稻蝦共作對水稻氮素累積及稻米品質(zhì)的影響

李文博，劉少君，葉新新，郜紅建①，劉 榮，李登云，姚國亮

(1.農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 長江經(jīng)濟(jì)帶磷資源高效利用與水環(huán)境保護(hù)研究中心/ 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽六國化工股份有限公司，安徽 銅陵 244021)

稻田綜合種養(yǎng)指利用稻田的淺水環(huán)境養(yǎng)殖魚、蝦、蟹或鴨等水產(chǎn)或水禽的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。稻田綜合種養(yǎng)充分利用了稻田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分和水土資源，發(fā)揮水稻和水產(chǎn)動(dòng)物之間的生態(tài)互惠作用[1]，實(shí)現(xiàn)了水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖雙贏的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[2]。稻蝦共作是稻田綜合種養(yǎng)的主要模式之一，2018年全國龍蝦養(yǎng)殖總面積達(dá)112萬hm2，其中稻蝦綜合種養(yǎng)模式面積占75.1%，約為84萬hm2 [3]，且面積還在不斷擴(kuò)大中。

氮素是植物必需營養(yǎng)元素，在植物的生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。氮肥的施用可增加水稻產(chǎn)量，但是氮素利用率低，移動(dòng)性強(qiáng)，容易從稻田中損失，引發(fā)一系列環(huán)境問題[4]。在稻田中引入魚、蝦等水生生物會(huì)影響稻田氮素循環(huán)利用和水稻品質(zhì)[5-6]。OEHME等[7]研究表明，在稻魚綜合種養(yǎng)體系中，未被魚利用的飼料起到有機(jī)肥的作用，促進(jìn)水稻對飼料氮的吸收。HU等[8]研究指出，魚排泄物中氮素也可直接被水稻吸收，有利于氮素的循環(huán)利用。前期研究[9-10]表明，水稻-水產(chǎn)綜合種養(yǎng)體系可改善水稻品質(zhì)。然而，在稻蝦綜合種養(yǎng)中重水產(chǎn)輕水稻，養(yǎng)分管理粗放，養(yǎng)分投入與需求不匹配等影響了水稻和龍蝦的生長，引發(fā)了環(huán)境問題。當(dāng)前稻蝦綜合種養(yǎng)研究多關(guān)注其龍蝦產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[11]，而有關(guān)水稻氮素吸收利用和稻米品質(zhì)的影響研究較少。

該試驗(yàn)比較了水稻單作、稻蝦共作投食和稻蝦共作不投食3種處理?xiàng)l件下水稻對氮素的吸收利用狀況，分析了不同種植模式下稻米的產(chǎn)量和品質(zhì)特征，計(jì)算了氮素的利用和平衡狀況，為稻蝦綜合種養(yǎng)體系氮素運(yùn)籌提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)在安徽省銅陵市普濟(jì)圩農(nóng)場(北緯31°55′，東經(jīng)117°43′)進(jìn)行，該區(qū)域?qū)儆陂L江下游近代沖積平原。該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為16.1 ℃，年均日照時(shí)間為1 900 h，年均降水量為1 200～1 400 mm。土壤類型為河湖相沉積物發(fā)育而成的水稻土，試驗(yàn)前耕層土壤基本理化性狀：pH為6.5，w(有機(jī)質(zhì))為40.2 g·kg-1，w(全氮)為2.67 g·kg-1，w(速效磷)為9.24 mg·kg-1，w(速效鉀)為113.1 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理：(1)水稻單作處理(R)；(2)稻蝦共作投食處理(RCF)；(3)稻蝦共作不投食處理(RC)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)包含蝦溝在內(nèi)面積為1 333 m2。各處理間做寬0.5 m、高0.4 m的田埂，每塊田均有獨(dú)立的進(jìn)水口和出水口，在田塊四周開挖L型蝦溝，蝦溝寬4 m，深1.5 m。在蝦溝岸邊設(shè)置隔離塑料板，塑料板埋入地下0.5 m，露出地面0.3 m，并用鐵絲連結(jié)固定，防止小龍蝦逃逸。供試水稻品種為新優(yōu)188，供試蝦品種為克氏原螯蝦。

1.3 田間管理

試驗(yàn)于2019年6月5日播種，7月6日移栽，依照寬行窄株原則，秧苗行株距為30 cm×20 cm，10月30日收割。所有處理肥料的施用完全一致，整個(gè)生育過程施用N、P2O5和K2O的量分別為225、90和112.5 kg·hm-2。磷肥和鉀肥全部作為基肥施入，70%氮肥作為基肥，30%氮肥作為追肥(7月23日施用)?？耸显r于8月14日投放，投放蝦苗的規(guī)格平均為20 g·只-1，投放密度為222 kg·hm-2。按照小龍蝦質(zhì)量的2%～7%投喂配合飼料，其主要原料為魚粉、豆粕、花生粕、菜粕、豆油和磷酸二氫鈣等。根據(jù)天氣狀況和小龍蝦攝食情況調(diào)整投喂頻率和投喂量并做記錄，所有小龍蝦于水稻收割后捕撈。

1.4 樣品的采集和測定方法

1.4.1水稻植株樣品測定

于7月21日(分蘗期)、8月13日(拔節(jié)孕穗期)、9月12日(抽穗期)和10月23日(成熟期)，分別從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取5穴代表性水稻植株，采樣點(diǎn)避開田邊，植株各部位分別于105 ℃條件下殺青30 min，60 ℃條件下恒溫烘干至恒重，稱量，研磨備測。用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測定植株各部位全氮含量。

1.4.2克氏原螯蝦及配合飼料測定

于小龍蝦投放時(shí)和收獲時(shí)每小區(qū)分別隨機(jī)取5只幼蝦和成蝦樣品，投食前取飼料樣品，克氏原螯蝦全氮含量測定參照GB/T 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》中凱氏定氮法，飼料中全氮含量測定參照GB/T 6432—2018《飼料中粗蛋白的測定 凱氏定氮法》。

1.4.3沉降樣品測定

為測定沉降輸入的養(yǎng)分量，在整個(gè)生育期利用雨量器連續(xù)不間斷地收集雨水樣品，每次降雨結(jié)束后記錄降雨量，收集雨水混合樣，冷凍保存?zhèn)錅y。雨水全氮含量測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

1.4.4水稻和克氏原螯蝦產(chǎn)量測定

在水稻成熟期，于每個(gè)小區(qū)調(diào)查30穴水稻的有效穗數(shù)，計(jì)算平均有效穗數(shù)，按照平均有效穗數(shù)選取5穴水稻調(diào)查每穗總粒數(shù)，計(jì)算結(jié)實(shí)率和千粒重，測定理論產(chǎn)量。在成熟期從各小區(qū)收割3塊1 m2樣方的水稻，脫粒去雜、測定水分并稱重，折算為實(shí)際產(chǎn)量?？耸显r于水稻收割后全部捕撈稱重后記錄產(chǎn)量。

1.4.5稻米品質(zhì)測定

水稻收獲脫粒，曬干后于室內(nèi)貯藏3個(gè)月，參照GB/T 17891—1999《優(yōu)質(zhì)稻谷》測定稻米的加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)等主要指標(biāo)。采用瑞典Perten公司生產(chǎn)的近紅外成分快速分析儀(DA 7200)測定精米的蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量。采用瑞典Perten公司生產(chǎn)的4500型RVA儀(Rapid Viscosity-Analyzer)測定稻米淀粉譜黏滯特性，用TCW (Thermal Cycle for Windows)配套軟件分析。

1.4.6氮素利用率計(jì)算

依據(jù)近年來國際上提出的系統(tǒng)界面氮素利用率(NUE，氮素產(chǎn)品輸出與氮素輸入的比值)公式[12]表征系統(tǒng)氮素利用情況。在水稻-小龍蝦種養(yǎng)體系界面的氮素輸出包括稻谷、稻草和成蝦等輸出的氮素，氮素輸入包括肥料、飼料、幼蝦和沉降等帶入的氮素。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、計(jì)算和整理，采用Origin 9.0繪圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻蝦共作對水稻氮素吸收累積的影響

2.1.1水稻植株內(nèi)氮素含量

由表1可知，在整個(gè)生育期，水稻莖和葉片中氮素含量在拔節(jié)孕穗期達(dá)最高，其后逐漸降低，至成熟期達(dá)最低。在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗期，不同處理間水稻各部位氮素含量均無顯著差異。在成熟期，與處理R相比，處理RCF中葉的氮素含量提高22.7%，兩者差異顯著(P<0.05)，莖和穗氮素含量無顯著差異；處理RC中莖、葉和穗氮素含量均得到顯著提高(P<0.05)，分別增加65.1%、23.9%和14.9%。

表1 稻蝦共作對不同生育期水稻植株氮含量的影響

2.1.2水稻植株內(nèi)氮素累積量

水稻氮素累積量隨水稻生育期的推移而逐漸增加，在成熟期達(dá)最高值，其中在分蘗期至拔節(jié)孕穗期和拔節(jié)孕穗期至抽穗期水稻氮素總累積量增加較多，抽穗期至成熟期水稻氮素總累積量增加相對緩慢。在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，不同處理間水稻氮素累積量無顯著差異。在抽穗期和成熟期，處理RCF和RC氮素累積量均高于處理R，且差異顯著(P<0.05)。

水稻氮素凈累積量以抽穗期為最多，拔節(jié)孕穗期次之。在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，不同處理間氮素凈累積量無顯著差異。在抽穗期，以處理R氮素凈累積量為最低，分別比處理RCF和RC低47.2%和36.2%，且差異顯著(P<0.05)，但稻蝦共作投食與不投食之間無顯著差異。在成熟期，不同處理間水稻氮素凈累積量差異不顯著(圖1)。

2.2 稻蝦共作對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.2.1水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

處理RCF和RC水稻產(chǎn)量在9 610.06～10 604.82 kg·hm-2范圍內(nèi)，水稻單作處理產(chǎn)量為9 432.27～9 681.93 kg·hm-2，各處理間水稻產(chǎn)量和構(gòu)成要素差異未達(dá)顯著水平(表2)。

表2 稻蝦共作對水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.2.2稻米品質(zhì)和RVA譜特性

表3顯示，與處理R相比，處理RC稻米精米率提高3.0%，堊白粒率降低25.1%，而處理RCF稻米的各項(xiàng)加工和外觀品質(zhì)指標(biāo)與處理R相比均無顯著差異。表4顯示，與處理R相比，處理RC稻米直鏈淀粉含量和膠稠度分別降低7.5%和6.6%，而蛋白質(zhì)含量增加8.4%。處理RC稻米直鏈淀粉含量和膠稠度也顯著低于處理RCF，蛋白質(zhì)含量顯著高于處理RCF(P<0.05)。但處理R與RCF水稻蒸煮和營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)之間差異均未達(dá)顯著水平。表5顯示，不同處理間稻米的峰值黏度、熱漿黏度、崩解值、糊化溫度和最終黏度差異均未達(dá)顯著水平。但處理RCF稻米的消減值顯著低于處理R(P<0.05)。

2.3 稻蝦共作體系中氮素輸入輸出及其平衡狀況

由圖2可知，各處理沉降輸入氮素為12.39 kg·hm-2，稻蝦共作處理由幼蝦輸入的氮素為4.5 kg·hm-2，處理RCF飼料投入量為477.1 kg·hm-2，其氮含量為40.68 g·kg-1，由飼料輸入的氮素為19.41 kg·hm-2。處理RCF和RC小龍蝦產(chǎn)量分別為311.04和274.59 kg·hm-2，2個(gè)處理由成蝦輸出的氮素分別為6.34和5.71 kg·hm-2。氮素輸出呈現(xiàn)處理RC>RCF>R的趨勢，處理R由稻谷和稻草輸出的氮素均顯著低于稻蝦共作模式(P<0.05)，處理RCF和RC稻谷氮素輸出分別占總輸出量的51.72%和47.69%(圖2)。處理R、RCF和RC系統(tǒng)界面氮素利用率分別為0.85、0.98和1.11。

表3 稻蝦共作對水稻加工和外觀品質(zhì)的影響

表4 稻蝦共作對水稻蒸煮和營養(yǎng)品質(zhì)的影響

表5 稻蝦共作對稻米淀粉RVA譜特征值的影響

3 討論

3.1 稻蝦共作體系中水稻氮素吸收累積

氮素是植物必需營養(yǎng)元素，在植物的生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用[13]。筆者試驗(yàn)中，在分蘗期和拔節(jié)孕穗期取樣時(shí)尚未投放龍蝦，不同處理間水稻植株氮素含量沒有明顯差異；而在抽穗期和成熟期，稻蝦共作處理水稻各部位氮素含量較水稻單作處理有一定程度的增加。這表明稻蝦共作能夠促進(jìn)水稻對氮素的吸收，這與前人研究結(jié)果[14]一致?？赡艿脑蚴且环矫?，投喂飼料中氮素未被龍蝦完全利用，而被水稻吸收。XIE等[1]研究表明，在稻魚系統(tǒng)中，魚飼料中有32%的氮被水稻吸收；MIRHAJ等[15]研究證明，稻田種養(yǎng)中水稻和動(dòng)物之間的氮素互利互補(bǔ)，稻田中殘留的飼料能夠促進(jìn)水稻生長。另一方面，龍蝦在田間的活動(dòng)影響水稻養(yǎng)分吸收。動(dòng)物在田間的活動(dòng)會(huì)影響土壤通氣、氧化還原狀態(tài)等理化性狀，加快土壤有效養(yǎng)分的釋放[16]。有研究表明，稻蝦共作模式中龍蝦在田間的蛻殼和排泄物等也能夠增加土壤氮含量[17]，改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)水稻吸收。

筆者研究結(jié)果表明，在分蘗期和拔節(jié)孕穗期不同處理間水稻氮素累積量基本保持一致，但在抽穗期和成熟期，稻蝦共作處理水稻氮素累積量顯著高于水稻單作處理，在拔節(jié)孕穗期至抽穗期，水稻氮素凈累積量也表現(xiàn)為稻蝦共作處理顯著高于水稻單作。這可能是因?yàn)榘喂?jié)期至齊穗期是水稻需氮最旺盛的階段，龍蝦投放和飼料的投喂間接增加了稻田生態(tài)系統(tǒng)氮素的投入，促進(jìn)水稻對氮素的吸收。在齊穗期至成熟期，水稻植株從土壤中吸收的氮素比例較低，更多的是體內(nèi)積累氮素的重新利用和分配，因此在該生育期不同處理間水稻氮素凈累積量沒有明顯差異。

覓食是稻田中動(dòng)物活動(dòng)的主要目的，動(dòng)物的取食活動(dòng)有效利用了稻田閑置資源，使更多的養(yǎng)分被水稻吸收。張劍等[18]研究表明，與單獨(dú)養(yǎng)魚相比，稻魚共作系統(tǒng)中魚的活動(dòng)時(shí)間和活動(dòng)頻率都得到明顯改善。于赫男[19]的研究表明，在饑餓脅迫下，蝦的活動(dòng)頻率和范圍顯著擴(kuò)大。筆者研究中，稻蝦共作不投食處理水稻氮素含量和累積量與稻蝦共作投食處理沒有顯著差異?？赡艿脑蚴窃诓煌妒程幚?xiàng)l件下，龍蝦在饑餓脅迫下更頻繁地進(jìn)入稻田覓食，通過擾動(dòng)土壤等使養(yǎng)分釋放，同時(shí)蝦的排泄物也含有一定數(shù)量的氮素，可被水稻吸收利用，從而提高了水稻氮素累積量。

3.2 稻蝦共作對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

氮素在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用[20]。筆者研究中，不同處理間水稻產(chǎn)量和構(gòu)成要素沒有表現(xiàn)出顯著差異。已有研究表明，稻蝦[6]、稻鴨[9]和稻蟹[21]等稻田綜合種養(yǎng)模式均可顯著改善稻米的加工和外觀品質(zhì)。筆者研究表明，稻蝦共作不投食模式較水稻單作能夠增加稻米精米率，降低堊白粒率，改善水稻的加工和外觀品質(zhì)。可能的原因是稻蝦共作不投食處理水稻氮素吸收累積量最高，而有研究表明，隨著氮素投入增加，水稻精米率增加，堊白粒率降低[22]。蛋白質(zhì)是稻米中僅次于淀粉的第2大類營養(yǎng)物質(zhì)，是人類食物中重要的蛋白質(zhì)來源，其含量高低決定了稻米的營養(yǎng)品質(zhì)[23]。稻米中蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而提高[24]。筆者研究中，稻蝦共作不投食處理水稻氮素吸收量最高，增加了稻米的蛋白質(zhì)含量，提高了水稻的營養(yǎng)品質(zhì)。前人研究[25]指出，隨著施氮量的增加，水稻直鏈淀粉含量降低，膠稠度縮短，筆者研究中稻蝦共作不投食處理直鏈淀粉含量和膠稠度均小于水稻單作處理的結(jié)果與之一致。然而，蛋白質(zhì)含量的增加、直鏈淀粉含量和膠稠度的降低都會(huì)使水稻的蒸煮品質(zhì)變差[26]。稻米淀粉RVA譜特征值與稻米食味品質(zhì)之間存在極為密切的關(guān)系[27]。優(yōu)質(zhì)食味稻米淀粉RVA譜參數(shù)值通常表現(xiàn)為峰值黏度和崩解值高而最終黏度和消減值小的基本特性[28]。筆者研究中，稻蝦共作投食處理稻米消減值顯著低于水稻單作處理，這表明稻蝦共作可在一定程度上改善稻米的食味品質(zhì)。

3.3 稻蝦共作體系中氮素的輸入輸出平衡

科學(xué)的氮素管理是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、降低氮素環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)集約化生產(chǎn)的重要方面，氮素的平衡是其中的一個(gè)重要指標(biāo)[29]。筆者研究中，稻蝦共作投食處理與不投食處理稻谷和稻草的氮素輸出均顯著高于水稻單作處理，總的氮素輸出表現(xiàn)為稻蝦共作處理高于水稻單作。從系統(tǒng)界面氮素利用率來看，水稻單作、稻蝦共作投食和稻蝦共作不投食處理氮素利用率依次增加，分別為0.85、0.98和1.11。然而，國際上推薦的系統(tǒng)界面氮素利用率參考值為0.5～0.9，大于0.9表示土壤氮素的消耗[30]。對于稻蝦共作處理，龍蝦在田間的擾動(dòng)增加了土壤氮素釋放，促進(jìn)水稻氮素的吸收利用，從而可能會(huì)導(dǎo)致土壤氮素的消耗，建議進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡匮a(bǔ)充，稻蝦共作后秸稈還田和養(yǎng)蝦季飼料等養(yǎng)分的投入也可改善這一狀況。

4 結(jié)論

稻蝦綜合種養(yǎng)可促進(jìn)水稻對氮素的吸收利用，提高系統(tǒng)界面氮素利用率，但存在消耗土壤氮素的風(fēng)險(xiǎn)。稻蝦綜合種養(yǎng)能夠提高水稻的加工和外觀品質(zhì)，增加水稻的營養(yǎng)品質(zhì)，對水稻的食味品質(zhì)有改善作用。稻蝦共作適當(dāng)投食可實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，是可持續(xù)的高效共作模式。