張本華，張宇虹，孔愛(ài)菊，宋玉秋，鄔立巖，辛明金，劉翠紅，崔紅光，任文濤

0 引 言

鴨稻共作技術(shù)起源于中國(guó)，完善在日本，發(fā)展在亞洲[1]。中國(guó)明代就有稻田養(yǎng)鴨的文字記載，該方法20世紀(jì)90年代傳入日本，經(jīng)過(guò)日本人的深入研究后，2000年又重新傳回中國(guó)，目前在日本、中國(guó)、韓國(guó)、越南、緬甸、菲律賓和馬來(lái)西亞等國(guó)家得到廣泛推廣和應(yīng)用[2-3]。1991年，日本成立了鴨稻共作協(xié)會(huì)，2000年開(kāi)始每年召開(kāi) 1次亞洲稻鴨共作研討會(huì)。專家們深入研究了鴨稻共作技術(shù)稻田養(yǎng)分循環(huán)、病蟲(chóng)草害、水體環(huán)境、土壤環(huán)境、水稻生理生態(tài)、溫室氣體排放、生物多樣性變化與利用等各個(gè)方面[4-7]。鴨稻共作是一類由人工構(gòu)建起來(lái)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng), 不同的組分搭配、比例結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系配置,都會(huì)產(chǎn)生不同的生態(tài)效應(yīng)與功能，而且其內(nèi)在的生態(tài)學(xué)過(guò)程與作用機(jī)制也相互交織，甚為復(fù)雜[8-11]。在目前已有的研究成果中，多數(shù)是關(guān)于鴨稻共作技術(shù)以及該技術(shù)對(duì)于病、蟲(chóng)、草害的防治，增加產(chǎn)量、收入等方面的研究[12-22]。因此，尚需對(duì)鴨稻共作系統(tǒng)的效應(yīng)與機(jī)制(特別是機(jī)制方面)開(kāi)展更深入的研究[23]。同時(shí)，還需開(kāi)展長(zhǎng)期鴨稻共作定位試驗(yàn)，特別是需要開(kāi)展鴨稻共作對(duì)土壤肥力、溫室氣體排放、稻田生物多樣性維持等方面的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，揭示鴨稻共作的長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng)與功能[24]。

1 材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)選在新民市胡臺(tái)鎮(zhèn)車古營(yíng)子村，該村位于120°20′~120°26′E，41°31′~42°17′N，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。冬季氣候干燥、寒冷，多北風(fēng)和西北風(fēng)；夏季氣候濕潤(rùn)多雨，多南風(fēng)和西南風(fēng)。年平均溫度7.6 ℃，平均年降水量608 mm，無(wú)霜期160 d。全年日照時(shí)數(shù)平均為2 753.2 h，日照率為52%[25-26]。

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

采用如圖 1所示的超寬帶定位系統(tǒng)檢測(cè)鴨子在田間的運(yùn)動(dòng)位置信息。候鳥(niǎo)遷徙和野生動(dòng)物的活動(dòng)都具有廣域性，對(duì)于監(jiān)測(cè)范圍廣闊但目標(biāo)位置精度要求相對(duì)較低的情況，多數(shù)采用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能很好的滿足要求。在牛、豬等養(yǎng)殖過(guò)程中，主要利用傳感器監(jiān)測(cè)動(dòng)物的躺臥等行為信息[27]。為了研究不同放養(yǎng)密度下鴨子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而研究相應(yīng)的生態(tài)效益，本文要對(duì)鴨子進(jìn)行位置追蹤，需要判斷鴨子田間活動(dòng)區(qū)域范圍，監(jiān)測(cè)的范圍較小，對(duì)位置精度要求較高，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均不能很好地適應(yīng)。為此，本文采用超寬帶（UWB，ultra wide band）定位系統(tǒng)檢測(cè)鴨子在田間的運(yùn)動(dòng)位置信息。系統(tǒng)采用DW1000定位芯片構(gòu)建定位基站和標(biāo)簽，主要由定位標(biāo)簽、定位基站、定位引擎軟件和API（application programming interface）接口（用戶配置軟件及定位顯示軟件）4部分組成，檢測(cè)精度為10 cm，在室外或復(fù)雜環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)多只鴨子的位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 超寬帶高精度定位系統(tǒng)Fig.1 Ultra wide band high-precision positioning system

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地與環(huán)境

供試水稻品種為蘆葦?shù)?，鴨子品種為本地麻鴨，試驗(yàn)地土壤肥沃，采用研制的自動(dòng)化鴨舍管理鴨子。

UWB定位系統(tǒng)有多個(gè)定位單元，每個(gè)定位單元由4個(gè)基站組成，各單元可監(jiān)控范圍為50 m×50 m，基站能實(shí)時(shí)獲取區(qū)域內(nèi)定位標(biāo)簽信息并發(fā)送至定位引擎服務(wù)器。定位引擎服務(wù)器通過(guò)TDOA（time difference of arrival）定位算法計(jì)算出每個(gè)標(biāo)簽的坐標(biāo)（x，y），經(jīng)由API接口傳至后臺(tái)系統(tǒng)。本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)地塊面積為4×660 m2，所以采用6個(gè)基站（采用3×2布局）。根據(jù)地形條件，標(biāo)定44 m×60 m的矩形地塊，6個(gè)基站分別固定在矩形的4個(gè)頂點(diǎn)和長(zhǎng)邊的中點(diǎn)處，每臺(tái)基站距離地面均為2 m。

1.3 試驗(yàn)方法

水稻移栽行株距為30 cm，穴距為16.7 cm，每穴平均苗數(shù)為 5株。各處理的養(yǎng)鴨田，僅在耕整地時(shí)施用有機(jī)復(fù)合肥50 kg/（660 m2），不施除草劑和殺蟲(chóng)劑。對(duì)照田分3次共施用復(fù)合肥25 kg/（660 m2），硫酸鉀10 kg/（660 m2），尿素10 kg/（660 m2）作基肥，正常施用除草劑和殺蟲(chóng)劑。

試驗(yàn)設(shè)稻田養(yǎng)鴨（20日齡起）密度為每660 m2放養(yǎng)15、20、25和30只4個(gè)處理，編號(hào)分別為1、2、3、4，以不養(yǎng)鴨常規(guī)移栽為對(duì)照（CK）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選擇3只鴨子攜帶定位標(biāo)簽，視為3次重復(fù)，連續(xù)觀測(cè)10天。每個(gè)試驗(yàn)處理小區(qū)水稻面積均為11 m×60 m，各小區(qū)間作0.1 m的泥埂，用70～80 cm高的尼龍網(wǎng)隔離。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)地頭放置 1個(gè)自動(dòng)化鴨舍，作為投食和鴨子棲息場(chǎng)所。

1.4 數(shù)據(jù)采集方法

1.4.1 鴨子位置信息采集

UWB定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多標(biāo)簽實(shí)時(shí)位置監(jiān)測(cè)。標(biāo)簽由鴨子攜帶，基站能實(shí)時(shí)獲取區(qū)域內(nèi)定位標(biāo)簽時(shí)間信息和基站之間的時(shí)間同步信息，并發(fā)送至上位機(jī)定位系統(tǒng)軟件進(jìn)行TDOA計(jì)算分析得到位置坐標(biāo)，并把坐標(biāo)信息進(jìn)行后臺(tái)存儲(chǔ)。因數(shù)據(jù)的采集需實(shí)時(shí)進(jìn)行，檢測(cè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。鴨子田間活動(dòng)位置信息最終以坐標(biāo)（x，y）的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，用MATLAB軟件對(duì)鴨子田間活動(dòng)的軌跡還原。每隔2 d采集1次位置信息，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)差異不明顯，因此僅對(duì)8月1日鴨子（30日齡）在田間的位置信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。鴨子的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)以點(diǎn)的形式分別散落在大小固定的各個(gè)矩形平面內(nèi)（1 m×1 m）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)相當(dāng)于范圍固定的坐標(biāo)系，而標(biāo)簽上報(bào)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)是一組散落在這個(gè)固定坐標(biāo)系中的點(diǎn)。不同放養(yǎng)密度的試驗(yàn)條件一致，即各處理地塊大小、形狀完全一致（11 m×60 m）；每只鴨子所攜帶的標(biāo)簽是同批產(chǎn)品，數(shù)據(jù)上報(bào)頻率一致；每只鴨子的監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)相同，即不同密度下鴨子位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)的維數(shù)一致。每晚（約20:00）為鴨子提供食物（10 g/只）。

1.4.2 雜草信息采集

采用5點(diǎn)取樣法，用取樣方框每點(diǎn)取樣1 m2，為了不影響試驗(yàn)條件，僅對(duì)雜草進(jìn)行種類鑒別和株數(shù)記錄，不除雜草。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)，于8月1日采集田間雜草數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 放養(yǎng)密度對(duì)鴨子活動(dòng)范圍的影響

圖2所示為7:00—17:00時(shí)，不同放養(yǎng)密度下，鴨子在田間活動(dòng)的軌跡。3種不同顏色的曲線代表了同一處理中3只佩戴標(biāo)簽鴨子的運(yùn)動(dòng)軌跡?？傮w上看，3只鴨子的運(yùn)動(dòng)軌跡走勢(shì)很相近，說(shuō)明鴨子是群體活動(dòng)動(dòng)物，即各重復(fù)之間的誤差不大。隨放養(yǎng)密度的增加，鴨子在田間的運(yùn)動(dòng)軌跡越雜亂，鴨子的活動(dòng)密度越大、范圍越大、覆蓋面越廣。

2.2 放養(yǎng)密度對(duì)鴨子田間活動(dòng)時(shí)間的影響

結(jié)合圖像和實(shí)際地形條件分析可知，曲線的斷點(diǎn)處集中在田埂位置和鴨舍入口處，表明鴨子不斷地從田埂或鴨舍門口處的空地出發(fā)到水田中覓食、戲水。

對(duì)圖 2所示坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，設(shè)當(dāng)鴨子處于田埂或鴨舍位置時(shí)，即為休息狀態(tài)，取R= -1；當(dāng)鴨子處于試驗(yàn)田塊內(nèi)時(shí)，即為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，取R=1。每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，標(biāo)簽數(shù)據(jù)上報(bào)頻率為 3 s/次，因此t=0，3，6，9，12…，將單位轉(zhuǎn)換成min，則T=t/60，監(jiān)測(cè)總時(shí)長(zhǎng)為10 h。鴨子田間活動(dòng)狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系如表1所示?？梢钥闯觯S著放養(yǎng)密度增加，鴨子在田間運(yùn)動(dòng)時(shí)間占總時(shí)間（運(yùn)動(dòng)與休息狀態(tài)時(shí)間之和）的比例呈上升趨勢(shì)。對(duì)應(yīng) 4個(gè)處理的鴨子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)間占總時(shí)間的比例分別是69.17%，75.33%，77.83%和80.00%。表明放養(yǎng)密度越大，鴨子在田間越活躍，鴨子吃草吃蟲(chóng)的時(shí)間越長(zhǎng)。原因是因投放飼料有限，放養(yǎng)密度越大，鴨子為食物而競(jìng)爭(zhēng)越激烈，用在尋找食物的時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖2 不同放養(yǎng)密度下鴨子運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Duck trajectory under different feeding density

表1 鴨子活動(dòng)狀態(tài)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of duck activity status

2.3 放養(yǎng)密度對(duì)鴨子進(jìn)入單位面積水田頻次的影響

鴨子的位置信息以坐標(biāo)點(diǎn)的形式存儲(chǔ)，每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)都代表一只鴨子。系統(tǒng)首先對(duì)試驗(yàn)小區(qū)以1 m2為單元格進(jìn)行網(wǎng)格分割。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均為11 m×60 m的矩形，被均勻分割成660塊面積為1 m2的小單元。統(tǒng)計(jì)1 d之內(nèi)鴨子進(jìn)入各個(gè)1 m2單元網(wǎng)格的次數(shù)，該次數(shù)越多，說(shuō)明鴨子出現(xiàn)在該類區(qū)域的頻次越高。本文定義，在 1個(gè)單元格內(nèi)，鴨子每天進(jìn)入1～3次為低頻次，4～6次為中頻次，7～13次為高頻次。針對(duì)每個(gè)處理，檢測(cè)攜帶標(biāo)簽鴨子的數(shù)據(jù)，取平均值后再乘以各處理的鴨子放養(yǎng)數(shù)量，分別得到每天各處理單位面積內(nèi)鴨子的活動(dòng)頻次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲽喿舆M(jìn)入單元格的平均次數(shù)，隨著鴨子放養(yǎng)密度的增加而增加。4種放養(yǎng)密度下，各單元格日平均進(jìn)入次數(shù)分別是12.05、17.82、23.03和27.73次。可見(jiàn)，放養(yǎng)密度越大，鴨子進(jìn)入各個(gè)單元格的次數(shù)越多。對(duì)應(yīng)同一個(gè)放養(yǎng)密度，鴨子進(jìn)入各單元格的頻次規(guī)律是低頻次較多，其次是中頻次，再次是高頻次。當(dāng)放養(yǎng)密度為15只/660 m2時(shí)，鴨子每天進(jìn)入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為4 455次，占總進(jìn)入次數(shù)的56.04%；進(jìn)入6～7次（中頻次）的次數(shù)為2 385次，占總進(jìn)入次數(shù)的 30.00%；進(jìn)入 7～13次（高頻次）的次數(shù)為 1 110次，占總進(jìn)入次數(shù)的13.96%。當(dāng)放養(yǎng)密度為20只/660 m2時(shí)，鴨子每天進(jìn)入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為5 880次，占總進(jìn)入次數(shù)的50.00%；6～7次（中頻次）的次數(shù)為3 640次，占總進(jìn)入次數(shù)的30.95%；7～13次（高頻次）的次數(shù)為2 240次，占總進(jìn)入次數(shù)的19.05%。當(dāng)放養(yǎng)密度為25只/660 m2時(shí)，鴨子每天進(jìn)入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為6 375次，占總進(jìn)入次數(shù)的41.94%；進(jìn)入6～7次（中頻次）的次數(shù)為5 025次，占總進(jìn)入次數(shù)的33.06%；7～13次（高頻次）的次數(shù)為3 800次，占總進(jìn)入次數(shù)的25.00%。當(dāng)放養(yǎng)密度為30只/660 m2時(shí)，鴨子每天進(jìn)入單位面積1～3次（低頻次）的次數(shù)為7 470次，占總進(jìn)入次數(shù)的40.82%；6～7次（中頻次）的次數(shù)為6 120次，占總進(jìn)入次數(shù)的33.44%；7～13次（高頻次）的次數(shù)為4 710次，占總進(jìn)入次數(shù)的25.74%?？梢?jiàn)，鴨子每天進(jìn)入各個(gè)單元格內(nèi)1～3次的概率較大。

圖3 放養(yǎng)密度對(duì)鴨子活動(dòng)頻次的影響Fig.3 Influence of feeding density on frequency of duck activity

對(duì)各處理不同單元格內(nèi)，每天鴨子進(jìn)入的高頻、中頻和低頻次數(shù)占總進(jìn)入次數(shù)的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖 4所示?？梢钥闯?，鴨子進(jìn)入各個(gè)單元格的頻次比例變化規(guī)律明顯，隨著放養(yǎng)密度增加，高頻次比例逐漸增加，且增加較快；中頻次比例也在逐漸增加，但增加較慢；低頻次比例在逐漸較小。說(shuō)明隨著放養(yǎng)密度加大，鴨子進(jìn)入各個(gè)單元格的次數(shù)在逐漸增多。

圖4 放養(yǎng)密度對(duì)鴨子進(jìn)入各單元頻次比例的影響Fig.4 Influence of feeding density on proportion of moving frequency duck entering cell

2.4 鴨子運(yùn)動(dòng)頻次對(duì)雜草控制效果的影響

為進(jìn)一步分析放養(yǎng)密度對(duì)雜草控制效果的影響，分別對(duì)鴨子活動(dòng)的高頻區(qū)域、中頻區(qū)域、低頻區(qū)域采集主要雜草樣本數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如表2所示。

表2 鴨子運(yùn)動(dòng)頻次對(duì)主要雜草發(fā)生的影響Table 2 Influence of duck moving frequency on occurrence of weeds

可以看出，隨著鴨子活動(dòng)頻次增加，矮慈姑、稗草、鴨舌草和四葉萍等主要雜草的數(shù)量呈顯著減少趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，鴨子活動(dòng)頻次越高，對(duì)雜草的控制效果越好。因?yàn)轼喿釉谔镩g的活動(dòng)目的是獲取食物，進(jìn)入各個(gè)單元格的頻次越高，在單元格內(nèi)采食雜草的頻次越高，雜草長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)越少。F檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，方差分析結(jié)果表明，鴨子的活動(dòng)頻次對(duì)主要雜草的影響在α=0.05水平上顯著，證明了上述結(jié)論的可靠性。

3 結(jié) 論

1）隨著放養(yǎng)密度增加，鴨子的活動(dòng)范圍越大、密度越大、覆蓋面越廣；鴨子在田間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)間占總時(shí)間的比例呈上升趨勢(shì)；對(duì)應(yīng) 4種放養(yǎng)密度，鴨子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)間占總時(shí)間的比例分別是69.17%，75.33%，77.83%和80.00%。

2）隨著放養(yǎng)密度越大，鴨子進(jìn)入單元格的平均次數(shù)越多。4種放養(yǎng)密度下，各個(gè)單元格平均進(jìn)入次數(shù)分別是12.05、17.82、23.03和27.73次；同一個(gè)放養(yǎng)密度，鴨子進(jìn)入各單元格低頻次較多，高頻次最少。

3）隨著放養(yǎng)密度增加，鴨子進(jìn)入各單元格高頻次比例逐漸增加，且增加較快；中頻次比例也在逐漸增加，但增加較慢；低頻次比例在逐漸較小。

4）鴨子的放養(yǎng)密度越大，對(duì)雜草的控制效果越好，鴨子在田間的活動(dòng)范圍越廣、時(shí)間越長(zhǎng)、進(jìn)入各個(gè)小單元格的頻次越高，采食雜草的機(jī)會(huì)越多。

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