氮肥配施納米鎂對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用率的影響

張海鵬 陳志青 王 銳 盧 豪 崔培媛 楊艷菊 張洪程

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江流域稻作技術(shù)創(chuàng)新中心/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)水稻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究院，225009，江蘇揚(yáng)州）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，對(duì)稻米的需求由數(shù)量型向品質(zhì)型和食味型轉(zhuǎn)變，優(yōu)質(zhì)食味水稻開始受到人們的廣泛關(guān)注[1-3]。稻米品質(zhì)除了受品種自身的遺傳基因影響外，還與環(huán)境條件和栽培技術(shù)密切相關(guān)。合理的栽培技術(shù)與肥料運(yùn)籌能有效提高稻米品質(zhì)[4-6]。氮素是影響水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的因素之一[7]。適當(dāng)增加施氮量，優(yōu)質(zhì)食味粳稻產(chǎn)量及品質(zhì)均顯著提高[8-9]。目前，我國氮肥消耗量約占世界氮肥總消耗量的37%，而氮肥吸收利用率僅為30%～35%[10-11]。過多地施用氮肥易造成土壤養(yǎng)分失衡，不利于作物生長，還會(huì)帶來溫室效應(yīng)和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[12]。研究如何實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用率的協(xié)同提高，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

鎂作為植物生長發(fā)育的必需元素之一，是除氮、磷和鉀以外應(yīng)用于作物較多的元素[13]。鎂是植物葉綠體的重要組成成分，對(duì)維持葉綠體的結(jié)構(gòu)和促進(jìn)葉綠素的合成具有重要作用[14]。水稻葉片葉綠體的數(shù)量和活性在很大程度上決定著植物對(duì)氮素的利用[15-16]。因此施用鎂肥可以有效提高作物干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及氮素利用效率[17]。鎂與稻米的食味品質(zhì)也有密切關(guān)系[18]。施用鎂肥能夠顯著降低稻米最終黏度、回復(fù)值和消減值，顯著提高最高黏度、熱漿黏度和崩解值，最終提高稻米蒸煮食味品質(zhì)[19-21]。

已有研究[22]報(bào)道，納米鎂可被作物吸收利用，提高作物葉綠體的數(shù)量和活性，顯著提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率。納米鎂為納米級(jí)顆粒，其理化性質(zhì)穩(wěn)定，比表面積大，易吸附在根系表面而被吸收，受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)和膠體等影響較小[23]，能夠克服常用離子態(tài)鎂肥（如硫酸鎂等）受土壤理化性質(zhì)影響而難以有效吸收利用的缺點(diǎn)[17]。然而，關(guān)于納米鎂對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量、氮肥利用率及稻米品質(zhì)影響的研究較少。因此，本研究采用盆栽試驗(yàn)研究不同氮肥水平條件下基施納米鎂肥對(duì)水稻產(chǎn)量、氮肥利用及稻米品質(zhì)的影響，為構(gòu)建優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的水稻生產(chǎn)栽培技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019和2020年的5-12月在江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田（119.42°E，32.39°N）進(jìn)行。土壤類型為沙壤土，有機(jī)質(zhì)24.4g/kg、全氮1.32g/kg、堿解氮104.2mg/kg、速效磷35.4mg/kg、速效鉀72.5mg/kg、速效鎂43.41mg/kg，pH 6.03。

1.2 試驗(yàn)材料

供試水稻品種選用江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所培育的遲熟中粳品種南粳9108。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，栽培盆的長×寬×高為0.80m×0.50m×0.75m，每盆面積計(jì)0.40m2。設(shè)不施鎂肥（Non-Mg）和施納米鎂處理（Nano-Mg），每個(gè)處理分別設(shè)4個(gè)施氮量水平，分別為0（0N）、225（15N）、270（18N）、315kg/hm2（21N），共 8個(gè)處理。氮肥（尿素，含N 46%）的基肥:分蘗肥:穗肥=4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度為10cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量為135kg/hm2（過磷酸鈣，含P2O512%），全部作基肥施用；鉀肥施用量為270kg/hm2（氯化鉀，含K2O 60%），基肥:穗肥=1:1；納米鎂（Nano-Mg）用量為12kg/hm2，購自上海超威納米科技有限公司，納米球狀，粒徑為20～45nm。各處理2年施肥量和施肥方法保持一致。2019年試驗(yàn)結(jié)束后，各試驗(yàn)盆土壤于2020年5月10日前更換25cm表層新土，新土與2019年所用土壤為同一田塊同時(shí)取的耕層土壤（20cm）。每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)10次。

水稻育秧于每年5月15日播種，濕潤育秧，30d秧齡后，挑選發(fā)育進(jìn)程與長勢(shì)一致的秧苗，于6月15日移栽。每穴定植4株苗，每盆16穴，栽植密度為 12.5cm×20.0cm（4.0×105穴/hm2）。2019年試驗(yàn)結(jié)束后，各試驗(yàn)盆于2020年5月10日前更換新土。試驗(yàn)期間水分與病蟲害防治等管理措施按高產(chǎn)栽培要求統(tǒng)一實(shí)施。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 各處理成熟期分別選取20穴，計(jì)算有效穗數(shù)，按各處理的平均穗數(shù)取有代表性的植株3穴，測(cè)定穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等，計(jì)算理論產(chǎn)量，并實(shí)收測(cè)產(chǎn)。

1.4.2 各器官含氮率 將成熟期植株的莖鞘、葉片和穗烘干粉碎，用H2SO4-H2O2消化，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定氮濃度，計(jì)算各器官含氮率。

1.4.3 稻米品質(zhì) 將水稻收獲、脫粒并曬干，3個(gè)月后，依照《GB/T 17891-1999優(yōu)質(zhì)稻谷》測(cè)定稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、籽粒長寬比、膠稠度等。采用近紅外谷物分析儀測(cè)定稻米的蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量。

1.4.4 食味指標(biāo) 采用米飯食味計(jì)（STA1A，日本佐竹公司）自動(dòng)測(cè)定米飯的氣味、光澤和色澤、完整性、味道、口感的評(píng)分和綜合評(píng)分值。

1.4.5 稻米淀粉黏滯特性 采用澳大利亞Newport Scientific儀器公司生產(chǎn)的Super 3型RVA快速黏度分析儀測(cè)定淀粉黏滯特性，用配套軟件TWC分析。按照AACC規(guī)程（1995-61-02）和RACI標(biāo)準(zhǔn)方法，取含水量12.00%的米粉樣品3.00g，加蒸餾水25.00g。在攪拌測(cè)定過程中，罐內(nèi)溫度保持50℃1min，以11.84℃/min的速度上升到95℃（3.75min）并保持2.5min，再以11.84℃/min的速度下降到50℃并保持1.4min。攪拌器在起始10s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為960轉(zhuǎn)/min，之后保持在160轉(zhuǎn)/min。RVA譜特征值包括峰值黏度、熱漿黏度、崩解值（峰值黏度-熱漿黏度）、最終黏度、消減值（最終黏度-峰值黏度）、回復(fù)值（最終黏度-熱漿黏度）和糊化溫度等[24]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，用SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量下鈉米鎂對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表1表明，2年中各處理的水稻籽粒產(chǎn)量均隨施氮量的增加而升高，均以施氮量315kg/hm2處理的產(chǎn)量最高。在相同氮肥施用量水平下，2019和2020年施納米鎂各處理的籽粒產(chǎn)量較不施鎂處理均有所提高，并且配施氮處理后的差異達(dá)到顯著水平。與不施鎂各處理相比，施納米鎂處理的2年籽粒產(chǎn)量分別提高2.85%～8.86%和5.22%～7.16%。隨著氮肥施用量的增加，施用納米鎂對(duì)2年水稻籽粒產(chǎn)量的影響均呈先升高后降低的趨勢(shì)，施氮量270kg/hm2處理的增產(chǎn)幅度最高，而施氮量315kg/hm2處理的增產(chǎn)幅度較低。從水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，在相同氮肥施用量水平下，施納米鎂處理的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重較不施鎂處理均有不同程度的提高。

表1 不同施氮量條件下納米鎂對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice yield and its components under different N application rates

2.2 不同施氮量下納米鎂對(duì)稻米品質(zhì)的影響

2.2.1 加工品質(zhì) 由表2可知，各處理稻米的糙米率、精米率和整精米率隨著施氮量的增加呈上升趨勢(shì)。在相同氮肥施用量水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的糙米率、精米率和整精米率均有所提高。與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的精米率提高1.70%～2.29%，整精米率提高2.96%～4.08%。由此可見，施用納米鎂能夠有效提高稻米的精米率和整精米率，改善稻米的加工品質(zhì)。

表2 不同施氮量條件下納米鎂對(duì)水稻加工品質(zhì)的影響Table 2 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice processing quality under different N application rates

2.2.2 外觀品質(zhì) 由表3可知，不同氮肥施用量處理的籽粒長寬比之間無顯著差異，施用納米鎂對(duì)籽粒長寬比也無顯著影響。不同氮肥用量顯著影響了稻米的堊白粒率和堊白度。不施鎂和施納米鎂各處理稻米的堊白粒率隨著施氮量的增加基本呈先降低后升高的趨勢(shì)，施氮量270kg/hm2處理的堊白粒率最低，施氮量315kg/hm2處理的堊白粒率有升高的趨勢(shì)，而稻米的堊白度隨著施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)。在相同氮肥施用量水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂的各處理稻米堊白粒率和堊白度有所降低，分別降低了1.64%～4.85%和1.28%～3.87%。可見，施用納米鎂可改善稻米的外觀品質(zhì)，施氮量270kg/hm2處理的稻米外觀品質(zhì)最佳。

表3 不同施氮量條件下納米鎂對(duì)水稻外觀品質(zhì)的影響Table 3 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice appearance quality under different N application rates

2.2.3 蒸煮食味和營養(yǎng)品質(zhì) 2年各處理的稻米食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)變化情況基本一致。表4表明，不施鎂和施納米鎂各處理的直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而逐漸降低，蛋白質(zhì)含量和膠稠度均隨著施氮量的增加而逐漸升高。在相同氮肥施用量水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的直鏈淀粉含量降低了1.25%～2.56%，差異不顯著，蛋白質(zhì)含量提高了5.13%～7.02%，膠稠度無顯著差異，食味值略有提高。由此可見，施用納米鎂對(duì)稻米蒸煮和營養(yǎng)品質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在蛋白質(zhì)含量的提高，對(duì)直鏈淀粉含量和膠稠度影響較小。

由表5可知，隨著施氮量的增加，不施鎂和施納米鎂各處理稻米的食味值逐漸降低，均以不施氮肥處理的食味值最高。從影響食味值的各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)來看，隨著施氮量的增加，外觀、黏度和平衡度均顯著降低，硬度顯著升高。在相同氮肥施用量水平下，施納米鎂各處理的食味值較不施鎂處理提高了0.39%～1.70%，但未達(dá)到顯著水平。由此可見，稻米的食味值對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)差異較為明顯，施用納米鎂肥對(duì)食味值的影響不顯著。

表5 不同施氮量條件下納米鎂對(duì)水稻食味品質(zhì)的影響Table 5 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice eating quality under different N application rates

2.2.4 稻米淀粉RVA譜特征值 表6表明，不施鎂和施納米鎂各處理的峰值黏度、熱漿黏度、崩解值和最終黏度均隨著施氮量的增加而逐漸降低，消減值和回復(fù)值隨著施氮量的增加而逐漸升高，其中峰值黏度、熱漿黏度和消減值的差異均達(dá)到顯著水平，糊化溫度隨著施氮量的增加未呈現(xiàn)明顯變化規(guī)律。在相同氮肥施用水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的峰值黏度、熱漿黏度和崩解值均有所提高，最終黏度有所降低，但差異均不顯著。施納米鎂各處理的消減值和回復(fù)值較不施鎂處理分別降低了8.87%～12.57%和6.79%～8.56%。由此可見，施用納米鎂對(duì)稻米R(shí)VA譜特性有改善的趨勢(shì)。

表6 不同施氮量條件下納米鎂對(duì)稻米淀粉RVA譜特征值的影響Table 6 Effects of nano-magnesium fertilizer on RVA profile characteristics under different N application rates

2.3 不同施氮量下納米鎂對(duì)水稻氮肥利用率的影響

由圖1可知，不施鎂各處理的氮肥利用率隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，施氮量270kg/hm2時(shí)的氮肥利用率最高。施納米鎂各處理的氮肥利用率隨著施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，施氮量225kg/hm2時(shí)的氮肥利用率最高。相同氮肥施用量水平下，施納米鎂各處理的氮肥利用率均高于不施鎂處理，施納米鎂可提高氮肥利用率4.18%～5.97%。

圖1 納米鎂對(duì)水稻氮肥利用率的影響Fig.1 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice N fertilizer use efficiency

3 討論

3.1 納米鎂對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響

水稻產(chǎn)量由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重4個(gè)因素共同決定[25]。前人研究發(fā)現(xiàn)，施用鎂肥能夠有效促進(jìn)水稻分蘗，提高莖蘗成穗率，增加單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)[26]，并有利于籽粒結(jié)實(shí)率的提高[27]。聶錄等[20]認(rèn)為，合理施用鎂肥能夠提高水稻主莖的糖和淀粉含量，促進(jìn)成熟期的光合物質(zhì)由莖鞘向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)水稻的粒重增加，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。在本研究中，與不施鎂肥處理相比，施用納米鎂顯著提高了水稻的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，結(jié)實(shí)率和千粒重略有提高，未達(dá)到顯著水平。納米鎂可在穩(wěn)定籽粒結(jié)實(shí)率和千粒重的基礎(chǔ)上，通過提高單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)來促進(jìn)水稻增產(chǎn)。氮肥吸收量、氮肥利用率與產(chǎn)量之間存在極顯著直線正相關(guān)關(guān)系[28]。鎂作為作物生長發(fā)育所必需的元素，適宜的鎂用量有利于水稻的生長發(fā)育，增強(qiáng)光合作用，促進(jìn)氮素的吸收和物質(zhì)的積累[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同氮肥施用水平下，與不施鎂處理相比，施用納米鎂的各處理均提高了水稻的氮肥利用率，這與前人[30]研究結(jié)果一致。

3.2 納米鎂對(duì)稻米品質(zhì)的影響

稻米品質(zhì)主要受品種遺傳因素、栽培措施和環(huán)境條件等影響[31]，氮素調(diào)控是影響水稻生長發(fā)育和稻米品質(zhì)形成的重要措施[32]。鎂是除氮、磷、鉀以外應(yīng)用于水稻較多的元素，合理施用鎂肥能夠改善稻米品質(zhì)。增加氮肥施用量可顯著提高稻米的糙米率和精米率[33]。本研究表明，隨著施氮量的增加，稻米的糙米率、精米率和整精米率均呈升高趨勢(shì)，加工品質(zhì)得到改善。錢永德等[34]研究發(fā)現(xiàn)，鎂肥可以提高水稻糙米率、精米率及整精米率。本研究結(jié)果與上述結(jié)論一致，施用納米鎂肥能夠有效提高精米率和整精米率，提高稻米的加工品質(zhì)。唐健等[35]研究認(rèn)為，稻米的堊白粒率和堊白度均隨著施氮量的增加而下降，這與本研究結(jié)果不盡一致。本研究發(fā)現(xiàn)，稻米的堊白粒率隨著施氮量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，而稻米的堊白度隨著施氮量的增加逐漸降低。施用納米鎂后，稻米的堊白粒率和堊白度有所降低，其中以施氮量270kg/hm2處理的稻米外觀品質(zhì)最佳，可見納米鎂的施用對(duì)改善稻米外觀品質(zhì)有一定作用。

蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量是評(píng)價(jià)稻米營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。楊澤敏等[36]研究表明，施氮量的增加可顯著提高稻米的蛋白質(zhì)含量，降低直鏈淀粉含量。李軍等[18]認(rèn)為，鎂肥會(huì)增加稻米中蛋白質(zhì)含量、降低直鏈淀粉含量。這些研究結(jié)果均與本研究結(jié)果一致。而施用納米鎂后顯著提高了水稻的氮肥利用率，提高植株的氮素吸收量，在水稻生育后期促進(jìn)莖和葉中的氮素更多地向穗部轉(zhuǎn)移，提高穗部的吸氮量，進(jìn)而提高籽粒中蛋白質(zhì)含量。稻米的直鏈淀粉含量受蛋白質(zhì)含量變化的影響，二者互為消長關(guān)系[32]，蛋白質(zhì)含量的提高會(huì)相對(duì)降低直鏈淀粉含量。稻米的RVA譜特性是衡量稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)，口感較好的稻米R(shí)VA譜往往具有較高的峰值黏度、崩解值以及較低的消減值[37]。施用鎂肥后稻米R(shí)VA譜中的最終黏度、回復(fù)值及消減值降低，且最高黏度、熱漿黏度及崩解值上升，提高了稻米的食味品質(zhì)[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施鎂處理相比，施用納米鎂處理的峰值黏度、熱漿黏度和崩解值均有所提高，最終黏度略微降低，而消減值和回復(fù)值相較于不施鎂處理均顯著降低。由此可見，施用納米鎂肥對(duì)稻米R(shí)VA譜特性有所改善，有利于稻米食味品質(zhì)的提高。

4 結(jié)論

施用納米鎂肥提高了水稻單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重，水稻籽粒產(chǎn)量提高了2.85%～8.86%。納米鎂肥的施用促進(jìn)了水稻的氮素吸收積累量，水稻的氮肥利用率提高了4.18%～5.97%。此外，施用納米鎂肥改善了稻米的加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)，稻米的蛋白質(zhì)含量提高5.13%～7.02%，稻米的食味品質(zhì)也有所提高。兼顧產(chǎn)量和稻米品質(zhì)，在225～270kg/hm2的施氮量下，施用納米鎂肥有利于實(shí)現(xiàn)水稻的高產(chǎn)高效和優(yōu)質(zhì)栽培。