稻蝦生態種養和機插密度對優良食味粳稻產量與品質的影響

董明輝，顧俊榮，李錦斌，王冬明，宋云生，陳培峰

（1江蘇太湖地區農業科學研究所，江蘇蘇州 215106；2揚州大學，江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點，江蘇揚州 225009；3上海海豐大豐種業有限公司，江蘇鹽城 224000；4常熟市古里鎮農技推廣服務中心，江蘇蘇州 215515）

0 引言

稻田生態種養能夠將水稻種植與水產、禽類結合起來，利用稻田的立體結構和微生態環境，實現稻漁（牧）互利共生和稻田穩產高效，不僅滿足人們對優質健康綠色農產品的需求，而且有效減少農藥化肥的投入，減輕農業面源污染，改善農田生態環境[1]。由于稻田生態種養穩糧增效、促進農民增收，21世紀以來得到較好的轉型發展[2]。其中稻蝦生態種養是目前國內應用面積最大、總產量最高的稻漁綜合種養模式[3]。因此開展不同生態區域生態種養稻作技術的研究與機理解析，具有重要的理論意義和實踐價值。盡管近年來開展了稻田綜合種養技術與模式的研究，但研究大多側重于生態效應方面的研究[4-5]，不同稻漁、稻牧種養模式間水稻生長的生態效應差異大。盡管稻蝦生態種養規模最大并發展勢頭仍然較為強勁，但圍繞稻蝦種養模式水稻生理生長特性的研究并不多，研究結論也不完全一致。

關于稻蝦生態種養對水稻產量性狀的影響，有研究表明長期稻蝦共作提高了稻谷、稻草及地上部氮素、磷素和鉀素養分累積量及其農學利用率，水稻每穗總粒數與稻谷產量增加[6]；有研究認為長期稻蝦共作模式下產量增加主要是通過有效穗數增加來實現的，氮肥偏生產力、氮肥農學效率以及氮肥表觀利用率分別不同程度提高[7]；但也有不同的研究結論，稻蝦和稻漁種養模式下水稻穗數少于對照，而每穗粒數、結實率和千粒重與對照差異較小[8]。稻漁種養模式對水稻生長與生產性狀的影響也存在不同的研究結論，有研究結果表明稻漁共作降低了莖蘗成穗率、穗粒數和結實率，但粒重增加，其明顯的差異特征在于稻漁共作下稻田水層的加深對水稻生長而言有利有弊，稻漁共作下水稻生育期延長，籽粒灌漿歷期增加，冠層功能葉不早衰，粒重增加，但長期淹水莖蘗成穗率過低，有效穗數不足，根系活力降低影響穗粒數形成和安全結實[9]，但也有稻漁共作顯著增加穗數和籽粒產量截然不同的結論[10-11]。生態種養對水稻生長的影響受種養模式、水稻品種類型、播期遲早、生態氣候等綜合因素的影響[12]。已有研究表明稻蝦共作有利于提高整精米率、降低堊白度和堊白粒率，崩解值增加，消減值降低，稻米的食味性狀得到改善[13-14]，但研究報道并不多，更鮮見關于稻蝦種養稻米品質差異形成的生理探析。

因此，本研究圍繞太湖地區生態區域特點和產業需求，以水稻豐產優質高效為切入點，進行品種產量、品質性狀綜合比較研究與評價。通過研究，探明太湖地區稻蝦種養模式下稻田土壤生態理化特性演變規律，提出稻蝦生態種養模式下適宜優良食味水稻品種、氮肥運籌模式和機械化種植技術，集成適宜于太湖地區稻蝦生態種養規模化和產業化栽培技術體系。

1 試驗設計與材料

1.1 試驗地點與土壤

試驗于2017—2018年在常熟市古里鎮塢坵村江蘇省（常熟）稻麥科技綜合示范基地進行，其中稻蝦生態種養稻田于2016年開始實施一稻兩蝦模式，稻蝦種養前稻蝦田與常規稻田屬于相鄰的丘塊，基礎地力一致。因兩年趨勢一致，本研究中列出了兩年的產量數據，稻米品質以2018年數據進行分析。

1.2 試驗設計

試驗采用三因素裂區試驗，其中稻作模式(T)為主區，栽插密度(D)為裂區，品種(V)為小裂區，每種處理2個重復。稻作模式設置稻蝦種養(T1)和大田常規高產栽培(T2)，機插密度分別為株行距14 cm×30 cm(D1)和株行距12 cm×30 cm(D2)。選用當地主栽的中低直鏈淀粉含量的優質食用粳稻品種（品系）‘南粳46’(V1)、‘ 嘉 58’(V2)、‘ 蘇 1785’(V3)、‘ 蘇 1716’(V4)、‘ 滬 軟1212’(V5)為材料，V1～V5全生育期分別為165、160、143、152天和158天。稻蝦共作田小區面積為675 m2(15 m×45 m)，大田常規高產栽培小區面積為200 m2(10 m×20 m)。

兩種模式稻作試驗田施氮量均為240 kg/hm2，按照基蘗肥：穗肥7:3比例施用，其中25%為有機肥作基肥一次性施用，追肥以復合肥或尿素，其中基肥:蘗肥=7:3，基肥于移栽前1～2天施用，蘗肥分兩次按5:5比例施用；穗肥分兩次按7:3比例施用。磷肥用量折合成P2O5為90 kg/hm2，作基肥一次施用。鉀肥按基肥:穗肥=6:4施用，鉀肥總用量折合成K2O為180 kg/hm2。每處理3次重復。

試驗材料兩年均于5月25日育秧，2017、2018年分別于6月18日、20日移栽。小龍蝦放養初期，田水宜淺。插秧后15～20天開始擱田，應輕擱，水位降低到田面露出即可。復水后水深控制在12～15 cm，一般每3～5天加注新水1次；盛夏季節每1～2天加注1次新水。成熟期及時落水干田，以便收割。一稻兩蝦模式中稻前蝦蝦苗按照90000尾/hm2密度于4月中上旬投放稻田環溝，5月底6月初捕獲龍蝦；稻中蝦蝦苗按照60000尾/hm2密度于水稻移栽前7天左右投放到暫養溝，待秧苗活棵后提高水位，保持水層，8月份中下旬捕獲。

水稻成熟后測定產量并收獲稻谷待品質分析。

1.3 測定項目

1.3.1 產量結構與品質 將各樣本統一用NP-4350型風選機等風量風選，在自然條件下風干2-3個月后測定粒重及米質。隨機數500粒稱重，重復3次，計算千粒重；參照中華人民共和國國家標準《GB/T 17891—1999優質稻谷》測定稻米的加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質和營養品質。采用RVA-4型快速黏度分析儀（Newport Scientific儀器公司生產，澳大利亞）測定RVA特征譜值，用TCW(Thermal Cycle for Windows）配套軟件進行分析。

1.3.2 土壤理化分析 于2017年水稻移栽前進行土壤樣品的采集，在兩個稻作模式的稻田耕作層采集土樣，采樣方式采取S形采樣法，每個處理3次重復；采集土樣去除物殘根和石塊并混勻，風干土樣一部分過20目和100目，進行相關指標的測定。

土壤pH采用土:水=1:5酸度計法，土壤全氮采用半微量凱法測定，全磷采用H2SO4-HClO4消煮鉬銻抗比色法，全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法，土壤堿解氮采用堿解擴散法，速效磷含量采用Olsen法測定，速效鉀用中性NH4Ac浸提-火焰光度法測定，銨態氮采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法測定，硝態氮采用酚二磺酸比色法測定。

本試驗數據均用Microsoft Excel 2007和DPS(Data Processing System)進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同稻作模式下稻田土壤理化性狀的差異

兩種不同稻作方式稻田土壤試樣分析列于表1，經過稻蝦種養方式處理后，稻田中土壤有機質和全氮、全磷、全鉀含量均高于常規稻田，前者比后者分別提高了83.7%、23.4%、7.9%和6.3%，除全磷含量無顯著差異外，有機質和全氮、全鉀均達顯著差異。稻蝦共作增加了土壤pH，但差異不顯著。與常規稻田比較，稻蝦共作稻田中NH4+-N含量降低了5.0%，未達顯著水平，NO3--N和堿解氮的含量則顯著增加，分別提高了9.2%和94.8%；有效磷和速效鉀的含量也顯著增加，分別提高了22.6%和141.0%。

表1 稻蝦種養模式對土壤理化性狀的影響

2.2 不同處理對水稻產量及其構成因素的影響

兩種稻作方式對供試品種（系）籽粒產量及構成因素有較大的影響（表2），2017和2018年稻蝦種養模式下水稻產量較大田常規栽培分別降低5.74%和3.71%。分析產量構成因素，稻蝦種養模式下顯著增加了有效穗數，兩年分別提高了2.14%和2.89%；但各品種的每穗粒數、結實率和千粒重均顯著地降低，兩年分別降低了1.79%、3.87%、2.22%和1.84%、3.83%、2.30%。總體上來講，品種V1、V4和V5的產量無論是在大田種植模式還是稻蝦種養模式下均較其他品種要高，其中均以品種V1最高。

表2 不同稻作模式和栽插密度對水稻產量及其構成的影響

續表2

栽插密度對供試品種（系）的產量及構成因素影響也較大，低密度D1處理比高密度D2處理的產量極顯著降低，前者比后者兩年分別降低9.80%和9.48%。各產量因素中除千粒重沒有差異外，與D2相比，兩年D1處理有效穗數分別降低了15.0%和14.58%，但每穗粒數和結實率兩年分別增加了5.90%、5.74%和0.34%、0.45%，均達極顯著水平。

通過進一步方差分析表明（表3），種植模式×栽插密度、種植模式×栽插密度×品種間的互作對每穗粒數的影響達到極顯著和顯著水平；而密度×品種互作極顯著地影響了穗數與產量水平。一方面說明不同的稻作模式下或不同品種類型，通過調節種植密度可以調控每穗粒數；同時也說明根據品種的特性，可通過不同的種植模式和栽插密度，調節有效穗數，從而實現目標產量。

表3 產量與產量構成因子方差分析表

續表3

2.3 不同處理對稻米品質的影響

2.3.1 不同處理對稻米加工品質和外觀品質的影響 供試品種的加工和外觀品質在不同的種植模式和栽插密度下存在差異（表4）。兩種種植模式顯著地影響了稻米的外觀品質，與大田常規種植條件比較，稻蝦種養模式的堊白粒率和堊白度顯著降低了10.14%和15.71%。但是兩種栽插栽插密度之間差異較大，低密度D1處理與D2比較，除了出糙率無差異外，精米率和整精米率前者均極顯著或顯著高于后者，分別增加3.95%和7.31%。該試驗條件下，低密度種植顯著降低了稻米籽粒的堊白粒率和堊白度，分別較D2降低了12.76%和16.35%。不同品種間比較，無論是在稻蝦種養模式還是大田常規栽種模式下，品種V1、V5、V4、V2的整精米率較高，其中尤以品種V1最高。堊白度性狀，在稻蝦共作模式下，V1、V2外觀較好；大田種植模式下V1、V2外觀較好，其次是V4、V5。

表4 不同稻作模式和栽插密度對稻米加工與堊白性狀的影響

續表4

進一步對上述品質性狀進行方差分析（表5），結果表明種植模式×品種之間存在互作效應，其對堊白度的影響達到顯著水平。

表5 加工與堊白性狀方差分析表

續表5

2.3.2 不同處理對稻米蛋白質含量和蒸煮食味品質的影響 5個供試品種在不同的處理下籽粒蛋白質含量和蒸煮食味品質表現出差異（表6）。兩種種植模式下，稻蝦種養處理與大田常規種植比較，前者的籽粒蛋白質含量和直鏈淀粉含量比后者分別高出3.81%和2.83%，崩解值和糊化溫度亦分別高出5.14%和0.83%，而消減值則降低11.63%。低密度栽插與高密度栽插相比，蛋白質和直鏈淀粉分別高出1.89%和2.83%，崩解值和糊化溫度亦分別高出5.49%和1.11%，而消減值則降低2.59%。結果說明，稻蝦種養模式或適當降低密度條件下蛋白質含量略有增加，但稻米的食味性狀有所改善。

表6 不同稻作模式和栽插密度對蛋白質和蒸煮食味品質的影響

分析比較各品種蛋白質之間的差異，數據顯示品種V1和V5蛋白質含量較其他品種低；直鏈淀粉含量則以V2品種最高；膠稠度顯示在稻蝦種養模式下，以品種V1最大，V4、V5次之；崩解值在稻蝦種養模式下以品種V3和V1較高，大田常規種植以V3最高；消減值則是在稻蝦種養模式下以V3最低，V1次之，大田種植模式下則是以V5最低；糊化溫度則是兩種種植模式下均以V3最高。結果顯示品種V1的食味性狀最好、最穩定，其蛋白質含量也是在供試品種中最低，說明較高蛋白質含量影響稻米的食味性狀。

對上述品質性狀進一步方差分析（表7），結果表明除糊化溫度外，種植模式×品種之間的互作對蒸煮食味和營養品質性狀的影響達到極顯著差異，說明稻田種養模式下選用適宜的食味稻米能有效提高稻米的食味品質；種植模式×密度×品種之間的互作對蛋白質和消減值的影響分別顯現極顯著和顯著差異。

表7 蛋白質與蒸煮食味指標方差分析

續表7

2.4 品質性狀間的相關分析

對品質性狀進行相關分析，表8結果顯示，出糙率、精米率分別與堊白度呈顯著和極顯著負相關（R分別為-0.487*、-0.748**），整精米率與堊白粒率、堊白度分別呈極顯著的負相關（R分別為-0.652**、-0.855**）；出糙率和整精米率分別與蛋白質呈現顯著負相關（R分別為-0.532*、-0.473*）；精米率、整精米率分別與直鏈淀粉呈顯著與極顯著負相關（R分別為-0.455*、-0.582*）；整精米率與糊化溫度呈現極顯著負相關(-0.681**)。堊白粒率與直鏈淀粉、糊化溫度分別呈顯著與極顯著正相關（R分別為0.506*、0.570*），與消減值呈顯著負相關(R=-0.470*)；堊白度則分別與直鏈淀粉、崩解值、糊化溫度呈現顯著與極顯著正相關（R分別為0.537*、0.463*、0.736**），與消減值呈極顯著負相關(R=-0.565**)；蛋白質與膠稠度呈顯著負相關(R=-0.512)，與糊化溫度呈顯著正相關(R=0.444)；直鏈淀粉與消減值呈顯著負相關(R=-0.467)；崩解值則與消減值呈極顯著的負相關。

表8 品質性狀間的相關分析

3 討論與結論

3.1 稻蝦種養與水稻產量形成及其產量結構形成的關系

不同的稻作模式稻田土壤地力條件存在較大差異[1]，張艷峰等[15]提出因應稻田土壤肥力水平采用不同的栽培技術模式實現高產。盡管蝦稻種養全國規模較大，但現有文獻中有關稻蝦種養水稻生長特性研究報道并不多，研究的結論也不盡一致，楊勇等[16]研究稻漁共作發現稻株基部節問長度增大，節間數增多，植株重心上移，后期根系活力降低等特征，莖蘗成穗率、穗粒數和結實率下降，產量降低；張劍等[17]研究表明稻漁共作顯著增加水稻分蘗期和灌漿期的葉片氮含量，延長分蘗期，顯著提高成穗率和產量，其結論的差異有可能與水稻品種、稻漁共作下的時間、空間等多種效應有關。稻蝦共作下水稻表現什么樣的生長和產量特性，目前沒有一致的結論。彭成林等[6]研究了長期稻蝦共作模式對直播稻產量影響，結果表明與水稻單作相比，稻蝦共作主要通過有效穗數的增加大幅提高水稻產量，且氮肥利用率明顯提高；但姚義等[18]研究了4種稻作模式下，稻蝦共作的實收單產則要低于稻鴨共作和常規稻作方式。

稻蝦共作田除擱田（輕擱，水位降低到田面露出即可）外，長期淹于水下，水稻在10～20 cm漸深的水層中生長達100天以上。由于小龍蝦的個體較小，稻蝦共作的田間水分管理既不同于常規栽培和稻鴨共作水分管理[19]，也不同于稻魚、稻蟹共作深度水層的管理[16-17]。本試驗條件下，稻蝦共作前期淺水灌溉，分蘗后期輕度擱田，水稻的分蘗能力增強，分蘗數明顯增加；龍蝦在稻田的活動和新陳代謝的排泄物，提升了土壤有機質和土壤肥力，水稻生育前期生長迅速，生育期有所延長（數據略），這與楊等的研究較為一致[16]。蔡晨等[20]研究表明長期稻蝦輪作有助于改善耕層土壤結構、增強土壤緩沖能力。試驗結果表明，稻蝦共作水稻畝有效穗數顯著增加，但供試品種的莖蘗成穗率、穗粒數、結實率和千粒重則出現顯著降低，尤其結實率降幅最大。究其原因，可能在于長期處于淹水條件之下，尤其是生育中后期，導致水稻根系活力下降，這與張榮萍等[21]研究得出長期淹水不利于水稻根系生長，根系生理活性低、易衰老的結論一致。陶龍興等[22]指出根系活力下降則導致籽粒灌漿不良，勢必影響到穗粒數的形成和籽粒的安全結實。

本研究還表明在稻蝦共作模式下，與常規栽插密度比較，寬窄行低密度機插雖然降低了有效穗數和產量，但籽粒的結實率和每穗粒數則顯著增加，且種植模式、栽插密度和品種之間存在互作效應，說明在稻蝦模式下可以根據品種的特性，適當減少栽插密度，平衡好穗數和穗粒數、結實率的關系，可實現水稻的安全穩產。試驗表明稻蝦種養結合提升了稻田土壤地力，這與張艷峰等[15]提出在稻田肥力水平高時，超級稻宜采用“大寬行窄株”栽培模式，主攻大穗優勢；肥力水平中低時，以“寬窄行”栽培產量表現更佳的結論不謀而合。

3.2 稻蝦種養與稻米品質形成的關系

稻米品質的形成除了遺傳因素外，主要受氣候生態條件、土壤生態條件以及栽培技術等多重因素的影響[23-24]。大量研究表明，稻田綜合種養有利于改善稻米的品質[8,12-13]，但相關機理則缺少研究。從現有關于稻蝦共作模式下稻田土壤理化特性研究報道來看，研究結果略顯不同。朱杰等[25]研究認為稻蝦共作模式顯著提升水稻抽穗期稻田土壤中硝態氮、全氮及全碳的含量，但對土壤碳氮比、堿解氮和銨態氮含量沒有顯著影響；并認為對微生物多樣性指數沒有顯著影響，但顯著增加了微生物豐富度指數，改變了稻田土壤nirK反硝化微生物在目、科、屬、種的群落結構。而蔡晨等[20]研究指出，土壤全氮含量與速效養分隨著輪作年限延長均表現出逐漸增加的趨勢，表明長期稻蝦輪作有利提高土壤速效養分，有助于改善土壤通透性、提高土壤肥力和增加農業產出效益。本研究表明，在稻蝦連作下稻田耕作層土壤除NH4+-N降低外，NO3--N、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著高于常規稻田，這與蔡晨的研究是一致的。

關于土壤理化性狀與稻米品質的關系，有研究表明土壤速效磷和有效鉀增加有利于堊白粒率和堊白度的降低[22]，在本試驗稻蝦種養條件下稻米的堊白粒率和堊白度降低，其原因可能與土壤中有機質和速效磷、有效鉀含量的增加密切相關，這與曹湊貴等[26]的研究較為一致。同時，小龍蝦在稻田的活動，增加了稻田微生物的種類和數量，微生物的加入不僅增加了土壤酶的數量，其活動也可以促進腐枝敗葉分解、提高土壤酶活性，有利于水稻根系生長和根系活力的提高，從而使更多的氮磷轉化成可以被水稻直接吸收利用的有效態，利于水稻的生長發育，減少堊白形成[27]。通過相關分析表明蛋白質含量與膠稠度呈顯著負相關，與糊化溫度呈顯著正相關，說明蛋白質含量增加稻米食味性變差。因此，長期稻蝦共作稻田土壤理化性狀大幅改善前提下，水稻生長期應適當減少肥料的投入，降低蛋白質含量，改善稻米食味品質。稻蝦共作下稻米直鏈淀粉含量、崩解值增加，消減值降低，可能在于長期淹水根系分泌乳酸過多導致[28]；但也有研究認為，稻蝦輪作期間，小龍蝦排泄物在一定程度上增加了表層土壤易氧化有機碳的來源[26]；其次小龍蝦活動對稻田起到中耕的效果，促進水稻根系正常生長，進而增加根系有機分泌物量和土壤穩定態腐殖質向易分解態轉化[29]。根系分泌的有機酸和氨基酸濃度通過調節灌漿的時間或調節子粒中蔗糖-淀粉代謝途徑關鍵酶活性，實現對稻米品質的調控[30]。但是根系分泌的有機物質與根際土壤中微生物之間也存在較為復雜的關系，兩者均對水稻米質形成有調控作用，其機理不甚清晰，有待進一步的研究。

在稻蝦種養模式下，寬窄行栽插有效降低了稻米的堊白粒率和堊白度，改善了外觀品質；提高了精米率和整精米率，究其原因一方面可能與低密度栽插改善了田間的通風透光狀況，另一方面增加了小龍蝦在稻田的活動空間，小龍蝦在稻田的掘穴行為改變了土壤的通氣特性，加快了有機物質在有氧和厭氧界面的交換過程，從而使土壤深層中相對難降解的有機物逐漸被好氧微生物降解，促進土壤有機碳的轉化[31]，進而改善稻米的米質。

4 結論

稻蝦種養有效地改善了稻田土壤生態和土壤理化特性，明顯提高稻田土壤有機質和全氮、全磷、全鉀含量，降低了稻田中銨態氮含量，顯著增加了硝態氮、堿解氮和有效磷和速效鉀的含量。稻蝦種養對水稻的產量性狀和米質均具有較大調控作用，但因不同品種、不同栽插密度等栽培方式不同而異，其增加了有效穗數，但穗粒數和結實率降幅大，導致產量降低；稻蝦種養改善了稻米外觀品質，稻米的食味性狀得到改善。稻蝦共作與品種、密度之間存在互作效應。采用稻蝦種養模式宜選用適宜的優良食味品種，適當減少氮肥用量和栽插密度能友好協調稻谷穩產與食味品質的關系。