稻虾种养对水稻产量和粮食安全的影响*

倪明理, 邓 凯, 张文宇, 尚永青, 魏 凤, 袁鹏丽, 李 准, 樊 丹, 曹凑贵, 汪金平**

(1. 华中农业大学植物科学技术学院 武汉 430070; 2. 湖北省农业生态环境保护站 武汉 430070; 3. 广西大学农学院 南宁530000)

在有限的土地和淡水资源的条件下, 应对人口不断增长的现状, 如何满足粮食需求兼具环境保护是对世界农业的巨大挑战。近数十年来单一种植模式的现代农业在世界范围内迅速发展, 伴随而来的是化肥、农药的滥用导致环境的恶化。集约化的农业生产方式, 导致了物种间积极作用丧失。将多种单一的种植模式, 耦合到同一农业系统中, 被认为是保障粮食产量、降低粮食生产对环境不利影响的重要手段。

稻田种养是以水稻()种植为基础, 充分利用稻田立体空间, 光、热、水及生物资源高效利用的稻田生产技术, 该技术将种植业与养殖业有机结合起来, 同时生产出碳水化合物(稻米)和动物性蛋白(鱼虾等水禽产品), 被认为是世界上将动物饲养和农作物种植相互结合的最佳典范, 在提高人们营养水平和减轻贫困方面发挥着重要的作用。稻虾共作作为稻田种养模式的一种, 通过田间工程的改造, 有机地把水稻种植和克氏原螯虾(俗称小龙虾,)养殖结合起来, 全国各地发展迅速, 具有很好的市场前景。2020年全国稻虾面积126.14万hm, 开展稻虾种养产业发展研究有很强的市场需求和科学价值。

水稻生产一直是稻田的主要功能, 然而, 当前我国很多种养户在生产过程中存在着“重养殖轻种稻”“重经济轻生态”的片面短视思想和行为, 在稻虾种养过程中存在着小龙虾养殖沟过宽、饲料等物料的投入过大等问题, 从而限制了水稻产量的提升, 存在影响粮食安全的潜在风险, 并造成了农田环境污染, 制约着稻虾模式的持续健康发展。可见, 有必要对稻虾模式对水稻产量的影响进行研究。相关研究表明, 由于秸秆还田、饲料投入等管理措施的作用, 稻虾模式低氮肥投入处理依然能获得较高的水稻产量, 因地制宜地开展稻虾共作, 并配合科学的管理措施, 水稻产量比稻田单作增产5%～7%。也有研究表明: 在水稻生育期, 由于稻虾模式维持较高水位的情况下, 容易对水稻产量造成不利影响。稻虾种养模式会导致水稻产量的降低, 主要是水稻植株的有效穗数、每穗粒数降低所致。此外, 区域上的不适应性也会导致水稻的减产, 在地下水位较深的地区, 与传统水稻-油菜()轮作相比, 稻虾种养模式下水稻产量要降低30%～50%。合理的养殖沟占比是维持稻田种养水稻产量稳定的重要因素, 稻虾模式下合理挖掘的养殖沟, 为水稻的生长带来了较强烈的边际效益, 因而能提升外围水稻的产量来获得高产, 从而弥补了养殖沟占据水稻种植面积所带来的产量损失。尽管不同年限之间的水稻产量受气候、病虫害、栽培管理措施等因素的影响, 但是在Guo等的多年研究中, 稻虾种养下水稻产量在连续多年保持稳定, 稳产效应显著高于水稻单作。

稻虾种养对粮食安全的影响受到关注, 前人关于稻虾种养对水稻产量研究存在争议, 是否影响到粮食安全不明确, 并且相关研究多局限在小范围的试验田块, 缺乏大区域角度来进行考证。为此, 本文通过多年定位试验、不同生态区农户调查和湖北省农村统计年鉴资料分析等不同途径来阐明稻虾种养对粮食安全的影响, 并为稻虾模式可持续发展提供对策。

1 研究方法

1.1 统计年鉴数据获取

通过《小龙虾产业报告》《湖北省农村统计年鉴》、湖北省及地方县市统计局网站(http://jj.hubei.gov.cn/tjsj/)等途径, 获取了近10年来湖北省粮食产量、水稻种植面积、稻虾种养面积、小龙虾产量等相关数据。

1.2 多年定位试验

试验时间为2016−2020年, 地点位于湖北省潜江市后湖农场(30°39′N, 112°71′E), 土壤类型为湖积物发育而成的潮土性水稻土。该区域属江汉平原低湖区, 冬季地下水位40～55 cm, 北亚热带季风湿润气候, 年均气温16.1 ℃, 无霜期246 d, 年均降雨量1100 mm。

试验供试水稻品种为‘泰优’390 (2016—2017年)和‘黄华占’(2018−2020年)。试验设稻虾共作模式和水稻单作2个处理, 3次重复, 共6个小区。小区面积1269 m, 养殖沟宽2 m, 深1.2 m, 水稻种植面积1000 m, 沟占比21.2% (养殖沟占比较大的主要原因是试验小区面积较小而导致)。而一般稻虾种养田块面积为1.5～3.0 hm较为适宜。稻虾共作处理按潜江传统稻虾模式进行, 于2015年3月上旬投放虾苗, 投放密度为225 kg∙hm, 后期不再重新投虾苗。小龙虾用商品饲料进行饲养, 投食时间为每年的3−6月, 总投食量为3000 kg∙hm。水稻于每年6月上旬播种, 播种方式为直播。田间水分管理、具体水稻栽培措施和小龙虾养殖管理参考汪本福等撰写的稻虾共作相关技术。传统水稻单作只种植一季水稻, 冬季闲田, 栽培管理按常规方式操作。水稻施肥按纯氮(N) 150 kg∙hm, 磷肥(PO) 75 kg∙hm, 钾肥(KO)120 kg∙hm施入, 氮肥分基肥和蘖肥两次施用, 基蘖肥比为6∶4。磷肥和钾肥做基肥一次性施用。

在水稻成熟期的每个小区中随机选取3个长势均一的取样点, 分别围取5 m的水稻植株进行收割, 将收割的水稻晒干、脱粒、测定含水量, 按含水率13.5%折算出水稻产量。

1.3 农户调查数据获取

选择湖北省江汉平原、鄂东沿江平原和鄂中北丘陵地带等3个不同生态区为调查对象, 通过农户调研对稻田面积、水稻产量、养殖沟占比、物料投入等进行调查。共获取有效调研问卷207份, 其中稻虾149份、水稻单作58份。江汉平原(包括监利、潜江)获取稻虾66份、水稻单作25份问卷, 鄂东沿江平原(包括武穴、蕲春、黄梅)获取稻虾73份、水稻单作9份问卷, 鄂中北丘陵地带(安陆、宜城)获取稻虾10份、水稻单作24份问卷。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007、R语言和 SPSS 22.0统计分析软件进行数据处理和统计分析, 并用最小显著差异法(LSD)进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 统计数据分析

2.1.1 稻虾产业发展现状

2020年全国小龙虾养殖总面积达145.64万hm, 养殖总产量为239.37万t, 其中稻田养殖占据绝对主导地位, 分别占养殖面积和产量的86.61%和86.15%。长江流域是小龙虾养殖的主要优势区域, 湖北、安徽、江苏、湖南和江西为主产省份, 其中2020年湖北省小龙虾产量占全国的41.02%, 位居全国第一(图1)。

图1 2020年不同省份小龙虾总产量及其占比Fig.1 Total crayfish yield and its proportion in different provinces in 2020

近年来, 随着稻田养殖技术的逐渐成熟, 养殖效益日益提高, 稻虾种养模式在湖北省内迅速发展、种养规模井喷式扩大、行业产值显著增加。2019年湖北省稻虾种养面积占水稻种植面积的19.62%, 其中洪湖和潜江稻虾种养比例最高, 分别占水稻种植面积的70.71%和67.21% (图2)。稻虾种养已经成为湖北省部分县市的最主要的水稻栽培耕作模式, 监利、潜江、洪湖、公安和石首小龙虾产量位居全国前十。

图2 2019年湖北省稻虾主产区稻虾面积占水稻种植面积比例Fig.2 Proportions of rice-crayfish area in the main rice-crayfish producing areas of Hubei Province in 2019

2.1.2 稻虾种养对水稻种植面积与产量的影响

湖北省稻虾主产区稻虾种养面积与水稻种植面积之间呈显著正相关(图3)。通过10年统计年鉴分析表明(表1), 潜江市、荆州市和湖北省水稻种植面积和产量都呈现出明显的增长趋势, 与2010年相比, 2019年潜江市、荆州市和湖北省水稻种植面积分别增加77.77%、16.23%和12.20%, 水稻总产量分别提高68.12%、16.61%和20.49%。可见, 各区域水稻总产量的增加主要归因于水稻种植面积的增加, 而稻虾模式的推广提高了农民种稻积极性, 导致水稻种植面积增加。

图3 湖北省稻虾主产区水稻种植面积与稻虾种养面积关系(2010—2019年)Fig.3 Relationship between rice planting area and rice-crayfish area in the main rice-crayfish producing areas of Hubei Province from 2010 to 2019

表1 湖北省稻虾主产区近10年水稻种植面积与总产量Table1 Rice planting areas and total yields in the main rice-crayfish producing areas of Hubei Province in recent 10 years

2.1.3 稻虾主产区夏粮面积与产量

10年统计年鉴数据分析表明, 潜江市、荆州市、湖北省夏收粮食[ 小麦()]播种面积都呈现先增加后降低的趋势, 与2010年相比, 潜江市夏粮种植面积基本持平, 但荆州市增加40.21%。从全省范围来看, 近10年夏粮种植面积基本维持在同一水平, 变化不大。潜江夏粮产量降低7.44%, 荆州市、湖北省夏粮产量分别提高29.08%和8.65%。湖北省夏粮产量并未随着稻虾种养面积的扩大而呈下降趋势, 反而表现出先增后减的趋势, 2013−2016年维持较高的产量水平(表2)。

表2 湖北省稻虾主产区近10年夏粮面积与夏粮总产量Table2 Summer grain areas and total summer grain yields in the main rice-crayfish producing areas of Hubei Province in recent 10 years

2.2 定位试验分析

从潜江稻虾试验点2016—2020年的产量数据可以看出: 在不考虑养殖沟占比的情况下, 稻虾种养田的水稻产量明显高于水稻单作, 近5年平均高出17.63%。当养殖沟面积被纳入计算时, 稻虾种养下水稻产量比水稻单作分别低7.43%、4.28%、6.56%、10.39%和7.88%, 差异达显著水平。由于本试验田为小区试验, 四周开2 m的养殖沟, 沟占比过大(21.20%)导致水稻产量受到影响, 可见, 在实际生产中, 控制养殖沟比例是保证水稻产量的重要因素(表3)。

表3 稻虾长期定位试验各年水稻产量Table3 Rice yield in each year of long-term rice-crayfish experimental site t∙hm−2

2.3 调研数据分析

针对鄂东沿江平原、鄂中北丘陵、江汉平原的农户调研可得(表4): 在考虑养殖沟对水稻产量的影响时, 3个地区水稻产量都低于稻田单作, 其中鄂东沿江平原稻虾种养模式水稻产量比传统稻田单作低4.46%, 差异不显著。而江汉平原、鄂中北丘陵稻虾种养模式水稻产量比传统稻田单作分别低25.16%和52.59%, 差异均达显著水平(<0.05)。不同区域小龙虾产量比较表明: 江汉平原地区的小龙虾产量分别是鄂东沿江平原、鄂中北丘陵的1.69倍和1.64倍。

表4 2018年湖北省稻虾产区水稻和小龙虾产量Table4 Rice and crayfish yields in the rice-crayfish producing areas of Hubei Province in 2018 t∙hm−2

湖北省稻虾主产区养殖沟平均占比为13.42%。养殖沟占比()与水稻产量之间呈显著负相关(图4A), 同时对水稻产量影响显著(图4B)。不同之间水稻产量差异明显: 与10%<<20%和≥20%相比,≤10%条件下水稻产量分别高15.97%和45.51% (<0.05)。与传统稻田单作(CK)相比,≤10%、10%<<20%和≥20%条件下水稻产量降低值分别为0.38 t∙hm、1.34 t∙hm和2.56 t∙hm, 产量降低比例分别为5.21%、18.19%和34.81%, 其中≤10%条件下, 水稻产量与CK差异不显著。

图4 稻虾种养田养殖沟比例(G)与水稻产量关系(A)和不同养殖沟比例下水稻的产量(B)Fig.4 Relationship between proportion of culture ditch (G)and rice yield (A) and rice yield under different proportions of culture ditch (B) of the rice-crayfish field

3 结论与讨论

3.1 稻虾种养对水稻单产的影响

本研究表明: 稻虾种养模式在忽略养殖沟影响下, 与传统单作相比水稻单产增加17.63%。并且这部分提升作用能够弥补养殖沟不超过10%时所造成的产量损失。但是当养殖沟比例在10%到20%之间、甚至超过20%时, 稻虾模式的增产作用无法弥补沟占比扩大带来的产量损失, 导致水稻减产明显, 分别降低18.19%和34.81%。同时, 调研数据显示, 湖北省稻虾主要产区养殖沟占比平均值为13.42%。Hu等通过稻鱼系统的研究得到相同结论: 沟坑占比在10%以内, 同时水产动物控制在稻田环境容纳的阈值之内时, 不会导致水稻的减产。

3.2 稻虾种养对粮食总产量的影响

稻虾种养一定程度上促进了水稻种植面积的扩大, 增加了水稻总产量。在此基础上并未对夏粮(小麦等)产量造成明显不利影响。2019年稻虾种养面积接近全省稻田面积的1/5, 随着稻虾种养模式的扩张, 潜江市和湖北省水稻种植面积也随之增高77.77%和12.20%。从湖北省近10年粮食产量数据上可以看出, 除个别年份外(2016年、2019年), 水稻总产都呈现逐年增加的趋势。全省夏粮食产量虽然至2016年开始呈现下滑趋势, 但对比2010年都有明显的提升。并且夏粮面积保持稳定, 甚至在荆州地区增加40.21%。主要原因可能有: 1)适合发展稻虾种养的地区往往水资源充沛, 夏粮作物在该地区表现出不适性, 在传统稻田模式中表现为冬闲田; 2)稻虾种养模式具有较高的经济效应, 吸引了大批的农民及其他从业者投身稻虾种养行业, 从而把非粮食作物用地、撂荒田转变成了稻田。在目前全省的发展程度来看, 还未影响夏粮的生产, 但是若是继续大规模在非优势地区推广, 可能存在威胁夏粮产量的风险。合理适度地发展稻虾种养, 有利于提高了耕地的利用率, 促进耕地类型向着粮食用地的转变, 提高农民的种稻积极性。

3.3 稻虾种养发展存在地域性差异

稻虾种养在不同地域表现出明显的差异。首先从湖北省不同地区来看, 稻虾种养模式对鄂东沿江平原、江汉平原、鄂中北丘陵地区的影响差异显著。江汉平原地区作为最早发展稻虾种养的地区, 由于当时相关田间结构标准的不够完善, 稻虾种养田沟坑面积为17.63%, 远高于标准, 导致水稻产量降低。随后的沿江平原地区, 稻虾种养相关标准执行的较为严格, 水稻产量有所提升。而鄂中北丘陵地区, 地下水位较低, 水分涵养功能较弱, 稻虾种养模式在该区域表现了一定的不适性, 为满足小龙虾的生长需求, 养殖沟占比达25.63%, 因而水稻减产显著。因此以当地的自然环境条件为参考, 因地制宜地发展该模式才能起到保障粮食安全的作用。在鄂中北丘陵地区调查数据有限, 是否能准确代表当地水平需要进一步验证。

4 稻虾种养发展建议

4.1 保障水稻产量, 因地制宜发展稻虾模式

为保障稻田水稻产量, 应严格按照养殖沟占比不超过10%的标准执行。唐建军等对沟占比10%条件下如何设置沟的宽度进行了深度详细的说明, 可供参考。根据不同区域的资源特点、立地条件差异, 选择相应的稻虾种养方式, 进行相应的田间结构建设。对于单块稻田面积大、水资源丰富的低湖平原区, 可采用宽沟的稻虾共作模式; 而对于丘陵区及水资源不丰富的地区, 则可采用生态池模式, 发展稻虾连作或小龙虾繁养分离模式。

4.2 坚持集约化发展, 推动稻田种养产业的规模化和机械化

随着稻田种养面积的不断扩大, 可把稻田种养基地建设纳入农田基本建设中, 高起点、高标准做好农田水利基础建设。同时加快农艺农机的配套性研究, 开展专项配套技术研究, 研制适宜稻虾种养稻田水稻生产机具和渔产品捕捞设备, 推动稻田种养的机械化和规模化发展, 符合现代农业的发展方向。

4.3 坚持优质、绿色发展, 提升稻渔产品质量和品牌

加强优质水稻和小龙虾品种选育、开发和应用, 坚持全程绿色生产的原则, 建立“双水双绿”稻虾种养技术体系, 生产绿色水稻和绿色小龙虾, 优化稻田生态环境, 并利用“互联网+”电商模式打造品牌文化效应, 实现水稻和小龙虾产品的优质优价, 达到水稻、水产产业和生态环境的共赢。