编辑推荐：
稻渔共生系统通过微生物和生物扰动提高氮磷利用率达18-24%，减少化肥依赖30-60%，降低温室气体32-45%，缓解富营养化。研究整合生态学、微生物学及气候适应机制，揭示其资源循环与可持续路径，但需加强不同生态区系统动态和优化管理研究。
阿卜杜莱·梅里·卡马拉（Abdulai Merry Kamara）|张东东（Dongdong Zhang）|文斌（Bin Wen）|林建伟（Jianwei Lin）|吴旭干（Xugan Wu）
上海海洋大学鱼类营养与环境生态研究中心/水产动物优良品种培育与绿色养殖上海协同创新中心/全国实验渔业科学教育示范中心，中国上海，201306
摘要
稻鱼共生系统（RFIS）作为一种可持续的农业实践模式，能够提高养分循环利用效率，尤其是氮（N）和磷（P）的循环利用，同时减少对化学肥料的依赖。尽管该系统已在全球范围内得到广泛应用，但关于养分循环的具体机制、系统的可扩展性以及所需的技术创新等方面仍存在知识空白。本文综述了目前关于RFIS中氮和磷循环利用机制的研究成果，重点探讨了微生物和生态过程，评估了相关可持续性创新，并指出了关键的研究领域。通过分析多篇经过同行评审的研究文献，本文比较了不同RFIS模型中的养分通量、微生物作用及系统生产力。研究表明，RFIS通过微生物过程和水生生物的活动提高了氮和磷的利用效率18–24%，从而减少了30–60%对合成肥料的依赖。这种模式还减少了氮通过径流和淋溶的流失，降低了肥料施用量（氮减少30%、磷减少22%、钾减少19%），降低了温室气体排放（在稻蟹系统中减少了32%和45%），并减轻了富营养化风险。RFIS通过整合生态原理与循环资源管理，为可持续水产养殖提供了一种创新途径。本文不仅提供了RFIS中氮和磷循环利用研究的宝贵信息，也为提升该系统的粮食安全和环境可持续性提供了指导。
引言
水产养殖目前占全球水生动物产量的约51%，是动物蛋白生产增长最快的领域，已成为人类消费水生食品的主要来源（FAO，2024年）。随着捕捞渔业面临可持续性挑战，水产养殖在满足全球对水生食品需求方面发挥着至关重要的作用。全球有32亿人从各种水生来源获得至少20%的人均蛋白质供应（FAO，2024年）。然而，单一养殖模式的快速扩张带来了诸多环境和经济问题，包括水体污染导致的富营养化（Akinnawo，2023年；Havens和Frazer，2012年）、疾病爆发以及有机物积累导致的水质恶化（Bashir等人，2020年）。此外，重金属污染（Chen等人，2022年）、饲料成本高昂（Ahmed等人，2022年；Rana等人，2009年）和农药使用增加（Berg和Tam，2018年；Tong，2017年）等问题也加剧了这些问题。集约化食品生产系统的广泛环境影响进一步加剧了污染、资源枯竭和气候变化（Prosekov和Ivanova，2018年）。如果不实施创新的可持续系统，集约化食品生产的生态影响可能会增加50–90%（Springmann等人，2018年）。
尽管存在这些挑战，RFIS通过将水稻种植与水产养殖相结合，形成了互利共生关系，有效提高了养分循环利用效率并减少了化学肥料的依赖。RFIS是在同一生态系统中同时或依次种植水稻和水生生物（如鱼类、甲壳类动物）的养殖方式，在亚洲已有超过1000年的历史，现已在全球范围内推广（Boock等人，2016年；Boock等人，2020年；Nnaji等人，2012年）。采用RFIS的养殖户主要目标是优化氮和磷等大量营养素的循环利用。多种水生生物通过其排泄物和有机物分解（包括未被食用的饲料、鱼类和贝类粪便、死亡植物物质、蜕壳以及腐烂的动物尸体）为水体提供了养分，从而减少了合成肥料的需求（Hu等人，2020a；Hu等人，2020b；Qi等人，2020a；Qi等人，2020b）。同时，水稻植株提供了遮荫、物理庇护和水质净化等生态服务（Oliveira等人，2020年；Mahdi Al-Nabhan和Al-Abbawy，2021年）。这种共生关系增强了养分循环利用效率，提高了资源利用效率，并减少了环境影响（Oliveira等人，2020年）。
在可持续水产养殖模式中，RFIS因其能够形成氮和磷的循环利用而脱颖而出。这些系统优化了水资源和土地的使用，提高了土壤微生物活性，降低了食品生产系统的环境足迹，这对于实现复杂的氮和磷转化过程至关重要（Estim等人，2020年）。多项研究表明，RFIS在满足食品生产需求、提高氮和磷资源利用效率以及支持环境可持续性方面表现出色（Oliveira等人，2020年；Porkodi和Kannan，2020年）。因此，RFIS创建了一个可循环的农业生态系统，其中一个组分的废弃物能够被另一个组分有效利用，从而减少了氮和磷的外部投入并降低了环境影响（Nasir等人，2021年）。
以往的研究通常仅有限地探讨了稻鱼共生系统中氮和磷循环的生态方面。本文通过将气候适应性（Goda等人，2024年）、在磷限制条件下微生物对氮和磷调节的作用（Liu等人，2024年）以及不同物种间的氮和磷投入优化（Xu等人，2024年）纳入一个统一的生态框架，填补了这一研究空白。本文通过汇编具体的温室气体数据（Huang等人，2024年）并分析多种物种的生态功能（Goda等人，2024年），超越了以往的主观证据。因此，这是迄今为止关于基于水稻的系统中养分驱动型生态共养策略最全面的研究。尽管RFIS具有明显优势，但对其养分循环机制（尤其是氮和磷）的全面分析仍不足。尽管许多研究证实了其在环境和农艺方面的优势，但对于不同农业生态区中养分流动和转化动态的研究仍较为有限。本文旨在整合当前关于循环利用的进展、机制、理解循环机制的新方法以及技术进步，以提升RFIS中的氮和磷循环利用效率。通过研究这些系统中生物和非生物成分之间的相互作用，本文旨在提高对其养分效率和生态可持续性的认识。
RFIS中氮和磷循环利用的背景
在RFIS中，高效的氮和磷管理对于水生农业生态系统至关重要，但如果管理不当，也可能导致生态恶化（见表1）。氮是植物生长、叶面积指数、籽粒产量和质量的关键成分，它是叶绿素、氨基酸等的基本组成部分。
稻鱼共生系统中氮和磷的常见来源和汇
水稻植物和水生动物从不同的农业和水产系统中获取氮和磷。例如，氮这种关键大量营养素主要来自合成肥料、动物粪便和大气沉降（Govindasamy等人，2023年）。有机来源（如粪便）在提供氮的同时，通过促进土壤微生物活性来改善土壤健康，从而增强养分循环和土壤肥力。磷是另一种必需的大量营养素，主要来源于……
RFIS中氮循环的潜在机制和途径
在RFIS中，微生物群落在氮的转化过程中起着关键作用，包括氨化、硝化和反硝化等过程。这些过程确保养分以易于利用的形式存在，从而实现高效利用并减少损失（Setiawan和Rahardja，2021年）。某些微生物（如固氮菌和根瘤菌）的固氮作用增加了稻鱼共生系统中的氮输入，减少了对外部合成肥料的依赖（Qu等人，2017年）。
环境影响与意义
人工饲养的水生动物可以与水稻一起在稻田中养殖，形成水生动物/水稻的共养系统（如稻鱼系统、稻蟹系统、稻虾系统、稻鸭系统和稻小龙虾系统等），这些系统在提高养分利用效率、改善土壤健康、促进养分循环和水质方面具有显著优势。
挑战与未来研究方向
本研究指出了若干挑战（见表7）和知识空白（见图6）。具体而言，应优先开展关于整个RFIS生态系统中的氮和磷循环过程及其调控机制的长期实地研究（Qi等人，2020a；Victory等人，2020年）。同时，需要确定最佳的施肥和喂养方案，以最大化内部养分利用并减少损失（Billah等人，2020年；Qi等人，2020b）。一个关键的研究方向是揭示……
结论
通过构建循环养分经济，RFIS直接促进了粮食安全和环境可持续性，为可持续集约化提供了可行的途径。关键机制研究表明，RFIS通过鱼类废物和动物活动的协同作用提高了氮和磷的利用效率18–24%，从而在不影响生产力的情况下减少了30–60%的合成肥料使用。这种养分循环利用模式带来了显著的环境效益。
CRediT作者贡献声明
阿卜杜莱·梅里·卡马拉（Abdulai Merry Kamara）：撰写初稿、数据可视化、实验研究。
张东东（Dongdong Zhang）：撰写、审稿与编辑。
文斌（Bin Wen）：撰写、审稿与编辑、指导。
林建伟（Jianwei Lin）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验研究。
吴旭干（Xugan Wu）：撰写、审稿与编辑、指导、项目管理、概念设计。
资金情况
本研究未获得任何资助。
未引用的参考文献
Bosma等人，2012
Castillo Villamizar等人，2019
Hu等人，2016
Qiao等人，2024
Wan等人，2022
Zhou等人，2022b
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。作者对本文的内容和撰写负全责。
致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号2022YFD2400700）、亚洲合作基金项目（项目编号18240066）（由中国外交部资助）、安徽省宣州区农业农村局的研究与开发项目（项目编号XZNK2023001），以及上海市教育委员会资助的“水产动物优良品种培育与绿色养殖上海协同创新中心”项目（项目编号2021-KJ-02-12）。
