稻虾生态种养和机插密度对优良食味粳稻产量与品质的影响

董明辉，顾俊荣，李锦斌，王冬明，宋云生，陈培峰

（1江苏太湖地区农业科学研究所，江苏苏州 215106；2扬州大学，江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点，江苏扬州 225009；3上海海丰大丰种业有限公司，江苏盐城 224000；4常熟市古里镇农技推广服务中心，江苏苏州 215515）

0 引言

稻田生态种养能够将水稻种植与水产、禽类结合起来，利用稻田的立体结构和微生态环境，实现稻渔（牧）互利共生和稻田稳产高效，不仅满足人们对优质健康绿色农产品的需求，而且有效减少农药化肥的投入，减轻农业面源污染，改善农田生态环境[1]。由于稻田生态种养稳粮增效、促进农民增收，21世纪以来得到较好的转型发展[2]。其中稻虾生态种养是目前国内应用面积最大、总产量最高的稻渔综合种养模式[3]。因此开展不同生态区域生态种养稻作技术的研究与机理解析，具有重要的理论意义和实践价值。尽管近年来开展了稻田综合种养技术与模式的研究，但研究大多侧重于生态效应方面的研究[4-5]，不同稻渔、稻牧种养模式间水稻生长的生态效应差异大。尽管稻虾生态种养规模最大并发展势头仍然较为强劲，但围绕稻虾种养模式水稻生理生长特性的研究并不多，研究结论也不完全一致。

关于稻虾生态种养对水稻产量性状的影响，有研究表明长期稻虾共作提高了稻谷、稻草及地上部氮素、磷素和钾素养分累积量及其农学利用率，水稻每穗总粒数与稻谷产量增加[6]；有研究认为长期稻虾共作模式下产量增加主要是通过有效穗数增加来实现的，氮肥偏生产力、氮肥农学效率以及氮肥表观利用率分别不同程度提高[7]；但也有不同的研究结论，稻虾和稻渔种养模式下水稻穗数少于对照，而每穗粒数、结实率和千粒重与对照差异较小[8]。稻渔种养模式对水稻生长与生产性状的影响也存在不同的研究结论，有研究结果表明稻渔共作降低了茎蘖成穗率、穗粒数和结实率，但粒重增加，其明显的差异特征在于稻渔共作下稻田水层的加深对水稻生长而言有利有弊，稻渔共作下水稻生育期延长，籽粒灌浆历期增加，冠层功能叶不早衰，粒重增加，但长期淹水茎蘖成穗率过低，有效穗数不足，根系活力降低影响穗粒数形成和安全结实[9]，但也有稻渔共作显著增加穗数和籽粒产量截然不同的结论[10-11]。生态种养对水稻生长的影响受种养模式、水稻品种类型、播期迟早、生态气候等综合因素的影响[12]。已有研究表明稻虾共作有利于提高整精米率、降低垩白度和垩白粒率，崩解值增加，消减值降低，稻米的食味性状得到改善[13-14]，但研究报道并不多，更鲜见关于稻虾种养稻米品质差异形成的生理探析。

因此，本研究围绕太湖地区生态区域特点和产业需求，以水稻丰产优质高效为切入点，进行品种产量、品质性状综合比较研究与评价。通过研究，探明太湖地区稻虾种养模式下稻田土壤生态理化特性演变规律，提出稻虾生态种养模式下适宜优良食味水稻品种、氮肥运筹模式和机械化种植技术，集成适宜于太湖地区稻虾生态种养规模化和产业化栽培技术体系。

1 试验设计与材料

1.1 试验地点与土壤

试验于2017—2018年在常熟市古里镇坞坵村江苏省（常熟）稻麦科技综合示范基地进行，其中稻虾生态种养稻田于2016年开始实施一稻两虾模式，稻虾种养前稻虾田与常规稻田属于相邻的丘块，基础地力一致。因两年趋势一致，本研究中列出了两年的产量数据，稻米品质以2018年数据进行分析。

1.2 试验设计

试验采用三因素裂区试验，其中稻作模式(T)为主区，栽插密度(D)为裂区，品种(V)为小裂区，每种处理2个重复。稻作模式设置稻虾种养(T1)和大田常规高产栽培(T2)，机插密度分别为株行距14 cm×30 cm(D1)和株行距12 cm×30 cm(D2)。选用当地主栽的中低直链淀粉含量的优质食用粳稻品种（品系）‘南粳46’(V1)、‘ 嘉 58’(V2)、‘ 苏 1785’(V3)、‘ 苏 1716’(V4)、‘ 沪 软1212’(V5)为材料，V1～V5全生育期分别为165、160、143、152天和158天。稻虾共作田小区面积为675 m2(15 m×45 m)，大田常规高产栽培小区面积为200 m2(10 m×20 m)。

两种模式稻作试验田施氮量均为240 kg/hm2，按照基蘖肥：穗肥7:3比例施用，其中25%为有机肥作基肥一次性施用，追肥以复合肥或尿素，其中基肥:蘖肥=7:3，基肥于移栽前1～2天施用，蘖肥分两次按5:5比例施用；穗肥分两次按7:3比例施用。磷肥用量折合成P2O5为90 kg/hm2，作基肥一次施用。钾肥按基肥:穗肥=6:4施用，钾肥总用量折合成K2O为180 kg/hm2。每处理3次重复。

试验材料两年均于5月25日育秧，2017、2018年分别于6月18日、20日移栽。小龙虾放养初期，田水宜浅。插秧后15～20天开始搁田，应轻搁，水位降低到田面露出即可。复水后水深控制在12～15 cm，一般每3～5天加注新水1次；盛夏季节每1～2天加注1次新水。成熟期及时落水干田，以便收割。一稻两虾模式中稻前虾虾苗按照90000尾/hm2密度于4月中上旬投放稻田环沟，5月底6月初捕获龙虾；稻中虾虾苗按照60000尾/hm2密度于水稻移栽前7天左右投放到暂养沟，待秧苗活棵后提高水位，保持水层，8月份中下旬捕获。

水稻成熟后测定产量并收获稻谷待品质分析。

1.3 测定项目

1.3.1 产量结构与品质 将各样本统一用NP-4350型风选机等风量风选，在自然条件下风干2-3个月后测定粒重及米质。随机数500粒称重，重复3次，计算千粒重；参照中华人民共和国国家标准《GB/T 17891—1999优质稻谷》测定稻米的加工品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质。采用RVA-4型快速黏度分析仪（Newport Scientific仪器公司生产，澳大利亚）测定RVA特征谱值，用TCW(Thermal Cycle for Windows）配套软件进行分析。

1.3.2 土壤理化分析 于2017年水稻移栽前进行土壤样品的采集，在两个稻作模式的稻田耕作层采集土样，采样方式采取S形采样法，每个处理3次重复；采集土样去除物残根和石块并混匀，风干土样一部分过20目和100目，进行相关指标的测定。

土壤pH采用土:水=1:5酸度计法，土壤全氮采用半微量凯法测定，全磷采用H2SO4-HClO4消煮钼锑抗比色法，全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法，土壤碱解氮采用碱解扩散法，速效磷含量采用Olsen法测定，速效钾用中性NH4Ac浸提-火焰光度法测定，铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用酚二磺酸比色法测定。

本试验数据均用Microsoft Excel 2007和DPS(Data Processing System)进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同稻作模式下稻田土壤理化性状的差异

两种不同稻作方式稻田土壤试样分析列于表1，经过稻虾种养方式处理后，稻田中土壤有机质和全氮、全磷、全钾含量均高于常规稻田，前者比后者分别提高了83.7%、23.4%、7.9%和6.3%，除全磷含量无显著差异外，有机质和全氮、全钾均达显著差异。稻虾共作增加了土壤pH，但差异不显著。与常规稻田比较，稻虾共作稻田中NH4+-N含量降低了5.0%，未达显著水平，NO3--N和碱解氮的含量则显著增加，分别提高了9.2%和94.8%；有效磷和速效钾的含量也显著增加，分别提高了22.6%和141.0%。

表1 稻虾种养模式对土壤理化性状的影响

2.2 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

两种稻作方式对供试品种（系）籽粒产量及构成因素有较大的影响（表2），2017和2018年稻虾种养模式下水稻产量较大田常规栽培分别降低5.74%和3.71%。分析产量构成因素，稻虾种养模式下显著增加了有效穗数，两年分别提高了2.14%和2.89%；但各品种的每穗粒数、结实率和千粒重均显著地降低，两年分别降低了1.79%、3.87%、2.22%和1.84%、3.83%、2.30%。总体上来讲，品种V1、V4和V5的产量无论是在大田种植模式还是稻虾种养模式下均较其他品种要高，其中均以品种V1最高。

表2 不同稻作模式和栽插密度对水稻产量及其构成的影响

续表2

栽插密度对供试品种（系）的产量及构成因素影响也较大，低密度D1处理比高密度D2处理的产量极显著降低，前者比后者两年分别降低9.80%和9.48%。各产量因素中除千粒重没有差异外，与D2相比，两年D1处理有效穗数分别降低了15.0%和14.58%，但每穗粒数和结实率两年分别增加了5.90%、5.74%和0.34%、0.45%，均达极显著水平。

通过进一步方差分析表明（表3），种植模式×栽插密度、种植模式×栽插密度×品种间的互作对每穗粒数的影响达到极显著和显著水平；而密度×品种互作极显著地影响了穗数与产量水平。一方面说明不同的稻作模式下或不同品种类型，通过调节种植密度可以调控每穗粒数；同时也说明根据品种的特性，可通过不同的种植模式和栽插密度，调节有效穗数，从而实现目标产量。

表3 产量与产量构成因子方差分析表

续表3

2.3 不同处理对稻米品质的影响

2.3.1 不同处理对稻米加工品质和外观品质的影响 供试品种的加工和外观品质在不同的种植模式和栽插密度下存在差异（表4）。两种种植模式显著地影响了稻米的外观品质，与大田常规种植条件比较，稻虾种养模式的垩白粒率和垩白度显著降低了10.14%和15.71%。但是两种栽插栽插密度之间差异较大，低密度D1处理与D2比较，除了出糙率无差异外，精米率和整精米率前者均极显著或显著高于后者，分别增加3.95%和7.31%。该试验条件下，低密度种植显著降低了稻米籽粒的垩白粒率和垩白度，分别较D2降低了12.76%和16.35%。不同品种间比较，无论是在稻虾种养模式还是大田常规栽种模式下，品种V1、V5、V4、V2的整精米率较高，其中尤以品种V1最高。垩白度性状，在稻虾共作模式下，V1、V2外观较好；大田种植模式下V1、V2外观较好，其次是V4、V5。

表4 不同稻作模式和栽插密度对稻米加工与垩白性状的影响

续表4

进一步对上述品质性状进行方差分析（表5），结果表明种植模式×品种之间存在互作效应，其对垩白度的影响达到显著水平。

表5 加工与垩白性状方差分析表

续表5

2.3.2 不同处理对稻米蛋白质含量和蒸煮食味品质的影响 5个供试品种在不同的处理下籽粒蛋白质含量和蒸煮食味品质表现出差异（表6）。两种种植模式下，稻虾种养处理与大田常规种植比较，前者的籽粒蛋白质含量和直链淀粉含量比后者分别高出3.81%和2.83%，崩解值和糊化温度亦分别高出5.14%和0.83%，而消减值则降低11.63%。低密度栽插与高密度栽插相比，蛋白质和直链淀粉分别高出1.89%和2.83%，崩解值和糊化温度亦分别高出5.49%和1.11%，而消减值则降低2.59%。结果说明，稻虾种养模式或适当降低密度条件下蛋白质含量略有增加，但稻米的食味性状有所改善。

表6 不同稻作模式和栽插密度对蛋白质和蒸煮食味品质的影响

分析比较各品种蛋白质之间的差异，数据显示品种V1和V5蛋白质含量较其他品种低；直链淀粉含量则以V2品种最高；胶稠度显示在稻虾种养模式下，以品种V1最大，V4、V5次之；崩解值在稻虾种养模式下以品种V3和V1较高，大田常规种植以V3最高；消减值则是在稻虾种养模式下以V3最低，V1次之，大田种植模式下则是以V5最低；糊化温度则是两种种植模式下均以V3最高。结果显示品种V1的食味性状最好、最稳定，其蛋白质含量也是在供试品种中最低，说明较高蛋白质含量影响稻米的食味性状。

对上述品质性状进一步方差分析（表7），结果表明除糊化温度外，种植模式×品种之间的互作对蒸煮食味和营养品质性状的影响达到极显著差异，说明稻田种养模式下选用适宜的食味稻米能有效提高稻米的食味品质；种植模式×密度×品种之间的互作对蛋白质和消减值的影响分别显现极显著和显著差异。

表7 蛋白质与蒸煮食味指标方差分析

续表7

2.4 品质性状间的相关分析

对品质性状进行相关分析，表8结果显示，出糙率、精米率分别与垩白度呈显著和极显著负相关（R分别为-0.487*、-0.748**），整精米率与垩白粒率、垩白度分别呈极显著的负相关（R分别为-0.652**、-0.855**）；出糙率和整精米率分别与蛋白质呈现显著负相关（R分别为-0.532*、-0.473*）；精米率、整精米率分别与直链淀粉呈显著与极显著负相关（R分别为-0.455*、-0.582*）；整精米率与糊化温度呈现极显著负相关(-0.681**)。垩白粒率与直链淀粉、糊化温度分别呈显著与极显著正相关（R分别为0.506*、0.570*），与消减值呈显著负相关(R=-0.470*)；垩白度则分别与直链淀粉、崩解值、糊化温度呈现显著与极显著正相关（R分别为0.537*、0.463*、0.736**），与消减值呈极显著负相关(R=-0.565**)；蛋白质与胶稠度呈显著负相关(R=-0.512)，与糊化温度呈显著正相关(R=0.444)；直链淀粉与消减值呈显著负相关(R=-0.467)；崩解值则与消减值呈极显著的负相关。

表8 品质性状间的相关分析

3 讨论与结论

3.1 稻虾种养与水稻产量形成及其产量结构形成的关系

不同的稻作模式稻田土壤地力条件存在较大差异[1]，张艳峰等[15]提出因应稻田土壤肥力水平采用不同的栽培技术模式实现高产。尽管虾稻种养全国规模较大，但现有文献中有关稻虾种养水稻生长特性研究报道并不多，研究的结论也不尽一致，杨勇等[16]研究稻渔共作发现稻株基部节问长度增大，节间数增多，植株重心上移，后期根系活力降低等特征，茎蘖成穗率、穗粒数和结实率下降，产量降低；张剑等[17]研究表明稻渔共作显著增加水稻分蘖期和灌浆期的叶片氮含量，延长分蘖期，显著提高成穗率和产量，其结论的差异有可能与水稻品种、稻渔共作下的时间、空间等多种效应有关。稻虾共作下水稻表现什么样的生长和产量特性，目前没有一致的结论。彭成林等[6]研究了长期稻虾共作模式对直播稻产量影响，结果表明与水稻单作相比，稻虾共作主要通过有效穗数的增加大幅提高水稻产量，且氮肥利用率明显提高；但姚义等[18]研究了4种稻作模式下，稻虾共作的实收单产则要低于稻鸭共作和常规稻作方式。

稻虾共作田除搁田（轻搁，水位降低到田面露出即可）外，长期淹于水下，水稻在10～20 cm渐深的水层中生长达100天以上。由于小龙虾的个体较小，稻虾共作的田间水分管理既不同于常规栽培和稻鸭共作水分管理[19]，也不同于稻鱼、稻蟹共作深度水层的管理[16-17]。本试验条件下，稻虾共作前期浅水灌溉，分蘖后期轻度搁田，水稻的分蘖能力增强，分蘖数明显增加；龙虾在稻田的活动和新陈代谢的排泄物，提升了土壤有机质和土壤肥力，水稻生育前期生长迅速，生育期有所延长（数据略），这与杨等的研究较为一致[16]。蔡晨等[20]研究表明长期稻虾轮作有助于改善耕层土壤结构、增强土壤缓冲能力。试验结果表明，稻虾共作水稻亩有效穗数显著增加，但供试品种的茎蘖成穗率、穗粒数、结实率和千粒重则出现显著降低，尤其结实率降幅最大。究其原因，可能在于长期处于淹水条件之下，尤其是生育中后期，导致水稻根系活力下降，这与张荣萍等[21]研究得出长期淹水不利于水稻根系生长，根系生理活性低、易衰老的结论一致。陶龙兴等[22]指出根系活力下降则导致籽粒灌浆不良，势必影响到穗粒数的形成和籽粒的安全结实。

本研究还表明在稻虾共作模式下，与常规栽插密度比较，宽窄行低密度机插虽然降低了有效穗数和产量，但籽粒的结实率和每穗粒数则显著增加，且种植模式、栽插密度和品种之间存在互作效应，说明在稻虾模式下可以根据品种的特性，适当减少栽插密度，平衡好穗数和穗粒数、结实率的关系，可实现水稻的安全稳产。试验表明稻虾种养结合提升了稻田土壤地力，这与张艳峰等[15]提出在稻田肥力水平高时，超级稻宜采用“大宽行窄株”栽培模式，主攻大穗优势；肥力水平中低时，以“宽窄行”栽培产量表现更佳的结论不谋而合。

3.2 稻虾种养与稻米品质形成的关系

稻米品质的形成除了遗传因素外，主要受气候生态条件、土壤生态条件以及栽培技术等多重因素的影响[23-24]。大量研究表明，稻田综合种养有利于改善稻米的品质[8,12-13]，但相关机理则缺少研究。从现有关于稻虾共作模式下稻田土壤理化特性研究报道来看，研究结果略显不同。朱杰等[25]研究认为稻虾共作模式显著提升水稻抽穗期稻田土壤中硝态氮、全氮及全碳的含量，但对土壤碳氮比、碱解氮和铵态氮含量没有显著影响；并认为对微生物多样性指数没有显著影响，但显著增加了微生物丰富度指数，改变了稻田土壤nirK反硝化微生物在目、科、属、种的群落结构。而蔡晨等[20]研究指出，土壤全氮含量与速效养分随着轮作年限延长均表现出逐渐增加的趋势，表明长期稻虾轮作有利提高土壤速效养分，有助于改善土壤通透性、提高土壤肥力和增加农业产出效益。本研究表明，在稻虾连作下稻田耕作层土壤除NH4+-N降低外，NO3--N、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著高于常规稻田，这与蔡晨的研究是一致的。

关于土壤理化性状与稻米品质的关系，有研究表明土壤速效磷和有效钾增加有利于垩白粒率和垩白度的降低[22]，在本试验稻虾种养条件下稻米的垩白粒率和垩白度降低，其原因可能与土壤中有机质和速效磷、有效钾含量的增加密切相关，这与曹凑贵等[26]的研究较为一致。同时，小龙虾在稻田的活动，增加了稻田微生物的种类和数量，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，有利于水稻根系生长和根系活力的提高，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[27]。通过相关分析表明蛋白质含量与胶稠度呈显著负相关，与糊化温度呈显著正相关，说明蛋白质含量增加稻米食味性变差。因此，长期稻虾共作稻田土壤理化性状大幅改善前提下，水稻生长期应适当减少肥料的投入，降低蛋白质含量，改善稻米食味品质。稻虾共作下稻米直链淀粉含量、崩解值增加，消减值降低，可能在于长期淹水根系分泌乳酸过多导致[28]；但也有研究认为，稻虾轮作期间，小龙虾排泄物在一定程度上增加了表层土壤易氧化有机碳的来源[26]；其次小龙虾活动对稻田起到中耕的效果，促进水稻根系正常生长，进而增加根系有机分泌物量和土壤稳定态腐殖质向易分解态转化[29]。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[30]。但是根系分泌的有机物质与根际土壤中微生物之间也存在较为复杂的关系，两者均对水稻米质形成有调控作用，其机理不甚清晰，有待进一步的研究。

在稻虾种养模式下，宽窄行栽插有效降低了稻米的垩白粒率和垩白度，改善了外观品质；提高了精米率和整精米率，究其原因一方面可能与低密度栽插改善了田间的通风透光状况，另一方面增加了小龙虾在稻田的活动空间，小龙虾在稻田的掘穴行为改变了土壤的通气特性，加快了有机物质在有氧和厌氧界面的交换过程，从而使土壤深层中相对难降解的有机物逐渐被好氧微生物降解，促进土壤有机碳的转化[31]，进而改善稻米的米质。

4 结论

稻虾种养有效地改善了稻田土壤生态和土壤理化特性，明显提高稻田土壤有机质和全氮、全磷、全钾含量，降低了稻田中铵态氮含量，显著增加了硝态氮、碱解氮和有效磷和速效钾的含量。稻虾种养对水稻的产量性状和米质均具有较大调控作用，但因不同品种、不同栽插密度等栽培方式不同而异，其增加了有效穗数，但穗粒数和结实率降幅大，导致产量降低；稻虾种养改善了稻米外观品质，稻米的食味性状得到改善。稻虾共作与品种、密度之间存在互作效应。采用稻虾种养模式宜选用适宜的优良食味品种，适当减少氮肥用量和栽插密度能友好协调稻谷稳产与食味品质的关系。