稻魚共作對水稻產量效應的Meta分析

蔡淑芳 黃獻光 黃惠珍 包 巍 張 鐘 雷錦桂

(福建省農業科學院數字農業研究所, 福州 350003)

生態循環農業是推進農業現代化、加快轉變農業發展方式的突破口。近年來, 現代生態循環農業發展的稻漁綜合種養模式蓬勃發展, 產業規模持續擴大, 新業態新模式不斷涌現。2020年, 全國稻漁綜合種養面積突破2.53×106公頃; 其中稻魚共作模式面積占比達39.02%, 是主要的綜合種養模式之一。在稻田系統中開展稻魚共作, 對高效利用資源、保障食物供給和降低環境影響具有重要意義[1,2]。首先, 水稻種植和魚類養殖的結合可提高有限耕地和淡水的利用效率。其次, 稻魚共作可同時生產碳水化合物和動物性蛋白, 是提高人類營養水平和減輕貧困的動植物綜合種養方式之一。再次, 稻魚系統基于稻田生態系統內資源的循環利用, 可減少農藥化肥的投入, 對水體和土壤環境影響較小。全球稻田面積1.63×108hm2, 主要分布在東亞及東南亞國家和地區; 90%以上稻田為淺水環境, 為水生生物的天然繁殖和水產生物的人工養殖提供了優越的基礎環境[3]。然而, 目前全球稻田開展綜合種養的比例仍較低。

稻漁共作是否及如何影響水稻的產量一直是人們普遍關注的問題。已有較多研究就稻魚共作對水稻產量的影響進行了定量分析, 這些研究成果對把握水稻產量在稻魚共作情景下的變化趨勢, 進而對農業生產決策和保障糧食安全具有重要作用。但是, 現有的定量研究結果之間存在一定差異,且差異不僅表現在產量變化數值上, 也表現在產量變化方向上[4,5]。Gurung等[6]認為盡管稻魚共作有3%—5%的水稻種植面積損失, 但與水稻單作相比,共作水稻產量提高了9%; Tsuruta等[7]認為由于魚排泄物的施肥作用使共作水稻產量較單作提高了20%。Xie等[8]發現稻魚系統中, 水稻單作與稻魚共作處理間水稻產量無顯著性差異, 但稻魚共作中的殺蟲劑和化肥施用量分別降低了68%和24%。梁玉剛等[9]研究表明, 在壟作模式和15 cm壟溝水位條件下, 稻魚處理水稻產量較水稻單作降低了29.98%;車陽等[10]則發現, 由于較少的肥料投入, 前者較后者顯著降低了7.11%—7.54%?，F有研究間的分歧為稻魚共作的推廣應用帶來了諸多不確定性。分歧的原因是什么? 稻魚共作的產量效應是否具有年代特征和區域性? 田間基礎條件、水稻品種、肥藥管理等是否會影響稻魚共作的產量效應? 這些問題的答案無法在獨立的田間試驗研究中得到, 需要運用科學的分析方法對全球范圍內的獨立試驗數據進行整合性分析。鑒于此, 本研究通過收集現有的相關田間試驗數據, 運用Meta分析方法, 定量研究全球范圍內稻魚共作對水稻的產量效應, 并探討時間區域、田間條件、水稻品種、肥藥管理、魚苗投放和投喂管理等因素對產量效應的影響程度, 為稻魚共作模式的推廣應用提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本研究基于中國知網、維普及Web of Science、Springer等中英文數據庫, 以“水稻Rice”“魚Fish”“生長Growth”“產量Yield”等及其組合為主題進行文獻檢索。所收集文獻為2021年12月31 日之前國內外公開發表的關于稻魚共作對水稻產量影響的田間試驗研究論文。并基于以下5個標準對所檢索的文獻進行篩選: (1)同一研究中必須包含稻魚共作和水稻單作對照處理; (2)試驗處理的重復數≥3; (3)文中列有相關處理產量的均值及標準差, 或提供了相關處理各重復的產量; (4)試驗地點、田間條件、栽培管理、養殖管理、測產方式等基本信息清晰;(5)補充原文參考文獻中引用但未被檢索到的遺漏文獻。

通過數據直接提取和WebPlotDigitizer軟件提取方式, 提取論文中稻魚共作與水稻單作的產量及標準差、處理重復數及其他相關信息, 共得到水稻產量數據102對用于Meta 分析。匯總數據的時間跨度為1990—2021年, 地理跨度包含了中國、印度、日本、孟加拉國、印度尼西亞等國家。

1.2 效應值計算

本研究采用隨機效應模型評估稻魚共作對水稻的產量效應, 選取反應比(R)的自然對數(lnR)作為Meta分析的效應值[11,12], 來評價稻魚共作對水稻產量的影響。具體的計算公式如下:

式中, lnR為效應值,X t與Xc分別表示稻魚共作與水稻單作處理下水稻的產量均值, 單位為kg/667 m2。

對數反應比的方差計算公式:

式中,St和Sc分別表示稻魚共作與水稻單作處理的產量標準差;nt和nc分別表示稻魚共作與水稻單作處理的樣本數量。

為了便于對結果的解釋, 將計算結果轉化為R(反應比), 再根據下面公式計算增產率Z:

依據轉化數據結果進行分析和討論。

1.3 數據分析

采用Stata軟件進行相關數據分析, 使用Origin軟件作圖。

綜合效應分析一般地, 以綜合效應值的95%置信區間是否包含0來判斷變量的效應。為便于對結果的解釋, 根據增產率與效應值之間的關系,本文以綜合增產率的95%置信區間是否包含0來說明稻魚共作對水稻的產量效應。若其全部大于0,說明稻魚共作對水稻具有顯著的正/增產效應; 若全部小于0, 則具有顯著的負/減產效應; 若區間包含0, 則無顯著的產量效應。

異質性檢驗采用Q檢驗和I2檢驗進行異質性檢驗, 以考察稻魚共作的產量效應是否受其他相關因素影響。若Q檢驗具有統計學意義(P<0.05)或I2>50%, 則提示研究間存在異質性; 反之則不存在異質性。

發表偏倚檢驗采用失安全系數Nfs和剪補法檢驗整個數據庫的發表性偏倚。若Nfs

1.4 分亞組Meta分析

因不同農業生產區的氣候條件、耕作措施差異較大, 且魚苗投放、投喂管理等諸多因素對稻魚共作水稻產量有一定影響。因此, 本研究對已有的數據以多種方式進行分組(表1), 考察不同亞組對稻魚共作水稻產量效應的影響程度, 以尋找更加詳細的異質性信息。

2 結果

2.1 稻魚共作對水稻產量的綜合效應值

研究結果表明(表2), 稻魚共作的水稻增產率達到17.2%, 置信區間為9.4%—25.6%, 顯著高于水稻單作(P<0.001)。異質性檢驗Q值達到顯著水平(P<0.001),I2值達50.76%, 表明各研究間存在一定的異質性, 需要引入解釋變量。通過失安全系數(Nfs)計算可知, Nfs值為1243, 大于5n+10; 且剪補前后稻魚共作對水稻均具有顯著的增產效應, 說明發表偏倚較小, 綜合效應值結果可靠。

表2 稻魚共作對水稻產量的綜合效應值Tab.2 Comprehensive effect size of rice yield under rice-fish culture

2.2 稻魚共作對水稻產量效應的亞組分析

時間區域與田間條件對水稻產量效應分析由表1可見, 試驗區域、氣候類型對水稻產量效應影響的差異顯著(P<0.05), 試驗年份、田溝布局的水稻產量效應差異不顯著(P>0.05)。由圖1可見, 不同試驗年份、國內外區域的產量效應均為正效應,2011年以后試驗年份(12.9%, 3.8%—22.8%)和國外區域(29.4%, 15.7%—44.8%)的顯著且較高, 2010年以前試驗年份和國內區域的不顯著且較低。2種氣候類型的產量效應均為正效應且顯著, 熱帶氣候的較高(36.7%, 21.6%—53.6%)。4種田溝布局的產量效應均為正效應, 但僅有田溝布局為一側(L1)的顯著且最高(34.2%, 16.0%—55.2%), 其余3種田溝布局的不顯著且較低。

圖1 時間區域與田間條件對水稻產量的效應分析Fig.1 Effect analysis of time, region and field conditions on rice yield

水稻品種與肥藥管理對水稻產量效應分析由表1可見, 施肥管理(施肥次數、施肥方式、施肥品種)、施藥與否對水稻產量效應影響的差異顯著(P<0.05), 水稻品種的水稻產量效應差異不顯著(P>0.05)。由圖2可見, 2種水稻品種、施藥與否的產量效應均為正效應且顯著, 但粳稻(22.4%, 1.1%—48.2%)和施藥(56.4%, 28.0%—91.2%)的較高。除施肥3次以外, 其余3種施肥次數的產量效應均為正效應但不顯著; 施肥3次的顯著且產量效應最高(34.6%, 17.8%—53.9%)。3種施肥方式和施肥品種的產量效應均為正效應; 單一追肥(TF)、基肥加追肥(BTF)及施用有機肥與無機肥(OIF)、單一有機肥(OF)的顯著且較高, 單一基肥(BF)和單一無機肥(IF)的不顯著且較低; TF(37.7%, 17.3%—61.5%)和OIF(42.2%, 18.3%—71.0%)的最高。

圖2 水稻品種與肥藥管理對水稻產量的效應分析Fig.2 Effect analysis of rice varieties, management of fertilizer and pesticide on rice yield

表1 數據分組情況及Meta亞組分析結果Tab.1 Data grouping and results of sub-group meta-analysis

魚苗投放與投喂管理對水稻產量效應分析由表1可見, 投苗時間、養殖模式、投苗密度及投喂與否對水稻產量效應影響的差異顯著(P<0.05), 投苗規格及投苗生物量的水稻產量效應差異不顯著(P>0.05)。由圖3可見, 3種投苗時間的產量效應均為正效應, 投苗時間為水稻移栽后21—25d的顯著且最高(38.2%, 16.4%—64.1%), 0—10d、11—20d的不顯著且較低。單養(MC)的產量效應為正效應且顯著并最高(20.70%, 10.00%—32.40%), 立體養殖(VC)的為正效應但不顯著并較低, 混養(PC)的為負效應但不顯著并最低。2種投苗規格和投苗生物量的水稻產量效應均為正效應, 規格為≤40 g/尾(20.9%, 8.0%—35.5%)、生物量為≤30 g/m2(26.8%,12.9%—42.4%)的顯著且較高, 40—70 g/尾、30—65 g/m2的不顯著且較低。投苗密度為≤1 尾/m2的產量效應為正效應且顯著并較高(23.1%, 12.9%—34.2%), 1—5.25 尾/m2的為負效應且不顯著并較低。投喂與否的產量效應均為正效應且顯著, 但未投喂飼料的較高(40.8%, 13.3%—74.9%)。

圖3 魚苗投放與投喂管理對水稻產量的效應分析Fig.3 Effect analysis of fry stocking and feeding management on rice yield

測產方式對水稻產量效應分析由表1可見, 測產方式對水稻產量效應影響的差異不顯著(P>0.05)。由圖4可見, 2種測產方式的產量效應均為正效應且顯著, 實際產量(AY)的產量效應較高(21.2%, 9.7%—34.0%)。

圖4 測產方式對水稻產量的效應分析Fig.4 Effect analysis of yield estimation method on rice yield

3 討論

3.1 稻魚共作的產量效應

本研究結果表明, 稻魚共作的水稻增產率達到17.2%(9.4%—25.6%), 顯著高于水稻單作。稻魚共作增加了稻田有效養分, 促進了水稻對養分的吸收,減少了稻田養分的損失等, 促使水稻產量明顯提高[13,14]。首先, 魚排泄物和未被利用的飼料提高了稻田水體和土壤有效養分, 且其營養物質可被水稻作為肥料再次利用[15]; 其所含的豐富有機質也有利于微生物增殖, 進而促進養分循環和土壤原有養分的活化[16]。其次, 魚在田間活動攪動土壤和水體,增加土壤孔隙度, 減小土壤容重, 促進土壤養分的釋放[17]; 且有利于水稻根系的生長發育, 促進養分吸收。再次, 稻魚共作稻田長期處于淹水狀態, 稻田水層的存在既可減少水體養分流失[18], 亦可增加土壤肥力, 有助于水稻對養分的吸收。最后, 魚的攝食活動減輕了病菌、病蟲對水稻的侵害, 減少水稻的養分和產量損失; 且魚類取食雜草、水生生物及水藻等, 減少了其對土壤和水體養分的吸收, 使更多的養分流向水稻[7], 促進水稻生長。

3.2 影響稻魚共作產量效應的因素

時間區域與田間條件本研究結果表明, 試驗區域、氣候類型的水稻產量效應差異顯著, 而且國外和熱帶氣候區域具有較高且顯著的增產效應。究其原因, 水稻主要生產區域國內主要分布在亞熱帶氣候區域, 國外主要在熱帶氣候區域。由于亞熱帶和熱帶氣候區域的水熱條件不同[19], 造成兩者的產量效應差異。熱帶氣候區域充沛的降水可促進稻田水體的交換, 增加水體溶解氧含量[20], 有利于水稻和魚的生長; 且濕熱的環境有助于土壤微生物的生長和繁殖, 進而增強對有機質和礦物質的分解能力, 釋放的營養元素促進了水稻的生長[21]。本研究結果同時表明, 試驗年份、田溝布局的水稻產量效應差異不顯著; 但2011年以后年份和田溝布局為一側(L1)的具有較高且顯著的增產效應。可能是因為隨著時間推移, 稻魚共作研究和技術體系不斷深入和優化[3], 使得水稻的產量效應逐漸表現為穩定的增產效應。另外, 在稻田養殖魚類時, 大多需要為魚類讓出10%左右的溝坑空間。水稻邊際效應可彌補溝坑占用面積的損失[22]; 且無論季節, 魚類在稻田分布均勻且數量大于溝坑中[23]; 因此采用L1的較小溝坑比例布局, 可促進魚在稻田的分散分布從而強化稻魚共生, 且減少因面積損失造成的水稻減產, 進而形成較好的增產效應。

水稻品種與肥藥管理本研究結果表明, 肥藥管理的水稻產量效應差異顯著; 其中, 施肥3次、單一追肥(TF)、施用有機肥與無機肥(OIF)、施藥具有較高且顯著的增產效應。這是因為水稻移栽前后期具有不同的營養需求[24], 階段性施肥有利于水稻的穩產高產。因此施肥次數較多, 產量效應越明顯; 而施肥4次的產量效應不顯著可能是由數據量較少造成。有研究表明[25], 重施基肥不利于提高水稻產量。本研究發現, TF的增產效應最高, 表明在稻魚共作中, 追肥的作用更應引起重視。另外,稻田施用有機肥與無機肥可有效平衡養分供應, 促進水稻穩產高產[26]。且有機肥是稻魚共作的首選[27],因其對魚類毒害小, 分解緩慢、肥效長, 并通過肥水作用增加水中浮游生物的數量, 有利于魚類的田間覓食, 進而促進水稻生長。因此單一施用有機肥(OF)亦具有較高且顯著的增產效應。同時, 因魚類覓食活動可控制水稻病蟲草害的發生, 稻魚共作在許多情況下農藥的使用量大大減少, 甚至無農藥使用[28]。本研究發現, 即使未施藥, 稻魚共作產量亦顯著高于水稻單作。而在施藥的情況下, 由于稻魚系統對病蟲草害的控制更為嚴格, 水稻產量效應更為明顯?？紤]到施藥可能造成農田生態系統穩定性和持續性降低, 推薦選取未施藥策略開展稻魚共作獲得一定的水稻增產。此外, 不同水稻品種的產量效應差異不顯著且均為顯著的增產效應, 說明秈稻和粳稻均適合稻魚共作栽培。

魚苗投放與投喂管理本研究結果表明, 投苗時間、養殖模式、投苗密度及投喂與否的水稻產量效應差異顯著; 投苗時間為水稻移栽后21—25d、單養、密度≤1 尾/m2、未投喂具有較高且顯著的增產效應。這是因為水稻移栽后20d內投苗不利于稻魚共同生長, 一方面水稻苗處于生長前期, 植株較弱, 容易被魚取食; 另一方面水稻暫未封行, 溝坑中的魚苗易被天敵捕食導致魚的數量減少[29]。在單養條件下, 由于稻田生態系統相對簡單, 稻田水質污染較小, 生物病害發生率較低, 水質調控相對容易[30], 有利于稻魚共同生長。同時, 較高的投苗密度可能會造成生物個體競爭關系, 影響魚類成活率, 不利于發揮魚類對稻田的松土、增溫、增氧作用, 致使水稻產量效應降低。另外, 在未投喂處理下, 魚在饑餓脅迫下會更充分地利用田間自然資源[31],進入稻田覓食的活動頻率和范圍增強, 通過擾動土壤等使養分釋放, 使營養物質更易接觸水稻須根而被高效利用。未投喂處理下的稻魚共作, 在滿足較高的水稻產量外, 也避免了外源餌料投入可能造成的養分流失和面源污染風險[32]。本研究結果同時表明, 投苗規格、投苗生物量的水稻產量效應差異不顯著; 規格≤40 g/尾、投苗生物量≤30 g/m2具有較高且顯著的增產效應。規格70 g/尾以內的魚苗均為小規格苗種, 但規格≤40 g/尾與水稻具有更長的共生期, 兩者共生效應更明顯。有研究表明[32],在75—225 g/m2的較高投苗生物量下, 稻魚共作的水稻產量降低。本研究的投放生物量在65 g/m2以內, 均為低生物量養殖, 但生物量≤30 g/m2的更能減少因魚類養殖生物量較高對水稻造成的減產效應。

測產方式本研究結果表明, 理論產量與實際產量的水稻產量效應差異不顯著且均為顯著的增產效應, 說明測產方式對稻魚共作的水稻產量效應無顯著影響。

4 結論

稻魚共作具有顯著的增產效應, 增產率達到17.2%。不同區域氣候稻魚共作的產量效應差異顯著, 國外和熱帶氣候區域較高, 國內和亞熱帶氣候區域較低。2011年以后年份、田溝布局為一側、水稻品種為粳稻的試驗田中, 稻魚共作的水稻增產率相對較高; 不同測產方式的產量效應差異不顯著。不同肥藥管理稻魚共作的產量效應差異顯著,施肥3次、單一追肥、施用有機肥與無機肥、施藥的產量效應較高; 在保障增產效應的前提下可以適當減少肥料農藥的施用量, 采用有機肥和不施農藥方式以獲取經濟與環境的雙重效益。投苗時間、養殖模式、投苗密度、投喂與否稻魚共作的產量效應差異顯著, 在水稻移栽后21—25d投苗單養, 規格、密度及生物量控制在40 g/尾、1 尾/m2和30 g/m2以內, 不投喂飼料更能發揮稻魚共作的增產效應。

本研究通過Meta分析方法定量分析了稻魚共作的水稻產量效應, 分析結果在一定程度上證明了稻魚共作具有顯著的增產效應, 與前人的多數研究結果一致。但本研究也存在一定的局限性。由于Meta分析嚴格的文獻篩選標準, 已有文獻或數據描述不詳實, 或無重復試驗數據, 致使本研究納入的文獻數量較有限。且亞組分析每次只處理一個異質性因素, 由于樣本量等原因, 本研究未同時對多因素進行探討。另外, 稻魚共作的增產效應受到本研究以外其他各種因素的影響, 例如水稻種植方式、密度、株行距和共生水位等, 由于數據量較少等原因而未被本研究討論。盡管如此, 本研究所得結論與實際生產基本相符, 對稻魚共作產業發展具有一定的參考價值。