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农田物种间相互作用的生态系统功能

谢坚  
【摘要】:粮食安全已成为当前全球重要问题之一,世界农业面临如何持续生产出充足的粮食同时又不破坏资源环境的重大挑战。人们重新回顾世界农业的发展历程,分析优秀传统农业可持续的机理并应用于现代可持续农业的设计中。具有1200年历史的浙江南部稻鱼共作系统是传统农业的典范,2005年该系统被列入全球重要农业文化遗产项目。本论文通过农户调查和田间试验,研究“稻鱼系统”内在的运行机制,并回答以下问题:(1)系统生产力如何维持稳定?(2)系统对化肥农药的依赖程度如何?系统生产力维持的机理是什么?研究取得以下主要研究结果: 1稻鱼系统的生产力稳定性及对化肥农药的依赖 在农户尺度上,采用多样点定位观察和取样分析的方法,在全球重要农业文化遗产稻鱼系统分布地区(浙江南部丘陵山区),研究稻-鱼共作系统和水稻单作系统水稻产量稳定性(2006-2010)及其对农药化肥的依赖性。5年的研究结果揭示,稻-鱼共作系统与水稻单作系统的水稻产量及产量稳定性指数相似,但水稻单作系统需要施用农药14.85±1.50a.i. kg ha-1(5年平均)和肥料(氮磷钾)总投入282.27±26.53kg ha-1(5年平均)来维持水稻产量及稳定性,而稻-鱼系统仅需要施用农药6.75±0.75a.i. kg ha-1(5年平均)和肥料(氮磷钾)总投入216.20±19.30kg ha-1(5年平均)来维持。 5年田间试验表明,无农药投入的稻-鱼系统水稻产量明显高于无农药的水稻单作系统,但与使用农药的水稻单作系统无显著差异。稻-鱼系统的水稻产量稳定性高于无农药的水稻单作系统,而略低于使用农药的水稻单作系统。2稻鱼系统有害生物的动态 在全球重要农业文化遗产地及周边区域,通过长期(2006-2010)定点田间试验(完全随机区组),比较研究稻-鱼共作系统和水稻单作系统病虫草害的发生规律。6年的灯诱结果表明,稻鱼系统的稻飞虱发生量明显低于水稻单作系统,尤其是在稻飞虱高发生的年份。5年的田间试验研究结果揭示,与水稻单作无农药处理相比,稻-鱼共作无农药处理的杂草生物量降低93.57%(5年平均),纹枯病发生率降低54.35%(5年平均),稻飞虱密度降低44.74%(5年平均)。在纹枯病和稻飞虱低发生时段,稻鱼共作处理中鱼对纹枯病和稻飞虱的控制效果与水稻单作使用农药处理的效果相似。3稻鱼互惠关系的生态学效应 稻鱼系统中水稻与鱼存在明显的互惠关系。一方面鱼直接取食稻飞虱或由于取食等活动碰撞水稻植株导致稻飞虱落入水面,在鱼密度为0.8尾/m~2的情况下,每丛水稻每天被碰撞26.82次,导致26.04%稻飞虱被控制。另一方面,水稻为鱼遮阴和改良水环境,即使在水稻生长的高温季节,鱼也保持旺盛的取食活动。与鱼单作系统相比,稻鱼共作系统水温降低2.56℃,光强降低1456.29μmolm2s-1(于12:00-14:00测定),鱼的活动频率增加57.6%。此外,稻鱼共作系统中水体的氨氮和土壤总氮积累都低于鱼单作系统,水稻为鱼创造了良好的水体环境。4稻鱼系统对氮素的互补利用 稻鱼共作系统氮素的使用比水稻单作低36.51%,但水稻产量仍与水稻单作相似。稻鱼共作系统和鱼单作系统中,饲料中氮素只有11.10%-14.20%进入鱼的体内,大部分停留在环境中(水体、土壤和其他);稻鱼系统中水稻31.84%的氮素来自未被鱼利用的饲料,从而提高了饲料中氮素的利用效率。5稻鱼系统对传统水稻品种的保护 以全球重要农业文化遗产地“龙现村”为研究基地,对延续种植的水稻传统品种的空间分布格局进行了研究,发现这些传统品种与杂交品种镶嵌分布。进一步调查了25个稻鱼系统自然村(以集水区为单元)传统品种的种植面积,发现传统品种种植面积约13%,意味着传统稻鱼共作系统对水稻农家品种有着重要保护作用。对传统品种糯稻、芒稻和红米与杂交水稻品种在稻鱼系统中的表现(产量、品质、病虫草发生)进行了比较研究,发现传统地方品种品质好,且在较低化肥、农药投入的情况下,传统地方品种产量与杂交稻无显著差异。


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