生物可降解膜覆蓋對機(jī)插水稻生長和稻米品質(zhì)的影響

胡國輝 宋順奇 向鏡 朱德峰 陳惠哲 張義凱 王亞梁 徐一成 易子豪 王軍可 張玉屏,*

生物可降解膜覆蓋對機(jī)插水稻生長和稻米品質(zhì)的影響

胡國輝1宋順奇2向鏡1朱德峰1陳惠哲1張義凱1王亞梁1徐一成1易子豪1王軍可1張玉屏1,*

(1中國水稻研究所 水稻生物學(xué)國家重點實驗室，杭州 310006；2吉林省通化市柳河縣農(nóng)技推廣總站，吉林 柳河 135300；*通信聯(lián)系人，E-mail: cnrrizyp@163.com)

研究并明確不同生態(tài)區(qū)生物可降解膜覆蓋對機(jī)插水稻生長和稻米品質(zhì)的影響，為實現(xiàn)水稻生態(tài)種植提供方法。以生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的五優(yōu)稻4號、鄂早18及甬優(yōu)538為試驗材料，在北方單季稻、南方早稻及單季稻三種種植類型中設(shè)置生物可降解膜覆蓋處理及不覆膜處理，研究不同生態(tài)區(qū)水稻生物可降解膜覆蓋機(jī)插對土壤溫度、水稻生長和稻米品質(zhì)的影響。1)增溫效果：北方覆膜水稻增溫效果更好，增溫效應(yīng)主要集中在生育前期，特別是在移栽到穗分化期這段時間。與對照相比，土壤日平均增溫2.76℃；2)生育期變化：南北方覆膜水稻均縮短了水稻生育期，北方覆膜水稻提前7 d成熟，南方兩種種植方式覆膜處理均提前3 d；3)葉齡：無論南北方覆膜均能促進(jìn)水稻葉片生長，增加出葉速率，在生育前期北方覆膜水稻的出葉數(shù)比對照多0.6~0.9葉；4)株高：南北方覆膜水稻均降低水稻株高，北方覆膜水稻顯著降低了5.7cm；5)莖蘗數(shù):北方單季稻覆膜處理促進(jìn)了水稻分蘗的早發(fā)快長，與對照相比，顯著提高有效莖蘗數(shù)35.7萬個/hm2；6)干物質(zhì)積累量：北方覆膜水稻在穗分化期、齊穗期及成熟期干物質(zhì)積累量均顯著大于對照，南方覆膜早稻在成熟期的干物質(zhì)積累顯著大于對照；南方單季稻在齊穗期的干物質(zhì)積累顯著小于對照；7)增產(chǎn)效果：南北方覆膜水稻都有顯著增產(chǎn)效果，北方增產(chǎn)效果更好，增產(chǎn)達(dá)到了8.7%，南方早稻增產(chǎn)7.9%，南方單季稻增產(chǎn)4.1%；8)稻米品質(zhì)：北方覆膜水稻顯著提高了糙米率、精米率及蛋白質(zhì)含量；南方單季稻覆膜處理顯著提高了整精米率，南方早稻也得到相同結(jié)果，但未達(dá)到顯著水平。生物可降解膜覆蓋機(jī)插種植模式在兩個生態(tài)區(qū)均能促進(jìn)水稻的生長發(fā)育，提高水稻產(chǎn)量；對于稻米品質(zhì)，北方覆膜水稻提高了稻米加工品質(zhì)，而食味品質(zhì)下降，南方覆膜水稻提高了加工品質(zhì)，而外觀品質(zhì)變劣；將南北覆膜水稻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，生物可降解膜覆蓋機(jī)插種植模式對北方水稻有更好的促進(jìn)生長作用及增產(chǎn)效果，并且降低了水稻覆膜生產(chǎn)中塑料薄膜對環(huán)境的污染，為水稻綠色優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供新的途徑。

生物可降解膜；機(jī)插；水稻生長；稻米品質(zhì)

水稻是我國重要的糧食作物之一，全國劃分為六個主要稻作區(qū)[1]，其中一些稻作區(qū)由于其特定的生態(tài)環(huán)境和氣候條件會限制水稻的生產(chǎn)[2]。同時，隨著人們生活水平的提高，對優(yōu)質(zhì)稻米的需求也日益增長[3]。為了滿足人們的需求和保障不斷增長人口的糧食安全，僅靠增加條件優(yōu)越稻作區(qū)的產(chǎn)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，還需通過水稻種植技術(shù)的革新來挖掘受干旱和低溫限制稻作區(qū)的生產(chǎn)潛力[4-5]。覆膜技術(shù)自從1978年引入我國以來，已廣泛應(yīng)用于水稻、玉米和小麥等作物，顯著改善水熱條件[6-7]，具有節(jié)水抗旱[8]、增溫保墑[9]、抑制雜草[10-11]和增加產(chǎn)量[12]等諸多優(yōu)點，能夠有效解決干旱和低溫受限種植區(qū)的水稻生產(chǎn)問題；而且覆膜機(jī)插技術(shù)符合當(dāng)前水稻生產(chǎn)輕簡化、機(jī)械化作業(yè)的趨勢[13-14]，能夠降低人工覆膜成本，提高水稻生產(chǎn)效益。國內(nèi)外科研工作者在關(guān)于水稻覆膜對水分利用率和產(chǎn)量的影響上做了一系列的研究，大量結(jié)果表明水稻覆膜栽培不僅能夠減少灌溉，節(jié)水抗旱，提高水分利用效率[15-17]，還可以增加土壤溫度[9,18]和土壤碳氮儲量[19-20]，提高作物從穗分化期到成熟期的生長速率和氮素吸收速率，從而提高水稻產(chǎn)量和資源利用效率[21-22]。特別是在受低溫和季節(jié)性缺水限制的種植區(qū)具有很好的增產(chǎn)潛力[12,18]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)在沒有明顯缺水或溫度限制的熱帶和亞熱帶地區(qū)，水稻覆膜種植不能提高糧食產(chǎn)量，甚至導(dǎo)致減產(chǎn)[23-24]。前人大部分研究集中在覆膜旱作對水稻生長和品質(zhì)的影響上，結(jié)果表明覆膜旱作能夠促進(jìn)水稻分蘗的生長[25-26]，但會顯著降低稻米品質(zhì)[27]，其中用于研究的薄膜大多數(shù)是聚乙烯塑料膜，會對環(huán)境造成污染；目前生物可降解膜開始廣泛應(yīng)用，在水稻生育期內(nèi)充分降解成二氧化碳和水，覆蓋后具有增溫除草節(jié)水節(jié)肥作用，對水稻生長及產(chǎn)量具有一定促進(jìn)作用，但目前對生物可降解膜覆蓋機(jī)插對水稻生長特性和稻米品質(zhì)的研究報道較少。為探討生物可降解膜覆蓋機(jī)插對水稻生長特性和稻米品質(zhì)的影響，本研究分別在中國水稻研究所富陽試驗基地(30°5′N，119°55′E)和吉林省通化市柳河國信社稷尚品農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司種植基地(42°25′N，126°08′E)兩個不同的稻作區(qū)進(jìn)行，并在富陽試驗基地開展了早稻和單季稻的試驗，由此可以對不同稻作區(qū)之間和同一稻作區(qū)不同種植制度之間進(jìn)行對比闡述。闡明生物可降解膜覆蓋機(jī)插對水稻生長發(fā)育與稻米品質(zhì)形成產(chǎn)生的效應(yīng)，為應(yīng)用水稻覆膜機(jī)插技術(shù)提供理論依據(jù)，同時為水稻綠色優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供新的種植技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地和生物可降解膜概況

試驗于2018年分別在中國水稻研究所富陽試驗基地(30°5′N，119°55′E)和吉林省通化市柳河國信社稷尚品農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司種植基地(42°25′N，126°08′E)進(jìn)行。富陽基地位于長江三角洲南翼，屬中緯度亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，2018年平均氣溫17.5℃，年平均降水量為1715 mm。試驗地土質(zhì)為黏性水稻土，冬閑；0－20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為58.3 g/kg，全氮 2.7 g/kg，全磷0.82 g/kg，速效磷 19.7 mg/kg，速效鉀138.5 mg/kg；柳河基地位于長白山向松遼平原過渡地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，2018年平均氣溫6.1℃，年平均降水量657 mm，試驗地0－20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為69.9 g/kg，全氮 2.8 g/kg，全磷1.0 g/kg，速效磷 34.7 mg/kg，速效鉀226.2 mg/kg，生物可降解膜的寬度為1.85 m，厚度為0.01 mm，45~65 d開始降解，能被完全降解，最終生成二氧化碳和水。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置生物可降解膜覆蓋及不覆膜2個處理，北方稻區(qū)種植單季稻，南方稻區(qū)種植早稻和單季稻。

北方單季稻：供試品種為五優(yōu)稻4號；設(shè)生物可降解膜覆蓋處理(EF)，以不覆膜為對照，兩處理均施生物有機(jī)肥2400 kg/hm2，作為基肥一次施用，有機(jī)肥全氮含量為46.3 g/kg，有效磷含量為1.6 g/kg，速效鉀含量為2.2 g/kg。每個處理設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積 1000 m2(長×寬=100 m×10 m)，種植方式為覆膜機(jī)插種植(掛覆膜機(jī)的洋馬插秧機(jī))，行株距30 cm×20 cm，密度為16.5萬叢/hm2，每叢4~5本。

南方早稻：供試品種為鄂早18；設(shè)置生物可降解膜覆蓋處理(EF)，以不覆膜為對照，兩處理均施緩釋氮肥(折合純氮150 kg/hm2)作為基肥；磷肥施過磷酸鈣(含P2O512.5%)300 kg/hm2，鉀肥施氯化鉀(K2O 57%)150 kg/hm2，一次性作為基肥施入；每個處理設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積41.4 m2(長×寬=23 m×1.8 m)，種植方式為覆膜機(jī)插種植(掛覆膜機(jī)的洋馬插秧機(jī))；行株距25 cm×15 cm，密度26.7萬叢/hm2，每叢2~3本。

南方單季稻：供試品種為甬優(yōu)538；設(shè)生物可降解膜覆蓋處理(EF)以不覆膜為對照，兩處理均用控釋氮肥(折合純氮240 kg/hm2)作為基肥一次性施用，磷肥施過磷酸鈣(含P2O512.5%)450 kg/hm2，鉀肥施氯化鉀(K2O 57%)225 kg/hm2，一次性作為基肥施入；每個處理設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積 70.2 m2(長×寬=18 m×3.9 m)，種植方式為覆膜機(jī)插種植(掛覆膜機(jī)的洋馬插秧機(jī))，行株距30 cm×16 cm，密度20.9萬叢/hm2，每叢1~2本。

1.2.2 田間管理

CK處理采用淺濕干交替灌溉；EF處理采用覆膜濕潤栽培水分管理，保持田面沒有水層，灌溉溝中有水，保證田間土壤含水量基本為飽和狀態(tài)。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤溫度

移栽當(dāng)天將HOBO (HOBO H8 Pro Temp/RH, Onset Computer Corporation, Bourne, MA, USA)溫度監(jiān)測裝置安裝在田塊中央的CK和EF處理小區(qū)內(nèi)，將溫度感應(yīng)探頭放置水稻行間距的中間土壤以下5 cm處，每隔兩小時自動記錄數(shù)據(jù)1次。

1.3.2 生育期及葉齡

每隔7 d標(biāo)記和記錄主莖葉齡，記錄水稻生育期；按照凌啟鴻等[28]葉齡模式以及體視顯微鏡(OLYMPUS, SZX9)觀察確定水稻穗分化初始日期(倒3.5葉)；群體50%抽穗記錄為抽穗期，群體80%抽穗記錄為齊穗期。

1.3.3 株高

自移栽后每小區(qū)選定6叢代表性水稻植株用直尺測量從基部到整穴植株最高點的高度作為株高。

1.3.4 莖蘗數(shù)

自分蘗發(fā)生后每小區(qū)選定6叢代表性水稻植株，每隔 7 d 調(diào)查一次莖蘗動態(tài)。

1.3.5 干物質(zhì)積累

在穗分化期、齊穗期和成熟期三個時期，以平均莖蘗數(shù)為主要標(biāo)準(zhǔn)，每小區(qū)取代表性植株5叢，植株連根拔出，清洗，去根。把葉片、莖鞘、穗(齊穗期和成熟期)分開裝袋烘干至恒重(方法：在鼓風(fēng)烘箱中，105℃下殺青30min，80℃下烘干，烘干時間根據(jù)樣本量的多少，大概需要48~72 h)，測定各處理植株干物質(zhì)積累與分配情況。

1.3.6 考種與測產(chǎn)

于成熟期調(diào)查每小區(qū)30叢水稻并計算單株平均有效穗數(shù)，每小區(qū)按平均穗數(shù)取樣法取4叢水稻，考查每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素及籽粒充實情況，每小區(qū)選定 150叢植株進(jìn)行測產(chǎn)，單打單收和曬干后，測定稻谷質(zhì)量和含水率，然后折算成標(biāo)準(zhǔn)含水量13.5%記為實收產(chǎn)量。

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；A－南方早稻；B－北方單季稻；C－南方單季稻。

Fig. 1. Effects of film mulching cultivation in different ecological areas on soil temperature at 5 cm depth.

表1 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對水稻生育期的影響

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照。

EF, Biodegradable film mulching; CK, No film mulching.

1.3.7 稻米品質(zhì)測定

精米直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量采用近紅外谷物分析儀(Infratec 1241 Grain Analyzer, FOSS -TECATOR公司生產(chǎn))測定，糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、膠稠度等品質(zhì)性狀的測定方法參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T17891－1999優(yōu)質(zhì)稻谷》[29]。精米率、糊化溫度(用堿解值級表示)等指標(biāo)參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)《NY 147－88 優(yōu)質(zhì)食用稻米》測定[30]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SAS 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對土表5 cm處溫度的影響

如圖1所示，在不同的種植制度下覆膜處理對5 cm處土壤都有增溫作用；但是在不同種植制度之間起到的增溫效果不同。對于南方早稻(圖1-A)來說，覆膜在水稻全生育期的增溫作用相對平均，且與對照相比，整個生育期土壤日平均增溫0.75℃，最大增溫2.55℃；北方單季稻(圖1-B)覆膜處理增溫效果最好，且增溫作用集中在生育前期，與對照相比，全生育期土壤日平均增溫1.55℃，最大增溫達(dá)到了6.41℃，且移栽到水稻穗分化期(倒3.5葉)這段時間日平均增溫2.76℃；增溫效果較差的是南方單季稻覆膜處理(圖1-C)，增溫也集中在生育前期，與對照相比，全生育期日平均增溫僅0.13℃，移栽到水稻最高分蘗期這段時間日平均增溫0.79℃。

2.2 生育期

如表1所示，覆膜處理能夠縮短水稻全生育期天數(shù)，使水稻提前成熟。北方單季稻覆膜處理與對照相比成熟期提前7 d，南方早稻和單季稻覆膜處理和對照相比均提前3 d。生育期的提前主要是因為移栽期-穗分化期縮短。

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；A－南方早稻；B－北方單季稻；C－南方單季稻。

Fig. 2. Effects of film mulching cultivation in different ecological areas on leaf aging process of rice.

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；A－北方單季稻；B－南方單季稻。

Fig. 3. Effects of film mulching cultivation in different ecological areas on plant height of rice.

2.3 覆膜對水稻葉齡進(jìn)程的影響

覆膜對土壤有增溫效應(yīng)，能提高生育期的有效積溫，為水稻的生長發(fā)育創(chuàng)造一個良好的局部生育環(huán)境(圖2)。覆膜處理對水稻葉齡進(jìn)程的影響在不同生態(tài)區(qū)和不同種植制度之間表現(xiàn)出一致的趨勢，均能夠促進(jìn)水稻葉片生長，增加出葉速率；且北方生態(tài)區(qū)較南方生態(tài)區(qū)表現(xiàn)更加明顯，特別表現(xiàn)在溫度較低的生育前期，北方單季稻(圖2-B)覆膜處理的葉片數(shù)比對照多0.6~0.9葉，南方早稻(圖2-A)和單季稻(圖2-C)增長相對平緩，覆膜處理的出葉速率略快于對照。

2.4 覆膜對水稻株高的影響

在南北生態(tài)區(qū)，覆膜水稻的株高與對照相比都有所降低，北方單季稻(圖3-A)差異更加明顯，在拔節(jié)期到穗分化期覆膜處理株高增長速度大于對照，其中最大株高差達(dá)到了9.2 cm，但之后生長速率逐漸下降，最終與對照相比株高顯著降低了5.7 cm；在全生育期內(nèi)南方覆膜單季稻(圖3-B)株高一直小于對照，其中，最大株高差達(dá)到6.7 cm，覆膜水稻后期生長加快，最終株高降低了3.4 cm。

2.5 覆膜對水稻分蘗數(shù)的影響

同一生態(tài)區(qū)，不同種植制度之間產(chǎn)生的影響趨勢相對一致；但在不同的種植生態(tài)區(qū)，產(chǎn)生的效應(yīng)有所不同(圖4)。南方生態(tài)區(qū)的早稻(圖4-A)和單季稻(圖4-C)在覆膜條件下，水稻分蘗的生長相對緩慢，在最高分蘗期前，對照處理的莖蘗數(shù)一直大于覆膜處理，但隨著無效分蘗的死亡，對照的莖蘗數(shù)快速下降，最終的有效分蘗數(shù)覆膜處理略大于對照，且分蘗成穗率覆膜處理顯著高于對照，早稻覆膜處理成穗率達(dá)81.4%，對照為71.9%；單季稻覆膜處理成穗率為77.2%，對照僅有59.7%。從圖4-B看出，北方單季稻覆膜處理促進(jìn)了水稻分蘗的早發(fā)快長，莖蘗數(shù)在生育期內(nèi)顯著大于對照，且最終有效莖蘗數(shù)比對照多35.7萬個/hm2，分蘗成穗率為56.3%，相對于對照略有降低。

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；A－南方早稻；B－北方單季稻；C－南方單季稻。

Fig. 4. Effects of film mulching cultivation in different ecological areas on tillering dynamics of rice.

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；A－南方早稻；B－北方單季稻；C－南方單季稻；PIS－穗分化期；FHS－齊穗期；MS－成熟期；柱上不同小寫字母表示同一生態(tài)區(qū)不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05, n=3, 最小顯著差數(shù)法)。

Fig. 5. Effects of film mulching cultivation on shoot dry weight of rice in different ecological areas.

2.6 不同生育時期地上部干物質(zhì)積累量

如圖所示，在穗分化期、齊穗期及成熟期三個時期北方單季稻(圖5-B)覆膜處理水稻地上部干物質(zhì)積累量都顯著大于對照，且在齊穗期差異最大，覆膜處理與對照相比地上部干質(zhì)量顯著提高了13.7%，在齊穗期南方早稻(圖5-A)處理間干物質(zhì)積累量沒有顯著差異，成熟期覆膜處理地上部干物質(zhì)積累量比對照顯著增加了19.5%；南方單季稻(圖5-C)沒有類似的趨勢，而且在齊穗期對照處理的水稻地上部干物質(zhì)積累量顯著比覆膜處理高，在穗分化期和成熟期沒有顯著差異。

2.7 產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

由表2所示，南北生態(tài)區(qū)覆膜處理均顯著提高了水稻產(chǎn)量，但對產(chǎn)量構(gòu)成因素影響有所不同。與對照相比，南方早稻和北方單季稻覆膜處理顯著增加了有效穗數(shù)和千粒重，北方單季稻增產(chǎn)8.7%，南方早稻增產(chǎn)7.9%，南方單季稻覆膜水稻顯著增加了穗粒數(shù)和千粒重，但產(chǎn)量增產(chǎn)僅4.1%。由此可見，通過生物可降解膜覆蓋，南方北方生態(tài)區(qū)水稻千粒重都有增加，但北方及南方早稻增產(chǎn)主要貢獻(xiàn)是增穗增產(chǎn)，南方單季稻主要是依靠增加每穗粒數(shù)增產(chǎn)。

表2 不同生態(tài)區(qū)覆膜栽培對水稻產(chǎn)量及其結(jié)構(gòu)的影響

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(=3)；不同小寫字母表示同一生態(tài)區(qū)不同處理間差異達(dá)到顯著水平(<0.05,=3, 最小顯著差數(shù)法)。

EF, Biodegradable film mulching; CK, No film mulching. Mean±SD(=3); Values followed by different lowercase letters are significantly different among treatments for each ecological area(<0.05,=3, LSD).

表3 覆膜栽培對水稻加工品質(zhì)及外觀品質(zhì)的影響

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(=3)；不同小寫字母者表示同一生態(tài)區(qū)不同處理間差異達(dá)到顯著水平(<0.05,=3, 最小顯著差數(shù)法)。

EF, Biodegradable film mulching; CK, No film mulching. Mean±SD(=3); Values followed by different lowercase letters are significantly different among treatments for each ecological area(<0.05,=3, LSD).

2.8 稻米品質(zhì)

在不同生態(tài)區(qū)，生物可降解膜覆蓋處理對稻米品質(zhì)的影響有所不同。如表3所示，與對照(CK)相比，南方早稻覆膜(EF)處理降低了糙米率和精米率，提高了整精米率、堊白粒率及堊白度，但均未達(dá)到顯著水平；北方覆膜水稻與對照相比顯著提高了糙米率和精米率，整精米率沒有顯著差異；南方單季稻EF處理顯著提高了整精米率，糙米率和精米率沒有顯著差異；北方覆膜處理對稻米堊白粒率和堊白度沒有顯著影響，南方單季稻覆膜處理與對照相比，堊白粒率和堊白度分別顯著升高了 54.2%和83.3%；對于膠稠度、堿解值和直鏈淀粉含量(表4)，南北生態(tài)區(qū)覆膜水稻與對照沒有顯著差異；對于蛋白質(zhì)含量，北方覆膜水稻較對照提高9.5%，南方單季稻沒有顯著差異?？梢?，北方稻區(qū)覆膜能顯著提高稻米加工和營養(yǎng)品質(zhì)，南方單季稻覆膜處理提高了稻米的加工品質(zhì)，也使稻米外觀品質(zhì)變劣。

3 討論

3.1 生物可降解膜覆蓋機(jī)插對水稻生長的影響

南北兩個生態(tài)區(qū)的氣候條件差異較大，導(dǎo)致了水稻覆膜機(jī)插種植在兩地產(chǎn)生的效果有所不同；北方氣溫較低且降雨量少，因此，覆膜處理增溫效應(yīng)較為明顯(圖1-B)，在移栽到水稻穗分化期(倒3.5葉)土壤日平均增溫2.76℃，提高了水稻生育前期的累積有效積溫，促進(jìn)水稻早期光合產(chǎn)物形成和低位分蘗的生長[23,31-32]，覆膜處理促蘗效應(yīng)顯著，最終顯著提高水稻的有效穗數(shù)，這與前人研究結(jié)果[18-19,33-34](覆膜水稻分蘗發(fā)生早，分蘗旺盛，持續(xù)時間長，但成穗率較低)一致；南方雨熱條件比較適宜水稻生長，覆膜之后增溫會帶來負(fù)面效應(yīng)，并且膜的存在導(dǎo)致其表面土壤溫度較高[35-36]，這樣可能影響秧苗的返青和生長，對前期分蘗生長起了抑制作用，導(dǎo)致南方早稻和單季稻覆膜處理分蘗數(shù)要小于對照，但覆膜處理提高土壤溫度和氧化還原電位，這會加速土壤礦化作用，增加土壤養(yǎng)分[37]，隨著生物可降解膜的分解破損，土壤表面溫度隨之下降，這樣在土壤養(yǎng)分充足的條件下，有利于水稻生長發(fā)育和高位分蘗的發(fā)生與成穗，并在分蘗盛期減少了無效分蘗的發(fā)生，促使最終有效穗數(shù)略高于對照，提高了分蘗成穗率；覆膜處理一定程度上提高了水稻生育期內(nèi)的有效積溫，加快了水稻葉齡進(jìn)程，促進(jìn)水稻提早成熟；劉軍等[38]研究結(jié)果表明覆膜水稻前期的生長速率顯著高于對照，能夠促進(jìn)水稻出葉，同時，覆膜處理可以減緩水稻生育前期低溫限制，縮短水稻生育期[39]。本研究在北方單季稻和南方早稻及單季稻的試驗結(jié)果均表現(xiàn)一致，覆膜水稻能加快水稻生育進(jìn)程，特別是對于生育前期溫度較低的北方單季稻，與對照相比提前7 d成熟；覆膜處理對水稻株高影響的研究較少，本研究在南北兩試驗點的結(jié)果顯示覆膜處理會降低最終水稻株高，北方覆膜水稻(圖3-A)在穗分化期前的株高均大于對照處理，這可能與生育前期覆膜的增溫效應(yīng)促進(jìn)水稻植株生長有關(guān)，其后覆膜處理的株高一直小于對照，與南方單季稻(圖3-B)株高變化趨勢一致。路興花等[40]研究認(rèn)為覆膜水稻隨著土壤水分含量的降低，水稻株高有降低的趨勢。Thakur等[41]研究發(fā)現(xiàn)覆膜處理的土壤含水量低于對照，這可能是株高變化的原因之一，具體的影響因素需進(jìn)一步研究。南北生態(tài)區(qū)之間覆膜機(jī)插種植對水稻生長發(fā)育產(chǎn)生的影響可能與生物可降解膜的降解速率有關(guān)，生物降解膜降解過程受到自然因素的影響較大[42]，在不同溫度和水分條件下降解程度不同，其中南方生態(tài)區(qū)溫度較高且降雨多，導(dǎo)致降解膜的開始降解時間先與北方，并且降解速率也快于北方，這造成了覆膜處理在兩個生態(tài)區(qū)對土壤5 cm處溫度(圖1)及水稻葉齡進(jìn)程(圖2)、株高(圖3)、分蘗生長(圖4)、干物質(zhì)積累(圖5)產(chǎn)生不同的影響，尤其是在生育前期膜的完整性對土壤溫度和養(yǎng)分等性質(zhì)具有重要作用[43]。所以，本研究結(jié)果顯示降解速率較慢的北方生態(tài)區(qū)，生物可降解膜覆蓋能更好地促進(jìn)水稻的生長，對于生物可降解膜在何時開始降解能更好地促進(jìn)水稻的生長有待于進(jìn)一步的研究。

表4 覆膜栽培對稻米理化性狀的影響

EF－覆膜處理；CK－不覆膜對照；平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(=3)；不同小寫字母者表示同一生態(tài)區(qū)不同處理間差異達(dá)到顯著水平(<0.05,=3，最小顯著差數(shù)法)。

EF, Biodegradable film mulching; CK, No film mulching. Mean±SD(=3); Values followed by different lowercase letters are significantly different among treatments for each ecological area. (<0.05,=3, LSD).

3.2 生物降解膜覆蓋機(jī)插對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

近年來在不同生態(tài)區(qū)研究覆膜對水稻產(chǎn)量影響的結(jié)果不盡相同[21-24,31-34]，這可能與不同區(qū)域的雨熱條件和試驗采用的品種、種植密度和移栽方式有關(guān)。從地域分布來看，覆膜栽培有顯著增產(chǎn)效果的地區(qū)主要是西南高山丘陵地區(qū)、西北季節(jié)性干旱區(qū)及東北高寒地區(qū)，增產(chǎn)主要原因在于地膜的增溫效應(yīng)促進(jìn)水稻前期分蘗形成，顯著提高了有效穗數(shù)，為增產(chǎn)打下基礎(chǔ)；然而，在熱帶和亞熱帶地區(qū)，由于溫度本來較高，覆膜會導(dǎo)致溫度更高，影響穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，會導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[24,36]；另外，在缺水區(qū)覆膜旱作與水作相比，產(chǎn)量也會略減，但節(jié)水效果顯著[27,44]。對于南方稻作區(qū)部分地區(qū)，水熱并不是該區(qū)域水稻生長的限制因素，覆膜后會使土壤表面溫度及水稻冠層溫度過高[16,45]，這有可能損害根系和抑制秧苗分蘗的發(fā)生與生長，不利于水稻的生長發(fā)育。不同生態(tài)區(qū)要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃旧L環(huán)境選擇應(yīng)用。但是本研究中可降解膜覆蓋栽培在南北生態(tài)區(qū)均表現(xiàn)出增產(chǎn)效果，北方單季稻和南方早稻增產(chǎn)幅度更大，從產(chǎn)量構(gòu)成因素上來看，其增產(chǎn)的主要原因是顯著的提高了水稻的有效穗數(shù)和千粒重(表2)，與前人研究的結(jié)果一致[12,18,21]。這是由于水稻前期溫度較低，覆膜處理能促進(jìn)水稻早期光合產(chǎn)物形成和低位分蘗的生長[23,31-32]，為最終水稻有效穗數(shù)和產(chǎn)量的提高奠定基礎(chǔ)；而南方單季稻覆膜處理的增產(chǎn)效果主要由于顯著增加了水稻每穗粒數(shù)和千粒重(表2)，這與南方單季稻覆膜處理對水稻生長的影響契合，在生育前期水稻分蘗生長受到抑制，一定程度上降低了穗數(shù)對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，但生育中后期，覆膜處理增加土壤微生物量、酶活性而促進(jìn)土壤礦化作用，提高土壤有效養(yǎng)分[46]。Zhang等研究[47]顯示，降解膜覆蓋能夠提高水稻從穗分化期到成熟期的生長速率和氮素吸收速率，還有研究表明水稻生殖生長到成熟階段養(yǎng)分狀況直接決定了水稻每穗粒數(shù)和粒重[47]，因而覆膜水稻在穗分化期到成熟期生長開始加快，為水稻每穗粒數(shù)和粒重的形成打下基礎(chǔ)；同時，也有研究發(fā)現(xiàn)覆膜種植對水稻根系發(fā)育具有積極作用，根系發(fā)育的改善對水稻高產(chǎn)具有重要意義[49]，因而構(gòu)建適宜協(xié)調(diào)的水稻群體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量構(gòu)成因子對覆膜水稻產(chǎn)量的提高至關(guān)重要。

前人在研究覆膜處理對水稻籽粒品質(zhì)影響上所得結(jié)論存在差異[16,45,47]，且關(guān)于生物可降解膜覆蓋機(jī)插種植對稻米品質(zhì)的研究較少。徐國偉等[50]研究顯示，覆蓋旱種稻米出糙率、精米率和整精米率高于常規(guī)種植，籽粒品質(zhì)得到改善。本研究結(jié)果也表明，北方覆膜處理顯著提高了水稻糙米率和精米率，而南方的單季稻顯著提高了整精米率；另有研究表明[47]覆膜旱種稻米的堊白度及蛋白質(zhì)含量明顯高于淹水栽培。我們的研究得出北方覆膜水稻蛋白質(zhì)含量明顯增加，對外觀品質(zhì)沒有顯著影響，南方覆膜水稻堊白粒率和堊白度明顯提高，使外觀品質(zhì)變劣，而張自常等[16, 27]指出在長江中下游地區(qū)，覆膜處理會使稻米品質(zhì)變差，但其中覆膜處理對水稻品質(zhì)影響的機(jī)理尚不清楚，可能與覆膜處理對土壤溫度和水分的影響有關(guān)。前人研究表明增溫會增加稻米堊白粒率和堊白度，可能是增溫會加速早期胚乳細(xì)胞的生長，導(dǎo)致籽粒灌漿不充實[51-52]；還有研究顯示輕度干濕交替水分處理能夠提高弱勢粒的充實程度和粒重，讓整個稻穗更加均勻整齊而改善稻米品質(zhì)[53]，在未受到水分脅迫情況下，覆膜水稻使土壤含水量的變化可能也會影響稻米品質(zhì)[54]，特別是籽粒灌漿速率和特性對水稻籽粒品質(zhì)影響顯著[55-56]。因此，有待進(jìn)一步研究生物可降解膜降解過程及其中間產(chǎn)物對土壤及水稻生長影響來進(jìn)一步揭示其對稻米品質(zhì)的影響機(jī)制。

4 結(jié)論

生物可降解膜覆蓋機(jī)插種植模式能提高土壤溫度，增加有效積溫，促進(jìn)水稻的生長發(fā)育，提高水稻產(chǎn)量；對于稻米品質(zhì)，北方覆膜水稻提高了稻米加工品質(zhì)，增加了蛋白質(zhì)含量而使食味品質(zhì)下降，南方覆膜水稻提高了加工品質(zhì)，但外觀品質(zhì)變劣；將南北生態(tài)區(qū)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，生物可降解膜覆蓋機(jī)插種植模式對北方水稻有更好的促進(jìn)作用及增產(chǎn)效果，且提高了水稻的生產(chǎn)效益，其中利用生物可降解膜替代塑料薄膜，降低了水稻覆膜生產(chǎn)中對環(huán)境的污染，為水稻綠色提質(zhì)增效生產(chǎn)提供新的途徑；對南方地區(qū)希望通過生物可降解膜的覆蓋，能進(jìn)一步研究其節(jié)肥節(jié)水除草的效應(yīng)，為水稻減肥減藥的措施提供途徑與方向。

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Effect of Biodegradable Film Mulching on Growth and Quality of Mechanically Transplanted Rice (L.)

HU Guohui1, SONG Shunqi2, XIANG Jing1, ZHU Defeng1, CHEN Huizhe1, ZHANG Yikai1, WANG Yaliang1, XU Yicheng1, YI Zihao1, WANG Junke1, ZHANG Yuping1,*

(China National Rice Research Institute/State Key Laboratory of Rice Biology,,;General Station of Agricultural Technology Extension in Liuhe County,,;*Corresponding author, E-mail: cnrrizyp@163.com

【】Our aim is to reveal the effects of biodegradable film mulching on the growth and quality of mechanically transplanted rice in different ecological areas, and provid a method for the rice ecological planting.【】The biodegradable film mulching treatment was designed in early-season rice in southern area, single-season rice in northern area and single-season rice in southern area under mechanical transplanting with widely used Wuyoudao 4, Ezao 18 and Yongyou 538 as materials. We investigated the effects of biodegradable film mulching on soil temperature, mechanically transplanted rice growth and quality in different ecological areas.【】1) The effect of temperature increase: The film mulching had a better temperature increasing effect on mulched rice in northern area, which was mainly concentrated in the early period of growth, especially in the period from transplanting to panicle initiation; the average daily increase in soil temperature was 2.76℃. 2) Change of growth period: the growth period of rice was shortened in both northern and southern areas. The maturing stage of film-mulched rice was 7 days earlier in the norther area and 3 days earlier in the southern area. 3) Leaf age: biodegradable-film mulching promoted the growth of leaves and increased the rate of leaf emergence of rice in the northern and southern areas. In the early growth stage, the number of emerged leaves of the northern film mulched rice was 0.6~0.9 more than that of the control. 4) Plant height: the plant height of rice decreased in both northern and southern areas, while that of northern rice was significantly decreased by 5.7 cm. 5) Number of stems and tillers: the mulching treatment promoted the growth of rice tillers, and significantly increased the effective tillers number per hm2of northern single-season rice by 357,000 compared with the control. 6) Shoot dry weight: the dry matter accumulation of single-season rice with biodegradable film mulched in northern area at panicle initiation stage, full heading stage and maturing stage was significantly higher than that of control, while that of early-season biodegradable film-mulched rice in southern area at maturing stage was significantly higher than that of control, that of single-season biodegradable film-mulched rice in southern area at full heading stage was significantly less than that of control. 7) Yield increasing effect: the yield of film-mulched rice in the northern and southern areas increased significantly. The yield of film-mulched single-season rice in northern area increased by 8.7%, early-season rice in southern area by 7.9%, and single-season rice in southern by only 4.1%. 8) Quality comparison: the brown rice, milled rice and protein contents were significantly improved by biodegradable film mulching in single-season rice in northern area, while the head rice was significantly increased in single-season biodegradable film-mulched rice in southern area, and the same results were obtained in southern early rice, but not significantly.【】The planting mode of biodegradable film mulching and mechanical transplanting can promote the growth and development of rice and increase the yield of rice in both ecological regions. For rice quality, the northern film-mulched rice had improved milling quality of rice, but the eating quality decreased, and the southern film-mulched rice had improved milling quality, but the appearance quality became worse. The comparison between the northern and southern film-mulched rice showed that planting mode of biodegradable film mulching and mechanical transplanting had better promotion and yield-increasing effect on the northern rice, and reduced the environmental pollution caused by plastic film in the production of rice, and provide a new way for the green and high-quality production of rice.

biodegradable film; mechanical transplanting; rice growth; rice quality

S511.48

A

1001-7216(2020)02-0159-12

10.16819/j.1001-7216.2020.9081

2019-07-12;

2019-08-12。

國家重點研發(fā)專項(2016YFD0200801, 2017YFD0300409)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-01-22)。