稻虾共作对水稻氮素累积及稻米品质的影响

李文博，刘少君，叶新新，郜红建①，刘 荣，李登云，姚国亮

(1.农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室/ 长江经济带磷资源高效利用与水环境保护研究中心/ 安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036；2.安徽六国化工股份有限公司，安徽 铜陵 244021)

稻田综合种养指利用稻田的浅水环境养殖鱼、虾、蟹或鸭等水产或水禽的生态农业模式。稻田综合种养充分利用了稻田生态系统的养分和水土资源，发挥水稻和水产动物之间的生态互惠作用[1]，实现了水稻种植和水产养殖双赢的经济、社会和生态效益[2]。稻虾共作是稻田综合种养的主要模式之一，2018年全国龙虾养殖总面积达112万hm2，其中稻虾综合种养模式面积占75.1%，约为84万hm2 [3]，且面积还在不断扩大中。

氮素是植物必需营养元素，在植物的生命活动中发挥重要作用。氮肥的施用可增加水稻产量，但是氮素利用率低，移动性强，容易从稻田中损失，引发一系列环境问题[4]。在稻田中引入鱼、虾等水生生物会影响稻田氮素循环利用和水稻品质[5-6]。OEHME等[7]研究表明，在稻鱼综合种养体系中，未被鱼利用的饲料起到有机肥的作用，促进水稻对饲料氮的吸收。HU等[8]研究指出，鱼排泄物中氮素也可直接被水稻吸收，有利于氮素的循环利用。前期研究[9-10]表明，水稻-水产综合种养体系可改善水稻品质。然而，在稻虾综合种养中重水产轻水稻，养分管理粗放，养分投入与需求不匹配等影响了水稻和龙虾的生长，引发了环境问题。当前稻虾综合种养研究多关注其龙虾产量和经济效益[11]，而有关水稻氮素吸收利用和稻米品质的影响研究较少。

该试验比较了水稻单作、稻虾共作投食和稻虾共作不投食3种处理条件下水稻对氮素的吸收利用状况，分析了不同种植模式下稻米的产量和品质特征，计算了氮素的利用和平衡状况，为稻虾综合种养体系氮素运筹提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验在安徽省铜陵市普济圩农场(北纬31°55′，东经117°43′)进行，该区域属于长江下游近代冲积平原。该地属亚热带季风气候区，年平均气温为16.1 ℃，年均日照时间为1 900 h，年均降水量为1 200～1 400 mm。土壤类型为河湖相沉积物发育而成的水稻土，试验前耕层土壤基本理化性状：pH为6.5，w(有机质)为40.2 g·kg-1，w(全氮)为2.67 g·kg-1，w(速效磷)为9.24 mg·kg-1，w(速效钾)为113.1 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设置3个处理：(1)水稻单作处理(R)；(2)稻虾共作投食处理(RCF)；(3)稻虾共作不投食处理(RC)。试验采用完全随机区组设计，每个处理设置3个重复，每个小区包含虾沟在内面积为1 333 m2。各处理间做宽0.5 m、高0.4 m的田埂，每块田均有独立的进水口和出水口，在田块四周开挖L型虾沟，虾沟宽4 m，深1.5 m。在虾沟岸边设置隔离塑料板，塑料板埋入地下0.5 m，露出地面0.3 m，并用铁丝连结固定，防止小龙虾逃逸。供试水稻品种为新优188，供试虾品种为克氏原螯虾。

1.3 田间管理

试验于2019年6月5日播种，7月6日移栽，依照宽行窄株原则，秧苗行株距为30 cm×20 cm，10月30日收割。所有处理肥料的施用完全一致，整个生育过程施用N、P2O5和K2O的量分别为225、90和112.5 kg·hm-2。磷肥和钾肥全部作为基肥施入，70%氮肥作为基肥，30%氮肥作为追肥(7月23日施用)。克氏原螯虾于8月14日投放，投放虾苗的规格平均为20 g·只-1，投放密度为222 kg·hm-2。按照小龙虾质量的2%～7%投喂配合饲料，其主要原料为鱼粉、豆粕、花生粕、菜粕、豆油和磷酸二氢钙等。根据天气状况和小龙虾摄食情况调整投喂频率和投喂量并做记录，所有小龙虾于水稻收割后捕捞。

1.4 样品的采集和测定方法

1.4.1水稻植株样品测定

于7月21日(分蘖期)、8月13日(拔节孕穗期)、9月12日(抽穗期)和10月23日(成熟期)，分别从每个小区随机取5穴代表性水稻植株，采样点避开田边，植株各部位分别于105 ℃条件下杀青30 min，60 ℃条件下恒温烘干至恒重，称量，研磨备测。用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法测定植株各部位全氮含量。

1.4.2克氏原螯虾及配合饲料测定

于小龙虾投放时和收获时每小区分别随机取5只幼虾和成虾样品，投食前取饲料样品，克氏原螯虾全氮含量测定参照GB/T 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法，饲料中全氮含量测定参照GB/T 6432—2018《饲料中粗蛋白的测定 凯氏定氮法》。

1.4.3沉降样品测定

为测定沉降输入的养分量，在整个生育期利用雨量器连续不间断地收集雨水样品，每次降雨结束后记录降雨量，收集雨水混合样，冷冻保存备测。雨水全氮含量测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。

1.4.4水稻和克氏原螯虾产量测定

在水稻成熟期，于每个小区调查30穴水稻的有效穗数，计算平均有效穗数，按照平均有效穗数选取5穴水稻调查每穗总粒数，计算结实率和千粒重，测定理论产量。在成熟期从各小区收割3块1 m2样方的水稻，脱粒去杂、测定水分并称重，折算为实际产量。克氏原螯虾于水稻收割后全部捕捞称重后记录产量。

1.4.5稻米品质测定

水稻收获脱粒，晒干后于室内贮藏3个月，参照GB/T 17891—1999《优质稻谷》测定稻米的加工品质、外观品质、蒸煮品质和营养品质等主要指标。采用瑞典Perten公司生产的近红外成分快速分析仪(DA 7200)测定精米的蛋白质含量和直链淀粉含量。采用瑞典Perten公司生产的4500型RVA仪(Rapid Viscosity-Analyzer)测定稻米淀粉谱黏滞特性，用TCW (Thermal Cycle for Windows)配套软件分析。

1.4.6氮素利用率计算

依据近年来国际上提出的系统界面氮素利用率(NUE，氮素产品输出与氮素输入的比值)公式[12]表征系统氮素利用情况。在水稻-小龙虾种养体系界面的氮素输出包括稻谷、稻草和成虾等输出的氮素，氮素输入包括肥料、饲料、幼虾和沉降等带入的氮素。

1.5 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据的录入、计算和整理，采用Origin 9.0绘图，采用SPSS 20.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 稻虾共作对水稻氮素吸收累积的影响

2.1.1水稻植株内氮素含量

由表1可知，在整个生育期，水稻茎和叶片中氮素含量在拔节孕穗期达最高，其后逐渐降低，至成熟期达最低。在分蘖期、拔节孕穗期和抽穗期，不同处理间水稻各部位氮素含量均无显著差异。在成熟期，与处理R相比，处理RCF中叶的氮素含量提高22.7%，两者差异显著(P<0.05)，茎和穗氮素含量无显著差异；处理RC中茎、叶和穗氮素含量均得到显著提高(P<0.05)，分别增加65.1%、23.9%和14.9%。

表1 稻虾共作对不同生育期水稻植株氮含量的影响

2.1.2水稻植株内氮素累积量

水稻氮素累积量随水稻生育期的推移而逐渐增加，在成熟期达最高值，其中在分蘖期至拔节孕穗期和拔节孕穗期至抽穗期水稻氮素总累积量增加较多，抽穗期至成熟期水稻氮素总累积量增加相对缓慢。在分蘖期和拔节孕穗期，不同处理间水稻氮素累积量无显著差异。在抽穗期和成熟期，处理RCF和RC氮素累积量均高于处理R，且差异显著(P<0.05)。

水稻氮素净累积量以抽穗期为最多，拔节孕穗期次之。在分蘖期和拔节孕穗期，不同处理间氮素净累积量无显著差异。在抽穗期，以处理R氮素净累积量为最低，分别比处理RCF和RC低47.2%和36.2%，且差异显著(P<0.05)，但稻虾共作投食与不投食之间无显著差异。在成熟期，不同处理间水稻氮素净累积量差异不显著(图1)。

2.2 稻虾共作对水稻产量和品质的影响

2.2.1水稻产量及其构成因素

处理RCF和RC水稻产量在9 610.06～10 604.82 kg·hm-2范围内，水稻单作处理产量为9 432.27～9 681.93 kg·hm-2，各处理间水稻产量和构成要素差异未达显著水平(表2)。

表2 稻虾共作对水稻产量构成的影响

2.2.2稻米品质和RVA谱特性

表3显示，与处理R相比，处理RC稻米精米率提高3.0%，垩白粒率降低25.1%，而处理RCF稻米的各项加工和外观品质指标与处理R相比均无显著差异。表4显示，与处理R相比，处理RC稻米直链淀粉含量和胶稠度分别降低7.5%和6.6%，而蛋白质含量增加8.4%。处理RC稻米直链淀粉含量和胶稠度也显著低于处理RCF，蛋白质含量显著高于处理RCF(P<0.05)。但处理R与RCF水稻蒸煮和营养品质指标之间差异均未达显著水平。表5显示，不同处理间稻米的峰值黏度、热浆黏度、崩解值、糊化温度和最终黏度差异均未达显著水平。但处理RCF稻米的消减值显著低于处理R(P<0.05)。

2.3 稻虾共作体系中氮素输入输出及其平衡状况

由图2可知，各处理沉降输入氮素为12.39 kg·hm-2，稻虾共作处理由幼虾输入的氮素为4.5 kg·hm-2，处理RCF饲料投入量为477.1 kg·hm-2，其氮含量为40.68 g·kg-1，由饲料输入的氮素为19.41 kg·hm-2。处理RCF和RC小龙虾产量分别为311.04和274.59 kg·hm-2，2个处理由成虾输出的氮素分别为6.34和5.71 kg·hm-2。氮素输出呈现处理RC>RCF>R的趋势，处理R由稻谷和稻草输出的氮素均显著低于稻虾共作模式(P<0.05)，处理RCF和RC稻谷氮素输出分别占总输出量的51.72%和47.69%(图2)。处理R、RCF和RC系统界面氮素利用率分别为0.85、0.98和1.11。

表3 稻虾共作对水稻加工和外观品质的影响

表4 稻虾共作对水稻蒸煮和营养品质的影响

表5 稻虾共作对稻米淀粉RVA谱特征值的影响

3 讨论

3.1 稻虾共作体系中水稻氮素吸收累积

氮素是植物必需营养元素，在植物的生命活动中发挥着重要作用[13]。笔者试验中，在分蘖期和拔节孕穗期取样时尚未投放龙虾，不同处理间水稻植株氮素含量没有明显差异；而在抽穗期和成熟期，稻虾共作处理水稻各部位氮素含量较水稻单作处理有一定程度的增加。这表明稻虾共作能够促进水稻对氮素的吸收，这与前人研究结果[14]一致。可能的原因是一方面，投喂饲料中氮素未被龙虾完全利用，而被水稻吸收。XIE等[1]研究表明，在稻鱼系统中，鱼饲料中有32%的氮被水稻吸收；MIRHAJ等[15]研究证明，稻田种养中水稻和动物之间的氮素互利互补，稻田中残留的饲料能够促进水稻生长。另一方面，龙虾在田间的活动影响水稻养分吸收。动物在田间的活动会影响土壤通气、氧化还原状态等理化性状，加快土壤有效养分的释放[16]。有研究表明，稻虾共作模式中龙虾在田间的蜕壳和排泄物等也能够增加土壤氮含量[17]，改善土壤养分状况，促进水稻吸收。

笔者研究结果表明，在分蘖期和拔节孕穗期不同处理间水稻氮素累积量基本保持一致，但在抽穗期和成熟期，稻虾共作处理水稻氮素累积量显著高于水稻单作处理，在拔节孕穗期至抽穗期，水稻氮素净累积量也表现为稻虾共作处理显著高于水稻单作。这可能是因为拔节期至齐穗期是水稻需氮最旺盛的阶段，龙虾投放和饲料的投喂间接增加了稻田生态系统氮素的投入，促进水稻对氮素的吸收。在齐穗期至成熟期，水稻植株从土壤中吸收的氮素比例较低，更多的是体内积累氮素的重新利用和分配，因此在该生育期不同处理间水稻氮素净累积量没有明显差异。

觅食是稻田中动物活动的主要目的，动物的取食活动有效利用了稻田闲置资源，使更多的养分被水稻吸收。张剑等[18]研究表明，与单独养鱼相比，稻鱼共作系统中鱼的活动时间和活动频率都得到明显改善。于赫男[19]的研究表明，在饥饿胁迫下，虾的活动频率和范围显著扩大。笔者研究中，稻虾共作不投食处理水稻氮素含量和累积量与稻虾共作投食处理没有显著差异。可能的原因是在不投食处理条件下，龙虾在饥饿胁迫下更频繁地进入稻田觅食，通过扰动土壤等使养分释放，同时虾的排泄物也含有一定数量的氮素，可被水稻吸收利用，从而提高了水稻氮素累积量。

3.2 稻虾共作对水稻产量和品质的影响

氮素在作物产量和品质形成中起着关键作用[20]。笔者研究中，不同处理间水稻产量和构成要素没有表现出显著差异。已有研究表明，稻虾[6]、稻鸭[9]和稻蟹[21]等稻田综合种养模式均可显著改善稻米的加工和外观品质。笔者研究表明，稻虾共作不投食模式较水稻单作能够增加稻米精米率，降低垩白粒率，改善水稻的加工和外观品质。可能的原因是稻虾共作不投食处理水稻氮素吸收累积量最高，而有研究表明，随着氮素投入增加，水稻精米率增加，垩白粒率降低[22]。蛋白质是稻米中仅次于淀粉的第2大类营养物质，是人类食物中重要的蛋白质来源，其含量高低决定了稻米的营养品质[23]。稻米中蛋白质含量随着施氮量的增加而提高[24]。笔者研究中，稻虾共作不投食处理水稻氮素吸收量最高，增加了稻米的蛋白质含量，提高了水稻的营养品质。前人研究[25]指出，随着施氮量的增加，水稻直链淀粉含量降低，胶稠度缩短，笔者研究中稻虾共作不投食处理直链淀粉含量和胶稠度均小于水稻单作处理的结果与之一致。然而，蛋白质含量的增加、直链淀粉含量和胶稠度的降低都会使水稻的蒸煮品质变差[26]。稻米淀粉RVA谱特征值与稻米食味品质之间存在极为密切的关系[27]。优质食味稻米淀粉RVA谱参数值通常表现为峰值黏度和崩解值高而最终黏度和消减值小的基本特性[28]。笔者研究中，稻虾共作投食处理稻米消减值显著低于水稻单作处理，这表明稻虾共作可在一定程度上改善稻米的食味品质。

3.3 稻虾共作体系中氮素的输入输出平衡

科学的氮素管理是获得高产优质农产品、降低氮素环境污染和实现可持续集约化生产的重要方面，氮素的平衡是其中的一个重要指标[29]。笔者研究中，稻虾共作投食处理与不投食处理稻谷和稻草的氮素输出均显著高于水稻单作处理，总的氮素输出表现为稻虾共作处理高于水稻单作。从系统界面氮素利用率来看，水稻单作、稻虾共作投食和稻虾共作不投食处理氮素利用率依次增加，分别为0.85、0.98和1.11。然而，国际上推荐的系统界面氮素利用率参考值为0.5～0.9，大于0.9表示土壤氮素的消耗[30]。对于稻虾共作处理，龙虾在田间的扰动增加了土壤氮素释放，促进水稻氮素的吸收利用，从而可能会导致土壤氮素的消耗，建议进行适当的氮素补充，稻虾共作后秸秆还田和养虾季饲料等养分的投入也可改善这一状况。

4 结论

稻虾综合种养可促进水稻对氮素的吸收利用，提高系统界面氮素利用率，但存在消耗土壤氮素的风险。稻虾综合种养能够提高水稻的加工和外观品质，增加水稻的营养品质，对水稻的食味品质有改善作用。稻虾共作适当投食可实现环境和经济效益的统一，是可持续的高效共作模式。