稻田生態種養防控農田面源污染研究進展

儀凱 儀小梅

摘要 水稻是我國重要的糧食作物，大量化肥、農藥的使用使得糧食產量大幅提高。然而過量的化肥、農藥隨著滲漏和徑流進入周邊水體環境中，帶來一系列地表水環境問題，嚴重威脅著我國糧食安全。防控農業面源已引起了國家的高度重視，工作重點逐漸轉移到稻田可持續發展。稻田生態種養這種古老傳統的農業方式因利用生態系統循環原理，減少化肥農業的投入再次受到人們重視。對目前稻-漁生態種養、稻-蛙生態種養以及稻-鴨生態種養防控面源污染等研究進展進行綜述，以期為稻田耕作、農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支持。

關鍵詞 稻田;化肥;面源污染;生態種養;糧食安全

中圖分類號 X 71? 文獻標識碼 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（資源服務）標識碼（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，大量施用化肥和農藥是保證農業產量的主要措施，但隨著農藥和化肥的過量使用，過量的肥料以及農藥隨著滲漏和徑流進入周邊地表水體中，帶來了一系列的環境問題，農業面源污染已成為當前地表水水體污染的主要驅動因素，嚴重威脅著我國食品安全[1]。農業面源污染造成的環境問題已引起黨中央、國務院的高度重視，我國明確提出，2020年中國將形成“環境友好型、資源節約型”的兩型農業。2017年農業部辦公廳印發了《重點流域農業面源污染綜合治理示范工程建設規劃（2016—2020年）》[2]。2021年生態環境部和農業農村部聯合印發了《農業面源污染治理與監督指導實施方案（試行）》，方案中指出農業面源污染治理是生態環境保護的重要內容，事關農村生態文明建設，事關國家糧食安全和農業綠色發展，事關城鄉居民的水缸子、米袋子、菜籃子，需要大力發展種養結合、生態循環農業，擴大綠色、有機和地理標志農產品種養規模，增加綠色優質農產品供給，提升農業發展質量和效益[3]。

近年來，我國稻田生態種養已接近233.33萬hm2，成為世界上稻田水產養殖面積和產量最大的國家[4]，我國稻田生態種養正逐步向規模化、集約化方向發展，生產力有了較大提高，稻田生態種養模式已成為未來可持續農業的發展方向。稻田生態種養農業是在水稻生長季節，水稻與水生動物共同生活在同一環境中的一種生態農業模式，動物和植物互惠互利，相互影響。在保證水稻正常生長發育的前提下，合理利用稻田濕地資源的空間和養分，進行適當的水產動物和水禽養殖，如：稻-漁（稻-魚、稻-蝦、稻-蟹、稻-鱉）、稻-鴨、稻-蛙等生態種養耦合模式，可保證稻田養殖動物的安全，減少農藥化肥的投入，從源頭上減少氮磷等面源污染，提高稻田的生產力，生產高附加值的綠色無公害水稻，同時提高農民的收入。研究表明，稻田生態種養能夠改善營養循環，控制害蟲和雜草，減少氮磷流失[5]。水稻種植和水產養殖相結合的生態種養模式不僅能夠減少稻田對周邊環境的污染壓力，也能夠提高經濟效益，是一種既生態又能產生經濟價值的水稻種植模式。

1 稻-漁生態種養

稻-漁生態種養包括：稻-魚、稻-蝦、稻-蟹、稻-鱉和稻-螺等。稻漁生態種養歷史悠久，稻田養魚在東漢時期（公元20—226年）便已出現[6]，稻田生態種養系統中，水稻和水生動物同時生長和生活在同一濕地環境中，既生產稻谷等碳水化合物，又能產出漁蝦鱉等的動物性蛋白，被公認為糧食生產及飼養動物相結合的成功典范，在提高人們營養水平、減輕世界貧困和維持糧食安全方面發揮著積極作用[7]。稻-漁生態種養能夠減少化肥農藥投入量，改善農業生態環境，減少農業面源污染，促進糧食生產和水產養殖，保障糧食安全。聯合國糧農組織（FAO）自1950年開始在世界范圍內大力推廣稻田生態種養，并于2005年評選我國的“青田稻魚共生系統”為首批“全球重要農業文化遺產”。據記載，稻-魚生態種養系統已經具有1 200多年的歷史[8]。2020年12月25日，“青田田魚”生態種養系統正式獲得中華人民共和國農業農村部的農產品地理標志登記保護。此外，隨著政府的重視和推廣，稻-蝦、稻-蟹、稻-鱉和稻-螺等生態種養模式也得到了迅速發展，稻-蝦生態種養目前已成為我國應用面積最大、綜合產量最高的稻-漁綜合種養方式[4]。

王晨等[9]研究表明，在稻-魚種養型農場中，稻-魚生態種養共作模式的氮肥投入和農藥投入顯著低于水稻單作模式，減少了農藥化肥的使用和流失風險。Li等[10]研究發現，稻-魚共生和稻-蝦共生系統中，稻-魚共生系統能夠降低營養物質（TP和TN）的含量，緩解沉降物再懸浮，在緩解水體富營養化中起著重要的作用，并且使得稻田氨揮發和N2O的排放量顯著降低。吳敏芳等[11]研究發現，稻-魚共作系統中處理氮肥使用量較常規水稻種植系統中減少30%。Hu等[12]研究表明，與傳統的水稻種植模式相比，稻-魚生態種養可以在不增加稻田污染輸出的基礎上顯著提高稻田生態系統的生產力，是一種環境友好型的水稻種植模式。與常規水稻種植相比，稻-魚生態種養既可以保證稻谷產量又能降低CH4和N2O的排放量，降低全球增溫潛勢。Ahmed等[13]研究發現，稻-魚生態種養能夠提高土壤和稻米品質，減少農藥投入23.4%。佀國涵等[14]研究表明，長期稻-蝦生態種養模式能夠顯著降低氮和磷的流失，促進土壤中氮和磷的積累。陳飛星等[15]發現，稻蟹生態種養系統化肥和除蟲劑的投入顯著少于常規水稻種植，并且每年可減少氮素面源污染負荷6.375 kg/hm2。Zhang等[16]在研究稻-鱉生態種養系統中發現，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險。

2 稻-蛙生態種養

古人利用稻蛙生態種養的自然生態理念管理水稻種植，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-蛙生態種養系統中，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生率，降低病害發生，減少農藥和化肥的使用并起到生物防治的作用。近年來，關于稻-蛙生態種養控制農田面源污染的研究多有報道。苑圓圓[17]研究發現，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，減少病蟲害發生以及農藥投入，保障了環境和糧食安全;另一方面虎紋蛙在稻田里的活動能夠刺激水稻吸收養分，增強農產品品質。有研究指出，稻-蛙生態種養系統中，用50%有機肥替代化肥的綠色稻-蛙系統不會顯著降低水稻產量，并且減少了硝態氮、銨態氮和總氮徑流流失量，分別減少20.00%、27.39%和25.16%，同時也減少了硝態氮、銨態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，明顯降低了總氮滲漏和徑流流失負荷，分別降低28.70%和28.45%，但會顯著降低水稻產量[18]。周雪芳等[19]也發現，稻-蛙生態種養可提高巨大芽孢桿菌數量以及酸性磷酸酶活性，促進難溶性的磷轉化為可溶性磷，從而提高稻田土壤磷素的供應能力。Fang等[20]在上海市青浦區現代農業園區試驗發現，稻-蛙生態系統（IRFE）具有減少稻田CH4、N2O排放和維持稻田產量的潛力，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，從而促進水稻的生長。另外，稻-蛙生態種養能夠減少稻田氨揮發損失，稻-蛙生態種養為稻田的高效利用，避免過度使用化肥、除草劑和在不降低水稻產量的前提下減少面源污染，提高水稻營養狀況提供了一種新模式[21-23]。

3 稻鴨生態種養

稻鴨生態種養是以水田為基礎、種稻為核心、田間養殖鴨子為特點的生態種養模式，稻鴨生態種養歷史悠久，我國以鴨治蟲可以追溯到明朝[24]。在稻鴨共作生態系統中，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。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，從而生產出健康的有機大米，與此同時還降低了農業面源污染的風險[26]。因為鴨子的引入不僅減少了化肥和農藥的使用量，鴨子糞便排入稻田，顯著增加土壤有機質、速效磷、速效鉀、堿解氮和全氮等養分的含量，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-鴨生態種養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險。鄭敏[29]在稻-鴨生態種養方面做了大量的研究，發現放鴨當天，田面水的總氮、銨態氮和硝態氮的濃度均達到了峰值，之后急劇下降至緩慢平穩，鴨糞是氮素的主要來源，放鴨后期由于鴨子活動促進了水稻生長，增加了水體中氮素的吸收，這使得水體環境中氮素的含量有所減少，氮素流失的風險也相應的減少。Gao等[30]在上海地區進行稻-鴨生態研究發現，稻-鴨生態種養能夠控制化肥投入，提高土壤生產力和水稻利用效率，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]發現，在沼液替代化肥的稻田系統，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-鴨生態種養不僅減少氮素滲漏流失，并且降低了N2O排放和氨揮發，稻-鴨生態系統相對于常規水稻種植降低了CH4和N2O溫室氣體的排放，降低全球增溫潛勢[26-27]。

4 展望

隨著生態種養模式日益受到重視，在全國迅速推廣，生態種養模式向多元化發展，不僅出現稻-漁生態種養、稻-蛙生態種養以及稻-鴨生態種養等單一動植物復合種養方式，更出現了稻-魚-蝦、稻-魚-蛙、稻-魚-蛙-蝦等多元化復合種養方式。生態種養模式利用生態系統循環原理，做到“一田多用，一地多收”，能夠提高稻田生態系統生物多樣性，減少化肥農藥的投入，保障糧食安全，同時保護環境，減少農田面源污染風險，有效地提高生態效益和經濟效益，是值得推廣的生態農業模式。

在當前的生態種養模式下，如何利用生態原理平衡好植物和動物的關系，以及避免過多的餌料投入造成浪費，防治動物疾病導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險防控值得深思和注意。

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