稻蟹共作模式生态效应研究进展

罗喜秀，李成芳*，陈 灿，何明钰

（1华中农业大学植物科学技术学院，湖北武汉430070；2湖南农业大学农学院，长沙410128）

稻蟹共生技术是一项以水稻为主体，利用河蟹的生活习性，在水稻田中投放适量的河蟹饲养，使生态效益和经济效益都得到显著提升的新型生态种养模式［1］。水稻为河蟹提供空间和水体环境，而河蟹帮助水稻中耕松土，还为水稻除虫除草［2］。这一共作模式有效地将水稻种植业和水产养殖业结合起来，充分利用物质循环和能量守恒原理将生产者和消费者紧密联系起来，最后为农户带来水稻和河蟹双丰收［3］。随着稻蟹共作模式这种新型稻田种养技术的兴起，凭借其产生的经济和生态效益，近年来在我国得以迅速发展。在整个生态环境中，农田生态环境扮演着至关重要的角色，由于稻蟹种养面积的不断扩大，使得研究其对田间生态环境的影响越来越关键。但是，目前与稻蟹田生态环境有关的报道比较单一，研究的内容一般为单个的生态环境指标，并没有将各个生态指标联系起来进行探讨。本文主要从土壤、水环境和杂草防控三个方面对稻蟹共作模式下田间生态的研究现状进行总结，以为稻蟹共作技术的研究利用和决策提供依据。

1 常规稻蟹与有机稻蟹

常规稻蟹和有机稻蟹都是稻蟹共作技术中不同的生产模式。常规稻蟹是指在单作水稻的基础上引进河蟹以达到生态种养的目的；而有机稻蟹则是为了使经济效益和生态效益达到最大化，在常规稻蟹的基础上在养蟹田加入适量的有机肥，以便减少化肥的使用量和提高稻蟹的食用品质。常见稻蟹共作模式的田间分布如图1所示。

图1 常见稻蟹共作模式田间示意图Fig.1 A field diagram of common rice crab co-patterns

2 生态效应研究现状

2.1 土壤方面

2.1.1 土壤理化性质

（1）土壤pH。稻蟹共作模式中土壤pH相比单作水稻显著降低。汪清等认为导致土壤pH降低的原因是由于河蟹的粪便富含有机质，使土壤有机质含量明显提高，从而促使土壤pH降低；并且由于河蟹对稻田杂草和藻类生长具有明显的抑制作用，从而减少被相关杂草、藻类及好氧生物的吸收，以至于抑制一定的CO2参与藻类光合作用，最后达到降低土壤pH的效果［4］。

（2）土壤氮素。相对于不养蟹的稻田而言，此模式下土壤中的铵态氮（）含量显著提高，而硝态氮（）含量变化不显著。其原因，一是由于稻蟹共作长期处于淹水环境，而随着淹水时间的延长及土壤温度的升高，进一步提高了土壤矿化速率，加之水稻在返青期和分蘖初期对氮素需求量不大，致使积累量相应增加［5］；二是与河蟹的粪便和觅食等活动有关，河蟹的粪便富含，增加了稻田土壤氮素含量，并且河蟹的大范围活动使水体和土壤被翻动，土壤的氧化还原作用被改善，稻田土壤氮矿化作用加强。

（3）土壤容重。稻蟹共作的土壤容重显著低于单作水稻。土壤容重作为衡量土壤肥力状况的重要指标之一，其大小往往直接影响着农作物的生长发育。与一般稻田不同，稻蟹田中的河蟹自主活动性强，对土壤起到一定的中耕松土作用，进而降低了土壤容重。

（4）土壤质地。相对于单作水稻田，稻蟹田中土壤粒径＞0.2 mm 的团聚体显著增加，而粒径＜0.002 mm的微团聚体显著减少，稻田土壤水稳性团聚体数量显著增多，团聚化程度提高［6］。汪清等认为由于河蟹的粪便和更换的蟹壳，使得土壤中有机质含量明显提高，从而使土壤团聚体数量显著增加，改善了土壤质地［4］。

（5）土壤有效养分。稻蟹田土壤中的全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾和有机质含量都显著高于单作水稻［7，8］。汪清认为由于河蟹的存在，其觅食等活动使得土壤不断被搅动，促进了水稻对有效养分的吸收；且河蟹的粪便与甲壳是天然的有机肥，经过土壤中相关微生物的分解，土壤中的有效养分显著提高［4］。

2.1.2 土壤酶活性

过氧化氢酶、脲酶、转化酶及碱性磷酸酶是稻田中最常见的几种酶，其活性大小往往直接或间接地影响着水稻的生长发育和土壤的理化性质。安辉等的研究表明，相对于单作水稻，常规稻蟹和有机稻蟹土壤中的过氧化氢酶、脲酶、转化酶及碱性磷酸酶活性都显著提高，其中，有机稻蟹中的土壤酶活性明显高于常规稻蟹，并且随着有机肥施用量的增加，土壤酶活性提高的效果更明显。这一方面可能是由于有机稻蟹模式施入的有机肥本身带有外源酶，可为土壤生物创造良好的生活环境而有利于酶活性的提高；另一方面可能是有机稻蟹模式河蟹数量较多，相应排泄物以及生长期蜕壳数增加，也有利于提高土壤生物学活性，进而促进土壤酶活性的提高［9］。另外，根据前人的研究结果可知，除土壤过氧化氢酶和转化酶活性与碱性磷酸酶活性无显著相关外，其他土壤酶活性间均呈显著或极显著正相关［10］。原因可能是因为土壤中存在这4种酶的某一相同底物，当其中任意一种酶与底物结合后，释放一种或多种信息物质激活另外3种酶的活性。

2.1.3 根际微生物区系

土壤微生物是反映土壤生态系统功能的重要指标之一。水稻根际微生物具有多样性，对水稻的生长具有良好的促进作用，并且对养分持续供给、有害生物综合防治以及土壤保持起着至关重要的作用［11］。水稻的土壤根际微生物均以细菌为主要类群，其中主要以欧文氏菌属、噬胞菌属、动胶菌属、假单胞菌属为主，而真菌和放线菌的总量较少，细菌、放线菌、真菌所占比例分别为99.93%、0.05%、0.02%。相对于单作水稻，稻蟹互作田中细菌的种类虽然变化不太明显，但细菌的生物量及多样性却得到显著提高，其中以好气性自生固氮菌、亚硝酸细菌、氨化细菌、反硝化细菌以及嫌气性纤维素分解菌的变化最为明显。佟德利研究认为，产生这一结果的原因可能是因为稻蟹生态系统中有外源物种的加入，而且还可能是因为其非生物环境条件也发生了较大的改变，从而导致根际微生物总量显著增加［12］。

2.2 田间水环境

2.2.1 水体浮游生物

水稻田作为一个小型的生态系统，水体浮游生物的存在必不可少，对田间水环境具有重要的影响。浮游植物主要包括硅藻门、裸藻门、蓝藻门和绿藻门。稻蟹共作和单作水稻的优势浮游植物各不相同，稻蟹田中以硅藻门为主，而单作水稻则以裸藻门为主，这可能跟河蟹的活动有关，其行动会导致水体和表层泥土被搅动。浮游动物主要包括轮虫类、枝角类和桡足类［13～15］。稻蟹共作模式下浮游植物的多样性和密度均显著低于水稻单作模式，浮游植物生物量则恰恰相反，且不同区间的浮游植物组成具有明显差异，种稻区浮游植物的生物量极显著高于养蟹区，而养蟹区浮游植物的多样性和密度显著低于种稻区，这可能与养蟹沟渠的开挖和河蟹的杂食性有关［16］；浮游动物的密度和生物量的差异与浮游植物相似，都是稻蟹共养显著低于单作水稻，其中以轮足类的差异最为显著，不过各区间浮游动物的多样性却没有明显差异。

2.2.2 水体水质

稻田水体是稻蟹共作系统中的重要环境因素，水质的好坏对河蟹、水稻、浮游生物的生长发育起到至关重要的作用，河蟹是否能正常行使其在整个复合生态系统的生态作用都与水体水质有着直接或间接的关系。但是稻田格局有限，所能容纳的水体也受到局限，并且水质由于温度的不稳定也受到相应的影响，而水体环境是河蟹生长发育的主体空间，水质的变化必然影响着河蟹的产量和品质。在稻蟹生长的中后期，养蟹稻田的溶解氧显著低于不养蟹稻田，而硝酸盐、磷酸盐含量显著高于不养蟹稻田，且稻田环沟上层和下层的温差较高，最高可达7～8℃，环沟的存在可以有效地防止河蟹被高温灼伤［17］。王昂等认为，单作稻田中溶解氧含量比稻蟹稻田高的原因是由于河蟹的存在，明显地增加了水体中氧气的消耗量，且河蟹在水中的活动幅度远远比不上鱼和鸭；另外，因为单作稻田中没有河蟹的活动，水中产氧物质和耗氧物质相对较稳定。同时王昂认为，硝酸盐、磷酸盐含量显著高于单作稻田的原因可能是与前期的施肥、后期河蟹粪便的分解和土壤吸附作用等因素共同作用有关［18］。前期施肥可使水体硝酸盐、磷酸盐达到较高水平，而后期N、P元素的释放则与河蟹粪便的缓慢分解有关，在微生物的作用下，逐渐转化为硝酸盐、磷酸盐。

2.3 杂草防控

水稻田中的杂草种类繁多，其中以鸭舌草、稗草、水葫芦、苦草、千金子和野慈姑为主，并且生命力极其顽强，当杂草的长势优于水稻时，将会导致水稻大幅度减产甚至绝收。为控制稻田有害杂草，农户一般会使用大量的化学除草剂来解决这个问题。相对于化学防控，稻蟹共养这一生态种养技术更符合可持续发展理念。通过在稻田里养蟹而达到控制稻田杂草的作用机理：利用河蟹的杂食性和持续的大范围活动，在整个水稻生育期不断食用田间杂草，并且河蟹活动引起水体的浑浊也能有效抑制杂草种子的萌发和杂草幼苗的光合作用，从而有效地控制杂草的生长趋势和数量［19，20］。吕东锋的研究表明，与不养蟹的稻田相比，稻蟹共作田杂草的种类和数量显著降低。不仅能有效地控制稻田杂草，避免因过度施用除草剂带来的恶性循环；而且还能将杂草作为有机肥增加土壤肥力，使水稻和河蟹的产量与品质得到明显提高。

3 小结

根据前人研究结果可知，与单作水稻相比，常规稻蟹和有机稻蟹模式能有效地改善土壤理化性质，增加土壤中的微生物含量，提高土壤中相关酶的活性，使土壤肥力得以保持，增强土壤的可持续利用性；并且在改善稻田水环境和防控稻田主要杂草方面有明显的效果，相应地减少了农药和化肥的使用，不仅稻田生态环境得到直接改善，而且还能使稻谷和河蟹增产，品质也得到相应地提升和改善。通过稻蟹互作这种生态种养模式，无机化肥和农药的施用量大幅度减少。因此，实施稻蟹共养模式，是改善稻区田间生态环境的重要措施，极具推广价值。