栽培模式對(duì)寒地水稻產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

胡 月，郭曉紅，李 猛，姜紅芳，那永光，藍(lán)金路，王洪洋，宋 蕊

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 水稻研究所，黑龍江 佳木斯 154007)

水稻是我國(guó)重要的糧食作物，稻米產(chǎn)量居世界第一[1-2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們的飲食習(xí)慣逐漸發(fā)生變化，優(yōu)質(zhì)稻米越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞[3]。因此，有關(guān)稻米品質(zhì)的研究也越來(lái)越受到重視。黑龍江省作為全國(guó)粳米優(yōu)質(zhì)生態(tài)區(qū)和重要商品糧基地，是世界上僅存的三大黑土帶之一，其自然條件優(yōu)越，土地肥沃、晝夜溫差大、光照充足，這些因素是寒地稻米品質(zhì)優(yōu)良、食用價(jià)值高的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)、氨基酸和礦質(zhì)元素等是衡量稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。稻米品質(zhì)既受遺傳因素影響，也受環(huán)境和農(nóng)藝措施等因素影響[4-5]。研究表明，通過(guò)肥料運(yùn)籌可以提高稻米中蛋白質(zhì)和氨基酸含量[6-7]。稻米蛋白質(zhì)含量隨施氮量增加而增加[8]；增施氮、鉀肥可以明顯提高稻米籽粒中氨基酸總量[9]。目前，關(guān)于栽培模式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響研究較多[10]，而對(duì)稻米品質(zhì)的影響研究，尤其是對(duì)稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響研究較少，且主要集中于蛋白質(zhì)、氨基酸方面[9,11-13]，而礦質(zhì)元素作為稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)卻未見(jiàn)報(bào)道。為此，在大田條件下，研究不同栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒蛋白質(zhì)組分及蛋白質(zhì)、氨基酸、礦質(zhì)元素含量等重要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的影響，以期為寒地水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年在黑龍江省綏化市綏棱縣上集鎮(zhèn)水稻試驗(yàn)站(127°18′48.91″E、47°09′31.64″N)大田條件下進(jìn)行。4月11日播種，5月15日移栽，每穴4株，9月28日收獲。水稻生育期(4—9月)平均氣溫為16.06 °C，降雨量為423 mm。試驗(yàn)地土壤為黑土，pH值為6.3，有機(jī)質(zhì)含量為44.5 g/kg，堿解氮含量為155.4 mg/kg，有效磷含量為10.6 mg/kg，速效鉀含量為229 mg/kg。

供試水稻品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種龍粳46和龍慶稻3號(hào)?；瘜W(xué)肥料分別為尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含N 18%、P2O546%)、硫酸鉀(含K2O 50%)，復(fù)合肥為納米硅肥(含有效硅≥55%，黑龍江省齊齊哈爾市松土肥業(yè)有限公司生產(chǎn))，有機(jī)肥為歸復(fù)記有機(jī)肥(含N+P+K≥5%、有機(jī)質(zhì)≥40%，黑龍江歸復(fù)記生物科技有限公司生產(chǎn))。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4種栽培模式：不施氮空白栽培模式(N0)、當(dāng)?shù)剞r(nóng)民高產(chǎn)栽培模式(FP,對(duì)照)、高產(chǎn)高效栽培模式(HYHE)、超高產(chǎn)栽培模式(SHY)，詳見(jiàn)表1。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。氮肥以基肥∶蘗肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=4∶3∶1∶2的比例施入，磷肥作為基肥一次性施入，鉀肥以基肥∶穗肥=6∶4的比例施入，有機(jī)肥和復(fù)合肥作為基肥一次性施入?；?、分蘗肥、調(diào)節(jié)肥、穗肥分別于移栽前12 d(5月3日)、返青期(5月20日)、8.5葉幼穗分化期(6月30日)、10.5葉拔節(jié)期(7月8日)施用。試驗(yàn)期間各處理水分管理采用單排單灌方式，防止相互影響。各栽培模式肥料運(yùn)籌情況詳見(jiàn)表1。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量 成熟時(shí)，2個(gè)水稻品種各處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致的8穴植株，帶回室內(nèi)進(jìn)行考種，計(jì)產(chǎn)。

1.3.2 蛋白質(zhì)及礦質(zhì)元素含量 收獲后，將水稻籽粒風(fēng)干存放1個(gè)月，然后用FC-2K型實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)(YAMAMOTO)加工成糙米，再用日本山本有限公司生產(chǎn)的VP-32型實(shí)驗(yàn)?zāi)朊讬C(jī)加工成精米，最后用瑞安市百信制藥機(jī)械有限公司生產(chǎn)的LG-50型粉碎機(jī)粉碎，分別過(guò)0.20 mm和0.076 mm孔徑篩，供分析用。

表1 不同栽培模式下肥料運(yùn)籌及栽培措施

1.3.2.1 蛋白質(zhì)組分及蛋白質(zhì)含量 采用李合生[14]的連續(xù)提取法對(duì)清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白進(jìn)行提取，采用凱氏定氮法測(cè)定水稻籽粒中的氮含量，再乘以換算系數(shù)5.95，即為蛋白質(zhì)含量。

1.3.2.2 氨基酸含量 參照GB/T 5009.124—2003[15]測(cè)定籽粒中氨基酸含量。用6 mol/L的鹽酸水解氨基酸樣品，用氮吹儀去除水解管內(nèi)空氣，用酒精噴燈封口，然后放入烘箱，110 ℃水解22 h。將水解液全部轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶?jī)?nèi)定容。吸取濾液1 mL于5 mL容量瓶?jī)?nèi)，用真空干燥器在40～50 ℃干燥。干燥后的樣品用pH值2.2的檸檬酸鈉緩沖溶液溶解，溶解液用0.22 μm濾膜過(guò)濾，用日立高新技術(shù)公司生產(chǎn)的L-8900高速氨基酸分析儀進(jìn)行分析。

1.3.2.3 礦質(zhì)元素含量 稱取0.5 g樣品置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸、3 mL水和2滴過(guò)氧化氫，放在微波消解儀(WX-8000，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)上進(jìn)行消解，消解液全部轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶?jī)?nèi)定容，用美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司生產(chǎn)的ICP-MS型電感耦合等離子光譜儀測(cè)定鋅(Zn)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鐵(Fe)、鈣(Ca)、鉀(K)、銅(Cu)、錳(Mn)含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

應(yīng)用 Excel 2003和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培模式對(duì)寒地水稻產(chǎn)量的影響

由表2可知，不同栽培模式對(duì)水稻產(chǎn)量有顯著影響，2個(gè)水稻品種的產(chǎn)量均表現(xiàn)為：SHY>HYHE>FP>N0，模式間差異均達(dá)到顯著水平。龍粳46和龍慶稻3號(hào)SHY模式的產(chǎn)量分別達(dá)到了10 079.09 kg/hm2和11 067.76 kg/hm2，較HYHE模式分別增產(chǎn)14.24%和30.65%，較FP模式分別增產(chǎn)22.19%和40.21%；HYHE模式產(chǎn)量分別為8 822.96 kg/hm2和8 471.36 kg/hm2，較FP模式分別增產(chǎn)6.96%和7.32%?？梢?jiàn)，SHY和HYHE模式均較FP模式顯著提高水稻產(chǎn)量。

表2 栽培模式對(duì)寒地水稻產(chǎn)量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different letters after the data of same column indicate that the differences among different treatments of the same variety reached significant level(P<0.05),the same below.

2.2 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒蛋白質(zhì)組分及總蛋白質(zhì)含量的影響

蛋白質(zhì)含量是反映稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。從表3可以看出，2個(gè)水稻品種的4種蛋白質(zhì)組分含量及總蛋白質(zhì)含量均以SHY模式最高，均表現(xiàn)為SHY>HYHE>FP>N0。龍粳46 SHY模式的清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白含量分別較HYHE模式顯著增加12.07%、3.23%、6.50%、13.46%，分別較FP模式顯著增加20.37%、12.94%、10.74%、28.26%；HYHE模式分別較FP模式顯著增加7.41%、9.41%、3.98%、13.04%。龍慶稻3號(hào)SHY模式的清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白含量分別較HYHE和FP模式顯著增加16.39%、3.96%、6.83%、8.33%%和26.79%、12.90%、9.96%、27.45%；HYHE模式分別較FP模式增加8.93%、8.60%、2.93%、17.65%，除清蛋白含量外，差異均達(dá)到顯著水平。龍粳46 SHY模式的總蛋白質(zhì)含量較HYHE和FP模式分別顯著增加5.81%和10.04%，HYHE模式較FP模式顯著增加3.99%；龍慶稻3號(hào)SHY模式分別較HYHE和FP模式顯著增加4.80%和8.72%，HYHE模式較FP模式增加3.74%，差異不顯著。

表3 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒蛋白質(zhì)組分及總蛋白質(zhì)含量的影響Tab.3 Effects of cultivation modes on protein components and total protein contents of rice grain in cold region

2.3 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒氨基酸含量的影響

由表4可知，2個(gè)水稻品種均以谷氨酸含量最高，均表現(xiàn)為SHY模式氨基酸總量、必需氨基酸(蘇氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸)和非必需氨基酸(天門(mén)冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、酪氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸)含量顯著高于其他模式；而HYHE模式的氨基酸總量、必需和非必需氨基酸含量均較FP模式有所提高，但差異不顯著。對(duì)于龍粳46而言，SHY模式的氨基酸總量、必需氨基酸含量、非必需氨基酸含量分別較FP和HYHE模式提高5.30%、4.95%、5.48%和4.04%、4.02%、4.05%；對(duì)于龍慶稻3號(hào)而言，SHY模式的氨基酸總量、必需氨基酸含量、非必需氨基酸含量分別較FP和HYHE模式提高7.52%、12.38%、4.87%和5.11%、9.66%、2.86%。

蘇氨酸和賴氨酸是衡量蛋白質(zhì)質(zhì)量好壞的限制性必需氨基酸，龍粳46 SHY模式的蘇氨酸、賴氨酸含量分別較FP和HYHE模式增加8.33%、8.70%和4.00%、8.70%，龍慶稻3號(hào)SHY模式的蘇氨酸、賴氨酸含量分別較FP和HYHE模式增加13.64%、4.34%和8.70%、4.34%。

由此看出，在不同栽培模式下，SHY模式可以顯著增加稻米中氨基酸總量、必需和非必需氨基酸含量，提高稻米的蛋白質(zhì)質(zhì)量，進(jìn)而提高稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

表4 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒氨基酸含量的影響 Tab.4 Effects of cultivation modes on amino acids contents of rice grain in cold region %

續(xù)表4 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒氨基酸含量的影響 Tab.4(Continued) Effects of cultivation modes on amino acids contents of rice grain in cold region %

2.4 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒礦質(zhì)元素含量的影響

稻米中的礦質(zhì)元素是影響稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的指標(biāo)之一，礦質(zhì)元素也在一定程度上影響人體健康。由圖1可知，不同栽培模式對(duì)稻米礦質(zhì)元素含量有較大影響，且2個(gè)水稻品種的變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為SHY>HYHE>FP>N0。龍粳46 SHY模式的Zn、Mg、Na、Fe、Ca、K、Cu、Mn含量分別較FP模式增加46.77%、27.46%、48.56%、31.22%、69.35%、8.85%、56.15%、24.94%，除K含量外，差異均達(dá)到顯著水平；HYHE模式較FP模式顯著提高Zn、Mg、Na、Ca、Cu、Mn含量，但對(duì)Fe和K含量的影響均不顯著。龍慶稻3號(hào)SHY模式8種礦質(zhì)元素含量分別較FP模式顯著增加13.84%、63.18%、39.59%、37.20%、18.55%、46.16%、31.80%、35.54%；HYHE模式較FP模式顯著提高M(jìn)g、Na、Ca、Cu、Mn含量，但對(duì)Zn、Fe、K含量的影響均未達(dá)到顯著水平。其中，在SHY模式下，龍粳46以Zn、Na、Ca、Cu含量增幅較大，而龍慶稻3號(hào)則以Mg、K含量增幅較大。可見(jiàn)，不同栽培模式對(duì)稻米礦質(zhì)元素影響較大，尤其是SHY模式可以顯著提高稻米中礦質(zhì)元素含量，但對(duì)不同品種和礦質(zhì)元素的影響程度不一致。

2.5 寒地水稻籽粒蛋白質(zhì)組分及總蛋白質(zhì)含量與礦質(zhì)元素含量間的相關(guān)分析

由表5可知，稻米球蛋白、谷蛋白含量分別與Mn含量呈極顯著、顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.80、0.74，醇溶蛋白含量與Mg含量呈顯著負(fù)相關(guān)。由此可知，隨著球蛋白和谷蛋白含量的增加，Mn含量增加；隨著醇溶蛋白含量的增加，Mg含量下降。

不同字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)Different letters indicate that the differences among different treatments of the same variety reached significant level(P<0.05)圖1 栽培模式對(duì)寒地水稻籽粒中Zn、Mg、Na、Fe、Ca、K、Cu、Mn含量的影響Fig.1 Effects of cultivation modes on contents of Zn,Mg,Na,Fe,Ca,K,Cu and Mn in rice grain in cold region

指標(biāo)IndexesZnMgNaFeCaKCuMn清蛋白Albumin0.01-0.63-0.37-0.210.21-0.520.090.56球蛋白Globulin-0.07-0.49-0.22-0.160.25-0.360.310.80??谷蛋白Glutenin0-0.57-0.28-0.200.15-0.420.220.74?醇溶蛋白Gliadin-0.08-0.70?-0.38-0.090.23-0.640.080.53總蛋白質(zhì)Total protein 0.34-0.27-0.27-0.180.19-0.150.430.43

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上顯著、極顯著相關(guān)。

Note:* ,** indicate significant and extremely significant correlations at 0.05,0.01 levels,respectively.

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，2個(gè)水稻品種均以SHY模式產(chǎn)量最高，其次是HYHE模式，F(xiàn)P模式產(chǎn)量相對(duì)較低。前人研究表明，增施氮、磷、鉀肥可以有效提高水稻的分蘗能力，增加水稻葉面積指數(shù)，促進(jìn)水稻干物質(zhì)積累，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[16]；歸復(fù)記有機(jī)肥能有效提高水稻產(chǎn)量[17]。本研究結(jié)果表明，HYHE模式產(chǎn)量顯著高于FP模式，原因在于HYHE模式較FP模式增施了氮、磷、鉀肥及歸復(fù)記有機(jī)肥，這與前人研究結(jié)果一致。而SHY模式產(chǎn)量最高，并顯著高于HYHE和FP模式。推測(cè)原因是SHY模式較HYHE模式增施了納米硅肥，同時(shí)采用缽苗擺栽和寬窄行等栽培技術(shù)。相關(guān)研究表明，施用納米硅肥可以顯著提高水稻產(chǎn)量[18-19]；水稻采用缽盤(pán)育秧移栽，基本無(wú)緩苗現(xiàn)象，分蘗發(fā)生早，有效分蘗多[20]；寬窄行栽培使植株通風(fēng)透光性良好，光合作用增強(qiáng)，從而提高產(chǎn)量[21]。因此，4種栽培模式中SHY模式增產(chǎn)效果最明顯。

石呂[22]研究表明，增加施氮量可以顯著提高4種蛋白質(zhì)組分含量。商全玉等[23]研究表明，在一定范圍內(nèi)施用硅肥，可以顯著提高稻米蛋白質(zhì)含量。邢志鵬等[24]研究發(fā)現(xiàn)，水稻缽苗機(jī)插方式下的稻米蛋白質(zhì)含量高于其他方式。本研究結(jié)果表明，與FP模式相比，SHY模式顯著提高2個(gè)水稻品種稻米中4種蛋白質(zhì)組分及總蛋白質(zhì)含量。推測(cè)原因是SHY模式較FP模式增施了氮肥和納米硅肥，并使用了缽苗擺栽方式，這與前人研究結(jié)果相似，說(shuō)明SHY模式可以改善稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

前人研究表明，增施氮、鉀肥可以明顯提高水稻籽粒氨基酸總量[25]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SHY模式氨基酸總量及必需、非必需氨基酸含量均顯著高于其他3個(gè)栽培模式。這是因?yàn)镾HY模式施氮、鉀量均最高，與前人[25]研究結(jié)果基本相符。此外，本研究中SHY模式較其他3種栽培模式增施了納米硅肥、歸復(fù)記有機(jī)肥，并采用了寬窄行栽培技術(shù)，但目前并未有以上3個(gè)因素對(duì)稻米氨基酸含量影響的報(bào)道，因此，本研究結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

水稻中含有的礦質(zhì)元素種類和數(shù)量不僅影響稻米的品質(zhì)，還對(duì)人類的健康有重要的影響。礦質(zhì)元素參與人體新陳代謝過(guò)程[26]，但不同礦質(zhì)元素的重要程度不盡相同。Zn、Fe、Cu和Mn屬于人體必需的礦質(zhì)元素，它們攝入過(guò)多、缺乏或失衡，都會(huì)不同程度地引起人體疾病發(fā)生和生理異常。本研究結(jié)果表明，SHY模式較FP模式顯著增加水稻籽粒Zn、Fe、Cu、Mn含量；HYHE模式較FP模式在一定程度上增加了水稻籽粒Zn、Fe、Cu、Mn含量。說(shuō)明SHY和HYHE模式均能提高水稻籽粒中人體必需礦質(zhì)元素的含量，但SHY模式提高效果更為明顯。目前，關(guān)于水稻礦質(zhì)元素的研究主要集中于氮肥對(duì)水稻礦質(zhì)元素的影響方面。前人研究表明，增施氮肥會(huì)提高稻米中Fe和Zn含量[27]。本研究中SHY和HYHE模式均較FP模式增施了氮肥，F(xiàn)e和Zn含量都較FP模式不同程度提高，這與前人研究結(jié)果相似[27-28]。值得注意的是，SHY模式對(duì)礦質(zhì)元素的影響因品種和礦質(zhì)元素種類而異，龍粳46的Zn、Na、Ca、Cu含量受影響較大，而龍慶稻3號(hào)則以Mg、K含量受影響較大，可見(jiàn)不同栽培模式對(duì)水稻礦質(zhì)元素含量的影響程度受品種自身遺傳機(jī)制影響。因而，在討論栽培模式對(duì)水稻礦質(zhì)元素含量的影響時(shí)，還應(yīng)考慮品種因素。此外，本研究通過(guò)對(duì)稻米中4種蛋白質(zhì)組分含量與8種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，球蛋白、谷蛋白含量分別與Mn含量呈極顯著、顯著正相關(guān)，醇溶蛋白含量與Mg含量呈顯著負(fù)相關(guān)。可見(jiàn)，球蛋白和谷蛋白含量對(duì)礦質(zhì)元素含量影響較大，且多為正效應(yīng)；而醇溶蛋白含量對(duì)礦質(zhì)元素含量的影響為負(fù)效應(yīng)。因此，根據(jù)本研究結(jié)果可以推測(cè)，蛋白質(zhì)組分和礦質(zhì)元素含量均影響稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，但兩者之間存在一定程度的拮抗作用。目前，關(guān)于稻米蛋白質(zhì)組分含量與礦質(zhì)元素含量間的相關(guān)性研究尚未見(jiàn)報(bào)道，所以此結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。綜上所述，SHY和HYHE模式均可在高產(chǎn)基礎(chǔ)上有效改善寒地稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，為寒地水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供了理論依據(jù)。