氮肥减施对稻田综合种养水稻产量和品质的影响.pdf
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1、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:;*通信作者:)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
2、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。
3、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
4、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,施氮对于稻田摘要:稻田综合种养是一种将水稻种植与水产禽类养殖相结合的绿色循环农业模式。与水稻单作相比,稻田综合种养降低了化学氮肥施用量,起到了减氮节肥效果,但氮肥减施对综合种养模式下水稻产量和品质的影响效果并不一致。本研究收集了 20092021
5、 年间发表的以水稻单作为对照,以稻田综合种养水稻为处理的 111 篇相关文献;将综合种养模式分为甲壳类、鱼类、两栖类和水禽类共 4 类,应用整合分析方法评估了氮肥减施对各稻田综合种养模式水稻产量和品质的影响,定量分析了在不影响水稻产量前提下不同综合种养模式的合理减氮范围。结果表明,在 0150 和 150180 kg/hm2施氮(N)区间,甲壳类、鱼类和水禽类综合种养模式水稻产量分别比水稻单作提高1.15%19.00%、1.45%27.00%和 3.47%10.59%,其中,甲壳类和鱼类综合种养模式会降低水稻有效穗数,而通过提高结实率和千粒重来增加水稻产量。相比于水稻单作,甲壳类、鱼类、两栖类
6、和水禽类综合种养模式减氮范围的上限分别是 26.24%、21.64%、14.04%和 41.94%时,可确保水稻产量不低于 7.5 t/hm2。相比水稻单作,鱼类和水禽类综合种养模式在各个施氮区间对稻米加工、外观、蒸煮和营养品质均有一定提升。在 150180 和180 kg/hm2施氮(N)区间甲壳类和两栖类综合种养模式的稻米加工和外观品质降低,而蒸煮和营养品质则有所提升。本研究定量分析了不同稻田综合种养模式水稻适宜的施氮区间,可为各模式合理的氮肥减施和水稻增产提质提供理论依据和实践指导。关键词:水稻;氮肥减施;稻田综合种养;产量;稻米品质;粮食安全中图分类号:S511.062;S966.1文
7、献标识码:A文章编号:1006-8082(2023)05-0028-10专论与研究收稿日期:圆园23原06原27基金项目:国家重点研发计划项目“稻田综合种养绿色高效技术集成与示范”(2018YFD0300804);江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20210791);江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)圆园23,29(5):28-37DOI:10.3969/j.issn.1006-8082.2023.05.00628表 1 主要综合种养类型、分布及样本数主要模式甲壳类鱼类两栖类水禽类动物类型小龙虾(46)、大闸蟹(16)鲫鱼(15)、鲤鱼(14)、泥鳅(8)、鲶鱼(4)、鳝鱼(1)甲鱼(
8、18)、虎纹蛙(6)、青蛙(5)麻鸭(24)、水鸭(9)分布区域及样本数江苏(27)、辽宁(11)、湖北(8)、江西(8)、上海(3)、宁夏(3)、安徽(2)浙江(13)、湖南(12)、江苏(8)、上海(5)、宁夏(2)、广东(1)、贵州(1)江西(9)、上海(8)、湖南(6)、浙江(2)、江苏(2)、广东(1)、安徽(1)江苏(16)、湖南(8)、湖北(4)、浙江(2)、上海(1)、广东(1)、辽宁(1)总样本数62422933李京咏等:氮肥减施对稻田综合种养水稻产量和品质的影响圆园23,29(5):28-37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
9、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 20092021 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
10、 Science 等文献数据库中通过设置“稻田综合种养(integrated farming of rice and aqua原culture animals)”“稻鱼共作(rice-fish coculture)”“稻鳅共作(rice-loach coculture)”“稻虾共作(rice-crayfish co原culture)”“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,
11、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
12、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:/ 0150、150180 和180 kg/hm23 个施氮区间。1.2数据处理与统计分析参照 SC/T 1135.1-2017稻渔综
13、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 SPSSStatistics 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
14、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29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同列数据后不同小写字母表示不同施氮水平间差异在 0.05 水平显著。处理综合种养水稻单作施氮量/(kg hm-2)0150150180180F值0150150180180F值有效穗数/(伊104 hm-2)246.83依80.37 b270.59依64.0
15、6 b319.68依67.33 a12.55*246.01依62.89 b249.00依51.24 b303.69依71.35 a8.05*每穗粒数/个141.48依38.61 a134.43依29.59 a127.76依27.80 b5.99148.02依41.37 a134.41依47.97 b127.18依32.05 b2.68结实率/%79.26依10.70 c82.09依11.10 b87.84依6.22 a10.74*76.67依6.66 b79.37依7.61 b84.77依7.52 a9.72*千粒重/g23.38依4.30 b25.69依2.76 a25.86依1.88 a4
16、.71*22.47依5.06 b25.23依1.64 a25.48依1.23 a8.27*产量/(t hm-2)7.23依1.69 b7.54依1.31 b8.51依1.49 a11.71*6.56依1.59 b6.90依1.03 b8.21依1.56 a16.69*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0100 200 300 400 500施氮量/(kg hm-2)0100 200 300 400 500施氮量/(kg hm-2)0100 200 300 400 500施氮量/(kg hm-2)0100 200 300 400 500施氮量/(kg hm-2)y=0.008
17、x+6.58R2=0.16单作甲壳类鱼类两栖类水禽类(D)(C)(B)(A)20.015.010.07.55.00.020.015.010.07.55.00.020.015.010.07.55.00.020.015.010.07.55.00.0y=0.012x+5.66R2=0.52y=0.009x+5.94R2=0.13y=0.017x+3.88R2=0.66y=0.021x+3.65R2=0.46y=0.017x+3.93R2=0.44(177.99)y=0.008x+6.48R2=0.07y=0.014x+4.48R2=0.22(207.07)(120.96)(328.14)(158.0
18、2)(254.98)(108.59)(147.04)图(A)-(E)指水稻单作和综合种养水稻产量及其构成因素的 t 检验分析。ns 表示相关性不显著,*、*分别表示在 P0.05、P180 kg/hm2施氮区间下鱼类水稻产量(图 3 J)和 150180 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 150180 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 0150 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
19、 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%。甲壳类综合种养模式各施氮区间水稻有效穗数、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单作甲壳类鱼类两栖类水禽类40030020010001009080706050504030201002015105060040020000150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃1800150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃180施氮量/(kg hm-
20、2)0150 150180 跃18040030020010001009080706050504030201002015105060040020000150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃1800150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃18040030020010001009080706050504030201002015105060040020000150 150180 跃180施氮量/(kg hm-
21、2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃1800150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃18040030020010001009080706050504030201002015105060040020000150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃1800150 150180 跃180施氮量/(kg hm-2)施氮量/(kg hm-2)0150 150180 跃180施氮量/(kg hm-
22、2)0150 150180 跃180(E)(D)(C)(B)(A)nsns*nsnsnsns*nsnsnsnsns*nsnsns*ns*ns*nsns*nsnsnsnsnsnsns*nsnsnsnsnsnsnsnsns*nsns*nsnsnsns*ns(J)(I)(H)(G)(F)(O)(N)(M)(L)(K)(T)(S)(R)(Q)(P)李京咏等:氮肥减施对稻田综合种养水稻产量和品质的影响圆园23,29(5):28-3731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 150180 kg/hm2和180 k
23、g/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 0150 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;0150 kg/hm2和 150180 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
24、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 150180kg/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%
25、。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
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