2017, Vol. 25
2. 长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心 荆州 434025
2. Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry, Yangtze University, Jingzhou 434025, China
当前, 我国农业正面临人均耕地面积减少、资源与环境约束加剧、保证粮食安全和农民增收难度越来越大等难题。近年来, 湖北省潜江市创新发展出的“稻虾共作”[水稻(Oryza sativa)与克氏原螯虾(小龙虾, Procambarus clarkia)共作]生态种养高效模式, 被农业部誉为“现代农业发展的成功典范, 现代农业的一次革命”[1]。该模式的综合效益主要体现在农业增效上, 实现了“一水两用、一田双收、稳粮增收、一举多赢”, 有效提高了农田资源利用率和产出效益, 拓展了发展空间, 促进了传统农业的改造升级。然而, 一方面, 克氏原螯虾是甲壳类中分布最广的外来入侵物种; 另一方面, 大面积耕作改制会带来一定环境效应。为了科学地推进“稻虾共作”模式的发展和应用, 本文拟从产业调查着手, 结合试验示范、定位试验研究, 分析“稻虾共作”模式的“双刃性”, 为保证“稻虾共作”技术模式的合理规范应用和可持续发展提供依据。
1 稻虾共作模式的特点稻虾共作属于一种稻田种养结合的生态农业模式, 即在稻田中养殖小龙虾并种植水稻, 在水稻种植期间, 小龙虾与水稻在稻田中互利共生。2001年, 湖北省潜江市农民率先探索出稻田养殖小龙虾的“稻虾连作”模式, 即通过在稻田开挖简易围沟的方式放养小龙虾, 每年可收获“一稻一虾”。经过近10年的发展和研究, 针对1年只能收获1季虾, 且养虾时间和种稻时间冲突, 插秧季节小龙虾生长规格不达标等问题, 科研工作者和农户对该养殖模式进行了改进和完善, 提出了“稻虾共作”的养殖模式。
所谓稻虾共作是指稻田全年种植1季中稻, 养殖2季虾的种养结合生态高效模式。稻沟由原来的1 m宽、0.8 m深的小沟, 改挖成4 m宽、1.5 m深的养殖沟(图 1), 水稻生长期间田沟相通, 稻虾共生, 部分时间(晒田、收获等)水稻田内搁干, 小龙虾回到养殖沟, 每年的8—9月水稻收割前投放亲虾, 或9—10月水稻收割后投放幼虾, 第2年的4月中旬—5月下旬收获成虾, 同时补投幼虾, 5月底6月初整田、插秧, 8月、9月收获亲虾或商品虾, 如此循环轮替(图 2)。这种模式有效提高了稻田的综合利用率, 每公顷田可多产750 kg左右的成虾, 解决了秋季无商品成虾产出的问题, 并保证了成虾的质量和规格。
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图 1 稻虾共作田间工程示意图 Figure 1 Field layout of rice-crayfish culture system |
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图 2 稻虾共作模式示意图 Figure 2 Diagram for rice-crayfish culture system |
小龙虾养殖最大区域主要集中在长江中下游地区, 以湖北、江苏、安徽为主。湖北主要以稻虾共作模式为主, 江苏则以虾蟹混养、鱼虾混养等模式为主。
稻虾共作模式中, 使用无公害农药, 且使用次数比常规稻田要少, 生产的稻米是一种接近天然的生态稻; 水稻生长过程中稻田的微生物及害虫为小龙虾提供了充足的饵料, 小龙虾产生的排泄物又为水稻生长提供了良好的生物肥, 形成了一种优势互补的生物链, 使生态环境得到改善, 实现生态增值。该模式提高了土地和水资源的利用率和小龙虾的产量、规格, 同时改善了稻米的品质[2]。小龙虾产量1 500 kg·hm-2左右, 按规格不同, 小龙虾收购价为7.5~15 ¥·kg-1, 小龙虾收益4.5×104~9.0×104¥·hm-2; 水稻售价3.8 ¥·kg-1, 产量9 t·hm-2, 产值达3.42×104 ¥·hm-2; 一年稻虾总产值达7.5×104~1.2×105 ¥·hm-2。
由于稻虾共作模式效益好, 促使全国“稻虾”面积迅速扩大, 根据全国水产技术推广总站2016年发布的中国小龙虾产业发展报告[3], 全国小龙虾养殖面积超过6×105 hm2, 其中稻虾综合种养模式占70%, 面积约4.2×105 hm2, 且面积还在快速增长之中。湖北省潜江市是长江中下游稻区稻虾综合种养模式的发源地, 2010年潜江市稻虾共作面积不过667 hm2, 2013年增加10倍左右, 2016年底, 增加到2.11×104 hm2。湖北省监利县, 2016年稻虾综合种养面积超过1.0×104 hm2, 2017年达3.3×104 hm2, 而监利县可进行小龙虾养殖的稻田估算在6.7×104 hm2以上(图 3)。
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图 3 湖北省及重点县市稻虾共作面积变化 Figure 3 Changes of areas of rice-crayfish culture in Hubei Province and typical city (county) |
全国适宜稻虾综合种养的稻田面积占现有稻田面积的15%左右。而国家统计局2016年的数据显示[4], 当年全国水稻播种面积达3.02×107hm2, 按照15%的比例计算, 适合稻虾综合种养的稻田面积高达4.5×106 hm2。
3 稻虾共作的生态效应及“双刃性” 3.1 稳粮增效与重虾轻稻稻虾综合种养效益的增加, 提高了农民种植水稻的积极性。从潜江的情况看, 稻田总面积年年创新高, 从2010年到2017年稻虾综合种养的稻田面积增加了45倍左右(图 3)。从表 1可以看出, 尽管稻虾共作模式中, 种植水稻的面积减少(养殖沟面积占8%), 但稻田总面积和单产并未减少, 稻虾共作模式水稻产量比传统水稻种植模式增加4.63%~ 14.01%(表 1)。
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表1 不同稻虾处理模式对水稻产量及品质的影响 Table 1 Effect of different treatments of rice-crayfish culture on rice yield and quality |
同时稻虾共作模式显著降低了稻米的垩白粒率和垩白度, 改善了稻米的外观品质。此外, 稻虾共作模式中小龙虾的排泄物和残存的虾饵料可以增加土壤肥力, 小龙虾取食稻田杂草和虫子, 可在一定程度上防除杂草和降低虫害, 具有减少化肥农药使用、降低稻米化肥农药残留风险的作用, 可显著提高稻米的市场价值。
实际生产中, 由于小龙虾的效益是水稻的2~3倍, 且水稻生产过程中播种、施肥、灌水、收获、储运等田间管理措施相对复杂, 比较效益更不及小龙虾, 导致经营者不愿意种植水稻。从湖北省监利县的情况看, 2014年以来稻虾综合种养面积增加了10倍左右(图 3), 而水稻种植面积反而有所下降, 利用稻田养虾却不种植水稻的现象也较普遍。考虑到水稻可为小龙虾提供庇护所和食物, 有利于小龙虾生长, 经营者种植水稻主要是为了提高虾的产量, 对水稻生产并无特别关注和投入, 致使一些稻虾综合种养田水稻产量和品质下降。图 4是2016年湖北省20个稻虾共作生产示范点水稻单产采样测产结果, 平均产量为6.4 t·hm-2, 远低于湖北省水稻平均单产, 最高单产虽达到11.3 t·hm-2, 但50%的样点单产低于6.0 t·hm-2, 而产量最低的只有2.3 t·hm-2。这种重虾轻稻、虾强稻弱现象也使稻虾共作模式失去了稻虾共生、稳粮增效的意义。
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图 4 2016年湖北省稻虾共作田不同水稻品种产量差异 Figure 4 Yields of different rice varieties in rice-crayfish culture field in 2016 in Hubei Province |
稻虾共作适合在地下水位高的低湖田、落河田, 要求养殖沟常年有水, 且水资源充足。低湖田、涝渍地由于常年淹水、地下水位较高, 往往造成稻田土壤次生潜育化, 成为冷浸田、烂泥田。不同养虾年限的稻田土壤活性有机碳含量变化较大, 其中易氧化态碳含量高于常规水稻单作田, 水溶性有机碳含量则低于常规水稻单作田; 稻虾共作还可以增加土壤营养物质, 如全氮、全磷、全钾的含量(表 2), 有效改善土壤肥力。其主要原因在于小龙虾在稻田的活动, 如取食、排泄、打洞等, 以及养虾对于土壤微生物群落和功能多样性的影响[5-6]。
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表2 稻虾共作与水稻单作土壤活性有机碳库和营养物质含量 Table 2 Soil labile organic carbon pool and nutrients contents of rice-crayfish culture and conventional rice culture |
稻虾共作对稻田土壤存在一些不良的影响, 对地下水位不高的优质稻田土壤影响更为明显。图 5显示稻虾共作对稻田土壤剖面结构及理化特性的影响, 稻虾共作田土壤颜色偏暗, 根系密度增高, 土壤结构更为紧密、潜育化明显; 而稻虾共作土壤脲酶活性和过氧化氢酶活性均低于常规水稻单作(图 6)。
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图 5 稻虾共作田与水稻单作田的土壤剖面 Figure 5 Soil profiles of rice-crayfish culture and conventional rice culture RC5、RC2和R分别为稻虾共作5年、2年和0年(水稻单作)。 RC5 and RC2 mean rice-crayfish culture for 5 and 2 years of rice-crayfish culture. R means conventional rice culture. |
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图 6 稻虾共作与水稻单作的土壤脲酶(A)和过氧化氢酶(B)活性 Figure 6 Activities of soil urease (A) and hydrogen peroxidase (B) of rice-crayfish field and conventional rice field RC10、RC5、RC2和R分别为稻虾共作10年、5年、2年和0年(水稻单作)。 RC10, RC5 and RC2 mean rice-crayfish culture for 10, 5 and 2 years of rice-crayfish culture. R means conventional rice culture. |
传统稻田水分循环是开放式的, 稻田保持一定水层, 分蘖后期、成熟期排水晒田, 平时水多即排、水少即灌(图 7), 水分利用率不高; 稻虾共作稻田养殖沟周年蓄水, 与田面水沟通, 整体储水功能增强, 沟渠联通、排蓄结合, 水分循环是封闭式的, 水稻生产所需的排水和灌水主要来自养殖沟。地下水位高的低湖田、落河田实行稻田种养, 水分利用率提高; 地下水位低的灌溉稻田、丘陵岗地的垄田、山垅田实行稻田种养, 有利于稻田蓄水、提高水分利用效率, 一些丘陵地区采用稻虾共作, 每公顷稻田蓄水量可增加3 000 m3, 大大增强了抗旱能力[7]。研究表明, 地下水位低的高磅地、砂壤土、漏水田、滩涂地等实行稻虾共作会增加水分消耗, 地下水位低的灌溉稻田增加耗水量50%~80%, 一些水源不充足的丘陵岗地不宜实施稻虾共作。沟渠、水网不完善的稻田养殖系统水分利用率也会下降。同时, 大面积的田间养殖工程系统, 则会影响区域水文循环和水分利用, 这种影响不容忽视[8]。
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图 7 稻虾共作系统与水稻单作系统的水循环 Figure 7 Water cycle of rice-crayfish culture and conventional rice culture |
稻虾共作要求水体透明度在30~40 cm左右, 水体过肥可导致纤毛虫大量繁殖和生长, 危害小龙虾的生长。稻田动物的活动及其新陈代谢影响水体的溶氧量和养分, 稻-鱼和稻-鸭模式的稻田水体溶解氧含量分别比水稻单作增加56.0%和54.0%[9]。稻虾共作的生态种养模式, 也减少了农药化肥的施用量, 减轻了由于重施农药化肥造成的农田环境污染。图 8表明稻虾共作与水稻单作总的生产成本相近, 为1.8×104~2.1×104¥·hm-2, 稻虾共作模式成本中占比重较高的是虾苗和饲料, 水稻单作成本中占比重较高的是肥料和农药, 稻虾共作模式肥料成本降低79.5%, 农药成本降低50.0%。
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图 8 稻虾共作与水稻单作的成本投入 Figure 8 Cost inputs of rice-crayfish culture and conventional rice culture |
但实际生产中, 由于秸秆还田和饲料的投入, 稻虾共作田田面水的全氮和全磷含量及硝态氮、氨态氮含量都高于水稻单作田(图 9), 实际生产中农民比较重视虾的产量, 往往投放较多的饲料, 所以稻虾共作有利于提高水体养分含量[10], 但同时也增加了水体富营养化的风险。
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图 9 稻虾共作与水稻单作田面水中养分含量 Figure 9 Nutrients concentrations in surface water of rice-crayfish field and conventional rice field |
稻虾共作对稻田病虫草害有较大影响。表 3表明, 随着稻虾共作年限的延长, 虫害明显减少, 稻飞虱(Nilaparvata lugens)、二化螟(Chilo suppressalis)、稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medinalis)等得到控制(表 3), 特别是对二化螟的控制, 主要是稻虾共作田冬季处于淹水状态, 冬后二化螟幼虫基数为0(表 4)。但是, 从表 3也看到, 随着稻虾共作年限的延长, 水稻茎基腐病显著加重, 强润等[11]研究也表明稻虾模式水稻纹枯病、稻瘟病病情指数提高。
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表3 不同年限稻虾共作稻田病虫害发生情况 Table 3 Pests and diseases occurrence in rice-crayfish fields cultured for different years |
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表4 稻虾共作田和水稻单作田二化螟幼虫越冬基数 Table 4 Over-wintering cardinal larvae numbers of Chilo suppressalis in rice-crayfish field and conventional rice field |
稻虾共作对田间杂草的控制效果也不能高估。从调查结果看, 养虾后稻田杂草总量减少(图 10), 但随着养虾年限延长, 部分杂草数量迅速回升, 如千金子(Euphorbia lathyris)、稗草(Echinochloa crusgalli)和莎草(Cyperus rotundus)等。稻虾共作可部分控制通泉草(Mazus japonicus)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)和鳢肠(Eclipta prostrata)等杂草。
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图 10 稻虾共作田杂草数量随共作年限的变化 Figure 10 Change of weeds quantities in rice-crayfish field with years |
稻虾共作模式, 一方面引入入侵生物小龙虾, 改变了食物营养关系; 另一方面改变田间结构、耕作制度及田间管理方式, 因此会对稻田病虫草及生物多样性产生影响。研究结果表明, 传统水稻单作稻田保持较高的生物多样性, 实施稻虾共作后, 由于田间工程的开挖, 使稻田生物多样性下降, 4年以后才能逐步回升(图 11)。稻田昆虫受栽培模式影响较小, 田间工程实施1年后即开始恢复(表 5); 昆虫总数均随稻虾年限呈先降后升的趋势; 中性昆虫数量最多, 植食性昆虫次之, 寄生性昆虫最少; 稻虾共作多年后保持较高的天敌数量, 如蜘蛛(表 3), 但稻田杂草回升也较快(图 10), 特别是在直播条件下, 部分恶性杂草会成为优势种。
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图 11 稻虾共作系统物种丰富度的变化 Figure 11 Change of species richness in rice-crayfish culture system |
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表5 稻虾共作田和水稻单作田昆虫数量 Table 5 Insects numbers in rice-crayfish field and conventional rice field |
综上所述, 我国稻虾共作模式迅猛发展, 而全国适合稻虾共作的稻田潜力巨大, 可达4.5×106 hm2。同时, 研究结果表明, 合理规范的稻虾共作, 对稳粮增效、农民增收、绿色发展有重要意义; 但盲目发展、不规范的管理也会带来一些负面影响。为了促进稻虾共作模式的可持续发展, 须优化技术模式。
(1) 因地制宜, 避免盲目发展。研究和明确稻虾共作的最适稻田条件, 规范发展条件及标准, 如地下水位、土壤类型、水资源供给条件和水质环境等。稻虾共作应选择在阳光充足, 生态环境良好, 水源充足、远离污染, 水质清澈、排灌方便的田块进行。地下水位低、砂性土壤、不保水的漏水田, 水资源不充足的田块不适合进行稻虾共作。
(2) 研究标准, 规范化发展。主要从优质稻品种标准、稻田田间工程建设、稻田全年水分调控技术、小龙虾投食和水稻有机耦合肥料运筹技术、小龙虾健康生态养殖技术和稻田绿色防控技术等6个方面进行关键技术的标准化和规范化, 生产出优质安全的生态稻虾产品。
(3) 优化模式, 科学水肥调控。研究稻虾共生关系, 明确稻虾系统氮磷等营养物质循环规律, 避免过量投入饵料及化肥, 充分发挥其互利共生关系, 保证系统物质循环利用。一方面, 秸秆全量还田, 减少秋冬饵料投入; 另一方面, 早春适量种草, 春夏适量投入饵料, 减少化肥投入; 再者注意科学管水, 以水调肥、水肥耦合, 保证水质优良、小龙虾健康。
(4) 因势利导, 防治病虫草害。研究稻虾共作田生物多样性, 保证其相生相克、互利共生, 明确稻虾共作系统病虫草害的发生规律。生物多样性是系统平衡、防治病虫草害的基础, 一方面, 早春在养殖沟、田埂种草, 保持其优势种群, 如苦草(Vallisneria natans)、轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum), 水稻种植前进行稻田除草; 另一方面, 利用生物多样性、农艺措施及物理措施综合防治病虫害。
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