在稻田养小龙虾系统中优化沟渠面积比例以平衡温室气体减排与生产力

在同一块土地上种稻养虾

中国中部的稻田正在发挥双重作用：既种粮食，又在同一片淹水的田间养小龙虾。这种稻–虾耦合作为一种模式广受欢迎，因为它提高了农民收入，并更高效地利用水和养分。但问题也随之而来：为小龙虾提供庇护的蓄水沟渠也可能向大气释放大量强效温室气体。本研究提出了一个直接但紧迫的问题：多少沟渠面积才是“恰到好处”，既维持粮食产量又不损害气候？

田块中的两个区

典型的稻–虾田有两个主要部分。在宽阔、浅层的区域，稻谷正常生长，小龙虾在其中活动、挖洞和取食。田块边缘则掘有更深的沟渠，全年保持蓄水。这些沟渠既是小龙虾的通道和藏身处，也利于灌溉和排水。但它们同时造成缺氧的厌氧环境，有利于释放甲烷的微生物生存。随着农民扩大沟渠以提高养虾量，他们有可能把原本对气候相对友好的田地变成高排放源，并压缩稻田种植面积。

用数字孪生重建稻田

为了解这种权衡，研究人员用一个称为DNDC的成熟模型构建了稻田的“数字孪生”。该模型模拟碳与氮在土壤、水、作物和大气间的流动，以及像甲烷和一氧化二氮等气体如何从田间逸散。团队用来自中下游长江平原多个田间实验的气象、土壤和管理数据驱动模型，数据涵盖传统的单作水稻田和稻–虾田。关键在于，他们将每个共作农场划分为现实中的两个区：稻田表层和小龙虾沟渠，为两部分分别设定土壤、水文和投饵条件。

温室效应的主要来源在哪里

在将模型与数十个站点的实测数据细致比对后，作者用模型重新计算了十个具有代表性的稻–虾系统的温室气体排放和稻米产量。结果显示出清晰的模式：共作田的稻作区比普通稻田释放更少的甲烷，部分原因是小龙虾的洞穴增加了土壤含氧量，从而抑制了产甲烷微生物。然而，永久淹水的沟渠每单位面积产生的甲烷比稻区高出三倍以上。当把沟渠排放计入总量时，共作系统的甲烷总排放高于单作稻田，尽管沟渠中一氧化二氮——另一种强效温室气体——反而更低。

寻找沟渠面积的最佳点

下一步的挑战是找到既兼顾气候影响又保障产量的沟渠面积。研究者利用模型探索不同的沟渠占比，然后应用一个同时权衡三项目标的决策工具：稻米产量、小龙虾产量和甲烷与一氧化二氮的综合增温效应。他们假定更多的沟渠意味着更多养虾空间，从而提高虾产量，但也会侵占稻田面积并可能提升甲烷排放。通过对来自实地研究的十个关键沟渠尺寸进行排序，研究发现约8.3%的沟渠占比表现最佳，并在大约7.5%到9.0%之间形成一个稳健的“最佳区间”。在该区间内，气候影响接近最低，同时稻虾产量均能保持较高水平。

对未来稻–虾田的启示

对政策制定者和农民而言，结论相当明晰：稻–虾共作能够帮助保障粮食供应并支持乡村经济，但前提是控制沟渠扩张。过大的沟渠可能在短期内带来更多小龙虾，但同时会提高甲烷排放并压缩稻田面积，损害粮食安全和中国的长期气候目标。本研究提出的7.5%–9.0%这一实用沟渠范围，为实现“同一田地双重收获”提供了既更利于气候又符合可持续发展规划的具体指导。

引用: Xu, Z., Xia, GQ., Zhao, PY. et al. Optimizing the trench area proportion in rice crayfish co-culture systems balances greenhouse gas mitigation and productivity. Sci Rep 16, 9451 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40595-3

关键词: 稻虾共作, 温室气体排放, 稻田甲烷, 可持续水产养殖, 气候智能型农业