稻田综合种养稻米质量特性形成及调优机理探究

陈 灿，黄 璜，丁姣龙，任 勃，梁玉刚，龚向胜

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

增加农产品产量、改善品质、提高资源利用效率和保护生态环境，是21世纪农业科技的主攻方向。水稻是最重要的粮食作物，在以往的种植过程中，采用单一的种植技术产品质量和生产效益无法满足相关要求。稻田综合种养生产三大效益明显。但目前稻鱼综合种养生产技术中仍存在一些问题，主要是稻米和鱼类产品品质不高和附加值低。创新和优化稻田综合种养耦合关键技术，提升水稻种植、水产品养殖技术的科学性与技术性，实现水稻和水产品的优质高产，能使稻田复合种养获得更高的经济效益，从而提高生产效益。因此，探究稻田综合种养下的一系列影响水稻稻米质量原因及其机理，并针对性地创新和改进生产技术措施，实施绿色生态优质的管理决策，有利于提高稻米产品质量，提升我国稻田综合种养效益。

1 稻田综合种养下稻米品质形成过程

稻米品质形成机理，除了遗传因素外，主要受气候生态条件、土壤生态条件以及栽培技术措施的影响。研究显示，环境条件（温度、水分、光照等）对稻米品质的影响是通过影响稻株和颖果的生理过程而发挥作用的［1］。稻田综合种养条件下，田间鱼类或两栖类或禽类的活动，有利于改善稻田生态环境，减少病虫为害。水稻在优化的田间生境条件下生长，吸收水分养分并进行光合作用，通过植株的根、茎、鞘、叶的物质代谢，包括碳水化合物代谢、氮代谢，经过同化物运输或运转，以及子粒物质代谢，如在可溶性糖、淀粉合成酶及Q酶的作用下，形成直链淀粉和支链淀粉、氨基酸和蛋白质，灌浆物质积累，直至形成较优品质稻米的物理和化学特性。

2 稻田综合种养下田间小气候变化对稻米品质的影响

大量研究表明，稻田综合种养有利于改善稻米的品质［2～6］。其主要原因之一就是稻田所放养的动物对水稻生长的田间小气候具有调优作用。

2.1 稻田综合种养田间环境温度的变化

研究表明，水稻生长的中后期从抽穗到灌浆结实期，随气温的升高导致稻米的品质降低［7～10］。在各种气候环境条件中，温度是影响稻米品质最为显著的因子之一，特别是灌浆结实期，适宜温度为21～25℃，过高或过低均不利于优质米的形成［11］。结实期日平均气温和日均辐射量是影响稻米品质的两个主要因子，其中日平均气温是影响稻米品质的主导因子［12］。而水稻冠层气温差与产量性状、碾米及外观品质和食味品质大多呈显著负相关，与秕粒数、碎米率、垩白度、垩白粒率呈显著正相关［13］。

稻田综合种养，通过选用高秆茎粗抗倒的优质水稻品种，充分利用水稻、鱼虾等物种间的资源互补，和谐共生的循环生态学机理，与这种株型结构在水稻生长中后期，有利于群体的遮阴降温效果，使田间水稻冠层的温度保持相对恒定，同时也有利于鱼类的生长。稻鱼耦合生产中多以种一季稻（中稻）养一批鱼（虾、鸭等）模式为主，长江中上游高温伏旱区气象因子对中稻稻米品质有显著影响，但其主效因子因水稻品种而异。灌浆期高温胁迫使稻米加工品质多呈下降趋势、垩白明显增加，主要与淀粉积累受阻有关［14］。而这一段时期，正好处于水稻开花期至灌浆前，田间放养的鱼类等正处于旺盛生长期和活动高峰期；水稻开花期，由于大量花药花粉落入田水中，被所放养的鱼类等水生动物争相取食，因此，鱼类的频繁活动，有利于田间水体的增氧、降温；水稻进入灌浆结实期，随鱼类、禽类的长大，食欲增强，其取食杂草、病虫能力更强，有利于减少水稻植株茎基部的病、残叶，也减轻了病虫（二化螟、稻飞虱、纹枯病等）为害，使水稻下层，于株、行间形成大小连通的“管道”，有利于上下的空气交换对流，降低了田间群体稻株冠层气温差。这种微环境的调优或变化，均有利于水稻的生长和稻米优良品质的形成。

2.2 稻田综合种养田间光照的变化

在谷粒发育期太阳辐射过强或过弱都会使蛋白质含量降低。日照时间越长，稻米的糊化温度、胶稠度越高，但直链淀粉含量会随日照时间的增加而降低［15］。光照太强，温度会相应升高，诱导高温逼熟，同样会导致稻米的垩白面积增大，增加垩白度［16，17］。水稻生育后期光照不足，光合作用逐渐减弱，抑制了碳水化合物合成，尤其是营养生长过旺导致田间郁闭，通风透光不良，则垩白米发生多［18］。孕穗期弱光可能通过间接影响籽粒中淀粉合成酶活性来改变籽粒灌浆速率，从而最终影响垩白和整精米率，对其他品质性状的影响则因品种而异［19］。

稻鱼共生，水稻栽培密度需要适当优化调整。为了便于所放养鱼类或两栖类或禽鸭在田间正常穿梭行动，水稻多采用长龄壮秧、多蘖大苗移栽，同时适当加大移栽的株行距或采用宽窄行栽培。这种壮个体、小群体的栽培方法，可减少水稻总茎蘖数的发生，降低叶面积系数，避免封行过早、光照不足、田中温度过高、病害过多、易倒伏等不利因素发生。这种栽培方式，使稻丛行间透光好、光照强、日照时数相对增多、湿度降低、病虫害轻，能有效改善田间小气候，既为鱼类等动物创造了良好的栖息与活动场所，也为水稻提供了优良的生长环境；不仅提高了水稻产量，同时也提升了稻米品质。研究表明，栽培措施有着不同程度的影响，如推广旱育稀植、提高秧苗素质、构建合理的群体结构，能够实现达到高产优质的栽培目的［20］。种植密度直接影响群体大小，从而影响稻米品质。增加基本苗，导致稻米外观和碾磨品质降低。种植密度增加，若田间管理措施不当，易造成田间郁闭，通风透光变差，植株易发生倒伏，严重影响米粒灌浆和籽粒充实，导致加工品质、外观品质以及食味品质变劣［11］。稻鱼共生，通过对放养动物的早期投饵驯化，诱导鱼类、禽类在田间定向运动或全田运动，动物的穿梭活动、踩压和捕食，对去除田间杂草和稻株下部老化、病残叶效果好，从而改善田间通风透光条件，对田间的光照亦有一定的调优效果。

3 稻田综合种养模式下田间土壤及水体环境变化对稻米品质的影响

稻田综合种养有利于稻米品质提高的另外一个主要原因是，稻鱼耦合优化了稻田生态系统，改善了田间的土壤、水体的微环境。

3.1 田间土壤重金属的变化

有数据显示，中国南方部分地区有超过10%的稻米镉含量超标［21］。稻米中的镉含量与稻田土壤中的镉含量呈显著正相关［22］，控制稻田的镉污染刻不容缓。南方稻田土多为酸性土壤，在酸性土壤中，石灰对重金属污染土壤有明显的钝化修复效果，能降低Cd在糙米中的累积量［23］。研究表明，土壤本底pH值低于6.5时，随pH值的升高，施石灰降低稻米镉含量的效果增强［24］。

稻田综合种养在田间引入鱼类等动物，放养前常对稻田土壤及水体消毒，放养后根据田间养殖沟中的水质进行适当消毒处理，生产上多采用生石灰消毒的方式。这种原位钝化技术具有成本低、见效快等优点［25］，因为在稻田土中加入一定量的生石灰，能促进土壤中交换态镉稳定，有利镉固定，降低糙米镉含量［26］。石灰属于碱性物质，施入土壤后能提高土壤pH，一方面可以增加土壤表面的负电荷，利于土壤与重金属亲和；另一方面有利于土壤MOH+存在，从而增加镉离子的吸附量，促进交换态镉转换为稳定态，达到钝化镉的目的［27］。特别是稻鸭耦合模式下，利用鸭群大范围排泄鸭粪能产生生物源杀菌剂（铜绿假单胞菌），对水稻纹枯病、稻瘟病等有很强的抑制作用，是水稻防病抑病的生态技术；铜绿假单胞菌又为铅镉复合污染的生物修复提供良好的菌株材料，对重金属污染稻田土壤中多种重金属具有强的吸附能力［28，29］。此外，稻田综合种养，禁止施用化学农药和除草剂，因此稻谷不受农药污染，产品也没有农药的残留，有利于保证稻米品质。

3.2 土壤肥力及理化性状的调优

稻田生态种养能显著改善稻米的外观品质，对稻米其他品质指标也有一定的改善。这是由于稻田引入养殖动物后，动物的体液与粪便含有有机质，土壤中有机质及氮、磷、钾含量会明显增加，进而影响水稻生长，提高了水稻的产量和品质［30］；另外，养殖动物的加入，导致土壤酶的数量、酶活性产生了变化、根系分泌的有机酸等物质的增加。

（1）土壤肥力变化表现。研究表明，增施氮肥可以提高整精米率和蛋白质含量，增大糊化温度，降低垩白率和垩白度、缩短胶稠度。在N、P、K三要素中，以N素对米质的影响最大。在一定范围内，氮肥用量的增大可提高整精米率和蛋白质含量［11，15］。不同土壤的矿质养分含量增加可降低稻米垩白；有效磷、钾、硅含量的提高还可增加直链淀粉含量［11］。稻鱼耦合，养殖的动物代谢活动增加了田间有机肥的投入量，导致氮肥投入增加，在一定程度上降低了稻米的垩白粒率及垩白度［2］。稻鱼共生，稻田以施有机肥料为主，化肥为辅，提倡化肥基施，轻施追肥。水稻的施用肥料主要采用绿肥、腐熟人畜粪肥以及生物菌肥等有机肥料。相对于化肥，有机肥及粪便在田间分解腐烂较缓慢，即养分的释放是一个缓慢的分解过程，其过程基本贯穿整个水稻生育阶段，很可能对降低稻米的垩白起关键作用且效果稳定［3］。特别是稻鱼综合种养条件下，水稻有机肥、生物菌肥的施用不仅能培肥水中的浮游生物，为鱼类提供大量的天然饵料；同时这些肥料与石灰配合使用还具有双层功效：既大大降低了田间镉污染，又提高了稻米品质［2］。有研究表明，养殖动物排放粪便、生物菌肥、生物炭等有机肥与石灰配施均能降低水稻各部位富集Cd、Pb的能力及改良土壤，使水稻糙米中Cd含量显著降低，其中又以生物菌肥与石灰配施的降Cd效果最佳［31～34］。

（2）土壤理化性状的变化。一方面，与水稻单作比较，稻田复合种养生产的水稻品质更优良，在垩白度、垩白面积、垩白粒率等垩白性状方面尤为突出。影响稻米垩白性状的环境因素，归根结底，与水稻生长期间外界环境状况及养分供应状况紧密相关。而土壤酶通过影响养分转化，决定水稻植株的养分吸收情况。养殖动物的加入，增加了稻田微生物的种类和数量［35］。微生物的加入不仅增加了土壤酶的数量，其活动也可以促进腐枝败叶分解、提高土壤酶活性，从而使更多的氮磷转化成可以被水稻直接吸收利用的有效态，利于水稻的生长发育，减少垩白形成。前人研究证明，根系分泌的有机酸、氨基酸及各种离子与稻米的外观品质、蒸煮食味品质、淀粉谱特性及蛋白质组分都呈显著或极显著相关［36～40］。根系分泌的有机酸和氨基酸浓度通过调节灌浆的时间或调节子粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性，实现对稻米品质的调控；而根系分泌物与土壤微生物又有复杂的关系，根系分泌物中的糖类、氨基酸及维生素等为植物根际微生物的生长和繁殖提供了充足的营养和能源，使微生物大量繁殖，根际微生物活性的提高和数量的增加促进了其产生的酶的活性［41］。此外，土壤环境和养分的变化对水稻根系的分泌与合成产生影响。根系细胞分裂素、脱落酸、乙烯合成前体、多胺和有机酸等化学物质对稻米品质，尤其是外观品质和蒸煮食味品质的形成有重要作用［42］。在水稻常规栽培中，生长后期常常养分供应不足，从而影响到籽粒灌浆过程中的碳代谢与氮代谢，导致灌浆速率变幅大、灌浆时间短等问题，最终使垩白增多。另一方面，养殖动物的活动影响水稻生长发育。动物在稻田中的活动，松动土壤，提高稻田土壤氧含量并促进活性有机还原物质的氧化，调优了水稻根系周边的微生态环境，有利于水稻根系生长和根系活力的提高［30，43］。研究表明，提高根系活性，可以延缓叶片中叶绿素的降解，维持较高的光合面积，增加灌浆物质，促进光合产物向籽粒运转，减少垩白［42］。稻鱼耦合与单一水稻栽培比较，养殖动物的分泌物、排泄物及活动会影响土壤酶的活性，从而改变土壤理化性状。例如，稻田养鳅在一定程度上降低了稻米总淀粉含量和蛋白质含量，而蛋白质含量降低有利于改善米饭的口感。这可能是由于养殖动物泥鳅的钻泥行为和代谢活动，相当于增加了土壤的透气性，以及使田间有机肥的投入量增加，土壤氧含量的增加也有利于好氧菌的生存繁殖，其中固氮菌就是一种对养分转化起关键作用的好氧菌［43］。但要探明稻田种养模式促进稻米品质改善的内在机理，仍需作深入的研究。

3.3 土壤水分的优化

（1）稻鱼共生耕作方式的变化使水体环境变优。稻田养殖推广水稻厢沟、垄作等栽培方式，在田间创建永久性或季节性小型生态厢沟，促进水稻正常生长前提下，稻田生态沟保持沟中有水，鸭群正常捕食，鱼群正常活动，全田运动，解决了水稻生长中后期鸭群不下田的难题；有利于腾水养鱼、请鸡下田，秸秆还田。生态上，免施农药，少施化肥，冬季培肥与养鱼肥田为主，不灌泡水田，以沟灌蓄水为主。这些措施有利于稻米质量的稳定和提高。研究表明，畦沟灌溉和干湿交替灌溉可以显著提高产量并改善稻米品质，根系和冠层性能的改善是上述两种灌溉方式增加产量和改善稻米品质的重要原因［44］。稻秆还田与干湿交替灌概可显著提高稻米的糙米率、精米率与整精米率，降低稻米的垩白米率、垩白度与直链淀粉含量［45］。特别是在土壤Cd污染条件下，与水层灌溉相比，轻干—湿交替灌溉可以增加产量和改善稻米的加工与外观品质［46］。稻鱼耦合由于多采用节水型稻田种养模式，即相当于“畦沟灌溉和轻干—湿交替灌溉”，在一定程度上，垄作使水稻生长处于一种中轻度水分胁迫的生长模式。例如，稻田养鳅模式中采用水稻垄作梯式栽培方式，促进了稻米外观品质的改善，提高了蒸煮品质中的碱消值，降低了稻米蛋白含量［3］。复合种养系统有可能是在养分增多与连续淹水的共同作用下，调控了相关酶的活性，使稻米的垩白减少。

（2）田间养殖沟水体水质的调控。稻田种养需调节水质和水温，以满足鱼类的生长。稻鱼共生，结合鱼类的生长，在夏秋季需定时对田间水体换水调节、调控水质，降低水体温度，使鱼类安全越夏；并通过人为诱食投喂，吸引鱼类、禽类向田间不同的方位运动，以增加水中的溶氧量，降低水温，从而起到调优田间的生态系统功能的效果。

4 小结

稻田种养复合生态系统影响水稻的产量及稻米品质。目前的研究表明，稻田复合种养可提高稻米品质和所养殖动物的肉品质。由于水生动物的引入，“稻+”各因子互作改变了稻田生态系统格局，表现在改善田间温度、光照、土壤肥力状况、氧化还原电位、重金属情况、水体溶氧状况、微生物种群及数量、稻米淀粉和蛋白质相关合成酶的活性以及益害虫种群等。但是，另外的原因如养殖密度大小、饲料投入、动物粪便的产生，稻田土壤可能存在持续厌氧还原、氮素富营养的状况，稻田环境污染风险亦有增加的趋势。因此，需要科学评价“稻+”各要素互作下的稻田生态系统的变化情况。还需要基于田间设施技术、耕作方式优化、种养耦合协同技术、肥料调控技术、种类品种搭配技术等，提出综合种养的生态系统可持续调控途径和措施，以达到提高水稻产量和改善稻米品质的效果。同时，基于稻田生态系统自身存在地域、时间和耕作习惯等方面的差异性，应因地制宜提出区域间的复合种养最佳技术模式。

常规稻作生产以大量化肥、农药投入为主要手段，虽然确保了水稻稳产高产，满足了人们的温饱需求，但给稻田生态安全、环境健康和农产品食用品质带来一定的污染，影响了农业的可持续发展［47］。稻米品质优劣是水稻品质相关基因与环境条件综合作用的结果［10］。高效稻鱼综合种养下，稻田生态系统的建立和调节措施包括选择优质水稻品种、保护改善产地环境、优化放养动物种类、合理的耕作方式和栽植密度、优化栽培管理和养殖管理等，应统筹运用这些技术措施来提升稻米的品质，使得效益最大化。