氮肥減量對優(yōu)質(zhì)稻籽粒蛋白質(zhì)影響及其合理性評價

王保君 程旺大 沈亞強 秦葉波 蘇 瑤 陳 貴 魯晨妮 張紅梅

（1嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所，314016，浙江嘉興；2浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，310020，浙江杭州；3浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，310021，浙江杭州；4嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院生物技術(shù)研究所，314016，浙江嘉興）

氮肥作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，其對糧食生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率約為45%[1]，在促進(jìn)糧食增產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)業(yè)每年施用氮肥約3000萬t，約占全球農(nóng)業(yè)氮肥用量的30%[2]。水稻作為浙北地區(qū)主要的栽培作物，也是浙江氮肥消耗占比較高的農(nóng)作物之一。氮肥的過量施用不僅會造成水稻產(chǎn)量降低，而且會影響稻米品質(zhì)[3-4]。近年來，人們對稻米的食味品質(zhì)要求越來越高，優(yōu)質(zhì)稻米在消費市場上開始走俏。相關(guān)報道[5]指出，稻米的食味品質(zhì)同水稻籽粒蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)。氮肥施用越多，籽粒蛋白質(zhì)含量越高，稻米的香味和口感反而越差[6]。此外，氮肥的不合理施用也會威脅農(nóng)田土壤健康，引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，合理地減少氮肥用量對提高稻米品質(zhì)以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色健康發(fā)展具有重要意義。

目前，關(guān)于氮肥合理性評判的指標(biāo)有很多，其中氮素利用率（NUE）是廣泛使用的指標(biāo)。然而，NUE不能反映產(chǎn)量水平和氮素?fù)p失量，片面追求較高的NUE可能引起土壤氮素消耗[2]。氮素盈余（Nsur）指標(biāo)可以彌補NUE的不足之處，二者結(jié)合可以很好地衡量氮肥管理的合理性[7]。Zhang等[8]根據(jù)NUE和Nsur指標(biāo)對全國13個糧食作物種植區(qū)進(jìn)行氮素合理性判定，結(jié)果表明13個種植區(qū)在最佳施氮管理下的平均NUE為63%，Nsur相對減少了25%～49%。劉宏元等[9]利用NUE以及Nsur等指標(biāo)對山東省德州市小麥—玉米輪作田進(jìn)行評價，結(jié)果表明小麥—玉米輪作體系周期平均每年氮素盈余量為196.84kg N/hm2，屬于中級管理水平。浙江省北部屬長三角稻區(qū)，耕地比較分散，農(nóng)戶水稻施肥管理水平參差不齊，仍存在很大的盲目性。相關(guān)研究[10]表明，1988-2017年，長三角稻區(qū)水稻氮肥平均施用量為279kg/hm2，顯著高于其他稻區(qū)的55.9%～75.5%。此外，浙江水稻化肥施用強度呈波狀上升趨勢，由2004年的304kg/hm2上升到2016年的339kg/hm2，減肥潛力較大[11]。近年來，氮肥減量行動在浙北地區(qū)廣泛開展，如何通過合理的施氮措施減少環(huán)境污染、提高稻米品質(zhì)尤為重要。本研究通過大田試驗，以浙北優(yōu)質(zhì)粳稻為研究對象，研究氮肥減量對優(yōu)質(zhì)稻籽粒蛋白質(zhì)形成的影響，并結(jié)合NUE和Nsur指標(biāo)對氮肥減量管理進(jìn)行合理性綜合評價，為浙北地區(qū)氮肥管理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在浙江北部嘉興市秀洲區(qū)王江涇鎮(zhèn)雙橋村嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗地（120°43′04″E，30°50′08″N）進(jìn)行。試驗地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔12m，年均氣溫15.5℃，年均降水量1194mm，年均日照時數(shù)1950h，年輻射量462kJ/cm2，年無霜期245d。土壤類型為長三角地區(qū)典型的水稻青紫泥，肥力水平均勻，能代表當(dāng)?shù)赝寥婪柿λ剑?～20cm土層土壤基本理化性狀為有機碳28.11g/kg、全氮2.39g/kg、速效磷13.55mg/kg、速效鉀132.84mg/kg、銨態(tài)氮14.15mg/kg、硝態(tài)氮12.37mg/kg，pH 6.82。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)嘉興當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶施肥習(xí)慣，設(shè)置施氮量（以純氮計）0（N0）、270（N）、229.5（N-15%）和189kg/hm2（N-30%）4個水平（處理），隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，每個小區(qū)面積22.54m2（4.9m×4.6m）。各小區(qū)間田埂寬度為40cm，用塑料膜包裹，防止水肥互串。供試水稻品種為浙北地區(qū)優(yōu)質(zhì)晚粳稻嘉禾218。2019年5月25日播種，6月22日人工移栽，行株距為25cm×16cm，每穴2株。試驗所用氮肥、磷肥和鉀肥的商品名稱和生產(chǎn)商分別為：中顆粒尿素（N≥46%，河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司）、氯化鉀（K2O≥60%，中化化肥控股有限公司）、粒狀過磷酸鈣（P2O5≥12%，海鹽北洋磷原物資有限公司）。各處理水分管理模式以及病、蟲、草害防治保持一致，具體施肥方式、施肥量以及施肥日期見表1。

表1 不同處理施肥方案Table 1 The fertilization designs of different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻籽粒蛋白質(zhì)及其組分 處理N0、N、N-15%和N-30%的水稻齊穗時間分別為8月27日、9月3日、9月3日和8月31日，分別于水稻齊穗后10、20、30、40、50d取樣。每小區(qū)每次割取代表性水稻植株（其株高、長勢以及籽粒成熟度能夠代表小區(qū)水稻群體整體特征）3穴，剪取稻穗裝入紙袋，放入烘箱，105℃下殺青30min，80℃烘干至恒重，采用人工手剝和礱谷機（JLGJ4.5，浙江臺州）去殼，加工成糙米，進(jìn)行粉碎過篩待測。采用凱氏定氮法測定水稻籽粒蛋白質(zhì)含量以及收獲時水稻秸稈氮含量，采用連續(xù)提取—考馬斯亮藍(lán)法測定水稻籽粒蛋白質(zhì)組分含量[12]。

1.3.2 水稻產(chǎn)量 水稻成熟后（2019年10月28日），各小區(qū)單獨收割、脫粒、曬干，進(jìn)行測產(chǎn)。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計算公式

式中，N化肥為氮肥輸入氮；N水稻為水稻秸稈+水稻籽粒移除氮；N沉降為大氣沉降輸入氮，嘉興為 55.86kg/hm2[13]，N非共生生物固氮為水稻固氮量45kg/hm2[14]。

1.5 優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量合理化指標(biāo)評價體系構(gòu)建

利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）構(gòu)建優(yōu)質(zhì)稻氮肥合理化減量指標(biāo)評價體系，選取產(chǎn)量、蛋白質(zhì)、Nsur和NUE等指標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱，使指標(biāo)變量的取值控制在[0，1]之間[15]，處理方式為正向指標(biāo)（+）：指標(biāo)分?jǐn)?shù)=（指標(biāo)值-最小值）/（最大值-最小值），逆向指標(biāo)（-）：指標(biāo)分?jǐn)?shù)=（指標(biāo)值-最大值）/（最小值-最大值）。然后建立層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合經(jīng)驗豐富的專家評價，使用1-9標(biāo)度法，計算各層次權(quán)重，分別對每層指標(biāo)建立判斷矩陣，進(jìn)行一致性檢驗，計算各指標(biāo)在該層的權(quán)重，最后對總體進(jìn)行一致性檢驗，并確立各指標(biāo)的綜合權(quán)重[11]，建立優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量合理化指標(biāo)評價體系（表2），最后計算綜合得分。

表2 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量合理性綜合評價指標(biāo)權(quán)重Table 2 The weight of comprehensive evaluation indexes for reducing nitrogen fertilizer of high quality rice in northern Zhejiang

1.6 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，用GraphPad Prism 8.0和Microsoft Office Excel 2003軟件進(jìn)行作圖和制表。

2 結(jié)果與分析

2.1 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

由圖1可知，氮肥減量對優(yōu)質(zhì)稻齊穗后40d籽粒蛋白質(zhì)含量有一定影響，同N處理相比，N-30%處理的籽粒蛋白質(zhì)含量顯著降低了6.17%，其他時期差異不顯著。此外，施氮對優(yōu)質(zhì)稻前期（齊穗后10～40d）籽粒蛋白含量影響較大，對后期（齊穗后50d）影響較小。同N0處理相比，齊穗后10d，N和N-30%處理的籽粒蛋白質(zhì)含量分別顯著降低了5.06%和4.86%；齊穗后30d，N、N-15%和N-30%處理的籽粒蛋白質(zhì)含量分別顯著增加了10.35%、10.72%和7.86%；齊穗后40d，N處理的籽粒蛋白質(zhì)含量顯著增加了8.55%；齊穗后50d，各處理間差異不顯著。

圖1 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對籽粒蛋白質(zhì)含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen reduction on grain protein content of high quality rice in northern Zhejiang

2.2 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對籽粒蛋白質(zhì)組分含量的影響

由圖2可知，氮肥減量對優(yōu)質(zhì)稻籽粒清蛋白和醇溶蛋白含量的影響差異不顯著，對優(yōu)質(zhì)稻籽粒形成前期球蛋白和谷蛋白含量的影響較大，后期各處理間差異不顯著。

圖2 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對籽粒蛋白質(zhì)組分動態(tài)變化的影響Fig.2 Effects of nitrogen reduction on contents of grain protein components of high quality rice in northern Zhejiang

優(yōu)質(zhì)稻齊穗后30d，同N處理相比，N-15%處理的球蛋白含量顯著增加了58.79%，N-30%處理的谷蛋白含量顯著增加了19.94%。此外，氮肥減量對優(yōu)質(zhì)稻籽粒蛋白質(zhì)組分占總蛋白比例的影響不顯著（表3）。

表3 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對籽粒蛋白質(zhì)組分占總蛋白比例的影響Table 3 Effects of nitrogen reduction on the proportion of grain protein content of high quality rice in northern Zhejiang %

2.3 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對水稻產(chǎn)量及地上部分干物質(zhì)重的影響

由圖3可知，浙北優(yōu)質(zhì)稻產(chǎn)量隨著氮肥減量而降低，處理間差異不顯著。優(yōu)質(zhì)稻地上部分干物質(zhì)重隨著施氮量的減少而降低，同N處理相比，N-30%處理的地上部分干物質(zhì)重顯著降低了19.79%。

圖3 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對水稻產(chǎn)量及地上部分干物質(zhì)重的影響Fig.3 Effects of nitrogen reduction on yield and aboveground dry matter weight of high quality rice in northern Zhejiang

2.4 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對Nsur和NUE的影響

由圖4可知，Nsur隨著施氮量的減少而減少，同N處理相比，N-15%和N-30%處理的Nsur分別顯著降低了20.56%和23.89%。同N處理相比，N-15%和N-30%處理的NUE分別增加了8.11%和1.97%，處理間差異不顯著。

圖4 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量對Nsur和NUE的影響Fig.4 Effects of nitrogen reduction on Nsurand NUE of high quality rice in northern Zhejiang

2.5 基于AHP對浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量的綜合評價

由圖5可知，隨著施氮量的減少，各處理的綜合得分均表現(xiàn)為不同程度增加。與N處理相比，N-15%和N-30%處理的綜合得分分別提高了32.42%和3.43%。

圖5 浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量合理性綜合得分Fig.5 Comprehensive score of rationality of nitrogen reduction for high quality rice in northern Zhejiang

3 討論

氮肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的資源，在保證水稻產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)方面具有重要的意義。合理施用氮肥不僅可以提高資源利用效率，而且可以降低環(huán)境污染風(fēng)險，對優(yōu)質(zhì)稻綠色高質(zhì)量生產(chǎn)具有重要的意義。蛋白質(zhì)作為衡量稻米營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，其含量及其組分變化是影響稻米食味品質(zhì)的重要因素[16]。稻米蛋白質(zhì)的遺傳比較復(fù)雜，受外界環(huán)境因素影響較大。其中，氮肥是影響稻米蛋白質(zhì)含量及其組分的重要因素之一[17]。石呂等[18]研究表明，水稻后期（群體抽穗30%）施氮會顯著提高精米蛋白質(zhì)及其組分含量。郭曉紅等[19]研究表明，氮肥減量后移（減量10%，135kg/hm2）會顯著提高稻米谷蛋白含量，而蛋白質(zhì)、清蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量差異不顯著。史登林等[20]研究表明，生物炭配合氮肥減量對水稻蛋白質(zhì)含量影響不顯著。本研究表明，氮肥減量對水稻前期籽粒蛋白質(zhì)、球蛋白及谷蛋白含量有一定程度影響，但是在水稻齊穗后50d，籽粒蛋白質(zhì)及其組分含量差異均不顯著，且對蛋白質(zhì)組分占比無顯著影響，與蘭艷等[21]研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒形成前期（齊穗后10～40d）蛋白質(zhì)含量較高，后期蛋白質(zhì)含量降低（齊穗后50d），張桂蓮等[22]研究也表明，隨著成熟度的增加，水稻籽粒可溶性蛋白含量在抽穗后30d達(dá)最大值，之后下降，這可能與籽粒物質(zhì)積累量變化以及水稻籽粒酶含量轉(zhuǎn)化有關(guān)[22-24]。

在水稻產(chǎn)量方面，氮肥均衡減量25%（247.5kg/hm2）能夠維持一定水平的穗數(shù)和穗粒數(shù)，提高水稻結(jié)實率，從而避免產(chǎn)量顯著降低[25]。太湖地區(qū)氮肥減量10%（324kg/hm2）不但能夠保證較高的水稻產(chǎn)量，還能夠提高單位產(chǎn)量水稻的生態(tài)效益[26]。本研究表明，短期內(nèi)氮肥減量15%～30%（189～229.5kg/hm2）時優(yōu)質(zhì)稻產(chǎn)量下降不顯著。

在NUE和Nsur方面，每季稻氮肥減量30kg/hm2（早稻：135kg/hm2，晚稻：165kg/hm2），氮肥吸收利用率提升了61.7%[27]。氮肥減量10%（270kg/hm2）水稻氮素利用率提高了5.74%，氮肥減量10%、增密20%（N：270kg/hm2，密度14.1×104/hm2）氮素利用可以提高18.28%[28]。水稻減氮18.2%（270kg/hm2）水稻季氮素盈余顯著降低了44.30%[29]。本研究表明，氮肥減量15%～30%（229.5～189kg/hm2）浙北地區(qū)單季晚粳優(yōu)質(zhì)稻的Nsur顯著降低20.56%～23.89%，NUE提高了1.97%～8.11%。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，合理的施肥方式在注重作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時要兼顧生態(tài)環(huán)境。AHP通過對復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程進(jìn)行模型化和數(shù)量化，實現(xiàn)了定量和定性分析的有機結(jié)合，是分析復(fù)雜問題的一種有效決策方式[30]，在相關(guān)農(nóng)業(yè)區(qū)域水土質(zhì)量評價以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展綜合評價方面有廣泛應(yīng)用[31-32]。賈琰等[24]和董娟等[33]基于AHP研究表明，生物肥和化肥均為中等水平（75kg/hm2純氮+100kg/hm2P2O5+750kg/hm2生物肥）的土壤培肥效果最好。目前利用AHP對氮肥減量合理性的評價較缺乏。本研究通過AHP，結(jié)合水稻產(chǎn)量、品質(zhì)以及生態(tài)環(huán)境因素，對氮肥減量效果進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明，在本試驗條件下，氮肥減量15%（229.5kg/hm2）的綜合得分最高，效果最好。

4 結(jié)論

在短期內(nèi)氮肥減量15%（229.5kg/hm2）、30%（189kg/hm2）對浙北優(yōu)質(zhì)稻產(chǎn)量、蛋白質(zhì)及其組分含量無顯著影響。此外，氮肥減量15%、30%時農(nóng)田Nsur分別顯著降低了20.56%、23.89%，NUE分別提高了1.97%、8.11%。通過AHP對浙北優(yōu)質(zhì)稻氮肥減量措施綜合評價得分為N-15%（0.86）＞N-30%（0.67）＞N（0.65）＞N0（0.17）。綜上所述，在本試驗條件下，氮肥減量15%（229.5kg/hm2）為浙北地區(qū)優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)較為適宜的施氮量。