水稻間作生產模式的綜合效應研究進展及展望

鄧毓灝，鄺美杰，黑澤文，章家恩，2，3，4，5，向慧敏，3，4，5

(1.華南農業大學資源環境學院，廣東廣州 510642；2. 嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室，廣東廣州 510642；3. 廣東省生態循環農業重點實驗室，廣東廣州 510642；4. 廣東省現代生態農業與循環農業工程技術研究中心，廣東廣州 510642；5. 農業部華南熱帶農業環境重點實驗室，廣東廣州 510642)

水稻是全球近50%人口的主要糧食作物，90%水稻產于亞洲。 我國是水稻生產的主要國家之一，種植面積3 000 萬公頃左右，居世界第二，總產量高達2 億噸以上，是世界上水稻產量最高的國家[1]。水稻也是廣東省最重要的糧食作物之一。 近30 多年來，廣東省水稻年平均播種面積為283 萬公頃，水稻總產量占廣東省糧食產量的80.07%～92.06%，占全國稻谷總產量的8.23%[2]。

長期以來，我國對水稻的相關研究多集中在遺傳育種、栽培、病蟲害防治等方面，而對其綠色生態栽培技術模式研究相對較少。 然而，隨著水稻生產所帶來的農業面源污染越來越嚴重，可利用耕地越來越少等問題的出現，亟需研究和推廣應用一些具有更高效且生態效應更好、經濟效益更高的水稻種植模式，以同時滿足當前水稻綠色生產和生態環境保護的需求。 間作是指將兩種或兩種以上不同種屬但生長周期相似的作物在田間按一定行比間隔種植的生產模式。 通常而言，間作可以使作物更好地利用光、熱、土和水等自然資源，對增加作物產量、提高土壤養分利用率和控制病蟲害有顯著的效果[3]。 水稻間作是間作技術在稻田中的具體應用，也具有間作系統相關的生態效應[4]，但就目前而言，水稻間作相關研究及其在水稻生產中的占比較少。 為此，本文對近年來國內外水稻間作生產模式與技術的研究進展進行綜述，總結水稻間作模式的綜合效應，分析水稻間作生產存在的問題與原因，并提出相關的研究展望與建議，旨在為水稻間作模式的高效應用和推廣提供參考。

1 水稻間作生產研究現狀

水稻在世界上分布非常廣泛，除南極洲之外，幾乎大部分大洲上都有水稻生長。 當前，水稻生產大多為單一化生產方式(單作)。 以往關于水稻遺傳育種、栽培、病蟲害防治等方面研究比較多，關于水稻間作生產模式尤其是水稻與其它水生植物間作進行綠色生產方面的研究較少。

當前國內外圍繞水稻間作生產的研究現狀如下:

(1)國內外開展水稻間作模式研究的國家較少，主要集中在我國，而世界其他國家開展此方面研究缺乏[5]。

(2)國內外已研究的水稻間作模式主要有水稻與水生蔬菜間作、水稻與花卉類草本植物間作、水稻與水生豆科作物間作以及水稻與萍類間作這四大類(表1)。 但總體而言，水稻間作水生植物模式數量有限。

表1 稻田水稻間作模式類型

(3)以上各水稻間作模式當前研究的內容主要涉及土壤養分利用、土壤重金屬修復、水稻病蟲草害防治、土壤微生物等多個領域。 研究結果表明水稻間作可以充分發揮生物多樣性和邊際效應的優勢，提高氮素利用率和水稻產量，降低水稻植株和土壤中的鎘含量，減少雜草滋生并降低病害發病率，提高土壤微生物量，增強土壤微生物多樣性。 但此類研究大多僅停留在效應層面，而缺乏較為深入的機理研究。

總之，從水稻間作的研究區域、間作植物種類組成和研究深度而言，水稻間作模式仍有較大的發展潛力，有待進一步開展創新研究，形成關鍵技術，以便更好地應用到生產中。

2 稻田間作綜合效應

2.1 對土壤理化特性的改善效應

氮素是組成水稻體內器官和支持水稻進行一切生命活動的重要元素。 研究發現，水稻與其它作物間作，在不影響其它作物營養元素吸收的條件下，能顯著增加水稻對氮素養分的吸收和利用，其中水稻與水生豆科作物水合歡間作時，水合歡的固氮作用可為水稻生長提供更多的氮素營養，進而提高水稻產量和質量[6，7]。 在間作系統中適當增加磷和鉀等元素，更有利于水稻對氮素的吸收，例如，水稻與紅萍間作系統中，施加磷肥可以提高水稻的氮素吸收和產量，這是由于磷肥的增加使氮肥更好地發揮作用，使水稻的實粒數和穗數增加，從而增加水稻產量[8，9]。

水稻間作不僅可提高氮素利用，也可促進其它元素的吸收。 研究表明，水稻和水雍菜間作顯著增加水稻對氮素和硅元素的吸收量，并使水稻成熟期葉片中的硅含量上升，改善水稻的營養組成，此外還可增加土壤有效硅、銨態氮和速效鉀含量，但不會影響土壤的全量養分[10，11]。 同時，水稻間作多年生水生植物，可以提高土壤生物量碳和生物量氮。 水稻與菖蒲間作系統與單作系統相比，其土壤總有機碳、全氮、可溶性有機碳含量和水分含量均較高，明顯改善土壤肥力狀況[12，13]。

2.2 對土壤重金屬污染的修復效應

土壤重金屬污染修復通常包括物理修復、化學修復和生物修復三種方法，其中生物修復因其具有環保、成本低等優勢而日益受到青睞。 已有研究表明，稻田間作也可發揮植物修復的作用，水稻與超累積植物間作可以解決土壤污染的原位修復問題[14]。

鎘和砷等重金屬污染是當前水稻生產過程中面臨的重要生態環境問題。 鎘和砷污染主要來自工業“三廢”的不合規排放，其中鎘大多以六價出現并最終合成鎘化合物；砷元素本身毒性極低，但砷化合物均有毒性(其中三價砷化合物毒性更強)，食用鎘和砷含量超標的稻米會嚴重影響人體健康[15－18]。 相關研究表明，水稻間作系統可以提高被污染土壤的pH 值，降低鎘的生物有效性，增強鐵斑；而高的鐵斑會促進超累積植物對鎘的吸收，進一步削弱水稻根部對鎘的吸收，從而降低土壤污染，達到修復土壤污染的作用[16]。 如在水稻與再力花間作模式下，由于再力花的生物量大，吸收鎘的能力強，因而可明顯減少水稻對鎘的吸收，同時不會明顯影響水稻產量，可以實現對輕度鎘污染土地“邊修復、邊生產”的目標[17]。 此外，在水稻與水雍菜間作等間作模式下，土壤重金屬含量也顯著降低，可見，稻田間作其它水生植物(特別是非食用的水生植物)有利于重金屬污染土壤的修復與可持續利用[19－21]。

2.3 對病蟲草害的防控效應

在水稻生產過程中，病、蟲、草害是影響水稻產量和質量的重要因素。 控制水稻病蟲草害的常規方法有光誘捕害蟲等物理方法和施用殺蟲劑、殺菌劑和除草劑等化學方法，還有引入害蟲天敵等生物方法。 運用物理防控方法通常需要消耗過多的人力物力，而使用除草劑和農藥又勢必會加重農業面源污染、降低土壤生物多樣性，且長期使用會致病蟲草產生抗藥性而使危害加重[22]，更為嚴重的是會影響水稻安全生產和人體健康。

研究表明，間作可實現水稻病蟲草害的綠色防控目標。 例如，水稻與水雍菜、慈姑間作能有效降低水稻紋枯病和稻縱卷葉螟的發生率，使間作系統的病蟲草害明顯低于水稻單作，同時由于間作中水生蔬菜生物量的增加，有效地抑制雜草滋生[23，24]。 此外，水稻與婆羅米、美人蕉、梭魚草等[25，26]水生植物間作也可以顯著減少水稻病蟲草害的發生；水稻間作荸薺時，荸薺的根系分泌物中含有對水稻紋枯病和稻瘟病有明顯抑制作用的活性物質，可抑制水稻紋枯病和稻瘟病的發生[27]。

2.4 對土壤微生物的影響

作物生長過程中，地上部和地下部相互作用、相互影響，而且作物地下部的生長又與土壤微生物的作用密切相關。 相比水稻單作而言，兩種作物間作一方面可以增加土壤微生物多樣性，另一方面可通過土壤微生物與水稻根系及土壤養分的相互作用，進而不同程度地提高水稻的產量、質量和抗逆性等[28－30]。

有關研究表明，水稻間作多年生水生植物可以明顯提高稻田土壤微生物生物量，顯著改善土壤特性，同時水生植物可為微生物提供更有利的棲息地，增強土壤微生物多樣性及土壤的可持續性[12]。 另外，水稻間作對土壤病菌有一定程度的抑制作用。 水稻紋枯病和稻瘟病的發生也與土壤中的病原菌有關，研究表明，在水稻與荸薺間作模式中，荸薺對這些病原菌有明顯的抑制作用，從而有助于水稻紋枯病和稻瘟病的控制[27]。

3 稻田間作生產面臨的現實問題

從研究現狀來看，有關稻田作物間作的研究日益增多，但目前大多研究還停留在間作效應層面，深層次的機理研究以及關鍵技術研發與生產技術體系集成構建還較為缺乏。 同時，間作植物的種類與數量也十分不足，在未來還有很大的研究和發展空間。

3.1 水稻間作技術缺少規范化生產標準

目前，水稻間作的相關研究與推廣應用還處在起始階段，與水稻間作的植物物種開發較少。從表1 可以看出，目前研究的間作植物只有四大類，水稻與這四大類植物間作的綜合效應尚未得到全面系統研究，同時，較為成熟的水稻間作模式與技術體系較少，且缺少正式發布的生產技術規程或標準。 在整個水稻間作生產過程中，仍然缺少相應的技術標準去指導農民生產。 例如，在種植過程中，水稻與間作植物的品種選擇及機械化生產、田間管理等問題；在收獲過程中，仍存在水稻和間作植物之間不同的收獲方式及輕簡生產、農產品產量和品質參考的質量標準等問題。 上述一系列問題所涉及到的技術參數和標準均需進一步深入研究并制定規范化的生產技術規程或標準。

3.2 水稻間作模式綜合效益未能同步發揮

稻田間作具有農田生態改善效應、修復效應、防控效應等多種生態效益，可以減少農藥和化肥的施用，達到綠色生產的要求。 但由于水稻間作其它作物需占用稻田面積，進而減少水稻的實際生產面積，使水稻產量達不到最大化糧食生產目標。 而且水稻間作相較于單作，生產成本會有所增加，若間作植物的經濟產出不能超過間作所增加的成本投入，則其經濟效益也隨之下降，使得水稻間作的社會效益和經濟效益相對降低，這勢必會對農民收入和生產積極性產生一定程度的影響，不利于水稻間作生產的推廣應用及可持續發展。 因此，如何實現輕簡生產，如何在提高稻田間作生態效益的同時兼顧經濟效益和社會效益，進而使農民和社會廣泛接受，仍是影響其能否大面積推廣應用的一個重要限制因素。

3.3 稻田間作推廣難度高

我國作為一個人口大國，水稻產量始終是水稻研究和農業生產的重中之重，人們一直在探尋更高產的品種，以滿足社會的需求。 然而，相對單作模式，水稻間作生產模式一定程度上減小了水稻面積，影響水稻產量。 同時，水稻間作生產中，由于其它作物的育苗、移栽、田間管理及收獲等均比單一種植水稻費時費力，且對管理人員的專業技術要求更高，這些因素都加大了水稻間作模式的推廣應用難度。 此外，當前農業勞動力日益減少，人工成本日漸升高，這就使水稻間作較單作增加的收入，不一定能很好地彌補其生產成本及技術難度提升所帶來的附加成本，這更加大了水稻間作模式的推廣難度。 目前，機械化生產主要集中在水稻單作生產區域，間作生產由于“耕種管收”兩種作物會增加機械運行的難度和成本，而且當前可用于水稻間作的機械化生產技術尚未配套，因此，在水稻間作生產中亟需開展大量研究，實現稻田間作的機械化生產技術的突破與集成應用[31]。

4 研究展望

水稻間作生產符合農業綠色發展目標，展示出良好的生產應用前景，但仍存在一系列的理論與關鍵技術以及生產應用問題。 為此，提出以下幾點建議，以便更好地推進稻田間作技術模式的推廣應用與可持續發展。

4.1 關于水稻間作品種的多樣化優選與優化配置研究

總體而言，當前水稻與其它植物間作的優化模式及其適宜種類十分有限，需進一步擴展水稻間作模式種類的相關研究，其中不僅是間作植物的選擇和優化，水稻優良品種選擇也十分重要。近年來，大量研究證明不同水稻品種間作可以減少病蟲害的發生率，從而提高水稻產量[32，33]。 不同水稻品種與同種間作植物的間作效益不同，同種水稻品種與不同種類間作植物的間作效益也各異[34，35]。 相關研究表明，水稻品種有7 000 多種，這對水稻生態型品種改良具有重要意義[36]。 因此，在與水稻間作品種的多樣化優選與優化配置研究中，若要提高水稻產量和相應的田間綜合效應，這不僅需要加大除水稻以外的間作植物種類的篩選、優化和開發利用，還需要同步進行不同水稻品種的優選和優化配置研究。

4.2 關于水稻間作生產技術規程及標準化研究

水稻間作模式缺少一系列的技術參數，如水稻與間作植物品種的優化匹配標準、間作規格、栽培技術標準、田間管理標準、收獲技術標準、農產品質量標準等，均需要開展大量研究才能制定出相關的標準化技術規程，從而為稻田間作生產應用提供詳細的指導方案。

其它的水稻生產模式，如稻田種養模式和水稻單作機械化生產體系，相對而言較為成熟，若將水稻間作模式與這些成熟的生產模式相結合，可以兼顧水稻間作模式與其它生產模式的優勢，提高水稻產量和品質，擴大生產收益，從而讓農民更樂于接受水稻間作模式[37]。 同時，加強水稻間作模式在不同土地、不同氣候等條件下的標準化技術規程及其與不同生產模式結合的研究，進而集成為高效、多樣、生態的水稻綠色生產技術標準體系，才能使水稻生產更標準、更高效、更綠色[38]。

4.3 關于水稻間作與農藝農機技術綜合集成應用研究

水稻生產機械化是水稻生產的根本出路，我國的水稻機械化生產正走向全程機械化。 水稻生產全程機械化主要以整地、種植、田間管理、收獲、烘干、秸稈處理為重點作業環節，配置相應的機具進行生產，達到提高生產效率、節約生產成本、緩解用工難問題、減少農業面源污染等目的[39，40]。水稻間作模式的發展應與水稻生產全程機械化相結合，以較少的人力資源使用，使水稻間作生產更高效[41]。

水稻間作的機械化生產發展需要以標準化生產技術規程為基礎，根據種植要求、田間管理、收獲方式等條件，制定相關的農藝與農機相結合的技術方案，以此研發配套的農機技術來達到同時節省人工成本和規范稻田間作生產的目的[42，43]。

4.4 關于水稻間作修復土壤污染的關鍵技術與應用研究

已有研究表明，水稻間作模式具有減少土壤重金屬污染的作用，水稻根系對重金屬的吸收是重金屬進入籽粒的首要環節，而超積累植物對重金屬的競爭能力比水稻強，使水稻根系對重金屬的吸收減少，降低了水稻植株中的重金屬含量[44，45]。 因此，水稻與超積累植物間作修復重金屬污染土壤，可以作為稻田間作關鍵技術的一個重要研究方向[46]。 同時，有研究表明在施用生物炭等鈍化材料的條件下，土壤pH 升高，有效降低了土壤和水稻中的有效鎘含量，因此在水稻間作模式中施用生物炭可能會進一步提高稻田間作修復重金屬污染土壤的效率[47，48]。 重金屬超富集植物的后期處理是水稻間作模式中的技術難題，也需要開展研究來解決，進而集成修復重金屬污染土壤的水稻間作模式體系與整體方案[49]。 目前，有關水稻間作模式對土壤有機污染的修復研究還很少，今后需要進一步加強該方面的研究。

4.5 關于水稻間作對稻田溫室氣體排放與碳匯功能影響研究

在當今全球變暖的背景下，我國提出要在2030 年和2060 年分別實現碳達峰和碳中和目標。 全球變暖的原因主要是溫室氣體增加產生的溫室效應，最終使地球氣溫上升。 溫室氣體中CH4和N2O 對地球生態系統的能量流動與全球變暖有著重要影響，農業生產活動是CH4和N2O 產生的重要來源之一，分別占全球人為排放總量的45%～50%和20%～70%[50]。 有關研究表明，旱地作物間作(如玉米/大豆間作等)可以明顯降低溫室氣體的排放[51，52]，但稻田水稻間作能否減排溫室氣體卻少有研究，因此，有關稻田間作的碳源/匯功能及溫室氣體減排技術等方面有待開展進一步深入研究。