稻鱼共作对水稻叶绿素荧光特征及产量的影响

王 奇 李妹娟 章家恩 汤嘉欣曾文静 周 磊 杨清心 江明敏 伍嘉源 罗明珠

（1华南农业大学农学院，510642，广东广州；2广东省农业科学院水稻研究所，510640，广东广州；3华南农业大学资源环境学院，510642，广东广州；4广东省生态循环农业重点实验室，510642，广东广州；5广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心，510642，广东广州；6农业农村部华南热带农业环境重点实验室，510642，广东广州）

稻鱼共作又称稻田养鱼，在亚洲地区尤其是中国具有悠久的历史，是全球重要农业文化遗产[1]。稻鱼共作系统是以种植水稻与养鱼相结合的一种优化资源配置的农业生态系统，可以通过鱼的搅动与取食等活动减少无效分蘖、减轻水稻病虫草害和改善土壤肥力等，能促进水稻生长，提高水稻产量[2-4]。与水稻常规单作相比，在不同情况下（如不同的水产生物类型），水产生物对水稻产量产生积极的影响，稻鱼共作系统可以保持产量的稳定[5]。而光合作用是作物进行有机物积累的重要光化学反应，是决定作物产量的关键因素。

叶绿素荧光动力学技术被称为测定叶片光合功能快速、无损伤的探针，叶绿素荧光参数能充分反映叶片对光能吸收、传递、分配、消耗的效率，通过对叶绿素荧光的研究，可以间接探究植物光合作用的变化[6]。Xu等[7]研究表明，水分胁迫使得水稻最大光化学量子产量（Fv/Fm）和有效光化学量子产量（YⅡ）下降，而非光化学猝灭系数NPQ显著升高，使更多的光能通过非光化学途径被吸收和耗散，进行自我保护，同时有效穗数、结实率和千粒重下降，严重影响水稻产量。Jumrani等[8]研究表明，随着生长温度的升高，大豆的叶绿素荧光参数如Fv/Fm、光化学猝灭系数（qP）和YⅡ呈下降趋势，而非光化学猝灭系数qN增加，产量随之下降。目前，各种环境因子对不同作物叶绿素荧光的影响已有较多研究[7-11]，但稻鱼共作系统对水稻叶绿素荧光特性的影响鲜有报道。

为此，本研究以稻鱼共作系统为对象，探究稻鱼共作及不同田鱼放养密度对水稻叶绿素含量（SPAD值）、叶绿素荧光参数及产量的影响，并进一步探求稻鱼共作适宜的田鱼放养密度，旨在为绿色高产优质水稻生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2019年7-11月在华南农业大学增城教学科研基地（23°14′ N，113°38′ E）进行。该地处于低山丘陵区，属于亚热带季风气候，光照充足、气候温和、雨量充沛，2019年平均气温23.0℃，年降雨量2739.7mm，日照时数1762.3h（2019年广州市气候公报）。试验田为赤红壤发育而成的水稻土，土壤肥力较好，排灌方便。

供试水稻品种为常规香稻品种美香占2号，平均生育期112～113d，由广东省农业科学院水稻研究所提供；供试鱼苗品种为禾花鲤鱼（稻花鲤），从广东省韶关市专业水产种苗培育场购买，鱼苗约 5～10g/尾。

1.2 试验设计与栽培管理

于2019年7月30日至8月7日进行小区基础设施工程建设。试验采用软盘育秧、人工插秧，于2019年7月24日播种育秧，8月11日插秧，11月18日收割水稻，11月24日收获田鱼。采用完全随机区组设计，为田间小区试验，设置9000（M1）、15 000（M2）和21 000尾/hm2（M3）3个稻田鱼放养密度，以水稻单作为对照（CK），共4个处理，3次重复，共 12个小区。每个小区面积约 100m2（10m×10m），田埂预先加高加固，高、宽均约50cm，在进、出水口设置栅栏，防止逃鱼和杂鱼进入。在稻鱼共作处理小区田埂边一侧挖一条长10m、宽1m、深约1.2m的鱼沟，鱼沟面积约占小区总面积的10%。

插秧前，小区均一次性施入基肥（有机肥养分含量为有机质 285.8g/kg，全氮 7.32g/kg，全磷4.84g/kg，全钾6.49g/kg）8000kg/hm2。每穴栽插育秧盘中每格的一穴苗，各小区水稻种植密度一致，株行距20cm×20cm。插秧15d后投放鱼苗，投放前先试水，确保鱼苗正常生长后，再将鱼苗投入稻鱼共作小区中，在鱼放养期间，平均每星期向鱼沟投喂2次米糠，每次投喂量大约为鱼体重的5%，水稻收割前 15d停止投喂，试验期间共投喂 88.5kg米糠。

按照水稻常规栽培进行田间管理。秧苗移栽后以淹水灌溉为主，除晒田外，稻田长期保持水深10～15cm。水稻分蘖数达到目标穗数时，把鱼赶入鱼沟中，再放水晒田，以控制无效分蘖。在灌浆结实期，采用间歇灌溉、干湿交替；收割前7d将鱼赶入鱼沟中，同时断水搁田。在稻鱼共作期间，经常清理进水口和排水口拦鱼设备上的杂物，加固拦鱼保护设施，保持鱼沟畅通，并及时清除或驱除其田间常见天敌。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水稻叶片SPAD值 分别于分蘖期、抽穗期和成熟期采用 SPAD-502型叶绿素计（Konica Minolta，日本）测定叶片叶绿素相对含量（soiland plant analyzer development，SPAD），每个重复小区随机选取 5株水稻，每株水稻分别选取 3片叶子（剑叶）测定后取均值，作为该株水稻的SPAD值，再计算各小区5株水稻的SPAD平均值。

1.3.2 叶绿素荧光参数 分别于分蘖期、抽穗期和成熟期采用Mini-PAMⅡ便携式荧光仪（HeinzWalz，德国）在晚上全黑暗条件下，测定水稻主茎剑叶的叶绿素荧光参数，主要包括光合系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学活性（Fv/Fo）、PSⅡ有效光化学量子产量（YⅡ）、非光化学猝灭参数qN和NPQ。

1.3.3 水稻产量及其构成要素和田鱼产量及其存活率 依据Li等[12]的方法测量水稻产量。于水稻成熟收割前，每个处理小区随机取3个1m2（1m×1m）样方收割测产，按实际收获面积换算成实际产量（稻鱼小区去除10%的收获面积）。同时每个小区随机取 3蔸水稻，待自然风干的稻谷水分降至14%后进行脱粒，将空秕粒和实粒分离，统计空秕粒数、实粒数、有效穗数、穗粒数和千粒重，并计算结实率（%）=实粒数/总粒数×100。水稻收获后，稻鱼共作小区分别收获稻田中的鱼，计数并称重，计算田鱼存活率并按稻田面积换算田鱼产量。

1.4 数据分析与处理

采用Excel 2010进行数据整理；采用SPSS 22.0进行单因素方差分析和相关性分析；当方差符合齐性检验时，采用单因素方差分析（One way ANOVA）中的 Duncan’s多重比较分析不同处理之间的差异显著性（P＜0.05）；当方差不齐时，采用 Games-Howell；相关性分析采用Pearson法；运用Origin 2017进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同稻鱼共作处理的水稻叶片SPAD值

由图1可知，在分蘖期，与CK相比，M1、M2和 M3处理的水稻叶片 SPAD值均未达到显著水平。在抽穗期，M1、M2和 M3处理的水稻叶片SPAD值均显著高于 CK，分别提高了 14.24%、14.72%和17.47%。在成熟期，处理M2的水稻叶片SPAD值显著高于CK，提高了21.78%。M1、M2和M3处理间SPAD值在各生育期均无显著差异。

图1 不同稻鱼共作处理下水稻叶片SPAD值Fig.1 Rice leaves SPAD value under different rice-fish co-culture treatments

2.2 不同稻鱼共作处理的水稻叶绿素荧光参数

2.2.1 分蘖期水稻剑叶叶绿素荧光参数的变化 由表1可知，在水稻分蘖期，各稻鱼共作处理Fv/Fo和Fv/Fm均显著高于CK，Fv/Fo分别提高8.46%、7.31%、7.50%，Fv/Fm分别提高 1.19%、1.07%、1.07%，其他指标均未达显著差异。M1、M2和M3处理之间的水稻剑叶各项叶绿素荧光参数变化均不显著。

表1 不同稻鱼共作处理下分蘖期水稻剑叶的叶绿素荧光参数Table 1 Chlorophyll fluorescence parameters of sword-leaves at tillering stage of rice under different rice-fish co-culture treatments

2.2.2 抽穗期水稻剑叶叶绿素荧光参数的变化 由表2可知，在水稻抽穗期，M2处理的Fv/Fo显著高于CK，提高5.78%。M2和M3处理的Fv/Fm均显著高于CK，分别提高0.95%和0.84%。与CK相比，M1、M2和M3处理的YⅡ、qN和NPQ均未达显著差异。M1、M2和M3处理间剑叶各项叶绿素荧光参数变化均不显著。

表2 不同稻鱼共作处理下抽穗期水稻剑叶的叶绿素荧光参数Table 2 Chlorophyll fluorescence parameters of sword-leaves at heading stage of rice under different rice-fish co-culture treatments

2.2.3 成熟期水稻剑叶叶绿素荧光参数的变化 由表3可知，在水稻成熟期，与CK相比，M1、M2和M3处理的Fv/Fo和Fv/Fm均显著提高，Fv/Fo分别提高了13.79%、16.30%、20.38%，Fv/Fm分别提高了2.89%、3.55%、4.20%。M1和M2处理的qN和NPQ显著低于CK，qN分别降低9.26%、7.41%，NPQ分别降低16.67%、13.10%，而M3处理的qN和NPQ与CK均无显著差异；各处理间的剑叶YⅡ无显著差异。M1处理的qN和NPQ显著低于M3处理，分别较M3降低5.77%和13.58%，而其他指标均无显著差异。

表3 不同稻鱼共作处理下成熟期水稻剑叶的叶绿素荧光参数Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters of sword-leaves at maturity stage of rice under different rice-fish co-culture treatments

2.3 不同稻鱼共作处理的水稻产量及其构成要素、田鱼产量及其存活率

由表4可知，M1、M2和M3处理的结实率均显著高于CK，分别提高了6.34%、7.65%和6.14%。同时，与CK相比，处理M1和M2的穗粒数显著提高，分别增加了17.78%和10.88%，M1的穗粒数显著高于 M3；各处理间的水稻有效穗数、千粒重和产量无显著差异。田鱼存活率表现为M1＞M2＞M3，田鱼产量表现为M2＞M3＞M1，但均未达到显著差异水平。

表4 不同稻鱼共作处理下水稻产量及其构成要素和田鱼产量及存活率Table 4 Rice yield and its components, field fish yield and its survival rate under different rice-fish co-culture treatments

2.4 SPAD值、叶绿素荧光参数与水稻产量及其构成要素的相关性分析

由表5可知，SPAD值与qN和NPQ呈负相关，与Fv/Fo、Fv/Fm、有效穗数、穗粒数、千粒重、结实率和产量均呈正相关，其中与有效穗数、结实率和产量呈显著正相关，相关系数分别为0.708、0.658和0.628。qN与NPQ呈极显著正相关，相关系数为0.983，与有效穗数、穗粒数、千粒重、结实率和产量呈负相关，其中与穗粒数呈显著负相关，相关系数为-0.686。NPQ与穗粒数、千粒重、结实率和产量呈负相关，其中与穗粒数呈显著负相关，相关系数为-0.649。Fv/Fo与Fv/Fm呈极显著正相关，相关系数为0.998。Fv/Fo和Fv/Fm与有效穗数、穗粒数、千粒重、结实率和产量均呈正相关，其中与有效穗数、结实率和产量呈显著正相关，Fv/Fo与三者相关系数分别为 0.702、0.630、0.605，Fv/Fm与三者相关系数分别为0.711、0.643、0.615。

表5 成熟期SPAD值、叶绿素荧光参数与水稻产量及其构成要素的相关性分析Table 5 Correlation analysis of SPAD value，chlorophyll fluorescence parameters and rice yield and its components at maturity

3 讨论

3.1 稻鱼共作对水稻叶片SPAD值的影响

叶绿素是绿色植物叶绿体内参与光合作用的物质基础，在光合作用的能量捕获、传递和转化中起着重要作用。相关研究[13-15]表明，稻田种养生态系统中水稻植株长势旺盛，能提高各生育期水稻叶片的SPAD值。本研究结果表明，在水稻分蘖期，M1、M2和M3处理的水稻剑叶SPAD值与CK相比无显著差异，但在水稻抽穗期，M1、M2和M3处理的SPAD值均显著高于CK，成熟期M2处理的SPAD值也显著高于CK，这可能是因为在分蘖期田鱼刚放养不久，其个体较小，对水稻叶片SPAD值的影响较小，随着水稻和田鱼的生长，到抽穗期时，鱼的取食、扰动、排泄等活动对稻田水土环境的影响逐渐突出，不仅促进稻田土壤养分的有效化，而且田鱼的排泄物转化形成的养分可促进水稻生长[16]，使稻鱼共作处理的水稻叶片SPAD值均显著高于 CK。此外，适宜的田鱼放养密度更利于水稻生长以及稻鱼共作系统总体效益的提升，田鱼的放养密度过小，对水稻生长也影响较小，放养密度过大，鱼的排泄物、饲料残余物等营养物质的富集会造成水稻徒长，导致群体过大，影响水稻植株叶绿素的合成，同时也会造成水体富营养化，影响鱼的生长。本试验成熟期M2处理的SPAD值高于M1和M3处理，说明M2处理在生长后期还能维持较高的叶绿素含量，该田鱼放养密度处理更有利于水稻的生长。同时叶片叶绿素含量升高，光合效率也提高，产量也随之增加，叶绿素含量与作物产量之间呈显著正相关[17]。本研究相关性分析表明，水稻叶片 SPAD值与产量呈显著正相关，说明叶片SPAD值越高，叶片的光合能力就越强，且灌浆持续时间越长，积累的干物质越多，产量也就越高。

3.2 稻鱼共作对水稻剑叶叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光技术可以用来快速、灵敏和非破坏性地分析环境因子对光合作用的影响[6]。本研究结果表明，在水稻分蘖期，M1、M2和M3处理的剑叶Fv/Fo和Fv/Fm均显著高于CK，qN和NPQ无显著差异；在抽穗期，M2和M3处理的Fv/Fm均显著高于 CK，M1、M2和 M3处理的Fv/Fo也均高于CK，其中M2处理的Fv/Fo较CK达显著水平；在成熟期，M1、M2和M3处理的Fv/Fo和Fv/Fm均显著高于CK，M1、M2处理的qN和NPQ均显著低于CK；水稻单作和稻鱼共作的YⅡ在3个时期中均无显著差异，但有增加的趋势。侯红乾等[18]研究表明，施氮肥可显著提高水稻SPAD值、Fv/Fm和YⅡ，同时配施超过50%有机肥时，热耗散增大，使得用于光合作用的光能份额减少，光合能力也随之下降。杨艳君等[19]和Lin等[20]研究表明，随着施氮量的增加，Fv/Fm和YⅡ也随之增加，但qN和NPQ随着施氮量的增加先减小后增大，合理施肥可改善光合作用，从而增加作物干物质积累量，提高产量。本研究中，Fv/Fo、Fv/Fm、YⅡ、qN和NPQ的变化趋势与他人[18-21]在不同施氮处理中的研究结果趋势相似，整体上M2处理优于其他田鱼放养密度处理。这可能是因为稻鱼共作中鱼的取食、搅动等活动加速了养分的转化分解，提高了土壤养分的有效性，同时饲料的喂食残余和鱼的排泄物增加了稻田的土壤肥力[22-23]，提高了土壤氮素含量，从而促进水稻的生长，提高水稻剑叶Fv/Fm和Fv/Fo，降低剑叶的qN和NPQ。同时田鱼放养密度过小对稻鱼系统和土壤养分转化影响较小，而田鱼密度过大会引起土壤养分富集，使水稻徒长和植株群体增大，进而影响叶片叶绿素合成，减少光化学反应的光能，增多非光化学反应的光能，从而降低光合作用功效。由此可见，适宜的稻鱼共作密度有利于改善和提高植株的光合特性，促进水稻生长。

3.3 稻鱼共作对水稻产量性状和田鱼生长的影响

在稻鱼共作系统中，与水稻常规单作相比，水稻的有效穗数、千粒重、穗粒数和生物量均较高，产量也有增加的趋势[3-4,24]，水稻与鱼表现出了较好的共生效应。Xie等[16]和Hu等[25]研究表明，与水稻单作相比，稻鱼共作的水稻产量无显著变化，但有保持不变或增加的趋势。Ren等[5]对稻鱼系统与水稻产量相关论文进行整合分析（meta-analysis），发现与水稻单作系统比较，在不同情况下（如不同水产生物类型）稻鱼系统对水稻产量产生显著的正效应。本研究表明，与CK相比，M1、M2和M3处理的结实率显著提高；M1和M2处理的穗粒数显著高于 CK，同时，M1处理的穗粒数显著高于M3；M2、M3处理的有效穗数和M1、M2、M3处理的千粒重也均高于CK，水稻产量也有增加趋势，但均未达显著水平，同时不同放养密度处理的水稻产量也无显著差异，但M3和M2处理的产量有增加趋势。这是由于稻鱼共作减轻了水稻的病虫草害，提高了稻田土壤养分，减少了无效分蘖，增加了水稻有效穗数，从而提高水稻产量[4]。同时，稻鱼共作系统中水稻生育后期叶片维持较高的SPAD值、Fv/Fm、Fv/Fo和YⅡ，从而延缓了叶片衰老[26]，维持水稻较长的光合功能期[27]，保证了叶片生育后期仍维持较高的光合效率，有助于籽粒灌浆，提高结实率和千粒重。而单位面积水稻有效穗数和实际产量无显著差异，这可能是由于稻田养鱼占用了一定的面积，使得水稻收获面积和总有效穗数减少，但稻鱼共作系统中鱼的存在减轻了水稻的病虫草害，增加了稻田土壤养分，提高了水稻产量，进而补偿因鱼沟而减少的水稻收获面积的产量，使得水稻的产量并未减少，且有增加趋势[25]。高的鱼放养密度处理因鱼的排泄物和饲料残余物较多，中耕肥水效果会更好，对增加土壤养分和水稻产量更为有利，但本研究中M3和M2处理的水稻产量差异较小，说明田鱼放养密度并非越高越好，当达到一定范围后，其对水稻产量增加幅度下降。本研究中田鱼存活率表现为 M1＞M2＞M3，田鱼产量表现为M2＞M3＞M1。综上可见，M2处理密度为本试验条件下适宜的田鱼放养密度。

叶片SPAD值、叶绿素荧光参数与产量指标具有明显的相关关系[27-29]。魏海燕等[27]和郭相平等[28]研究表明，水稻叶片 SPAD值和叶绿素荧光参数（Fv/Fm、Fv/Fo、YⅡ）与结实率和千粒重、每穴产量呈显著或极显著正相关关系。吴晓丽等[29]研究表明，冬小麦粒重与叶片SPAD值和Fv/Fm呈正相关。本研究结果也表明，SPAD值、Fv/Fo、Fv/Fm与有效穗数、穗粒数、千粒重、结实率和产量均呈正相关，而qN和NPQ与水稻的千粒重、结实率和产量呈负相关，与穗粒数呈显著负相关。可见，水稻产量与SPAD、Fv/Fo、Fv/Fm、qN和NPQ的关系密切。稻鱼共作提高了水稻叶片叶绿素含量和光能转化效率，降低了非光化学猝灭系数，减少光能的热耗散，进而增强水稻的光合效能，有利于水稻产量的稳定与提高。

4 结论

稻鱼共作系统适宜的田鱼投放密度可以提高水稻SPAD值、Fv/Fm和Fv/Fo，明显提高穗粒数和结实率，有利于稳定并提高水稻产量。同时，适宜的田鱼放养密度对水稻生长和生产有明显的促进效果。稻鱼共作适宜的田鱼放养密度为15 000尾/hm2。