不同稻作模式下农田生态环境效应研究

杨海龙， 封志明， 吕 耀

(1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2．中国进出口银行，北京 100031)



不同稻作模式下农田生态环境效应研究

杨海龙1， 封志明1， 吕 耀2

(1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2．中国进出口银行，北京 100031)

高投入-高产出的现代化农业模式，在带来粮食增产的同时也付出了惨重的资源、环境代价，最终走入了经济学和生态学的双重困境。在我国悠久的农业文明进程中，因地制宜地发展出很多资源高效、环境友好的农业生产方式，稻鱼复合系统即是其中的杰出代表之一。以贵州的稻田养殖农业生态系统为研究对象，通过田间观测和实验室测定获得相关数据，分析了4种不同稻作模式下病虫草害发生情况及土壤养分的变化，得到以下主要结论：①从稻种选择角度看，杂交稻抗病性优于糯稻，而抗虫、草害性不及糯稻；从稻作技术角度看，无论种植杂交稻或是糯稻，稻田养鱼均能在一定程度上减轻病、虫、草害所造成的危害。②随着现代农业技术进步与社会生活方式转变，传统稻田养殖模式发生了很大变化，由于过量化肥投入，形成了巨大的农业资源浪费与环境污染。因此，要充分发挥优秀传统农业模式的生态效益，就必须用现代农业科技对其进行合理改造。

农田环境；生态效应；传统农业；稻鱼复合系统

近年来我国在提高农业生产力和粮食产量领域取得了巨大成就，以占世界7%的耕地养活了占世界22%的人口，实现了粮食自给。我国农业生产取得的成就与农业政策的指导与高效农业生产技术的引进密不可分。但是，我国的粮食安全却是建立在高昂的资源环境代价基础上的。资源基础退化，农田环境污染、物种多样性丧失、土壤结构破坏等农业生产的负外部性显露无疑[1]，高能耗、高投入的粗放农业是不可持续的发展方式。

我国人均耕地面积仅为0.087 hm2，不足世界平均水平的(人均0.32 hm2)的1/3[2]，人地矛盾突出。在我国农业文明发展过程中，因地制宜地发展出多种不同的科学土地利用方式。贵州省黔东南地区多为山地地形，当地居民因地制宜地发展出稻田养殖的土地利用方式，体现了人与自然和谐共处的原始生态农业模式。随着现代农业科技进步，这种生态模式经过科学规划，稻田起到水稻生产与池塘养殖的双重作用，巧妙地构建了一个使水稻和鱼类互相依赖、互相促进的生态种养系统。以往研究从生物防治[3-5]、水土环境效应[6-7]、农田资源效率[8]等多个方面进行了有益的探索。

受经济利益、比较效益驱动，大量农村青壮年人口向城市流动，致使农村劳动人口结构发生了很大变化，农村高素质劳动力比重较小，且老龄化趋势明显[9]。农村劳动力结构的变化及现代农业技术的进步诱使农民选择劳力节约型、高产型的农作方式。农民选择不同的农业技术、农作方式及不同的投入水平，其农业资源利用效率及农田环境效应不同。笔者以贵州省从江县不同稻作模式为例，通过田间观测，收集详尽的一手数据，研究了不同稻作模式下病虫草害发生情况、土壤养分平衡等农田环境效应。

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区域 贵州省从江县位于贵州省东南部(图1)，位于108°05′～109°12′ E，25°16′～26°05′ N之间，总面积3 298 km2，其中山地占89.9%，是典型的山地县。从江县属中亚热带温暖湿润山地季风气候，并带有南亚热带气候特点，雨量充沛，热量丰富。年降雨量在1 050～1 250 mm之间，年均气温17 ℃，年均日照1 284 h，无霜期348 d。土壤以黄壤、红壤为主，pH在4.5～6.5之间，属高氮、高钾、少磷、富有机质的土壤类型。

从江县是以侗族、苗族为主的多民族聚居县，2012年耕地面积为14 400 hm2，人均耕地面积0.044 hm2。2012年从江县水稻种植面积11 600 hm2，占农作物播种总面积的27.9%。其中杂交稻10 500 hm2，地方传统糯稻1 067 hm2。水稻种植在农业生产中占据重要位置。该地区有悠久的稻田养殖历史，在杂交稻推广前，一直以传统糯稻养鱼为主。

1.2 数据来源与研究方法 为了研究不同稻作模式下农田病虫草害发生情况及土壤肥力变化，在案例点从江县小黄村选择4块观测田，分别为糯稻(红毛禾)-鱼(鲤鱼)(GR-F)、糯稻(红毛禾)单作(GR)、杂交稻(江优151)-鱼(鲤鱼)(HR-F)和杂交稻(江优151)单作(HR)。在水稻生长病虫草害发生高峰期分5次对稻田病、虫、草害进行田间调查，每隔5 d进行一次。

样方确定：在观测田按照对角线原则采用5点法，取5个具有代表性的样方，每个样方的面积为1 m2(1 m×1 m)，调查样方内病虫草害。

病害记录：根据当地稻田病害情况，选取稻瘟病为主要研究对象。每个样方内水稻植株数量约为14～18株不等。按照水稻细菌性条斑病病级标准，记录每个样方内各病级病叶的数量，计算植株病级、稻田各病级植株量及病情指数。

虫害记录：根据当地稻田虫害情况，选取稻纵卷叶螟和稻飞虱为主要研究对象。分别于每个观测日的09：00、13：00和17：00记录每个样方内各植株上稻田害虫数量，然后取平均值。

草害记录：记录每个样方内杂草物种数以及数量，取平均值。

土壤采样分别于水稻插秧前和水稻收割后两次采集。按照蛇形采样法，利用土钻采集各观测田深度在0～20 cm的耕作层土样。每块观测田取3个混合土样，分别分布于观测田中心和边际位置以反映稻田整体养分状况，每个混合样品的取样点不少于15个。 将从田间采集的土样平铺在洁净塑料布上，摊成薄层于室内阴凉通风处风干。然后将风干的土壤样品，仔细剔除石块、根茎及各种侵入体，用圆棍在塑料板上压碎、研磨，使其全部通过100目筛。过筛后的土样经充分混匀后，装入塑料样品袋，再装入土样袋，每个土样袋内外各具标签一张，注明编号、采样田块号、采样日期、采样点编号等项目，然后装箱、封箱、运输。土样养分元素含量测定委托北京林业大学土壤实验室完成。土壤有机质含量测定：采用K2CrO4-H2SO4外加热法测定；土壤全氮含量的测定：采用半微量凯氏法测定；土壤碱解氮含量测定：采用碱解扩散法测定；土壤全磷含量的测定：采用H2SO4-HClO4消煮，钼锑抗比色法测定；土壤速效磷含量测定：采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提，铝锑抗比色法测定；土壤全钾含量的测定：采用NaOH熔融，火焰光度法测定；土壤速效钾含量测定：采用中性醋酸钱浸提，火焰光度法测定。

2 结果与分析

2.1 不同稻作模式下病害发生对比分析 病害使全世界水稻减产9.9%[10]，纹枯病、稻瘟病是水稻重要病害。针对稻田养鱼病害发生情况进行的研究表明，稻田养鱼能够降低纹枯病发病率[11-13]及稻瘟病发病率[14-16]。从江县水稻病害主要为稻瘟病，兼有纹枯病，但后者并不严重。该研究中将稻瘟病作为主要研究对象。据水稻细菌性条斑病分级标准(0级，无病；1级， 病斑面积占叶面积的10%以下；2级，病斑面积占叶面积的11%～25%；3级，病斑面积占叶面积的26%～45%；4级，病斑面积占叶面积的46%～65%；5级，病斑面积占叶面积的65%以上)，查看样方内每株水稻叶片的病斑情况并详细记录，然后计算每株水稻病级，根据样方占稻田面积的比例估算整块稻田水稻各级病株数，依据公式计算稻田的病级指数。相关计算公式如下：

据田间调查结果分析(图2)，HR-F、HR、GR-F和GR 4种模式0和1级叶片占总叶片的比例分别为89.94%、80.64%、77.03%和53.38%。表明无论是否养鱼，杂交稻均比糯稻抗病性强；无论种植杂交稻还是糯稻，稻田养鱼均能在一定程度上提高抗病性。计算样方内每株水稻的病级，乘以相关系数(即样方面积与稻田面积之比)，得到稻田各病级植株数量，计算稻田病情指数。依据表1，糯稻养鱼比糯稻单作病情指数下降13.3个百分点，杂交稻养鱼比杂交稻单作病情指数下降了10.6个百分点，表明稻田养鱼能增强水稻抗病性，种植糯稻效果更明显。可能是因为糯稻生长期长，糯稻田水位较高有利于鱼类生长，鱼类生长过程中吞噬病菌核和菌丝，从而减少了病菌侵染来源，降低了稻瘟病的发病率。杂交稻养鱼病情指数最小，一方面是由于杂交稻抗病性优于糯稻，另一方面是由于稻田养鱼起到了生物防治作用。单从病害防治效果看，杂交稻养鱼稻作模式最优。

植株病级病株数GR-FGRHR-FHR08780511401122963990447475142071820030798004000050000稻田面积∥m2941855564442病情指数∥%18.732.09.420.0

2.2 不同稻作模式下虫害发生对比分析 虫害使世界水稻减产34%[10]。实践证明，稻田多个物种共存对虫害的发生、发展有很好的控制效果。稻田养鱼能够降低叶蝉、稻飞虱[17-18]、福寿螺[19-20]和稻田螟虫的危害[3-4，21]。 稻田主要害虫是稻纵卷叶螟(CnaphalocrocismedialisGuenee)和稻飞虱(rice planthopper)，稻飞虱分为褐飞虱(Nilaparvatalugens)和白背飞虱(Sogatellafurcifera)。田间调查选择在中午害虫比较活跃时进行，每隔5 d观测一次，共5次，将5个样方内调查数据取平均值得到每块观测田虫害的一般水平。

依据图3，HR、GR、HR-F和GR-F 4种模式下单位面积(1 m2)害虫平均数量分别是44.6、41.6、37.6和32.2。表明无论是否养鱼，杂交稻抗虫害能力均比糯稻差；无论种植杂交稻还是糯稻，稻田养鱼均能起到防治虫害的作用。 HR、GR、HR-F和GR-F 4种模式下单位面积(1 m2)稻纵卷叶螟的平均数量分别是16.6、10.2、10.0和8.4。杂交稻对稻纵卷叶螟的抗性比糯稻差；稻田养鱼使得杂交稻田稻纵卷叶螟减少了39.76%，糯稻田减少了17.65%。GR、HR、HR-F和GR-F 4种模式下单位面积(1 m2)稻飞虱的平均数量分别是31.4、28.0、27.6和23.8。杂交稻对稻飞虱的抗性比糯稻强；稻田养鱼使得杂交稻田稻飞虱减少了0.36%，糯稻田减少了24.2%。

稻田养鱼几乎不能减少杂交稻田稻飞虱数量，这与既有研究结论不一致，有待进一步研究。稻田养鱼对杂交稻田和糯稻田稻飞虱防治效果差异如此显著，原因可能是鱼类很少取食稻飞虱幼虫，糯稻养鱼田稻飞虱之所以减少，并不是鱼类取食活动所致，是因为糯稻养鱼田水位的变化。这与稻飞虱的生活习性有关。稻飞虱习惯于在稻秆下部吸食汁液，由于糯稻的耐淹性好于杂交稻，一般糯稻养鱼田水位较高，浸入水中的稻秆部分较多，致使稻飞虱数量减少。糯稻养鱼抗虫害能力最强。一方面，糯稻抗虫害能力优于杂交稻；另一方面，糯稻茎秆高、耐淹性强的生理习性使得稻田能够大量储水，不仅减少稻飞虱危害的可能性，而且为鱼类生长创造有利环境，使得鱼类起到的生物防治作用更明显。单从虫害防治角度看，糯稻养鱼是最优稻作模式。

2.3 不同稻作模式下草害发生对比分析 农田杂草是影响水稻生长发育和产量的严重生物灾害，杂草危害使全世界水稻产量减少10.8%[10]。利用生物之间相互作用的方法控制草害越来越受到关注。国内外许多研究成果显示，稻田养鱼能够有效降低稻田杂草所带来的危害[22-26]。调查显示，稻田中主要存在的杂草为满江红(Azollaimbircata(Roxb.) Nakai)、褐藻(Phaeophyta)、鸭舌草(Monochoiavaginalis(Burm.f.) )、槐叶萍(Salvinianatans(L.) All.)、慈姑(Sagittariasagittifolia)、眼子菜(PotamogetonoctandrusPoir.)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)、田字草(MarsileaquadrifoliaL)、苦菜(SonchusoleraceusL.)、金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)等。

依图4，HR、HR-F、GR和GR-F 4种模式下单位面积(1 m2)杂草的平均数量分别是22.0、15.6、15.4和9.8。表明无论是否养鱼，杂交稻抗草害能力均比糯稻差；无论种植杂交稻还是糯稻，稻田养鱼均能减弱杂草带来的危害。糯稻养鱼抗草害能力最强。一方面，糯稻抗草害能力优于杂交稻；另一方面，糯稻养鱼田水稻种植密度低、水位高，为鱼提供了较好生存环境，鱼类生长过程中大量摄取田间杂草，杂草控制效果较好。单从草害防治角度看，糯稻养鱼是最优稻作模式。

2.4 不同稻作模式下土壤肥力对比分析 土壤是一个复杂的多层次开放系统，土壤的性状在各种自然环境因素与人类活动的共同作用下，处于不停的变化之中。不同农业生产方式和农田管理措施下不同土壤耕层养分变化差异明显。既有的对稻田养鱼土壤养分研究显示，稻田养鱼能增加土壤有机质、全氮、全磷的含量[27-28]。

按照全国第二次土壤普查养分分级标准，土壤养分分为6级，分别代表丰富、较丰富、中等、较缺、缺和极缺(表2)。GR-F、GR、HR-F和HR 4块观测田有机质、氮含量的本底值处于3～4级之间，磷、钾处于4～5级之间(表2、表3)，远低于贵州省水田养分元素含量的平均水平[29]，属于比较贫瘠

的土壤类型。测定水稻收割之后4块观测田土壤养分元素含量，有机质、全氮、碱解氮3种养分元素含量丰度达到2级或1级水平，土壤氮元素含量较多；有效磷含量由种植之前5级水平上升到3级中等水平；速效钾含量由种植之前的5级甚至6级水平上升到4级水平，但仍处于较缺乏状态，在施肥管理中应加大钾肥施肥量。

比较水稻种植前后土壤养分元素含量变化，水稻种植过后土壤养分元素含量急剧上升，其增幅达到50%以上，有些甚至达到300%(图5)，远远高于以往其他学者研究结果。高洪生试验稻田养鱼实施两年后，土壤有机质、全氮、全磷相对增加0.32%、0.05%、0.006%，全钾相对下降0.12%，速效氮、速效钾相对增加0.70%、3.10%，速效磷相对下降0.10%[27]。梁毅等研究指出，稻田养鱼土壤全氮、全磷、全钾及有机质分别提高20.1%、57.3%、17.3%和18.9%[28]。

表2 土壤养分含量分级标准

表3 各观测田水稻种植前后土壤养分元素含量

注：CK为贵州省水田土壤养分平均水平(2002年测定值)[29]。

该研究是基于当地农民的生产实践，对农民的生产活动不加干涉，在农户种植行为基础上采样化验。稻田土壤种植前后养分元素发生如此大的变化，充分说明当地农民缺乏科学施肥指导，大量使用化学肥料，生产方式比较粗放，是不可持续的生产方式。究其原因，一方面是农民缺乏精准施肥的农业技术指导，但更重要的原因却是农业劳动力大量转向非农就业部门，致使农村农业劳动力缺乏，改变了农民耕作方式与施肥方式，过量化肥一次性施入稻田后缺乏稻田管理与看护。

稻田施肥量过高，肥料利用率低下，大量化学肥料残留在土壤中，致使土壤养分元素含量剧增，这样不仅浪费资源，而且造成潜在的环境污染。依据土壤氮、磷、钾养分元素本底值低的事实，小黄村农民施用氮磷钾复合肥是合理选择，在科学施肥同时应该加大有机肥与农家肥使用量，采取土壤培肥措施，提高土壤肥力。

杂交稻生长期比糯稻短，种植密度高，生长过程中需肥量大；单作田施肥量大于养鱼田。GR-F、GR、HR-F和HR 4种种植模式下，稻田施肥密度按递增排列为GR-F﹤GR﹤HR-F﹤HR。

稻田养鱼能提供土壤有机质含量。有机质是土壤肥力的标志性物质，其含有丰富的植物所需要的养分，调节土壤的理化性状，是衡量土壤养分的重要指标。它主要来源于有机肥和植物的根、茎、枝、叶的腐化变质及各种微生物等。4块观测田收割后土壤有机质含量分别为HR(3.6%)﹤HR-F(3.9%)﹤GR(4.2%)﹤GR-F(4.6%)(表3)，种植前后有机质含量变化幅度从小到大排序为GR﹤HR﹤HR-F﹤GR-F，表明稻田养鱼对土壤有机质养分释放有促进作用。稻田养鱼肥料投入量低于水稻单作，养鱼田氮、磷元素含量变化均高于单作田，表明稻田养鱼能加速氮、磷元素释放、转换为能被植物直接吸收的形式，促进水稻生长。稻田养鱼能有效促进土壤养分元素转化与吸收，从土壤养分元素利用情况看，稻田养鱼模式优于水稻单作模式。

为了研究土壤养分平衡，将农产品及农副产品中携带的氮、磷、钾含量加以折算(表5)。农业生产带出稻田系统的氮、磷、钾元素含量远远低于农业生产过程中的投入量，其中杂交稻种植尤为明显，表明化学肥料利用率较低。因此，在生产实践中应改进生产技术，合理、科学施肥，重视秸秆还田。作物秸秆是重要的有机肥源，堆腐或粉碎后直接还田，可提供大量的有机物料和养分，有利于作物和土壤间对钾素养分的供需平衡和土壤有机质含量的提高，对农作物增产、培肥地力、改良土壤都有重要的作用[30]。糯稻生产除收获稻米以外，大量的糯稻秸秆作为副产品一方面可以用来编制器具，一方面可以用作家畜食物，或作为产生沼气的原料，堆肥还田以循环利用。

表4 不同处理下产品中各养分元素含量

注：稻米中氮、磷、钾含量分别为1.300%、0.120%、0.097%；稻草中氮、磷、钾含量分别为2.100%、0.150%、0.230%。

3 结语

随着我国粮食逐年增产，实现了粮食的自给自足，同时高投入、高能耗的粗放农业生产也被认为是不可持续的发展方式。许多学者将视角转向了传统农业生产方式以寻求解决之道。我国悠久的农业文明进程中因地制宜地发展出了很多生态友好的农业生产方式，给现代农业的可持续发展提供了启示。笔者选取贵州黔东南地区悠久的稻田养殖复合系统为研究对象，分析不同稻作模式下农田的生态环境效应，以期为现代农业的发展提供有益的建议。研究显示，从稻种技术选择角度看，杂交稻抗病性优于糯稻，而抗虫、草害性不及糯稻；从稻作技术角度看，无论种植杂交稻或是糯稻，稻田养鱼均能在一定程度上减轻病、虫、草害所造成的危害，并能加速肥料释放速度，提高土壤肥力，促进水稻生长。4种不同稻作模式中，从病害防治效果看，杂交稻养鱼模式最优；从虫害、草害防治效果看，糯稻养鱼模式最优。但是随着现代农业技术的进步及社会生活方式的转变，这一传统的农业生态系统受到了巨大的冲击，其生产方式正在渐渐发生变化。由于缺乏足够劳力进行精细管理，化肥投入过量，不仅浪费资源，而且污染环境，变得越来越不可持续。因此，必须利用现代农业技术合理改造优秀的传统农业生态模式，充分发挥其生态效益。

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Study on Eco-environmental Impact of Different Rice Modes

YANG Hai-long1, FENG Zhi-ming1, LV Yao2

(1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101; 2.The Export-Import Bank of China, Beijing 100031)

High input and high yield modern agricultural mode has brought increasing grain yield, meanwhile, it is also paid heavy resource and environmental costs. At last, it falls into the dilemma of economics and ecology. In the long agriculture civilization history of China, the farmers have developed a lot of resource-efficient, environment-friendly agricultural mode which is suitable to local conditions. The rice-fish integrated system is one of the outstanding representatives. This paper takes the rice-fish integrated system of Guizhou as research object, obtains data through field observation and laboratory test, then analyzes diseases, insect pests, weeds and the soil nutrient change of four different rice modes. The results show: From the view of rice seeds selection, disease resistance of the hybrid rice is better than that of glutinous rice, but, the insect and weed resistance of glutinous rice is better than that of hybrid rice. From the view of agricultural technique selection, regardless of planting hybrid rice or glutinous rice, rice-fish integrated system always reduce the hazards of disease, insects and grasses to a certain extent. Second, with the progress of modern agricultural technology and social life changes, great changes have taken place in traditional rice farming mode. Due to excessive chemical fertilizer input, it not only wastes resources, but also pollutes agricultural environment. Therefore, in order to fully give play to the ecological benefits, we must carry on the reasonable reform to traditional agriculture by the modern agricultural science and technology.

Field environment; Ecological impact; Traditional agriculture; Rice-fish integrated system

国家自然科学基金项目(40971270)。

杨海龙(1980-)，男，河北平山人，助理研究员，博士，从事农业资源与环境管理研究。

2015-04-27

S 181.3

A

0517-6611(2015)17-258-05