稻蝦共作模式下水分管理方式對生產(chǎn)效率的影響

徐榮 韓光明 楊婷 寇祥明 吳雷明,2 馬林杰,2 張誠信,2 王守紅

（1 江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚州 225007；2 江蘇省生態(tài)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，江蘇 揚州 225007；*通信作者：yzwish@126.com）

水稻-克氏原螯蝦（以下簡稱“稻蝦”）種養(yǎng)作為目前我國生態(tài)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重要技術(shù)模式之一，可實現(xiàn)“一水兩用、一田雙收、循環(huán)可持續(xù)”目標，因而備受關(guān)注?！丁笆濉敝袊緷O綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》指出，截止“十三五”末，全國稻蝦種養(yǎng)面積已達126.1 萬hm2，接近稻田綜合種養(yǎng)總面積的一半[1]，其中，江蘇省為20.0 萬hm2。種植與養(yǎng)殖的復(fù)合生產(chǎn)方式，決定了稻蝦共作過程具有較高的操作難度，其關(guān)鍵在于水分管理。稻季全程采取干濕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，進而增加水稻產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)，實現(xiàn)水稻綠色高效生產(chǎn)目標[2-4]。但干濕交替方式易造成田面悶熱高濕，降低了小龍蝦進田活動頻率，造成其不良應(yīng)激反應(yīng)，大大降低養(yǎng)殖效果。

因此，在稻蝦共作生產(chǎn)實際中，稻季采取長期深水灌溉方式，即秧苗移栽活棵后，逐步上深水并維持20~40 cm 田面水層，直至小龍蝦收獲前（8 月底至9 月初），可有效控制田面底泥和水體溫度，增加小龍蝦活動半徑，提升小龍蝦養(yǎng)殖效果，但相關(guān)研究較少，尤其是長期深水灌溉對稻穩(wěn)產(chǎn)、蝦增效綜合目標的影響研究缺乏。因此，課題組采取下沉箱體設(shè)計可控小區(qū)，模擬稻蝦共作過程，開展相關(guān)研究工作。

1 材料與方法

1.1 供試地點與材料

試驗于2020—2021 年在江蘇省高郵市送橋鎮(zhèn)毛港村稻田綜合種養(yǎng)基地進行。該地屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，供試土壤類型為蘇中勤泥土，土壤全氮1.10±0.02 g/kg（數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，下同）、銨態(tài)氮25.29±2.02 mg/kg、硝態(tài)氮15.01±1.36 mg/kg、全磷0.35±0.01 g/kg、有效磷4.54±1.39 mg/kg、全鉀10.22±0.19 g/kg、速效鉀131.65±3.15 mg/kg。參試水稻品種為雜交中秈豐優(yōu)香占，小龍蝦為當(dāng)?shù)胤N苗。

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)采取下沉式設(shè)計（圖1），可有效緩解夏季高溫環(huán)境對種養(yǎng)過程影響。采取單因素對比試驗，設(shè)置深水灌溉（RS）和干濕交替（RC）2 個處理，每個處理3次重復(fù)。RS 處理：秧苗活棵后逐步灌深水，并維持20~40 cm 田面水層直至水稻收割前10 d 左右，落干待收；RC 處理：秧苗活棵后淺水灌溉促分蘗，當(dāng)水稻群體莖蘗數(shù)達穗數(shù)80%時擱田控制無效分蘗，此后持續(xù)采取干濕交替的土壤水分管理方式直至水稻收獲。

圖1 試驗區(qū)設(shè)計圖

1.3 試驗方法

分別于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，秧齡28 d，分別于10 月15 日和9 月25 日收獲水稻；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（過磷酸鈣，含P2O514%）、鉀肥（含K2O 50%）一次性基施。

分別于2020 年7 月10 日和2021 年6 月20 日投放蝦苗（規(guī)格為4.87±0.05 g），投放量300 kg/hm2，并按照小龍蝦體質(zhì)量2%配置飼料進行環(huán)溝投喂，全程飼料用量為1 200 kg/hm2，分別于2020 年9 月23 日和2021 年9 月20 日一次性捕獲。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 植株氮素含量

于成熟期依據(jù)小區(qū)平均莖蘗數(shù)挖取代表性稻株，洗凈后分揀出穗和秸稈，烘干稱重，后粉碎過篩，采用硫酸-雙氧水-靛酚藍比色法測定全氮含量。

1.4.2 水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子

于成熟期每小區(qū)取3 叢水稻于室內(nèi)懸掛晾干后，測定每叢穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重等，計算理論產(chǎn)量。水稻收獲時，各小區(qū)人工收割后單獨脫粒，測定實際產(chǎn)量。

1.4.3 氮肥利用效率

氮肥表觀利用率（%）=（施氮處理吸氮量-不施氮處理吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）=（施氮處理產(chǎn)量-不施氮處理產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮處理產(chǎn)量-不施氮處理產(chǎn)量）/作物吸氮量；

氮素偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量；

氮素吸收效率（kg/kg）=作物吸氮量/施氮量；

氮收獲指數(shù)（%）=（稻谷吸氮量/作物吸氮量）×100%[5]。

1.4.4 稻米品質(zhì)

水稻收獲后自然晾干至含水率14.0%以下，按照GB/T17891—2017 測定稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率和堊白度；采用半微量凱氏定氮法測定稻米蛋白質(zhì)含量，采用碘藍比色法測定稻米直鏈淀粉含量，采用米飯食味儀（STA1A，日本佐竹公司生產(chǎn)）測定食味值及米飯的硬度、外觀、平衡度等相關(guān)指標及綜合評分值。

1.4.5 水稻淀粉RVA 特征譜

采用澳大利亞Newport Scientific 儀器公司生產(chǎn)的Super 3 型RVA 快速黏度分析儀測定稻米淀粉黏滯特性（最高黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值和消減值），采用配套軟件TWC 進行分析。

1.4.6 小龍蝦產(chǎn)量及規(guī)格

小龍蝦稱重后，計算產(chǎn)量、個體質(zhì)量及個體質(zhì)量變異系數(shù)；按照單體質(zhì)量＜20 g、20~35 g、35~50 g 及≥50 g分別統(tǒng)計產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)計算與分析

數(shù)據(jù)方差分析采用Minitab 軟件，其中不同處理間顯著性差異比較選擇Fisher 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分管理方式對氮肥利用效率的影響

如表1 所示，2020 年，RS 處理的氮肥生理利用率和收獲指數(shù)較RC 處理分別增加8.55%和10.01%，而氮肥表觀利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和吸收效率則較RC 處理分別下降30.00%、27.30%、6.20%和9.09%，差異均不顯著。2021 年，RS 處理表觀利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、生理利用率、吸收效率和收獲指數(shù)分別較RC 處理降低4.51%、33.38%、8.82%、32.10%、1.61%、4.09%，其中氮肥農(nóng)學(xué)效率二者差異達到顯著水平。

表1 不同水分管理方式水稻氮肥利用率比較

2.2 不同水分管理方式對水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

如表2 所示，2020 年，RS 處理每穗粒數(shù)、千粒重和理論產(chǎn)量較RC 處理分別增加12.40%、1.67%和1.00%，而有效穗數(shù)、結(jié)實率和實際產(chǎn)量則較RC 處理分別下降2.20%、1.93%和6.19%，差異均不顯著。2021年，RS 處理結(jié)實率較RC 處理增加0.54%，而有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量較RC 處理分別下降5.15%、4.17%、0.15%、9.17%和0.39%，差異均不顯著。

表2 不同水分管理方式水稻產(chǎn)量比較

如表3 所示，2020 年，RS 處理稻米外觀、加工品質(zhì)指標均較RC 處理有所增加，其中堊白粒率、堊白度、糙米率、精米率、整精米率分別較RC 處理增加7.59%、16.01%、0.17%、1.44%、2.52%。2021 年，RS 處理的堊白粒率、堊白度、精米率和整精米率分別較RC 處理增加10.55%、3.27%、0.03%和1.33%，糙米率則較RC 處理下降0.04%，差異均不顯著。

表3 不同水分管理方式稻米外觀和加工品質(zhì)比較

如表4 所示，2020 年，RS 處理的直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量較RC 處理分別增加1.07%和1.30%，而外觀、口感及綜合評分則較RC 處理分別下降2.49%、3.20%和1.06%，差異均不顯著。2021 年，RS 處理的直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量較RC 處理分別顯著增加7.81%和7.78%；而外觀、口感及綜合評分則較RC 處理分別下降2.94%、4.52%和2.05%，差異均不顯著。

表4 不同水分管理方式稻米直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和食味值比較

如表5 所示，2020 年，RS 處理的峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、消減值及糊化溫度較RC 處理分別增加12.40%、1.67%、1.67%、7.86%和1.67%，而崩解值則較RC 處理下降2.20%，差異均不顯著。2021 年，RS 處理的峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、消減值和糊化溫度較RC 處理分別增加3.40%、5.65%、4.02%、8.11%和0.11%，而崩解值較RC 處理下降0.56%，差異均不顯著。

表5 不同水分管理方式稻米淀粉RVA 譜特征值比較

2.3 不同處理對小龍蝦產(chǎn)量及規(guī)格分布的影響

如表6 所示，2020 年，RS 處理小龍蝦的個體質(zhì)量和產(chǎn)量較RC 處理分別顯著增加34.18%和115.56%；個體質(zhì)量變異系數(shù)則較RC 處理下降4.84%，差異不顯著。2021 年，RS 處理小龍蝦的個體質(zhì)量和產(chǎn)量較RC處理分別顯著增加42.64%和112.51%；個體平均質(zhì)量變異系數(shù)則較RC 處理下降32.37%，差異不顯著。

表6 不同處理小龍蝦個體質(zhì)量及產(chǎn)量比較

如表7 所示，2020 年，RS 處理4 種規(guī)格小龍蝦產(chǎn)量較RC 處理分別增加15.15%、5.36%、47.97%和544.15%，其中≥50 g 規(guī)格水龍蝦產(chǎn)量兩處理間差異達到顯著水平。2021 年，RS 處理[5,20）g 規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量為0（RC 處理為24.76 kg/hm2）；[20,35）g 規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量較RC 處理下降28.27%，[35,50）g 區(qū)間、≥50 g 規(guī)格小龍蝦產(chǎn)量較RC 處理分別增加216.40%和316.36%，且[35,50）g 規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量間兩處理間差異達到顯著水平。

表7 不同處理各規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量比較

如表7 所示，2020 年，RS 處理≥50 g 規(guī)格小龍蝦產(chǎn)量占比為52.30%，[35,50）g 和[20,35）g 規(guī)格區(qū)間占比分別為24.65%和19.94%，[5,20）g 規(guī)格區(qū)間占比僅3.11%；RC 處理[20,35）g 規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量占比40.79%，[35,50）g 規(guī)格區(qū)間占比35.89%，≥50 g 規(guī)格占比17.50%，[5,20）g 規(guī)格區(qū)間占比僅5.82%。2021年，RS 處理 [35,50）g 規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量占比為57.21%，≥50g 規(guī)格占比28.07%，[20,35）g 規(guī)格區(qū)間占比14.72%；RC 處理 [20,35）g 規(guī)格區(qū)間小龍蝦產(chǎn)量占比為40.99%，[35,50）g 規(guī)格區(qū)間占比36.12%，≥50 g規(guī)格占比13.47%，[5,20）g 規(guī)格區(qū)間占比僅9.42%。

3 討論

采取干濕交替水分管理方式，可保障稻田土壤良好通氣狀況，增加土壤有機養(yǎng)分礦化速率，提升土壤有效供肥能力；可保證水稻根系活力，提升根系內(nèi)源激素合成強度及葉片氮代謝酶活性[6]，綜合提高水稻氮素利用效率及產(chǎn)量[7-8]。本研究2 年試驗數(shù)據(jù)表明，相較于干濕交替處理，長期深水灌溉處理降低了水稻氮素利用效率，且在第2 年時，其農(nóng)學(xué)利用效率顯著降低。水稻產(chǎn)量方面亦存在相同趨勢，其可能原因在于長期深水灌溉方式下，小龍蝦在田面及稻株攀附活動頻率增加，破壞了水稻外層分蘗，促使其有效穗數(shù)低于干濕交替處理，但二者實際產(chǎn)量差異并未達到顯著水平，且深水灌溉處理2 年水稻產(chǎn)量（8.03 t/hm2和7.61 t/hm2）均達到國家《稻漁綜合種養(yǎng)技術(shù)規(guī)范通則》要求，其對水稻產(chǎn)量負面影響可控。

由于深水養(yǎng)蝦過程需求，具有高稈特點的雜交秈稻品種更適宜于稻蝦共作。研究表明，干濕交替管水方式有助于改善秈稻稻米的外觀、加工、蒸煮和食味品質(zhì)[4]。本研究中，全量化肥施用條件下，相較于長期深水灌溉處理，干濕交替處理稻米僅加工品質(zhì)下降，外觀、食味品質(zhì)均得到提升，其中食味品質(zhì)提升原因可能源自蛋白質(zhì)含量降低[9]。相關(guān)研究表明，干濕交替方式可通過增強劍葉光合效率和根系活力，優(yōu)化稻米淀粉RVA 譜相關(guān)指標，進而提升稻米食味值[10]。本研究中，干濕交替處理淀粉RVA 譜特征值綜合較長期深水灌溉處理有所增加。

本研究表明，深水灌溉處理提升了稻蝦共作中小龍蝦的養(yǎng)殖效果，小龍蝦平均規(guī)格和產(chǎn)量高，小龍蝦個體間規(guī)格穩(wěn)定性也較高，有助于提高其商品率。分析認為，長期深水灌溉方式有助于水草培育，提升環(huán)溝及畦面水環(huán)境穩(wěn)定性，降低由于夏季高溫所致小龍蝦應(yīng)激反應(yīng)強度；有利于拓展小龍蝦在稻田攝食、活動范圍，尤其是增加稻田畦面天然餌料的攝食概率，提升綜合養(yǎng)殖性能；此外，水稻“封行”后可為小龍蝦提供庇護場所，降低水鳥等天敵捕食風(fēng)險，保障“稻中成蝦”生產(chǎn)安全性。

綜上，稻蝦共作過程采取長期深水灌溉方式，在不影響水稻穩(wěn)產(chǎn)目標同時，顯著增強小龍蝦養(yǎng)殖效果，通過以規(guī)格成蝦銷售為主、優(yōu)質(zhì)稻米銷售為輔策略，將顯著提升稻蝦田經(jīng)濟收益，但其一定程度上存在降低氮素利用效率及稻米品質(zhì)趨勢。

相關(guān)研究表明，結(jié)實期是水稻產(chǎn)量及品質(zhì)形成關(guān)鍵時期[11-12]；該時期稻田采取輕度干濕交替水分管理方式（土壤低水勢極限為-20 kPa），可改變根系乙烯合成前體物濃度，影響地上部蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶的活性，最終提升稻米品質(zhì)[10]。因此，為提升稻蝦種養(yǎng)模式的水稻氮素利用效率和稻米品質(zhì)，并穩(wěn)定產(chǎn)量，課題組提出并推廣了可實現(xiàn)水稻結(jié)實期干濕交替水分管理過程的“繁養(yǎng)分區(qū)”理念，即“稻前成蝦+稻中成蝦”種養(yǎng)面積與“苗種繁育”種養(yǎng)面積按照8∶2 設(shè)置。該理念縮短80%以上稻田畦面土壤周年水分過飽和周期，可保證“稻中成蝦”45 d 有效養(yǎng)成周期前提下，8 月中旬至9月初即可完成“稻中成蝦”養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，促使結(jié)實期稻田畦面按照“干濕交替”水分管理方式進行，有助于營造相對良好根際生境，保障水稻養(yǎng)分主動吸收能力，并促進土壤有機養(yǎng)分礦化和土壤養(yǎng)分有效供應(yīng)能力?！暗局谐晌r”養(yǎng)殖過程盡早結(jié)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。有機肥料適量替代化肥方式是實現(xiàn)常規(guī)稻作生產(chǎn)模式中氮素利用效率、品質(zhì)提升的有效途徑[13]，若采取該供肥策略以替代本研究全量化肥處理，對長期深水灌溉方式下的水稻生產(chǎn)過程而言，可能是更為優(yōu)化的供肥策略，但相關(guān)研究匱乏，有待驗證。

“稻前成蝦”養(yǎng)殖周期結(jié)束后，稻田畦面存在大量有機廢棄物（水草、殘餌等）還田過程，其長期培肥效應(yīng)較強[14-16]；而在“繁養(yǎng)分區(qū)”理念下，“稻中成蝦”養(yǎng)殖過程中水稻結(jié)實期即可實現(xiàn)“干濕交替”水分管理過程，該過程顯著影響著有機廢棄物礦化分解速率和結(jié)實期水稻養(yǎng)分供應(yīng)狀況[7]，但相關(guān)研究鮮見報道。下一步課題組將開展“繁養(yǎng)分區(qū)”理念下的稻蝦種養(yǎng)模式水肥運籌研究，重點探索在保障小龍蝦養(yǎng)殖效果前提下，水稻結(jié)實期水分管理方式變化對水稻養(yǎng)分利用效率、產(chǎn)量品質(zhì)指標的影響，為稻蝦共作過程可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)借鑒。

4 結(jié)論

相較于干濕交替處理，長期深水灌溉處理雖存在降低水稻氮素利用效率和稻米品質(zhì)的趨勢，但在2 年試驗中，水稻實際產(chǎn)量均高于7.5 t/hm2穩(wěn)產(chǎn)目標，且與干濕交替處理產(chǎn)量差異未達到顯著水平；此外，長期深水灌溉處理可通過顯著增加小龍蝦個體質(zhì)量，降低個體質(zhì)量波動性，有效提升總產(chǎn)量和35 g 以上規(guī)格成蝦產(chǎn)量，有效保障稻蝦共作模式的經(jīng)濟收益。