗病性優于糯稻，而抗蟲、草害性不及糯稻；從稻作技術角度看，無論種植雜交稻或是糯稻，稻田養魚均能在一定程度上減輕病、蟲、草害所造成的危害。②隨著現代農業技術進步與社會生活方式轉變，傳統稻田養殖模式發生了很大變化，由于過量化肥投入，形成了巨大的農業資源浪費與環境污染。因此，要充分發揮優秀傳統農業模式的生態效益，就必須用現代農業科技對其進行合理改造。

農田環境；生態效應；傳統農業；稻魚復合系統

近年來我國在提高農業生產力和糧食產量領域取得了巨大成就，以占世界7%的耕地養活了占世界22%的人口，實現了糧食自給。我國農業生產取得的成就與農業政策的指導與高效農業生產技術的引進密不可分。但是，我國的糧食安全卻是建立在高昂的資源環境代價基礎上的。資源基礎退化，農田環境污染、物種多樣性喪失、土壤結構破壞等農業生產的負外部性顯露無疑[1]，高能耗、高投入的粗放農業是不可持續的發展方式。

我國人均耕地面積僅為0.087 hm2，不足世界平均水平的(人均0.32 hm2)的1/3[2]，人地矛盾突出。在我國農業文明發展過程中，因地制宜地發展出多種不同的科學土地利用方式。貴州省黔東南地區多為山地地形，當地居民因地制宜地發展出稻田養殖的土地利用方式，體現了人與自然和諧共處的原始生態農業模式。隨著現代農業科技進步，這種生態模式經過科學規劃，稻田起到水稻生產與池塘養殖的雙重作用，巧妙地構建了一個使水稻和魚類互相依賴、互相促進的生態種養系統。以往研究從生物防治[3-5]、水土環境效應[6-7]、農田資源效率[8]等多個方面進行了有益的探索。

受經濟利益、比較效益驅動，大量農村青壯年人口向城市流動，致使農村勞動人口結構發生了很大變化，農村高素質勞動力比重較小，且老齡化趨勢明顯[9]。農村勞動力結構的變化及現代農業技術的進步誘使農民選擇勞力節約型、高產型的農作方式。農民選擇不同的農業技術、農作方式及不同的投入水平，其農業資源利用效率及農田環境效應不同。筆者以貴州省從江縣不同稻作模式為例，通過田間觀測，收集詳盡的一手數據，研究了不同稻作模式下病蟲草害發生情況、土壤養分平衡等農田環境效應。

1 研究區域、數據來源與研究方法

1.1 研究區域 貴州省從江縣位于貴州省東南部(圖1)，位于108°05′～109°12′ E，25°16′～26°05′ N之間，總面積3 298 km2，其中山地占89.9%，是典型的山地縣。從江縣屬中亞熱帶溫暖濕潤山地季風氣候，并帶有南亞熱帶氣候特點，雨量充沛，熱量豐富。年降雨量在1 050～1 250 mm之間，年均氣溫17 ℃，年均日照1 284 h，無霜期348 d。土壤以黃壤、紅壤為主，pH在4.5～6.5之間，屬高氮、高鉀、少磷、富有機質的土壤類型。

從江縣是以侗族、苗族為主的多民族聚居縣，2012年耕地面積為14 400 hm2，人均耕地面積0.044 hm2。2012年從江縣水稻種植面積11 600 hm2，占農作物播種總面積的27.9%。其中雜交稻10 500 hm2，地方傳統糯稻1 067 hm2。水稻種植在農業生產中占據重要位置。該地區有悠久的稻田養殖歷史，在雜交稻推廣前，一直以傳統糯稻養魚為主。

1.2 數據來源與研究方法 為了研究不同稻作模式下農田病蟲草害發生情況及土壤肥力變化，在案例點從江縣小黃村選擇4塊觀測田，分別為糯稻(紅毛禾)-魚(鯉魚)(GR-F)、糯稻(紅毛禾)單作(GR)、雜交稻(江優151)-魚(鯉魚)(HR-F)和雜交稻(江優151)單作(HR)。在水稻生長病蟲草害發生高峰期分5次對稻田病、蟲、草害進行田間調查，每隔5 d進行一次。

樣方確定：在觀測田按照對角線原則采用5點法，取5個具有代表性的樣方，每個樣方的面積為1 m2(1 m×1 m)，調查樣方內病蟲草害。

病害記錄：根據當地稻田病害情況，選取稻瘟病為主要研究對象。每個樣方內水稻植株數量約為14～18株不等。按照水稻細菌性條斑病病級標準，記錄每個樣方內各病級病葉的數量，計算植株病級、稻田各病級植株量及病情指數。

蟲害記錄：根據當地稻田蟲害情況，選取稻縱卷葉螟和稻飛虱為主要研究對象。分別于每個觀測日的09：00、13：00和17：00記錄每個樣方內各植株上稻田害蟲數量，然后取平均值。

草害記錄：記錄每個樣方內雜草物種數以及數量，取平均值。

土壤采樣分別于水稻插秧前和水稻收割后兩次采集。按照蛇形采樣法，利用土鉆采集各觀測田深度在0～20 cm的耕作層土樣。每塊觀測田取3個混合土樣，分別分布于觀測田中心和邊際位置以反映稻田整體養分狀況，每個混合樣品的取樣點不少于15個。 將從田間采集的土樣平鋪在潔凈塑料布上，攤成薄層于室內陰涼通風處風干。然后將風干的土壤樣品，仔細剔除石塊、根莖及各種侵入體，用圓棍在塑料板上壓碎、研磨，使其全部通過100目篩。過篩后的土樣經充分混勻后，裝入塑料樣品袋，再裝入土樣袋，每個土樣袋內外各具標簽一張，注明編號、采樣田塊號、采樣日期、采樣點編號等項目，然后裝箱、封箱、運輸。土樣養分元素含量測定委托北京林業大學土壤實驗室完成。土壤有機質含量測定：采用K2CrO4-H2SO4外加熱法測定；土壤全氮含量的測定：采用半微量凱氏法測定；土壤堿解氮含量測定：采用堿解擴散法測定；土壤全磷含量的測定：采用H2SO4-HClO4消煮，鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷含量測定：采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提，鋁銻抗比色法測定；土壤全鉀含量的測定：采用NaOH熔融，火焰光度法測定；土壤速效鉀含量測定：采用中性醋酸錢浸提，火焰光度法測定。

2 結果與分析

2.1 不同稻作模式下病害發生對比分析 病害使全世界水稻減產9.9%[10]，紋枯病、稻瘟病是水稻重要病害。針對稻田養魚病害發生情況進行的研究表明，稻田養魚能夠降低紋枯病發病率[11-13]及稻瘟病發病率[14-16]。從江縣水稻病害主要為稻瘟病，兼有紋枯病，但后者并不嚴重。該研究中將稻瘟病作為主要研究對象。據水稻細菌性條斑病分級標準(0級，無病；1級， 病斑面積占葉面積的10%以下；2級，病斑面積占葉面積的11%～25%；3級，病斑面積占葉面積的26%～45%；4級，病斑面積占葉面積的46%～65%；5級，病斑面積占葉面積的65%以上)，查看樣方內每株水稻葉片的病斑情況并詳細記錄，然后計算每株水稻病級，根據樣方占稻田面積的比例估算整塊稻田水稻各級病株數，依據公式計算稻田的病級指數。相關計算公式如下：

據田間調查結果分析(圖2)，HR-F、HR、GR-F和GR 4種模式0和1級葉片占總葉片的比例分別為89.94%、80.64%、77.03%和53.38%。表明無論是否養魚，雜交稻均比糯稻抗病性強；無論種植雜交稻還是糯稻，稻田養魚均能在一定程度上提高抗病性。計算樣方內每株水稻的病級，乘以相關系數(即樣方面積與稻田面積之比)，得到稻田各病級植株數量，計算稻田病情指數。依據表1，糯稻養魚比糯稻單作病情指數下降13.3個百分點，雜交稻養魚比雜交稻單作病情指數下降了10.6個百分點，表明稻田養魚能增強水稻抗病性，種植糯稻效果更明顯。可能是因為糯稻生長期長，糯稻田水位較高有利于魚類生長，魚類生長過程中吞噬病菌核和菌絲，從而減少了病菌侵染來源，降低了稻瘟病的發病率。雜交稻養魚病情指數最小，一方面是由于雜交稻抗病性優于糯稻，另一方面是由于稻田養魚起到了生物防治作用。單從病害防治效果看，雜交稻養魚稻作模式最優。

植株病級病株數GR-FGRHR-FHR08780511401122963990447475142071820030798004000050000稻田面積∥m2941855564442病情指數∥%18.732.09.420.0

2.2 不同稻作模式下蟲害發生對比分析 蟲害使世界水稻減產34%[10]。實踐證明，稻田多個物種共存對蟲害的發生、發展有很好的控制效果。稻田養魚能夠降低葉蟬、稻飛虱[17-18]、福壽螺[19-20]和稻田螟蟲的危害[3-4，21]。 稻田主要害蟲是稻縱卷葉螟(CnaphalocrocismedialisGuenee)和稻飛虱(rice planthopper)，稻飛虱分為褐飛虱(Nilaparvatalugens)和白背飛虱(Sogatellafurcifera)。田間調查選擇在中午害蟲比較活躍時進行，每隔5 d觀測一次，共5次，將5個樣方內調查數據取平均值得到每塊觀測田蟲害的一般水平。

依據圖3，HR、GR、HR-F和GR-F 4種模式下單位面積(1 m2)害蟲平均數量分別是44.6、41.6、37.6和32.2。表明無論是否養魚，雜交稻抗蟲害能力均比糯稻差；無論種植雜交稻還是糯稻，稻田養魚均能起到防治蟲害的作用。 HR、GR、HR-F和GR-F 4種模式下單位面積(1 m2)稻縱卷葉螟的平均數量分別是16.6、10.2、10.0和8.4。雜交稻對稻縱卷葉螟的抗性比糯稻差；稻田養魚使得雜交稻田稻縱卷葉螟減少了39.76%，糯稻田減少了17.65%。GR、HR、HR-F和GR-F 4種模式下單位面積(1 m2)稻飛虱的平均數量分別是31.4、28.0、27.6和23.8。雜交稻對稻飛虱的抗性比糯稻強；稻田養魚使得雜交稻田稻飛虱減少了0.36%，糯稻田減少了24.2%。

稻田養魚幾乎不能減少雜交稻田稻飛虱數量，這與既有研究結論不一致，有待進一步研究。稻田養魚對雜交稻田和糯稻田稻飛虱防治效果差異如此顯著，原因可能是魚類很少取食稻飛虱幼蟲，糯稻養魚田稻飛虱之所以減少，并不是魚類取食活動所致，是因為糯稻養魚田水位的變化。這與稻飛虱的生活習性有關。稻飛虱習慣于在稻稈下部吸食汁液，由于糯稻的耐淹性好于雜交稻，一般糯稻養魚田水位較高，浸入水中的稻稈部分較多，致使稻飛虱數量減少。糯稻養魚抗蟲害能力最強。一方面，糯稻抗蟲害能力優于雜交稻；另一方面，糯稻莖稈高、耐淹性強的生理習性使得稻田能夠大量儲水，不僅減少稻飛虱危害的可能性，而且為魚類生長創造有利環境，使得魚類起到的生物防治作用更明顯。單從蟲害防治角度看，糯稻養魚是最優稻作模式。

2.3 不同稻作模式下草害發生對比分析 農田雜草是影響水稻生長發育和產量的嚴重生物災害，雜草危害使全世界水稻產量減少10.8%[10]。利用生物之間相互作用的方法控制草害越來越受到關注。國內外許多研究成果顯示，稻田養魚能夠有效降低稻田雜草所帶來的危害[22-26]。調查顯示，稻田中主要存在的雜草為滿江紅(Azollaimbircata(Roxb.) Nakai)、褐藻(Phaeophyta)、鴨舌草(Monochoiavaginalis(Burm.f.) )、槐葉萍(Salvinianatans(L.) All.)、慈姑(Sagittariasagittifolia)、眼子菜(PotamogetonoctandrusPoir.)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)、田字草(MarsileaquadrifoliaL)、苦菜(SonchusoleraceusL.)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)等。

依圖4，HR、HR-F、GR和GR-F 4種模式下單位面積(1 m2)雜草的平均數量分別是22.0、15.6、15.4和9.8。表明無論是否養魚，雜交稻抗草害能力均比糯稻差；無論種植雜交稻還是糯稻，稻田養魚均能減弱雜草帶來的危害。糯稻養魚抗草害能力最強。一方面，糯稻抗草害能力優于雜交稻；另一方面，糯稻養魚田水稻種植密度低、水位高，為魚提供了較好生存環境，魚類生長過程中大量攝取田間雜草，雜草控制效果較好。單從草害防治角度看，糯稻養魚是最優稻作模式。

2.4 不同稻作模式下土壤肥力對比分析 土壤是一個復雜的多層次開放系統，土壤的性狀在各種自然環境因素與人類活動的共同作用下，處于不停的變化之中。不同農業生產方式和農田管理措施下不同土壤耕層養分變化差異明顯。既有的對稻田養魚土壤養分研究顯示，稻田養魚能增加土壤有機質、全氮、全磷的含量[27-28]。

按照全國第二次土壤普查養分分級標準，土壤養分分為6級，分別代表豐富、較豐富、中等、較缺、缺和極缺(表2)。GR-F、GR、HR-F和HR 4塊觀測田有機質、氮含量的本底值處于3～4級之間，磷、鉀處于4～5級之間(表2、表3)，遠低于貴州省水田養分元素含量的平均水平[29]，屬于比較貧瘠

的土壤類型。測定水稻收割之后4塊觀測田土壤養分元素含量，有機質、全氮、堿解氮3種養分元素含量豐度達到2級或1級水平，土壤氮元素含量較多；有效磷含量由種植之前5級水平上升到3級中等水平；速效鉀含量由種植之前的5級甚至6級水平上升到4級水平，但仍處于較缺乏狀態，在施肥管理中應加大鉀肥施肥量。

比較水稻種植前后土壤養分元素含量變化，水稻種植過后土壤養分元素含量急劇上升，其增幅達到50%以上，有些甚至達到300%(圖5)，遠遠高于以往其他學者研究結果。高洪生試驗稻田養魚實施兩年后，土壤有機質、全氮、全磷相對增加0.32%、0.05%、0.006%，全鉀相對下降0.12%，速效氮、速效鉀相對增加0.70%、3.10%，速效磷相對下降0.10%[27]。梁毅等研究指出，稻田養魚土壤全氮、全磷、全鉀及有機質分別提高20.1%、57.3%、17.3%和18.9%[28]。

表2 土壤養分含量分級標準

表3 各觀測田水稻種植前后土壤養分元素含量

注：CK為貴州省水田土壤養分平均水平(2002年測定值)[29]。

該研究是基于當地農民的生產實踐，對農民的生產活動不加干涉，在農戶種植行為基礎上采樣化驗。稻田土壤種植前后養分元素發生如此大的變化，充分說明當地農民缺乏科學施肥指導，大量使用化學肥料，生產方式比較粗放，是不可持續的生產方式。究其原因，一方面是農民缺乏精準施肥的農業技術指導，但更重要的原因卻是農業勞動力大量轉向非農就業部門，致使農村農業勞動力缺乏，改變了農民耕作方式與施肥方式，過量化肥一次性施入稻田后缺乏稻田管理與看護。

稻田施肥量過高，肥料利用率低下，大量化學肥料殘留在土壤中，致使土壤養分元素含量劇增，這樣不僅浪費資源，而且造成潛在的環境污染。依據土壤氮、磷、鉀養分元素本底值低的事實，小黃村農民施用氮磷鉀復合肥是合理選擇，在科學施肥同時應該加大有機肥與農家肥使用量，采取土壤培肥措施，提高土壤肥力。

雜交稻生長期比糯稻短，種植密度高，生長過程中需肥量大；單作田施肥量大于養魚田。GR-F、GR、HR-F和HR 4種種植模式下，稻田施肥密度按遞增排列為GR-F﹤GR﹤HR-F﹤HR。

稻田養魚能提供土壤有機質含量。有機質是土壤肥力的標志性物質，其含有豐富的植物所需要的養分，調節土壤的理化性狀，是衡量土壤養分的重要指標。它主要來源于有機肥和植物的根、莖、枝、葉的腐化變質及各種微生物等。4塊觀測田收割后土壤有機質含量分別為HR(3.6%)﹤HR-F(3.9%)﹤GR(4.2%)﹤GR-F(4.6%)(表3)，種植前后有機質含量變化幅度從小到大排序為GR﹤HR﹤HR-F﹤GR-F，表明稻田養魚對土壤有機質養分釋放有促進作用。稻田養魚肥料投入量低于水稻單作，養魚田氮、磷元素含量變化均高于單作田，表明稻田養魚能加速氮、磷元素釋放、轉換為能被植物直接吸收的形式，促進水稻生長。稻田養魚能有效促進土壤養分元素轉化與吸收，從土壤養分元素利用情況看，稻田養魚模式優于水稻單作模式。

為了研究土壤養分平衡，將農產品及農副產品中攜帶的氮、磷、鉀含量加以折算(表5)。農業生產帶出稻田系統的氮、磷、鉀元素含量遠遠低于農業生產過程中的投入量，其中雜交稻種植尤為明顯，表明化學肥料利用率較低。因此，在生產實踐中應改進生產技術，合理、科學施肥，重視秸稈還田。作物秸稈是重要的有機肥源，堆腐或粉碎后直接還田，可提供大量的有機物料和養分，有利于作物和土壤間對鉀素養分的供需平衡和土壤有機質含量的提高，對農作物增產、培肥地力、改良土壤都有重要的作用[30]。糯稻生產除收獲稻米以外，大量的糯稻秸稈作為副產品一方面可以用來編制器具，一方面可以用作家畜食物，或作為產生沼氣的原料，堆肥還田以循環利用。

表4 不同處理下產品中各養分元素含量

注：稻米中氮、磷、鉀含量分別為1.300%、0.120%、0.097%；稻草中氮、磷、鉀含量分別為2.100%、0.150%、0.230%。

3 結語

隨著我國糧食逐年增產，實現了糧食的自給自足，同時高投入、高能耗的粗放農業生產也被認為是不可持續的發展方式。許多學者將視角轉向了傳統農業生產方式以尋求解決之道。我國悠久的農業文明進程中因地制宜地發展出了很多生態友好的農業生產方式，給現代農業的可持續發展提供了啟示。筆者選取貴州黔東南地區悠久的稻田養殖復合系統為研究對象，分析不同稻作模式下農田的生態環境效應，以期為現代農業的發展提供有益的建議。研究顯示，從稻種技術選擇角度看，雜交稻抗病性優于糯稻，而抗蟲、草害性不及糯稻；從稻作技術角度看，無論種植雜交稻或是糯稻，稻田養魚均能在一定程度上減輕病、蟲、草害所造成的危害，并能加速肥料釋放速度，提高土壤肥力，促進水稻生長。4種不同稻作模式中，從病害防治效果看，雜交稻養魚模式最優；從蟲害、草害防治效果看，糯稻養魚模式最優。但是隨著現代農業技術的進步及社會生活方式的轉變，這一傳統的農業生態系統受到了巨大的沖擊，其生產方式正在漸漸發生變化。由于缺乏足夠勞力進行精細管理，化肥投入過量，不僅浪費資源，而且污染環境，變得越來越不可持續。因此，必須利用現代農業技術合理改造優秀的傳統農業生態模式，充分發揮其生態效益。

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Study on Eco-environmental Impact of Different Rice Modes

YANG Hai-long1, FENG Zhi-ming1, LV Yao2

(1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101; 2.The Export-Import Bank of China, Beijing 100031)

High input and high yield modern agricultural mode has brought increasing grain yield, meanwhile, it is also paid heavy resource and environmental costs. At last, it falls into the dilemma of economics and ecology. In the long agriculture civilization history of China, the farmers have developed a lot of resource-efficient, environment-friendly agricultural mode which is suitable to local conditions. The rice-fish integrated system is one of the outstanding representatives. This paper takes the rice-fish integrated system of Guizhou as research object, obtains data through field observation and laboratory test, then analyzes diseases, insect pests, weeds and the soil nutrient change of four different rice modes. The results show: From the view of rice seeds selection, disease resistance of the hybrid rice is better than that of glutinous rice, but, the insect and weed resistance of glutinous rice is better than that of hybrid rice. From the view of agricultural technique selection, regardless of planting hybrid rice or glutinous rice, rice-fish integrated system always reduce the hazards of disease, insects and grasses to a certain extent. Second, with the progress of modern agricultural technology and social life changes, great changes have taken place in traditional rice farming mode. Due to excessive chemical fertilizer input, it not only wastes resources, but also pollutes agricultural environment. Therefore, in order to fully give play to the ecological benefits, we must carry on the reasonable reform to traditional agriculture by the modern agricultural science and technology.

Field environment; Ecological impact; Traditional agriculture; Rice-fish integrated system

國家自然科學基金項目(40971270)。

楊海龍(1980-)，男，河北平山人，助理研究員，博士，從事農業資源與環境管理研究。

2015-04-27

S 181.3

A

0517-6611(2015)17-258-05