氮肥减施对稻田综合种养水稻产量和品质的影响

李京咏 戴林秀 彭翔 杨谦 徐强 窦志 高辉

（江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农学院/水稻产业工程技术研究院，江苏 扬州 225009；第一作者：825623486@qq.com；*通信作者：gaohui@yzu.edu.cn）

水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量和品质影响着我国农产品量质安全[1]。据联合国粮食及农业组织（FAO）预测，随着世界人口持续增长，到2050 年，全球粮食需求量将提高70%~100%，人类对作物蛋白质的需求将增加110%[2]。氮肥是影响水稻产量和品质形成的重要因素。过量施用氮肥不仅不利于水稻增产和品质提升[3]，也加剧农田土壤酸化、地下水污染和全球变暖等环境问题[4-6]。前人关于氮肥施用对水稻产量和品质影响的研究主要集中于传统稻作模式[7-8]，较少关于稻田综合种养模式的研究报道。

稻田综合种养是亚洲地区应用较为广泛的一种生态稻作模式[9]，其以水稻种植为基础，通过水产、禽类动物田间活动减少病虫草害发生，在有效减少施肥量的同时提高水稻产量和稻米品质[10-11]。近年来，在我国应用较多的是稻虾、稻鱼综合种养模式，2020 年面积分别达126 万hm2和100 万hm2，两者合计占比超过了88%[12]。前人研究发现，稻田综合种养通过改变养分循环特征使得水稻养分吸收发生变化，从而影响产量和品质形成，而氮素是最主要的因素之一[13]。研究表明，稻田综合种养具有化肥减量效应[14]，其所需施氮量一般比水稻单作低13%~44%[15]。彭成林等[16]在江汉平原地区研究发现，在相同施氮量下，稻虾共作有助于促进水稻增产。HU 等[17]研究发现，在稻蟹综合种养模式下水稻可通过吸收饲料氮和螃蟹排泄物来达到氮素循环利用。YANG 等[18]在上海崇明岛的研究发现，相比水稻单作，稻鸭综合种养模式在同一施氮量下比水稻单作更能有效提高水稻有效穗数、结实率、千粒重和产量，而每穗粒数有所下降。但也有研究发现，当稻田综合种养施氮量比水稻单作低30%时，水稻有效穗数和每穗粒数减少，导致水稻产量降低[19]。在稻米品质方面，ZHAO 等[20]在辽河三角洲的研究发现，当稻蟹综合种养模式下施氮量（纯N 用量，下同）超过210 kg/hm2时，稻米精米率、蛋白质含量和食味值下降，垩白粒率和垩白度上升。然而，另一项研究则发现，长期稻鱼共作能有效提高水稻糙米率和蛋白质含量，降低直链淀粉含量[21]。而车阳等[22]在长江三角洲地区的研究发现，当稻田综合种养水稻施氮量低于水稻单作时，其糙米率、精米率和整精米率均有所降低。以上研究表明，施氮对于稻田综合种养模式下水稻产量和稻米品质的影响各不相同，这为稻田综合种养在全国的推广应用带来了挑战。尽管水产、禽类动物残余的饲料和粪便还田对土壤的培肥效应有助于提高水稻产量和稻米品质，但相比于传统水稻单作，稻田综合种养通常会减少化肥（主要是氮肥）施用，这对于水稻产量和稻米品质的影响存在一定矛盾。

基于此，本研究收集了国内2009—2021 年有关稻田综合种养模式下水稻产量和稻米品质的田间试验文献数据，采用整合分析方法，系统分析了不同施氮量对各模式下水稻产量和稻米品质的影响，阐明了在不影响水稻产量的前提下各综合种养模式的合理减氮范围，旨在为不同模式合理氮肥减施和促进水稻增产提质提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究基于已发表的文献数据进行分析，在中国知网（CNKI）和Web of Science 等文献数据库中通过设置“稻田综合种养（integrated farming of rice and aquaculture animals）”“稻鱼共作（rice-fish coculture）”“稻鳅共作（rice-loach coculture）”“稻虾共作（rice-crayfish coculture）”“稻蟹共作（rice-crab coculture）”“稻鳖共作（rice-turtle coculture）”“稻蛙共作（rice-frog coculture）”“稻鸭共作（rice-duck coculture）”“水稻产量”和“稻米品质”等关键词进行检索，并根据以下条件进行文献筛选：

1) 试验地点位于我国境内，研究对象仅为水稻；

2) 稻田综合种养试验为室外进行的大田试验，不包括盆栽、鱼缸、帆布养殖池、水泥池、池塘等；

3) 试验必须包含对照处理（即水稻单作），施氮处理中必须有明确的施氮量；

4) 研究内容至少包含水稻产量及其构成因素或稻米品质指标中的1 项。

从文献中收集的主要信息包括：研究区地理位置，供试水稻品种和动物类型，施氮量，水稻产量，产量构成因素和稻米品质各指标。水稻产量构成因素指标主要包括有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重；稻米品质指标主要包括加工和外观品质（糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度）、蒸煮和营养品质（蛋白质含量、直链淀粉含量和胶稠度）。根据动物类型将稻田综合种养分为：1）甲壳类，供试动物包括小龙虾和大闸蟹；2）鱼类，供试动物包括泥鳅、鳝鱼、鲫鱼和鲶鱼；3）两栖类，供试动物包括甲鱼、虎纹蛙和青蛙；4）水禽类，供试动物包括水鸭和麻鸭（表1）。经筛选，符合条件的文献共计111篇，其中水稻产量有效数据166 组，稻米品质有效数据71 组。试验年份跨度从2009 年至2021 年。由于稻田综合种养大田试验地点主要分布于长江中下游地区，本研究参照农业农村部水稻施肥指导意见（http://www.moa.gov.cn/xw/zxfb/202203/t20220329_6394524.htm）对施氮量进行划分，主要分为0~150、150~180 和>180 kg/hm23 个施氮区间。

表1 主要综合种养类型、分布及样本数

1.2 数据处理与统计分析

参照SC/T 1135.1-2017《稻渔综合种养技术规范第1 部分：通则》[23]的要求，本研究设定稻田综合种养水稻产量不低于7.5 t/hm2的限值条件，由此确定了在保证水稻产量的前提下，稻田综合种养相比于水稻单作的适宜减氮范围（图2）。

本研究采用Excel 2016 处理数据，采用SPSS Statistics 23 对稻田综合种养和水稻单作不同施氮区间下的水稻产量及其构成因素和稻米品质指标进行方差分析，采用GraphPad Prism 8 进行绘图和数据差异性分析（配对T 检验）。

2 结果与分析

2.1 施氮对水稻产量及其构成因素的影响

2.1.1 施氮对稻田综合种养水稻产量及其构成因素的影响

稻田综合种养模式下的水稻有效穗数、每穗粒数、结实率、千粒重和产量均比水稻单作高（图1 A-E），分别平均增加5.13%、1.12%、3.34%、2.57%和2.71%，水稻有效穗数、每穗粒数和结实率差异均不显著，而千粒重和产量的差异达到极显著水平。总体来看，相比于水稻单作，综合种养的水稻产量及其构成因素均有所提高，体现出一定的稳粮效果。对施氮量和水稻产量及其构成因素进行线性拟合（图1 F-J），水稻有效穗数、结实率、千粒重和产量均随着施氮量的增加而增加，而每穗粒数则随着施氮量的增加而降低。综合种养水稻和水稻单作产量及其构成因素各指标的拟合方程交点均超过了314 kg/hm2，在此施氮量以内，等氮用量下综合种养水稻的增产潜力更大。

图1 不同施氮量对水稻产量及其构成因素的影响

从表2 可见，综合种养和单作的水稻有效穗数、结实率、千粒重和产量在不同施氮区间下均具有极显著差异，而每穗粒数的差异未达到显著水平。各施氮区间下的综合种养水稻产量分别为7.23、7.54 和8.51 t/hm2，分别比水稻单作增加10.21%、9.27%和3.65%。其中，水稻有效穗数和结实率受施氮的影响较大，各施氮区间下的综合种养水稻有效穗数分别为246.83、270.59 和319.68 万/hm2，分别比水稻单作增加0.33%、8.67%和5.26%；各施氮区间下的综合种养水稻结实率分别为79.26%、82.09%和87.84%，分别比水稻单作增加3.37%、3.42%和3.62%。通过对比发现，在0~150 和150~180 kg/hm2施氮区间时综合种养对于水稻产量的增幅较大，在150~180 kg/hm2施氮区间综合种养对于水稻有效穗数和结实率的增幅较大。可见，150~180 kg/hm2的施氮量更利于综合种养水稻高产的形成。

表2 不同施氮量对综合种养和单作下水稻产量及其构成因素的影响

2.1.2 不同综合种养模式下施氮对水稻产量及其构成因素的影响

由图2 可知，相比于水稻单作，甲壳类、鱼类、两栖类和水禽类综合种养模式的减氮范围上限分别是26.24%、21.64%、14.04%和41.94%，在此减氮范围内可确保水稻产量不低于7.5 t/hm2。具体来说，甲壳类（图3 E）和水禽类（图3 T）综合种养模式对水稻产量的促进作用更大，分别平均增加9.27%和9.95%。除>180 kg/hm2施氮区间下鱼类水稻产量（图3 J）和150~180 kg/hm2施氮区间下两栖类水稻产量（图3 O）略低于水稻单作外，其他各综合种养模式在3 个施氮区间的水稻产量均高于水稻单作，其中，在150~180 kg/hm2施氮区间下甲壳类和水禽类综合种养模式水稻产量较水稻单作分别显著增加19.00%和15.40%；在0~150 kg/hm2施氮区间下鱼类综合种养模式水稻产量较水稻单作极显著增加27.00%；在>180 kg/hm2施氮区间下两栖类综合种养模式水稻产量较水稻单作显著增加16.30%。

图2 各稻田综合种养模式相比于水稻单作的合理减氮范围

图3 施氮量对不同综合种养模式下水稻产量及其构成因素的影响

甲壳类综合种养模式各施氮区间水稻有效穗数、每穗粒数和水稻单作相比均有一定程度的降低（除>180 kg/hm2的有效穗数外），而结实率和千粒重均有所提高（图3 A-D），其中150~180 kg/hm2和>180 kg/hm2施氮区间下的结实率在不同稻作模式间的差异达到了显著水平。鱼类综合种养模式不同施氮区间下水稻有效穗数和结实率均低于水稻单作，而千粒重却有所增加，且在0~150 和>180 kg/hm2施氮量下差异达到显著和极显著水平（图3 F-I）。两栖类综合种养模式不同施氮区间下的水稻有效穗数比水稻单作增加2.50%~6.30%，差异不显著；0~150 kg/hm2和150~180 kg/hm2施氮区间下综合种养水稻的每穗粒数、结实率和千粒重分别比水稻单作降低1.47%~9.77%、1.12%~5.37%和3.31%~8.22%，差异不显著（图3 K-N）；而>180 kg/hm2施氮区间下这3 个指标却有所提高，其中结实率和千粒重的差异达到显著水平。水禽类综合种养模式不同施氮区间下的水稻有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重均高于水稻单作，增幅分别为1.08%~13.65%、2.72%~9.62%、2.78%~12.07%和1.54%~2.01%，在150~180 kg/hm2区间的增幅最大。

2.2 施氮对稻米品质的影响

2.2.1 施氮对综合种养水稻稻米品质的影响

由图4 可知，综合种养模式下水稻糙米率、精米率、垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量和蛋白质含量分别比水稻单作低0.20%、0.15%、13.81%、9.22%、5.81%和2.44%，而整精米率和胶稠度分别比水稻单作高1.91%和8.96%。两稻作模式间稻米直链淀粉含量差异显著，胶稠度差异极显著，其余指标差异均不显著。总体来看，相比于水稻单作，综合种养水稻的稻米外观、蒸煮和营养品质均有所提高，体现出一定的促进效果。进一步对施氮量和稻米品质指标进行线性拟合发现，稻米糙米率、精米率、整精米率和胶稠度均随着施氮量的增加而增加，而垩白粒率、垩白度和蛋白质含量均随着施氮量的增加而降低（图5）。从稻米加工品质来看，综合种养和水稻单作各指标的拟合方程交点均超过了225 kg/hm2，在此施氮量以内，等氮用量下综合种养对稻米加工品质的促进作用更大。从稻米外观品质来看，综合种养和单作水稻各指标的拟合方程交点均超过301 kg/hm2，在此施氮量以内，等氮用量下综合种养对稻米外观品质的促进作用更大。从稻米蒸煮和营养品质来看，综合种养和水稻单作各指标的拟合方程交点均超过180 kg/hm2，在此施氮量以内，等氮用量下综合种养对稻米蒸煮和营养品质的促进作用更大。

图5 施氮量对综合种养和单作模式水稻主要稻米品质指标的影响

2.2.2 不同综合种养模式下施氮量对稻米品质的影响

由图6 可知，与水稻单作相比，稻田综合种养在3个施氮区间下稻米加工品质都有不同程度提高，增幅为1.03%~5.21%；稻米外观品质则有不同程度减少，降幅为2.36%~9.69%；稻米蒸煮和营养品质有不同程度增加，增幅分别为3.86%~7.52%。

图6 施氮量对不同综合种养模式与水稻单作稻米加工和外观品质的影响

甲壳类综合种养模式各施氮区间糙米率、精米率和整精米率和水稻单作相比均有一定程度降低（除0~150 kg/hm2的整精米率外），而垩白粒率和垩白度随施氮量的增加呈先降后增趋势（图6 A-E），其中在0~150和>180 kg/hm2施氮区间下两模式间整精米率、垩白粒率和垩白度差异显著。在>180 kg/hm2施氮区间下综合种养的直链淀粉含量和蛋白质含量均低于水稻单作，而胶稠度则高于水稻单作（图7 A-C），两模式间胶稠度的差异显著。

图7 施氮量对不同综合种养模式与水稻单作的稻米蒸煮和营养品质的影响

鱼类综合种养模式在150~180 和>180 kg/hm2施氮区间的糙米率、精米率和整精米率分别比水稻单作增加0.25%~1.78%、0.94%~3.37%和1.41%~9.70%，而垩白粒率和垩白度分别比水稻单作降低4.91%~5.14%和2.83%~5.64%，但差异均不显著（图6 F-J）。直链淀粉含量和蛋白质含量均低于水稻单作（除150~180 kg/hm2的蛋白质含量外），而胶稠度则均高于水稻单作（图7 D-F）。其中在150~180 kg/hm2施氮区间直链淀粉含量与水稻单作有显著差异，在>180 kg/hm2施氮区间蛋白质含量和胶稠度与水稻单作有极显著差异。

两栖类综合种养模式在0~150 kg/hm2施氮区间的糙米率、精米率和整精米率分别显著高于水稻单作4.09%、5.83%和1.62%（图6 K-M）。在150~180 kg/hm2施氮区间的垩白粒率和垩白度均高于水稻单作，垩白度差异极显著（图6 N-O）。在各施氮区间稻米直链淀粉含量和蛋白质含量均低于水稻单作（除150~180 kg/hm2的蛋白质含量外），胶稠度则均高于水稻单作（图7 G-I）。其中，在150~180 kg/hm2施氮区间直链淀粉含量和蛋白质含量分别较水稻单作极显著降低9.49%和极显著提高4.67%；在>180 kg/hm2施氮区间胶稠度较水稻单作极显著增长4.86%。

水禽类综合种养模式各施氮区间糙米率、精米率和整精米率均高于水稻单作，垩白粒率和垩白度则均低于水稻单作（图6 P-T）。其中，在150~180 和>180 kg/hm2施氮区间糙米率和精米率较水稻单作分别显著增加2.44%~5.70%和5.54%~5.88%。在各施氮区间稻米直链淀粉含量均低于水稻单作，而蛋白质含量和胶稠度则均高于水稻单作（除150~180 kg/hm2的蛋白质含量外）（图7 J-L），其中，在150~180 kg/hm2施氮区间直链淀粉含量和蛋白质含量较水稻单作分别显著降低2.74%和10.24%。

3 讨论

“十三五”期间，我国稻田综合种养产业蓬勃发展，仅稻渔综合种养面积即已突破256.3 万hm2。预计“十四五”期间，受耕地保护硬措施、有限水资源等的影响，稻田综合种养产业规模将保持稳定，向着稳粮兴渔与提质增效方向发展。近年来，研究者分析了各综合种养模式对水稻产量和品质的影响[24]，然而缺乏大尺度视角下的施氮对综合种养模式下水稻产量和品质影响的研究。本研究定量分析了全国范围内氮肥施用对稻田综合种养水稻产量及稻米品质的影响，发现在一定施氮量范围内，等氮用量下综合种养相比于单作对水稻增产提质的作用更大，综合种养模式下合理减施氮肥不会使水稻的产量和品质受到威胁。

本研究发现，当施氮量<314 kg/hm2时，等氮用量下稻田综合种养比水稻单作更能促进水稻增产。有研究表明，稻虾共作模式单位面积碳足迹、单位产值碳足迹和单位NDU 碳足迹均低于水稻单作[25]，NH3挥发量也较低[26]，氮素在土壤中沉积，使得综合种养模式下土壤全氮和速效氮含量均有所提升，同时也增加了土壤微生物多样性，有助于促进水稻增产[27]。长期综合种养还可以增加土壤中总有机碳[28]、颗粒有机碳以及水溶性有机碳含量，提高土壤微生物碳库容[29]。GUO 等[15]研究表明，稻田综合种养投入的饲料仅有一小部分被动物消耗，而大部分会被土壤微生物分解，释放氮素供水稻吸收。此外，在本研究中，综合种养与单作模式均表现为水稻每穗粒数随施氮量增加而减少，原因可能是由于产量构成因素间的相互制约[30]，也可能是不同水稻品种间氮素利用率差异等原因所致[31]。

不同施氮量对不同综合种养模式下水稻产量及其构成因素的影响不同。甲壳类综合种养模式会使得水稻有效穗数和每穗粒数减少，这可能是因为养殖甲壳类动物需要深水环境，致使水稻分蘖数降低，从而导致有效穗数和每穗粒数减少[22]，但该模式可通过提高结实率和千粒重来提高水稻产量，在150~180 kg/hm2施氮区间下的促进作用最大。HU 等[17]研究发现，相比水稻单作，稻蟹共作由于残余螃蟹饲料以及螃蟹排泄物积累，使得该模式下土壤和水中含氮量提高，可在减少化肥投入量的同时促进水稻增产。鱼类综合种养模式会使得水稻有效穗数和结实率减少[32]，这同样可能是因为深水环境带来的影响，但该模式可通过提高千粒重来提高产量，在0~150 kg/hm2施氮区间下的促进作用最大。前人研究发现，在稻鱼共作中，当肥料氮∶饲料氮=3∶1 时，其氮素利用率达到90%以上，能有效促进水稻增产[33]。两栖类综合种养模式可通过提高水稻有效穗数来提高水稻产量，在>180 kg/hm2施氮区间可促进水稻每穗粒数、结实率和千粒重来提高水稻产量[34]。水禽类综合种养模式在3 个施氮区间下对水稻产量构成因素均有所促进，从而可有效提高水稻产量[18]。

在稻米品质方面，本研究发现，当施氮量在150~180 kg/hm2范围内时，等氮用量下综合种养比单作更能促进稻米品质提升。陈灿等[35]研究发现，综合种养下土壤微生物的增加不仅能增加土壤酶的数量，养殖动物在田间活动还能提升酶活性，使得氮素更好转换成可供水稻直接吸收的有效态，减少稻米垩白，提高稻米外观品质。LI 等[24]研究发现，稻田综合种养对于稻米糙米率、精米率、整精米率和胶稠度的增幅分别为1.23%~3.40%、3.22%~5.68%、2.51%~4.87%和1.64%~5.42%，对于垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量的降幅分别为4.46%~6.85%、6.58%~10.90%和2.17%~4.75%。同样，马亮等[36]研究也发现，稻田综合种养能有效促进稻米加工、外观、蒸煮食味品质。但随着施氮量的增加，稻米蛋白质含量并不一定随之增加[37-38]。在本研究中也发现，两稻作模式下稻米蛋白质含量均与施氮量呈负相关，出现这一现象的原因还有待探究。

不同施氮量还对不同综合种养模式下稻米品质有不同的影响。甲壳类综合种养模式在0~150 kg/hm2施氮区间对于稻米外观品质的促进作用最大，在>180 kg/hm2施氮区间对于稻米蒸煮和营养品质的促进效果最佳。但也有研究表明，长期稻虾共作会显著改善土壤理化性质，可适当减少氮肥投入以降低稻米蛋白质含量，改善稻米食味品质[39]。鱼类综合种养模式在>180 kg/hm2施氮区间能较好提高稻米加工、外观、蒸煮和营养品质。两栖类综合种养模式在0~150 kg/hm2施氮区间能有效改善稻米加工品质，在150~180 和>180 kg/hm2施氮区间能更好改善稻米外观、蒸煮和营养品质。水禽类综合种养模式在>180 kg/hm2施氮区间较好提升稻米加工品质和外观品质，在0~150 和150~180 kg/hm2施氮区间则提升蒸煮和营养品质。

4 结论

与水稻单作相比，在0~150 和150~180 kg/hm2施氮区间甲壳类和鱼类综合种养模式水稻有效穗数均有所下降，而两栖类和水禽类综合种养模式则均有提升。在此施氮区间，除两栖类外，其余综合种养模式水稻结实率和千粒重分别增加2.78%~12.07 和1.54%~2.01%。参照SC/T 1135.1-2017《稻渔综合种养技术规范第1部分：通则》，相比于水稻单作，甲壳类、鱼类、两栖类和水禽类综合种养模式减氮范围的上限为26.24%、21.64%、14.04%和41.94%时，可确保水稻产量不低于7.5 t/hm2。在稻米品质方面，除甲壳类加工品质外，在0~150 kg/hm2施氮区间稻田综合种养的稻米加工、外观、蒸煮和营养品质均有所提高；在150~180 和>180 kg/hm2施氮区间鱼类和水禽类综合种养模式稻米加工、外观、蒸煮和营养品质均得到一定提升，甲壳类和两栖类综合种养模式的稻米加工和外观品质均有所降低，蒸煮和营养品质则有所升高。甲壳类和两栖类综合种养模式仅在>180 kg/hm2施氮区间能同时促进水稻产量和稻米品质提高。综上，对稻田综合种养水稻进行合理的氮肥减施不会对水稻产量构成威胁，且有助于促进水稻提质增效与生态环境友好。