不同稻虾种养模式下水稻中微量元素吸收与稻米品质的关系研究

钱开国，罗加伟，占丰瑞，刘少君，李虹颖，熊启中，张卫峰，柴如山，张朝春，叶新新*

不同稻虾种养模式下水稻中微量元素吸收与稻米品质的关系研究

钱开国1，罗加伟1，占丰瑞1，刘少君2，李虹颖3，熊启中1，张卫峰1，柴如山1，张朝春1，叶新新1*

(1. 安徽农业大学资源与环境学院，安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心，农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室，合肥 230036；2. 全国农业技术推广服务中心，北京 100125；3. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所，合肥 230001)

为探明不同稻虾种养模式下水稻中微量元素吸收与稻米品质的关系，开展不同龙虾品种和密度的田间试验，设计水稻单作（rice monoculture ，R）、水稻克氏原螯虾低密度共作（rice co-cropping within low density，RCL）、水稻克氏原螯虾高密度共作（rice co-cropping within high density，RCH）和水稻澳龙共作（rice co-cropping with，RA）4个处理，分析了稻米中微量元素含量、稻米品质、中微量元素与品质的相关性以及经济效益等指标。结果表明：稻虾共作模式提高了稻米中微量元素含量，其中Fe、Ca和Mg含量显著增加，与R处理相比，RCH、RCL和RA处理稻米的Fe含量分别增加52.0%、23.4%和21.4%，Ca含量分别增加45.7%、32.1%和22.8%，Mg含量分别增加45.0%、28.6%和23.3%。稻米中微量元素提升，有利于稻米品质的改善，稻米品质中的蛋白质与Fe、Ca和Mg呈显著（<0.05）正相关，胶稠度与Fe、Ca和Mg呈极显著（<0.01）正相关；直链淀粉含量和垩白粒率均与Ca呈极显著（<0.01）负相关。稻虾共作模式提高了蛋白质含量和胶稠度，降低了稻米的垩白粒率和直链淀粉含量，稻米品质变优，其中RCH处理稻米品质改善效果最好。与R处理相比较，RCH、RCL和RA处理的纯收益分别增加了506%、314%和429%。总体而言，稻虾共作模式能够提高稻米中微量元素含量，改善稻米品质，提高经济效益，因此，在稻虾综合种养模式的选择中，龙虾品种和养殖密度是需要综合考虑的重要因素。

稻虾共作；中微量元素；龙虾品种；养殖密度；稻米品质

稻田综合种养是在水稻田引入水生经济动物，充分利用生物间互作关系，将小龙虾养殖与水稻种植有机结合的一种绿色经济的复合农业模式[1]，实现水稻、水产双丰收。稻田综合种养种类多样，稻虾生态种养作为其主要模式之一，在2021年占全国稻渔综合种养模式面积的52.95%[2]。近年来稻虾综合种养模式发展迅猛，在安徽区域得到大面积推广。

研究发现[3-5]，与水稻单作相比较，稻虾共作模式对水稻产量无显著影响。厉宝仙等[6]研究认为，与水稻单作相比较，采用稻虾共作模式既有助于稻米外观品质的改善，也有助于提升稻米的蒸煮和营养品质。稻米中微量元素含量是影响稻米品质的重要因素[7-9]。中微量元素作为水稻体内多种酶及其活化剂的组成成分，其含量增加有利于蛋白质、淀粉等物质的合成，改善稻米品质[10-11]。林利红等[12]研究发现，稻蟹共作模式可以增加土壤有机质，降低土壤pH，进而改变土壤中微量元素活性。此外，不同的龙虾品种（生活习性不同）和养殖密度会改变土壤理化性质进而影响土壤中微量元素有效性[13]。目前，关于稻虾共作模式下不同龙虾品种和投放密度对水稻中微量元素吸收与稻米品质的关系研究鲜有报道。

本研究通过设置不同龙虾品种和密度试验，比较不同稻虾种养模式对土壤中微量元素有效含量和稻米中微量元素含量变化，探讨不同稻虾共作模式对稻米品质和经济效益的影响，为稻虾共作模式绿色生产提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

普济圩农场位于117°43′ E， 31°58′ N。年平均气温在16.1℃左右，年平均日照时数为2 000 h，年平均降雨139 d，年平均降雨量在1 500 mm左右，无霜期240 d左右。土壤为多湖沼地区的洪水长年累积沉淀成的腐殖壤土，适宜种植水稻。

1.2 供试材料

试验选取的水稻材料为绿亿香糯，提供试验的小龙虾品种为淡水澳龙和克氏原螯虾。

1.3 试验设计

试验设置4个处理：（1）水稻单作处理（rice monoculture，R），（2）水稻克氏原螯虾低密度共作（rice co-cropping within low density ，RCL），（3）水稻克氏原螯虾高密度共作（rice co-cropping within high density ，RCH），（4）水稻澳龙共作处理（rice co-cropping with，RA）。本试验各小区随机排列，各处理3个重复，每个规划小区设置的总面积约为1 423 m2。于试验田周围开挖虾沟，开垦出来的泥土均匀堆垒，筑宽和高均为0.5 m的试验田埂并加固。在虾沟岸边设置防逃网，将绳子与防逃网连接并固定于田边的木桩上，以防小龙虾逃出稻田。

试验于2021年7月播种，8月进行水稻移栽，11月进行收割。各处理肥料的施用完全一致，每小区施肥如下：氮肥为225 kg·hm-2，磷肥为68 kg·hm-2，钾肥为90 kg·hm-2。基肥施入60% 的氮肥，磷肥和钾肥全部施入，氮肥剩下的40%用于追肥。于8月10日将淡水澳龙和克氏原螯虾投入试验田，RCH按照重量为20 g的幼虾420 kg·hm-2投放；RCL投放密度为210 kg·hm-2；RA投放密度为每尾5～8 cm的淡水澳龙1 500 尾·hm-2。RCH和RCL处理小龙虾的日饵量一般按塘虾重量的4%左右投喂， RA处理按照淡水澳龙体重的3% 投喂饲料，投饵状况要根据天气、水质以及摄食情况进行适当增减，水稻成熟后，捕捞试验田成虾。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 水稻籽粒中微量元素测定 水稻成熟后，每小区随机取5个点（每点五丛）的水稻籽粒样品，并用水洗去杂质，再用超纯水进行清洗，于105 ℃对样品杀青30 min，75 ℃下烘干至恒重，籽粒样品粉碎后装入自封袋，用硝酸-高氯酸消煮，水稻籽粒中微量元素采用原子吸收分光光度法测定[14]。

1.4.2 土壤中微量元素有效含量测定 用不锈钢土钻钻取0～20 cm土样，于各小区随机选取5个点，将土样分别混成一个样品，剔除土样中的杂质，封袋并带回实验室，并对土壤有效态的中量和微量元素含量进行分析。有效态微量元素先采用DTPA浸提剂浸提，然后过滤，再用原子吸收分光光度法进行测定；交换性钙镁先用乙酸铵交换，再用原子吸收分光光度法进行测定[14]。

1.4.3 稻米品质测定 水稻收获后进行脱粒，参照《优质稻谷（GB/T17891－2017）》[15]测定稻米中的糙米率、精米率、胶稠度等加工和外观主要品质指标。蒸煮和营养品质中的蛋白质含量与直链淀粉含量采用DA 7200型多功能近红外成分快速分析仪（瑞典Perten公司生产）测定。

1.5 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2021对试验测得的数据进行整理计算并绘图，通过SPSS 20.0对各处理数据进行差异性和相关性统计分析。

2 结果与分析

2.1 稻虾共作对土壤中微量元素有效性的影响

由图1可知，除了Cu元素，共作模式下土壤中微量元素有效含量均高于水稻单作处理。土壤Mn、Cu和Zn的有效含量在3种共作模式下，差异均未达显著水平；对土壤交换性钙镁，RCH处理均显著高于RA处理，且Ca和Mg含量分别增加10.7%和5.8%；对土壤有效铁含量，RCH处理相较于RCL和RA处理分别增加25.4%和27.6%，差异显著，而RCL与RA处理差异不显著。

不同小写字母表示处理间有显著性差异（P<0.05）。下同。

Figure 1 Available contents of medium and trace elements in soil under different treatments

2.2 稻虾共作对水稻籽粒中微量元素的影响

从图2结果显示，除了Cu元素，共作模式水稻籽粒中微量元素含量整体上均高于水稻单作处理；在共作处理中，3种共作模式间水稻籽粒Mn、Cu、Zn含量无显著差异；对于籽粒Ca、Mg含量，RCH处理相较于RA处理，Ca增加了18.7%，Mg增加了17.5%，且差异显著，而RCH处理与RCL处理差异不显著。对籽粒Fe含量，RCH处理显著高于RCL和RA处理，且分别增加23.2%和25.2%，RCL与RA处理差异不显著。

图 2 不同处理下水稻籽粒中微量元素含量

Figure 2 Contents of medium and trace elements in rice grains under different treatments

表1 不同处理下稻米加工品质

注：R为水稻单作处理，RCL为水稻克氏原螯虾低密度共作处理，RCH为水稻克氏原螯虾高密度共作处理，RA为水稻澳龙共作处理。同列数据后不同小写字母表示处理间具有显著性差异（<0.05）。下同。

2.3 稻虾共作对稻米品质的影响

2.3.1 稻虾共作对稻米加工品质的影响 由表1可知，与水稻单作相比，稻虾共作模式均显著提高稻米加工品质。不同处理糙米率规律是RCH＞RCL≈RA＞R，RCH处理的糙米率比RCL、RA和R处理分别增加2.7%、2.8%和5.0%。在精米率和整精米率方面，稻虾共作处理显著高于水稻单作处理，而共作处理间差异不显著。

表2 不同处理下稻米外观品质

2.3.2 稻虾共作对稻米外观品质的影响 表2结果显示，与水稻单作相比，稻虾共作各处理能降低稻米的长宽比和垩白粒率，且差异显著，RCH、RCL和RA处理的垩白粒率和长宽比相较于R处理分别降低18.7%、17.3%和9.1%（垩白粒率），8.1%、5.8%和4.6%（长宽比）；共作处理间的垩白度、长宽比差异均不显著。

2.3.3 稻虾共作对稻米蒸煮和营养品质的影响 表3结果显示，稻虾共作处理的直链淀粉含量显著低于水稻单作，但显著提高稻米的胶稠度。RCH、RCL和RA处理的直链淀粉含量相比R处理显著降低23.0%、22.1%和21.6%，而稻虾共作各处理间差异不显著。在胶稠度方面，各处理间规律为RCH＞RCL≈RA＞R。稻虾共作各处理间蛋白质含量的差异均未达显著水平，RCH处理较R处理增加了14.1%，差异显著。

表3 不同处理下稻米蒸煮和营养品质

2.4 稻米中矿质元素含量与品质的相关分析

表4结果显示，蛋白质与Fe、Zn、Ca、Mg呈显著（<0.05）正相关。胶稠度与Fe、Ca、Mg呈极显著（<0.01）正相关，与Cu、Zn呈显著（<0.05）正相关。而直链淀粉含量与Ca呈极显著（<0.01）负相关，与Fe、Mn、Zn、Mg呈显著（<0.05）负相关。垩白粒率与Fe、Zn、Ca、Mg呈极显著（<0.01）负相关，与Mn、Cu呈显著（<0.05）负相关。

2.5 稻虾共作对水稻产量及其构成的影响

由表5可知，4种处理间有效穗数、每穗总粒数、水稻的结实率和千粒重差异均未达显著水平；稻虾共作对水稻产量无显著影响。

2.6 稻虾共作模式经济效益分析

由表6可知，3种综合种养模式与水稻单作相比，前期投入成本高于水稻单作，增加的部分主要来自田间改造、虾苗和饲料，但经济效益显著高于水稻单作处理，RCH、RCL和RA处理纯收益较R处理分别增加了34 089 元·hm-2、21 170 元·hm-2和28 917 元·hm-2，从产投比方面看， RCH、RCL和RA处理的产投比相较于R处理分别提高了76.9%、58.7%和39.2%。可见，相比于水稻单作模式，稻田综合种养模式下经济效益较好，其中RCH处理经济效益最高。

表4 中微量元素与稻米品质的相关分析

注：**表示相关性极显著（<0.01），*表示相关性显著（<0.05）。

表5 稻虾共作对水稻产量及其构成的影响

表 6 水稻单作与稻虾共作模式的经济效益

注：对照稻米价格2.29元·kg-1,稻田综合种养模式下RCL和RCH处理稻谷价格3.32元·kg-1，RA处理稻谷价格3.06元·kg-1。水产品出售价：小龙虾30元·kg-1，淡水澳龙70元·kg-1。

3 讨论

3.1 稻虾共作对稻米中微量元素的影响

本研究中，与水稻单作相比，稻虾共作模式提高了土壤中微量元素有效含量，进而提升稻米中微量元素含量。稻虾共作处理对土壤中微量元素有效性提升，主要是因为小龙虾在田间掘穴、觅食等活动会刺激水稻根系发育[16]，根系的有机分泌物量增加，这些根系分泌的有机酸、氨基酸等物质通过酸化、螯合及还原作用等改变根基环境，提高根际土壤中微量元素有效性，促进水稻吸收较多的中微量元素[17]。

在共作处理中，RCH处理相较于RA处理显著提升稻米Fe、Ca和Mg的含量，这与土壤中Fe、Ca和Mg的有效含量增加有关，RCH处理较RA处理的Fe、Ca和Mg有效含量分别提升了25.2%、18.7%和17.5%。在高密度模式下，小龙虾数量多，排泄物和虾壳等物质增加了土壤有机质[18]，土壤中的有机质在分解与合成过程中会产生多种有机酸，这些有机酸物质通过酸溶以及络合作用，提高土壤中微量元素活性[12]。

3.2 稻虾共作对稻米中微量元素吸收与稻米品质的关系

本研究结果表明，与水稻单作相比，稻虾共作模式能够提升稻米品质。共作模式下，Fe、Ca和Mg含量均显著提高，其中Fe主要提升稻米中的蛋白质含量，增加稻米胶稠度，降低稻米垩白粒率；Ca、Mg增加了稻米中的蛋白质含量和胶稠度，降低了垩白粒率和直链淀粉含量。也有研究[19-26]认为Fe、Ca和Mg可提高稻米胶稠度和蛋白质含量，降低垩白和直链淀粉含量。稻米品质改善与中微量元素含量提升有关，本研究中，蛋白质与Fe、Ca和Mg呈显著正相关，胶稠度与Fe、Ca和Mg呈极显著正相关，直链淀粉含量与Ca呈极显著负相关，垩白粒率与Fe、Ca和Mg呈极显著负相关。这是因为中微量元素是组成水稻体内多种酶的辅助因子，与植物的有机物质合成相关联[27]，其中，Fe、Ca和Mg是叶绿素组成部分，与干物质的形成有关，并且同时参与多种酶的组成[23,28-29]，能提高蛋白质、淀粉等相关合成酶的活性，Fe、Ca和Mg含量增加，有利于蛋白体和淀粉粒发育完善，进而提高蛋白质含量和增加胶稠度，有效降低稻米垩白，稻米中胶稠度增加会降低直链淀粉含量[23,30-32]。因此，稻米中微量元素含量提升，增加了蛋白质含量和胶稠度，降低了直链淀粉含量和垩白粒率，能够改善稻米品质。

3.3 经济效益

本研究中，各处理纯收益规律为RCH＞RA＞RCL＞R，RCH处理纯收益最高，一方面是因为稻虾共作模式下水稻产量得以稳产，且稻虾米品质提升，其价格比普通稻米价格高，可以获得更高收益；另一方面RCH处理小龙虾产量高，市场对于小龙虾需求大，且价格较高，最终提升成虾收益。稻田综合种养有机结合了水稻种植与水产养殖，水稻和龙虾后期的双重收益远高于水稻单作模式，因此，在产投比方面，共作模式均高于水稻单作模式，可以显著提升经济效益。

4 结论

综上所述，稻虾共作模式相较于水稻单作能够提高稻米中微量元素含量，其中Fe、Ca和Mg含量显著增加，这与土壤中Fe、Ca和Mg有效含量显著提升有关。稻米中微量元素含量提升能够显著提高稻米品质，稻米中的胶稠度、蛋白质与中微量元素呈显著正相关，而直链淀粉、垩白粒率均与中微量元素呈显著负相关，稻米中微量元素含量提升，蛋白质含量提高，胶稠度增加，直链淀粉含量和垩白粒率降低，能够有效改善稻米的外观、蒸煮和营养品质。稻虾共作模式下，稻米品质提升，市场价格高，增加了生态系统收益，RCH处理的收益最高。为了提高稻米品质和经济效益，稻田综合种养模式选取需要考虑龙虾品种和合理的养殖密度。

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Study on the relationship between uptake of medium and trace elements in rice and the quality of rice under different rice-crayfish farming modes

QIAN Kaiguo1, LUO Jiawei1, ZHAN Fengrui1, LIU Shaojun2, LI Hongying3, XIONG Qizhong1, ZHANG Weifeng1, CHAI Rushan1, ZHANG Chaochun1, YE Xinxin1

(1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Anhui Engineering and Technology Research Center of Intelligent Manufacture and Efficient Utilization of Green Phosphorus Fertilizer, Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, Key Laboratory of Jianghuai Arable Land Resources Protection and Eco-restoration, Hefei 230036; 2. National Agricultural Technology Extension Service Center, Beijing 100125; 3. Institute of Soil and Fertilizer, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230001)

In order to explore the relationship between the absorption of medium and trace elements in rice and rice quality under different rice co-cropping with shrimp modes, the field experiments were conducted in this study with different lobster species and densities. Four treatments were designed: rice monoculture (R), rice co-cropping within low density (RCL), rice co-cropping within high density (RCH) and rice co-cropping with(RA). The results included the contents and correlation analysis between medium and trace elements and the quality of rice grain, and the economic benefits in different rice-crayfish farming model. The results showed that rice co-cropping with shrimp modes increased the contents of medium and trace elements in rice grain, especially in the contents of Fe, Ca and Mg. Compared with the R treatment, the Fe content of RCH, RCL and RA treatments increased by 52.0%, 23.4% and 21.4%, respectively, and the corresponding values increased by 45.7%, 32.1% and 22.8% for Ca, and increased by 45.0%、28.6% and 23.3% for Mg, respectively. The increase of medium and trace elements in rice was beneficial to the improvement of rice grain quality. The protein content in rice grain was positively correlated with Fe, Ca and Mg (<0.05), and the gel consistency was significantly positive correlation with Fe、Ca and Mg (<0.01). The amylose content and chalkiness grain rate were significantly negative correlation with Ca (<0.01). The rice and shrimp co-cropping mode increased the protein content and gel consistency, decreasing the chalkiness and amylose content in rice grain. RCH treatment had the best effect in enhancing the quality of rice grain. Compared with R treatment, the net benefit of RCH, RCL and RA treatments increased by 506%, 314% and 429%, respectively. In general, the rice-shrimp co-cropping pattern can increase the content of medium and trace elements in rice grain and improve grain quality and economic benefits. In general, lobster species and breeding density are important factors to be taken into consideration in the integrated cultivation of rice-shrimp.

rice-shrimp co-cropping; medium and trace elements; species of lobster; breeding density; rice quality

S511.047; S153.61

A

1672-352X (2023)05-0855-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20231030.009

2023-10-31 07:39:33

[URL] https://link.cnki.net/urlid/34.1162.s.20231030.0955.016

2023-01-06

安徽省教育厅重点项目(2022AH050886)，安徽省科技重大专项(202103a06020012)和安徽省杰出青年科学基金项目(2008085J13)共同资助。

钱开国，硕士研究生。E-mail：kaiguoq@stu.ahau.edu.cn

叶新新，博士，教授，博士生导师。E-mail：xxye@ahau.edu.cn