江汉平原典型稻虾综合种养模式氮磷流失特征及风险

摘要：选择江汉平原稻虾综合种养典型区域湖北省潜江市浩口镇作为研究区，研究单一稻作（RM）、稻虾共作（RCC）、稻虾共生（RCS）3种典型模式稻季氮磷流失特征及其风险。田间原位监测表明，RCS田面水水位显著高于RM和RCC（P<0.001）；全生育期田面水总氮（TN）平均浓度表现为RCC［（4.44±6.61） mg/L］>RM［（3.23±5.54） mg/L］>RCS［（2.95±4.71） mg/L］，总磷（TP）平均浓度表现为RCC［（0.38±0.46） mg/L］>RCS［（0.37±0.42） mg/L］>RM［（0.22±0.26） mg/L］。RCC、RCS模式TN流失负荷分别是RM模式的1.39、1.19倍，TP流失负荷分别是RM模式的2.19、10.16倍；整体上，稻虾综合种养模式的氮磷流失负荷大于单一稻作。RM、RCC氮磷流失关键期为施肥后1周与降雨的耦合期，RCS氮磷流失关键期为成虾收获排水期。影响RM、RCC、RCS模式氮磷流失的关键影响因素分别是降雨、施肥，降雨、投饵、频繁的人为灌排水，高水位运行、成虾收获期人为排水。

关键词：稻虾综合种养模式；农业面源污染；氮磷流失；江汉平原

中图分类号：X71；X52 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）09-0028-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.09.006 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Characteristics and risk of nitrogen and phosphorus losses of typical rice-crayfish farming patterns in the Jianghan Plain

ZHANG Yi-jie1，2，3， ZHUANG Yan-hua1，2，3， ZHANG Qin-jing1，2，3， ZHANG Liang1，2，3， ZHANG Fu-lin4，5

（1. Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology/Hubei Provincial Engineering Research Center of Non-Point Source Pollution Control， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430077， China； 2. Key Laboratory for Environment and Disaster Monitoring and Evaluation， Hubei/Jianghan Plain-Honghu Lake Station for Wetland Ecosystem Research， Wuhan 430077， China； 3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China； 4.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China； 5.Qianjiang Agricultural Environment and Cultivated Land Conservation Scientific Observation and Experiment Station， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Qianjaing 433116， Hubei， China）

Abstract：Houkou Twon， Qianjaing City， Hubei Province， a typical area of rice-shrimp integrated farming in Jianghan Plain， was selected as the study area to reveal the characteristics and risk of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） losses in rice season under three typical patterns of rice monoculture （RM）， rice-crayfish coculture （RCC） and rice-crayfish symbiosis （RCS）. The results of the field in situ monitoring indicated that the surface water level in RCS was significantly higher than that of RM and RCC during the whole growth period （P<0.001）. Additionally， the average TN concentration was highest in the RCS ［（4.44±6.61） mg/L］， followed by RM ［（3.23±5.54） mg/L］ and RCC ［（2.95±4.71） mg/L］； the average TP concentration was highest in RCC ［（0.38±0.46） mg/L］， followed by RCS ［（0.37±0.42） mg/L］ and RM ［（0.22±0.26） mg/L］. TN loss loads of RCC and RCS were 1.39 and 1.19 times of RM， respectively； and the TP loss loads of RCC and RCS were 2.19， 10.16 times of RM. Overall， the loss loads of the rice-crayfish farming patterns were higher than those of the rice monoculture pattern. The critical periods for TN and TP loss in RM and RCC were the coupling period of the 1 week after fertilization and the rainfall， and the critical periods in RCS were during the drainage period for shrimp harvesting. In RM， the critical factors affecting the TN/TP loss were rainfall and fertilization； in RCC， the critical factors were rainfall， shrimp bait use and frequent anthropogenic drainage； in RCS， the water management with high surface water level and the anthropogenic drainage during the shrimp harvest were the critical factors.

Key words： rice-crayfish farming pattern； agricultural non-point source pollution； nitrogen and phosphorus losses； Jianghan Plain

稻虾综合种养是将水稻种植与克氏原螯虾共作/轮作所形成的互利共生的生态农业模式，在促进稳产稳收、实现传统农业升级的同时，可提高土壤肥力，已成为推动农业绿色发展和乡村振兴的主导模式［1］。2014年后，湖北省稻虾综合种养规模快速扩增，呈现“井喷式”发展，至2022年湖北省小龙虾养殖产量达113.83万t，占全国总产量的39.38%，排名全国第一［2，3］。目前，稻虾综合种养已发展出稻虾轮作、稻虾共生、一稻三虾、稻虾蟹、稻虾鳖、稻虾鱼、稻虾鳅等多种模式，普遍具有显著的增产、增收效果［4］。

稻虾综合种养模式下小龙虾产值为水稻产值的1.7～2.6倍，目前普遍存在重虾轻稻、过度投喂、虾沟盲目扩张等问题，加上水肥利用效率不高，导致稻虾综合种养表现出非共生模式［5-7］。现有稻虾综合种养研究多集中在稻虾生长品质、经济效益、生物多样性、水肥利用等方面，有关稻虾综合种养导致的生态环境风险的研究相对较少［4，8-14］。稻虾共作模式下小龙虾饲料投入、排泄物和觅食、挖穴活动及水肥管理等通过改变氮磷源头输入、灌排操作与增加土壤环境扰动等导致其流失特征有别于单一稻作［15，16］。部分研究表明，稻虾轮作模式虾季田面水总氮（TN）、总磷（TP）浓度均低于稻季，排水量是稻季的1.3倍，稻季和虾季TN、TP流失负荷各占50%［17］；稻虾共作模式提高了田面水pH、色度、总溶解固体含量、电导率、氧化还原电位和TP浓度，降低了水体溶解氧的含量，氮（N）和磷（P）表观损失量较中稻模式分别增加10.2 kg/hm2和1.0 kg/hm2［16，18，19］。目前稻虾综合种养模式众多，关于多种模式氮磷流失特征对比及其关键期和关键影响因素分析的研究还较有限。相较于经济效益，稻虾综合种养的生态环境效应同样是影响其可持续发展的关键。

本试验以江汉平原典型稻虾综合种养模式为研究对象，拟通过田间原位监测和负荷估算，对比研究区2种典型稻虾综合种养模式（稻虾共作、稻虾共生）和单一稻作氮磷流失特征及其差异。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在湖北省潜江市浩口镇柳洲村（112°37′E，30°23′N）。该地处于江汉平原腹地，属于北亚热带季风湿润型气候，雨热同期，年均气温16.1 ℃，无霜期250 d，年均降雨量1 100 mm。土壤类型为长江冲积物母质发育而成的潮土型水稻土，属于典型的南方水网区。

湖北省潜江市是稻虾连作的发源地，也是稻虾共作的创新地，独特的气候和丰富的水资源十分适合小龙虾的大规模养殖，全市开展的稻田综合种养面积占全部水稻种植面积的75%以上［20-22］。

1.2 试验设计

试验共设置3个田间处理，分别对应单一稻作（RM）、稻虾共作（RCC）、稻虾共生（RCS）3种典型模式，试验期为2022年6—9月。研究区及试验点位分布见图1。

田间管理为当地农民习惯操作，3种处理的田间操作分别如下：①RM为中稻，面积为0.11 hm2；田面水水位在返青期保持在0～5 cm，分蘖期保持在0～13 cm、后期晒田排水，拔节孕穗期为0～11 cm，灌浆期为0～10 cm，收获期逐渐降低水位保持在1～3 cm、自然落干。②RCC为种植5年的稻虾共作田，稻田中间种植水稻，四周挖梯形环沟作为小龙虾养殖沟，长285 m、上口宽3 m、底宽0.9 m、深0.9 m；面积0.31 hm2，田沟面积比为7∶3；稻田堤坝周围用聚乙烯网膜作为防逃网；养殖沟中小龙虾为上一季自留虾苗，小龙虾在养殖沟内生长活动，田间水分管理同RM，养殖沟水位长期保持在30～50 cm。③RCS，面积为0.54 hm2，田沟面积比为7∶3；水稻返青后将虾苗投放稻田，稻田堤坝周围用聚乙烯网膜作为防逃网，水稻插秧后虾苗投放前田面水位为10～20 cm，投放虾苗后逐渐加深至30～50 cm。3种处理灌溉水均取自周边沟渠。

3种模式养分投入（表1）具体措施为：RM为6月3日抛秧，6月18日和7月6日施蘖肥和追肥，蘖肥施用复合肥（N、P2O5、K2O含量分别为26%、10%、15%，下同），追肥施用尿素，P肥、K肥作为蘖肥一次性施用；RCC为6月13日插秧，6月14日、27日施底肥和蘖肥，底肥施用复合肥，追肥为尿素和复合肥混施，N肥用量以基肥∶蘖肥=6∶4的比例施用，每天18：00左右向养殖沟投喂3.0～3.5 kg小龙虾专用饲料（粗蛋白质含量32%）；RCS，6月9日插秧和施肥，底肥为尿素和复合肥混施，N肥、P肥和K肥全部基施，6月13日、14日全田分批投放虾苗140.0、109.5 kg，6月14—18日、19—24日、24日后每天18：00左右分别施小龙虾专用饲料10、15、20 kg/d，小龙虾饲料为正邦牌虾饲料，TP含量≥1%。

1.3 监测内容与方法

分别对3块试验田进行田间原位监测，在施肥、投饵、降雨、灌溉和排水等农事操作时监测水位，并同步采集水样。每次降雨、灌溉、排水前后记录稻田和养殖沟的水位，灌溉量和排水量采用差减法计算，降雨量由Dynamet科研级自动气象站（Dynamet 2）计量；在进出水口采集灌溉、排水样，在试验期间利用干净烧杯/SDM6型雨量器收集降雨样品，取每次降雨的全过程样（降雨开始至结束）；施肥后7 d内每天采集田面水水样并同步监测水位，施肥7 d后每3 d采样监测1次；用50 mL医用注射器在试验田采集3个点的混合水样，注入100 mL采样瓶，所有水样采集后立即带回实验室分析。水样TN、TP浓度分别采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定。

1.4 数据计算与处理

1.4.1 TN、TP流失负荷计算

1）RM的TN、TP流失负荷计算。RM四周田埂约为10 cm，排水分为人为排水和降雨自然溢流两种方式。人为排水时TN、TP流失负荷计算分别见式（1）、式（2）。

[QRM=S×（h前-h后）] （1）

[LRM，r=in（Ci×QRM，i）S] （2）

式中，QRM为主动排水时排水量；S为RM试验田面积；h前、h后分别为排水前、后田面水水位；LRM，r为主动排水时TN或TP流失负荷；QRM，i为第i次完整人为排水量；Ci为单次排水事件排水样TN或TP浓度；i为一次完整排水事件，n为排水事件总数。

自然溢流时TN、TP流失负荷计算见式（3）。

[LRM，p=im（CRM，t-1×hRM，t-1+Cp，t×hp，t-CRM，t×hRM，t）]

&nbsp; （3）

式中，LRM，p为降雨溢流时TN、TP流失负荷；CRM，t-1、CRM，t分别为RM处理第t次降雨前、后田面水TN或TP浓度；hRM，t-1、hRM，t分别为第t次降雨前、后田面水水位；Cp，t为第t次降雨样中TN或TP浓度；hp，t为第t次降雨量；i为一次溢流事件；m为溢流事件总数。

2）RCC的TN、TP流失负荷计算。RCC几乎不产生溢流，均由人为控制排水口排水，人为开放排水管排水一次为一次径流。排水分为稻田排水、养殖沟排水和全田排水3种方式。稻田、养殖沟、全田排水时排水量计算分别见式（4）、式（5）、式（6），TN、TP流失负荷计算见式（7）。

[QRCC，paddy=Spaddy×（h前-h后）] （4）

[QRCC，ditch=（A前-A后）×l] （5）

[QRCC=QRCR，paddy+QRCR，ditch] （6）

[LRCC=in（Ci×QRCC，i）S] （7）

式中，QRCC，paddy为稻田排水时排水量；Spaddy为RCC稻田面积；h前、h后分别为稻田排水前、后田面水水位；QRCC，ditch为养殖沟排水时排水量；A前、A后分别为排水前、后养殖沟横截面积；l为养殖沟长度；QRCC为全田排水时排水量；LRCC为TN或TP流失负荷；QRCC，i为第i次完整人为排水量；Ci为单次排水事件排水样TN或TP浓度；S为RCC全田面积；i为一次完整排水事件；n为排水事件总数。

3）RCS的TN、TP流失负荷计算。RCS几乎不产生溢流，排水同RCC的人为排水情况，排水量计算见式（8），TN、TP流失负荷计算见式（9）。

[QRCS=S×（h前-h后）] （8）

[LRCS=in（Ci×QRCS，i）S] （9）

式中，QRCS为主动排水时排水量；S为RCS全田面积；h前、h后分别为排水前、后田面水水位；LRCS为TN、TP流失负荷；QRCS，i为第i次完整人为排水量；Ci为单次排水事件排水样TN、TP浓度；i为一次完整排水事件；n为排水事件总数。

1.4.2 TN、TP浓度衰减率计算 TN、TP浓度在施肥后第一天达到峰值，在水稻吸收和土壤吸附等作用下，TN、TP浓度逐渐衰减［23］。衰减率以施肥后第一天浓度衰减的百分比计算，见式（10）。

[R=Ci-C1Ci×100%] （10）

式中，R为TN、TP衰减率；Ci为施肥后第i天田面水TN、TP浓度；C1为施肥后第一天田面水TN、TP浓度。

1.4.3 数据处理与分析 本研究共获取了试验田 6—9月水位、TN浓度、TP浓度、日尺度降雨数据；采用Excel 2016软件进行水位、浓度数据整理；采用SPSS 26.0软件对试验田6—9月水位进行差异性检验；基于水量平衡原理和式（1）至式（9）进行TN、TP流失负荷计算；运用ArcGIS10.2.2、Origin 2023b软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 3种模式田面水水量动态变化

生育期试验田田面水水位动态变化见图2，灌溉、降雨、排水和施肥等事件是影响田面水水位的主要因素，RM、RCC和RCS田面水水位在0～13 cm、0～18 cm和0～55 cm，RCS田面水水位显著高于RM、RCC处理（P<0.001），RM和RCC间差异不显著。RCS通过保持较高水位调节水温，以缓解小龙虾对水温变化的应激反应［24，25］，后期由于收获成虾和水稻收割排水导致田面水位瞬时下降（图2c）。RM、RCC、RCS在整个水稻生育期共灌溉5、10、7次，排水3、5、9次，RCC和RCS灌排相较于RM更为频繁；RCC、RCS灌溉量分别是RM处理的1.31、2.53倍，排水量分别是RM处理的1.04、3.34倍，RCC和RCS相较于RM均增加了灌溉量和排水量。

2.2 3种模式田面水TN、TP浓度动态变化

田面水是氮磷流失的起点，其氮磷浓度可以表征氮磷流失风险［26］。由图3可知，RM、RCC、RCS田面水TN浓度分别为0.09～20.23 mg/L、0.27～25.44 mg/L、0.32～21.14 mg/L。3种模式田面水TN浓度的变化趋势基本一致，均在施肥后1～2 d浓度达到峰值。第一次施肥后，RM、RCC、RCS田面水TN浓度峰值分别为20.23、25.44、20.86 mg/L，且在施肥后第七天衰减率分别达86.15%、88.38%、87.27%；追肥后，RM、RCC田面水TN浓度峰值分别为19.63、18.53 mg/L；因未追肥，RCS田面水TN浓度逐渐降低。RCS田面水TN平均浓度最低，为（2.95±4.71） mg/L，这是由于RCS的全生育期施氮量最少；RM田面水TN平均浓度为（3.23±5.54） mg/L，低于RCC的（4.44±6.61） mg/L，这是由于RCC频繁施用虾饲料及小龙虾的扰动，导致TN浓度高于RM［27］。

由图4可知，RM、RCC、RCS田面水TP浓度分别为0.01～1.13 mg/L、0.01～2.26 mg/L、0.02～2.43 mg/L；磷肥是田面水TP的主要来源［28］，RCC和RCS的TP浓度均在施磷肥后2 d内达到峰值，分别为2.26、2.42 mg/L。RM和RCC均在施用氮肥后TP浓度有所升高，一方面，施肥对土壤的扰动导致吸附态磷素的释放［29］；另一方面，氮肥投入通过刺激磷酸酶活性提高了土壤有机磷矿化度，从而增加了土壤无机磷含量［30-32］。全生育期TP平均浓度（0.33 mg/L）显著小于TN（3.51 mg/L），更易受灌溉、虾苗投放、小龙虾活动扰动以及投饵等多因素影响［33］，整体波动较为明显。RCC和RCS田面水TP平均浓度分别为（0.38±0.46） mg/L、（0.37±0.42） mg/L，高于RM田面水TP平均浓度［（0.22±0.26） mg/L］，且RCS与RM差异显著（P<0.05），施肥、持续的饲料投入和小龙虾活动扰动共同影响磷素输入和释放，进而导致RCC和RCS田面水TP浓度偏高［33， 34］。

2.3 3种模式TN、TP流失负荷及其流失关键期

为了估算3种模式氮磷流失负荷并识别流失关键期，对稻季自然降雨溢流和人为排水导致的排水事件进行水量水质监测（图5、图6）。RM、RCC、RCS分别产流3、7、4次，TN流失负荷由高到低依次为RCC（4.27 kg/hm2）、RCS（3.65 kg/hm2）、RM（3.07 kg/hm2），TP流失负荷由高到低依次为RCS（1.77 kg/hm2）、RCC（0.38 kg/hm2）、RM（0.17 kg/hm2）。由此可见， 2种稻虾综合种养模式下的氮磷流失风险均大于单一稻作模式。

RM的TN流失负荷表现为6月19日（2.12 kg/hm2）>7月5日（0.68 kg/hm2）>7月21日（0.27 kg/hm2），TP流失负荷为7月5日（0.08 kg/hm2）>6月19日（0.06 kg/hm2）>7月21日（0.03 kg/hm2）。RM在3次产流期间，降雨量分别为56、36、96 mm。6月19日，产流发生在施蘖肥后1 d，导致氮磷流失较高；7月21日降雨量大，但田面水TN、TP浓度（0.45、0.05 mg/L）偏低，导致氮磷流失负荷较少［35］。密集降雨叠加施肥后的高浓度田面水导致氮磷流失集中发生在分蘖期［36，37］，分蘖期TN、TP流失负荷分别占总负荷的91.21%和82.35%。降雨和施肥叠加是RM氮磷流失的关键因素。

RCC的TN、TP流失负荷均表现为6月19日（2.12、0.19 kg/hm2）和6月21日（1.12、0.11 kg/hm2）远高于其余时间。高田面水水位（9 cm）叠加暴雨（56.63 mm）是导致6月19日和21日排水量较大的原因，其排水量分别为219.90、121.70 m3。RCC田面水分管理为浅湿灌溉模式，分蘖初期田面实行浅水层和湿润交替管理，田面水水位维持在1～3 cm，6月21日将田面水完全排干导致排水量较大。RCC氮磷流失主要发生在分蘖期，TN、TP流失负荷分别占总负荷的76.08%和77.61%。RCC排水事件为降雨及灌溉后人为主动排水，降雨和施肥叠加以及相对频繁的灌排水操作是导致RCC氮磷流失的关键因素。

RCS的TN流失负荷表现为8月13日（2.76 kg/hm2）>8月7日（0.72 kg/hm2）>7月9日（0.10 kg/hm2）>9月5日（0.07 kg/hm2），TP流失负荷表现为8月7日（1.35 kg/hm2）>8月13日（0.41 kg/hm2）>9月5日（0.01 kg/hm2）>7月9日（0.00 kg/hm2），4次排水事件均为人为主动排水。TN、TP流失负荷表现为8月7日和13日远大于其他两次，其TN、TP流失负荷分别占总负荷的95.34%和98.88%。8月7日和13日成虾收获期间，稻田和养殖沟水位分别由捕虾前的42、86 cm降至捕虾后的10、51 cm。小龙虾收获导致的大量人为排水是RCS氮磷流失的关键因素。

3 小结

本研究通过稻季的田间试验监测稻虾综合种养模式和单一稻作模式的田面水水量水质动态变化，分析氮磷流失特征，识别氮磷流失关键时期及关键影响因素。

1）稻虾综合种养灌排水量均明显高于单一稻作。稻虾共作模式和稻虾共生模式田面水灌溉量分别是单一稻作的1.31、2.53倍，排水量分别是单一稻作的1.04、3.34倍。

2）施肥和投饵是影响田面水TN、TP浓度的主要因素，全生育期TN平均浓度表现为稻虾共作模式［（4.44±6.61） mg/L］>单一稻作模式［（3.23±5.54） mg/L］>稻虾共生模式［（2.95±4.71） mg/L］，全生育期TP平均浓度表现为稻虾共作模式［（0.38±0.46） mg/L］>稻虾共生模式［（0.37±0.42） mg/L］>单一稻作模式［（0.22±0.26） mg/L］。

3）相较于单一稻作，稻虾综合种养增加了TN、TP流失负荷，流失风险更大。全生育期稻虾共作模式和稻虾共生模式TN流失负荷分别是单一稻作的1.39、1.19倍，TP流失负荷分别是单一稻作的2.24、10.41倍。

4）单一稻作、稻虾共作模式氮磷流失关键期为稻季施肥后1周与降雨的耦合期，稻虾共生模式氮磷流失关键期为成虾收获排水期。单一稻作、稻虾共作、稻虾共生模式氮磷流失的关键影响因素分别是降雨、施肥，降雨、投饵、频繁的人为灌排水，高水位运行、成虾收获期人为排水。

稻虾综合种养模式的水分管理、肥料和饲料等种养模式存在显著差异，导致一系列生态环境问题，包括氮磷流失、抗生素残留、重金属污染、温室气体排放等，其生态环境效应有待从机理、评估方法和防控措施等多方面开展系统、深入研究。

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收稿日期：2024-07-02

基金项目：湖北省自然科学基金项目（2021CFA083；2024AFA020）；国家自然科学基金项目（U21A2025）

作者简介：张怡杰（1998-），女，山西临汾人，在读硕士研究生，研究方向为面源污染监测与防治，（电话）15934511561（电子信箱）zhangyj@apm.ac.cn；通信作者，庄艳华，研究员，主要从事农业面源污染、流域水环境演变、农田面源与温室气体协同减排研究，（电子信箱）zhuang@apm.ac.cn。

张怡杰，庄艳华，张沁菁，等. 江汉平原典型稻虾综合种养模式氮磷流失特征及风险［J］. 湖北农业科学，2024，63（9）：28-34．