稻虾共作对产地环境及农产品质量安全风险的影响——基于洪湖市的实证分析

郑雄伟，吴艳萍，洪 波，张元培，孙为国，罗军强，白 洋， 王俊锋，吴 颖，胡 青，赵 辞，郑国权

(1.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056； 2.洪湖市规划编制研究中心,湖北 洪湖 433200；3.洪湖市自然资源和规划局,湖北 洪湖 433200)

“稻虾共作”是目前中国发展较为快速的一种农业模式,它的核心是利用水稻田空闲季节将低洼稻田改变成临时性浅水塘养殖小龙虾[1]。在水稻生长季节,人工建设的虾稻共作生态系统使水稻、小龙虾共同生活,时间和各自生长期配合得当,二者之间相辅相成,有效发挥小龙虾在该系统中的积极作用,促进物质能量向有利方向流动(图1)。稻田中小龙虾能够食用大量杂草,黑藻、浮萍等都是小龙虾天然的饵料。每年杂草夺取稻谷产量的7%～30%,由于小龙虾食用杂草,减少了杂草与水稻对肥料的争夺,间接促进了水稻产量的提高。在水稻空闲季节,小龙虾摄食颗粒饲料及饵料,排粪积累在水田中,粪便中含有的氮磷钾增加了水稻肥源[2-3]。

图1 “稻虾共作”生态系统中物质能量转换示意图Fig.1 Schematic diagram of matter-energy conversion in shrimp-rice co-cropping ecosystem

“稻虾共作”生态系统中,小龙虾兼有灭虫、保肥、造肥的作用,不仅摄食杂草,还能清除稻脚叶,改善水稻植株间的通风透气性能,促进水稻植株生长,与人工除草相比具有经常性、彻底性。小龙虾的活动引起了环境的变化,促进了水稻的生长,二者相互利用,相得益彰。

洪湖市的“稻虾共作”模式正在处于起步阶段,呈现“虾稻田不集中,局部规模化”的特点。“稻虾共作”模式提高了农民种养的积极性,促进了粮食增产、农民增收,在农业供给的结构性改革中,经济效益显著,同时生物农药的使用,有利于种养品种生态安全和食品安全,生态效益明显提高[4-9]。通过评价区“稻田单种”和“稻虾共作”两种生产模式调查对比,发现“稻虾共作”模式亩均利润是水稻单作的3倍,且抗风险能力强,若水稻因高温、病害、水灾等遭受损失,可以从龙虾中收回成本,若龙虾养殖过程中遭受了损失,还可以依靠粮食收回部分成本,与水稻单作、池塘养龙虾相比较,其抗风险能力大大增强,未来发展“稻虾共作”、种养双赢模式的空间很大,前景广阔。

本次研究选取洪湖区内典型的“虾稻共作”田作为研究对象,通过生态环境地质调查及样品采集分析,对“虾稻共作”田土壤、小龙虾安全质量、水稻安全质量进行综合评价,为推进当地农(渔)业供给侧结构性的改革、促进农(渔)民增收提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本次研究在经过前期资料搜集,市场调查、生态调查后,选取洪湖全域稻田养殖基地及常规种植区域(空白对照区)进行监测,并取样验证,养殖产品捕捞时间为2019年的 4—7月,水稻收割时间为2019年的10月15—30日。在每个区域的稻田养殖区采集土壤、灌溉水、水稻籽实及小龙虾样品,常规种植区采集土壤及农产品样品。按照X形走向采集5个点根系土土壤(0～20 cm),混合为1个样本；与土壤一一对应采集稻谷样品 5个点,混合为1个样本；小龙虾采集30尾混合为1个样本；灌溉水样采集3个点的样本,混合为1个样本,样品采集情况见表1。

表1 样品采集统计表(单位：件)Table 1 Statistical table of sample collection

1.2 样品分析及方法

1.2.1测试项目

(1) 水稻及小龙虾分析指标：Se、Sr、Ge、I、S、Li、F、Cu、Zn、Ni、Cr、As、Cd、Pb、Hg共15项。

(2) 水稻根系土分析指标：Se、Sr、Ge、I、S、Li、F、Cu、Zn、Ni、Cr、As、Cd、Pb、Hg、N、P、K、Fe、Na、Mn、Ca、Mg、Si、Al、pH、Org.C共27项。

(3) 养殖水样品分析测试指标：pH、总磷、总氮、总砷、总汞、镉、六价铬、铅、铜、锌、硒、硼、铁、锰、钒、氟化物、硫化物、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、高锰酸盐指数、总硬度、溶解性总固体共23项。

1.2.2测试方法

(1) 生物样品：依据自然资源部《生态地球化学评价动植物样品分析方法》(DZ/T 0253.1—4—2014),不同分析项目采用不同的分析方法,具体见表2。

表2 生物样品分析方法Table 2 Methods for analysis of biological samples

(2) 养殖水样品：根据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)、《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)、《地质矿产实验室测试管理规范》(DZ/T 0130—2006)等相关规范测定,水样分析方法全部采用水质分析系列国家标准分析方法进行,具体见表3。

表3 水质样品分析方法Table 3 Methods for analysis of water samples

(3) 根系土样品：选择以X射线荧光光谱法、等离子体原子发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法为主体的测试方案,辅以其它分析方法,各元素所采用的分析方法见表4。

表4 土壤样品分析方法Table 4 Methods for analysis of soil samples

各元素检出限、准确度、精密度均符合有关规范的要求。

2 结果与分析

2.1 不同种养模式下土壤含量变化特征

2.1.1养分元素对比

在“稻虾共作”田采集了30件根系土样品,同时采集其周边单作水稻田做对比,各元素变化分析见表5。

表5 “虾稻共作”田与周边单作稻田土壤营养元素变化分析表Table 5 Variation of soil nutrient elements in shrimp-rice co-cropping field and peripheral monoculture rice field

随着地方标准《虾稻轮作克氏原螯虾稻田养殖技术规程》(DB42/T 496—2008)的标准化推广,评价区在近几年开始对单作稻田改造为“稻虾共作”田。随着“稻虾共作”年限时间的增加,土壤中营养元素略微富集,有机质含量增幅较明显,见图2。

图2 “稻虾共作”田与周边单作稻田土壤营养元素变化分析图Fig.2 Analysis map of soil nutrient element change in shrimp-rice co-cropping field and peripheral monoculture rice field

“稻虾共作”田模式较单作模式相比,在土层0～10 cm、10～20 cm,氮元素提高了29.9%、23%；磷元素提高了9%、7.5%；钾元素提高了5.2%、5.1%；有机质提高了33%、22.5%。出现增长的原因是小龙虾未食用的残饵及小龙虾生长过程中所产生的虾壳、排泄物补充增加了土壤中养分的投入[10]。

洪湖地区“虾稻共作”田可能因为对原有单作田改造时间不长,小龙虾未食用的残饵及其虾壳、排泄物在土壤中的积累较少,造成评价区内“稻虾共作”田营养元素积累量过少。同时,由于小龙虾对环境的敏感性,造成当地农民施肥谨慎,多用微生物肥料、农家有机肥,只为保证小龙虾正常生长安全,“重虾轻稻”现象普遍,造成土壤施肥量减少。在此也可以看出,评价区内散户的“稻虾共作”技术力量较为薄弱,迫切需要技术支撑。

2.1.2重金属元素对比

“稻虾共作”模式土壤中8种重金属含量与常规种植区相比,无明显差异,且8种重金属含量均未超过《农产品安全质量——无公害水产品产地环境要求》(GB/T 18407.4—2001)规定的限值。

2.2 不同种养模式下农产品的含量变化特征

由于“稻虾共作”田改变了稻田原有的生态环境,使得原有的生态系统物质能量流动方向发生了改变,农产品(水稻、小龙虾)的质量需作进一步研究。

2.2.1虾仁对比

小龙虾是一种主动摄取食物的物种,根据食物链可知,在该农田生态系统中,小龙虾处于食物链的最顶端,本次对比分析选取虾仁作取样调查,各元素对比结果见表6。

表6 不同类型水稻田虾仁元素含量对比表Table 6 Comparative table of element contents of shrimps in different types of paddy fields

“稻虾共作”田产出的龙虾与普通虾塘中的虾仁中,硒元素及重金属元素差距不大,含量均远远小于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中限量值,且均未超过《农产品质量安全 无公害水产品安全要求》(GB 18406.4—2001)规定的限值,均达到无公害水产品质量安全要求,可见小龙虾是健康可食用的,见图3。

图3 不同类型水稻田虾仁元素含量对比图Fig.3 Comparison of element contents of shrimps in different types of paddy fields

图4为小龙虾中重金属单因子污染指数Pi比较,单因子污染指数表达式为Pi=Ci/Si,其中Pi为重金属单项污染指数,Ci为该重金属的实测平均值,Si为各项评价标准值。由图2可知,洪湖地区小龙虾中重金属Pb、Cr、Cd、As、Hg单因子污染指数Pi均<0.2,该地区小龙虾未受Pb、Cr、Cd、As、Hg的污染。

图4 不同类型水稻田虾仁中重金属单因子污染指数Pi比较Fig.4 Comparison of single factor pollution index (Pi) of heavy metals in shrimps from different types of paddy fields

由此可见,“稻虾共作”生态系统虽然改变了原有生态系统物质能量流动的方向,不影响小龙虾中硒元素及其重金属元素的含量。

2.2.2水稻籽实对比

本次研究对洪湖地内“稻虾共作”田、单种水稻田进行了水稻籽实样品采集,根据《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中对铅、镉、汞、砷、镍、铬做了限量标准,考虑评价区内对硒作为重点分析对象,本次对比添加硒元素,对比分析表见表7。“稻虾共作”田与普通水稻田的籽实中,无论是硒元素,硒元素及重金属元素差距不大；含量均远远小于稻米限值标准值,污染风险较小,见图5。

表7 不同类型水稻田籽实元素含量对比表Table 7 Comparative table of seed element contents in different types of paddy fields

图5 不同类型水稻田籽实元素含量对比图Fig.5 Comparison of seed element contents in different types of paddy fields

2.3 不同种养模式下养殖水中含量变化特征

2.3.1养分含量分析

“稻虾共作”模式养殖水中全氮、全磷含量均高于常规种植模式。在实际生产中,农民往往比较重视虾的产量,投放较多的饲料,稻虾共作有利于提高水体养分含量,但同时也增加了水体富营养化的风险。

表8 不同类型养殖水元素含量对比表(单位：mg/L)Table 8 Comparison of element contents in different types of aquaculture water

2.3.2重金属含量分析

本次试验养殖水中8种重金属含量均未超过《无公害农产品 淡水养殖产地环境条件》(NY 5361—2016)规定的限值,但都有检出,说明养殖水中存在潜在的危险性。养殖人员要在这一方面加强管理力度,定期跟踪监控并且不定期对水体进行抽检,运用当前的先进技术消除污染出现的原因,有效避免重金属污染水体、破坏环境。

3 结论

(1) 稻虾养殖基地与常规种植区相比,随着“稻虾共作”年限时间的增加,土壤中营养元素略微富集,有机质含量增幅较明显。

(2) 稻虾养殖区与常规种植区的稻米中,8种重金属含量无显著差异,均未超过食品安全国家标准规定的限量值,污染风险较小；小龙虾重金属含量均远远小于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中限量值,且均未超过《农产品质量安全 无公害水产品安全要求》(GB 18406.4—2001)规定的限值,重金属单因子污染指数Pi<0.2。

(3) 养殖水中8种重金属含量均未超过《无公害农产品 淡水养殖产地环境条件》(NY 5361—2016)规定的限值。

通过研究可知,相比于常规的种植模式,“稻虾共作”这一种全新的生态养殖模式,既能够保证水稻和小龙虾的品质安全,又能够实现现有资源的充分利用,它一定程度上降低了养殖成本,大幅增加了农民收入,具有明显的经济和社会效益,它是目前值得推广的一种健康的农业生态养殖模式。

致谢：对在工区工作的同仁们表示由衷的敬意,感谢严向军教授级高级工程师对文章的审阅。样品分析由湖北省地质实验测试中心的曾慧美高级工程师、张响蓉工程师等协助完成,在此一并表示感谢！