稻田種養模式對農田生態環境的影響分析

焦文獻，陳燦，2?，黃璜，2?

(1 湖南農業大學農學院，長沙 410128；2 湖南省稻田生態種養工程技術研究中心，長沙 410128)

在水稻生產過程中，化肥、農藥、除草劑等有害物質的大量使用對環境造成了一定的污染，影響土壤的理化性質，并且這些有害物質會不同程度的殘留在稻谷中，影響其品質，進而威脅人體健康。因此，在節約資源、保護環境的前提下，生態種養逐漸受到越來越多的關注。前人研究表明，種養模式可對農田環境產生積極影響，但由于養殖的動物種類和數量不同，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模式對土壤肥力的影響，各種模式的影響表現為稻蛙>稻鴨>稻蝦>稻金魚>稻蟹[1]。強潤等分析了稻田不同種養模式對病蟲草害的影響，發現稻鴨模式的總體防治效果優于稻魚、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模式進行比較，并不能全面反映不同種養模式在改善農田環境方面的效果差異。本文通過整理多個種養模式的相關數據，從土壤理化性質、土壤微生物、土壤酶活性等方面對生態種養模式進行系統的比較分析，明確種養模式對農田環境的影響程度，以便于更清楚地認識種養模式在農業生產上所發揮的積極作用。

1 不同稻田種養模式對農田土壤環境的影響

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作物的生長發育。稻田生態種養充分利用養殖動物的糞便，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，加速養分轉化，提升了土壤肥力；在減少化肥使用量的同時，保證土壤中各種養分含量不會降低，既為作物生長提供充足的營養，又改善了土壤理化性狀，減少了環境污染。由于養殖的各種動物的活動強度以及在稻田中的活動區域不同，各種動物的排泄物存在一定差異等，對土壤肥力會產生不同的影響(表1)。

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

通過比較不同生態種養模式對土壤肥力的影響可發現，生物的種類越豐富，對土壤肥力的調節效果越佳。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，各種養分含量較常規稻作均有增加，但雞魚兩種動物對養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 種種養模式中，稻鱉魚共生模式各種速效養分的增長率高于稻魚、稻鱉共生模式。其次，在稻田中只養殖一種動物時，稻鴨、稻蛙對土壤肥力的調節效果較佳，優于稻魚、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，則會使水稻根部發生毒害，影響水稻的正常生長。在稻田生態種養中，一方面，引入動物后，其排泄物增加了田間有機養分含量；另一方面，動物的活動可以中耕松土，從而影響土壤結構。養殖動物種類不同以及養殖密度的差異等等，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，不同稻田生態種養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。種養模式對土壤物理性狀產生了積極的影響，更有利于水稻的生長。在同一種養模式下，由于養殖動物數量的改變，對土壤結構的作用效果也會產生差異。例如李艷薔等[8]比較了稻鰍種養模式下15 萬、30 萬、45 萬尾/hm23 種鰍種密度處理的土壤物理性狀，發現養殖密度越大，土壤容重越小，孔隙度越大。綜合前人的研究可發現，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、稻魚雞等復合種養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于稻魚、稻鱉等單一種養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

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

表3 不同種養模式的土壤微生物數量變化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境，改善了土壤肥力狀況，可以減少農藥、化肥使用量，對土壤微生物有積極影響，增加其數量，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、優勢度和多樣性指數均顯著提高。羅衡[15]研究表明，稻田中飼養鱉，對上層和深層土壤微生物均會產生影響。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]研究發現，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境。總之，各種種養模式普遍可以提高微生物活性、多樣性等指標。從微生物的數量變化進行比較分析，可以發現稻鴨模式效果更佳(表3)。

1.3.2 對土壤酶活性的影響

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

表4 不同稻田種養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]研究發現，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，在養蛙30 d 左右時，種養稻田的各種酶活性是低于水稻單作的，當養蛙時間達到60～90 d 后，酶活性開始上升，并逐漸高于水稻單作區。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定。這反映了土壤酶活性在水稻生育期內的變化情況，并表明酶活性隨養殖密度的增加而上升。

綜上所述，種養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 種模式的相關數據可看出，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于稻魚。

2 不同稻田種養模式對農田水體環境的影響

對于水稻的生長發育來說，農田水體環境同土壤環境一樣重要，特別是在稻魚綜合種養模式中，水不僅影響魚類的生存，而且水質的好壞關乎到水產品的健康，是種植、養殖中都不可缺少的一部分。

種養模式首先影響農田水體的理化性狀，如電導率、氧化還原電位、溶氧量以及各種養分含量等(表5)。甄若宏[23]研究發現，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，有利于養分的轉化，降低了田間有害物質的積累。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，除了水體的養分含量增加外，水溫和pH 略下降，水體混濁度以及硝態氮含量上升。而將稻鴨、稻蝦兩種模式組合在一起形成的稻鴨蝦種養模式則可減少水體的氮、磷含量[27，28]。

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

其次，在稻田生態種養模式中，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生一定的影響，包括其數量、種類、生存環境等。對于浮游植物來說，既是稻田養殖動物的食物來源，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。在生態種養模式中，養殖動物的密度、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和生物量明顯少于對照區，但合適的養殖密度可以增加水體生物的多樣性，提高生態系統的穩定性[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，隨著時間延長呈現明顯的下降趨勢。張慶陽等[35]研究發現，在稻蟹共作模式中，絲狀藻類的平均干質量低于對照組，說明在稻田里養蟹對絲狀藻類的生長具有一定的抑制作用。而對藻類產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，種養模式中動物通過活動、攝食等對水生生物產生影響外，還影響農田水體的理化性質。在上述幾個種養模式中，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分含量，而稻鴨模式對水體養分、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于其他模式。

3 不同稻田種養模式對農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、節節菜、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。病蟲害大量發生，不僅使水稻植株受到傷害，嚴重時可導致水稻減產、降低稻米品質。在種養模式中，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藥的使用，達到節約成本和環保的目的。

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

對于農田雜草來說，種養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、節節菜、鴨舌草、水花生等大部分雜草的數量明顯降低；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，使整體的雜草數量低于對照區。除稻鴨外，在稻鱉、稻魚、稻蝦等種養模式也表現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，降低草害發生的可能性。

表7 稻田種養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]。稻魚模式對農藥的需求量減少23.4%[40]，改善了田間環境，作為害蟲天敵的蜘蛛數量有所上升；但在稻魚鴨模式中，蜘蛛的數量會有明顯波動，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，不斷適應環境，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，說明相對于施用農藥來說，種養模式對害蟲的防控效果更好且更穩定，不會對環境造成嚴重影響。徐建欣等[44]研究表明，在稻鱉魚鴨復合種養模式中，養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。

結合相關數據來看，不同稻田生態種養模式都可以有效防治田間病蟲草害，但鴨對農田中病蟲草害的綜合防治效果優于其他動物。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 不同稻田種養模式對水田氣體排放的影響

稻田生產過程中，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、水體環境等等。在生態種養模式中，稻田土壤和水體環境均會受到影響，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，甲烷功能菌的數量增加、活性增強，可以減少CH4的排放，且與養鴨密度呈負相關；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，且同時養殖魚鱉兩種動物效果更佳。

綜上所述，在農業生產上，稻田生態種養模式普遍可減少溫室氣體的排放，緩解溫室效應。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

稻田種養對農田環境的影響十分明顯，具有改善土壤理化性質、增加土壤微生物數量、提高土壤酶活性、有效防控病蟲草害等多個方面的優勢。在實施綠色發展的前提下，稻田生態種養逐漸受到重視。關于種養的理論和技術已經有相當多的研究，結合當前的研究現狀，提出以下幾點展望:第一，在現有的水稻品種中，篩選更加適合稻田種養的品種，在綠色生產的前提下，確保產量和品質。第二，深入研究種養模式對土壤、農田水體等的影響機制與機理，在目前的研究基礎上，篩選出最佳種養模式，并于生產中推廣應用。第三，壟作、廂作等耕作方式，由于微地域發生變化，增強了水稻基部通風透光性能，提高了水肥利用率等，協調了作物的生長環境，因此可探究生態種養模式在不同耕作方式下的綜合效益。通過不斷實踐，創新發展高效種養耦合新技術模式，實現農業生產可持續發展。