2019, Vol. 27
随着生活水平的提高, 水稻优质生产逐渐成为我国水稻(Oryza sativa L.)栽培研究的热点[1]。氮素是影响水稻生长发育最敏感的因素之一, 是水稻产量与品质形成的有力保障, 合理的氮素施用是改善稻米品质的关键[2-4]。为探讨氮素对稻米品质的影响, 前人已做了大量研究。已有研究表明, 适当增施氮肥有利于营养品质和加工品质的提高, 但高氮往往导致稻米垩白面积增加, 稻米外观和蒸煮食味品质变劣[5-8]。稻米糙米率、精米率、整精米率、最高黏度和崩解值随施氮量的增加而增加, 垩白粒率、垩白度和消减值则随施氮量的增加而降低[9]。适当氮肥后移可以提高整精米率、稻米蛋白质含量和消减值, 降低最高黏度和直链淀粉含量[10-12]。聚天门冬氨酸(PASP)是一种氨基酸聚合物, 天然存在于蜗牛和软体动物壳内, 是生物降解性好的环境友好型肥料增效剂。通过工业合成, PASP尿素逐渐被开发出来。本课题组前期研究表明, PASP尿素能提高叶片光合潜力, 促进水稻干物质生产; 调节叶片氮素代谢, 提高水稻氮素积累; 提高单位面积有效穗数来提高籽粒库容量(单位面积群体颖花量), 进而提高水稻产量; 同时PASP尿素还能有效调节稻田氮素供给平衡, 进而促进水稻对氮素的吸收[13-14]。但其对于稻米品质的影响鲜有报道。为此, 本研究选取四川省具有代表性的射洪(丘陵区, 低土壤肥力)和温江(平原区, 高土壤肥力)为试验点, 研究了普通尿素优化施肥和PASP尿素对稻米品质的影响, 以期为四川省不同生态稻区稻米品质改良提供理论和实践依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点与材料试验于2013年分别在四川省射洪县和温江区进行。射洪县地处四川盆地中部丘陵区, 试验田为冬水田; 温江地处成都平原, 前茬作物为小麦(Triticum aestivum L.)。各试验点气象资料和供试土壤肥力见图 1[14]和表 1[14], 具体数据由射洪和温江气象局提供和测定所得。供试材料为四川农业大学水稻研究所选育的杂交中籼稻‘F优498’。供试普通尿素(含氮率46%)和PASP尿素(含氮率46%)均由四川美青氰胺有限责任公司提供。
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图 1 温江和射洪试验点水稻生育期主要气象资料[14] Fig. 1 Main meteorological data of rice growth period in the two ecological sites of Wenjiang and Shehong[14] |
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表 1 温江和射洪试验点0~30 cm土壤基础肥力 Table 1 Properties of the top soil (0–30 cm) of the two ecological sites of Wenjiang and Shehong |
各试验点采用单因素随机区组试验设计, 以不施氮肥为主对照(CK), 设4种普通尿素施肥处理:农民经验性施肥(FFP1)、优化施肥(ONM1)、减氮15%优化施肥(ONM-N1)、增氮15%优化施肥(ONM+N1), 其中农民经验性施肥(FFP1)为副对照; 3种PASP尿素施肥处理: 1次施肥(PASPT1)、2次施肥(PASPT2)、PASP尿素优化施肥(ONM2), 共8个处理, 氮肥施用量和施用时期见表 2。每个处理重复3次, 共24个小区, 各小区面积10 m × 3 m = 30 m2。施P2O5 90 kg∙hm-2, K2O 180 kg∙hm-2, 磷肥用作底肥一次性基施, 钾肥按基肥:促花肥= 5:5施用。采用旱育秧方式培育壮秧, 分别于4月30日(射洪)和5月19日(温江)移栽, 移栽秧龄为35 d, 采用单苗优化定抛[15], 移栽行穴距为26.7 cm× 16.7 cm。统一采用高效灌溉技术, 前期湿润或浅湿交替灌溉促分蘖, 并适时晒田; 中期浅水灌溉促大穗; 后期干湿交替灌溉保根促灌浆。同时做好病虫草害防除。
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表 2 各处理氮肥施肥措施 Table 2 Application of nitrogen fertilizer for each treatment |
成熟期在各小区随机选择没有病虫害的稻谷1 kg, 在室温下保存3个月, 待其理化特性趋于稳定后, 测定稻米品质。参照国标《GB/T17891—1999优质稻谷》测定所取样品加工品质(糙米率、精米率、整精米率)和外观品质(垩白度、垩白粒率、长宽比)。将精米用CT410旋风式粉样机粉碎, 过60目筛, 采用双波长比色法测定稻米直链淀粉含量[16]。
采用3-D型黏度速测仪(澳大利亚New port Scientific仪器公司)测定稻米淀粉RVA(Rapid Visco Analyzer, 简称RVA)谱, 用TCW(Thermal Cycle for Windows)配套软件进行分析。根据AACC操作规程(2000 61-02), 含水量为12.0%时, 水稻米粉的样品量为3.00 g, 加蒸馏水25.00 mL。加温过程为50 ℃保持1 min; 以恒速升至95 ℃(3 min 48 s); 95 ℃下保持2.5 min; 再以恒速下降到50 ℃(3 min 48 s), 在50 ℃下保持1 min 24 s。搅拌器在起始10 s内转动速率为960 r∙min-1, 之后保持在160 r∙min-1。RVA谱特征值主要以峰值黏度(peak viscosity, PKV)、热浆黏度(hot paste viscosity, HPV)、冷胶黏度(cool paste viscosity, CPV)、崩解值(breakdown viscosity, BDV, 峰值黏度与热浆黏度之差)、消减值(setback viscosity, SBV, 冷胶黏度与峰值黏度之差)、回复值(consistence viscosity, CSV, 冷胶黏度与热浆黏度之差)、峰值时间(peak time, PeT)和糊化温度(pasting temperature, PaT)表示。每个样品测定3次, 取其均值。
用凯氏定氮法测籽粒全氮含量。根据一般水稻籽粒中蛋白质约含16.8%氮的原理, 将测得的全氮含量乘以换算因子K=5.95, 推算籽粒蛋白质含量。
1.4 数据分析采用Microsoft Excel对数据进行整理和归纳, 利用DPS 7.05对数据进行方差及聚类分析。LSD(least significant difference tests)法比较所取样本的差异性。
2 结果与分析 2.1 不同生态条件下氮肥管理对稻米碾米品质的影响表 3表明, 氮肥管理极显著地影响两个生态点的整精米率, 此外, 温江糙米率和射洪精米率也受到氮肥管理极显著影响。不同生态点间, 射洪生态点的糙米率、精米率和整精米率均低于温江生态点。较对照处理, 氮肥施用显著提高了稻米的碾米品质, 射洪生态点糙米率、精米率和整精米率分别较对照增加0.84%~1.25%、1.01%~3.53%和6.67%~21.49%, 温江生态点则分别增加1.65%~2.06%、0.49%~2.96%和11.93%~44.01%。较FFP1处理, 氮肥优化处理(ONM1, ONM-N1, ONM+N1)和PASP尿素处理对糙米率影响不显著, 但射洪生态点氮肥优化处理(ONM1, ONM-N1, ONM+N1)和ONM2处理, 以及温江生态点ONM1处理显著提高了精米率。此外, ONM-N1、ONM+N1和PASP尿素处理导致射洪整精米率显著降低, 但氮肥优化处理(ONM1, ONM-N1, ONM+N1)和ONM2处理显著提高了温江生态点的整精米率。较ONM1处理, ONM-N1、ONM+N1和PASP尿素处理导致整精米率呈下降趋势, 同时PASP尿素处理还导致精米率呈下降趋势。随PASP尿素施肥次数的增加, 射洪整精米率呈下降趋势, 温江整精米率表现为ONM2 > PASPT1 > PASPT2。整体看来, ONM1处理下, 稻米具有较优的碾米品质。
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表 3 氮肥管理对不同生态点稻米碾米品质的影响 Table 3 Effect of nitrogen management on rice milling quality in different ecological sites |
表 4表明, 氮肥管理对稻米长宽比影响不显著, 但显著或极显著地影响两个生态点的垩白粒率和垩白度。不同生态点间, 温江生态点的垩白粒率和垩白度均低于射洪生态点。较对照处理, 氮肥对不同生态点的垩白粒率和垩白度的影响不同。在射洪生态点, 除ONM1处理垩白粒率外, 氮肥施用使垩白粒率和垩白度较CK分别增加1.35%~8.53和2.34%~43.41%;在温江生态点, 除FFP1处理垩白粒率外, 垩白粒率和垩白度则分别减少4.61%~24.69%和6.93%~42.23%。较FFP1处理, 射洪生态点ONM1处理显著降低了垩白粒率和垩白度, ONM-N1、ONM+N1和PASP尿素处理则显著增加了垩白度; 温江生态点, 除PASPT1处理对垩白度影响不显著外, 氮肥优化处理(ONM1, ONM-N1, ONM+N1)和PASP尿素处理均显著降低了稻米的垩白粒率和垩白度。较ONM1处理, ONM-N1、ONM+N1和PASP尿素处理显著增加了射洪的垩白粒率和垩白度, 但降低了温江的垩白粒率。较PASPT1处理, PASPT2和ONM2处理显著降低了温江的垩白粒率和垩白度。可见, ONM1处理有利于提高射洪生态点的稻米外观品质, ONM2处理则有利于提高温江生态点的稻米外观品质。
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表 4 氮肥管理对不同生态点稻米外观品质的影响 Table 4 Effect of nitrogen management on appearance quality of rice in different ecological sites |
氮肥管理对稻米淀粉RVA谱特征值有着明显的调控作用(表 5)。不同生态点间, 射洪生态点的峰值黏度、崩解值明显高于温江生态点, 热浆黏度、冷胶黏度、消减值和回复值则相反。不同生态点间, 氮肥施用对稻米淀粉RVA谱特征值的影响存在差异。较对照处理, 氮肥施用导致射洪生态点峰值黏度、热浆黏度呈上升趋势, 冷胶黏度、崩解值、消减值和回复值则呈降低趋势; 在温江, 氮肥施用则导致峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值呈下降趋势, 消减值则呈上升趋势。较FFP1处理, 氮肥优化处理(ONM1, ONM-N1, ONM+N1)和ONM2处理显著降低了射洪和温江的峰值黏度和崩解值, 提高了消减值; ONM-N1和ONM+N1还导致射洪冷胶黏度显著降低, 温江峰值时间显著增加。较ONM1处理, ONM-N1处理导致崩解值呈上升趋势, 但ONM+N1处理显著降低了射洪生态点的冷胶黏度, 提高了温江生态点的消减值; 在射洪, PASPT1和PASPT2处理显著增加了峰值黏度和崩解值; 在温江, PASPT1和PASPT2处理显著增加了冷胶黏度和崩解值; ONM2处理则均显著降低峰值黏度、热浆黏度和崩解值。随着PASP尿素施肥次数的增加, 射洪试验点的峰值黏度、热浆黏度和崩解值呈递减趋势, 消减值呈递增趋势; 温江试验点, 峰值黏度、热浆黏度和崩解值表现为PASPT2 > PASPT1 > ONM2, 消减值表现为ONM2 > PASPT1 > PASPT2。
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表 5 氮肥管理对不同生态点稻米RVA谱特征值的影响 Table 5 Effect of nitrogen management on RVA profile characteristic values of rice in different ecological sites |
表 6表明, 氮肥管理对水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量有显著影响。不同生态点间, 射洪生态点的直链淀粉含量高于温江生态点, 籽粒粗蛋白含量则低于温江生态点。较对照处理, 氮肥施用有效提高了稻米直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量。较FFP1处理, 除射洪PASPT2和温江PASPT1外, 氮肥优化处理(ONM1, ONM-N1, ONM+N1)和PASP尿素处理均显著提高了稻米直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量。较ONM1处理, ONM-N1、PASPT1和PASPT2处理显著降低了直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量; ONM+N1处理导致直链淀粉含量显著降低, 籽粒粗蛋白含量则明显增加; ONM2处理显著提高了射洪和温江的籽粒粗蛋白含量以及射洪生态点的直链淀粉含量, 降低了温江生态点的直链淀粉含量。随着PASP尿素施肥次数的增加, 射洪生态点的直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量表现为ONM2 > PASPT1 > PASPT2;温江生态点的直链淀粉含量表现为PASPT2 > ONM2 > PASPT1, 籽粒粗蛋白含量表现为ONM2 > PASPT2 > PASPT1。
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表 6 氮肥管理对不同生态点稻米直链淀粉含量和粗蛋白含量的影响 Table 6 Effect of nitrogen management on amylose and crude protein contents of rice in different ecological sites |
由表 7可知, 不同施氮处理间淀粉RAV谱特性与碾米品质、外观品质、直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量有密切关系。峰值黏度和崩解值与糙米率、精米率、整精米率和籽粒粗蛋白含量呈显著或极显著负相关关系, 与长宽比、垩白度和垩白粒率则呈显著或极显著正相关; 冷胶黏度与垩白度呈显著负相关; 消减值和回复值与糙米率、精米率以及粗蛋白含量呈显著或极显著正相关, 与长宽比、垩白度和垩白粒率则呈极显著负相关; 此外, 峰值时间与糙米率和精米率显著负相关, 与长宽比和垩白度极显著正相关。
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表 7 稻米淀粉RVA谱特征值与其他指标的相关性 Table 7 Relationship among spectrum characteristics of starch RVA and other quality indicators of rice |
稻米品质受到遗传、环境和栽培措施等多种因素影响[17]。氮肥施用对稻米碾米品质和外观品质存在明显影响。研究指出, 氮肥施用能延缓水稻后期衰老, 为籽粒灌浆提供物质保证, 进而有效提高稻米糙米率、精米率和整精米率[8-9, 18], 这与本研究结果相符。垩白的形成主要是因为灌浆期物质的供给不足导致了胚乳贮藏物填充的不充分所致[19-20]。戴平安等[21]认为土壤碱解氮和速效磷增加有利于垩白粒率和垩白度的降低。不同生态点间氮肥使用对稻米垩白的影响不同, 氮肥施用增加了射洪生态点垩白度和垩白粒率, 降低了温江生态点的稻米垩白, 这是土壤中碱解氮和速效磷含量差异所致。较农民经验性施肥处理, 氮肥优化处理和PASP尿素处理显著增加了射洪的精米率和温江的整精米率, 降低了温江的稻米垩白度和垩白粒率。氮肥后移满足了水稻中后期的氮素需求, 促进了籽粒胚乳细胞的发育, 增强了籽粒的灌浆强度[12, 22]。PASP尿素, 作为一种新型高效缓释氮肥, 能有效调节土壤氮素平衡, 提高水稻氮素吸收利用效率和籽粒产量; PASP尿素促进抽穗后穗部干物质积累, 显著增加水稻产量[13-14]。较优化施肥处理, PASP尿素处理导致射洪稻米碾米品质和外观品质变劣, 但能有效降低温江的垩白粒率, 改善外观品质。可见, 氮肥的施用要因地制宜, 在射洪, 普通尿素处理能有效提高稻米碾米品质和外观品质; 在温江, PASP尿素处理能一定程度改善稻米外观品质。较PASP尿素1次施肥, PASP尿素优化施肥能显著提高温江整精米率, 降低射洪垩白度和温江垩白。PSAP尿素优化施肥能更好地提供水稻中后期生长发育的营养, 促进了籽粒胚乳细胞的发育, 增强了籽粒的灌浆强度[13]。
3.2 氮肥管理对稻米理化品质和淀粉RVA谱特征值的影响水稻籽粒粗蛋白和直链淀粉含量是评价稻米品质的两个主要指标[23]。袁天泽等[24]认为水稻粗蛋白和直链淀粉含量随着氮肥用量的增加而增加。郝虎林等[25]研究认为随着氮肥使用量的增加, 籽粒蛋白质含量增加, 直链淀粉含量降低。可见前人研究结果不尽相同。不同生态条件下, 氮肥施用提高了水稻籽粒粗蛋白含量和直链淀粉含量, 这与袁天泽等[24]研究结果一致。研究表明将基肥后移至抽穗期施用能增加籽粒粗蛋白含量[12]。较农民经验性施肥, 氮肥优化和PASP尿素处理显著提高了籽粒粗蛋白和直链淀粉含量, 是因为氮肥优化管理和PASP尿素能提供水稻中后期氮素营养, 导致水稻籽粒粗蛋白含量和直链淀粉含量增加。较优化施肥处理, PASP尿素优化施肥处理显著提高了籽粒粗蛋白含量, 因为PASP尿素能有效提高穗部和植株氮素积累量[14], 导致籽粒粗蛋白含量增加。同时PASP尿素优化施肥处理导致射洪生态点直链淀粉含量增加, 温江生态点却显著降低, 可能是土壤中的碱解氮和速效磷含量不同所致[21]。较PASP尿素1次和2次施肥, PASP尿素优化施肥能增加两个生态点的籽粒粗蛋白含量。PASP尿素优化管理能提供水稻中后期氮素营养[14], 导致水稻籽粒粗蛋白含量增加。
RVA谱特征值是稻米品质的重要组成部分[26]。叶全宝等[27]研究表明随着施氮量的增加, 峰值黏度、热浆黏度、崩解值、冷胶黏度等呈下降趋势, 消减值呈上升趋势。刘代银等[10]研究表明随施氮量的增加, 稻米淀粉RVA谱特征值的最高黏度和崩解值降低, 消减值和糊化温度升高。从夕汉等[28]认为随施氮量增加, 峰值黏度、热浆黏度、回复值和崩解值递减, 而消碱值递增。李永杰等[29]研究表明随着施氮量的增加, 最高黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值和消减值逐渐下降。可见前人研究结果不尽相同。氮肥施用导致射洪生态点峰值黏度显著增加, 崩解值和消减值明显降低; 同时导致温江生态点峰值黏度和崩解值明显降低, 消减值则明显增加。原因是随着氮肥的供应, 水稻营养生长旺盛, 绿叶面积增加, 导致后期籽粒氮素积累含量变多, 从而影响了稻米淀粉RVA谱特征值。这与叶全宝等[27]的研究结果相似, 稻米淀粉RVA谱特征值也受土壤环境影响[21]。施氮总量相同情况下, 增加穗肥用量会导致峰值黏度降低、崩解值减少、消解值增大和糊化温度提高[30]。张亚洁等[31]和蔡一霞等[32]认为一般情况下, 峰值黏度高、崩解值大、消减值的绝对值小, 稻米食味优。较农民经验性施肥, 优化施肥和PASP尿素处理降低了峰值黏度和崩解值, 提高了消减值。这可能是因为氮肥优化管理能提供水稻中后期氮素营养, 使水稻籽粒粗蛋白含量增加, 改变了RVA谱特征值, 这与徐大勇等[11]研究结果一致。较优化施肥处理, PASP尿素优化施肥处理导致稻米峰值黏度、热浆黏度和冷胶黏度呈下降趋势, 回复值则呈上升趋势, 同时导致射洪生态点崩解值增加。这是因为PASP尿素可以缓慢提供中、后期氮素营养[14], 满足水稻生长对氮素养分的需求, 从而影响稻米淀粉RVA谱特征值[33]。较PASP尿素1次施肥和2次施肥, PASP尿素优化施肥显著降低了两个生态点的峰值黏度、热浆黏度和崩解值, 提高了消减值。PASP尿素优化施肥能缓慢提供水稻中后期氮素营养[14], 使水稻籽粒粗蛋白含量增加, 改变了RVA谱特征值
3.3 不同生态区优质栽培施肥方式的选择稻米品质主要包括外观品质、加工品质、蒸煮食用品质和营养品质[34]。本研究结果表明, 合理的施肥方式有效提高了稻米精米率、直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量, 降低垩白, 改善稻米淀粉RVA谱特征值。因此, 通过施肥方式来调控稻米碾米品质、外观品质和稻米食味品质是有效可行的。本研究表明, 普通尿素和PASP尿素在不同生态点对稻米品质的作用结果不同。因此在合适的生态点选择合适的肥料种类可以改善稻米品质。从施肥方式来看, 张艳霞等[35]认为, 氮素穗肥与稻米品质和淀粉特性密切相关, 可通过调控氮素穗肥水平来改善稻米品质。普通尿素和PASP尿素优化施肥, 能有效改善稻米品质, 因此普通尿素和PASP尿素通过合理的多次施肥, 将氮肥后移提高水稻后期氮素需求从而调控稻米品质。从本试验稻米淀粉RVA谱特征值与品质性状的相关性来看, 施氮处理对稻米品质的影响存在品质特性间的差异。如崩解值和稻米碾米品质受氮肥的影响并非同向的, 即在提高碾米品质的同时不利于食味品质的提升[36]。稻米优质栽培必须考虑各品质指标间的协调关系, 使其综合性状良好表达, 因此综合稻米碾米品质、外观品质、淀粉RVA、直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量的关系, 选出最适合水稻优质栽培的方式。在本试验条件下, 射洪PASP尿素2次施肥处理(PASPT2)稻米综合品质较好, 温江优化施肥处理(ONM1)稻米综合品质较好。
4 结论氮肥施用能显著提高稻米碾米品质, 氮肥后移和PASP尿素处理能改变淀粉RVA谱特征值、直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量, 因此通过合理的肥料施用能提高稻米品质。同时PASP尿素在不同生态点对稻米品质影响不同; PASP尿素处理导致射洪稻米碾米品质和外观品质变劣, 但能有效降低温江的垩白粒率, 改善外观品质。可见, 氮肥的施用要因地制宜。综合稻米碾米品质、外观品质、淀粉RVA谱特征值、直链淀粉含量和籽粒粗蛋白含量的关系, 射洪PASP尿素2次施肥处理(PASPT2)稻米综合品质较好, 温江优化施肥处理(ONM1)稻米综合品质较好。
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