科學(xué)通報(bào) | 稻魚共生系統(tǒng)產(chǎn)量和土壤氮素可持續(xù)機(jī)理

利用適于當(dāng)?shù)厣车奈锓N多樣性和遺傳多樣性，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力和土壤肥力維持的重要基礎(chǔ)；越來越多的研究也表明，通過合理配置物種多樣性可克服現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)用化學(xué)品（化學(xué)肥料、農(nóng)藥、薄膜等）的高度依賴。如何利用物種多樣性來幫助建立集約化可持續(xù)（sustainable intensification）農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域需要回答的科學(xué)問題。在水稻生長季節(jié)里將水稻種植和鯉科魚類養(yǎng)殖集中在同一稻田空間形成的稻魚共生系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)物種多樣性利用的方式之一，稻魚共生系統(tǒng)的“主角”是水稻（Oryza sativa L.）和普通鯉魚（Cyprinus carpio，俗稱“田魚”），其共生帶來的互惠效應(yīng)以及對(duì)資源的互補(bǔ)利用，受兩者的密度適配的影響。本研究圍繞水稻和田魚的相互作用，從稻田提升生產(chǎn)力（水稻和田魚產(chǎn)量）以及土壤氮素維持的角度，研究田魚養(yǎng)殖產(chǎn)量不同水平下的稻魚共生效應(yīng)和機(jī)理。我們推測，從水稻產(chǎn)量和土壤肥力維持或提升的角度，田魚產(chǎn)量存在一個(gè)適合范圍；在此范圍內(nèi)，田魚通過取食活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氮素在水稻和田魚之間的互補(bǔ)利用，從而稻魚共生系統(tǒng)可在肥料-N減量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和土壤氮素可持續(xù)。

浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳欣教授團(tuán)隊(duì)研究采用區(qū)域取樣、長期田間試驗(yàn)和穩(wěn)定性同位素微區(qū)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的途徑開展。對(duì)分布于南方地區(qū)10個(gè)省市的稻魚共生系統(tǒng)進(jìn)行取樣（以農(nóng)場為單元）研究表明，田魚產(chǎn)量在0.5 t hm-2-1.0 t hm-2范圍，稻魚共作系統(tǒng)的水稻產(chǎn)量與水稻單作系統(tǒng)的產(chǎn)量無顯著差異，但肥料氮的投入顯著低于水稻單作系統(tǒng)；與水稻單作系統(tǒng)相比較，稻魚共作系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳和總氮含量均顯著提高。長期田間試驗(yàn)也表明，田魚目標(biāo)產(chǎn)量在0.30 -1.5 t hm-2范圍內(nèi)，稻魚共作系統(tǒng)能保持水稻產(chǎn)量穩(wěn)定或提高水稻產(chǎn)量，在田魚目標(biāo)產(chǎn)量為1.5 t hm-2、肥料氮減少30%的情景下，土壤氮保持仍持續(xù)穩(wěn)定。

穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)一步研究揭示，田魚驅(qū)動(dòng)氮素的運(yùn)轉(zhuǎn)以及水稻和田魚對(duì)氮素的互補(bǔ)利用是水稻產(chǎn)量可持續(xù)和土壤氮素穩(wěn)定的重要機(jī)理（圖1）。一方面，田魚取食等生命活動(dòng)過程驅(qū)動(dòng)了氮的循環(huán)利用。穩(wěn)定性同位素δ13C和δ15N分析顯示，棲息于稻魚共生系統(tǒng)的生物類群如藻類、浮萍、雜草、浮游植物、水蚯蚓、田螺、浮游動(dòng)物等，是田魚重要食物來源；未被田魚同化利用的飼料和田間食物主要以銨態(tài)氮的形式排泄到稻田，可直接被水稻和田間這些生物類群吸收利用，從實(shí)現(xiàn)氮素多層利用（圖1A）。另一方面，稻魚共生系統(tǒng)輸入的氮素（即化肥氮和飼料氮）可被水稻和田魚互補(bǔ)利用。肥料-15N和飼料-15N流向?qū)嶒?yàn)表明，稻魚共作系統(tǒng)中，輸入的肥料氮中有0.29%被魚利用，輸入的飼料氮有10.54%被水稻利用（圖1B）。此外，土壤穩(wěn)定性同位素δ15N值顯示，隨排遺（糞便）和排泄釋放出來的氮素在土壤中有積累趨勢；我們的田間試驗(yàn)觀測還發(fā)現(xiàn)，隨著田魚的增長，從田魚體內(nèi)釋放的氮素逐漸增加。可見，田魚取食等生命活動(dòng)過程驅(qū)動(dòng)了氮的循環(huán)利用，可為水稻生長持續(xù)提供氮素，也對(duì)稻田系統(tǒng)起到持續(xù)施肥效應(yīng)，維持了土壤氮素穩(wěn)定。

氮素在稻魚共生系統(tǒng)中的存留和積累，預(yù)示著集約化的稻魚共生系統(tǒng)需建立新的氮素管理策略。一方面，稻魚系統(tǒng)的共生效應(yīng)，其田魚的養(yǎng)殖產(chǎn)量宜在一定范圍（如本研究提出的0.30 -1.5 t hm-2 范圍）；另一方面，田魚養(yǎng)殖產(chǎn)量較高的稻魚共生系統(tǒng)，隨著生產(chǎn)年限的增加，肥料氮的輸入應(yīng)逐漸降低；根據(jù)水稻種植與田魚養(yǎng)殖的密度配比來調(diào)控肥料氮與飼料氮的輸入比例，降低氮素總輸入量；根據(jù)魚對(duì)飼料取食后的殘留動(dòng)態(tài)調(diào)整飼料的投喂策略等。

圖 1 稻魚共生系統(tǒng)中田魚驅(qū)動(dòng)氮素運(yùn)轉(zhuǎn)（A）及水稻和田魚對(duì)氮素的互補(bǔ)利用（B）

圖1A中，a代表輸入的飼料氮，b舉例田魚取食的田間生物類群，c田魚釋放出來的氮素；黃色箭頭表示未被田魚取食飼料氮可被水稻和田間這些生物類群吸收利用，黃色箭頭表示魚釋放的氮素水稻和田間這些生物類群吸收利用。圖1B中，a和b表示肥料氮和飼料氮流向水稻，c和d表示肥料氮和飼料氮流向田魚，N1和N2表示被水稻和田魚吸收利用素而儲(chǔ)在體內(nèi)的氮素

文章信息

趙璐峰，郭梁，胡亮亮，等。稻魚共生系統(tǒng)產(chǎn)量和土壤氮素可持續(xù)機(jī)理. 科學(xué)通報(bào), 2025, 70 (28-29): 4929-4942.

https://doi.org/10.1360/TB-2024-1319

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