氮肥運籌對寒地水稻籽粒植酸、蛋白質(zhì)和礦質(zhì)元素的影響

郭曉紅 姜紅芳 王鶴瓔 蘭宇辰 徐令旗 唐 睿 孫光旭 呂艷東

(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)改良重點實驗室/北大荒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)省級培育協(xié)同創(chuàng)新中心,黑龍江 大慶 163319)

近年來,隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高,人們對優(yōu)質(zhì)米的消費需求進一步提升[1]。稻米品質(zhì)主要由生態(tài)環(huán)境、栽培方式以及品種遺傳等多種因素共同決定[2]。黑龍江省作為中國粳米優(yōu)質(zhì)生態(tài)區(qū)和重要的商品糧基地,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,是寒地稻米品質(zhì)優(yōu)良的基礎(chǔ)。氮素作為植物蛋白質(zhì)、核酸、酶和葉綠素的組成成分,也是多種內(nèi)源激素及其前體的重要組成成分[3],不僅影響水稻產(chǎn)量,對優(yōu)質(zhì)稻米的形成也至關(guān)重要[4]。因此,研究氮肥運籌對寒地稻米營養(yǎng)品質(zhì)的影響具有重大意義。

水稻籽粒中蛋白質(zhì)及組分含量以及礦質(zhì)元素含量是衡量其營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標。植酸是一種抗營養(yǎng)因子,其在種子發(fā)育過程中合成并與一些微量元素結(jié)合以植酸鹽的形式存在,影響人和單胃動物對礦質(zhì)元素的吸收,從而降低營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用度[5]。前人為闡明基因型和環(huán)境對稻米中植酸和礦質(zhì)元素積累的影響做了大量研究[6-8],且已基本明確基因型、地理位置以及其他環(huán)境因素均對植酸和礦質(zhì)元素含量的變化有顯著影響。而稻米品質(zhì)除受遺傳因素影響外,還與栽培措施等因素密切相關(guān)。氮肥運籌是影響稻米品質(zhì)最主要的因素之一,以往氮肥對稻米營養(yǎng)品質(zhì)影響的研究多局限于蛋白質(zhì)含量的變化,在施氮量方面,水稻籽粒中蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而增加[9-11]；在氮肥施用時期及分配比例方面,胡群等[12]通過比較7 種基蘗肥與穗肥比例下蛋白質(zhì)含量變化發(fā)現(xiàn),隨著穗肥比例的提高,蛋白質(zhì)含量增加,進而提高了稻米營養(yǎng)品質(zhì)。綜上,增加施氮量、提高穗肥的施用比例均能促進水稻籽粒中蛋白質(zhì)的積累。然而關(guān)于氮肥運籌對寒地水稻籽粒植酸、總蛋白質(zhì)及組分和礦質(zhì)元素影響的研究相對薄弱。因此,本研究以2 個粳稻品種為材料,比較分析了施氮量、施氮時期以及施氮比例對寒地稻米營養(yǎng)品質(zhì)影響的綜合效應(yīng),以期為寒地優(yōu)質(zhì)水稻的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2017-2018年在黑龍江省大慶市王家圍子水稻試驗基地(125°07′39.56″E,46°40′49.03″N)進行。該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),水稻種植以連作為主,一年一熟制。水稻生育期間氣象因子如表1所示。試驗地土壤為鹽堿土,可溶性鹽含量為0.31%。2017 和2018年0～20 cm 土層含有機質(zhì)分別為36.10 和34.92 g·kg-1,堿解氮分別為170.80 和162.52 mg·kg-1,有效磷分別為34.60 和34.10 mg·kg-1,速效鉀分別為202.0 和198.8,pH 值分別為8.03 和8.07。

供試品種為粳稻品種墾粳7 號、墾粳8 號,由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻研究中心選育。

表1 水稻生育期間氣象因子Table 1 Meteorological factors during rice growth

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計,通過實地農(nóng)戶調(diào)研確定當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量以及施氮時期,并根據(jù)徐一戎等[13]提出的“前重、中輕、后補”施氮原則,設(shè)置4 種氮肥運籌處理：習(xí)慣施肥(T1),氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥＝6∶3∶1比例施入,其中穗肥以促花肥一次施入；氮肥后移1(T2),氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥＝4∶3∶3比例施入,穗肥分成促花肥和保花肥以1∶2比例施入；減量T2(T3),氮肥施用時期和比例與T2 一致,但氮肥總量減少10%；氮肥后移2(T4),氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥＝5∶3∶2比例施入,穗肥以保花肥一次施入,具體施氮時期及施氮量見表2。氮肥為尿素,含N 46.4%；磷肥為重過磷酸鈣,含P2O546%,總量為70 kg·hm-2,作基肥一次施入；鉀肥為硫酸鉀,含K2O 50%,總量為90 kg·hm-2,按基肥∶?；ǚ剩?∶3的比例施入。T1、T2、T3、T4 施氮量見表2?；试谝圃郧? d(2017年5月10日,2018年5月9日)施入；T1 蘗肥和促花肥分別在移栽后20 d(2017年6月7日,2018年6月6日)和移栽后40 d(2017年6月27日,2018年6月26日)施入；T2、T3、T4蘗肥在返青期(2017年5月24日,2018年5月21日)施入,促花肥在倒4 葉長出一半時(2017年6月25日,2018年6月20日)施入,?；ǚ试诘? 葉長出一半時(2017年7月10日,2018年7月10日)施入。

各小區(qū)面積為126 m2,每小區(qū)3 次重復(fù),葉齡3.1葉進行人工均行插秧,行距30 cm,穴距13.3 cm,每穴4 苗,各試驗小區(qū)水分管理采用單排單灌方式,防止各處理間相互影響。試驗播種日期分別為2017年4月17日和2018年4月20日,移栽日期分別為2017年5月18日和2018年5月17日,收獲日期分別為2017年9月27日和2018年9月20日。插秧及本田管理按常規(guī)進行。

水稻成熟后,每小區(qū)選擇長勢均勻的三點,割取5 m2水稻,脫谷,曬干后存放3 個月,待樣品水分降至14%±1%,將稻谷加工成糙米和精米,粉碎后過40 目篩。糙米粉用于測定總蛋白質(zhì)含量,精米粉用于測定植酸、礦質(zhì)元素和蛋白質(zhì)組分含量。

表2 氮肥運籌試驗設(shè)計Table 2 Experimental design of nitrogen fertilizer operation /(kg·hm－2)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植酸含量 稱取10.0 g 樣品,置于具塞三角瓶中,加入40 mL 硫酸鈉-鹽酸提取溶液,振蕩提取2 h,提取液于5 000 r·min-1離心5 min,收集全部上清液并用硫酸鈉-鹽酸提取溶液定容至50 mL,經(jīng)快速濾紙過濾后備用。準確吸取5 mL 所得濾液于10 mL 比色管中,加入4 mL 三氯化鐵-磺基水楊酸反應(yīng)溶液,混勻,靜置20 min 后取部分清液倒入1 cm 比色皿中,于500 nm 波長處測定吸光度值,并根據(jù)標準曲線計算樣品中植酸含量。

1.3.2 總蛋白質(zhì)及其組分含量 使用FOSS 1241 近紅外谷物分析儀(丹麥福斯分析儀器公司)測定糙米的總蛋白質(zhì)含量；采用李合生[14]的連續(xù)提取法對精米粉中的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白進行提取,采用凱氏定氮法測定含氮量,再乘以換算系數(shù)5.95,計算精米蛋白質(zhì)組分含量。

1.3.3 礦質(zhì)元素含量 稱取0.5 g 樣品至聚四氟乙烯消解罐中,加入5 mL 65%～68%優(yōu)級純硝酸,靜置10 min,反應(yīng)結(jié)束后,密封,放入WX-8000 微波消解儀(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)進行消解。待溫度冷卻至50℃以下后,取出消解罐放入通風(fēng)櫥中,打開消解罐,用超純水潤洗,轉(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶中,至少潤洗3～4 次,用超純水稀釋定容至刻度,待測。Zn、Mg、Fe、Cu 和Mn 含量采用ICP-MS 型電感藕合等離子質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific 公司)測定；Na、Ca 和K 含量采用Optima 8000 電感耦合等離子光譜儀(美國Perkin Elmer 公司)測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 和DPS 7.05 軟件進行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)分析,數(shù)據(jù)間的多重比較采用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運籌下水稻籽粒植酸含量的變化

由水稻籽粒中植酸含量的方差分析可知,稻米植酸含量不僅受品種效應(yīng)影響顯著(F＝10.36??),氮肥效應(yīng)的影響更顯著(F＝477.29??)。由圖1可知,兩年間兩品種在各處理的籽粒植酸含量均表現(xiàn)T1＞T4＞T2＞T3,與T1 相比,T2、T3 和T4 植酸含量平均分別顯著降低了31.92%、48.94%和21.28%。與T2 相比,T3植酸含量顯著降低,T4 植酸含量顯著提高。此外,除T1 墾粳7 號植酸含量低于墾粳8 號外,T2、T3 和T4植酸含量均表現(xiàn)為墾粳7 號高于墾粳8 號。

圖1 氮肥運籌對寒地水稻籽粒植酸含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen fertilizer management on phytic acid content in rice grain in cold region

2.2 氮肥運籌下水稻籽?？偟鞍踪|(zhì)及其組分含量的變化

如表3所示,氮肥效應(yīng)對寒地水稻籽粒蛋白質(zhì)含量的效應(yīng)達極顯著水平,氮肥與品種互作效應(yīng)對水稻籽粒中蛋白質(zhì)含量的影響未達顯著水平。與T1 相比,T2、T3、T4 總蛋白質(zhì)含量(兩品種均值)分別提高了0.60、0.40、0.13 個百分點,且T2 與T1 間差異達顯著水平。與T2 相比,T3 和T4 總蛋白質(zhì)含量分別降低了0.41 和0.94 個百分點,其中墾粳7 號在T4 與T2 間差異顯著。

氮肥效應(yīng)對4 種蛋白組分含量的影響均達極顯著水平,其中醇溶蛋白含量對氮肥響應(yīng)最大(F＝49.38??),品種效應(yīng)對清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量的影響達極顯著水平。與T1 相比,T2、T3 和T4 均提高了兩品種籽粒中的清蛋白、球蛋白和谷蛋白含量。其中,兩品種在T2 的清蛋白和球蛋白含量均較T1 顯著增加,在T2、T3、T4 的谷蛋白含量均較T1 顯著增加；而T2 和T3 的醇溶蛋白含量較T1 降低,T4 的醇溶蛋白較T1 略有增加,但差異均不顯著。

不同氮肥運籌處理下兩品種水稻種籽粒的4 種蛋白質(zhì)組分、總蛋白質(zhì)和植酸含量之間的相關(guān)性如表4所示,4 種蛋白質(zhì)組分間,僅清蛋白含量與谷蛋白含量呈顯著負相關(guān)。總蛋白質(zhì)含量與清蛋白、球蛋白含量均呈極顯著正相關(guān)。植酸含量除與醇溶蛋白含量呈正相關(guān)外(R＝0.64),與總蛋白質(zhì)及其他蛋白組分含量均呈負相關(guān)關(guān)系,且與球蛋白含量呈顯著負相關(guān)。

表3 氮肥運籌對寒地水稻籽?？偟鞍踪|(zhì)及其組分含量的影響(2017)Table 3 Effects of nitrogen fertilizer management on protein composition and protein content of rice grain in cold region(2017) /%

2.3 氮肥運籌下水稻籽粒礦質(zhì)元素含量的變化

由表5可知,水稻籽粒中Cu、Mn、Ca、K 含量變化趨勢一致,與T1 相比,T2、T3 和T4 水稻籽粒中Cu、Mn、Ca、K 含量增加,其中以T2 增幅最大,其Cu、Mn、Ca 和K 含量分別較T1 平均顯著提高了30.46%、25.67%、24.40%和和14.85%；而T3 的墾粳7 號水稻籽粒中Cu 和Mn 含量分別較T1 平均顯著提高了20.11%和15.66%。各處理Zn 含量的變化趨勢表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞T4,T2 和T3 的Zn 含量分別較T1 平均顯著提高了6.97%和23.85%。水稻籽粒中Fe 和Mg含量的變化因品種而異,與T1 相比,T2 和T3 顯著提高了兩品種的Fe 含量,T4 提高了墾粳8 號的Fe 含量,但降低了墾粳7 號的Fe 含量；T2 和T3 顯著提高了墾粳7 號的Mg 含量,降低了墾粳8 號的Mg 含量,T4 提高了兩品種的Mg 含量。各處理水稻籽粒中Na含量的變化因年份而異,但均以T2 最高。

表4 水稻籽粒蛋白組分、蛋白質(zhì)與植酸含量的相關(guān)關(guān)系Table 4 Relationships between protein components， protein and phytic acid content in rice grains

表5 氮肥運籌對寒地水稻籽粒Cu、Mn、Fe、Zn、Na、Mg、Ca、K 含量的影響Table 5 Effects of nitrogen fertilizer management on contents of Cu， Mn， Fe， Zn， Na， Mg， Ca and K elements of rice grain in cold region /(μg·g－1)

綜上所述,T2、T3 均能不同程度地提高水稻籽粒中Cu、Mn、Fe、Zn、Ca、K 等礦質(zhì)元素含量,而T4 對礦質(zhì)元素含量的影響結(jié)果因品種和年份而不同。與T2相比,T3 顯著提高了水稻籽粒中Zn 含量,不同程度地降低了Cu、Mn、Na、Ca 和K 含量。

2.4 氮肥運籌下水稻籽粒植酸含量與礦質(zhì)元素的相關(guān)性

分析氮肥運籌下水稻籽粒植酸含量與8 種礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性,結(jié)果如圖2所示,水稻的植酸含量與7 種礦質(zhì)元素含量均符合線性關(guān)系,即隨著植酸含量的增加,兩年籽粒中Cu、Mn、Fe、Zn、Ca、Mg、K 含量均呈下降趨勢,且2018年植酸與礦質(zhì)元素含量間線性關(guān)系的擬合度高于2017年(Cu 除外),此外,2018年Zn、Ca 含量與植酸含量呈顯著負相關(guān)(R2＝0.649?、0.516?)。而植酸對Na 含量的影響因年份而不同。

圖2 水稻籽粒植酸含量與Cu、Mn、Fe、Zn、Na、Mg、Ca、K 元素的相關(guān)關(guān)系Fig.2 The correlation between phytic acid content and Cu， Mn， Fe， Zn， Na， Mg， Ca， K elements of rice grains

3 討論

近年來,國內(nèi)外關(guān)于水稻籽粒植酸含量的遺傳因素和環(huán)境影響效應(yīng)的研究已有較多報道[7-8,15-16],且已基本明確了遺傳因素和環(huán)境生態(tài)條件對水稻籽粒中植酸含量均有較顯著的影響。本研究中氮肥、品種效應(yīng)對水稻籽粒中植酸含量的影響均達顯著或極顯著水平,且氮肥的作用效果明顯高于品種。張其芳等[17]研究表明,在常規(guī)水作栽培方式下,高氮處理導(dǎo)致籽粒中植酸含量呈上升趨勢。本研究結(jié)果表明,T3 顯著降低了籽粒的植酸含量；此外,與T1 相比,T2 和T3 籽粒中植酸含量平均分別顯著降低了31.92%和48.94%。Ning 等[18]研究發(fā)現(xiàn),提高穗肥施用比例,可有效降低水稻籽粒的植酸含量,本研究結(jié)果與之相似。由此可見,氮肥后移至穗肥,分別在幼穗分化期和穎花分化期施用氮肥作為促花肥和?；ǚ?可有效控制水稻籽粒中植酸的積累,同時減氮10%作用效果更為顯著。

水稻籽粒中的蛋白質(zhì)是理想的植物蛋白,易被人體吸收利用。眾多研究學(xué)者均認為氮肥可以促進籽粒中蛋白質(zhì)含量的積累[19]。成臣等[20]研究表明,施氮量的增加有利于水稻籽粒中蛋白質(zhì)含量的提高,但過高的氮肥施用量難以使蛋白質(zhì)含量進一步提升。潘圣剛等[21]和陳夢云等[22]研究發(fā)現(xiàn),提高氮肥在穗粒肥中所占的比例可使蛋白質(zhì)含量顯著提高。本研究結(jié)果也表明,在施氮時期及比例相同的條件下,T3 較T2 減氮10%的施氮方式降低了水稻籽粒中的總蛋白質(zhì)含量；但與T1 相比,T2 降低基肥施氮量,將氮肥后移至穗分化期作穗肥施用的施氮方式顯著提高了水稻籽粒中總蛋白質(zhì)含量。有研究表明,水稻籽粒中清蛋白和谷蛋白含必需氨基酸較多,且易于消化,為優(yōu)質(zhì)蛋白[23]；而醇溶蛋白積累在蛋白體-Ⅰ(protein body-Ⅰ,PB-Ⅰ)中,PB-Ⅰ結(jié)構(gòu)緊密,難以被吸收消化,為劣質(zhì)蛋白[24]。本研究表明,與T1 相比,T2 和T3 提高了水稻籽粒中清蛋白、球蛋白和谷蛋白含量,降低了醇溶蛋白含量,尤其是T2 效果更為顯著,表明該施氮方式提高了水稻籽粒中的優(yōu)質(zhì)蛋白含量,進而提升了稻米營養(yǎng)品質(zhì)。

關(guān)于氮肥對水稻籽粒中礦質(zhì)元素含量的影響,前人研究結(jié)果不一,袁繼超等[25]研究表明,Mg、Ca、Fe、Zn、Mn、Cu 含量均隨施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢。趙寧春等[26]研究表明,增施氮肥降低了水稻籽粒中Cu 含量,提高了Mn 和Fe 含量,而K、Mg、Na、Zn含量因品種而異。本研究表明,T2 和T3 較T1 有效提高了水稻籽粒中Cu、Mn、Ca、K、Zn 和Fe 含量,T4 下各礦質(zhì)元素表現(xiàn)不一,說明適當(dāng)減少基肥施氮量,于倒4葉和倒2 葉同時施用促花肥和?；ǚ士稍黾铀咀蚜Ｖ械V質(zhì)元素的積累(除Mg 和Na 含量變化因品種而異)；此外,在本試驗條件下,氮肥和品種對寒地水稻籽粒礦質(zhì)元素含量存在顯著或極顯著影響?？梢?氮肥運籌對水稻籽粒中礦質(zhì)元素含量的影響效果在不同試驗中的結(jié)果各異。通過分析氮肥運籌下兩年兩品種水稻籽粒中8 種礦質(zhì)元素間的相關(guān)關(guān)系可知,除Na 與其余礦質(zhì)元素間無顯著相關(guān)性外,礦質(zhì)元素間的相關(guān)系數(shù)均在0.72～0.97 之間,呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。

植酸在作物種子發(fā)育過程中合成,通常與K、Mg、Ca、Fe 和Zn 等陽離子絡(luò)合形成植酸鹽,以圓球狀晶體的形式儲存在胚、胚乳或子葉的蛋白體中[27-28],這些不溶性鹽可阻止人體腸道中重要營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,最終導(dǎo)致微量營養(yǎng)素缺乏。因此,水稻籽粒中的植酸含量與蛋白質(zhì)、礦質(zhì)元素含量間可能存在較密切的關(guān)系。王慧等[29]研究13 個不同類型水稻品種不同部位植酸含量與蛋白質(zhì)、礦質(zhì)元素含量的關(guān)系發(fā)現(xiàn),植酸含量與粗蛋白含量呈顯著負相關(guān),與礦質(zhì)元素含量無顯著相關(guān)性。張其芳等[17]研究表明,谷蛋白含量與水稻籽?？偟鞍踪|(zhì)含量之間存在極顯著正相關(guān),而植酸含量與總蛋白質(zhì)及其組分含量間的相關(guān)性均未達到顯著水平。本試驗通過分析氮肥運籌下稻米植酸含量與蛋白組分、8 種礦質(zhì)元素含量的關(guān)系可知,植酸與劣質(zhì)蛋白即醇溶蛋白含量呈正相關(guān),與總蛋白質(zhì)及其他組分含量均呈負相關(guān)關(guān)系；與7 種礦質(zhì)元素含量呈線性關(guān)系,即隨著植酸含量的增加,水稻籽粒中Cu、Mn、Fe、Zn、Ca、Mg、K 含量呈下降趨勢,且2018年水稻籽粒植酸含量與Zn、Ca 含量呈顯著負相關(guān)(R2＝0.649?、0.516?)?？梢?降低水稻籽粒中植酸含量,可改善稻米的營養(yǎng)品質(zhì),但水稻籽粒中植酸含量對蛋白質(zhì)組分以及礦質(zhì)元素的影響機理有待進一步驗證。

4 結(jié)論

通過對施氮時期、施氮比例及施氮量的調(diào)控,氮肥后移1(T2)和減量T2(T3)顯著降低了寒地水稻籽粒中植酸含量,提高了礦質(zhì)元素以及清蛋白、球蛋白和谷蛋白含量,降低了醇溶蛋白含量,改善了蛋白質(zhì)組分并促進了總蛋白質(zhì)的積累,尤其是氮肥后移1 作用效果更為顯著。因此,氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥＝4∶3∶3比例施入,穗肥分成促花肥和?；ǚ室?∶2比例施入的施肥方式可有效改善稻米的營養(yǎng)品質(zhì)。