稻虾共作模式下水分管理方式对生产效率的影响

徐荣 韩光明 杨婷 寇祥明 吴雷明,2 马林杰,2 张诚信,2 王守红

（1 江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007；2 江苏省生态农业工程技术研究中心，江苏 扬州 225007；*通信作者：yzwish@126.com）

水稻-克氏原螯虾（以下简称“稻虾”）种养作为目前我国生态农业领域重要技术模式之一，可实现“一水两用、一田双收、循环可持续”目标，因而备受关注。《“十三五”中国稻渔综合种养产业发展报告》指出，截止“十三五”末，全国稻虾种养面积已达126.1 万hm2，接近稻田综合种养总面积的一半[1]，其中，江苏省为20.0 万hm2。种植与养殖的复合生产方式，决定了稻虾共作过程具有较高的操作难度，其关键在于水分管理。稻季全程采取干湿交替方式提升了水稻根系活力、光合作用效率和氮肥利用效率，进而增加水稻产量和改善稻米品质，实现水稻绿色高效生产目标[2-4]。但干湿交替方式易造成田面闷热高湿，降低了小龙虾进田活动频率，造成其不良应激反应，大大降低养殖效果。

因此，在稻虾共作生产实际中，稻季采取长期深水灌溉方式，即秧苗移栽活棵后，逐步上深水并维持20~40 cm 田面水层，直至小龙虾收获前（8 月底至9 月初），可有效控制田面底泥和水体温度，增加小龙虾活动半径，提升小龙虾养殖效果，但相关研究较少，尤其是长期深水灌溉对稻稳产、虾增效综合目标的影响研究缺乏。因此，课题组采取下沉箱体设计可控小区，模拟稻虾共作过程，开展相关研究工作。

1 材料与方法

1.1 供试地点与材料

试验于2020—2021 年在江苏省高邮市送桥镇毛港村稻田综合种养基地进行。该地属亚热带湿润季风气候，供试土壤类型为苏中勤泥土，土壤全氮1.10±0.02 g/kg（数据为“平均值±标准差”，下同）、铵态氮25.29±2.02 mg/kg、硝态氮15.01±1.36 mg/kg、全磷0.35±0.01 g/kg、有效磷4.54±1.39 mg/kg、全钾10.22±0.19 g/kg、速效钾131.65±3.15 mg/kg。参试水稻品种为杂交中籼丰优香占，小龙虾为当地种苗。

1.2 试验设计

试验区采取下沉式设计（图1），可有效缓解夏季高温环境对种养过程影响。采取单因素对比试验，设置深水灌溉（RS）和干湿交替（RC）2 个处理，每个处理3次重复。RS 处理：秧苗活棵后逐步灌深水，并维持20~40 cm 田面水层直至水稻收割前10 d 左右，落干待收；RC 处理：秧苗活棵后浅水灌溉促分蘖，当水稻群体茎蘖数达穗数80%时搁田控制无效分蘖，此后持续采取干湿交替的土壤水分管理方式直至水稻收获。

图1 试验区设计图

1.3 试验方法

分别于2020 年6 月30 日和2021 年6 月11 日人工手插移栽，行株距30 cm×20 cm，秧龄28 d，分别于10 月15 日和9 月25 日收获水稻；肥料用量195.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=195.0∶52.5∶105.0，其中氮肥（尿素，含N 46%）按照基肥∶返青肥=7∶3 施用，磷肥（过磷酸钙，含P2O514%）、钾肥（含K2O 50%）一次性基施。

分别于2020 年7 月10 日和2021 年6 月20 日投放虾苗（规格为4.87±0.05 g），投放量300 kg/hm2，并按照小龙虾体质量2%配置饲料进行环沟投喂，全程饲料用量为1 200 kg/hm2，分别于2020 年9 月23 日和2021 年9 月20 日一次性捕获。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 植株氮素含量

于成熟期依据小区平均茎蘖数挖取代表性稻株，洗净后分拣出穗和秸秆，烘干称重，后粉碎过筛，采用硫酸-双氧水-靛酚蓝比色法测定全氮含量。

1.4.2 水稻产量及构成因子

于成熟期每小区取3 丛水稻于室内悬挂晾干后，测定每丛穗数、每穗粒数、结实率和千粒重等，计算理论产量。水稻收获时，各小区人工收割后单独脱粒，测定实际产量。

1.4.3 氮肥利用效率

氮肥表观利用率（%）=（施氮处理吸氮量-不施氮处理吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥农学利用率（kg/kg）=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/施氮量；

氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/作物吸氮量；

氮素偏生产力（kg/kg）=施氮处理籽粒产量/施氮量；

氮素吸收效率（kg/kg）=作物吸氮量/施氮量；

氮收获指数（%）=（稻谷吸氮量/作物吸氮量）×100%[5]。

1.4.4 稻米品质

水稻收获后自然晾干至含水率14.0%以下，按照GB/T17891—2017 测定稻米的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率和垩白度；采用半微量凯氏定氮法测定稻米蛋白质含量，采用碘蓝比色法测定稻米直链淀粉含量，采用米饭食味仪（STA1A，日本佐竹公司生产）测定食味值及米饭的硬度、外观、平衡度等相关指标及综合评分值。

1.4.5 水稻淀粉RVA 特征谱

采用澳大利亚Newport Scientific 仪器公司生产的Super 3 型RVA 快速黏度分析仪测定稻米淀粉黏滞特性（最高黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值和消减值），采用配套软件TWC 进行分析。

1.4.6 小龙虾产量及规格

小龙虾称重后，计算产量、个体质量及个体质量变异系数；按照单体质量＜20 g、20~35 g、35~50 g 及≥50 g分别统计产量。

1.5 数据计算与分析

数据方差分析采用Minitab 软件，其中不同处理间显著性差异比较选择Fisher 法。

2 结果与分析

2.1 不同水分管理方式对氮肥利用效率的影响

如表1 所示，2020 年，RS 处理的氮肥生理利用率和收获指数较RC 处理分别增加8.55%和10.01%，而氮肥表观利用率、农学效率、偏生产力和吸收效率则较RC 处理分别下降30.00%、27.30%、6.20%和9.09%，差异均不显著。2021 年，RS 处理表观利用率、农学效率、偏生产力、生理利用率、吸收效率和收获指数分别较RC 处理降低4.51%、33.38%、8.82%、32.10%、1.61%、4.09%，其中氮肥农学效率二者差异达到显著水平。

表1 不同水分管理方式水稻氮肥利用率比较

2.2 不同水分管理方式对水稻产量及品质的影响

如表2 所示，2020 年，RS 处理每穗粒数、千粒重和理论产量较RC 处理分别增加12.40%、1.67%和1.00%，而有效穗数、结实率和实际产量则较RC 处理分别下降2.20%、1.93%和6.19%，差异均不显著。2021年，RS 处理结实率较RC 处理增加0.54%，而有效穗数、每穗粒数、千粒重、理论产量和实际产量较RC 处理分别下降5.15%、4.17%、0.15%、9.17%和0.39%，差异均不显著。

表2 不同水分管理方式水稻产量比较

如表3 所示，2020 年，RS 处理稻米外观、加工品质指标均较RC 处理有所增加，其中垩白粒率、垩白度、糙米率、精米率、整精米率分别较RC 处理增加7.59%、16.01%、0.17%、1.44%、2.52%。2021 年，RS 处理的垩白粒率、垩白度、精米率和整精米率分别较RC 处理增加10.55%、3.27%、0.03%和1.33%，糙米率则较RC 处理下降0.04%，差异均不显著。

表3 不同水分管理方式稻米外观和加工品质比较

如表4 所示，2020 年，RS 处理的直链淀粉含量和蛋白质含量较RC 处理分别增加1.07%和1.30%，而外观、口感及综合评分则较RC 处理分别下降2.49%、3.20%和1.06%，差异均不显著。2021 年，RS 处理的直链淀粉含量、蛋白质含量较RC 处理分别显著增加7.81%和7.78%；而外观、口感及综合评分则较RC 处理分别下降2.94%、4.52%和2.05%，差异均不显著。

表4 不同水分管理方式稻米直链淀粉含量、蛋白质含量和食味值比较

如表5 所示，2020 年，RS 处理的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、消减值及糊化温度较RC 处理分别增加12.40%、1.67%、1.67%、7.86%和1.67%，而崩解值则较RC 处理下降2.20%，差异均不显著。2021 年，RS 处理的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、消减值和糊化温度较RC 处理分别增加3.40%、5.65%、4.02%、8.11%和0.11%，而崩解值较RC 处理下降0.56%，差异均不显著。

表5 不同水分管理方式稻米淀粉RVA 谱特征值比较

2.3 不同处理对小龙虾产量及规格分布的影响

如表6 所示，2020 年，RS 处理小龙虾的个体质量和产量较RC 处理分别显著增加34.18%和115.56%；个体质量变异系数则较RC 处理下降4.84%，差异不显著。2021 年，RS 处理小龙虾的个体质量和产量较RC处理分别显著增加42.64%和112.51%；个体平均质量变异系数则较RC 处理下降32.37%，差异不显著。

表6 不同处理小龙虾个体质量及产量比较

如表7 所示，2020 年，RS 处理4 种规格小龙虾产量较RC 处理分别增加15.15%、5.36%、47.97%和544.15%，其中≥50 g 规格水龙虾产量两处理间差异达到显著水平。2021 年，RS 处理[5,20）g 规格区间小龙虾产量为0（RC 处理为24.76 kg/hm2）；[20,35）g 规格区间小龙虾产量较RC 处理下降28.27%，[35,50）g 区间、≥50 g 规格小龙虾产量较RC 处理分别增加216.40%和316.36%，且[35,50）g 规格区间小龙虾产量间两处理间差异达到显著水平。

表7 不同处理各规格区间小龙虾产量比较

如表7 所示，2020 年，RS 处理≥50 g 规格小龙虾产量占比为52.30%，[35,50）g 和[20,35）g 规格区间占比分别为24.65%和19.94%，[5,20）g 规格区间占比仅3.11%；RC 处理[20,35）g 规格区间小龙虾产量占比40.79%，[35,50）g 规格区间占比35.89%，≥50 g 规格占比17.50%，[5,20）g 规格区间占比仅5.82%。2021年，RS 处理 [35,50）g 规格区间小龙虾产量占比为57.21%，≥50g 规格占比28.07%，[20,35）g 规格区间占比14.72%；RC 处理 [20,35）g 规格区间小龙虾产量占比为40.99%，[35,50）g 规格区间占比36.12%，≥50 g规格占比13.47%，[5,20）g 规格区间占比仅9.42%。

3 讨论

采取干湿交替水分管理方式，可保障稻田土壤良好通气状况，增加土壤有机养分矿化速率，提升土壤有效供肥能力；可保证水稻根系活力，提升根系内源激素合成强度及叶片氮代谢酶活性[6]，综合提高水稻氮素利用效率及产量[7-8]。本研究2 年试验数据表明，相较于干湿交替处理，长期深水灌溉处理降低了水稻氮素利用效率，且在第2 年时，其农学利用效率显著降低。水稻产量方面亦存在相同趋势，其可能原因在于长期深水灌溉方式下，小龙虾在田面及稻株攀附活动频率增加，破坏了水稻外层分蘖，促使其有效穗数低于干湿交替处理，但二者实际产量差异并未达到显著水平，且深水灌溉处理2 年水稻产量（8.03 t/hm2和7.61 t/hm2）均达到国家《稻渔综合种养技术规范通则》要求，其对水稻产量负面影响可控。

由于深水养虾过程需求，具有高秆特点的杂交籼稻品种更适宜于稻虾共作。研究表明，干湿交替管水方式有助于改善籼稻稻米的外观、加工、蒸煮和食味品质[4]。本研究中，全量化肥施用条件下，相较于长期深水灌溉处理，干湿交替处理稻米仅加工品质下降，外观、食味品质均得到提升，其中食味品质提升原因可能源自蛋白质含量降低[9]。相关研究表明，干湿交替方式可通过增强剑叶光合效率和根系活力，优化稻米淀粉RVA 谱相关指标，进而提升稻米食味值[10]。本研究中，干湿交替处理淀粉RVA 谱特征值综合较长期深水灌溉处理有所增加。

本研究表明，深水灌溉处理提升了稻虾共作中小龙虾的养殖效果，小龙虾平均规格和产量高，小龙虾个体间规格稳定性也较高，有助于提高其商品率。分析认为，长期深水灌溉方式有助于水草培育，提升环沟及畦面水环境稳定性，降低由于夏季高温所致小龙虾应激反应强度；有利于拓展小龙虾在稻田摄食、活动范围，尤其是增加稻田畦面天然饵料的摄食概率，提升综合养殖性能；此外，水稻“封行”后可为小龙虾提供庇护场所，降低水鸟等天敌捕食风险，保障“稻中成虾”生产安全性。

综上，稻虾共作过程采取长期深水灌溉方式，在不影响水稻稳产目标同时，显著增强小龙虾养殖效果，通过以规格成虾销售为主、优质稻米销售为辅策略，将显著提升稻虾田经济收益，但其一定程度上存在降低氮素利用效率及稻米品质趋势。

相关研究表明，结实期是水稻产量及品质形成关键时期[11-12]；该时期稻田采取轻度干湿交替水分管理方式（土壤低水势极限为-20 kPa），可改变根系乙烯合成前体物浓度，影响地上部蔗糖-淀粉代谢途径关键酶的活性，最终提升稻米品质[10]。因此，为提升稻虾种养模式的水稻氮素利用效率和稻米品质，并稳定产量，课题组提出并推广了可实现水稻结实期干湿交替水分管理过程的“繁养分区”理念，即“稻前成虾+稻中成虾”种养面积与“苗种繁育”种养面积按照8∶2 设置。该理念缩短80%以上稻田畦面土壤周年水分过饱和周期，可保证“稻中成虾”45 d 有效养成周期前提下，8 月中旬至9月初即可完成“稻中成虾”养殖环节，促使结实期稻田畦面按照“干湿交替”水分管理方式进行，有助于营造相对良好根际生境，保障水稻养分主动吸收能力，并促进土壤有机养分矿化和土壤养分有效供应能力。“稻中成虾”养殖过程尽早结束，增加了水稻穗肥施用的可能性，有助于提升氮素利用效率。有机肥料适量替代化肥方式是实现常规稻作生产模式中氮素利用效率、品质提升的有效途径[13]，若采取该供肥策略以替代本研究全量化肥处理，对长期深水灌溉方式下的水稻生产过程而言，可能是更为优化的供肥策略，但相关研究匮乏，有待验证。

“稻前成虾”养殖周期结束后，稻田畦面存在大量有机废弃物（水草、残饵等）还田过程，其长期培肥效应较强[14-16]；而在“繁养分区”理念下，“稻中成虾”养殖过程中水稻结实期即可实现“干湿交替”水分管理过程，该过程显著影响着有机废弃物矿化分解速率和结实期水稻养分供应状况[7]，但相关研究鲜见报道。下一步课题组将开展“繁养分区”理念下的稻虾种养模式水肥运筹研究，重点探索在保障小龙虾养殖效果前提下，水稻结实期水分管理方式变化对水稻养分利用效率、产量品质指标的影响，为稻虾共作过程可持续发展提供技术借鉴。

4 结论

相较于干湿交替处理，长期深水灌溉处理虽存在降低水稻氮素利用效率和稻米品质的趋势，但在2 年试验中，水稻实际产量均高于7.5 t/hm2稳产目标，且与干湿交替处理产量差异未达到显著水平；此外，长期深水灌溉处理可通过显著增加小龙虾个体质量，降低个体质量波动性，有效提升总产量和35 g 以上规格成虾产量，有效保障稻虾共作模式的经济收益。