稻蟹共作模式生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

羅喜秀，李成芳*，陳 燦，何明鈺

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430070；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128）

稻蟹共生技術(shù)是一項(xiàng)以水稻為主體，利用河蟹的生活習(xí)性，在水稻田中投放適量的河蟹飼養(yǎng)，使生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益都得到顯著提升的新型生態(tài)種養(yǎng)模式［1］。水稻為河蟹提供空間和水體環(huán)境，而河蟹幫助水稻中耕松土，還為水稻除蟲(chóng)除草［2］。這一共作模式有效地將水稻種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)結(jié)合起來(lái)，充分利用物質(zhì)循環(huán)和能量守恒原理將生產(chǎn)者和消費(fèi)者緊密聯(lián)系起來(lái)，最后為農(nóng)戶帶來(lái)水稻和河蟹雙豐收［3］。隨著稻蟹共作模式這種新型稻田種養(yǎng)技術(shù)的興起，憑借其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，近年來(lái)在我國(guó)得以迅速發(fā)展。在整個(gè)生態(tài)環(huán)境中，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境扮演著至關(guān)重要的角色，由于稻蟹種養(yǎng)面積的不斷擴(kuò)大，使得研究其對(duì)田間生態(tài)環(huán)境的影響越來(lái)越關(guān)鍵。但是，目前與稻蟹田生態(tài)環(huán)境有關(guān)的報(bào)道比較單一，研究的內(nèi)容一般為單個(gè)的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，并沒(méi)有將各個(gè)生態(tài)指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行探討。本文主要從土壤、水環(huán)境和雜草防控三個(gè)方面對(duì)稻蟹共作模式下田間生態(tài)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以為稻蟹共作技術(shù)的研究利用和決策提供依據(jù)。

1 常規(guī)稻蟹與有機(jī)稻蟹

常規(guī)稻蟹和有機(jī)稻蟹都是稻蟹共作技術(shù)中不同的生產(chǎn)模式。常規(guī)稻蟹是指在單作水稻的基礎(chǔ)上引進(jìn)河蟹以達(dá)到生態(tài)種養(yǎng)的目的；而有機(jī)稻蟹則是為了使經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益達(dá)到最大化，在常規(guī)稻蟹的基礎(chǔ)上在養(yǎng)蟹田加入適量的有機(jī)肥，以便減少化肥的使用量和提高稻蟹的食用品質(zhì)。常見(jiàn)稻蟹共作模式的田間分布如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)稻蟹共作模式田間示意圖Fig.1 A field diagram of common rice crab co-patterns

2 生態(tài)效應(yīng)研究現(xiàn)狀

2.1 土壤方面

2.1.1 土壤理化性質(zhì)

（1）土壤pH。稻蟹共作模式中土壤pH相比單作水稻顯著降低。汪清等認(rèn)為導(dǎo)致土壤pH降低的原因是由于河蟹的糞便富含有機(jī)質(zhì)，使土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提高，從而促使土壤pH降低；并且由于河蟹對(duì)稻田雜草和藻類(lèi)生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，從而減少被相關(guān)雜草、藻類(lèi)及好氧生物的吸收，以至于抑制一定的CO2參與藻類(lèi)光合作用，最后達(dá)到降低土壤pH的效果［4］。

（2）土壤氮素。相對(duì)于不養(yǎng)蟹的稻田而言，此模式下土壤中的銨態(tài)氮（）含量顯著提高，而硝態(tài)氮（）含量變化不顯著。其原因，一是由于稻蟹共作長(zhǎng)期處于淹水環(huán)境，而隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)及土壤溫度的升高，進(jìn)一步提高了土壤礦化速率，加之水稻在返青期和分蘗初期對(duì)氮素需求量不大，致使積累量相應(yīng)增加［5］；二是與河蟹的糞便和覓食等活動(dòng)有關(guān)，河蟹的糞便富含，增加了稻田土壤氮素含量，并且河蟹的大范圍活動(dòng)使水體和土壤被翻動(dòng)，土壤的氧化還原作用被改善，稻田土壤氮礦化作用加強(qiáng)。

（3）土壤容重。稻蟹共作的土壤容重顯著低于單作水稻。土壤容重作為衡量土壤肥力狀況的重要指標(biāo)之一，其大小往往直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。與一般稻田不同，稻蟹田中的河蟹自主活動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)土壤起到一定的中耕松土作用，進(jìn)而降低了土壤容重。

（4）土壤質(zhì)地。相對(duì)于單作水稻田，稻蟹田中土壤粒徑＞0.2 mm 的團(tuán)聚體顯著增加，而粒徑＜0.002 mm的微團(tuán)聚體顯著減少，稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量顯著增多，團(tuán)聚化程度提高［6］。汪清等認(rèn)為由于河蟹的糞便和更換的蟹殼，使得土壤中有機(jī)質(zhì)含量明顯提高，從而使土壤團(tuán)聚體數(shù)量顯著增加，改善了土壤質(zhì)地［4］。

（5）土壤有效養(yǎng)分。稻蟹田土壤中的全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量都顯著高于單作水稻［7，8］。汪清認(rèn)為由于河蟹的存在，其覓食等活動(dòng)使得土壤不斷被攪動(dòng)，促進(jìn)了水稻對(duì)有效養(yǎng)分的吸收；且河蟹的糞便與甲殼是天然的有機(jī)肥，經(jīng)過(guò)土壤中相關(guān)微生物的分解，土壤中的有效養(yǎng)分顯著提高［4］。

2.1.2 土壤酶活性

過(guò)氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶及堿性磷酸酶是稻田中最常見(jiàn)的幾種酶，其活性大小往往直接或間接地影響著水稻的生長(zhǎng)發(fā)育和土壤的理化性質(zhì)。安輝等的研究表明，相對(duì)于單作水稻，常規(guī)稻蟹和有機(jī)稻蟹土壤中的過(guò)氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶及堿性磷酸酶活性都顯著提高，其中，有機(jī)稻蟹中的土壤酶活性明顯高于常規(guī)稻蟹，并且隨著有機(jī)肥施用量的增加，土壤酶活性提高的效果更明顯。這一方面可能是由于有機(jī)稻蟹模式施入的有機(jī)肥本身帶有外源酶，可為土壤生物創(chuàng)造良好的生活環(huán)境而有利于酶活性的提高；另一方面可能是有機(jī)稻蟹模式河蟹數(shù)量較多，相應(yīng)排泄物以及生長(zhǎng)期蛻殼數(shù)增加，也有利于提高土壤生物學(xué)活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤酶活性的提高［9］。另外，根據(jù)前人的研究結(jié)果可知，除土壤過(guò)氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性與堿性磷酸酶活性無(wú)顯著相關(guān)外，其他土壤酶活性間均呈顯著或極顯著正相關(guān)［10］。原因可能是因?yàn)橥寥乐写嬖谶@4種酶的某一相同底物，當(dāng)其中任意一種酶與底物結(jié)合后，釋放一種或多種信息物質(zhì)激活另外3種酶的活性。

2.1.3 根際微生物區(qū)系

土壤微生物是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)之一。水稻根際微生物具有多樣性，對(duì)水稻的生長(zhǎng)具有良好的促進(jìn)作用，并且對(duì)養(yǎng)分持續(xù)供給、有害生物綜合防治以及土壤保持起著至關(guān)重要的作用［11］。水稻的土壤根際微生物均以細(xì)菌為主要類(lèi)群，其中主要以歐文氏菌屬、噬胞菌屬、動(dòng)膠菌屬、假單胞菌屬為主，而真菌和放線菌的總量較少，細(xì)菌、放線菌、真菌所占比例分別為99.93%、0.05%、0.02%。相對(duì)于單作水稻，稻蟹互作田中細(xì)菌的種類(lèi)雖然變化不太明顯，但細(xì)菌的生物量及多樣性卻得到顯著提高，其中以好氣性自生固氮菌、亞硝酸細(xì)菌、氨化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌以及嫌氣性纖維素分解菌的變化最為明顯。佟德利研究認(rèn)為，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是因?yàn)榈拘飞鷳B(tài)系統(tǒng)中有外源物種的加入，而且還可能是因?yàn)槠浞巧锃h(huán)境條件也發(fā)生了較大的改變，從而導(dǎo)致根際微生物總量顯著增加［12］。

2.2 田間水環(huán)境

2.2.1 水體浮游生物

水稻田作為一個(gè)小型的生態(tài)系統(tǒng)，水體浮游生物的存在必不可少，對(duì)田間水環(huán)境具有重要的影響。浮游植物主要包括硅藻門(mén)、裸藻門(mén)、藍(lán)藻門(mén)和綠藻門(mén)。稻蟹共作和單作水稻的優(yōu)勢(shì)浮游植物各不相同，稻蟹田中以硅藻門(mén)為主，而單作水稻則以裸藻門(mén)為主，這可能跟河蟹的活動(dòng)有關(guān)，其行動(dòng)會(huì)導(dǎo)致水體和表層泥土被攪動(dòng)。浮游動(dòng)物主要包括輪蟲(chóng)類(lèi)、枝角類(lèi)和橈足類(lèi)［13～15］。稻蟹共作模式下浮游植物的多樣性和密度均顯著低于水稻單作模式，浮游植物生物量則恰恰相反，且不同區(qū)間的浮游植物組成具有明顯差異，種稻區(qū)浮游植物的生物量極顯著高于養(yǎng)蟹區(qū)，而養(yǎng)蟹區(qū)浮游植物的多樣性和密度顯著低于種稻區(qū)，這可能與養(yǎng)蟹溝渠的開(kāi)挖和河蟹的雜食性有關(guān)［16］；浮游動(dòng)物的密度和生物量的差異與浮游植物相似，都是稻蟹共養(yǎng)顯著低于單作水稻，其中以輪足類(lèi)的差異最為顯著，不過(guò)各區(qū)間浮游動(dòng)物的多樣性卻沒(méi)有明顯差異。

2.2.2 水體水質(zhì)

稻田水體是稻蟹共作系統(tǒng)中的重要環(huán)境因素，水質(zhì)的好壞對(duì)河蟹、水稻、浮游生物的生長(zhǎng)發(fā)育起到至關(guān)重要的作用，河蟹是否能正常行使其在整個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)作用都與水體水質(zhì)有著直接或間接的關(guān)系。但是稻田格局有限，所能容納的水體也受到局限，并且水質(zhì)由于溫度的不穩(wěn)定也受到相應(yīng)的影響，而水體環(huán)境是河蟹生長(zhǎng)發(fā)育的主體空間，水質(zhì)的變化必然影響著河蟹的產(chǎn)量和品質(zhì)。在稻蟹生長(zhǎng)的中后期，養(yǎng)蟹稻田的溶解氧顯著低于不養(yǎng)蟹稻田，而硝酸鹽、磷酸鹽含量顯著高于不養(yǎng)蟹稻田，且稻田環(huán)溝上層和下層的溫差較高，最高可達(dá)7～8℃，環(huán)溝的存在可以有效地防止河蟹被高溫灼傷［17］。王昂等認(rèn)為，單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，明顯地增加了水體中氧氣的消耗量，且河蟹在水中的活動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上魚(yú)和鴨；另外，因?yàn)閱巫鞯咎镏袥](méi)有河蟹的活動(dòng)，水中產(chǎn)氧物質(zhì)和耗氧物質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定。同時(shí)王昂認(rèn)為，硝酸鹽、磷酸鹽含量顯著高于單作稻田的原因可能是與前期的施肥、后期河蟹糞便的分解和土壤吸附作用等因素共同作用有關(guān)［18］。前期施肥可使水體硝酸鹽、磷酸鹽達(dá)到較高水平，而后期N、P元素的釋放則與河蟹糞便的緩慢分解有關(guān)，在微生物的作用下，逐漸轉(zhuǎn)化為硝酸鹽、磷酸鹽。

2.3 雜草防控

水稻田中的雜草種類(lèi)繁多，其中以鴨舌草、稗草、水葫蘆、苦草、千金子和野慈姑為主，并且生命力極其頑強(qiáng)，當(dāng)雜草的長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于水稻時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致水稻大幅度減產(chǎn)甚至絕收。為控制稻田有害雜草，農(nóng)戶一般會(huì)使用大量的化學(xué)除草劑來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。相對(duì)于化學(xué)防控，稻蟹共養(yǎng)這一生態(tài)種養(yǎng)技術(shù)更符合可持續(xù)發(fā)展理念。通過(guò)在稻田里養(yǎng)蟹而達(dá)到控制稻田雜草的作用機(jī)理：利用河蟹的雜食性和持續(xù)的大范圍活動(dòng)，在整個(gè)水稻生育期不斷食用田間雜草，并且河蟹活動(dòng)引起水體的渾濁也能有效抑制雜草種子的萌發(fā)和雜草幼苗的光合作用，從而有效地控制雜草的生長(zhǎng)趨勢(shì)和數(shù)量［19，20］。呂東鋒的研究表明，與不養(yǎng)蟹的稻田相比，稻蟹共作田雜草的種類(lèi)和數(shù)量顯著降低。不僅能有效地控制稻田雜草，避免因過(guò)度施用除草劑帶來(lái)的惡性循環(huán)；而且還能將雜草作為有機(jī)肥增加土壤肥力，使水稻和河蟹的產(chǎn)量與品質(zhì)得到明顯提高。

3 小結(jié)

根據(jù)前人研究結(jié)果可知，與單作水稻相比，常規(guī)稻蟹和有機(jī)稻蟹模式能有效地改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤中的微生物含量，提高土壤中相關(guān)酶的活性，使土壤肥力得以保持，增強(qiáng)土壤的可持續(xù)利用性；并且在改善稻田水環(huán)境和防控稻田主要雜草方面有明顯的效果，相應(yīng)地減少了農(nóng)藥和化肥的使用，不僅稻田生態(tài)環(huán)境得到直接改善，而且還能使稻谷和河蟹增產(chǎn)，品質(zhì)也得到相應(yīng)地提升和改善。通過(guò)稻蟹互作這種生態(tài)種養(yǎng)模式，無(wú)機(jī)化肥和農(nóng)藥的施用量大幅度減少。因此，實(shí)施稻蟹共養(yǎng)模式，是改善稻區(qū)田間生態(tài)環(huán)境的重要措施，極具推廣價(jià)值。