Mechanisms underlying the sustainability of yields and soil nitrogen in the rice-fish system

利用稻田浅水环境养殖鲤科鱼类而形成的稻鱼共生系统在我国具有悠久历史。如何提升传统稻鱼共生系统鱼的产量而不降低水稻产量，同时不对环境产生负面影响的话题一直受到关注。本研究采用区域取样调查、长期田间试验和同位素微区实验相结合的方法，分析不同鱼产量水平的稻鱼共生系统水稻产量、肥料氮（N）输入、土壤碳氮含量的差异及其机理。区域取样调查表明，鱼产量不同水平（ <0.5 t hm-2，0.50 - 1.0 t hm-2之间，>1.0 t hm-2）的稻鱼系统与区域水稻平均产量无显著差异；成对取样研究表明，稻鱼共作vs水稻单作的水稻产量无显著差异，稻鱼系统产出鱼的平均产量为0.99±0.07 t hm-2；在肥料氮输入显著低于水稻单作施氮量的情况下，稻鱼共作土壤样本的土壤有机碳（C）和总氮含量仍高于水稻单作土壤样本。长期田间试验表明，鱼产量为0.75 t hm-2和1.5 t hm-2的处理，水稻产量显著高于水稻单作和鱼产量为0.3 t hm-2的稻鱼共作的水稻产量；鱼产量为1.5 t hm-2的稻鱼共作处理，氮素含量3%的饲料投入量为2.54 t ∙hm−2，在肥料氮的输入减少30%的情况下，水稻产量和土壤氮素仍保持稳定。稳定性同位素15N示踪实验表明，输入的肥料-15N中有0.29%被鱼利用，而输入的饲料-15N中有10.54%被水稻利用；用稳定性同位素δ13C 和 δ15N对鱼食谱分析进一步表明，即使有饲料投喂的处理，鱼食谱中仍有46.68%的食物来自田间生物资源，鱼通过取食和转化饲料和田间生物资源、未被同化的氮素以排泄（氨和尿素）和排遗（有机质）的方式释放到稻田系统，被水稻和田间生物吸收利用，从而实现了水稻和鱼对肥料氮和饲料氮互补利用。稳定性同位素15N示踪实验还表明，经历一个生长周期后有72.12%的饲料-15N存留在稻田系统，这意味着稻鱼共作在提高土壤含氮量的同时带来面源污染的潜在风险。研究结果对于理解稻鱼共生的效应、促进稻鱼种养产业的可持续发展有参考意义。