稻田饲养动物的生态经济效应及其应用前景

发布时间：2016-10-10 07:14

  本文关键词：稻田饲养动物的生态经济效应及其应用前景，由笔耕文化传播整理发布。

第13卷第4期2015年8月

湿地科学

WETLANDSCIENCE

Vol.13No.4August2015

稻田饲养动物的生态经济效应

及其应用前景

郑华斌1,2,3，贺慧2,3,4，姚林2,3,4，刘建霞2,3,4，黄璜1,2,3*

(1.南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙410128；2.湖南农业大学农学院，湖南长沙410128；3.农业部华中地区作物栽培科学观测实验站，湖南长沙410128；

4.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙410128)

摘要：总结和归纳已有的研究成果，阐明了饲养动物在稻田生态系统中的生态经济效应、现有生态种养技术急需克服的关键技术及其发展动态；展望了饲养动物在水稻生产过程中的应用前景。稻田饲养动物有利于改善稻田生态系统的水体和土壤环境和提高生物多样性，使整个系统所受的人为干扰减少，自然属性提高。未来稻田种养系统需要加强高位虫害防治和减少生态种养技术的需水量，进一步促进种养技术的发展最重要的是推广和传播问题。关系统

中图分类号：S966

文献标识码：A

文章编号：1672-5948(2015)04-510-08

键

词：生态高值；模拟模型；稻鸭共生生态系统；稻鱼共生生态系统；稻蟹共生生态系统；稻泥鳅共生生态

农业生态系统(agro-ecosystem)是以农作物为核心，人为地对自然生态系统进行改造而建立起来的新的生态系统。人类为了收获更大的经济效益，通常大面积种植单一品种的作物，人为排除其他植物种类的竞争，以提高作物的产量，结果导致系统中群落结构过于简单，群落的物种数和个体数(包括许多害虫、病菌的天敌)都比自然生态系统少，生物多样性较低。近50a来，农业生态系统生物多样性越来越低，管理措施越来越密集[2]，包括增施农药化肥和一年多熟等。由于人类对稻田生态系统的影响巨大[3,4]，如何维持稻田生态系统的稳定性与平衡性，保持稻田生态系统生产力的可持续性已成为重要问题。

提高生物多样性和减少人为干扰可能成为解决困境的关键之一。稻-鸭、稻-鱼和稻-鱼-鸭共生种养技术及其衍生的稻田生态种养技术的推广与应用，很好地解释了这个原理。本研究以稻田种养生态系统为出发点，从稻田土壤和水体、产量和品质、生物多样性以及经济效益4方面，详细阐

收稿日期：2015-01-26；修订日期：2015-05-20

[1]

述了饲养动物[鸭、鲫(Carassiusauratus)鱼、蟹

(crab)、泥鳅(Misgurnusanguillicaudatus)等]在稻田生态系统中的生态经济效应，以及现在生态种养技术需要克服的关键技术，提出了发展高生态值的生态种养系统，进一步发展和推广稻田生态系统，提高农民经济收入。

1饲养动物的稻田生态效应

1.1饲养动物后稻田土壤和水体的变化

在稻田生态种养系统中饲养动物后，动物在系统中自身活动和新陈代谢产生的分泌物和排泄物对生态系统产生扰动(图1)，特别是对土壤和水体的扰动最为明显。

由于稻田中鸭的自身活动，使土壤温度降低了0.05～0.8℃[5]，土壤氧化还原电位提高约24%[6]。通过饲养的动物在稻田里活动、摄食以及排泄粪便(如鸭每只每天平均排泄量约为0.12kg[7])，向稻田生态系统排放一定数量的氮、磷和钾，在一定程度上起到中耕和“不间断施肥”的效果[8]。这就为细菌、放线菌和霉菌等异养微生物的生长发育提供了

基金项目：“十二五”农业公益性行业项目(201203081)和湖南省研究生科研创新项目(CX2013B280)资助。作者简介：郑华斌(1982-)，男，湖南省永州人，博士研究生，研究方向为稻田农业生态。E-mail:zhhb107@126.com

*

通讯作者：黄璜，教授。E-mail:hh863@126.com

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郑华斌等：稻田饲养动物的生态经济效应及其应用前景

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碳源和能源，提高了土壤有机质和全氮含量[9]，同时，土壤容重、＜0.001mm微团含量和土壤分散

系数降低，＞0.25mm团聚体含量和土壤结构系

数上升。

图1饲养动物影响稻田土壤和水体模式

Fig.1Themodelforeffectsofsoilandwaterinpaddyfield

byrisinganimals

饲养动物对土壤酶活性、有机碳含量和呼吸作用也产生影响。研究表明，饲养麻鸭(Tadornasp.)和鲫鱼后，可分别提高稻田土壤脲酶活性13%和8%、土壤脱氢酶活性17%和13%以及土壤蛋白酶活性14%和10%[10]。在稻-蟹模式中，土壤总有机碳含量、活性有机碳含量、中活性有机碳含量、高活性有机碳含量和碳库管理指数分别比单一种植水稻提高33.4%、26.3%、35.5%、47.2%和25.8%，土壤过氧化氢酶、脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性分别比单一种植水稻提高12.9%、192.4%、120.8%和72.7%[11]；在稻-泥鳅模式中，土壤呼吸速率比单一种植水稻提高21.9%[12]。

饲养动物的活动及其新陈代谢也影响水体的溶氧量和养分。研究表明，稻-鱼和稻-鸭模式的稻田水体溶解氧含量分别比单一种植水稻增加56.0%[5,13,14]和54.0%[9]。溶氧量的增加既有利于鱼类生长，又改善了土壤通气状况，有利于水稻根系生长发育[9]。丁伟华等[15]的研究表明，当稻田养殖鱼类的目标产量为375kg/hm2时，养殖鱼类对水体化学需氧量、总氮、总磷和铵态氮含量的影响都没有显著性差异。当鱼类养殖密度提高(3000kg/hm2)，饲料投入量相应增加，稻-鱼系统水体的化学需氧量、总氮、总磷和铵态氮含量都增加。

动物的自身活动及其新陈代谢增加了土壤微

生物总量，其中，细菌数量最多、放线菌次之、真菌最少[16~18]；同时细菌与真菌比值升高[17~19]，土壤产甲烷菌种群数量减少[20]，硝化细菌数量增加[21]，反硝化细菌数量受到抑制[21]，进而提高了土壤微生物群落的碳源利用能力和整体代谢活性，增加稻田土壤微生物群落功能多样性[16,19]。

1.2饲养动物后水稻产量和品质的变化

稻田饲养动物后，其水稻产量和品质都发生了变化。水稻穗长、有效穗数、总粒数、实粒数等产量构成因素发生变化，并提高了光合作用率、水稻根系活力等，进而提高了水稻产量。研究表明，稻-鱼模式能促进水稻提早抽穗2～3d，分蘖期、孕穗期和抽穗期的株高比对照组分别高3.5%、20.6%和15.5%[22]；稻田养鸭后，水稻群体基部透光率、绿叶面积、叶片叶绿素含量和根系活力比对照组分别高41.5%、10.7%、17.8%、24.0%和15.7%，水稻增产4.9%[23]；稻田养鸭比常规农药区和对照区分别增产6.3%和17.2%[24]；稻田养鱼比常规农药区和对照区分别增产12.0%和21.5%[25]；稻-鸭生态种养的水稻理论产量和实际产量可分别提高12.5%和13.0%(表1)[26]。

研究表明，稻田养鸭和养鱼都能促进水稻对氮元素的吸收，总氮含量的实测值分别比对照组高24.4%和27.0%，并与土壤脲酶、脱氢酶和蛋白酶的含量负相关[10]。另据测定，稻米加工的出糙率、精米率、整精米率分别提高2.7%、1.5%和2.7%，蛋白质含量、胶稠度、氨基酸总量和必需氨基酸总量分别提高12.4%、11.5%、1.6%和1.0%，直链淀粉含量、碱消值、垩白率和铬含量分别降低6.6%、7.0%、7.6%和18.8%[26]；稻田养蟹后，稻米垩白度、直链淀粉含量比对照田分别下降31.3%和5.1%，蛋白质含量、胶稠度分别提高8.1%、11.68%[11]。可见，稻田饲养动物不仅可提高水稻产量，同时还能改善水稻的品质。因此，稻田饲养动物可以作为生产无公害稻米或有机稻米的重要措施之一。

稻田生态种养系统引入鸭、鱼、蟹等动物，通过动物的活动和捕食等活动达到消除杂草、减少病害和虫害的目的，可部分或全部取代现代水稻生产系统中通过农药和除草剂等手段对水稻的危害，减少稻田生态系统所受的人为干预，形成饲养动物与目标产物互利共生、与杂草、害虫相互竞争和捕食的新格局。饲养动物的引入，不但减轻化

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表1饲养动物后稻田水生生物、杂草、病虫害和蜘蛛的定量分析结果

Table1Theresultsofquantitativeanalysisofaquaticorganism,weeds,diseasesandpests,andaraneidbyrisinganimalsinpaddyfield

杂草(%)

Shannon群体均匀

度指数suppressalis)(Delphacidae)(Chilo纹枯病(Cicadellidae)(%)稻飞虱叶蝉

多样性指数二化螟蜘蛛数量病虫害(%)

参考文献

水生生物(%)

种养对

杂草密度物种丰富度

饲养动物

模式照(种类或品种)

生物量多样性

或数量下降值指数下降值

稻-鸭麻鸭(-17.0～-67.0)a(-4.0～-15.0)a曹凑贵等[24]

汪金平等[27]

王昌付等[37]

≈-50.0

-68.0～-98.0

稻-鸭麻鸭(-29.0～9.0)b(-11.0～6.0)b

稻-鸭

-62.5～-86.00.0～-67.0

-63.0～-78.0

-7.0～-89.0≈-12.0

12.0～20.0

麻鸭(-10.0～-55.0)c(-46.0～16.0)c

稻-鸭麻鸭魏守辉等[30]

-40.0～-62.0-73.0～-82.0

≈-86.0-5.0～64.0禹盛苗等[31]

湿

稻-鸭

-98.0

番鸭Cairna

moschata

地

稻-鸭

水

麻鸭杨治平等[25]

袁伟玲等[36]

稻-鱼稻

-57.0～-80.0-35.0～-50.0-59.0～-71.0-4.0～-23.0

鲫鱼34.0b(-2.0～36.0)b

科

单

稻-鱼一

-81.0～-86.0-34.0～-43.0-28.0～-41.03.0～6.0

鲤鱼Cyprinuscarpio

学

张丹等[33]

稻-鱼-

种

鸭

植鲤鱼-麻鸭

稻-蟹

中华绒螯蟹Eriocheirsinensis

-30.28

-81.07b李岩等[44]

稻-蟹中华绒螯蟹吕东锋等[45]

稻-蛙

美国青蛙Rananigromaculata

减少减少减少减少朱炳权等[46]

abc注：表示水生动物；表示水生藻类；表示底栖动物；-表示与对照相比减少。

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郑华斌等：稻田饲养动物的生态经济效应及其应用前景

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肥农药带来的环境污染，也提高了稻米品质，实现

水稻生产绿色、无公害。1.3饲养动物后稻田生物多样性的变化

稻田生态系统物种丰富。研究表明，南方稻田水体中有水生植物36种，藻类7门67属，底栖动物21种，，浮游动物77种[27]，杂草种类约有200余种，其中危害严重的有20余种[28]。稻田中普遍存在且危害严重的害虫有二化螟(Chilosuppressalissp.)、褐飞虱(Nilaparvatalugens)、白背飞虱(Sogatel?lafurcifera)、黑尾叶蝉(Nephotettixbipunctatus)和稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocismedinalis)[29]，病害有纹枯病、稻瘟病、恶苗病和稻曲病。由表1可知，饲养动物后，稻田可以产生以下生态效应：田间杂草密度降低50.0%～98.0%[25,30~35]，杂草的物种丰富度和Shannon多样性指数分别下降34.0%～86.0%和

绿藻、硅藻和原生动物的优势种0%～71.0%[30,33]；

群增长受到抑制，优势度下降，而裸藻和枝角类的优势度显著增加[24,36~38]；饲养动物同时影响稻田原生动物、水生动物、环节动物和节肢动物的多样性指数[24,37]；饲养动物能保护稻田里的圆蛛类、狼蛛类和跳蛛类等有益昆虫[31,32,39~41]，种群数量提高约60%[25]；稻飞虱、二化螟、叶蝉和纹枯病的发病率分别下降7.0%～89.0%、12.0%、73.0%～82.0%和40.0%～86.0%[25,31,39,40,42,43]。因此，稻田饲养动物后，并没有彻底消灭某一个物种，而是降低了优势物种的密度和数量，均衡各物种的密度和数量，最终实现人与自然和谐共处。

利用数学模型能更好地说明引入动物后，生态种养系统的环境容量、种群的自然增长率和种群数量的变化情况(表2)。

表2稻田生态种养系统的数学模型

Table2Mathematicalmodelintheplantingandbreedingsysteminthepaddyfield

种养系统稻-鸭稻-鱼稻-鱼稻-鱼-鸭稻-鱼-鸭

饲养动物(种类或品种)

麻鸭鲫鱼鲫鱼鲫鱼、麻鸭鲫鱼、麻鸭

模拟对象杂草群落蜘蛛总数纹枯病蜘蛛总数纹枯病

y=-0.306+169322e-1.983xNt=936.37/(1+e3.9799-0.1532t)

S=5.4511×10-6t4-8.0689×10-4t3+3.011×10-2t2-0.60827t+100.56Nt=893.81/(1+e3.6331-0.1373t)

S=2.553×10-9t6-7.0761×10-7t5+7.398×10-5t4

数学模型

参考文献魏守辉等[30]张艳等[47]刘小燕等[48]张艳等[47]刘小燕等[48]

注：y为杂草群落密度；x为稻鸭共作年限；Nt为蜘蛛种群数量；S为发病动态；t为移栽后天数。

稻田土壤的微生物数量、物种丰富度和均匀度受稻田引入动物的种类、数量和管理措施影响。研究表明，稻田养鸭(麻鸭)31d后，土壤中的细菌、放线菌、真菌数量分别比对照组高13.76%、86.76%和62.29%，而土壤微生物群落代谢功能多样性指数和均匀度指数，采用BiologGN和GP测试盘分别比对照组高2.22%、0.41%、1.09%和1.15%；稻田养鱼(鲤鱼)31d后，土壤中的细菌、放线菌和真菌数量分别比对照组高15.14%、26.47%和21.43%[20]。另有研究表明，稻田养鸭和稻田养鱼的土壤微生物氮元素含量分别比对照组提高8%和7%[10]；稻田养泥鳅促进土壤固氮菌、好气性纤维素分解菌、厌气性纤维素分解菌、硝化细菌、硫化细菌和氨化细菌的生长，分别比对照组提高43.57%、137.50%、20.80%、65.12%、92.29%和78.13%，但反硝化细菌和反硫化细菌减少29.75%

和49.61%[11]。

1.4饲养动物给稻田带来的经济效益

稻田饲养动物能获得较高的经济效益，但饲养动物的种类、放养数量、种养方式和技术不同，获得的利润也不同(表3)。从种养模式来看，稻田饲养鳖、蟹和虾等水产获得的利润较高，但鳖、蟹和虾对稻田水环境质量要求较严格，生产成本也较高，因而面临的风险也较大。从产投比来看，稻田饲养动物的产投比一般为1.30︰1～2.97︰1。

2稻田饲养动物急需解决的问题

防治高位虫害。在品种方面，水稻育种专家的目标已由过去单纯的提高产量向增强抗逆性和提升品质转变，新育成的品种虽然增产潜力有限[61,62]，但其抗病虫能力得到一定的提升。在物种多样性方面，稻田饲养动物后，改变了水稻植株的

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表3不同稻田种养系统的经济效益

Table3Economicbenefitofdifferentplantingandbreedingsystems

种养系统稻-鱼稻-鱼稻-鸭稻-鸭-泥鳅稻-鳖稻-鳖-鱼稻-鳖-鱼-虾稻-鳖-虾稻-蟹稻-蟹稻-蛙稻-蛙-鱼稻-鸡

投入(元/hm2)

水稻生产成本饲养成本

33104733—2524——6000353772280—27365—8250

570133547—7530——76647309557590—15826—123750

合计901138279135531005411791235250082647663329870340964319128695132000

稻谷1524844611020558917706——284705250—9687—18000

产出(元/hm2)饲养产品634.0285287890124230183720——11142815813—103748—153900

合计21549937321992129819201426474000239117139898210635182611343654240171900

利润(元/hm2)125385545363871956783513121500127065735661347317730702452554539900

产投比2.392.451.472.971.711.342.132.112.131.522.631.891.30

参考文献曹志强等[49]王庆保等[50]郑华斌等[51]宁理功[52]郑华斌等[51]蔡炳祥[53]王庆利等[54]马达文等[55]李书林[56]陈飞星等[57]吴建平[58]李学军等[59]宋永达等[60]

注：各项投入和产出数据根据参考文献原始数据折算为元/hm2。

病原菌寄生[63]，增强了植株的抵抗能力[63,64]，对作

物病、虫、草害产生了一定的抑制作用。水稻株高一般在0.9～1.5m，而饲养动物的防治范围一般在0.5m以下，超过这个范围，防控效果大大减弱。稻株0.5m以上的虫害主要为稻纵卷叶螟，农民主要采用喷药的方法防治。但在水稻孕穗、抽穗期喷施农药易造成残留，影响水稻品质。此外，还可采取放养赤眼蜂(Trichogrammasp.)的生物防治措施。赤眼蜂的放养数量和投放时间不易准确把握，每年都需重新投放，操作较为繁琐，目前尚未普及。因此，如何有效控制稻纵卷叶螟的危害尤其重要。本研究总结多年的生态种养实践认为，水稻生长发育后期，应采取生物与物理方法相结合的防治措施。生物方法应饲养野生禽类，或捕食能力更强的两栖类(如蛙类)；而物理方法则利用灯光和信息素等措施扰乱害虫的生活习性，也为饲养动物提供饲料。

减少生态种养技术的需水量。研究表明，部分灌溉条件较差的稻田，水稻产量低，严重制约了农业发展[65~67]。要在这样的稻田推广应用稻田饲养动物的技术模式，水是一个关键限制因素。随着全球气候变化，区域之间、季节之间和年际之间降水严重分布不均，导致伏秋干旱，甚至夏秋连旱，给生态种养系统带来了前所未有的挑战。因此，建立节水型生态种养模式，构建农业节水灌溉技术体系，是生态种养系统可持续发展的保障。

加强稻田种养系统模拟模型的研究与开发。

前人已在系统各个方面进行了详细的定量或定性分析，从不同角度阐明了饲养动物对种养系统的影响。然而，种养系统中土壤、水体、病、虫、草等生态因子间是相互作用、相互影响的，因此，为了准确地反映系统中生态因子间相互作用的量变过程，必须加强数学模拟模型研发，为进一步发展数字生态种养农业、信息生态种养农业打下基础。

3饲养动物在水稻生产中的应用前景

3.1提高双季稻稻田可持续生产能力

长江流域的双季稻产区中，中低产田约占总数的2/3，中低产田的增产潜力较大。目前，普遍认为采用秸秆还田、猪粪下田或种植冬季绿肥等措施，能有效地提高土壤肥力[68]。以鸭为例，每只每天排泄0.12kg，以放养时间为50d计算，共排泄6.0kg鸭粪，其中包含0.3kg氮，0.4kg有机碳和其他养分。因此，稻田饲养动物可使中低产的双季稻田在确保粮食产量的同时，增加其土壤肥力。3.2助推家庭农场的发展

种养结合是家庭农场必需的技术手段，大到农场尺度的种养链，小到田间尺度的立体种养。多年的生态种养实践结果显示，稻田饲养动物以1～10hm2为一个饲养单元为宜，不同动物的饲养单元大小不一。禽类的饲养单元应该较大，两栖类次之，鱼类最小。养殖方式上，禽类(鸭)和两栖

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