农业生物种间互惠的生态系统功能

【摘要】生物种间的正相互作用(即种间互惠)是生物多样性生态系统功能即“生物多样性与系统生产力呈正相关”的重要机理。与自然生态系统不同,农业生态系统生物多样性简化,生物之间的相互作用被忽略,现代农业高的生产力常常需要高投入来维持。能否和如何通过利用生物多样性以增强现代农业生产的稳定性,并降低对环境的负面影响?是农业生态学需要回答的问题。传统的稻田养鱼是农业利用生物多样性的成功案例之一。近年来,世界各国在传统的稻鱼系统的基础上逐步发展成为规模化、产业化的多种水产动物和水稻共生模式(本论文称为“稻渔模式”,此处“渔”指代任何一种水产动物,下同),为农业生态系统中生物多样性的功能提供了很好的范例。本研究以我国近20年来发展的规模化、产业化的稻渔模式为例,通过全国范围的大尺度、多模式的田间调查和农户调查,定位田间实验和中宇宙(mesocoms)生态系统模拟的研究方法,研究稻渔模式中不同农业生物种间互惠的生态系统功能,回答以下问题：(1)稻渔模式系统是否使系统的生产力提升并且减少了农药化肥的投入；(2)水稻和不同水产生物之间的正相互作用机理和对稻田资源互补利用的特征；(3)稻渔模式能否在提升生产力的同时减少对环境的负效应。研究取得了以下主要结果。1稻渔模式的生产力和农药化肥投入对分布于全国水稻主要种植区域的5个重要稻渔模式(稻-鱼、稻-鳅、稻-虾、稻-蟹和稻-鳖)的研究表明,稻渔模式的水稻平均产量为8.34tonha-1,平均比水稻单作的产量增加2.98%。不同模式中水稻的增产效应不同,稻-鱼和稻-蟹模式的水稻产量增加最为显著,分别增加4.44%和6.27%,而稻-鳅和稻-鳖模式的水稻产量和水稻单作差异不显著。稻渔模式和水稻单作水稻产量空间稳定性差异不显著,但是稻渔模式的肥料和农药使用量分别降低26.52%和61.08%。2水产动物在稻田中的活动特征摄像记录统计法定量分析显示,在鱼单养处理下,鱼的活动主要集中于进靠近进水口的区域。与不种植水稻相比,稻-鱼共作处理下鱼的活动范围扩大,分布多样性和均匀度分别是鱼单养处理下的2.85倍和2.11倍。水稻使鱼在调查样方内的停留时间(与摄食时间成正相关)平均增加41.84%。陷阱捕获统计法定量分析显示,稻-蟹系统中,水稻能够吸引扣蟹进入其种植区域。和不种稻相比,稻-蟹共作处理种植区域内扣蟹活动强度增加37.95%,其中在非蜕壳期的夜间活动强度增加66.98%,而白天和蜕壳期增加不明显。3水产动物与水稻对资源的互补利用基于13C和15N双同位素食谱重建结果表明,水产动物能够不同程度的利用稻田自然资源,在人工投喂的情况下,稻田自然资源仍然为鱼、鳖和蟹分别提供了50.17%、3.00%和34.83%的食物来源。15N同位素示踪结果显示,在中宇宙生态系统模型中,饲料中的N素,被鱼、鳖和蟹利用的部分分别占18.33%、13.02%和35.13%,水稻的吸收利用使系统对饲料N利用率分别增加了9.71%(稻-鱼),42.00%(稻-鳖)和7.57%(稻-蟹)。流失到环境(水、土、大气等)的部分分别占总饲料-N的44.99%-71.96%。土壤N浓度与实验起始时相比增加5.06%-11.77%。4稻渔模式系统有机质分解水稻能够加速土壤有机质的分解。15N同位素示踪结果显示,与水产动物单养处理相比,3种稻渔共作处理的土壤有机N分解速率在测定时间为40天时,分别增加5.63%(稻-鱼),15.84%(稻-鳖)和16.99%(稻-蟹)；测定时间为80天时,分别增加3.71%(稻-鱼),3.46%(稻-鳖)和7.51%(稻-蟹)。5稻渔模式的环境效应在水产动物高密度养殖下,稻渔模式表现出高生产力的特征。小区实验结果显示,3个稻-渔共作处理下的水产动物的产量均与水产动物单养处理无显著差异,而与水稻单作处理相比,稻-鱼和稻-蟹共作处理的水稻产量分别增加19.64%和8.52%。其中,稻-鱼共作处理每穴的有效穗数增加4.90%,稻-蟹共作处理每穴的有效穗数增加21.97%,每个有效穗的实粒数增加14.12%。小区实验结果显示,与水稻单作处理相比,除了鳖单养处理的总P,3个水产动物单养处理的水体总N、总P和COD显著升高。而稻-鱼和稻-鳖共作处理的水体总N、总P和COD以及稻-蟹共作处理的水体总N和COD均与水稻单作处理没有显著性差异。与水产动物单养处理相比,稻-鳖共作处理在整个共生期间显著降低水体总N32.89%,COD29.23%。
【作者】胡亮亮；
【导师】陈欣；唐建军；
【作者基本信息】浙江大学，生态学，2014，博士
【关键词】种间互惠；种间资源互补利用；环境效应；农业生态系统；

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