稳稻种养模式下水稻产量形成及周年经济效益研究

蒋岩 赵灿 刘光明 赵凌天 王维领 霍中洋

（农业农村部长江流域稻作技术创新中心/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学 水稻产业工程技术研究院，江苏 扬州225009；第一作者：mx120200671＠yzu.edu.cn；*通迅作者：huozy69＠163.com）

稻田综合种养将水稻和水产（禽）人为的结合在一起，通过不同生态位的配置来达到充分利用稻田有限资源的目的，实现能量多级流动，充分利用种植业和养殖业的废弃物，实现循环闭环式可持续生产，可缓解常规稻作所带来的面源污染问题，提高稻作生产的经济效益[1-3]。稻田种养的共生水产品有鸭、虾、鱼、鳖、泥鳅、牛蛙等[4-7]。随着政策扶持、市场引导，我国稻田综合种养呈“井喷式”发展，根据2020年发布的《中国稻渔综合种养产业发展报告》可知，2019年全国稻渔综合种养面积已达231.75万hm2，较2018年增长14.26%。稻鸭共作继承和创新了我国具有百年历史的稻田养鸭模式，改早放晚收为阶段共生，同时对水稻和鸭子诸如品种、数量、共生期等指标进行不断探讨而形成，是具有质的飞跃的新技术[8-9]。稻虾共作对稻田进行工程改造，在沟中养殖小龙虾（克氏原螯虾），通过小龙虾在田间的活动达到控虫除草、浑水增氧、培肥土壤的作用，实现一水两用、一水两收、一水两绿[10-11]。

由于水产（禽）的养殖收益远大于水稻种植收益，不少从业者因片面追求经济效益而出现“重渔轻稻”现象，这不仅违背稻田种养稳粮增收的初衷，还威胁着我国粮食安全，如何平衡好稻与渔、钱与粮的关系成为稻渔产业发展的关键。另外，前人在稻鸭和稻虾共作对水稻产量的影响上未形成一致结论。徐国春等[12]发现，稻鸭共作下水稻深层根占比高，根系活力强，产量较常规稻作增加2.43%。彭成林等[13]通过12年的稻虾共作研究发现，长期稻虾共作氮素利用率高，其产量水平较常规稻作增加16.3%，并通过拟合得出长期稻作模式氮肥合理用量较中稻单作降低26.6%。但也有研究表明，稻鸭共作和稻虾共作对水稻产量影响较小或者导致减产[14-16]。针对上述问题，本研究在构建稳稻综合种养模式的基础上，从群体生产力角度阐述水稻产量形成，讨论了稻渔协调生产效益，以期为保障我国水稻安全、绿色生产提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019—2020年在扬州大学农学院姜堰试验基地（32°35′N，120°07′E）进行，土壤类型为潴育型水稻土，质地黏性。0～20 cm土层含有机质31.72 g/kg、全氮1.96 g/kg、速效钾165.26 mg/kg、速效磷62.54 mg/kg。水稻生长季节试验地的平均温度、日照时数和降雨量见图1。

图1 2019年和2020年试验地水稻生长季节平均温度、日照时数和降雨量

1.2 试验设计

随机区组试验，设置稳稻（产量＞7.5 t/hm2）综合种养模式，即稻鸭共作-紫云英轮作（RD-Mv）和稻虾轮作（R-C），同时设置稻麦轮作（R-W）为对照。供试品种为常规粳稻品种南粳9108和籼型杂交稻品种丰优香占，鸭品种为肉蛋兼用型品种高邮麻鸭，虾为克氏原鳌虾（俗称小龙虾）。2019年试验于5月27日播种，6月14日选长势整齐一致的秧苗移栽；2020年试验于5月28日播种，6月17日移栽。按不同类型品种高产要求设置移栽规格，南粳9108移栽密度为27.75万丛/hm2，每丛4苗，株行距30 cm×12 cm；丰优香占移栽密度为22.20万丛/hm2，每丛2苗，株行距30 cm×15 cm。RDMv于水稻移栽后10 d放雏鸭入田，270只/hm2，抽穗时收鸭，紫云英于2018年11月2日机械撒播，播量45 kg/hm2，于盛花期（4月上旬）翻压。R-C所处稻田长120 m，宽105 m，四周开挖养殖沟，沟面宽1.5 m、沟底宽1.0 m、沟深1.0 m，沟坑占比约5.3%，冬季上水养虾，夏季退水植稻，于每年3月投放200～400尾/kg的虾苗150 kg/hm2，于6月前捕捞，按雌雄比3∶1留75 kg/hm2亲虾于虾沟中继续养殖，植稻期间不投喂饵料。RW于2018年11月1日和2019年11月2日机播小麦，播量为150 kg/hm2，生育期施氮210 kg/hm2，小麦栽培管理按当地高产要求进行。小区面积为120 m2，重复3次。水稻生产具体施肥方式：RD-Mv模式和R-C模式，每hm2施三安生物有机肥1 500 kg作基肥，施尿素（含纯N 46%）150 kg作分蘖肥，施复合肥2（含纯N、K2O分别为30%和8%）300 kg作穗肥；R-W模式，每hm2施复合肥1（含纯N、P2O5、K2O均为15%）450 kg作基肥，施尿素150 kg作分蘖肥，施复合肥2计300 kg作穗肥。水分管理及病虫草害防治措施均按当地各自高产栽培要求实施。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及产量构成因子

在成熟期对各小区普查50丛，计算有效穗数，取5丛用于调查穗粒数、结实率和千粒重。成熟期每个小区割100丛，以去除养殖沟占比的实际植稻面积计算产量，最终千粒重和实产数据按14%含水量换算。

1.3.2 水稻叶片SPAD值

在分蘖中期、拔节期和抽穗期，用SPAD-502型叶绿素测定仪测定叶片SPAD值，根据叶长平均分布3～5个测定点，计算平均值，在分蘖中期和拔节期测顶部第1张完全展开叶，在抽穗期测剑叶。

1.3.3 叶面积指数和干物质积累量

在分蘖中期、拔节期、抽穗期和成熟期，于各小区按平均茎蘖数取5丛具有代表性的植株，105℃下杀青30 min，80℃下烘干至恒质量，测定干物质积累量，并利用比重法测定叶面积，换算成叶面积指数。

1.3.4 数据计算与统计分析

使用Microsoft Excel 2019处理数据，SPSS 26.0软件进行统计分析，采用LSD法（Least Significant Different，最小显著差数测验法）进行多重比较，用Origin 2019作图。光合势=1/2（LAI1+LAI2）×（t2-t1），其中，LAI1和LAI2为前后2次测定所得叶面积，t2和t1为前后2次测定的时间。群体生长率=（W2-W1）/（t2-t1），其中，W2和W1为前后2次测定所得干物质积累量，t2和t1为前后2次测定的时间。

2 结果与分析

2.1 不同模式下水稻产量及产量构成因子

由表1可知，2年试验结果均表现为RD-Mv能显著提高水稻产量，R-C与R-W产量相当。在2019年，RD-Mv较R-W显著增产7.26%，2020年增幅为7.08%。从水稻产量构成上看，有效穗数表现为RDMv＞R-W＞R-C，不同模式间差异达显著水平；每穗粒数以R-C最高，在丰优香占上较R-W显著提高13.02%，在南粳9108上RD-Mv较R-W显著降低4.08%，在丰优香占上RD-Mv则显著提高3.47%；结实率在南粳9108上表现为RD-Mv＞R-C＞R-W，在丰优香占上不同模式间差异小；千粒重以R-W最高。综合考虑各因素可知，RD-Mv通过增穗增产，R-C通过增粒稳产。

表1 不同稻作模式对水稻产量和构成要素的影响

2.2 叶片SPAD值

由图2可知，水稻叶片SPAD值在拔节期有所下降，在抽穗期回升，水稻剑叶SPAD值在稻田共作模式下均有提高。在南粳9108上，RD-Mv在拔节期和抽穗期的剑叶SPAD值均显著高于R-C和R-W，增幅分别为4.49%～4.62%和7.05%～8.88%，R-C较R-W显著提高4.20%和2.32%。在丰优香占上表现为R-C＞RDMv＞R-W，R-C在 分 蘖 中 期 较RD-Mv显 著 提 高6.98%，R-C和RD-Mv在分蘖中期和抽穗期均显著高于R-W，增幅分别达7.07%～21.84%和5.30%～16.78%。

图2 不同稻作模式对水稻剑叶SPAD值的影响（2019）

2.3 叶面积指数

由图3可知，随生育期推进，水稻叶面积指数呈先增后减的趋势，在抽穗期达到最大值，RD-Mv和R-C模式较R-W均有所提高。在南粳9108上，RD-Mv和R-C各时期的叶面积指数均显著高于R-W，增幅分别为9.97%～32.05%和20.10%～28.04%。其中，在抽穗期和成熟期，R-C较RD-Mv和R-W显著提高6.36%和22.63%、16.44%和28.04%。在丰优香占上，RD-Mv和R-C较R-W显著提高了叶面积指数，RD-Mv在分蘖中期、拔节期、抽穗期、成熟期分别提高11.88%、22.90%、17.13%和33.45%，R-C则分别提高13.67%、33.14%、12.78%和39.78%。

图3 不同稻作模式对水稻叶面积指数的影响（2019）

2.4 干物质积累量

由表2可知，与R-W相比，RD-Mv水稻地上部干物质积累量明显提高，R-C在生育前期有所提高。RDMv在各时期的积累量均显著高于R-W，在南粳9108和丰优香占上的增幅分别达6.36%～26.63%和5.82%～11.52%。R-C在南粳9108的分蘖中期和拔节期较RW显著提高17.80%和12.30%，在丰优香占的分蘖中期、拔节期和成熟期较R-W分别显著提高8.70%、10.07%和6.90%。从阶段积累量来看，差异主要体现在播种至分蘖中期，RD-Mv在南粳9108上较R-C和RW分别提高26.63%和7.50%，达显著水平，R-C较RW显著提高17.80%。在丰优香占上，RD-Mv和R-C在播种至分蘖中期的积累量较R-W分别显著提高10.92%和8.70%。

表2 不同稻作模式对水稻阶段干物质积累量的影响（2019） （单位：t·hm-2）

2.5 光合势和群体生长率

由图4可知，水稻群体光合势从播种后呈增加趋势，在抽穗至成熟期达到最大值。RD-Mv和R-C在各阶段的光合势均较R-W显著提高，在南粳9108和丰优香占上的增幅分别达13.42%～29.47%和20.10%～24.54%、11.88%～21.53%和13.67%～26.43%。此外，RDMv在南粳9108的抽穗至成熟期，丰优香占的分蘖中期至拔节期较R-C显著提高9.41%和6.16%。水稻群体生长率从播种后先增后降，在拔节至抽穗期阶段达到峰值。在南粳9108上，RD-Mv和R-C在播种至分蘖中期的群体生长率为4.62和4.29 g/（m2·d），较R-W显著提高26.63%和17.80%，RD-Mv较R-C提高7.50%。在丰优香占上，RD-Mv和R-C播种至分蘖中期的群体生长率较R-W显著提高。

图4 不同稻作模式对光合势和群体生长率的影响（2019）

3 讨论

3.1 关于水稻、水产（禽）协调生产模式的探讨

随着我国稻田综合种养的“井喷式”发展，全国约有8%的稻作面积用来稻渔共作，但水产（禽）带来的高收益让许多从业者更重视水产养殖而忽视水稻种植，“重渔轻稻”所带来的沟坑占比过高、稻谷产量偏低等问题严重制约着稻渔产业发展，也威胁着我国粮食安全。为此，在2017年发布的行业标准《稻渔综合种养技术规范 通则》中明确规定，养殖沟坑占比不得超过稻田面积的10%，平原地区水稻产量不得低于7.5 t/hm2。本文所构建的稳稻综合种养模式的产量两年均在7.5 t/hm2以上，达预期结果。稻鸭共作-紫云英轮作水稻产量两年平均较稻麦轮作增产7.17%，而稻虾轮作在折算完沟占比后也能取得与稻麦轮作相当的产量。进一步分析产量构成因素可知，稻鸭共作-紫云英轮作通过增穗增产，稻虾轮作通过增粒稳产。禹盛苗等[17]指出，稻鸭共作在化肥减氮30%的情况下仍能增产4.93%。王强盛等[18]在仅施基肥的条件下发现，来自鸭粪和饲料的有机养分可增产25.00%，但与当地水稻年均产量相比减产12.30%。这说明在适度减施氮肥的前提下稻鸭共作有提高水稻产量的潜力，但仍需注意肥料的均衡投入，适当追肥以满足水稻生长。本研究中，稻麦轮作中化肥供氮226.5 kg/hm2，而稻鸭共作中化肥供氮159.0 kg/hm2，紫云英、鸭粪和有机肥等有机供氮约193.0 kg/hm2，通过有机养分替代，实现化肥减氮30%下的增产。侣国涵等[19]发现，在氮投入120 kg/hm2的条件下，稻虾共作产量较同等氮投入的中稻单作增产9.50%。但车阳等[20]认为，在减氮27%下，稻虾共作产量平均降低5.38%。由于克氏原螯虾对水质要求较高，稻田化肥不宜投入过多，并且稻虾共生的长期半深水也给水稻带来生育胁迫，因而水稻产量一般较低。本文提出的稳产稻虾轮作在冬季上水养虾，夏季退水植稻，虾仅在沟中养殖，在缓解肥与虾、水与稻的矛盾同时，可实现化肥减氮30%下的稳产。由表3可知，在考虑周年效益的情况下，稻鸭共作-紫云英轮作和稻虾轮作下两品种平均净利润分别达28 779元/hm2和48 522元/hm2，而稻麦轮作仅25 941元/hm2。稻虾轮作的产投比高达3.12，而稻鸭共作-紫云英轮作仅为2.29，低于稻麦轮作2.51的产投比。这说明稻鸭共作应通过合理安排鸭雏放养密度，适当调整冬季种植结构以提高周年经济效益。由此可见，稻鸭共作-紫云英轮作能增产增收，但需适当调整来提高产投比，稻虾轮作能在稳产的同时提高周年经济效益，两种模式均能协调水稻、水产（禽）生产，稻谷和水产（禽）并重，粮食安全和经济效益并举。

表3 不同稻作模式周年经济效益

3.2 光合物质生产差异与物质积累特征

水稻产量形成实质上是光合物质生产同化的过程，光合生产能力和物质同化能力决定着产量水平高低，通常可用SPAD值、叶面积指数、干物质积累量、光合势、群体生长率来反映表观光合生产同化能力[21-23]。禹盛苗等[17]指出，稻鸭共作下水稻叶面积指数和叶绿素含量后期降幅缓，枯叶、黄叶少，平均净光合强度较常规稻作提高15.73%。章家恩等[24]也指出，稻鸭共作下水稻叶片后期衰老慢，叶绿素含量高，叶绿素a和叶绿素b以及叶绿素a/b均较常规稻作提高。王强盛等[25]指出，稻鸭共作下水稻茎秆粗、节间短、干物质积累多、抗倒伏，水稻植株可溶性糖和淀粉含量较常规稻作显著增加，增幅达4.35%～23.51%。侣国涵等[26]在研究了稻虾共作下稻田的氮、磷循环后发现，稻虾共作对水稻籽粒、茎秆和根系吸收氮、磷均有促进作用。粱玉刚等[27]认为，垄作稻鱼鸡共生有利于提高水稻物质积累、群体生长率和光合势，有助于稳产。但车阳等[20]认为，稻田种养因兼顾生产养殖，肥料投入少，便导致主要生育阶段光合势、群体生长率较稻麦轮作有所下降。本研究结果表明，稻鸭共作-紫云英轮作和稻虾轮作下水稻光合生产同化能力相当，部分时期存在差异，两者高于或与稻麦轮作相当。两模式下水稻叶面积指数和生育后期剑叶SPAD值显著高于稻麦轮作，分蘖中期前干物质积累量高于稻麦轮作，分蘖中期后的干物质积累与稻麦轮作持平，并未降低，这与前人研究结果一致。此外，稻鸭共作-紫云英轮作和稻虾轮作下水稻光合势高，前期群体生长率有所提高，后期与稻麦轮作持平。这些主要得益于绿肥和休耕等农艺措施以及多元的肥料投入，稻麦轮作依赖人工投入速效肥，相较于稻田种养模式下多元和持续性的有机养分输入，稻麦轮作的养分输入显得单一且具阶段性。稻田种养模式在化肥减氮饲养水产（禽）的同时通过有机养分替代稳定水稻生长，提高光合生产同化能力，从而实现增产稳产。