實地氮肥管理對不同氮響應(yīng)粳稻品種產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

劇成欣 陳堯杰 趙步洪 劉立軍 王志琴 楊建昌,*

水稻是我國最重要的糧食作物之一，為世界上一半以上的人口提供了近60%的飲食熱量[1]。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織估計[2]，到2025年世界水稻產(chǎn)量必須達(dá)到8億t才能滿足人口增長的需要。中國作為世界上最大的產(chǎn)稻國和氮肥消費國，產(chǎn)量水平必須在現(xiàn)有水平上提高20%[3-4]。在過去幾十年，我國水稻產(chǎn)量持續(xù)增長，主要是由于肥料的增施、品種的改良以及栽培技術(shù)的進步等。其中，氮肥是影響水稻生長的一個重要因子，在水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成上的作用最為顯著，在肥料投入中的比重達(dá)到60%以上[5-6]。因此，增加氮肥的投入是提高水稻單產(chǎn)的一個重要措施[5-6]。但過多的施氮造成氮肥利用效率普遍較低，我國氮素平均吸收利用效率僅為33%，其余的氮素通過氨揮發(fā)、硝化與反硝化作用和硝酸鹽淋溶等途徑損失；平均農(nóng)學(xué)利用效率為12 kg/kg，還不到發(fā)達(dá)國家的一半[7-9]。氮肥大量施用還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，發(fā)達(dá)國家對此往往采用環(huán)境優(yōu)先的原則；我國人多地少、資源緊缺，持續(xù)提高作物單產(chǎn)，同時高效利用有限的資源，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[10-14]。如何降低氮肥施用量，提高氮肥利用效率，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是水稻生產(chǎn)上亟待解決的一個重要問題。

表1 不同氮肥運籌處理的施氮時期及施氮量Table 1.Stage and amount of nitrogen application for different nitrogen managements.

有研究表明[15-16]，不同水稻品種的氮肥利用效率存在明顯的差異，培育和選用氮高效品種是協(xié)同提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的一條重要途徑。在以往的研究中我們發(fā)現(xiàn)[17]，對長江下游里下河地區(qū)種植的粳稻而言，在氮素供應(yīng)充足的條件下，不同品種間的產(chǎn)量差異并不顯著，都能達(dá)到一個較高的產(chǎn)量水平；但限制氮素供應(yīng)，不同品種對氮素的響應(yīng)表現(xiàn)出顯著的差異。據(jù)此將在較低施氮量(≤200 kg/hm2)下產(chǎn)量和氮肥利用效率較高的品種稱為氮響應(yīng)A型品種；將在較低施氮量下產(chǎn)量和氮肥利用效率較低，但在高施氮量(＞200 kg/hm2)下產(chǎn)量較高或在高施氮量下產(chǎn)量和氮肥利用效率與氮響應(yīng)A型品種無顯著差異的品種稱為氮響應(yīng)B型品種。這兩類品種對氮素響應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在中低施氮水平。

近年來，實地氮肥管理技術(shù)在水稻生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。該技術(shù)以氮肥管理為中心，依據(jù)土壤養(yǎng)分的有效供給量、水稻產(chǎn)量和稻草對養(yǎng)分的吸收量來確定施肥量，在水稻主要生育期使用葉綠素測定儀(SPAD)和葉色卡(LCC)觀測葉片氮素情況并依此指導(dǎo)施肥，從而最大限度地提高氮肥利用效率，協(xié)調(diào)高產(chǎn)高效[18-20]。但是關(guān)于實地氮肥管理對上述品種產(chǎn)量和米質(zhì)的影響有何差異，優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)高效能否協(xié)同等方面缺乏研究。因此，本研究以不同粳稻品種為材料，比較分析了實地氮肥管理和農(nóng)民常規(guī)施肥對水稻產(chǎn)量、氮肥利用效率和稻米品質(zhì)的影響，以期為水稻高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)栽培以及氮敏感或氮高效水稻品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

試驗于2014－2015年在江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所揚州試驗基地(32°42’N,119°53’E, 海拔21 m)進行。前茬作物為小麥，耕層含有機質(zhì)2.36%、有效氮110 mg/kg、速效磷32.1 mg/kg、速效鉀 72.2 mg/kg，田間持水量為0.189 g/g，土壤容重為1.33 g/cm3。試驗選擇2個氮響應(yīng)A型水稻品種淮稻5號和連粳7號，2個氮響應(yīng)B型水稻品種寧粳1號和揚粳4038[17]，各品種的累計推廣面積分別為33.3、109、105.7和21.7萬hm2(國家水稻數(shù)據(jù)中心)，是江蘇省里下河地區(qū)主栽品種。四個品種的生育期接近，為150～155 d。采用裂區(qū)設(shè)計，氮肥處理為主區(qū)，品種為裂區(qū)(小區(qū))，重復(fù)3次，小區(qū)面積為28 m2。設(shè)置了氮空白(ZN)、農(nóng)民常規(guī)施肥(FCP)和實地氮肥管理(SSNM)3種氮肥運籌方式，各處理的氮肥施用時期及施用量列于表1，在實地氮肥管理處理下，淮稻5號和連粳7號的施氮量為255 kg/hm2，寧粳1號和揚粳4038的施氮量為270 kg/hm2。所有品種于5月16日播種，6月12日移栽，株行距為0.25 m×0.13 m，雙本栽插，主區(qū)間筑埂并用塑料薄膜包裹。8月23－25日抽穗，10月16－18日收獲。各小區(qū)在移栽前均施用過磷酸鈣(含P2O513.5%)240 kg/hm2和氯化鉀(含K2O 52%)240 kg/hm2。水分管理和病蟲草害的防治按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培。

1.2 植株含氮量測定

于成熟期從各小區(qū)取代表性植株10株，由分蘗節(jié)處分為地上部和地下部兩個部分，地上部分解為綠葉、莖鞘、穗，將地上部各部分殺青后烘干用于測定干物質(zhì)重，保留樣本，粉碎過篩后用凱氏定氮法測定含氮量。氮肥利用率計算方法如下：氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量－氮空白區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量；氮肥吸收利用率(%)=(施氮區(qū)植株吸氮量－氮空白區(qū)植株吸氮量)/施氮量×100；氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量－氮空白區(qū)籽粒產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株吸氮量－氮空白區(qū)植株吸氮量)；氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

成熟期各小區(qū)取1 m2考查實際穗數(shù)，取12穴水稻刮粒后測定穗粒數(shù)、結(jié)實率與千粒重，結(jié)實率采用水漂法測定，將稻粒置于密度為1.1×103kg/m3的生理鹽水中，比重大于1.1的是飽粒，其余為空癟粒。每個小區(qū)實收150穴脫粒計產(chǎn)。

1.4 稻米品質(zhì)測定

風(fēng)干稻谷置于室溫下3個月后用于米質(zhì)的測定。測定前各處理統(tǒng)一用NP4350型風(fēng)選機等風(fēng)量風(fēng)選。參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T17891－1999優(yōu)質(zhì)稻谷》[21-22]測定糙米率、精米率、整精米率、長寬比、堊白粒率、堊白大小、堊白度和膠稠度等。用FOSS TECATOR公司生產(chǎn)的近紅外谷物分析儀(Infratec 1241 Grain Analyzer)測定精米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量。參照陳毓荃[23]與陳因等[24]方法測定蛋白組分含量。采用澳大利亞Newport Scientific儀器公司的Super 3型RVA(Rapid Viscosity Analyzer)快速測定淀粉黏滯譜特性，用TWC(Thermal Cycle for Windows)配套軟件進行數(shù)據(jù)分析。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013軟件整理數(shù)據(jù)，SAS 9.4軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，SigmaPlot 10.0繪圖。由于2年試驗結(jié)果趨勢一致，且同一品種各測定指標(biāo)在年度間的差異不顯著(P>0.05)，因此本研究中產(chǎn)量和氮素利用效率以兩年結(jié)果表示，品質(zhì)數(shù)據(jù)用2015年試驗結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量與氮肥利用效率

由表2可知，不同品種的產(chǎn)量在不同氮肥處理下表現(xiàn)出較大的差異。在氮空白和實地氮肥管理處理下，氮響應(yīng)A型品種淮稻5號和連粳7號的產(chǎn)量顯著高于氮響應(yīng)B型品種寧粳1號和揚粳4038，在農(nóng)民常規(guī)施肥處理下，不同品種間產(chǎn)量差異不顯著。與農(nóng)民常規(guī)施肥方法相比，實地氮肥管理顯著提高了水稻的產(chǎn)量，兩個氮響應(yīng)A型品種平均增產(chǎn)12.6%，兩個氮響應(yīng)B型品種平均增產(chǎn)6.8%，表明氮響應(yīng)A型品種在實地氮肥管理處理下具有更強的增產(chǎn)潛力。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，實地氮肥管理產(chǎn)量增加的原因是單位面積穗粒數(shù)和結(jié)實率的提高 (表 2)。

不同品種的吸氮量和氮肥利用效率見表3。與農(nóng)民常規(guī)施肥相比，實地氮肥管理顯著增加了不同品種的吸氮量(表3)。在實地氮肥管理處理下，氮響應(yīng)A型品種處理下的施氮量要小于氮響應(yīng)B型品種，但是氮響應(yīng)A型品種的吸氮量反而高于氮響應(yīng)B型品種。不同粳稻品種的農(nóng)學(xué)利用效率、吸收利用效率、生理利用效率和偏生產(chǎn)力在實地氮肥管理處理下均顯著高于農(nóng)民常規(guī)施肥。在實地氮肥管理處理下，氮響應(yīng)A型品種的農(nóng)學(xué)利用效率、吸收利用效率和偏生產(chǎn)力要顯著高于氮響應(yīng)B型品種。

2.2 加工品質(zhì)與外觀品質(zhì)

由表4可知，實地氮肥管理顯著增加了各品種的精米率和整精米率，而糙米率在各處理下無顯著差異。氮響應(yīng)A型品種的精米率和整精米率要略高于氮響應(yīng)B型品種。與加工品質(zhì)的變化類似，不同粳稻品種的堊白粒率和堊白面積在實地氮肥管理下顯著降低，因而降低了水稻的堊白度；這表明實地氮肥管理能夠提高稻米的加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)，氮響應(yīng)A型品種和氮響應(yīng)B型品種表現(xiàn)出相同的趨勢。

2.3 蒸煮與食味品質(zhì)

各品種的直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量在農(nóng)民常規(guī)栽培處理下最高，實地氮肥管理下直鏈淀粉含量顯著降低(表6)。各品種的膠稠度在實地氮肥管理下顯著升高，糊化溫度在實地氮肥管理下顯著降低，表明實地氮肥管理能夠提高稻米的蒸煮與食味品質(zhì)。與氮響應(yīng)B型品種相比，氮響應(yīng)A型品種的直鏈淀粉含量和糊化溫度較低，膠稠度較長，表明氮響應(yīng)A型品種的蒸煮與食味品質(zhì)優(yōu)于氮響應(yīng)B型品種。氮響應(yīng)A型品種的蛋白質(zhì)含量也顯著高于氮響應(yīng)B型品種(表6)。

表2 不同氮肥運籌處理下水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2.Grain yield and its components of rice varieties under different nitrogen managements.

表3 不同氮肥運籌處理下水稻的吸氮量與氮肥利用效率Table 3.Nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of rice varieties under different nitrogen managements.

表4 不同氮肥運籌處理對水稻加工品質(zhì)的影響Table 4.Effect of nitrogen management on milling quality of rice.

表5 氮肥運籌對水稻外觀品質(zhì)的影響Table 5.Effect of nitrogen management on appearance quality of rice.

表6 氮肥運籌對水稻蒸煮品質(zhì)及蛋白質(zhì)含量的影響Table 6.Effect of nitrogen management on cooking quality and protein content of rice.

2.4 蛋白組分

蛋白組分反映稻米的營養(yǎng)品質(zhì)，還與稻米的食味有關(guān)。稻米的蛋白質(zhì)除絕對含量外，谷蛋白、醇溶蛋白等組分也與營養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)。氮響應(yīng)不同水稻品種的谷蛋白和清蛋白含量在實地氮肥管理下顯著升高，醇溶蛋白含量在實地氮肥管理下顯著降低，球蛋白在不同氮肥運籌處理下無明顯差異(表7)。氮響應(yīng)A型品種的清蛋白和谷蛋白含量要顯著高于氮響應(yīng)B型品種，球蛋白和醇溶蛋白含量與氮響應(yīng)B型品種沒有顯著差異，表明氮響應(yīng)A型品種總蛋白含量高主要是由于清蛋白和谷蛋白含量提高(表 7)。

表7 氮肥運籌對水稻籽粒蛋白質(zhì)含量與蛋白組分的影響Table 7.Effect of nitrogen management on protein content and its components in rice grain.

2.5 淀粉黏滯譜特性

表8為各水稻品種的淀粉黏滯譜特性。在不同氮肥運籌處理間，最終黏度無明顯變化規(guī)律。在實地氮肥管理下，水稻的熱漿黏度、最高終黏度和崩解值與農(nóng)民常規(guī)處理相比表現(xiàn)出增加的趨勢，消減值則呈下降趨勢，表明實地氮肥管理改善了稻米的食味品質(zhì)。氮響應(yīng)A型品種稻米淀粉譜的最高黏度、熱漿黏度、崩解值均顯著高于氮響應(yīng)B型品種，而消堿值顯著低于氮響應(yīng)B型品種，說明氮響應(yīng)A型品種稻米的蒸煮食味品質(zhì)要優(yōu)于對照品種(表8)。與氮響應(yīng)B型品種相比，氮響應(yīng)A型品種稻米淀粉黏滯譜性的特征值在不同氮肥運籌處理下表現(xiàn)出更大的波動，表明氮響應(yīng)A型品種的食味品質(zhì)對氮肥更加敏感(表8)。

3 討論

3.1 實地氮肥管理對水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

肥水管理是水稻增產(chǎn)的重要因素，氮肥運籌對水稻生產(chǎn)和環(huán)境保護有著重要的意義[25-26]。本研究表明，實地氮肥管理顯著提高了水稻的產(chǎn)量和氮肥利用效率，氮響應(yīng)A型品種的增產(chǎn)增效效果較氮響應(yīng)B型品種更為顯著。有研究表明，減少水稻基肥施用量會導(dǎo)致其單位面積穗數(shù)不足，影響產(chǎn)量潛力的充分發(fā)揮[18]。本研究則表明，與農(nóng)民常規(guī)施肥相比，實地氮肥管理下雖然穗數(shù)有所降低，會造成一定的產(chǎn)量損失；但是實地氮肥管理下穗粒數(shù)和結(jié)實率顯著升高，引起產(chǎn)量增加，增產(chǎn)顯著大于穗數(shù)減少引起的產(chǎn)量損失。水稻產(chǎn)量是庫容量和灌漿效率的乘積，通常情況下穗粒數(shù)與結(jié)實率呈負(fù)相關(guān)[27]。但是，本研究表明，實地氮肥管理與農(nóng)民常規(guī)施肥相比，不僅顯著增加每穗粒數(shù)，而且還可以提高籽粒結(jié)實率，這是實地氮肥管理增產(chǎn)增效的重要原因。氮響應(yīng)A型品種在實地氮肥管理下能達(dá)到增產(chǎn)增效的效果，且較氮響應(yīng)B型品種相比施氮量更低，即氮敏感水稻品種在相對較低施氮量下能獲得較高的產(chǎn)量。

3.2 不同粳稻品種的米質(zhì)

水稻米質(zhì)是水稻理化特性的綜合反映，包括碾磨加工品質(zhì)、商品外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)等[28]。本研究表明，氮響應(yīng)A型品種的精米率和整精米率均顯著高于氮響應(yīng)B型品種；外觀品質(zhì)的差異未達(dá)到顯著水平，說明了氮響應(yīng)A型品種的加工品質(zhì)優(yōu)于氮響應(yīng)B型品種。直鏈淀粉含量是評價稻米食味性的重要因素，直鏈淀粉含量較高的稻米脹性比較大，色澤暗淡，質(zhì)地較硬，食味性比較差；直鏈淀粉含量較低的稻米脹性比較小，有光澤，質(zhì)地柔軟，食味性較好[29]。稻米中蛋白質(zhì)含量過高會抑制淀粉粒膨脹及糊化，導(dǎo)致米飯口感變差，影響稻米的食味品質(zhì)。除絕對含量外，谷蛋白、醇溶蛋白等組分也與稻米的營養(yǎng)品質(zhì)和食味品質(zhì)有關(guān)[30]。有研究表明，稻米的谷蛋白和清蛋白中含有較多的必需氨基酸，易于消化，營養(yǎng)價值比較高，是優(yōu)質(zhì)蛋白；而醇溶蛋白中氨基酸含量較低，而且因為結(jié)構(gòu)緊密難以被吸收消化，被認(rèn)為是劣質(zhì)蛋白[31]。膠稠度較長，米飯較軟較黏，稻米額蒸煮與食味性較好[32]。本研究表明，氮響應(yīng)A型品種稻米的直鏈淀粉含量要低于氮響應(yīng)B型品種，膠稠度的長度則高于氮響應(yīng)B型品種；氮響應(yīng)A型品種稻米的清蛋白和谷蛋白含量均要顯著高于氮響應(yīng)B型品種，球蛋白和醇溶蛋白含量卻低于氮響應(yīng)B型品種，表明氮響應(yīng)A型品種的食味和營養(yǎng)品質(zhì)要優(yōu)于氮響應(yīng)B型品種。氮響應(yīng)A型品種的蛋白質(zhì)含量要高于氮響應(yīng)B型品種，雖然營養(yǎng)品質(zhì)較好，但在一定程度上降低了稻米的食味性。本研究發(fā)現(xiàn)，氮響應(yīng)A型品種的蛋白質(zhì)含量高主要是清蛋白和谷蛋白等優(yōu)質(zhì)蛋白較高，表明氮響應(yīng)A型品種的營養(yǎng)品質(zhì)較好。

表8 氮肥運籌對水稻的淀粉黏滯譜特性的影響Table 8. Effect of nitrogen management on starch viscosity of rice.cP

稻米淀粉的RVA黏滯譜特征值與蒸煮食味品質(zhì)關(guān)系密切，特別是崩解值和消堿值能較好地反映稻米的蒸煮與食味品質(zhì)，RVA譜特征值與直鏈淀粉和支鏈淀粉相對含量有關(guān)，還與稻米品質(zhì)指標(biāo)直鏈淀粉含量和膠稠度等關(guān)系密切[33-34]。直鏈淀粉含量與崩解值負(fù)相關(guān)，與消堿值正相關(guān)[35-36]。有研究表明，稻米的食味性與最高黏度和崩解值呈正相關(guān)，與消減值呈負(fù)相關(guān)[37]。本研究表明，氮響應(yīng)A型品種稻米淀粉譜的最高黏度、熱漿黏度、崩解值均顯著高于氮響應(yīng)B型品種，而消堿值顯著低于氮響應(yīng)B型品種，說明氮響應(yīng)A型品種稻米的蒸煮食味品質(zhì)要優(yōu)于氮響應(yīng)B型品種。與氮響應(yīng)B型品種相比，氮響應(yīng)A型品種稻米淀粉黏滯譜的特征值在不同氮肥運籌處理下表現(xiàn)出更大的波動，表明氮響應(yīng)A型品種的食味品質(zhì)對氮肥更加敏感。

3.3 氮肥運籌對米質(zhì)的影響

稻米的品質(zhì)除受品種基因型影響外，還與栽培措施和環(huán)境因素等密切相關(guān)。在不同栽培要素中，氮肥運籌是影響稻米品質(zhì)最主要的因素之一[38]。氮肥運籌對稻米加工和外觀品質(zhì)會造成重大的影響。有研究認(rèn)為[39]，氮肥會對稻米的加工品質(zhì)造成負(fù)效應(yīng)；但也有研究認(rèn)為[40]，氮肥運籌會增加稻米加工品質(zhì)。金軍等[41]指出，不同品種外觀品質(zhì)對氮素反應(yīng)不同。本研究表明，實地氮肥管理顯著增加了不同粳稻品種的精米率和整精米率，顯著降低了堊白粒率、堊白面積和堊白度，表明實地氮肥管理同步提高了稻米的加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)。

直鏈淀粉含量是評價稻米食味性的重要因素，以往研究表明實地氮肥管理和減少施氮量都會顯著降低稻米中的直鏈淀粉含量，本研究結(jié)果與之一致[42]。膠稠度和糊化溫度是反映稻米食味性的重要指標(biāo)[43]。本研究發(fā)現(xiàn)，實地氮肥管理顯著增加了稻米的膠稠度，顯著降低了糊化溫度，表明實地氮肥管理能夠提高稻米的蒸煮與食味品質(zhì)。稻米的蛋白質(zhì)除絕對含量外，谷蛋白，醇溶蛋白等組分也與營養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)。有研究表明，谷蛋白和清蛋白屬于優(yōu)質(zhì)蛋白；醇溶蛋白屬于劣質(zhì)蛋白[31]。本研究表明，氮敏感性不同水稻品種的谷蛋白和清蛋白含量在實地氮肥管理下顯著升高，醇溶蛋白含量在實地氮肥管理下顯著降低，表明通過氮肥運籌可以改變稻米中蛋白組分的分布，進而改善稻米的營養(yǎng)品質(zhì)。在實地氮肥管理下，水稻的熱漿黏度、最高終黏度和崩解值與農(nóng)民常規(guī)處理相比表現(xiàn)出增加的趨勢，消減值則呈下降趨勢，表明實地氮肥管理改善了稻米的食味品質(zhì)。

4 結(jié)論

與農(nóng)民常規(guī)施肥相比，實地氮肥管理能提高各品種的產(chǎn)量和氮肥利用效率，氮響應(yīng)A型品種的增產(chǎn)增效幅度大于氮鈍感水稻品種。實地氮肥管理可以顯著提高水稻的整精米率、膠稠度、熱漿黏度和崩解值，顯著增加稻米中清蛋白和谷蛋白的含量，顯著降低堊白度、直鏈淀粉含量和糊化溫度，表明通過氮肥運籌可以提高水稻的米質(zhì)。與氮響應(yīng)B型品種相比，氮響應(yīng)A型品種的加工品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)較優(yōu)，稻米中清蛋白和谷蛋白含量較高，直鏈淀粉含量較低，稻米淀粉黏滯譜性較好，食味品質(zhì)對氮肥的響應(yīng)更為敏感。

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