朱波，曹鵬，2，周勇，易麗霞，晏曉原，劉章勇?

(1 長江大學(xué)主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，荊州 434025；2 湖北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，武漢 430070)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是糧食生產(chǎn)進(jìn)入艱難的“緩增期”，甚至是“徘徊期”。到2020 年全國雖然實(shí)現(xiàn)了糧食生產(chǎn)的“十七連豐”，但同時(shí)我國糧食進(jìn)口量卻在與日俱增。面對國民糧食重大需求和國外糧食競爭激烈的雙重壓力，國內(nèi)糧食生產(chǎn)可持續(xù)性面臨巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、鄉(xiāng)村振興、碳中和、碳達(dá)峰等一些列國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大舉措的實(shí)施，對糧食生產(chǎn)的質(zhì)量、效益和生態(tài)影響將會提出更高的要求，同時(shí)也會帶來新的發(fā)展機(jī)遇。水稻是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民消費(fèi)的三大主糧之一，相比玉米和小麥，其種植模式更復(fù)雜，發(fā)展變化較頻繁，尤其是近年在長江中游興起的稻蝦綜合種養(yǎng)[水稻(Oryza sativa)與克氏原螯蝦(小龍蝦，Procambarus clarkia)共作]模式發(fā)展較快[1]，對水稻生產(chǎn)和稻田生態(tài)的作用較大。湖北省在全國水稻生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，也是全國稻蝦模式發(fā)展面積最大的省份[2]。因此，有必要探討新時(shí)期下稻蝦模式與水稻可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系。以期為稻蝦模式合理規(guī)范利用和水稻可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 稻蝦綜合種養(yǎng)模式發(fā)展概況

作為一種新型高效生態(tài)綜合種養(yǎng)模式，稻蝦模式近年來在湖北省發(fā)展迅猛，已逐漸成為湖北省水稻發(fā)展的一種重要模式。全省稻蝦模式種養(yǎng)面積由2002 年的1.27 萬hm2發(fā)展到2020 年的48.70 萬hm2，位居全國首位，20 年間增長了38 倍。同期，湖北省早稻種植面積由2002 年的30.50 萬hm2減少到2020 年的12.20 萬hm2；雙季晚稻面積由2002 年的39.70 萬hm2減少到2020 年的15.90 萬hm2(圖1)。湖北省雙季稻的種植面積歷史上最大曾達(dá)到121.40 萬hm2。

圖1 湖北省水稻、稻蝦、早稻和晚稻種植面積變化(2000－2020 年)Fig.1 Change of rice，rice shrimp，early rice and late rice planting area in Hubei Province from 2000 to 2020

2018 年全國小龍蝦養(yǎng)殖排名前30 名的縣市中湖北省入選15 個(gè)，其中監(jiān)利市、洪湖市和潛江市位居小龍蝦產(chǎn)量前三甲[2]。同年全國小龍蝦72.4%的收獲產(chǎn)量和75.1%的養(yǎng)殖面積均來自于稻蝦模式[3]。2020 年稻蝦模式面積占湖北省稻田面積的22.7%。由于稻蝦模式集中于平原地區(qū)發(fā)展，這一比例在江漢平原和鄂東沿江平原將會更高[4]。

稻蝦模式從最初的“蝦稻連作”發(fā)展至今已經(jīng)形成成多種模式，如“蝦稻共作”“一稻三蝦”等。在種植一季水稻的基礎(chǔ)上，逐漸從“一稻一蝦”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙坏緝晌r”，乃至“一稻三蝦”。具體做法是:“稻蝦連作”，于10-11 月水稻收獲后田間上水，投放蝦苗，翌年3-5 月收獲成蝦，6 月放水，耕整稻田種植中稻[4]?！拔r稻共作”，在8-9 月中稻收割前投放親蝦，或中稻收割后投放幼蝦，第2 年4-5 月收獲成蝦，同時(shí)補(bǔ)投幼蝦，6 月初整田、種植水稻，8-9 月收獲商品蝦。為了使親蝦繁育有較好的條件，稻溝由原來的1 m 寬、0.8 m 深的小溝，改挖成4 m 寬、1.5 m深的養(yǎng)殖溝[1]?！耙坏救r”，在4 月初投放較大規(guī)格的蝦苗，于5 月底開始集中捕撈商品蝦，此為稻前蝦；水稻于6 月中下旬大移栽田；稻中蝦蝦苗于5 月下旬稻前蝦捕凈后投放，于8 月陸續(xù)捕撈上市；稻后蝦是利用水稻收獲后的冬閑田，投放親蝦繁殖一批蝦苗，翌年3-4 月捕獲親蝦上市，捕獲蝦苗出售給養(yǎng)殖戶[5]。除此之外，不同地區(qū)還發(fā)展有小龍蝦繁育分離、育養(yǎng)分區(qū)、稻蝦蟹、稻蝦魚混養(yǎng)等多種模式?？v觀這些模式的發(fā)展不難發(fā)現(xiàn)，稻蝦模式的發(fā)展研究均是以不斷提高養(yǎng)蝦的效益為目標(biāo)而展開的。

2 水稻可持續(xù)發(fā)展與稻蝦模式

2.1 水稻可持續(xù)發(fā)展的重要性

水稻是湖北省最大的糧食作物，近5 年來全省水稻種植面積穩(wěn)定在230 萬hm2左右，稻谷年均產(chǎn)量在1 900 萬t 左右，湖北省水稻單產(chǎn)水平為8.13 t/hm2，比全國平均水平高出17%。在種植面積和稻谷較為穩(wěn)定、水稻單產(chǎn)水平相對較高的情況下，湖北省水稻轉(zhuǎn)型的主要任務(wù)將是可持續(xù)發(fā)展。水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和資源環(huán)境可持續(xù)性是水稻可持續(xù)發(fā)展的兩大抓手。現(xiàn)有稻蝦模式在這兩個(gè)方面均具有較為明顯的優(yōu)勢，同時(shí)也存在大量的問題。

2.2 稻蝦模式的經(jīng)濟(jì)效益

相比于傳統(tǒng)水稻單作，稻蝦模式在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出上更具多樣性，稻田除了收獲商品稻谷外，還產(chǎn)出了商品蝦和蝦苗，提高了水稻經(jīng)營的經(jīng)濟(jì)效益。已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，稻蝦模式對于稻農(nóng)增收具有積極意義:小龍蝦的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值為5.85 萬～8.78 萬元/hm2，稻蝦模式中水稻的產(chǎn)值為1.95 萬～2.76 萬元/hm2，稻蝦經(jīng)營模式的經(jīng)營利潤在3.67 萬～6.90 萬元/hm2，比水稻單作模式的0.30 萬～1.22 萬元/hm2高出約7 倍；稻蝦經(jīng)營模式的產(chǎn)投比為1.60～3.10，高于水稻單作的1.10～2.40[6-10]。一方面，市場行情較好時(shí)小龍蝦(商品成蝦或蝦苗)的價(jià)格在32～45 元/kg，遠(yuǎn)高于較為平穩(wěn)的稻谷價(jià)格2.50～2.92 元/kg，因而農(nóng)戶養(yǎng)蝦的積極性更高。另一方面，養(yǎng)蝦產(chǎn)生的廢棄物，如蝦排泄物、蝦殼、未被小龍蝦食用的飼料等富含較高的養(yǎng)分，可部分替代化肥投入[11]，從而降低肥料成本；養(yǎng)蝦后對稻田病蟲草害起到一定的控制作用，并且對水體環(huán)境的要求提高，蝦稻田農(nóng)藥施用量減少，也可降低農(nóng)藥和打藥成本[12]。稻蝦模式中養(yǎng)殖小龍蝦對水稻的品質(zhì)也有促進(jìn)作用，有研究表明稻蝦模式可降低稻米的堊白粒率和堊白度，并提高了稻米的外觀品質(zhì)和食味品質(zhì)[13，14]，這將有助于稻米經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提升。

表1 2016—2020 年湖北省水稻種植面積、稻谷總產(chǎn)量及單產(chǎn)Table 1 2016－2020 rice acreage，total rice yield and per unit area in Hubei Province

2.3 稻蝦模式的生態(tài)效益

與稻鴨、稻魚等稻田綜合種養(yǎng)模式相同，稻蝦模式稻田生態(tài)系統(tǒng)中由于增加了蝦，加上人工投入和管理，增加了其生物多樣性，生態(tài)復(fù)雜程度增加，稻田生態(tài)功能也發(fā)生了改變。總體來看，稻蝦模式的生態(tài)效益可分為蝦與稻生態(tài)互作、資源和能量的利用效率、對環(huán)境的影響三個(gè)方面。

首先是稻田為小龍蝦生長繁育提供了場所，小龍蝦的生長活動以及農(nóng)戶在小龍蝦飼養(yǎng)管理過程中對水稻產(chǎn)生作用。小龍蝦的攝食行為和爬行游弋活動能很好地控制田間草害和蟲害，稻田冬季淹水管理也破壞了蟲害，尤其是二化螟的越冬生境。曹湊貴等[1]認(rèn)為與水稻單作相比，稻蝦模式下二化螟、稻飛虱和稻縱卷葉螟等主要水稻害蟲發(fā)生率明顯降低。趙考誠等[5]則認(rèn)為蝦的取食和活動可抑制稻田雜草萌發(fā)或生長，對闊葉類雜草的防除效果優(yōu)于禾本科雜草。這為蝦稻模式綠色生產(chǎn)，尤其是水稻綠色生產(chǎn)提供了生態(tài)基礎(chǔ)。

其次，稻蝦模式充分利用了土地和水資源，實(shí)現(xiàn)了“一田兩用”“一水兩用”，有效提高了稻田的利用效率。由于稻蝦田蝦溝布置，增強(qiáng)了雨水密集區(qū)稻田的防洪功能。稻蝦模式提高了農(nóng)民的勞動力資源利用效率，并通過增加經(jīng)濟(jì)收入提高了勞動力價(jià)值。稻蝦模式促進(jìn)了稻田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。如前所述，人工投入的飼料、蝦的排泄物、蝦殼等進(jìn)入稻田被土壤吸收或水稻再次利用，可為水稻生長提供一定量養(yǎng)分，從而減少了水稻化肥的施用量，提高了化肥的利用效率和稻谷生產(chǎn)效率[15-18]。水稻對于蝦也具有積極作用，如水稻高稈的植株為小龍蝦夏季生長提供了遮陰的環(huán)境，秸稈、稻樁是蝦苗重要的食物來源，這為水稻秸稈資源化利用創(chuàng)造了生態(tài)學(xué)途徑。可見，巧妙地利用蝦與稻之間的食物網(wǎng)和互惠互利的生態(tài)作用可為水稻高質(zhì)高效生產(chǎn)提供服務(wù)。

稻田固碳減排對溫室氣體排放和全球碳循環(huán)具有重要作用。徐祥玉等[19]發(fā)現(xiàn)，稻蝦模式下稻田CH4排放量較傳統(tǒng)單作稻田降低了29.00%～41.20%，尤其是降低了插秧前稻田CH4排放，小龍蝦通過分解和取食水稻秸稈可減少秸稈還田產(chǎn)生的CH4排放，稻蝦模式稻田比單作稻田N2O 排放量降低了7.50%。Sun 等[20]研究了江漢平原秸稈還田和投喂飼料條件下稻蝦模式對稻田甲烷、氧化亞氮以及溫室氣體全球增溫潛勢的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻蝦模式比傳統(tǒng)水稻單作稻田甲烷排放減少18.10%～19.60%，氧化亞氮排放增加16.80%～21.00%，溫室氣體全球增溫潛勢降低16.80%～22.00%。Ling等[21]從系統(tǒng)生產(chǎn)的角度比較了稻蝦模式與其他稻作模式生產(chǎn)的碳足跡，發(fā)現(xiàn)與雙季稻相比，稻蝦可顯著降低水稻生產(chǎn)的碳足跡。

3 可持續(xù)發(fā)展面臨的問題

盡管稻蝦作為一種生態(tài)高效的種養(yǎng)結(jié)合模式，與傳統(tǒng)稻作相比具有多項(xiàng)生態(tài)功能和優(yōu)勢，但其科學(xué)性和規(guī)范性尚有待深入研究，且在大面積迅速推廣過程中也暴露出一些問題。

3.1 經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性

稻蝦模式較高的經(jīng)濟(jì)效益主要來自于小龍蝦的經(jīng)營活動，農(nóng)戶出售商品成蝦或蝦苗獲取利益。但在生產(chǎn)實(shí)踐中會遇到諸多問題。首先是小龍蝦價(jià)格波動較大，尤其是在新冠肺炎疫情以來小龍蝦價(jià)格下跌，對稻蝦農(nóng)戶積極性產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)蝦棄養(yǎng)，稻棄種的現(xiàn)象。在稻蝦經(jīng)濟(jì)成本投入較高(3.99 萬～5.87 萬元/hm2[5])、經(jīng)營規(guī)模較大的情況下，農(nóng)戶承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)增加。其次是成蝦的產(chǎn)量與規(guī)格、品質(zhì)之間的平衡是決定小龍蝦養(yǎng)殖效益提升的關(guān)鍵，而當(dāng)前稻蝦模式下成品蝦的大小參差不齊、質(zhì)量不一，制約了小龍蝦高效發(fā)展。蝦稻米的綠色生態(tài)品牌效應(yīng)也有待深入挖掘，而當(dāng)前對農(nóng)戶而言，蝦稻米在綠色生態(tài)、食味營養(yǎng)等方面的品質(zhì)并沒有在經(jīng)濟(jì)價(jià)值上得到提升；從消費(fèi)者層面知蝦而不知稻，甚至不知蝦為稻蝦。

3.2 “重蝦輕稻”的思想

正如曹湊貴等報(bào)道[1]，稻蝦模式中蝦和稻雖密不可分，但在經(jīng)營過程中受蝦和水稻比較經(jīng)濟(jì)效益的影響，“重蝦輕稻”的現(xiàn)象明顯[3]，這嚴(yán)重制約了稻蝦模式和水稻的可持續(xù)發(fā)展。近年來稻蝦模式創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展均以蝦為核心而展開，從“一稻一蝦”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙坏緝晌r”，乃至“一稻三蝦”“一稻四蝦”。蝦的養(yǎng)殖強(qiáng)度在無限制增加，水稻的種植地位逐漸弱化，水稻實(shí)際種植面積縮減嚴(yán)重、播種季節(jié)推遲。雖然稻蝦模式對水稻生長和品種具有良好的生態(tài)效應(yīng)，但在以蝦為先的管理方式下稻田明顯退化，養(yǎng)蝦期間的長期淹水管理使土壤次生潛育化程度隨著養(yǎng)蝦年限增加而加重[1]。加之生產(chǎn)管理上對水稻的弱視，導(dǎo)致稻蝦模式水稻單產(chǎn)下降嚴(yán)重。陳松文等[3]對湖北省10 個(gè)稻田養(yǎng)蝦點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)稻蝦模式的水稻單產(chǎn)均低于水稻單作，有90%的稻蝦田稻谷單產(chǎn)低于7 500 kg/hm2。

3.3 稻蝦模式生態(tài)耦合機(jī)制

增強(qiáng)蝦與稻的生態(tài)關(guān)聯(lián)度尤其是強(qiáng)化蝦對稻的有利于稻蝦模式優(yōu)化，也是稻蝦模式和水稻可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。陳松文等[3]提出了采用生態(tài)農(nóng)業(yè)方式發(fā)展稻蝦模式，并利用圖示展示了稻蝦模式中稻、蝦、水土環(huán)境以及病蟲草之間的生態(tài)關(guān)系[22]。但生產(chǎn)實(shí)踐表明現(xiàn)有模式下蝦與稻的生態(tài)耦合度并不高，尤其是蝦對水稻的生態(tài)作用有待提高。相比于其他稻田綜合種養(yǎng)模式如稻鴨[23]、稻魚[24]等，對稻蝦的生態(tài)機(jī)理、耦合機(jī)制，尤其是蝦對水稻的作用機(jī)理方面缺乏深入系統(tǒng)研究。

稻蝦模式和水稻可持續(xù)發(fā)展取決于資源利用的可持續(xù)性。國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。佀國涵等[15]在10 年定位試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)長期稻蝦共作模式顯著降低了15～30 cm 土層的土壤緊實(shí)度。龔世飛[25]的研究發(fā)現(xiàn)稻蝦模式對改善稻田土壤物理結(jié)構(gòu)有幫助，土壤的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度提高，土壤容重降低。大多研究者認(rèn)為稻蝦模式有利于土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)營養(yǎng)氮磷鉀含量的提高[15，18，26]。朱杰等[27]報(bào)道稻蝦模式比單作水稻顯著增加了土壤微生物豐富度指數(shù)，但對微生物多樣性指數(shù)沒有顯著影響。王蓉等[28，29]對稻蝦模式下土壤氮循環(huán)有關(guān)微生物氨氧化細(xì)菌(AOA)、氨氧化古菌(AOB)、反硝化細(xì)菌(nirK，nosZ)等豐度和種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。Yuan 等[30]采用土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)系統(tǒng)評價(jià)了稻蝦模式土壤質(zhì)量和肥力指標(biāo)的變化，發(fā)現(xiàn)隨SQI 隨稻蝦年限增加而升高。土壤質(zhì)量的改變主要是因?yàn)榇罅客度氲奈r飼料增加了養(yǎng)分，蝦的代謝物和活動改變了土壤性狀，但長期淹水帶來的土壤次生潛育化并隨著養(yǎng)蝦年份增加而加重的問題亟待解決[1]。

同樣是由于養(yǎng)蝦過程中投入品的增加，土壤的污染狀況如關(guān)于亞硝酸鹽、重金屬的變化情況還未見報(bào)道。蝦飼料的投入加重了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，這對平原湖區(qū)，尤其是面積較大的江漢平原水環(huán)境保護(hù)施加了壓力。相關(guān)研究多集中在農(nóng)田尺度上的水體質(zhì)量監(jiān)測，如程慧俊[31]研究了稻蝦模式水體中溶解氧降低，隋燚等[32]和陳松文等[3]發(fā)現(xiàn)稻蝦水體的氨氮、亞硝態(tài)氮、磷的濃度升高，何俊等[33]調(diào)查了蝦稻模式水體中浮游生物藻類如綠藻、硅藻和藍(lán)藻的數(shù)量變化。對于流域尺度上蝦稻作業(yè)區(qū)對水體面源污染的作用以及風(fēng)險(xiǎn)閾值變化情況尚未見報(bào)道，需要加強(qiáng)相關(guān)方面的監(jiān)測和研究。

將稻蝦模式作為一個(gè)完整的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，從系統(tǒng)服務(wù)和系統(tǒng)可持續(xù)性評價(jià)的角度對其進(jìn)行研究的報(bào)道還較少，Ling 等[22]利用碳足跡和經(jīng)濟(jì)學(xué)評價(jià)相結(jié)合的方法比較了稻蝦模式與其他稻作模式的碳足跡，有利于從宏觀角度分析和把握稻蝦模式在固碳減排方面的功能。此外，國內(nèi)外還有很多評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)綜合功能的方法，如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、生命周期法、能值法等可用于對稻蝦模式的資源利用效率、生態(tài)效率、可持續(xù)發(fā)展指數(shù)、環(huán)境污染指數(shù)、溫室氣體排放等進(jìn)行綜合評價(jià)。

4 發(fā)展展望

(1)穩(wěn)稻增效。在未來發(fā)展中，稻蝦模式應(yīng)逐漸從以蝦為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲r稻并重，乃至以稻為核心，蝦為稻服務(wù)。保障稻蝦模式中水稻的種植面積和栽培質(zhì)量，體現(xiàn)蝦稻米的品質(zhì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，從產(chǎn)量、品質(zhì)、生態(tài)三方面增加水稻效益。關(guān)于小龍蝦已有若干地理標(biāo)志和公共品牌，下一步應(yīng)加強(qiáng)稻蝦米、優(yōu)質(zhì)稻米等品牌和稻蝦文化建設(shè)等。

(2)模式創(chuàng)新。從現(xiàn)有以蝦為核心的模式創(chuàng)新逐步發(fā)展為以稻為核心的模式創(chuàng)新。在基礎(chǔ)理論研究上進(jìn)一步深入強(qiáng)化蝦與稻的生態(tài)關(guān)聯(lián)，在技術(shù)模式上提升蝦對稻的生態(tài)服務(wù)、加強(qiáng)水稻適宜性品種、生產(chǎn)技術(shù)體系等研究。如王忍等[34]田生態(tài)種養(yǎng)水稻品種優(yōu)選研究；馮香昭等[35]蝦模式下不同水稻品種不同播期的產(chǎn)量和資源利用效率，為稻蝦模式中水稻高效栽培提供了技術(shù)支持；陳松文等[3]介紹了“生態(tài)池”模式，可為稻蝦田間圍溝創(chuàng)新、便于水稻生產(chǎn)田間操作提供重要參考。除此之外，還應(yīng)嘗試稻蝦與不同稻作模式輪作的模式，如與稻荷、稻菜、稻魚等模式進(jìn)行輪作以解決土壤次生潛育化、水體富營養(yǎng)化等問題。

(3)環(huán)境監(jiān)管。首先，需要加強(qiáng)稻蝦模式相關(guān)技術(shù)規(guī)范、管理法規(guī)的制定。2018 年發(fā)布的?中華人民共和國水產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SC/T1135.1-2017:稻漁綜合種養(yǎng)技術(shù)規(guī)范第一部分:通則?中的技術(shù)指標(biāo)明確要求溝坑占比不超過總種養(yǎng)面積的10%。應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)稻蝦模式發(fā)展的規(guī)范性，如養(yǎng)蝦期間投入品的規(guī)范使用、稻蝦模式下水稻減肥減藥規(guī)范等，并加強(qiáng)生產(chǎn)過程的執(zhí)法監(jiān)管。對稻蝦種養(yǎng)殖過程中的污染物排放如溫室氣體、氮磷面源污染物、重金屬等進(jìn)行智能監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)識別預(yù)警。