水稻间作生产模式的综合效应研究进展及展望

邓毓灏，邝美杰，黑泽文，章家恩，2，3，4，5，向慧敏，3，4，5

(1.华南农业大学资源环境学院，广东广州 510642；2. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室，广东广州 510642；3. 广东省生态循环农业重点实验室，广东广州 510642；4. 广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心，广东广州 510642；5. 农业部华南热带农业环境重点实验室，广东广州 510642)

水稻是全球近50%人口的主要粮食作物，90%水稻产于亚洲。 我国是水稻生产的主要国家之一，种植面积3 000 万公顷左右，居世界第二，总产量高达2 亿吨以上，是世界上水稻产量最高的国家[1]。水稻也是广东省最重要的粮食作物之一。 近30 多年来，广东省水稻年平均播种面积为283 万公顷，水稻总产量占广东省粮食产量的80.07%～92.06%，占全国稻谷总产量的8.23%[2]。

长期以来，我国对水稻的相关研究多集中在遗传育种、栽培、病虫害防治等方面，而对其绿色生态栽培技术模式研究相对较少。 然而，随着水稻生产所带来的农业面源污染越来越严重，可利用耕地越来越少等问题的出现，亟需研究和推广应用一些具有更高效且生态效应更好、经济效益更高的水稻种植模式，以同时满足当前水稻绿色生产和生态环境保护的需求。 间作是指将两种或两种以上不同种属但生长周期相似的作物在田间按一定行比间隔种植的生产模式。 通常而言，间作可以使作物更好地利用光、热、土和水等自然资源，对增加作物产量、提高土壤养分利用率和控制病虫害有显著的效果[3]。 水稻间作是间作技术在稻田中的具体应用，也具有间作系统相关的生态效应[4]，但就目前而言，水稻间作相关研究及其在水稻生产中的占比较少。 为此，本文对近年来国内外水稻间作生产模式与技术的研究进展进行综述，总结水稻间作模式的综合效应，分析水稻间作生产存在的问题与原因，并提出相关的研究展望与建议，旨在为水稻间作模式的高效应用和推广提供参考。

1 水稻间作生产研究现状

水稻在世界上分布非常广泛，除南极洲之外，几乎大部分大洲上都有水稻生长。 当前，水稻生产大多为单一化生产方式(单作)。 以往关于水稻遗传育种、栽培、病虫害防治等方面研究比较多，关于水稻间作生产模式尤其是水稻与其它水生植物间作进行绿色生产方面的研究较少。

当前国内外围绕水稻间作生产的研究现状如下:

(1)国内外开展水稻间作模式研究的国家较少，主要集中在我国，而世界其他国家开展此方面研究缺乏[5]。

(2)国内外已研究的水稻间作模式主要有水稻与水生蔬菜间作、水稻与花卉类草本植物间作、水稻与水生豆科作物间作以及水稻与萍类间作这四大类(表1)。 但总体而言，水稻间作水生植物模式数量有限。

表1 稻田水稻间作模式类型

(3)以上各水稻间作模式当前研究的内容主要涉及土壤养分利用、土壤重金属修复、水稻病虫草害防治、土壤微生物等多个领域。 研究结果表明水稻间作可以充分发挥生物多样性和边际效应的优势，提高氮素利用率和水稻产量，降低水稻植株和土壤中的镉含量，减少杂草滋生并降低病害发病率，提高土壤微生物量，增强土壤微生物多样性。 但此类研究大多仅停留在效应层面，而缺乏较为深入的机理研究。

总之，从水稻间作的研究区域、间作植物种类组成和研究深度而言，水稻间作模式仍有较大的发展潜力，有待进一步开展创新研究，形成关键技术，以便更好地应用到生产中。

2 稻田间作综合效应

2.1 对土壤理化特性的改善效应

氮素是组成水稻体内器官和支持水稻进行一切生命活动的重要元素。 研究发现，水稻与其它作物间作，在不影响其它作物营养元素吸收的条件下，能显著增加水稻对氮素养分的吸收和利用，其中水稻与水生豆科作物水合欢间作时，水合欢的固氮作用可为水稻生长提供更多的氮素营养，进而提高水稻产量和质量[6，7]。 在间作系统中适当增加磷和钾等元素，更有利于水稻对氮素的吸收，例如，水稻与红萍间作系统中，施加磷肥可以提高水稻的氮素吸收和产量，这是由于磷肥的增加使氮肥更好地发挥作用，使水稻的实粒数和穗数增加，从而增加水稻产量[8，9]。

水稻间作不仅可提高氮素利用，也可促进其它元素的吸收。 研究表明，水稻和水雍菜间作显著增加水稻对氮素和硅元素的吸收量，并使水稻成熟期叶片中的硅含量上升，改善水稻的营养组成，此外还可增加土壤有效硅、铵态氮和速效钾含量，但不会影响土壤的全量养分[10，11]。 同时，水稻间作多年生水生植物，可以提高土壤生物量碳和生物量氮。 水稻与菖蒲间作系统与单作系统相比，其土壤总有机碳、全氮、可溶性有机碳含量和水分含量均较高，明显改善土壤肥力状况[12，13]。

2.2 对土壤重金属污染的修复效应

土壤重金属污染修复通常包括物理修复、化学修复和生物修复三种方法，其中生物修复因其具有环保、成本低等优势而日益受到青睐。 已有研究表明，稻田间作也可发挥植物修复的作用，水稻与超累积植物间作可以解决土壤污染的原位修复问题[14]。

镉和砷等重金属污染是当前水稻生产过程中面临的重要生态环境问题。 镉和砷污染主要来自工业“三废”的不合规排放，其中镉大多以六价出现并最终合成镉化合物；砷元素本身毒性极低，但砷化合物均有毒性(其中三价砷化合物毒性更强)，食用镉和砷含量超标的稻米会严重影响人体健康[15－18]。 相关研究表明，水稻间作系统可以提高被污染土壤的pH 值，降低镉的生物有效性，增强铁斑；而高的铁斑会促进超累积植物对镉的吸收，进一步削弱水稻根部对镉的吸收，从而降低土壤污染，达到修复土壤污染的作用[16]。 如在水稻与再力花间作模式下，由于再力花的生物量大，吸收镉的能力强，因而可明显减少水稻对镉的吸收，同时不会明显影响水稻产量，可以实现对轻度镉污染土地“边修复、边生产”的目标[17]。 此外，在水稻与水雍菜间作等间作模式下，土壤重金属含量也显著降低，可见，稻田间作其它水生植物(特别是非食用的水生植物)有利于重金属污染土壤的修复与可持续利用[19－21]。

2.3 对病虫草害的防控效应

在水稻生产过程中，病、虫、草害是影响水稻产量和质量的重要因素。 控制水稻病虫草害的常规方法有光诱捕害虫等物理方法和施用杀虫剂、杀菌剂和除草剂等化学方法，还有引入害虫天敌等生物方法。 运用物理防控方法通常需要消耗过多的人力物力，而使用除草剂和农药又势必会加重农业面源污染、降低土壤生物多样性，且长期使用会致病虫草产生抗药性而使危害加重[22]，更为严重的是会影响水稻安全生产和人体健康。

研究表明，间作可实现水稻病虫草害的绿色防控目标。 例如，水稻与水雍菜、慈姑间作能有效降低水稻纹枯病和稻纵卷叶螟的发生率，使间作系统的病虫草害明显低于水稻单作，同时由于间作中水生蔬菜生物量的增加，有效地抑制杂草滋生[23，24]。 此外，水稻与婆罗米、美人蕉、梭鱼草等[25，26]水生植物间作也可以显著减少水稻病虫草害的发生；水稻间作荸荠时，荸荠的根系分泌物中含有对水稻纹枯病和稻瘟病有明显抑制作用的活性物质，可抑制水稻纹枯病和稻瘟病的发生[27]。

2.4 对土壤微生物的影响

作物生长过程中，地上部和地下部相互作用、相互影响，而且作物地下部的生长又与土壤微生物的作用密切相关。 相比水稻单作而言，两种作物间作一方面可以增加土壤微生物多样性，另一方面可通过土壤微生物与水稻根系及土壤养分的相互作用，进而不同程度地提高水稻的产量、质量和抗逆性等[28－30]。

有关研究表明，水稻间作多年生水生植物可以明显提高稻田土壤微生物生物量，显著改善土壤特性，同时水生植物可为微生物提供更有利的栖息地，增强土壤微生物多样性及土壤的可持续性[12]。 另外，水稻间作对土壤病菌有一定程度的抑制作用。 水稻纹枯病和稻瘟病的发生也与土壤中的病原菌有关，研究表明，在水稻与荸荠间作模式中，荸荠对这些病原菌有明显的抑制作用，从而有助于水稻纹枯病和稻瘟病的控制[27]。

3 稻田间作生产面临的现实问题

从研究现状来看，有关稻田作物间作的研究日益增多，但目前大多研究还停留在间作效应层面，深层次的机理研究以及关键技术研发与生产技术体系集成构建还较为缺乏。 同时，间作植物的种类与数量也十分不足，在未来还有很大的研究和发展空间。

3.1 水稻间作技术缺少规范化生产标准

目前，水稻间作的相关研究与推广应用还处在起始阶段，与水稻间作的植物物种开发较少。从表1 可以看出，目前研究的间作植物只有四大类，水稻与这四大类植物间作的综合效应尚未得到全面系统研究，同时，较为成熟的水稻间作模式与技术体系较少，且缺少正式发布的生产技术规程或标准。 在整个水稻间作生产过程中，仍然缺少相应的技术标准去指导农民生产。 例如，在种植过程中，水稻与间作植物的品种选择及机械化生产、田间管理等问题；在收获过程中，仍存在水稻和间作植物之间不同的收获方式及轻简生产、农产品产量和品质参考的质量标准等问题。 上述一系列问题所涉及到的技术参数和标准均需进一步深入研究并制定规范化的生产技术规程或标准。

3.2 水稻间作模式综合效益未能同步发挥

稻田间作具有农田生态改善效应、修复效应、防控效应等多种生态效益，可以减少农药和化肥的施用，达到绿色生产的要求。 但由于水稻间作其它作物需占用稻田面积，进而减少水稻的实际生产面积，使水稻产量达不到最大化粮食生产目标。 而且水稻间作相较于单作，生产成本会有所增加，若间作植物的经济产出不能超过间作所增加的成本投入，则其经济效益也随之下降，使得水稻间作的社会效益和经济效益相对降低，这势必会对农民收入和生产积极性产生一定程度的影响，不利于水稻间作生产的推广应用及可持续发展。 因此，如何实现轻简生产，如何在提高稻田间作生态效益的同时兼顾经济效益和社会效益，进而使农民和社会广泛接受，仍是影响其能否大面积推广应用的一个重要限制因素。

3.3 稻田间作推广难度高

我国作为一个人口大国，水稻产量始终是水稻研究和农业生产的重中之重，人们一直在探寻更高产的品种，以满足社会的需求。 然而，相对单作模式，水稻间作生产模式一定程度上减小了水稻面积，影响水稻产量。 同时，水稻间作生产中，由于其它作物的育苗、移栽、田间管理及收获等均比单一种植水稻费时费力，且对管理人员的专业技术要求更高，这些因素都加大了水稻间作模式的推广应用难度。 此外，当前农业劳动力日益减少，人工成本日渐升高，这就使水稻间作较单作增加的收入，不一定能很好地弥补其生产成本及技术难度提升所带来的附加成本，这更加大了水稻间作模式的推广难度。 目前，机械化生产主要集中在水稻单作生产区域，间作生产由于“耕种管收”两种作物会增加机械运行的难度和成本，而且当前可用于水稻间作的机械化生产技术尚未配套，因此，在水稻间作生产中亟需开展大量研究，实现稻田间作的机械化生产技术的突破与集成应用[31]。

4 研究展望

水稻间作生产符合农业绿色发展目标，展示出良好的生产应用前景，但仍存在一系列的理论与关键技术以及生产应用问题。 为此，提出以下几点建议，以便更好地推进稻田间作技术模式的推广应用与可持续发展。

4.1 关于水稻间作品种的多样化优选与优化配置研究

总体而言，当前水稻与其它植物间作的优化模式及其适宜种类十分有限，需进一步扩展水稻间作模式种类的相关研究，其中不仅是间作植物的选择和优化，水稻优良品种选择也十分重要。近年来，大量研究证明不同水稻品种间作可以减少病虫害的发生率，从而提高水稻产量[32，33]。 不同水稻品种与同种间作植物的间作效益不同，同种水稻品种与不同种类间作植物的间作效益也各异[34，35]。 相关研究表明，水稻品种有7 000 多种，这对水稻生态型品种改良具有重要意义[36]。 因此，在与水稻间作品种的多样化优选与优化配置研究中，若要提高水稻产量和相应的田间综合效应，这不仅需要加大除水稻以外的间作植物种类的筛选、优化和开发利用，还需要同步进行不同水稻品种的优选和优化配置研究。

4.2 关于水稻间作生产技术规程及标准化研究

水稻间作模式缺少一系列的技术参数，如水稻与间作植物品种的优化匹配标准、间作规格、栽培技术标准、田间管理标准、收获技术标准、农产品质量标准等，均需要开展大量研究才能制定出相关的标准化技术规程，从而为稻田间作生产应用提供详细的指导方案。

其它的水稻生产模式，如稻田种养模式和水稻单作机械化生产体系，相对而言较为成熟，若将水稻间作模式与这些成熟的生产模式相结合，可以兼顾水稻间作模式与其它生产模式的优势，提高水稻产量和品质，扩大生产收益，从而让农民更乐于接受水稻间作模式[37]。 同时，加强水稻间作模式在不同土地、不同气候等条件下的标准化技术规程及其与不同生产模式结合的研究，进而集成为高效、多样、生态的水稻绿色生产技术标准体系，才能使水稻生产更标准、更高效、更绿色[38]。

4.3 关于水稻间作与农艺农机技术综合集成应用研究

水稻生产机械化是水稻生产的根本出路，我国的水稻机械化生产正走向全程机械化。 水稻生产全程机械化主要以整地、种植、田间管理、收获、烘干、秸秆处理为重点作业环节，配置相应的机具进行生产，达到提高生产效率、节约生产成本、缓解用工难问题、减少农业面源污染等目的[39，40]。水稻间作模式的发展应与水稻生产全程机械化相结合，以较少的人力资源使用，使水稻间作生产更高效[41]。

水稻间作的机械化生产发展需要以标准化生产技术规程为基础，根据种植要求、田间管理、收获方式等条件，制定相关的农艺与农机相结合的技术方案，以此研发配套的农机技术来达到同时节省人工成本和规范稻田间作生产的目的[42，43]。

4.4 关于水稻间作修复土壤污染的关键技术与应用研究

已有研究表明，水稻间作模式具有减少土壤重金属污染的作用，水稻根系对重金属的吸收是重金属进入籽粒的首要环节，而超积累植物对重金属的竞争能力比水稻强，使水稻根系对重金属的吸收减少，降低了水稻植株中的重金属含量[44，45]。 因此，水稻与超积累植物间作修复重金属污染土壤，可以作为稻田间作关键技术的一个重要研究方向[46]。 同时，有研究表明在施用生物炭等钝化材料的条件下，土壤pH 升高，有效降低了土壤和水稻中的有效镉含量，因此在水稻间作模式中施用生物炭可能会进一步提高稻田间作修复重金属污染土壤的效率[47，48]。 重金属超富集植物的后期处理是水稻间作模式中的技术难题，也需要开展研究来解决，进而集成修复重金属污染土壤的水稻间作模式体系与整体方案[49]。 目前，有关水稻间作模式对土壤有机污染的修复研究还很少，今后需要进一步加强该方面的研究。

4.5 关于水稻间作对稻田温室气体排放与碳汇功能影响研究

在当今全球变暖的背景下，我国提出要在2030 年和2060 年分别实现碳达峰和碳中和目标。 全球变暖的原因主要是温室气体增加产生的温室效应，最终使地球气温上升。 温室气体中CH4和N2O 对地球生态系统的能量流动与全球变暖有着重要影响，农业生产活动是CH4和N2O 产生的重要来源之一，分别占全球人为排放总量的45%～50%和20%～70%[50]。 有关研究表明，旱地作物间作(如玉米/大豆间作等)可以明显降低温室气体的排放[51，52]，但稻田水稻间作能否减排温室气体却少有研究，因此，有关稻田间作的碳源/汇功能及温室气体减排技术等方面有待开展进一步深入研究。