茭白-鸭共作系统是充分利用互利共生、生态位和食物链等生态学原理，以种植茭白为中心，构建的家鸭茭白田间围网养殖的种养生态系统，是对我国传统水生蔬菜生产模式的创新与发展^{[1, 2, 3]}。该系统以茭白田为鸭子提供生长水域空间以及杂草、水生昆虫和有机碎屑等天然饲料生物，鸭子为茭白田除草、食虫、耘土、增肥等，实现以田养鸭，以鸭促茭，以鸭护茭，使鸭和茭白共栖生长^{[3, 4, 5]}。茭白-鸭共作是江苏里下河地区循环农业发展的重要模式之一，但目前的研究主要集中在茭白-鸭共作对茭白产量和品质的影响、病虫草害的控制效果、经济效益等方面^{[2, 3, 4, 5]}，而有关该系统中环境方面的研究极少。研究氮素平衡是评价系统中氮肥投入对环境影响的主要方法之一^[6]。研究认为，当农田系统中氮素输入量高于输出量时，所盈余的氮素很容易通过氨挥发、淋洗或硝化-反硝化等途径逃逸出土壤-作物体系，造成对环境的危害^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}。另外，选择最佳的共作鸭密度是优化茭白-鸭共作系统的关键。研究认为，共作鸭密度过大，容易对茭白造成伤害、无法节省养鸭饲料、会对环境造成一定污染的可能；共作鸭密度过小，则无法起到鸭的除虫防病、除草、施肥和中耕浑水的效果^{[3, 5, 13]}。因此，为了进一步了解并优化茭白-鸭共作系统，设计了茭白与不同密度鸭共作试验，分析各共作系统中氮素平衡以及经济效益情况，为该生产模式的推广应用提供理论和实践依据。 1 材料与方法 1.1 试验设计

试验于2014年在扬州市江都区小纪镇纪西村（32°37′23″N，119°44′46″E）进行，该地区属亚热带湿润气候区，季风显著，四季分明，夏季炎热多雨，冬季凉爽干燥，平均海拔5 m。多年平均气温14.9 ℃，最高气温39.1 ℃，最低气温-8 ℃。多年平均降水量为978.7 mm。年平均日照2 140 h，年无霜期220 d。供试土壤为潮土，基础土样（0~20 cm）pH 5.68、有机质27.8 g·kg^-1、全氮2.9 g·kg^-1、碱解氮187.3 mg·kg^-1、速效磷21.6 mg·kg^-1、速效钾104.5 mg·kg^-1。

试验共设置4个处理：单作茭白（CK）、茭白田放养鸭20只·667 m^-2（D20）、茭白田放养鸭25只·667 m^-2（D25）、茭白田放养鸭30只·667 m^-2（D30），每处理重复3次，随机区组排列，小区面积为700 m2。各处理纯N总投入相同（表 1），CK处理施肥方式与当地农民习惯一致，基肥（2014年4月5日）和分蘖肥（2014年5月5日）分别施用尿素6.9 kg N·667 m^-2 和9.2 kg N·667 m^-2，孕茭肥（2014年8月9日）施用复合肥3.8 kg N·667 m^-2。D20、D25和D30处理基肥与CK处理一致，考虑到茭白-鸭共作期鸭粪对分蘖期和孕茭期需N的贡献，本研究估算了鸭粪的N含量，如公式1~公式3：

表 1 各处理氮素投入量（kg N·667 m^-2） Table 1 N application rate in different treatments （kg N·667 m^-2）

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参考文献^{[14, 15, 16]}有关共作或混养系统中鸭的相关研究结果，成鸭单重为2.22 kg·只^-1、成鸭N含量为2.5%、料肉比为3.85，鸭饲料N含量通过凯氏定氮法测定为2.7%。再根据CK处理中分蘖肥和孕茭肥N投入比例，扣除鸭粪供N量，设计D20、D25和D30处理分蘖肥和孕茭肥施N量（表 1）。尿素含N量为46%，复合肥含氮量为15%。

小区之间做泥埂隔离，为了防止鸭子在小区间乱窜，田埂四周用尼龙网围栏，每隔2~3 m打1根桩固定，围网下端埋入土中，地上网高50 cm左右。在茭白-鸭共作田块空地按5～6只·m^-2搭建简易鸭舍。鸭舍四周用竹、木围筑，石棉瓦盖顶，外围再用尼龙网围起。茭白种株平均每株带3～5个分蘖，剪去叶片，保留叶鞘长15～25 cm。种株于2014年4月4日移栽，以45 °斜插入土，确保根茎和分蘖基部在土下，分蘖苗芽稍露出水面；行距0.9 m、株距0.4 m。种株返青后，及时补齐缺棵。分蘖苗高15～20 cm时，及时去除瘦弱、密集的分蘖，每株保持有效分蘖5～8个，并在株丛中间压一块泥，使植株分蘖均匀分布，通风透光。茭白种株栽植后至返青前，田间水层保持3～4 cm；分蘖前期保持5～7 cm，以后逐步加深到10～15 cm；孕茭期需加深到20 cm以上，但不能超过茭白露白处。

2014年5月20日，将雏鸭放入茭白田活动觅食。起初3 d，雏鸭需每日喂食3次，即早、中、晚各1次。每只鸭每日饲料喂食150 g左右。3 d后，随着雏鸭下田自行觅食，喂食次数与数量宜逐渐减少，具体次数、数量可根据茭白田内杂草与水生小动物数量及鸭的大小而定。傍晚将鸭集中赶入田头鸭舍过夜。经常派专人在田间巡逻，防止天敌侵扰鸭。鸭-茭白共作期间，茭白田里不断水，不搁田。鸭于2014年8月1日收获。

茭白种苗选择当地广泛采用的耐肥、抗病、优质、高产的短日照六安茭品种。鸭苗选择当地高邮麻鸭，其体小灵活、生活力强、田间活动时间长、嗜食野性生物、能生产出高品质鸭肉和蛋品、繁殖力强。 1.2 样品采集和测定 1.2.1 茭白与鸭产量

试验于2014年9月15日开始每隔1 d采收1次茭白，10月9日结束，共计采收13次。每次采摘小区内所有露白的茭白肉质茎称重，最后统计每小区的各次称重之和，折合成单位面积产量；饲养鸭约12周龄时收获（2014年8月1日），于中午喂食时把鸭圈在鸭舍中，待鸭空腹2 h后，记录每个小区中每只鸭重。 1.2.2 茭白、鸭和饲料N含量

茭白移栽前，选择长势均匀的10株茭白苗，清洗后装入信封袋并记录编号，在105 ℃烘箱中杀青30 min后降至80 ℃烘干称重，之后整株粉碎后用于测定N含量。收获期于每个小区按“S”形状，用标签标记5株长势均匀的茭白植株，用于测定茭白N含量。每次每株采收的肉质茎切成片状装袋编号，最后一次采收肉质茎的同时取茭白地上部，用剪刀将各个分蘖在株丛的着生处分割下来，并按每个植株各个分蘖的叶片和短缩茎分别装袋编号，所有样品在105 ℃烘箱中杀青30 min后降至80 ℃烘干称重，之后粉碎测定N含量。根据各部位干重和N含量计算茭白苗输入N和收获期茭白输出N。

雏鸭放入茭白田及成鸭出栏时，分别挑选3只体重接近平均体重的试验鸭屠宰，用于测定鸭N含量。鸭采用颈椎错位法致死，屠宰分为鸭躯干（包括骨、皮、内脏等）、消化道内容物和鸭毛，分别称重。鸭躯干立即置于-20 ℃冷藏箱冷冻，之后取冷冻鸭用刀切碎后装入磁盘中，105 ℃烘15 min以灭菌，然后80 ℃烘干称重，之后粉碎用于测定鸭躯干N含量；消化道内容物和鸭毛，直接进行灭菌烘干称重测定其N含量。鸭躯干、消化道内容物和鸭毛N含量之和为鸭N含量。从每袋鸭饲料中随机采集3个样品称鲜重，再于80 ℃烘干称重，之后粉碎测定N含量。 1.2.3 土壤矿质氮含量

土壤样品分别于茭白移栽前和收获后于每个小区按“S”形状采集0~20、20~40 cm新鲜土壤，土壤取回后一部分用0.01 mol·L-2 CaCl₂浸提，用连续流动分析仪（TRAACS2000）测定土壤矿质氮（硝态氮和铵态氮）含量，另取一部分土壤用烘干法测定含水量。

所有茭白、鸭和饲料样品消化采用H2SO4－H2O2法，全N测定采用凯氏定氮法。土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值均采用常规方法测定^[17]。 1.3 数据处理和分析

图 1表明茭白-鸭共作系统中氮素平衡情况，其中系统氮素输入包括化肥N、鸭饲料N、茭白苗和鸭苗带入N、大气干湿沉降N；系统氮素输出包括茭白和鸭收获输出N；系统氮素盈余表示系统氮素输入多余氮素输出的部分，其中包括逃逸到环境中的N和残留在土壤中的N。具体计算方法，如公式4~公式8：

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图 1 茭白-鸭共作系统中氮素平衡示意图 Figure 1 Nitrogen balance in Zizania latifolia-duck

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随着矿物燃料燃烧、化学氮肥的生产和使用等人类活动向大气中排放的氮素化合物激增，大气氮素沉降成为农田氮素来源的重要途径^{[18, 19]}。根据参考文献^[20]有关长三角地区大气氮沉降研究结果，定义本试验中茭白生长期内氮沉降值为2.2 kg N·667 m^-2。

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氮残留表示茭白主要养分吸收土层（0~40 cm）中矿质氮和有机氮残留量，其中矿质氮包括硝态氮和铵态氮。氮逃逸包括通过径流、淋洗、氨挥发、硝化-反硝化等损失的氮量。

茭白-鸭共作系统中有关经济效益的各项参数计算方法如下：

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调研当地市场价格情况，各参数如下：茭白种苗自育费用300 元·667 m^-2，尿素2.4 元·kg^-1，复合肥2.8 元·kg^-1，生物农药8 元·667 m^-2，鸭苗3.5 元·只-1，育雏费用0.6 元·只-1，鸭饲料3.6 元·kg^-1，围网和鸭舍建设600 元·667 m^-2，田间人工管理585 元·667 m^-2，地租费640 元·667 m^-2。茭白田头批发价4 元·kg^-1，鸭市价为23 元·kg^-1。

文中各组数据之间的大小关系，通过SPSS 19.0软件进行单因素分析中的最小显著差数法检验（LSD：Least－Significant Difference）进行多重比较（P<0.05）。所有数据计算和图形制作分别通过Excel 10.0和SigmaPlot 10.0软件完成。 2 结果与分析 2.1 茭白-鸭共作系统中茭白与鸭产量

单作茭白和茭白-鸭共作系统的产量见表 2。单作茭白产量为1 054.87 kg·667 m^-2，茭白-鸭共作系统中茭白的平均产量为1 332.41 kg·667 m^-2，较单作茭白增产26.31%。当茭白田鸭密度为25只·667 m^-2时，茭白产量最高为1 363.79 kg·667 m^-2，鸭密度再增加后，茭白产量出现下降趋势。其原因可能是，茭白田鸭密度较大，其活动区域相对减少，天然饲料也相对减少，在鸭活动较为集中的区域，少数茭白植株受到长期踩踏或挤压，不利于生长。茭白-鸭共作系统中单鸭重平均为2.16 kg·只^-1，D30处理单鸭重最小为2.13 kg·只^-1。鸭密度较大，其取食数量和活动区域相对减少可能是单鸭重较小的原因。D20处理鸭总重最小为43.48 kg·667 m^-2，D30处理最大为63.89 kg·667 m^-2。

表 2 茭白-鸭共作系统中茭白与鸭产量 Table 2 Yield of Zizania latifolia and duck in mutual ecosystem

表选项

对单作茭白和茭白-鸭共作系统的氮平衡情况分析表明（表 3），单作茭白氮输入总量为22.27 kg N·667 m^-2，茭白-鸭共作系统氮输入总量较高，平均为23.72 kg N·667 m^-2。单作茭白系统中化肥氮投入量为19.85 kg N·667 m^-2，占总氮投入的89.10%，茭白-鸭共作系统中化肥氮投入量平均减少了22.61%，占总氮投入的65.13%（表 3，图 2）。茭白-鸭共作系统中增加了饲料氮投入，D20、D25和D30处理饲料氮投入分别为4.62、5.78 kg N·667 m^-2和6.94 kg N·667 m^-2，分别占总氮投入量的19.74%、24.37%和28.89%。

表 3 茭白-鸭共作系统中氮素输入、 输出及 盈余情况（元·667 m^-2） Table 3 N input,N output and N surplus of Zizania latifolia -duck mutual ecosystem （yuan·667 m^-2）

表选项

图 2 茭白-鸭共作系统中氮输入（a）与输出（b）比例 Figure 2 N input rate （a） and N output rate （b） in Zizania latifolia-duck mutual ecosystem

图选项

单作茭白氮输出量为5.00 kg N·667 m^-2，占总氮投入的22.45%，茭白-鸭共作系统氮输出总量较高，平均为7.65 kg N·667 m^-2，占总氮投入的32.24%。茭白-鸭共作系统中，氮输出主要以茭白氮输出为主，平均占氮输出总量的82.13%。

可见，除了收获农牧产品输出氮，很大一部分氮素盈余没有被产品当季吸收利用。单作茭白氮盈余量为17.27 kg N·667 m^-2，占总N投入的77.55%，茭白-鸭共作系统氮盈余量平均为16.07 kg N·667 m^-2，占总N投入的67.76%。盈余的氮素一部分残留在土壤中，一部分逃逸到环境中。茭白单作和茭白-鸭共作系统氮残留相似，分别为7.11 kg N·667 m^-2和7.18 kg N·667 m^-2，茭白单作系统氮逃逸量为10.16 kg N·667 m^-2，茭白-鸭共作系统氮逃逸量平均为8.89 kg N·667 m^-2，比茭白单作少12.5%，其原因可能是，茭白-鸭共作系统中部分氮素以有机氮形式存在，相对矿质氮而言，不易以淋洗等途径逃逸到环境中。D20、D25和D30处理有机氮残留量逐渐增加（图 3）。

图 2 茭白-鸭共作系统中土壤氮残留及损失 Figure 3 N residue and loss in Zizania latifolia-duck mutual ecosystem

图选项

单作茭白和茭白-鸭共作系统中投入成本、产品产值和经济效益如表 4所示，单作茭白投入成本为1 687 元·667 m^-2，茭白-鸭共作系统投入成本平均为3 114 元·667 m^-2，其中D30处理投入成本最高，为3 280 元·667 m^-2，约是CK处理的2倍。单作茭白系统中地租和人工管理费用投入成本较高，两者合计为1 225 元·667 m^-2，占总投入成本的72.61%。除了地租和人工管理投入成本，茭白-鸭共作系统中鸭饲料、围网与鸭舍建设也是主要的投入成本。茭白-鸭共作系统中地租、人工管理、鸭饲料、围网与鸭舍建设投入成本之和平均为2 590 元·667 m^-2，占总投入成本的83.17%。D20、D25和D30处理中鸭饲料投入成本逐渐增加，分别为612、765 元·667 m^-2和918 元·667 m^-2。当季围网与鸭舍可在下季的生产中延续使用，从而降低投入成本。

表 4 茭白-茭白-鸭共作系统中投入成本、产品产值及 经济效益情况（元·667 m^-2） Table 4 Input cost,economic income and benefit in Zizania latifolia-duck mutual ecosystem（yuan·667 m^-2）

表选项

单作茭白产值为4 220 元·667 m^-2，茭白-鸭共作系统产品产值平均为6 568 元·667 m^-2，其中D30处理产品产值最高为6 817 元·667 m^-2，比CK处理高61.55%。茭白-鸭共作系统中，茭白产值为主，平均为5 329 元·667 m^-2，占总产品产值的81.14%。单作茭白经济效益为2 533 元·667 m^-2，茭白-鸭共作系统经济效益平均为3 454 元·667 m^-2，其中D25处理经济效益最高为3 589 元·667 m^-2，比CK处理高41.69%。

单作茭白产投比为2.5∶1，茭白田养鸭密度为25只·667 m^-2时，茭白产投比最高为3.3∶1，当鸭密度再增加，茭白产投比不再增加（图 4a），其主要原因可能是鸭密度达到25只·667 m^-2时茭白产量不再增加（表 2）。茭白-鸭共作系统中鸭的产投比都小于1，随着放养鸭密度的增加，鸭产投比逐渐增加，从D20处理的0.77增加到D30处理的0.90（图 4b），其主要原因可能是，围网和鸭舍投入成本仅用于一季茭白-鸭共作生产时利用效率较低，而实际可以重复利用2～3次。

图 4 茭白-鸭共作系统茭白（a）与鸭（b）产投比 Figure 4 Input-output ratios of Zizania latifolia （a） and duck （b） in mutual ecosystem

图选项

分析了单作茭白和茭白－鸭共作系统中氮素平衡与经济效益情况。结果表明：茭白－鸭共作系统中茭白平均产量为1 332.41 kg·667 m^-2，茭白田放养鸭25只·667 m^-2时产量最高为1 363.79 kg·667 m^-2，比单作茭白增产29.29%。单作茭白氮盈余为17.27 kg N·667 m^-2，茭白-鸭共作系统氮盈余平均减少6.95%。茭白－鸭共作系统经济效益平均为3 454 元·667 m^-2，D25处理经济效益最高为3 589 元·667 m^-2，比单作茭白处理高41.69%。综合考虑氮平衡和经济效益，本试验条件下，茭白田放养鸭25只·667 m^-2的共作系统的经济效益较高，并且氮素盈余较少，可降低对环境的污染风险。 3.2 茭白－鸭共作系统中适宜施氮量与最佳产投比的相关性尚需进一步研究

江苏里下河地区水资源丰富，水生蔬菜种植和水禽养殖业异常发达，已形成了地方特色产业。然而，在农业现代化的进程中，随着农药、化肥的广泛应用，农产品质量下降、有机肥资源浪费和环境污染等问题日益严重，人们对发展生态农业的要求日益强烈^{[21, 22]}。近年来，茭白与鸭共作模式得以逐步发展，相关研究主要集中在产量与经济效益等方面^{[2, 3, 4, 5]}，而有关该系统环境保护与优化生态种养密度方面的研究极少。本文设置不同密度鸭与茭白共作，分析该共作系统中氮素平衡与经济效益情况，为进一步优化该生产模式提供了相应理论和实践依据。

本研究表明，单作茭白氮素盈余为17.27 kg N·667 m^-2，占到化肥氮投入量的87.00%。过量的氮素残留在土壤中（图 3），或者通过淋洗渗透到地下水，通过氨挥发和硝化反硝化逃逸到大气中^[23]。这些逃逸的氮素，主要以活性氮形式存在环境中，是导致温室气体排放增加、地下水污染、水体富营养化和土壤酸化的原因之一^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}。茭白与鸭共作可以促进氮素的利用，减少氮素盈余。D25处理氮素利用量占总氮投入量的33.12%，比单作茭白高10.67%，氮素盈余为15.86 kg N·667 m^-2，比单作茭白少8.15%（表 3）。其原因可能是，鸭对茭白生长期间的虫害和杂草发生进行有效控制，以及鸭粪对土壤的培肥和持续释放养分的作用，从而改善茭白生长环境，促进了氮素吸收利用。然而，由于本研究参照农民施肥习惯设计茭白-鸭共作系统的施氮处理，氮素盈余依然较大，因此，在共作系统的基础上，如何确定适宜施氮量，将是进一步减少氮素盈余，优化该共作系统的关键。以“根层养分调控”为核心的协调作物高产和资源高效的氮素实时监控技术可用于将来茭白-鸭共作系统中确定适宜施氮量的相关研究中^{[23, 24]}。

茭白－鸭共作系统不仅使茭白增产，而且由于利用了立体空间多收了鸭，D25处理经济效益最高，为3 589 元·667 m^-2，比单作茭白高41.71%（表 4）。然而，单从养鸭的经济效益来看，鸭产投比小于1，为0.84∶1，其主要原因可能是，围网和鸭舍投入成本仅用于一季茭白-鸭共作生产时利用效率较低。在实际生产中，围网和鸭舍可以重复利用2～3次。当围网和鸭舍在下一季共作生产中或者当季茭白放养两期鸭时重复使用，鸭产投比可提高至1.1∶1。另外，适当扩大茭白-鸭共作系统的种养规模，可以提高鸭的产投比。根据相应的材料和人工费用估算，以25只·667 m^-2密度放养鸭，当茭白田面积达到3.2×667 m2时，围网和鸭舍建设费用为1 250元，鸭产投比为1∶1。可见，在茭白-鸭共作模式的推广应用中，应注重投入资源的重复利用，特别是将来土地流转，由一家一户的分散经营向专业大户、家庭农场、农民合作社等多种形式的规模经营方式转变更为有利。

本研究茭白-鸭共作处理的施肥设计中，采用了前人的相关参数用于估算鸭粪氮含量，这些参数与本试验实际测定结果基本相似。比如：成鸭单重前人参数和实测值分别为2.22 kg·只^-1和2.16 kg·只^-1，成鸭氮含量分别为2.5%和2.6%，料肉比分别为3.85和3.94。另外，本研究仅分析了茭白-鸭共作系统的氮平衡情况，而没有区分“土壤子系统”和“鸭子系统”的相关内容。详细分析各子系统氮的输入、输出及循环情况，旨在完善茭白田氮肥管理及协调食物链各环节，为物质产投结构的合理构建、茭白-鸭共作模式的推广应用提供参考依据。 4 结论

分析了单作茭白和茭白-鸭共作系统中氮素输入、输出与盈余（盈余＝输入－输出），以及经济效益情况。结果表明，本试验条件下，当茭白田放养鸭密度为25只·667 m^-2时，茭白-鸭共作系统中氮素盈余较少为15.86 kg N·667 m^-2，经济效益较高为3 589 元·667 m^-2。盈余的氮素一部分残留在土壤中，一部分逃逸到环境中。茭白单作系统氮逃逸量为10.16 kg N·667 m^-2，茭白-鸭共作系统氮逃逸量较少平均为8.89 kg N·667 m^-2。为了进一步减少茭白-鸭共作系统中氮素盈余和氮逃逸量，实现该系统作物高产与低环境风险协同发展，必须对如何优化该系统中施肥技术进行更多的研究。