稻田种养结合循环农业模式的生态环境效应研究

稻田种养结合循环农业模式的生态环境效应研究

“石油农业”模式使用大量化肥和农药在农业生产中使用，导致大规模的源和地表径流污染，严重危及农业生产环境和农产品质量安全。为破解这一矛盾,学界提出了循环经济理论并在农业经济领域加以应用,即循环农业。循环农业强调农业资源的充分合理利用和农业生态环境的保护和改善,以获得最大的经济、生态和社会效果。季昆森强调指出,循环经济“3R”原则在农业上有更广阔的应用领域,并发展出了再思考(Rethink)原则:不断深入思考经济运行中如何系统地避免和减少废物,最大限度地提高资源与生态环境效率。为此,寻找循环农业的有效模式是理论界和实践界的重要课题。章政等在考察了上海市农业循环经济的发展背景与目标,提出了土地循环利用、农业废弃物综合利用、城乡工业及生活垃圾循环利用,以及生态产业园等四种基本发展模式。金晶、曲福田、宣亚南等根据循环经济的“5R”原则,提出了资源利用的“反馈式”流程。应用在水稻生产上,王妹提出农业产业内部物能相互交换,互惠互利,如种植业的立体种植有各种农作物的轮作、间作与套种等模式。骆世明及郎秀云提出了稻田养殖模式,即稻田养鱼、蟹、青蛙等。学者的研究与实践为发展循环农业提供了科学依据。在学者的研究中,特别关注循环农业模式在缓解农业生产中生态环境问题所产生的作用与效果。以稻作为例,近年来稻-鱼种养结合的循环农业模式在中国水稻产区得到一定程度的应用,其特点是利用水稻和水产品—鱼等生物生长对土地、水和气候等主要自然生产条件有重合性的特性,采用适用的技术,在同一土地上同时产出多种农产品。这种模式利用了稻田生态系统中的生物的作用机制,达到控制或减少农药和化肥的使用,从而改善生态环境。张清明认为种养结合模式中的稻田养鱼是种植业和养殖业的有机结合,集传统农业、生态农业和现代高产低耗农业为一体的复合型农业,具有良好的经济、生态和社会效益。廖庆民实验证实在常规的水稻生产中,杂草除了与水稻争肥之外,还争空间、水分和阳光,为了抑制杂草,除需人工除草外,还大量使用化学除草剂,而在稻田种养结合循环农业模式下,杂草可以成为养殖动物的食物来源。经直观验证,未养鱼的对照田,稗草达到64株/10m2,而养鱼稻田杂草及稗草几乎绝迹,只有5株/10m2,不需使用化学除草剂。此外,稻田养殖鱼类可以起到灭虫作用。廖庆民试验表明鲤鱼对稻田中的昆虫有明显的吞食能力,特别是对飞虱、泥包虫有控制作用。经测定,养鱼稻田虫口密度为530只/667m2,而未放养鱼种的对照田,虫口密度为1280只/667m2,可以大幅减少农业的使用量。另外在稻-鱼的模式下,稻田因鱼类活动而增加肥力,彭廷柏等实验证实养鱼影响到稻田土壤水稳性团聚体的特性和组成,促进土壤有机质分解,容重减少,孔隙增加,通透性改善,其水、肥、气、热状况均优于一般非养鱼田。学者们对于这种模式的生态环境效果研究大都是基于条件较为完备的试验研究,但对实际大面积调查研究涉及较少。为此本文以中国南方水稻产区为目标区域,在实地调查基础上考察和验证稻-鱼种养结合的循环农业模式所产生的现实生态环境效应,为进一步发展循环农业提供建议。1稻田养鱼系统的农药作用及节肥效应稻田种养结合循环农业模式所产生的生态环境效应主要集中在节肥、节药、抑草、改善土壤和水体等方面上。从多年的稻-鱼模式下的田间试验来看,这种模式的主要生态环境效应表现如下:(1)减药效应。在稻田生态系统中,杂草具有双重属性。常规的水稻生产中,为了抑制杂草,除人工除草外,还大量使用化学除草剂,造成了较为严重的环境问题。在稻-鱼模式下,杂草可以成为养殖动物的食物来源。栗浩文等的试验结果表明,在不使用除草剂的条件下稻田养殖草鱼可除稻田稗草、慈姑等。杜汉斌等研究证实,稻田鱼类的觅食活动一般可耗掉田间杂草的74%-87%。李月梅试验计算过稻田养鱼的除草剂减药效果(见表1)。稻田养殖鱼类还可以起到灭虫作用。廖庆民试验表明鲤鱼对稻田中的昆虫有明显的吞食能力,特别是对飞虱、泥包虫有控制作用。张承元观察证实鱼能取食水稻脚部位及落在水面的稻飞虱、稻叶蝉、稻螟铃等害虫。此外养殖的鱼类还具有抑制水稻病害的作用,如在鱼捕食水田中的纹枯病菌核、菌丝,从而减少了病菌来源。曹志强等进行的田间调查结果表明,稻鱼共生的稻田水稻纹枯病发病率为4.7%,明显低于对照田的8.5%。由此可知稻田鱼类可替代杀虫农药的作用,减少农药对生态环境和农产品质量的影响。(2)节肥效应。稻田种养结合循环农业模式的节肥效应主要来自两方面:一是稻田养殖的动物生长过程中所产生的废弃物,如粪便等;二是水稻收割后的秸秆直接回田或用于沼气后的沼夜回田。在稻鱼的模式下,鱼类不断的进食而又不断的排除粪便增加了肥力。经测定,养鱼稻田比未养鱼对照田有机质含量高0.112%,碱解氮高6.8PPm,全氮高0.0045%;同时还可以增加水中溶氧量,加速了有机质的分解,提高了土壤肥力。经测定养鱼稻田底层水溶解氧为6.5mg/L,未养鱼的对照田底层水溶解氧为4.8mg/L。YangYong、邝雪梅等研究表明,稻田养鱼可以改善稻田耕作层土壤物理化学性质,与对照相比,养鱼田土壤容重减少15.15%,总重孔隙度增加14.64%,有机碳、全氮、有效氮、速效磷和速效钾分别增加4.8%、6.61%、20.93%、72.39%和36.67%。卢升高、吴建军等试验测试了稻鱼模式的节肥效应(见表2)。2研究方法和数据来源由于要分析的目标区域范围广泛,且是从总体上考察分析稻田种养结合循环农业模式的生态环境效应,为此本文拟采用如下方法:(1)计量统计分析法。综合各种已有的文献,目前考察分析生态效应大都采用田间试验分析方法,鲜有用计量回归模型。这是因为考察生态环境效应关键在于把握其结果,即研判某一经济活动所带来的对生态环境影响程度,从而判断这一经济活动的本质。统计分析法是运用实际数据,通过汇总、对比等技术手段,能够清楚看出问题的本质,结果具体、准确。为了更具体、准确分析南方稻区稻田种养结合循环农业模式的生态环境效果,本文拟采用计量统计分析法。(2)文献归纳法。囿于试验条件的限制,对于研究中所涉及的技术和实验方法步骤获取较为困难,本文通过查阅大量研究者的研究成果,以获得相关技术方案和实验方法,确保研究的科学性。(3)实地调查法。由于现有的统计资料相关内容的统计数据不全,难以满足本研究的需要,同时为了更准确分析问题,本文采用实地调查的方法获取研究目标区域农产或企业组织实际生产中的相关资料,尽可能使研究能够准确反映实际状况。由于研究对象的特殊性,对于南方稻区水稻生产中稻田种养结合循环农业模式的生态环境效应实证分析的数据来源于三部分:一是根据中国统计年鉴、中国农村统计年鉴、中国农业统计年鉴和相关文献归纳等经过整理而成。二是南方稻区实施稻-鱼模式和未实施这一模式的农户调查数据。三是相关研究成果中技术数据。之所以采用二、三两方面的数据,是由于在统计年鉴中关于稻-鱼种养结合模式相关的数据缺失,无法从中获取,更主要的是这些数据贴近实际,这样分析的结果更为准确。本文以南方稻区年平均水稻种植面积为1000khm2的江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、广东、广西、四川、云南等10个省区为研究的目标区域。对南方稻区稻-鱼模式的入户调查,共发放500份调查问卷取样,收回486份,其中有效调查问卷481份,占总收回问卷数的98.97%。为了便于比较分析,入户调查分为两部分:按稻-鱼种养结合模式生产的农户和常规水稻生产模式的农户,其中按稻-鱼种养结合模式生产的农户问卷305份,占总问卷的63.41%;常规水稻生产模式的农户问卷176份,占总问卷的36.59%。由于规模大小对农户投入和收益有影响,故调查样本按常规水稻生产和稻-鱼种养结合生产的一定规模取样,两种模式的最低生产规模为1hm2。调查方式采用调查员入户调查的方式,有调查员根据问卷内容向农户说明,由农户填写。调查样本分布为江苏省取样70个、浙江省取样90个、江西省取样150个,湖南省取样86个、湖北省取样85个,分别占总样本的14.55%、18.71%、31.19%、17.88%和17.67%。3农业对化肥农业的经济效益分析3.1化肥使用量及稻-鱼类养结合模式时量增量化效果分析从化肥和农药使用来看,与常规水稻种植相比,稻-鱼模式由于改善稻田生态系统中的物质和能量的利用关系,其化肥和农药的使用是有明显区别的。(1)化肥使用量的对比分析。根据南方稻区的农户调查,176户进行常规水稻种植的农户和305户实施稻-鱼模式的农户水稻种植面积和种养面积汇总如下(见表3)。水稻生产过程中,需要施用的主要化肥是含有氮、磷、钾等水稻生长所必须养分的碳酸氢铵、过磷酸钙、氯化钾等。由于受稻田面积、生产模式、资金等因素的影响,农户化肥的使用量有所不同。研究表明,稻-鱼种养结合模式下,鱼吞食的杂草、底栖动物,一般仅能消化吸收其总量的30%左右,余下60%以粪便形式散布在田中,加入稻田的物质循环和能量转化,增加土壤肥力,减少了施肥量;稻田养鱼节肥在10%-20%且并不影响水稻产量,随着养鱼年限增加,节肥效果明显提高。在调查的481户农户中,由于具有一定的生产规模,尽管资金不是十分充裕,但对化肥的投入并没有缩减,因此农户化肥使用则主要取决于稻田面积和生产模式。根据调查的相关数据,可以计算出不同生产模式的化肥使用量及稻-鱼模式的化肥减量化的效果(见表4)。从表4中可以看出,稻-鱼种养结合模式下,碳酸氢铵、过磷酸钙和氯化钾三种主要化肥单位面积使用量分别比常规水稻种植模式减少了137.11hm2、119.39hm2和29.97hm2,节约比率分别为14.66%、16.34%和15.21%;总的来看,化肥单位面积总使用量比常规水稻种植模式单位面积总使用量上减少了286.47kg/hm2,节约率为15.21%,表明稻-鱼种养结合循环农业模式的具有显著的化肥减量化效果。(2)农药使用量的对比分析。稻-鱼种养结合模式对主要病虫害具有一定的控制作用。研究表明,相对于常规水稻种植,水稻叶瘟平均病情指数下降5.57%,穗颈瘟病情指数下降6.08%,水稻纹枯病平均病情减轻11.40%,白背飞虱百丛虫量平均下降11.16%,褐飞虱的百丛虫量平均下降18.72%,稻纵卷叶螟卷叶率平均下降5.49%,二化螟枯心率平均下降4.05%,中华稻蝗虫口密度平均下降1.52%。同时稻-鱼模式的共生生态系统具有增肥、增温、增氧、增加光照的利用和通风透光条件的改善等,使水稻生长健壮,抗病性、耐病性、耐害性增强。基于这种控制作用,农户在生产过程实践中,农药的使用量会大幅度减少。从农户调查来看,稻瘟灵、扑虱灵和甲胺磷是常规水稻种植模式和稻-鱼种养模式共同使用的主要农药,但由于模式不同,它们的使用量是不同的。根据对农户调查的数据,计算出稻-鱼模式与常规水稻种植模式相比农药使用量的减量化效果(见表5)。表5表明,稻-鱼模式下,稻瘟灵、扑虱灵和甲胺磷三种农药单位面积使用量分别是1.8kg/hm2、0.80kg/hm2和1.6kg/hm2,比常规模式单位面积使用量分别减少了1.22/hm2、0.63/hm2、0.97/hm2,分别降低了40.40%、44.06%和37.74%。从总的来看,稻-鱼模式的单位面积总使用量比常规模式要减少2.82kg/hm2,减少率为40.17%,效果显著。实际上,常规模式下,种植面积较大的农户还会使用较大数量的除草剂来清除稻田的杂草,一般使用量为1.81kg/hm2,而稻-鱼种养结合模式下,许多农户不使用除草剂,而是人工清除,杂草归田作为鱼类的饲料,农药减量化效果更为明显。3.2化肥和农药使用量与水稻生产模式的关系化肥农药的使用受许多因素的影响,何浩然、张林秀,李洁,茹敬贤等研究认为农户化肥使用量与农户的生产的土地面积、种植养殖结构、农户特征等因素有关,其中土地面积在众多因素中对化肥使用量的影响最为显著。陈超,黄东风等认为农户生产的土地面积是决定农户农药使用量的首要因素。因此在考察不同生产模式与化肥农药使用量的相关关系,则以不同生产模式的土地面积为影响因子。由于研究目的是要考察稻-鱼模式所产生化肥、农药减量化效应,因此以南方稻区水稻生产化肥农药投入率为因变量,以稻-鱼模式的土地面积占总面积的比重为自变量,建立相关函数,公式为:Dsi为第i年化肥或农药投入率;Api为第i年稻-鱼种养结合模式的土地面积占总面积的百分比;λ、γ为参数;εi随机干扰项。由于不同水稻生产模式化肥农药使用量不同,因此分析中将不同模式的化肥农药使用量分别计算而后加以汇总。由调查得知,农户化肥农药使用还会受农户特征及农户资金量等因素的影响,实际的使用量与常规模式和稻-鱼模式的技术要求使用量有一定的差距,因此为了更好地反映出本质问题,计算化肥农药总使用量的参数以相关技术标准为计算参数。根据测算,南方稻区常规水稻生产平均化肥使用量为1.92t/hm2,稻-鱼模式平均化肥使用量为1.51t/hm2;常规水稻生产平均农药使用量为7.05kg/hm2,稻-鱼模式平均农药使用量为4.05kg/hm2。根据2001-2009年中国统计年鉴、中国农村统计年鉴、中国农业统计年鉴相关统计数据及化肥农药使用量的技术标准,利用Eviews6.0软件,估计参数,得出化肥和农药使用量与水稻生产模式的相关方程:R2(Adjusted)=0.9994。和Dscf、Dspc分别为化肥投入率和为农药投入率,参数下面括号内的数值为相应参数的t检验值。从相关方程的估算结果分析,各个估计参数的t检验值都大于1,相伴概率均为0.0000,显著性较好。由2、3式可以看出南方稻区水稻生产中化肥农