地膜覆蓋與肥料種類對寒地水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

付旭坤 劉寶龍 高大鵬 劉月月 關(guān)政聞 張興方郭麗穎 邵璽文 耿艷秋*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，長春 130118；2.長春市九臺區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，長春130500)

水稻是我國主要的糧食作物之一，其產(chǎn)量直接影響到我國的糧食安全和社會穩(wěn)定[1]。隨著人民生活水平的提高，我國水稻種植已逐步實現(xiàn)從以往只追求高產(chǎn)的單一目標，到稻米高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)品質(zhì)相結(jié)合的轉(zhuǎn)變[2]。東北地區(qū)由于其獨特的地域優(yōu)勢，保證了東北大米獨有的高品質(zhì)和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)[3]。但東北地區(qū)又是低溫冷害經(jīng)常發(fā)生的地區(qū)，對水稻的種植極為不利，因此研究東北地區(qū)水稻的栽培措施，尤其是對低溫冷害的預(yù)防和抵抗，對于我國優(yōu)質(zhì)大米的供應(yīng)具有重要意義。水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)除受遺傳基因和環(huán)境影響外，還與水稻的栽培方式有很大關(guān)系，如覆膜對水稻產(chǎn)量的影響較為明顯[4]。地膜覆蓋技術(shù)因具有增溫、保肥、抑制雜草生長和提高土壤速效養(yǎng)分的含量等作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水稻、小麥和大豆等作物[5-7]。自1978年引進地膜覆蓋技術(shù)以來，我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作方面不斷深入研究，為提高作物生產(chǎn)效益提供了豐富的理論依據(jù)[8-12]。

肥料施用是一種影響水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的有效栽培措施。肥料施用能協(xié)調(diào)水稻的生長發(fā)育，提高產(chǎn)量及改善品質(zhì)，改良水稻生產(chǎn)中因大量使用化肥導(dǎo)致的土壤板結(jié)[13-15]。肥料是植物生長發(fā)育吸收養(yǎng)分的主要來源。而化肥能夠在短時間內(nèi)快速為植物提供所需的養(yǎng)分，促進植物的生長，提高作物的產(chǎn)量，但長期使用化肥又會導(dǎo)致土壤肥力下降、土壤板結(jié)和土壤污染等問題，限制植物的生長，導(dǎo)致植物的產(chǎn)量降低；有機肥在為植物提供豐富營養(yǎng)元素的同時，還具有肥效長的優(yōu)點，為土壤增加有機質(zhì)含量，為植物提供良好的生長環(huán)境，對農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[16-18]。

地膜覆蓋與肥料施用對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)的形成都具有積極作用[19-20]，但目前有關(guān)二者對稻米產(chǎn)量與品質(zhì)形成效應(yīng)方面的研究鮮見報道。因此，本試驗以‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’為供試材料，于吉林省長春市九臺區(qū)進行大田試驗，測定水稻的產(chǎn)量、收獲指數(shù)和品質(zhì)等指標，旨在探究地膜覆蓋與肥料種類對水稻產(chǎn)量與稻米品質(zhì)形成產(chǎn)生的效應(yīng)，以期為水稻綠色優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以粳稻品種‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’為供試材料，‘吉農(nóng)大738’的生育期約141 d，需≥10 ℃活動積溫2 820 ℃左右，米質(zhì)符合《優(yōu)質(zhì)稻谷國家標準》[21]三等食用粳稻的要求；‘吉粳525’的生育期約142 d，需≥10 ℃活動積溫2 850 ℃左右，米質(zhì)符合一等食用粳稻品種品質(zhì)規(guī)定[21]要求。

1.2 試驗地概況

試驗于2020年在吉林省長春市九臺區(qū)九郊鄉(xiāng)聶家村(44°14′ N, 125°83′ E)進行。試驗地年平均氣溫4.7 ℃，年降雨量557 mm。試驗地土壤為黑鈣土，有機質(zhì)含量21.56 g/kg、全氮含量1.15 g/kg、全磷含量0.82 g/kg、堿解氮61.25 mg/kg和速效磷15.28 mg/kg。

1.3 試驗設(shè)計

設(shè)置2種栽培模式：地膜覆蓋(M)和露地(NM)栽培模式；2種肥料種類：有機肥(F0)和化肥(F1)，試驗采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，共計24個小區(qū)。小區(qū)面積550 m2，不同處理間用塑料薄膜包埂隔開，保證各小區(qū)單獨排灌，防止串肥。

各小區(qū)施N 150 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，該氮肥、磷肥和鉀肥的用量為當?shù)厮境Ｒ?guī)肥料使用量，化肥處理采用尿素(N的質(zhì)量分數(shù)為46.4%)、過磷酸鈣(P2O5的質(zhì)量分數(shù)為12.0%)、硫酸鉀(K2O的質(zhì)量分數(shù)為50.0%)；有機肥處理中有機肥(11%高氮活性有機肥料-清大元農(nóng)，北京清大元農(nóng)生物科技有限公司)中氮、磷、鉀的質(zhì)量分數(shù)分別為5%、3%和3%，施肥量以K肥為計算單位，不足部分以尿素和過磷酸鈣補足。常規(guī)處理采用正常追肥，有機肥按w基肥∶w蘗肥∶w穗肥=4∶3∶3的比例分批施入；化肥中氮肥w基肥∶w蘗肥∶w穗肥=4∶3∶3的比例分批施入，磷肥作底肥施入，鉀肥按w底肥∶w穗肥=1∶1施入，地膜覆蓋處理一次性施入不進行追肥。

2020年5月11日播種，5月23日移栽，10月7日收獲，種植行距30 cm，穴距16.5 cm，每穴插秧3個基本苗。移栽后及時查缺補漏，其他管理方式與大田生產(chǎn)一致。

1.4 測定項目及方法

1.4.1產(chǎn)量和收獲指數(shù)測定

成熟期每小區(qū)取5 m2水稻測定實際產(chǎn)量，重復(fù)3次。根據(jù)調(diào)查的1 m2水稻的莖蘗數(shù)，選取9穴代表性植株進行室內(nèi)考種，測定水稻的產(chǎn)量、每穗粒數(shù)和千粒重等指標。

1.4.2群體干物質(zhì)積累量和收獲指數(shù)

分別于拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期(生理成熟期)，按照每小區(qū)平均莖蘗數(shù)選取具有代表性植株6穴，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，測定地上干物質(zhì)積累量。收獲時，按平均莖蘗數(shù)選取6穴植株，自然狀態(tài)下風(fēng)干，按器官稱重及計算植株收獲指數(shù)。

1.4.3稻米品質(zhì)測定

將收獲的水稻進行脫粒，曬干室內(nèi)儲存3個月，參考國家標準GB/T 17891—2017《優(yōu)質(zhì)稻谷》[21]測定稻米的加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)等主要指標。

1.4.4稻米淀粉黏滯特性

采用Super 3型RVA快速黏度分析儀(Newport Scientific，澳大利亞)測定淀粉黏滯特性，用配套軟件TWC分析稻米淀粉粘滯特性[22]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用軟件Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表1可知，相同肥料條件下，地膜覆蓋均提高2個品種的水稻產(chǎn)量，且增產(chǎn)幅度存在差異。在不同肥料種類下，地膜覆蓋處理的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’水稻分別比露地的增產(chǎn)7.40%(F0)、3.30%(F1)和1.39%(F0)、2.98%(F1)。在不同地膜覆蓋處理下，F(xiàn)1的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’產(chǎn)量分別比F0提高26.44%(NM)、21.62%(M)和23.19%(NM)、25.13%(M)。

相同覆膜條件下，化肥的施用顯著提高2個品種的每穗粒數(shù)，并降低結(jié)實率，其中‘吉農(nóng)大738’的結(jié)實率顯著低于化肥施用處理。在不同地膜覆蓋處理下，F(xiàn)1的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’每穗粒數(shù)分別較F0提高45.70%(NM)、27.29%(M)和11.61%(NM)、27.23%(M)；結(jié)實率分別降低20.54%(NM)、10.55%(M)和2.48%(NM)、3.80%(M)。由此可見，地膜覆蓋(M)可提高水稻的有效穗數(shù)和產(chǎn)量，但降低了千粒重；化肥的施用提高了有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和產(chǎn)量，但降低了F1結(jié)實率和千粒重。

2.2 不同栽培模式對水稻的群體干物質(zhì)積累量、總生物量及收獲指數(shù)的影響

由表2可知，相同肥料條件下，地膜覆蓋處理提高2個品種水稻的拔節(jié)期至成熟期的群體干物質(zhì)積累量，其中抽穗期差異顯著。在不同肥料種類下，地膜覆蓋處理的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’抽穗期群體干物質(zhì)積累量分別比露地處理提高25.06%(F0)、6.57%(F1)和9.60%(F0)、24.63%(F1)。相同肥料種類下，地膜覆蓋均提高了2個品種水稻的收獲指數(shù)，其中施用有機肥可顯著提高收獲指數(shù)。

相同覆膜條件下，化肥的施用顯著提高了2個品種水稻的拔節(jié)期至成熟期的群體干物質(zhì)積累量。在不同地膜覆蓋處理下，F(xiàn)1處理的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’抽穗期的群體干物質(zhì)積累量分別比F0處理提高70.86%(NM)、45.59%(M)和40.72%(NM)、60.01%(M)。相同覆膜條件下，F(xiàn)0較F1顯著提高了2個水稻品種的收獲指數(shù)，但顯著降低了生物量。綜上所述，地膜覆蓋(M)提高了水稻在拔節(jié)期至成熟期的干物質(zhì)積累量和收獲指數(shù)；施用有機肥(F0)提高了收獲指數(shù)，降低了拔節(jié)期至成熟期的群體干物質(zhì)積累量。

2.3 不同栽培模式對水稻品質(zhì)的影響

2.3.1加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)

由表3可見，在不同肥料種類下，覆膜處理的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’的糙米率分別比露地處理提高2.49%(F0)、1.07%(F1)和1.24%(F0)、2.84%(F1)，精米率分別提高1.68%(F0)、1.11%(F1)和1.72%(F0)、1.74%(F1)；蛋白質(zhì)含量分別提高17.11%(F0)、13.86%(F1)和20.81%(F0)、9.34%(F1)。相同肥料條件下，地膜(M)覆蓋顯著提高了‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’的糙米率、精米率和蛋白質(zhì)含量。

在不同地膜覆蓋處理下，F(xiàn)1的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’稻米的糙米率分別較F0提高2.42%(NM)、1.00%(M)和1.68%(NM)、3.28%(M)；精米率分別提高1.88%(NM)、1.31%(M)和2.27%(NM)、2.29%(M)。在不同地膜覆蓋處理下，F(xiàn)0處理的‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’稻米蛋白質(zhì)含量分別較F1處理提高26.38%(NM)、13.86%(M)和20.81%(NM)、9.34%(M)。相同覆膜條件下，化肥的施用顯著提高2個品種稻米的糙米率和精米率；有機肥的施用顯著提高2個品種稻米的蛋白質(zhì)含量。由此可見，地膜覆蓋(M)改善了稻米的加工品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)；而有機肥的施用提高了稻米的營養(yǎng)品質(zhì)和食味品質(zhì)。

2.3.2外觀品質(zhì)

由表4可知，2個品種施用有機肥下的覆膜處理(M)的堊白粒率和堊白度均低于露地處理(NM)，而施用化肥處理均高于露地處理(NM)，其中‘吉農(nóng)大738’的堊白粒率在2種肥料種類下覆膜處理(M)與露地處理(NM)的差異均達顯著水平。

覆膜條件下，F(xiàn)1處理較F0處理顯著提高2個品種稻米的堊白粒率和堊白度。綜上所述，在有機肥(F0)條件下，地膜覆蓋(M)降低了稻米的堊白粒率和堊白度，改善了外觀品質(zhì)，在化肥條件(F1)下則表現(xiàn)相反的效應(yīng)；有機肥(F0)的施用降低了堊白粒率和堊白度，改善了外觀品質(zhì)。

2.3.3稻米淀粉RVA譜特征值

由表5可知，相同肥料條件下，地膜覆蓋處理(M)較露地處理(NM)降低了2個品種稻米的熱漿黏度、最終黏度和消減值。施用有機肥條件下，覆膜處理(M)的稻米峰值黏度和崩解值均高于露地處理(NM)；而施用化肥則相反。

相同覆膜處理下，有機肥處理(F0)較化肥處理(F1)均提高2個品種稻米的峰值黏度、熱漿黏度(除‘吉農(nóng)大738’覆膜處理)、崩解值、消減值和回復(fù)值。地膜覆蓋條件(M)下，2個品種的稻米峰值黏度、崩解值和回復(fù)值均差異顯著。由此可見，在有機肥條件下，地膜覆蓋(M)有利于增大稻米的峰值黏度和崩解值、降低消減值，改善稻米的淀粉RVA譜特征值；有機肥的施用(F0)有利于增大稻米的峰值黏度、最終黏度、崩解值和回復(fù)值，改善稻米的淀粉RVA譜特征值。

3 討 論

3.1 地膜覆蓋對水稻的干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及構(gòu)成因素和收獲指數(shù)的影響

2010—2020年，不同地區(qū)研究地膜覆蓋對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的試驗結(jié)果不盡相同，這可能與當?shù)貧夂颉⒎N植方式、品種和栽培密度等方式有關(guān)[23-26]。胡國輝等[27]認為水稻增產(chǎn)的主要原因是地膜覆蓋在水稻分蘗前期顯著提高地溫，促進了水稻的分蘗，為有效穗數(shù)的增加打下了基礎(chǔ)，進而提高了產(chǎn)量。Zhang等[28]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋處理提高了水稻中后期土壤的養(yǎng)分供應(yīng)，顯著增加了水稻的每穗粒數(shù)和粒重，進而提高了產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋處理的表現(xiàn)出增產(chǎn)效果，從產(chǎn)量構(gòu)成因素上分析，其增產(chǎn)的主要原因是提高了水稻的有效穗數(shù)(表1)，與Guo等[29]研究的結(jié)果相符。其原因可能是東北地區(qū)的水稻生育期前期溫度低，地膜覆蓋能緩解低溫對水稻造成的不良影響[28,30]，促進水稻早期分蘗的形成，進而提高有效穗數(shù)和產(chǎn)量。水稻的產(chǎn)量主要來源于干物質(zhì)的積累以及同化產(chǎn)物在籽粒和營養(yǎng)器官的分配比例[31]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋提高了水稻的收獲指數(shù)及拔節(jié)期至抽穗期的干物質(zhì)積累量。這可能是地膜覆蓋有利于水稻的根系的生長，促進了水稻的營養(yǎng)生長，提高了植株的干物質(zhì)積累[32-33]，增加了收獲指數(shù)[34]。

3.2 肥料種類對水稻的干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及構(gòu)成因素和收獲指數(shù)的影響

不同種類肥料的施用對水稻增產(chǎn)效果不同[35-36]。關(guān)于有機肥施用對水稻產(chǎn)量的影響，劉江紅等[37]研究發(fā)現(xiàn)，與化肥處理相比，有機肥處理可顯著降低有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重，從而降低產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，2個品種化肥處理的產(chǎn)量均高于有機肥處理，產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)為化肥處理較有機肥處理顯著提高水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)，相應(yīng)地降低了結(jié)實率和千粒重，原因可能是施用化肥能滿足水稻前期分蘗發(fā)生所需要的速效養(yǎng)分，促進水稻分蘗的發(fā)生，保證了有效穗數(shù)；在水稻生育后期，由于有機肥肥效的持續(xù)釋放，可滿足水稻結(jié)實期的養(yǎng)分需求，提高籽粒灌漿速率，進而提高了水稻的結(jié)實率和千粒重。此外，本研究發(fā)現(xiàn)化肥的施用能顯著提高水稻的干物質(zhì)積累量，這與陳愷林等[38]的研究結(jié)果相符。

3.3 地膜覆蓋對稻米品質(zhì)的影響

稻米品質(zhì)受多種因素的影響，不僅取決于水稻品種、栽培方式、土壤類型還與試驗區(qū)域的氣候有關(guān)，其中肥料種類和覆膜情況對稻米品質(zhì)的影響十分明顯[39-43]。稻米品質(zhì)各指標之間有著復(fù)雜的聯(lián)系，目前有關(guān)稻米品質(zhì)的研究結(jié)果不盡相同，還需進一步的試驗加以驗證[44-46]。胡國輝等[27]研究發(fā)現(xiàn)北方水稻覆膜處理顯著提高了稻米糙米率和精米率；另有研究表明，旱作覆膜水稻的糙米率、精米率及整精米率較旱作不覆膜水稻也有提高[47]。本研究發(fā)現(xiàn)，相同肥料種類條件下，地膜覆蓋顯著提高了2個品種的糙米率和精米率，且對整精米率也有一定提高。有研究表明，覆膜處理提高了稻米的堊白粒率和堊白度，使外觀品質(zhì)變劣[48]。本研究結(jié)果表明，地膜覆蓋顯著提高了蛋白質(zhì)含量；在有機肥條件下降低了堊白粒率和堊白度，在施用化肥的處理中則表現(xiàn)為提高。堊白的形成主要是因為水稻在灌漿期營養(yǎng)供給的不足，進而導(dǎo)致籽粒中淀粉和蛋白質(zhì)含量降低[49-50]。本研究結(jié)果表明，地膜覆蓋對稻米的堊白粒率和堊白度的影響與施入的肥料種類有關(guān)，原因可能是有機肥可以提供水稻生育中后期的氮素供應(yīng)，而地膜覆蓋可以促進有機肥在水稻生育后期氮素的釋放[51]，從而滿足水稻灌漿期所需的氮素；化肥為水稻前期提供了大量的速效養(yǎng)分，而地膜覆蓋加速了水稻對養(yǎng)分的吸收，加劇了水稻灌漿期的養(yǎng)分虧缺。

蔡一霞等[52]研究發(fā)現(xiàn)，食味性越好的稻米往往表現(xiàn)為，峰值黏度和崩解值都較大，熱漿黏度、最終黏度和消減值越小。張自常等[48]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜處理較露地處理增加了稻米的峰值黏度和崩解值，降低了熱漿黏度、最終黏度和消減值。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋(M)降低了2個品種稻米的熱漿黏度、最終黏度和消減值；在有機肥條件(F0)下提高了峰值黏度和崩解值，化肥條件(F1)下表現(xiàn)出相反的趨勢。這些結(jié)果說明，地膜覆蓋改善稻米的食味性的程度還與施入的肥料種類有關(guān)，但對稻米品質(zhì)影響的機理尚不清楚，因此有待進一步研究覆膜引起土壤水肥變化對水稻生長以及對稻米品質(zhì)影響的機制。

3.4 肥料種類對稻米品質(zhì)的影響

有機肥作為一種緩效性肥料，富含多種養(yǎng)分，有機肥的施用，不僅能維持作物的產(chǎn)量，而且具有改善品質(zhì)的作用[53-58]。周江明等[59]研究表明，有機肥處理較化肥處理降低了糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量，提高了蛋白質(zhì)含量。孟琳等[60]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代化肥，主要是改善了氮素的供給過程，避免了前期過多的無機氮從土壤中揮發(fā)損失，為水稻生長后期持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)分，改善稻米品質(zhì)。本研究結(jié)果顯示，有機肥的施用降低了水稻的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率和堊白度，提高了直鏈淀粉含量、食味值和蛋白質(zhì)含量，但改善了外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和食味品質(zhì)。淀粉RVA譜特征值是衡量稻米品質(zhì)的重要參考標準，一般食味性好的稻米往往表現(xiàn)為，峰值黏度高和崩解值大，熱漿黏度、消減值和最終黏度小[61]。張欣等[62]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥處理較常規(guī)處理提高了峰值黏度、熱漿黏度、崩解值和最終黏度，降低了消減值。李書先等[63]的研究表明，PASP尿素(環(huán)境友好型肥料)1次施肥處理較2次施肥處理提高了峰值黏度、熱漿黏度和崩解值，降低了消減值。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥的施用(F0)提高了‘吉農(nóng)大738’和‘吉粳525’的峰值黏度、熱漿黏度、崩解值和消減值。綜上，延緩肥效可以為水稻中后期提供所需的氮素，滿足水稻生長發(fā)育所需的營養(yǎng)需求，進而影響稻米淀粉RVA譜特征值[64]。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，在東北高寒地區(qū)，地膜覆蓋提高了水稻的干物質(zhì)積累量，可增產(chǎn)1.39%～7.40%，改善了稻米的加工品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及RVA譜特征值；施用化肥處理可增產(chǎn)21.62%～26.44%，有機肥的施用改善了稻米的的外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、食味品質(zhì)和RVA譜特征值。地膜覆蓋配合施用有機肥在保證水稻產(chǎn)量的同時，也改善了稻米的加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和食味品質(zhì)，且RVA譜各項指標綜合表現(xiàn)較優(yōu)。