江蘇優(yōu)質(zhì)稻區(qū)土壤理化性狀對稻米品質(zhì)的影響

劉紅江, 裴曉芳, 丁雯麗, 郭 智, 張岳芳, 盛 婧, 周 煒, 黃勝東

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,江蘇 南京 210014; 2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044; 3.無錫學(xué)院電子信息工程學(xué)院,江蘇 無錫 214105; 4.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,江蘇 南京 210014)

水稻是中國主要的糧食作物,長期以來,其產(chǎn)量穩(wěn)步提高,在保障國家糧食安全方面發(fā)揮了重要作用[1]。江蘇作為中國優(yōu)質(zhì)稻米主產(chǎn)區(qū),其單產(chǎn)常年位居全國首位[2],隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷改善,老百姓對優(yōu)質(zhì)高檔稻米的消費需求愈發(fā)強(qiáng)烈[3]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,伴隨一大批優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻新品種的育成,江蘇優(yōu)良食味水稻品種的種植面積在不斷增加,已經(jīng)超過水稻種植總面積的1/3,為本地區(qū)優(yōu)良食味水稻的生產(chǎn)提供了良好的前提條件[4]。與此同時,輪作休耕[5]、種植綠肥還田[6]、施用有機(jī)肥[7-8]和中微量元素肥料[9-10]、稻田綜合種養(yǎng)[11-12]、病蟲草害的綠色防控[13-14]、稻田生物多樣性布局[15]等配套栽培技術(shù)措施的應(yīng)用,也為優(yōu)良食味水稻品種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效特性的穩(wěn)定和提升提供了保障。此外,土壤作為水稻生長發(fā)育的載體,其質(zhì)量也對水稻產(chǎn)量[16]和稻米品質(zhì)[17]具有重要影響。目前為止,關(guān)于土壤理化性狀與稻米品質(zhì)間相關(guān)性的系統(tǒng)性研究較少。為此,本研究以蘇南丘陵地區(qū)優(yōu)良食味水稻生產(chǎn)基地為研究地點,2020年和2021年在江蘇省句容市后白鎮(zhèn)選取了11個具有代表性的水稻種植主體,通過田間調(diào)查和取樣檢測相結(jié)合的方法,系統(tǒng)地比較研究了稻米主要品質(zhì)指標(biāo)和土壤主要理化性狀指標(biāo)的相關(guān)性,以期為優(yōu)良食味水稻的產(chǎn)地選擇,保證其優(yōu)質(zhì)高效種植,以及提升稻作生產(chǎn)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究于2020年和2021年在江蘇省鎮(zhèn)江市句容市后白鎮(zhèn)(31°48′N,119°12′E)進(jìn)行,該區(qū)地形屬于低山丘陵圩區(qū),氣候類型為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。常年平均氣溫15.2 ℃,日平均氣溫高于10 ℃,適宜作物生長期約226 d。年降水量1 058.8 mm,年平均光照時長2 157 h。土壤類型為黃泥土,耕地多屬肥沃圩田,適宜種植優(yōu)質(zhì)稻麥。

1.2 研究概況

2020年和2021年在江蘇省句容市后白鎮(zhèn)圩區(qū)隨機(jī)選取11個具有代表性的水稻種植主體,對其農(nóng)田土壤及稻米等進(jìn)行取樣檢測分析。按照所種植的水稻品種分為4類,其中南粳46有4個種植主體(A1、A2、A3、A4);南粳3908有2個種植主體(B1、B2);南粳5055有3個種植主體(C1、C2、C3);南粳9108有2個種植主體(D1、D2)。11個種植主體2年間種植的水稻品種不變。水稻機(jī)械插秧,在每年6月中旬移栽,稻季水、肥、藥等運籌方法按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培措施進(jìn)行。不同種植主體結(jié)合土壤肥力狀況與水稻苗情,氮(N)肥、磷(P2O5)肥、鉀(K2O)肥施用量分別為240～320 kg/hm2、60～90 kg/hm2、120～150 kg/hm2,并實時進(jìn)行病蟲草害防控,各種植主體水稻根據(jù)田間長勢情況適期收獲。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 土壤理化性狀的測定 在水稻種植開始前取樣測定稻田土壤基礎(chǔ)地力水平。有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法;總氮含量測定采用凱氏定氮法;總磷含量測定采用硫酸-高氯酸消煮法;氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量測定采用 KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法。速效磷含量測定采用碳酸氫鈉法。速效鉀含量測定采用醋酸銨-火焰光度法。

1.3.2 水稻產(chǎn)量的測定 在成熟期,對于不同水稻種植主體,在調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇有代表性的0.13～0.20 hm2長勢均勻的田塊,收獲稻谷,稱質(zhì)量,測定含水率,折算成標(biāo)準(zhǔn)含水率,得到水稻實收產(chǎn)量。具體計算公式如下:水稻實收產(chǎn)量=收獲稻谷鮮質(zhì)量×(1-測得稻谷含水率)/(1-14.5%)/實際收割面積。

1.3.3 稻米品質(zhì)指標(biāo)的測定 稻谷收獲后,風(fēng)干,置留3個月后礱谷、碾米,按照《GB/T 17891-2017 優(yōu)質(zhì)稻谷》標(biāo)準(zhǔn),測得糙米率(BR)、精米率(MR)和整精米率(HMR);使用東孚久恒掃描儀測定稻米的長(KL)和寬(KW),堊白粒率(CR)和堊白度(CD);同時測定米粉的膠稠度(GC)。用大米食味計(SATAKE,北京東孚久恒公司產(chǎn)品)測定稻米蛋白質(zhì)含量(PC)及直鏈淀粉含量(AC)。

1.3.4 稻米淀粉黏滯特性指標(biāo)的測定 稻米淀粉黏滯特性用快速黏度分析儀(RVA)(Perten,瑞典波通儀器公司產(chǎn)品)測定,參數(shù)設(shè)置依據(jù)AACC(美國谷物化學(xué)協(xié)會)規(guī)程(1995-61-02)標(biāo)準(zhǔn)方法。儀器直接讀出的數(shù)據(jù)有:峰值黏度(PV)、熱漿黏度(TV)、最終黏度(FV)、糊化溫度(PaT)和峰值時間(PeT)。根據(jù)這些指標(biāo)可計算得到:崩解值(PV-TV)、消減值(SBV=FV-PV)和回復(fù)值(FV-TV)。

1.3.5 米飯食味值(RTV)的測定 稱量30.0 g精米,以米∶水為1.00∶1.25(體積比)添加去離子水,常溫浸泡0.5 h,以日本品種越光大米作對照,用米飯食味計(STA 1A,佐竹-日本)檢測米飯食味值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并作圖,用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)間的多重比較和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田土壤理化性狀

由表1可知,2020年和2021年度11個水稻種植主體農(nóng)田土壤總氮含量為1.18～2.12 g/kg,平均值為1.60 g/kg;總磷含量為0.372～0.712 g/kg,平均值為0.56 g/kg;速效氮含量為91.3～137.6 mg/kg,平均值為110.5 mg/kg;速效磷含量為9.11～14.19 mg/kg,平均值為11.42 mg/kg;速效鉀含量為102.5～159.7 mg/kg,平均值為133.4 mg/kg;有機(jī)質(zhì)含量為17.87～36.08 g/kg,平均值為26.64 g/kg。從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)看,11個水稻種植主體農(nóng)田土壤基本理化性狀指標(biāo)值差異多達(dá)顯著水平;從平均值看,對照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),土壤肥力屬中等偏上水平[18]。與2020年度比較,除了速效鉀含量以外,同一種植主體2021年度稻田土壤其他理化性狀指標(biāo)變化幅度不大。

表1 代表性水稻種植主體農(nóng)田土壤基本理化性狀

2.2 不同水稻種植主體的水稻產(chǎn)量

由圖1可知,11個種植主體,2020年和2021年水稻平均產(chǎn)量分別為9 448.0 kg/hm2和9 465.9 kg/hm2;從不同種植主體看,A1平均產(chǎn)量為9 161.0 kg/hm2,為最低;B1平均產(chǎn)量達(dá)9 936.5 kg/hm2,為最高;極差為775.5 kg/hm2,B1平均產(chǎn)量比A1高8.47%,處理間差異達(dá)到顯著水平;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種平均產(chǎn)量從小到大順序為南粳46、南粳9108、南粳5055、南粳3908,依次為9 248.1 kg/hm2、9 429.3 kg/hm2、9 516.7 kg/hm2、9 812.8 kg/hm2,處理間的差異多達(dá)到顯著水平。結(jié)合表1數(shù)據(jù),就同一水稻品種而言,土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分含量較高的種植主體,水稻產(chǎn)量也相對較高。

同年不同品種的數(shù)據(jù)比較,不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖1 不同水稻種植主體稻谷產(chǎn)量Fig.1 Grain yield of different rice planters

2.3 稻米品質(zhì)指標(biāo)

2.3.1 稻米加工品質(zhì) 由表2數(shù)據(jù)可以計算出, 11個種植主體,2020年和2021年稻谷平均糙米率分別為83.7%和83.5%;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種平均糙米率從小到大順序為南粳9108、南粳5055、南粳3908、南粳46,依次為82.0%、83.1%、84.1%、84.5%,2020年品種間的差異多達(dá)顯著水平(表2)。11個種植主體,2020年和2021年稻谷平均精米率分別為73.2%和72.3%;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種平均精米率從小到大順序為南粳9108、南粳5055、南粳3908、南粳46,依次為70.9%、71.9%、73.5%、73.9%,品種間的差異多達(dá)顯著水平。11個種植主體,2020年和2021年稻谷平均整精米率分別為68.5%和68.7%;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種平均整精米率從小到大順序為南粳9108、南粳5055、南粳3908、南粳46,依次為66.0%、68.8%、69.2%、69.5%,品種間的差異多達(dá)顯著水平。除南粳9108外,不同品種稻谷整精米率均達(dá)到優(yōu)質(zhì)稻谷國家二級標(biāo)準(zhǔn)[19]。

表2 不同水稻種植主體稻米加工品質(zhì)

綜上說明,南粳46的加工品質(zhì)相對最好,南粳3908次之。2個試驗?zāi)甓乳g稻米的加工品質(zhì)差異不明顯。

2.3.2 稻米外觀粒型品質(zhì) 由表3可以計算得出,11個種植主體,2020年整精米平均粒長和粒寬明顯大于2021年,但2021年整精米長/寬值較大。2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種整精米平均粒長和粒寬均是南粳3908最大,其長/寬值適中。2020年與2021年,稻米平均堊白度分別為6.04%和6.43%,稻米平均堊白粒率分別為16.31%和17.56%。2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種稻米平均堊白度和平均堊白粒率均以南粳3908最低,分別為5.52%和16.35%;以南粳9108最高,分別為6.56%和17.57%。品種間的差異多達(dá)顯著水平。

表3 不同水稻種植主體稻米外觀粒型品質(zhì)

2.3.3 稻米蒸煮食味與營養(yǎng)品質(zhì) 由表4可以計算得出,11個種植主體,2020年和2021年稻米平均蛋白質(zhì)含量分別為9.14%和8.78%;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種稻米平均蛋白質(zhì)含量從小到大順序為南粳46、南粳5055、南粳3908、南粳9108,依次為8.54%、8.97%、9.00%、9.76%,品種間的差異多達(dá)顯著水平(表4);不同種植主體間稻米蛋白質(zhì)含量差異多達(dá)顯著水平。11個種植主體,2020年和2021年稻米平均膠稠度分別為81.1 mm和80.6 mm;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種稻米平均膠稠度從小到大順序為南粳9108、南粳3908、南粳5055、南粳46,依次為78.0 mm、79.4 mm、81.0 mm、83.0 mm,品種間的差異多達(dá)顯著水平;不同種植主體間稻米膠稠度差異多達(dá)顯著水平。11個種植主體,2020年和2021年稻米平均直鏈淀粉含量分別為10.10%和9.99%;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種稻米干基平均直鏈淀粉含量從小到大順序為南粳46、南粳3908、南粳5055、南粳9108,依次為9.67%、9.96%、10.11%、10.81%,不同品種間差異多達(dá)到顯著水平;稻米直鏈淀粉含量在不同種植主體間也多存在顯著差異。

表4 不同水稻種植主體稻米蒸煮食味與營養(yǎng)品質(zhì)

說明,南粳46的蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量較低、膠稠度較大,稻米蒸煮食味與營養(yǎng)品質(zhì)較好,南粳3908次之。

2.3.4 RVA譜特征值 由表5可知,11個種植主體中,2020年和2021年稻米峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度均以種植南粳46的A3種植主體最高,并顯著大于其他10個種植主體。兩季水稻,稻米的崩解值也以A3種植主體較高,但不同種植主體間的差異多不顯著。不同水稻品種稻米的消減值均為負(fù)值,以南粳9108最小,南粳3908最大,不同種植主體間的稻米消減值總體差異不顯著。兩季稻米的平均回復(fù)值,南粳46、南粳5055和南粳3908基本接近,而南粳9108的回復(fù)值相對較小,不同種植主體間的稻米回復(fù)值差異顯著。峰值時間是指米粉樣品達(dá)到峰值黏度的時間,值越小說明稻米淀粉粒的膨脹性越好。兩季稻米,南粳3908、南粳46和南粳5055 的稻米平均峰值時間較小,南粳9108的平均峰值時間較大。不同水稻品種稻米平均糊化溫度從小到大順序為南粳46、南粳3908、南粳5055、南粳9108。

表5 不同水稻種植主體稻米快速黏度分析儀(RVA)譜特征值

總體來看,南粳46稻米RVA譜特征值相對較優(yōu),南粳3908次之。

2.3.5 稻米綜合食味值 由圖2的數(shù)據(jù)可以計算得出,11個種植主體,2020年和2021年稻米平均食味值分別為83.7和82.0;從不同種植主體看,D1平均食味值最低,為75.5,A3平均食味值最高,達(dá)86.8,極差為11.3,處理間差異達(dá)到顯著水平;2個試驗?zāi)甓?不同水稻品種平均食味值從小到大順序為南粳9108、南粳3908、南粳5055、南粳46,依次為77.5、82.4、82.7、85.9,處理間的差異多達(dá)到顯著水平。結(jié)合表1數(shù)據(jù),就同一水稻品種而言,土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分含量較高的種植主體,稻米食味值總體相對較高。

同年不同品種間比較,不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖2 不同水稻種植主體稻米綜合食味值Fig.2 Comprehensive grain taste value of different rice planters

2.4 稻米主要品質(zhì)指標(biāo)與土壤理化性狀間的相關(guān)性

為了明確稻米主要品質(zhì)指標(biāo)與產(chǎn)地土壤理化性狀指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系,對2組主要指標(biāo)采用統(tǒng)計軟件進(jìn)行了相關(guān)性分析。由表6可知,稻米HMR、GC、PV、TV、RTV與土壤TN、AN、OM呈顯著或極顯著正相關(guān);稻米PC則與土壤TN和OM呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。稻米HMR和RTV與土壤TP均呈顯著負(fù)相關(guān);而稻米SBV與土壤AP則呈顯著正相關(guān)。稻米GC、PV、BDV與土壤AK均呈顯著或極顯著正相關(guān);但稻米SBV與AK呈顯著負(fù)相關(guān)。

表6 稻米主要品質(zhì)指標(biāo)與土壤理化性狀的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

3.1 水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量形成與稻田土壤肥力的關(guān)系

土壤肥力分自然肥力(內(nèi)因)和人為肥力(外因)。前者由成土過程中地形、生物、氣候、時間等因素的協(xié)同作用決定;人為肥力則是人類進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動行為方式的總和[20]。對于同一區(qū)域不同水稻田塊,土壤肥力的差異可能主要由不同農(nóng)戶長期施肥、耕作、灌溉等管理方式的不同引起[21]。稻田土壤肥力是水稻獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提條件,對不同肥力水平的稻田,為了提高水稻產(chǎn)量,需要采取不同的肥料運籌方式。范立慧等[22]的研究結(jié)果表明,對肥力水平較高的土壤,適當(dāng)減少總氮投入量,均衡運籌基肥和蘗肥,能夠保證水稻產(chǎn)量,并提高氮肥吸收利用效率;對肥力水平較低的土壤,稻季應(yīng)適當(dāng)增加總施氮量,并提高基肥氮的投入量,促進(jìn)水稻分蘗的早發(fā)快發(fā),保證水稻穗數(shù),提高水稻產(chǎn)量。王秋菊等[23]在高肥力土壤上的研究結(jié)果表明,與常規(guī)施肥相比較,秸稈還田條件下連續(xù)3年減少10%的施氮量,可以保持地力,并維持水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn);對中、低肥力水平的土壤,秸稈還田條件下采用常規(guī)施肥水平或適當(dāng)增施氮肥能夠提高水稻產(chǎn)量,但連續(xù)增氮使水稻增產(chǎn)幅度遞減,說明秸稈連續(xù)還田幾年后需要控制稻田氮肥投入量,維持土壤氮素平衡,提高氮肥利用效率。本研究結(jié)果表明,水稻產(chǎn)量的高低主要由品種自身的產(chǎn)量潛力決定,南粳3908作為超級稻品種,其產(chǎn)量相對較高;就同一水稻品種而言,稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量及養(yǎng)分含量較高的土壤,其土壤肥力水平總體較高[24],獲得的水稻產(chǎn)量也相對較高,這與前人的研究結(jié)果基本一致。說明水稻產(chǎn)量潛力與土壤肥力水平關(guān)系密切,高肥力土壤上種植的水稻更容易高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[25]。因此在實際生產(chǎn)中,可以通過實施秸稈還田、配施有機(jī)肥、種植綠肥還田等方式培肥地力,促進(jìn)水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 稻米品質(zhì)與稻田土壤肥力的關(guān)系

水稻品種自身的遺傳特性對稻米品質(zhì)起主導(dǎo)作用[26-28]。此外,栽培措施、氣候條件,以及土壤肥力等因素對稻米品質(zhì)也能產(chǎn)生重要影響[29-33]。本研究結(jié)果表明,稻米蛋白質(zhì)含量與土壤總氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,可能是因為土壤肥力好,總氮含量高,水稻往往前期生長發(fā)育較好,有利于分蘗早發(fā)快發(fā),形成高質(zhì)量群體[34],這為實際生產(chǎn)中稻季減施氮肥提供了條件,特別是穗肥減氮能直接降低稻米中的蛋白質(zhì)含量[35],而稻米中的蛋白質(zhì)含量降低,有利于提高稻米的食味值[36],因此,稻米食味值與土壤總氮含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。前人通過對連續(xù)多年種植紫云英還田培肥土壤的研究結(jié)果也表明,稻季比對照減少20%的化肥施用量,仍能夠保證水稻產(chǎn)量,并提升稻米品質(zhì)[37]。本研究結(jié)果還表明,稻米食味值與土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān),可能是因為有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤,其氮、磷等元素含量也較高,生產(chǎn)中一般可以減少施用化肥,這往往有利于提高稻米食味值。王飛等[38]的研究結(jié)果表明,相較于單施化肥,長期施用牛糞有機(jī)肥+化肥處理能夠明顯提高稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量,同時提升稻米的品質(zhì)性狀,這與本研究結(jié)果基本一致。但本研究中化學(xué)氮肥、磷肥、鉀肥施用量要明顯大于前人研究結(jié)果中的化肥施用量[38],可能與本研究供試水稻品種為粳稻,而前人的試驗用水稻品種是秈稻,兩者的養(yǎng)分需求規(guī)律不同有關(guān)。此外,本研究結(jié)果表明,稻米食味值與土壤總磷含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明水稻季要少施或不施磷肥,以避免土壤中磷素的大量盈余,影響稻米品質(zhì)。這可能與本地區(qū)土壤含磷量總體偏高有關(guān)[39]。而本研究江蘇蘇南地區(qū)在實際水稻生產(chǎn)中,農(nóng)民往往也僅將少量的磷肥作為基肥施用。因此,在種植水稻的過程中,我們要通過有機(jī)培肥,提高土壤肥力,以利于提升稻米品質(zhì),但也要特別注意控制好稻季磷肥的投入量。

4 結(jié) 論

對于同一地區(qū)的不同經(jīng)營主體,土壤肥力高低不同,除了因成土母質(zhì)不同外,還與不同經(jīng)營主體對秸稈還田、種植綠肥還田、施用有機(jī)肥和農(nóng)家肥等土壤有機(jī)培肥的重視程度不同有關(guān)。在本研究中,就同一水稻品種而言,土壤有機(jī)質(zhì)含量高的經(jīng)營主體,其水稻產(chǎn)量相對較高,稻米品質(zhì)也相對較優(yōu)。說明,通過有機(jī)質(zhì)培肥,提高了土壤肥力水平,能夠保證水稻種植的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和優(yōu)質(zhì),對實施國家藏糧于地和藏糧于技戰(zhàn)略具有重要意義。此外,雖然肥力水平較高的土壤,在減少氮肥施用量的同時,能夠協(xié)調(diào)好水稻的優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn);但長此以往,其是否能夠一直保持較高的地力水平,以及后續(xù)應(yīng)當(dāng)采用怎樣的土壤培肥措施,以保證地力的長期穩(wěn)定,值得設(shè)計長期定位試驗,開展進(jìn)一步深入研究。