科學通報 | 稻魚共生系統產量和土壤氮素可持續機理

利用適于當地生境的物種多樣性和遺傳多樣性，是傳統農業系統生產力和土壤肥力維持的重要基礎；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代集約化農業對農用化學品（化學肥料、農藥、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（sustainable intensification）農業系統，是當前農業生態學研究領域需要回答的科學問題。在水稻生長季節里將水稻種植和鯉科魚類養殖集中在同一稻田空間形成的稻魚共生系統，是農業物種多樣性利用的方式之一，稻魚共生系統的“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以及對資源的互補利用，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，從稻田提升生產力（水稻和田魚產量）以及土壤氮素維持的角度，研究田魚養殖產量不同水平下的稻魚共生效應和機理。我們推測，從水稻產量和土壤肥力維持或提升的角度，田魚產量存在一個適合范圍；在此范圍內，田魚通過取食活動驅動氮素在水稻和田魚之間的互補利用，從而稻魚共生系統可在肥料-N減量的同時，實現產量和土壤氮素可持續。

浙江大學生命科學學院陳欣教授團隊研究采用區域取樣、長期田間試驗和穩定性同位素微區實驗相結合的途徑開展。對分布于南方地區10個省市的稻魚共生系統進行取樣（以農場為單元）研究表明，田魚產量在0.5 t hm-2-1.0 t hm-2范圍，稻魚共作系統的水稻產量與水稻單作系統的產量無顯著差異，但肥料氮的投入顯著低于水稻單作系統；與水稻單作系統相比較，稻魚共作系統的土壤有機碳和總氮含量均顯著提高。長期田間試驗也表明，田魚目標產量在0.30 -1.5 t hm-2范圍內，稻魚共作系統能保持水稻產量穩定或提高水稻產量，在田魚目標產量為1.5 t hm-2、肥料氮減少30%的情景下，土壤氮保持仍持續穩定。

穩定同位素技術進一步研究揭示，田魚驅動氮素的運轉以及水稻和田魚對氮素的互補利用是水稻產量可持續和土壤氮素穩定的重要機理（圖1）。一方面，田魚取食等生命活動過程驅動了氮的循環利用。穩定性同位素δ13C和δ15N分析顯示，棲息于稻魚共生系統的生物類群如藻類、浮萍、雜草、浮游植物、水蚯蚓、田螺、浮游動物等，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，從實現氮素多層利用（圖1A）。另一方面，稻魚共生系統輸入的氮素（即化肥氮和飼料氮）可被水稻和田魚互補利用。肥料-15N和飼料-15N流向實驗表明，稻魚共作系統中，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；我們的田間試驗觀測還發現，隨著田魚的增長，從田魚體內釋放的氮素逐漸增加。可見，田魚取食等生命活動過程驅動了氮的循環利用，可為水稻生長持續提供氮素，也對稻田系統起到持續施肥效應，維持了土壤氮素穩定。

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

圖 1 稻魚共生系統中田魚驅動氮素運轉（A）及水稻和田魚對氮素的互補利用（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在體內的氮素

文章信息

趙璐峰，郭梁，胡亮亮，等。稻魚共生系統產量和土壤氮素可持續機理. 科學通報, 2025, 70 (28-29): 4929-4942.

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

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