近10多年来我国鸭稻共作生态农业技术的研究进展与展望

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中国生态农业学报 2013年1月 第21卷 第1期

Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2013, 21(1): 70?79

DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00070

近10多年来我国鸭稻共作生态农业技术的

研究进展与展望*

章家恩

(华南农业大学热带亚热带生态研究所 广州 510642)

摘 要 近10多年来, 我国在鸭稻共作生态农业技术的理论研究和生产实践等方面均取得了长足进步, 因此有必要加以总结。其中, 在理论研究层面, 主要涉及鸭稻共作对稻田养分循环与能、物流特征的影响, 对病虫害的防控和天敌?害虫动态的影响, 对杂草群落结构的影响及其防控, 对水体环境与水体生物多样性的影响, 对土壤肥力特征及土壤生物多样性的影响, 对水稻生长性状及水稻群体结构形态建成的影响, 对温室气体排放及全球变化的影响, 对水稻品质、产量、综合效益与生态服务功能的影响, 利用鸭稻共作控制福寿螺的效果与机制等领域, 并取得了相应的研究进展。在技术层面, 主要开展了鸭稻共作生产技术规程、直播方式下鸭稻共作生产技术、免耕抛秧养鸭技术以及其他鸭稻共作新技术的探索与创新实践。在此基础上, 提出了4个方面的研究展望, 包括鸭稻共作的生态效应与机制及其长期定位研究、鸭稻共作关键技术的创新、系统集成与示范研究、鸭稻共作生产技术的标准化与产业化研究, 以及与全球变化和低碳农业发展的关联与接轨研究。 关键词 鸭稻共作 生态效应 关键技术 研究进展 研究展望

中图分类号: S181; S-1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)01-0070-10

Progresses and perspective on research and practice of rice-duck

farming in China

ZHANG Jia-En

(Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract A significant progress had been made in the theory and practice of rice-duck farming in China in recent decades. Attained theoretic achievements included effects of rice-duck farming on: 1) nutrient cycle, matter and energy flow characteristics in paddy fields; 2) pest and disease control and the dynamic relationship between pests and natural enemies; 3) weed communities and control in paddy fields; 4) water environment and aquatic biodiversity in paddy fields; 5) soil fertility and soil biodiversity; 6) rice growth and canopy structure; 7) emission of greenhouse gases and global climate change; 8) rice quality, yield, ecosystem services and comprehensive benefits; and 9) control of golden apple snails. Practical innovations had included: 1) technical procedures and regulations of rice-duck farming; 2) rice-duck farming with direct seeding method; 3) rice-duck farming with zero-tillage; and 4) other new development techniques such as two-batch duckling co-culture with rice in a growth season, rice intercropping with other water plants and duck co-culture, etc. Based on the above progress, present situation and future development trends and demand, key research perspectives were put forward as follows: 1) effect, mechanism and long-term research on rice-duck farming; 2) innovation, integration and demonstration of key technologies of rice-duck farming; 3) standardization and industrialization of rice-duck farming; and 4) rice-duck farming study in the context of low-carbon agriculture and global change demand.

Key words Rice-duck farming, Ecological effect, Key technology, Research progress, Research perspective (Received Nov. 7, 2012; accepted Nov. 7, 2012)

* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100406)、国家自然科学基金项目(U1131006, 30800134, 30770403)、国家科技支撑

计划项目(2012BAD14B16-04)、国家环保部公益性行业科研专项(201009020-04)、广东省科技计划项目(2004B20101017, 2009B020311012)和广东省现代农业产业技术体系建设专项[粤农[2009]380号]资助

章家恩(1968—), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事生态学等方面的教学与科研工作。E-mail: jeanzh@scau.edu.cn 收稿日期: 2012?11?07 接受日期: 2012?11?07

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鸭稻共作(亦称“稻鸭共作”, 以下同)技术是在我国具有数百年历史的稻田养鸭基础上继承和创新发展的一项生态农业技术。20世纪90年代以来, 该技术在日本、韩国、越南、缅甸、菲律宾和马来西亚等一些亚洲国家与地区得到进一步完善和推广应用[1]。因而该技术也被称为一项“亚洲共同的农业技术”。自2000年以来, 鸭稻共作技术在我国掀起了一个创新发展高潮, 10多年间, 有一大批省、自治区和直辖市开展了稻鸭共作的研究与示范推广工作。2003 年8月, 农业部在湖南和湖北召开了无公害稻米生产观摩会, 力推鸭稻共作技术。南方稻区的江苏、浙江、湖南、湖北、广东、江西、安徽、四川、广西、贵州、云南等省(自治区)以及北方稻区的辽宁省、吉林省、黑龙江省、新疆维吾尔自治区等都相继开展了不同形式和各具特色的鸭稻共作技术的试验与示范[2]。在此期间, 我国在该方面的研究与学术活动也十分活跃。2004年7月, 由江苏省镇江市政府等主办了第四届亚洲稻鸭共作研讨会, 有来自中国、日本、韩国、越南、泰国、俄罗斯、香港和台湾等国家及地区的代表150余人参加了大会。在2006年7月于韩国召开的第五届亚洲稻鸭共作研讨会上, 我国也有不少代表参加。2010年, 在江苏省丹阳市又召开了“全国鸭稻共作研讨会”。这些会议很好地加强了鸭稻共作技术研究与实践成果的交流与合作。在科研方面, 无论在理论研究层面, 还是在技术研发方面均取得了长足进步。为此, 本文将对近10多年来我国在鸭稻共作生态农业方面的科学研究与技术实践应用成果加以总结, 旨在为相关研究者提供参考, 并更好地推动我国乃至亚洲鸭稻共作生产的发展。

1 鸭稻共作的理论研究进展

近10多年来, 在我国, 许多科研人员围绕鸭稻共作生产的效应、效果及其内在过程、作用机制等方面开展了广泛的应用基础理论研究, 几乎涉及鸭稻共作生产对稻田养分循环、病虫草害、水体环境、土壤环境、水稻生理生态、温室气体排放、生物多样性变化与利用等各个方面, 而且在上述大多数领域均有不少创新研究成果或新的研究切入点。 1.1 鸭稻共作对稻田养分循环与能物流特征的影

响研究

稻田养分循环与平衡研究是鸭稻共作生态系统的一个重要研究领域。碳、氮、磷是物质的基本组成元素, 其循环路径和效率对提高生态系统生产力起着重要作用。张帆等[3]从循环农业的角度对“稻鸭

共生”生态系统稻季的氮、磷循环、“双季稻?鸭”共生生态系统的碳、磷循环、“稻鸭共生”养分归还特征及水稻植株对氮、磷的吸收等开展了一系列研究, 结果表明: “稻鸭共生”系统在目前的氮、磷养分投入水平下, 土壤存在严重氮、磷亏缺; 鸭子系统的氮、磷输入对系统外饲料投入依赖性高, 自持能力较差; 鸭粪氮、磷参与当季的稻田养分循环, 其循环率分别为10.66%和28.16%。该课题组对“双季稻?鸭”共生生态系统的碳收支与平衡的分析结果表明, “稻鸭共生”生态系统是碳汇, 且固碳潜力大于常规稻作[4]。在早、晚稻两季, “稻鸭共生”系统在目前的磷养分投入水平下, 降低了土壤磷的亏缺量; 鸭粪磷在系统内循环利用方面起重要作用[5]。其相关的养分归还与水稻植株养分吸收的试验结果表明, “稻鸭共生”归还稻田土壤的碳、氮、磷量表现为碳>氮>磷, 归还的碳、氮量以水稻根碳、氮占明显优势, 归还的磷量以鸭粪磷占明显优势。“稻鸭共生”提高了早、晚稻根和秸秆的全氮、全磷含量及早、晚稻籽粒的全磷含量, 增加了早、晚稻秸秆的氮、磷吸收量和早、晚稻根的磷吸收量, 降低了双季稻产量及籽粒的氮、磷积累量[6]。另外, 甄若宏和Xi等[7?8]从能物流、能值(emergy)等的角度对鸭稻共作系统的能物流转换效率进行了评价研究, 结果表明, 与常规稻作或常规稻/麦轮作系统相比, 鸭稻共作提高了能物流转化效率、能值效益与自我调节能力。上述研究结果对鸭稻共作生产的养分优化管理与改进具有一定指导作用, 特别是为鸭稻系统中氮、磷的平衡管理提供了重要依据。在该方面今后尚需开展长期定位研究, 以获取大时空尺度下鸭稻共作生态系统的物质与能量的转化与源/汇功能动态变化以及累积效应。 1.2 鸭稻共作对病虫害的控制和天敌?害虫动态的

影响研究

对水稻病虫害的控制是鸭稻共作系统的一个重要功能和优势所在, 近年来这方面的研究很多, 但由于不同研究者在不同地区或采用不同田间管理条件开展的试验, 其研究结果有所不同。尽管如此, 总体而言, 在虫害方面, 鸭稻共作对稻飞虱(Nilapar-vata lugens)和叶蝉(Inemadara oryzae)有明显捕食作用和控制效应, 对稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medi-nalis)、二化螟(Chilo suppressalis)具有一定控制效应; 对稻蝗虫(Acrida cinerea)、稻弄蝶(Parnara guttata)、黏虫(Mythimna loreyi)等也有明显防效[9?12]。在病害方面, 鸭稻共作对纹枯病具有明显控效, 对稻瘟病、白叶枯病、条纹叶枯病等也具有一定防控作用[12?14]。鸭稻共作系统通过鸭子的捕食、践踏和运动等行为

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直接取食害虫(或病菌）、干扰或切断病虫害的传播途径、改变群体小气候环境等来控制病虫害的发生。而且在共作期间, 鸭子能对水稻病虫害起到持续的控制作用。然而, 目前有关鸭稻共作对病虫害的防控机理方面的研究还较为缺乏。

在鸭子对天敌(蜘蛛)的影响以及“鸭子?天敌?害虫”食物链关系方面, 近年来也开展了一些研究。甄若宏等[12]研究表明, 稻鸭共作因鸭子对蜘蛛的捕食, 虽然降低了稻田蜘蛛的数量, 但由于稻飞虱数量明显减少, 因此显著提高了稻田蜘蛛与稻飞虱的比例(蛛虱比)。但黄先才等[15]两年的试验数据表明, 蛛虱比的最低值都出现在鸭稻共作有机稻田中, 而整个生育季节的蛛虱比也表现为鸭稻共作有机稻田低于常规稻田。秦钟等[16]对稻鸭共作系统中主要捕食性天敌的结构及多样性进行了研究, 发现鸭子增加了稻田蜘蛛某些类型的优势度, 降低了蜘蛛的多样性指数。其所在课题组进一步从生态位的角度对稻鸭共作系统中主要捕食性天敌和害虫的关系进行了研究, 结果认为, 稻鸭共作使主要捕食性天敌在同一资源等级上的竞争加强, 在时间上的同步性更为明显, 尽管捕食性天敌的总个体数比常规稻作区下降了19.56%, 但天敌充分利用了时间资源序列中的较多等级, 且分布更为均匀, 发生时间长, 可对害虫种群进行持续控制, 因而控虫效果更为显著[17]。鸭子可能通过改变稻飞虱及其天敌类群的空间分布格局和生态位特征等影响稻飞虱种群的发生和数量消长[18]。另外, 秦钟等[19]利用系统动力学框架模型以及STELLA软件模拟分析了稻鸭共作系统中捕食性天敌蜘蛛及鸭子对稻纵卷叶螟生长发育的影响, 结果表明, 稻田蜘蛛和鸭子的共同作用对稻纵卷叶螟的控制效果优于仅受同等数量蜘蛛控制时的情况。 1.3 鸭稻共作对杂草群落结构的影响及其控制的

研究

鸭子对稻田杂草的控制是鸭稻共作系统的另一个重要而突出的功能, 相关研究也较多。魏守辉等[20]开展了长期稻鸭共作对稻田杂草群落组成及物种多样性的影响研究, 结果认为, 稻鸭共作使稻田杂草群落的物种多样性持续降低, 群落均匀度提高, 群落相似性与稻鸭共作前相比逐年降低, 说明稻鸭共作改变了田间杂草的群落结构, 有利于限制杂草的发生危害。随着稻鸭共作的连年进行, 对田间杂草的控制效果逐渐上升, 4年后达99%以上。同时, 稻鸭共作显著降低了田间杂草的发生密度, 对稻田主要杂草鸭舌草(Monochoria vaginalis)、异型莎草(Cyperus difformis)和矮慈姑(Sagittaria pygmaea)的

防效均达到95%以上, 总体控草效果显著优于化学除草和人工除草[21]。甄若宏等[12]研究表明, 稻鸭共作对杂草的防除效应达到96.1%, 降低了稻田杂草 的发生种类, Pielou均匀度指数显著提高。沈建凯等[22]的研究也表明, 规模稻鸭生态种养的杂草密度显著降低, 与水稻单一种植比较防效为94%; 水稻分蘖—孕穗期稻田杂草主要由看麦娘(Alopecurusprat-ensis)、稗草(Echinochhloa crausgalli)、狗牙根(Cyno-don dactylon)、水花生(Alternanthera philoxeroides)、鸭舌草(Mouochoria vaginalis)、水竹叶(Murdannia triquetra)和鳢肠(Eclipta prostrata)组成, 抽穗期到成熟期主要由水花生、稗草、狗牙根和水竹叶组成。总体看来, 鸭稻共作具有显著的控草效应, 其主要机制是通过鸭子的直接取食、踩踏、浑水作用来影响杂草的发生与生长, 但这些机制需要通过试验加以验证。近年来, 作者所在的课题组还开展了鸭子对土壤杂草种子库的影响, 结果发现, 鸭子的活动改变了杂草种子库的大小及其在土壤剖面中的垂直分布格局, 进而影响了杂草种子的萌发与生长, 这个研究结果揭示了鸭子控草的另一机制。

1.4 鸭稻共作对水体环境与水体生物多样性的影

响研究

鸭子在稻田活动时会产生明显的浑水效应, 进而会对稻田水体环境和水生生物带来一定影响。全国明等[23]通过田间对比试验, 研究了稻鸭共作生产对稻田水体性质的影响, 结果表明: 稻鸭共作能够降低稻田表层水体的温度与pH, 提高电导率、氧化还原电位、混浊度, 以及总氮、总磷和总钾3大营养元素的含量, 说明稻鸭共作对改善水体理化性质、提高对植物生长的养分供应有积极作用, 即通过鸭子的搅动而表现出“匀肥”效应。李成芳等[24?25]通过大田试验研究了稻鸭(稻鱼)系统中稻田氮、磷的动态变化及转化规律及其对环境的影响, 结果认为, 由于养鸭、养鱼能提高稻田水面氮、磷的含量, 因此在稻鸭(稻鱼)共作期间, 要注意避免农田排水和防止因降雨引起的田面水外溢, 否则可能会对稻田养分保持和水体环境造成一定或潜在的影响。曹凑贵、汪金平等[26]进一步开展了稻鸭共栖对稻田水生生物群落的影响研究, 结果表明, 稻鸭共栖减少了稻田水生生物的数量和生物量, 对藻类群落数量的影响明显, 抑制了某些优势种群的增长, 显著降低绿藻、硅藻和原生动物的优势度, 而增加亚优势种的数量可使裸藻、枝角类的优势度显著增加, 稻田水体生物多样性指数得以提高。同时认为, 适量放鸭数量能增加稻田水体生物多样性, 有利于稻田水

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体系统的稳定, 稻田放鸭数量超过一定限度, 则藻类植物多样性显著降低。关于鸭子对水生生物的直接捕食以及通过浑水作用增加水体溶解氧含量、改变水体营养和光照条件对稻田水体生物(特别是藻类)群落的影响机制, 目前尚无相关的研究报道。因此, 需要开展更深入的研究, 其结果可用来进一步优化鸭稻系统的水生食物链关系, 规范稻鸭共作生产技术。

1.5 鸭稻共作对土壤肥力特征及土壤生物多样性

的研究

鸭稻共作通过鸭子的践踏、搅动及排便作用对稻田土壤的作用和影响是非常直接的, 这方面的研究也非常多。主要内容涉及土壤的物理性质(土壤容重、结构、团聚体组成等)、化学性质(如有机质、氮、磷、钾的全量及其速效态含量、pH、Eh等)、土壤微生物学性质等方面。杨志辉等[27]的相关研究结果表明, 与常规稻田相比, 实行稻?鸭生态复合种养, 其土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量都有所增加; 土壤物理性状也得到一定程度地改善, 土壤容重降低, 土壤通气状况与氧化还原状况也得到明显改善。张苗苗等[28]对常规稻田、转换期稻鸭共作稻田和有机稻鸭共作稻田3种不同种植模式的土壤定位监测的结果表明, 有机稻鸭共作稻田的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾等养分指标在整个水稻生长期基本能维持在相对稳定的状态, 在幼穗分化期速效钾含量高于常规稻田, 在成熟期碱解氮、速效磷和速效钾含量都远高于常规稻田。沈建凯等[29]对稻鸭生态种养系统直播水稻根表和根际土壤营养特性研究的结果表明, 稻鸭生态种养改变了速效磷、速效钾和活性有机碳在水稻根域土壤的相对富集部位, 即明显改善了水稻根表和根际土壤营养状况, 这可能对水稻根系吸收和利用土壤养分具有积极意义。另外, 李成芳等[30]对稻鸭、稻鱼共作生态系统土壤可溶性有机氮(SON)的动态和损失进行了研究, 结果表明, 鸭稻共作处理能降低SON和土壤可溶性总氮(TSN)量, 因此减少了土壤可溶性氮的潜在淋失。近年来, 关于鸭稻共作对土壤微生物的影响也有不少研究, 章家恩等[31]的相关研究表明, 鸭稻共作能够增加水稻生长中后期稻田土壤可培养的微生物总数以及细菌、放线菌和真菌数量; 通过BIOLOG分析结果显示, 与清水区相比, 稻田放鸭能够提高土壤微生物群落的碳源利用能力和整体代谢活性, 显著增加水稻抽穗期的微生物功能多样性, 说明鸭稻共作系统对稻田土壤微生物群落数量、代谢活性和功能多样性的提高均具有积极

作用。李成芳等[24]对鸭稻共作条件下土壤微生物数量的变化研究也具有类似的结果。总体而言, 鸭稻共作对土壤肥力和土壤微生物多样性具有一定的促进作用。但由于在鸭稻无公害生产过程中, 通常少用或不施用化肥, 因此, 若没有外源肥料的及时补充, 经过多季鸭稻共作后, 也会造成土壤养分(氮、磷、钾等)下降或亏缺, 对此应引起重视。 1.6 鸭稻共作对水稻生长性状及水稻群体形态建

成的研究

鸭子在稻田中对水稻不断进行撞击摇晃和嘴啄刺激, 对水稻中下部枯枝落叶和根部的践踏以及对群体小气候的改善等作用, 势必对水稻的生长和群体形态结构产生一定影响。章家恩等[32]的相关研究表明, 鸭稻共作在一定程度上降低了水稻植株的高度和水稻地上部的生物量, 但增大了水稻地下部的生物量和根冠比, 有利于水稻地下部根系的发育, 并在一定程度上增强了水稻抗倒伏能力; 同时, 鸭稻共作能提高水稻中后期叶片的叶绿素a和叶绿素b的含量以及叶绿素a/b值, 可防止水稻在后期过早枯黄与衰败, 从而增强水稻叶片光合作用的性能及其持续时间; 鸭稻共作还能够促进水稻的有效分蘖, 增加水稻的有效穗数和成穗率, 减少空(秕)粒数, 提高水稻的实粒数和结实率, 从而有利于水稻产量的形成。其研究还发现, 鸭稻共作能降低叶片的质膜透性、丙二醛含量和脯氨酸含量, 提高超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性及可溶性糖含量, 说明鸭稻共作方式对提高水稻植株的抗性、延缓叶片衰老以及对水稻的生长发育均具有积极作用[33]。王强盛等[34]的研究也表明, 由于鸭子在稻田的活动使水稻植株形态发生明显变化, 植株碳水化合物含量、植株碳/氮、茎秆干物质输出率都明显增加, 茎秆基部节间长缩短, 茎秆强度和抗倒伏指数、水稻深层根系比例和根系活力增加, 对水稻具有明显的“壮秆”效应。黄兆祥等[35]通过室内模拟鸭稻共作系统中鸭子的机械刺激对水稻形态建成的影响, 进一步证实了鸭子对水稻生长的影响及其作用机制。张锦等[36]开展了稻鸭共作对水稻部分株型结构指标的影响, 结果表明, 与常规稻作方式相比, 稻鸭共作使水稻基部宽度呈减小趋势、冠层幅度呈增大趋势, 最终使植株松散度显著增加; 稻鸭共作使水稻植株的基叶高呈增加趋势, 在齐穗期与常规处理达到显著性差异; 稻鸭共作有利于水稻生育前期和中期的茎蘖合理发展, 而且在后期可促进水稻上部功能叶片的生长, 这在一定程度上有利于水稻高产的形成。可见, 鸭稻共作对水稻生长和群体形态建

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