懷燕 王岳鈞 陳葉平 秦葉波

（浙江省種植業(yè)管理局，杭州310020；第一作者：592778787@qq.com）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)肥料的利用大大提高了生產(chǎn)力，隨之而來也產(chǎn)生了資源過度使用、環(huán)境破壞等問題。水稻是我國主要的糧食作物，目前我國水稻平均氮肥施用量為180 kg/hm2，比世界水稻氮肥平均施用量高出75%[1]，氮肥平均農(nóng)學(xué)利用率（單位施氮量增加的產(chǎn)量）不足12 kg/kg，不到發(fā)達國家的一半[2]。因此，提高水稻生產(chǎn)的肥料利用率，減少化學(xué)肥料的使用是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中迫切需要解決的問題。在復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，生物之間存在相互作用，當(dāng)一種子系統(tǒng)的輸出物剛好可以作為另一子系統(tǒng)的輸入物時，協(xié)同增效效應(yīng)就會發(fā)生[3]，化肥等資源的利用率也相應(yīng)提高。稻田綜合種養(yǎng)是一種傳統(tǒng)的將植物種植和動物養(yǎng)殖相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)。大量的試驗研究表明，稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)能優(yōu)化養(yǎng)分的循環(huán)、吸收和利用，大大減少水稻化肥的施用。本文綜述了我國稻田綜合種養(yǎng)模式的化肥減量效應(yīng)及機理，以期對稻田綜合種養(yǎng)的進一步推廣提供借鑒。

1 稻田綜合種養(yǎng)的化肥減量效應(yīng)

稻田綜合種養(yǎng)可以減少化肥的應(yīng)用，提高土地生產(chǎn)力。浙江大學(xué)陳欣教授研究小組對“稻魚共生系統(tǒng)”進行了長期試驗研究，發(fā)現(xiàn)稻魚共生系統(tǒng)中水稻產(chǎn)量和水稻單作沒有顯著差異的情況下,稻魚共生系統(tǒng)對化肥需求減少了24%[4]。陳飛星等[5]對稻田養(yǎng)蟹的環(huán)境效益分析表明，稻蟹共生的水稻化肥施用量一般比單作稻田要少63.75 kg/hm2（純N）。胡亮亮[6]對分布于13個水稻主產(chǎn)省（市）的5種重要稻漁模式的研究表明，稻漁模式在平均比水稻單作產(chǎn)量增加2.98%的情況下，肥料投入量平均減少26.52%，其中，稻魚模式減少30.85%，稻鰍模式減少24.83%，稻蝦模式減少23.22%，稻蟹模式減少23.93%，稻鱉模式減少32.27%。

由于稻田綜合種養(yǎng)對化肥和農(nóng)藥的依賴度較低，也常常作為有機生產(chǎn)模式。張苗苗等[7]的研究表明，有機稻田養(yǎng)鴨，在水稻移栽前施用適量有機肥，有機稻鴨共作稻田土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分指標(biāo)在整個水稻生長期基本能維持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可以滿足水稻各個生育期的生長需要。在幼穗分化期速效鉀含量高于常規(guī)稻田，在成熟期堿解氮、速效磷和速效鉀含量都遠高于常規(guī)稻田。位于浙江德清的稻鱉共生實施區(qū)，連續(xù)5年不施用化學(xué)肥料，利用鱉池多年沉積的有機營養(yǎng)物質(zhì)和當(dāng)季成鱉排泄物及飼料殘余，基本能滿足水稻一生的營養(yǎng)需要，示范方水稻產(chǎn)量穩(wěn)定在7 500～8 250 kg/hm2[8]。

2 稻田綜合種養(yǎng)模式化肥減量效應(yīng)的作用機理

稻田綜合種養(yǎng)模式在稻田中引進了新的物種，稻田生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，養(yǎng)分的循環(huán)也發(fā)生變化，這使得稻田的化肥減量變得可能。關(guān)于稻田綜合種養(yǎng)化肥減量的機理有以下幾方面的解釋：稻田綜合種養(yǎng)直接增加了稻田有效養(yǎng)分，促進了水稻對養(yǎng)分的吸收、減少了稻田養(yǎng)分的損失、減少了其他生物的取食等，在這幾方面的綜合作用下，稻田的化肥施用量大大減少。

2.1 增加稻田有效養(yǎng)分

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，氮素的輸入主要有大氣氮沉降、肥料氮素、動植物殘體、生物固氮等。稻田綜合種養(yǎng)中養(yǎng)殖動物的日?；顒优c排泄等行為使系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)氮的投入與產(chǎn)出也發(fā)生改變。在稻田綜合種養(yǎng)模式中，氮輸入除靠化學(xué)肥料和灌溉水外，養(yǎng)殖動物以飼料、雜草等為食物，通過糞便排泄到稻田中，將環(huán)境中原本不易被水稻吸收利用的氮形式轉(zhuǎn)變成易于被水稻吸收利用的有效氮形式，提高了氮素的利用效率。對稻魚共生的研究表明，魚飼料轉(zhuǎn)化率（攝食/增重）介于1.48～2.59之間[9-10]，表明飼料被魚吸收后，有相當(dāng)大部分排泄到了環(huán)境中，魚排泄物中的氮大部分以銨離子的形態(tài)存在，而銨離子是水稻的主要氮攝入形式[11-13]。陳飛星等[6]研究表明，養(yǎng)蟹需要人工投餌，河蟹攝食后把物質(zhì)和能量利用起來，增加了土壤的養(yǎng)分含量，提高了土壤的肥力，稻田養(yǎng)蟹與水稻單作相比，土壤的養(yǎng)分含量均有不同程度的增加，其中，速效磷增加11.7%，全氮增加10.6%，有機質(zhì)增加10.5%，全鉀基本不變，而堿解氮、全磷和速效鉀則分別增加3.3%、5.8%和3.5%。同樣，對稻鴨共作系統(tǒng)的研究表明，在氮素輸入方面，稻鴨共作系統(tǒng)以鴨糞的形式增加13.2 kg/hm2的氮素投入，田間施氮量比常規(guī)栽培減少12.8 kg/hm214]。水稻能吸收利用系統(tǒng)中未被利用飼料中的氮和磷[4，15]。謝堅[16]的研究表明，稻魚系統(tǒng)中水稻31.84%的氮素來自未被魚利用的飼料，從而提高了飼料中氮素的利用效率。胡亮亮[7]用15N同位素示蹤結(jié)果顯示，飼料中的氮素，被魚、鱉和蟹利用的部分分別占18.33%、13.02%和35.13%，水稻的吸收利用使系統(tǒng)對飼料氮利用率分別增加了9.71%（稻魚）、42.00%（稻鱉）和7.57%（稻蟹）。Zhang等[17]試驗也表明，在鱉單作系統(tǒng)中，鱉僅用掉了投喂飼料中20.4%的氮和22.8%的磷，飼料中大量的氮和磷被留在環(huán)境中，然而在稻鱉共生系統(tǒng)中，未被鱉利用的飼料中的氮和磷被水稻所吸收。

2.2 促進養(yǎng)分吸收

稻田水體和土壤理化性狀影響水稻對養(yǎng)分的吸收和利用。稻田綜合種養(yǎng)中，水體和土壤理化性狀明顯改善，從而促進了稻田養(yǎng)分的活化，促進了水稻對養(yǎng)分的吸收。養(yǎng)魚稻田水中溶氧量明顯高于一般水稻田，溶氧量增加，既有利于魚的生長，又改善了田間土壤的通氣狀況，有利于水稻根系的生長發(fā)育，促進了養(yǎng)分吸收[18]；稻田養(yǎng)魚可以改善稻田耕作層土壤理化性質(zhì)，與對照相比，養(yǎng)魚田土壤容重減少15.15%，總孔隙度增加14.64%[19]。長期稻蝦共作模式提高了0～40 cm土層中＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑，改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進了水稻對養(yǎng)分的吸收，提高了水稻產(chǎn)量以及經(jīng)濟效益[20]。在稻鴨共生系統(tǒng)中，土壤的物理性狀也得到一定程度的改善，土壤容重降低0.01 g/cm3，＞0.25 mm團聚體增加2.65%～3.12%，土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)增加2.56%～6.63%。同時，稻田土壤氧化還原狀況也得到了明顯改善[21]。由于土壤肥力的提高以及土壤通氣狀況的改善，稻鴨共作極顯著提高了水稻的總吸氮量，比常規(guī)稻作高17.8%[22]。

2.3 減少養(yǎng)分損失

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素損失途徑主要有氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗和徑流[23]。稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)由于養(yǎng)殖動物的存在，改變了養(yǎng)分的循環(huán)，減少了養(yǎng)分的損失。

氨揮發(fā)是稻田氮肥損失的主要途徑之一。水田施用尿素、碳酸氫銨等化肥，氨揮發(fā)的損失量通常占其施用量的9%～40%[24-25]。氨揮發(fā)不僅造成氮肥利用率降低，而且，氨揮發(fā)至大氣與酸性物質(zhì)結(jié)合會導(dǎo)致酸雨、地下水富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[26]。稻田中氨的揮發(fā)與田面水的pH值相關(guān)，降低田面水中的pH值能減少氨的揮發(fā)損失[23]。Frei等[27]報道，由于魚類食草等，導(dǎo)致稻田的光合作用下降，因此原本該類生物光合活動所需的CO2被保留，魚的存在導(dǎo)致平均pH值水平下降，從而使NH3揮發(fā)降低。Yuan等[28]研究表明，與水稻單作相比，稻鴨和稻魚共作系統(tǒng)中通過NH3揮發(fā)流失的氮顯著減少，稻田中養(yǎng)鴨和養(yǎng)魚可以減少氮的損失，提高氮肥利用率。楊亞男等[29]研究指出，水稻立體種養(yǎng)模式（水稻、魚、蝦、蟹共作），氮肥（純N）減少32%的情況下，稻田養(yǎng)殖和水稻常規(guī)種植氨累積揮發(fā)量分別為8.91 kg（N）/hm2和 21.54 kg（N）/hm2，稻田養(yǎng)殖氨揮發(fā)速率為6.90%，比對照低8.50%，而水稻產(chǎn)量增加6.65%；稻田養(yǎng)殖的氮素利用率為64.30%，比對照高19.70%，既實現(xiàn)了水稻豐產(chǎn)，又減少了氮素流失。

稻田土壤中的硝化和反硝化作用，其中間產(chǎn)物可被水溶解，形成的N2O等，自土壤內(nèi)逸出，成為土壤氮素損失的基本途徑之一。Datta等[30]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)稻作相比，稻魚系統(tǒng)N2O排放量降低；雖然稻鴨系統(tǒng)的總氮流失量顯著低于水稻單作，但N2O排放量卻有所增加。通常在淹水條件下，水稻通過自身植株通氣組織從地上部運輸?shù)礁坎⑨尫诺礁抵車寥乐械腛2較少，土壤硝化作用被強烈抑制，在稻鴨生態(tài)種養(yǎng)復(fù)合系統(tǒng)中，鴨子的活動使稻田土壤透氣性增強，氧化還原電位升高，土壤硝化作用增強，硝態(tài)氮含量增加，在刺激了水稻對氮素的吸收與利用的同時也增加了土壤N2O排放量[31]。

氮素的淋洗損失是指土壤中的氮隨水向下移動至根系活動層以下從而不能被作物根系吸收所造成的氮素損失。李成芳等[32]研究表明，相對于常規(guī)稻作處理，稻鴨、稻魚共作時田面水的pH值、NH4+-N含量和TN（總氮）含量顯著增加，滲漏水的NO3--N和TN含量降低，而滲漏水NH4+-N無明顯變化。稻鴨與稻魚的肥料氮潛在淋失率分別為2.72%和2.58%，比常規(guī)稻作處理低2.99%，表明稻鴨、稻魚共作可以減少施入氮肥潛在的下滲淋失，同時稻魚共作減少氮肥淋失的效果好于稻鴨共作。余翔等[14]研究認為，稻鴨共作生態(tài)系統(tǒng)在氮素輸出方面，比常規(guī)栽培減少了19.3 kg/hm2的氮素徑流損失和1.2 kg/hm2的氮素滲漏損失，增加了約9.3 kg/hm2的水稻吸氮量。然而，楊亞男等[29]研究卻認為，魚蝦蟹的活動增強了土壤通氣性能，有利于NH4+-N經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，使田面水NO3--N含量升高，側(cè)滲到田埂的含量也相對較高。這可能與不同地域、氣候、降雨、水稻種植模式以及田埂年限有關(guān)，還需進一步研究。

2.4 減少其他生物對養(yǎng)分的吸收

在稻魚、稻鱉、稻蝦、稻鴨等共作系統(tǒng)中，紋枯病、稻瘟病、稻曲病等病害的發(fā)生均較水稻單作輕[4，33-36]，稻飛虱、稻縱卷葉螟等危害也減輕[37-39]，養(yǎng)殖動物減輕了病菌、病蟲對水稻的侵害，挽回了水稻的養(yǎng)分和產(chǎn)量損失；同時，養(yǎng)殖動物直接取食雜草、水生生物及水藻等，并游動引起水渾濁，從而抑制了雜草等的生長[40-42]，減少了雜草和其他生物對土壤和水體養(yǎng)分的吸收，使更多的養(yǎng)分流向目標(biāo)生物[43-44]。

3 展望

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)往往依賴化肥等資源的高投入來獲得高產(chǎn)出，然而，當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要矛盾已從供應(yīng)總量不足轉(zhuǎn)變?yōu)楣┣蟛黄胶?、?yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品缺乏的矛盾。尤其在水稻生產(chǎn)中，如何轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，加快資源節(jié)約型綠色生產(chǎn)技術(shù)的推廣，推進綠色優(yōu)質(zhì)稻米的供給是當(dāng)務(wù)之急。2015年，農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出要大力推進化肥減量提效，積極探索產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。稻田綜合種養(yǎng)是一條實現(xiàn)水稻化肥減量、農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的較好技術(shù)途徑，它是一種傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，在我國有著悠久的歷史，雖然這種模式早就被農(nóng)民應(yīng)用，但種養(yǎng)技術(shù)及其機理一直沒有進行深入的研究。最近十幾年，在水稻生產(chǎn)面臨轉(zhuǎn)型升級的新形勢下，稻田綜合種養(yǎng)開始向?qū)I(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，相關(guān)的研究也開始興起。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式只有與現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，才能煥發(fā)新的生命力。當(dāng)前，要利用稻田綜合種養(yǎng)模式推進化肥減量，實現(xiàn)綠色高效生產(chǎn)，還有很多方面值得探討。

3.1 稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)碳氮循環(huán)研究

碳氮循環(huán)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最基本的生態(tài)過程，稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)由于養(yǎng)殖動物在時間和空間上生態(tài)位的增加，使稻作系統(tǒng)碳氮循環(huán)更加優(yōu)化、更具可控性。目前，對于稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)氮素平衡、氮素利用等方面都有開展研究，但對于各種稻田綜合種養(yǎng)模式碳氮循環(huán)的系統(tǒng)研究還有所欠缺。碳氮循環(huán)的研究將有助于更好地理解稻田綜合種養(yǎng)模式化肥減量的機理，更科學(xué)地解決稻田氮素投入量大而利用效率低的問題。同時，依據(jù)稻田碳氮循環(huán)的研究，開展生物肥料、緩效肥料和有機肥料等的應(yīng)用技術(shù)，來減少稻田生態(tài)系統(tǒng)對化學(xué)氮的過度依賴、維持稻作系統(tǒng)的生態(tài)健康，構(gòu)建高效的農(nóng)田物質(zhì)循環(huán)途徑，才能充分發(fā)揮生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的功能效應(yīng)。

3.2 稻田綜合種養(yǎng)有機生產(chǎn)模式研究

有機農(nóng)業(yè)是一種完全或基本不用人工合成的化肥、農(nóng)藥、生長調(diào)節(jié)劑和牲畜飼料添加劑的生產(chǎn)制度。有不少地區(qū)農(nóng)戶利用稻田綜合種養(yǎng)模式進行有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，解決稻米污染、品質(zhì)下降等問題，同時降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的影響。然而，在稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)中是否可以長期不施用化學(xué)肥料，僅依靠養(yǎng)殖動物排泄物等來維持水稻營養(yǎng)生長所需？浙江德清稻鱉共生系統(tǒng)，稻田連續(xù)5年不施用肥料后，部分稻麥二熟種植后的田塊出現(xiàn)了落黃現(xiàn)象，影響了水稻產(chǎn)量[9]。因此，如何在不施用化學(xué)肥料的情況下，長期維持稻田土壤肥力，實現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)有機生產(chǎn)，還需開展進一步研究。

3.3 稻田綜合種養(yǎng)模式對稻米品質(zhì)影響的研究

稻米品質(zhì)主要受水稻品種基因型、稻田生態(tài)環(huán)境和田間管理技術(shù)或模式等的影響。以稻田生態(tài)環(huán)境為例，溫度會影響稻米品質(zhì)的形成，灌漿結(jié)實期高溫會導(dǎo)致稻米品質(zhì)下降；就水稻田間管理而言，增加氮肥用量會增加堊白粒率和堊白度，當(dāng)?shù)视昧窟^大或者氮肥追肥比例增大，不利于稻米品質(zhì)的改善，尤其會降低食味品質(zhì)[45]。有研究表明，各生態(tài)種養(yǎng)模式均能顯著降低稻米堊白粒率、堊白度，降低直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量，同時提高堿消值，生態(tài)種養(yǎng)模式能改善稻米品質(zhì)[46]。然而，在稻田生態(tài)環(huán)境中，由養(yǎng)殖動物帶來的肥料、溫度、水分等各個因子的變化對稻米品質(zhì)形成的影響還需要深入研究，以便改進田間管理，優(yōu)化種養(yǎng)模式，為水稻的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供更好的技術(shù)途徑。

3.4 稻田綜合種養(yǎng)模式專用品種篩選和培育

目前，稻田綜合種養(yǎng)模式中的水稻品種往往是當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)稻作應(yīng)用品種。但在稻田綜合種養(yǎng)模式中，水稻的所處環(huán)境條件和常規(guī)稻作有所不同，如大部分種養(yǎng)模式中水稻在深淹水的狀態(tài)下更多，根系扎得不深，需要耐淹水、抗倒伏品種。此外，由于養(yǎng)殖生物需要空間，緊湊株型的水稻更為適宜；由于肥料、農(nóng)藥等的使用量大大減少，需肥量適當(dāng)、抗性強的品種更適宜。因此，在以后的研究中，應(yīng)專門針對養(yǎng)殖稻田的生態(tài)特征，篩選和培育專用水稻品種，以促進稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)穩(wěn)步發(fā)展。