农业遗产稻鱼共生系统可持续性背后的生态学机制（编译）
农业遗产稻鱼共生系统可持续性背后的生态学机制（编译）
通讯作者：陈欣
编 译：戴蓉
出 处：http://www.pnas.org/content/early/2011/11/08/1111043108.full.pdf+html
千百年来，传统农业系统对世界范围的粮食与生计安全做出了重要贡献。然而，近代以化肥和杀虫剂大量投入为基础现代农业的扩张，使得许多传统农业系统已经消失[1]。认识到传统农业系统的生态遗产可以帮助我们开发新的可持续农业。为了保护这些重要的农业系统，联合国粮农组织、联合国发展计划署和全球环境基金启动了“全球重要农业遗产（GIAHS）” 项目。中国浙江省青田县的“稻鱼共生系统”历史悠久，延续了1200年。2005年被列入 “全球重要农业文化遗产”( GIAHS)。稻鱼共生系统的价值已被确认，其背后的生态系统机制也值得深入研究。浙江大学陈欣教授研究团队对青田县的“稻鱼共生系统”进行了6年的试验研究，并将研究成果“农业遗产稻鱼共生系统可持续性背后的生态学机制” [2]一文发表在2011年11月《美国国家科学院院刊》 （PNAS）上。研究结果以独特的视角揭示了物种间的正相互作用及资源的互补利用是稻鱼共生系统可持续的重要生态学机制。
稻鱼共生系统即稻田养鱼，是一种典型的农田生态系统。系统中，水稻、杂草构成了系统的生产者，鱼类、昆虫、各类水生动物构成了系统的消费者，细菌和真菌是分解者[3]。也是一种典型的生态农业生产方式，系统内水稻和鱼类共生，通过内部自然生态协调机制，实现系统功能完善。系统即可使水稻丰产，又能充分利用田中的水、有害生物、虫类来养殖鱼类，综合利用水稻田的一切废弃能源，提高生产效益，不用或少用高效低毒农药，以生物防治虫害为基础，减少了化肥与农药的使用，保护了生态环境，提高了农产品质量，生产优质鱼类和稻米[4]。通过在研究区域内实地调查发现，这种稻鱼共生系统中，鱼是当地品种，红色的普通鲤鱼（Cypinius carpia color var.），具有较高的遗传多样性[5-6]。而系统中的水稻品种已经随着时间的推移而发生改变，在过去的十年中，高产的杂交水稻品种占主导地位[6]。
“稻鱼共生系统”被认为是一种可持续的农业形式，因为它能使有限的土地和水资源的利益最大化，且化学品投入相对较少，同时有助于糖类和蛋白质产品的生产及生物多样性的保护[7-11]。中国在过去的30年中发生了翻天覆地的变化，而农民还继续使用稻鱼共生系统，当然部分是因为这个系统是当地传统文化和地方风俗的一个重要组成部分（例如，稻田养鱼的节日）[7] 。
稻鱼共生系统生产能减少农业化学品对环境的影响并且有助于提高水稻种植的利润[12]。这种物种间的正相互作用，资源互补利用产生新的生态系统特性，能帮助解释这个共生系统的稳定性与可持续性。当把鱼引入到稻田后，农民不仅能够种植出与传统单一水稻栽培同样产量的谷物。同时水稻和鱼类之间的正相互作用减少了杀虫剂在“稻鱼共生系统”的施用。与常规水稻单作模式相比，稻鱼共生系统能够降低68%的杀虫剂和24%的化肥施用量。“稻鱼共生系统”中的鱼类能显著减少了水稻害虫和杂草。稻田中的鱼在活动过程中常常撞到水稻茎秆，致使水稻飞虱（昆虫纲同翅目飞虱科害虫）落入水中，成为鱼儿的食物，从而降低其对水稻的危害。其中，研究人员通过录像和实验控制详细重现了此过程。同时，鱼儿的这种撞击活动能够使清晨水稻叶片露水坠入稻田中，减少稻瘟病原孢子产生和菌丝体生长，降低水稻纹枯病和稻瘟病对水稻的危害。鱼儿能够取食甚至连根拔起杂草，显著降低稻田中的杂草数量，致使几乎没有杂草的种子留存在稻田中。另一方面，水稻能有效调节生活在其中鱼类的水环境。水稻能为鱼儿够抵挡烈日照射，在炎热季节降低稻田表层水温，补充一些食物（如掉入水中的食草类昆虫和水稻飞虱等）。除此之外，水稻相当于一个氮库，帮助降低水中铵盐浓度，为鱼类生长创造良好环境。
研究结果还表明“稻鱼共生系统”中氮肥能有效利用，及较少的氮释放到环境中，降低氮的环境危害。在“稻鱼共生系统”中没有被利用的氮肥能够刺激作为鱼儿食物的浮游生物的生长。“稻鱼共生系统”中由于水稻和鱼儿使用氮的形式不一样也是氮高效利用的原因之一。与传统水稻田一样，化肥施用量的减少，对降低农业生产中的氮素过量施用提供了很好的解决方法。物种间的正相互作用和营养的补充是水稻和鱼儿能够长期共存的基础，并且能够帮助解释为什么共生系统随时间的推移，能够在低杀虫剂和化肥投入的同时维持系统的生产力。
目前，由于世界人口的不断增加[13]，农业资源的限制（例如，土地和水）[14]，全球气候变化对农作物生产的影响[15-16]致使全球粮食安全问题日益突出。世界农业目前在生产足够粮食的同时最小化农作物种植对环境的负面影响方面正面临着巨大的挑战。
在过去的50年里，由于化肥、杀虫剂的使用，新作物品种的培育与栽培方法的改进等原因使得农作物产量大幅增加。然而，由于化肥和杀虫剂长期使用对环境负面影响，导致了害虫的抗药性，增加了农业成本[17-18]。因此，需要对现代农业进行反思[19]，这样的反思应包括对传统农业系统重新认识[20-22]。
世世代代的农民使用因地制宜的管理方式建立、发展和维持了传统的农业系统。这些系统基于丰富多样的物种和物种间的相互作用。传统农业系统其生物多样性非常丰富[23-24]，能够成功适应不同的环境。认识这些传统农业系统和集成这些独特的经验到将来的农业生产规划，可以帮助我们发展更可持续的农业。事实上，这种传统系统的研究已经帮助科学家创造新颖的农场设计[25-27]。
综上所述，稻鱼共生系统作为一种传统的农业耕作方式，起因于地区自然条件的局限，是农民长期适应自然而形成的特有生产方式与土地利用方式。这种传统农业生产方式，具有增产、节约开支与保护环境等特点，可节省土地，实现天然的立体农业生产模式，有效缓解人地矛盾。这种源自传统经验的农业耕作使农民获得了与自然和谐相处的生存方式[3]。陈欣教授等深入研究了这种传统的农业方式背后的生态学机理，让我们在对现代农业存在的问题进行反思的同时，重新认识传统农业系统。陈欣教授等的研究成果为粮食安全生产模式提供了好的理论基础，利用这种物种间的正相互作用，资源的互补利用，对粮食的安全生产，农产品质量的提高，生产优质鱼、稻米和保护农业生态环境显得尤为重要。
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