实地氮肥管理对不同氮响应粳稻品种产量和品质的影响

剧成欣 陈尧杰 赵步洪 刘立军 王志琴 杨建昌,*

水稻是我国最重要的粮食作物之一，为世界上一半以上的人口提供了近60%的饮食热量[1]。据联合国粮食及农业组织估计[2]，到2025年世界水稻产量必须达到8亿t才能满足人口增长的需要。中国作为世界上最大的产稻国和氮肥消费国，产量水平必须在现有水平上提高20%[3-4]。在过去几十年，我国水稻产量持续增长，主要是由于肥料的增施、品种的改良以及栽培技术的进步等。其中，氮肥是影响水稻生长的一个重要因子，在水稻生长发育和产量形成上的作用最为显著，在肥料投入中的比重达到60%以上[5-6]。因此，增加氮肥的投入是提高水稻单产的一个重要措施[5-6]。但过多的施氮造成氮肥利用效率普遍较低，我国氮素平均吸收利用效率仅为33%，其余的氮素通过氨挥发、硝化与反硝化作用和硝酸盐淋溶等途径损失；平均农学利用效率为12 kg/kg，还不到发达国家的一半[7-9]。氮肥大量施用还会造成严重的环境污染，发达国家对此往往采用环境优先的原则；我国人多地少、资源紧缺，持续提高作物单产，同时高效利用有限的资源，是农业可持续发展的必由之路[10-14]。如何降低氮肥施用量，提高氮肥利用效率，是我国农业生产特别是水稻生产上亟待解决的一个重要问题。

表1 不同氮肥运筹处理的施氮时期及施氮量Table 1.Stage and amount of nitrogen application for different nitrogen managements.

有研究表明[15-16]，不同水稻品种的氮肥利用效率存在明显的差异，培育和选用氮高效品种是协同提高作物产量和氮肥利用效率的一条重要途径。在以往的研究中我们发现[17]，对长江下游里下河地区种植的粳稻而言，在氮素供应充足的条件下，不同品种间的产量差异并不显著，都能达到一个较高的产量水平；但限制氮素供应，不同品种对氮素的响应表现出显著的差异。据此将在较低施氮量(≤200 kg/hm2)下产量和氮肥利用效率较高的品种称为氮响应A型品种；将在较低施氮量下产量和氮肥利用效率较低，但在高施氮量(＞200 kg/hm2)下产量较高或在高施氮量下产量和氮肥利用效率与氮响应A型品种无显著差异的品种称为氮响应B型品种。这两类品种对氮素响应的差异主要体现在中低施氮水平。

近年来，实地氮肥管理技术在水稻生产中广泛应用。该技术以氮肥管理为中心，依据土壤养分的有效供给量、水稻产量和稻草对养分的吸收量来确定施肥量，在水稻主要生育期使用叶绿素测定仪(SPAD)和叶色卡(LCC)观测叶片氮素情况并依此指导施肥，从而最大限度地提高氮肥利用效率，协调高产高效[18-20]。但是关于实地氮肥管理对上述品种产量和米质的影响有何差异，优质与高产高效能否协同等方面缺乏研究。因此，本研究以不同粳稻品种为材料，比较分析了实地氮肥管理和农民常规施肥对水稻产量、氮肥利用效率和稻米品质的影响，以期为水稻高产和优质栽培以及氮敏感或氮高效水稻品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

试验于2014－2015年在江苏省里下河地区农业科学研究所扬州试验基地(32°42’N,119°53’E, 海拔21 m)进行。前茬作物为小麦，耕层含有机质2.36%、有效氮110 mg/kg、速效磷32.1 mg/kg、速效钾 72.2 mg/kg，田间持水量为0.189 g/g，土壤容重为1.33 g/cm3。试验选择2个氮响应A型水稻品种淮稻5号和连粳7号，2个氮响应B型水稻品种宁粳1号和扬粳4038[17]，各品种的累计推广面积分别为33.3、109、105.7和21.7万hm2(国家水稻数据中心)，是江苏省里下河地区主栽品种。四个品种的生育期接近，为150～155 d。采用裂区设计，氮肥处理为主区，品种为裂区(小区)，重复3次，小区面积为28 m2。设置了氮空白(ZN)、农民常规施肥(FCP)和实地氮肥管理(SSNM)3种氮肥运筹方式，各处理的氮肥施用时期及施用量列于表1，在实地氮肥管理处理下，淮稻5号和连粳7号的施氮量为255 kg/hm2，宁粳1号和扬粳4038的施氮量为270 kg/hm2。所有品种于5月16日播种，6月12日移栽，株行距为0.25 m×0.13 m，双本栽插，主区间筑埂并用塑料薄膜包裹。8月23－25日抽穗，10月16－18日收获。各小区在移栽前均施用过磷酸钙(含P2O513.5%)240 kg/hm2和氯化钾(含K2O 52%)240 kg/hm2。水分管理和病虫草害的防治按照当地高产栽培。

1.2 植株含氮量测定

于成熟期从各小区取代表性植株10株，由分蘖节处分为地上部和地下部两个部分，地上部分解为绿叶、茎鞘、穗，将地上部各部分杀青后烘干用于测定干物质重，保留样本，粉碎过筛后用凯氏定氮法测定含氮量。氮肥利用率计算方法如下：氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量－氮空白区籽粒产量)/施氮量；氮肥吸收利用率(%)=(施氮区植株吸氮量－氮空白区植株吸氮量)/施氮量×100；氮肥生理利用率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量－氮空白区籽粒产量)/(施氮区植株吸氮量－氮空白区植株吸氮量)；氮肥偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/施氮量。

1.3 产量及其构成因素

成熟期各小区取1 m2考查实际穗数，取12穴水稻刮粒后测定穗粒数、结实率与千粒重，结实率采用水漂法测定，将稻粒置于密度为1.1×103kg/m3的生理盐水中，比重大于1.1的是饱粒，其余为空瘪粒。每个小区实收150穴脱粒计产。

1.4 稻米品质测定

风干稻谷置于室温下3个月后用于米质的测定。测定前各处理统一用NP4350型风选机等风量风选。参照中华人民共和国国家标准《GB/T17891－1999优质稻谷》[21-22]测定糙米率、精米率、整精米率、长宽比、垩白粒率、垩白大小、垩白度和胶稠度等。用FOSS TECATOR公司生产的近红外谷物分析仪(Infratec 1241 Grain Analyzer)测定精米的直链淀粉和蛋白质含量。参照陈毓荃[23]与陈因等[24]方法测定蛋白组分含量。采用澳大利亚Newport Scientific仪器公司的Super 3型RVA(Rapid Viscosity Analyzer)快速测定淀粉黏滞谱特性，用TWC(Thermal Cycle for Windows)配套软件进行数据分析。

1.5 数据分析

用Excel 2013软件整理数据，SAS 9.4软件统计分析数据，SigmaPlot 10.0绘图。由于2年试验结果趋势一致，且同一品种各测定指标在年度间的差异不显著(P>0.05)，因此本研究中产量和氮素利用效率以两年结果表示，品质数据用2015年试验结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 产量与氮肥利用效率

由表2可知，不同品种的产量在不同氮肥处理下表现出较大的差异。在氮空白和实地氮肥管理处理下，氮响应A型品种淮稻5号和连粳7号的产量显著高于氮响应B型品种宁粳1号和扬粳4038，在农民常规施肥处理下，不同品种间产量差异不显著。与农民常规施肥方法相比，实地氮肥管理显著提高了水稻的产量，两个氮响应A型品种平均增产12.6%，两个氮响应B型品种平均增产6.8%，表明氮响应A型品种在实地氮肥管理处理下具有更强的增产潜力。从产量构成因素来看，实地氮肥管理产量增加的原因是单位面积穗粒数和结实率的提高 (表 2)。

不同品种的吸氮量和氮肥利用效率见表3。与农民常规施肥相比，实地氮肥管理显著增加了不同品种的吸氮量(表3)。在实地氮肥管理处理下，氮响应A型品种处理下的施氮量要小于氮响应B型品种，但是氮响应A型品种的吸氮量反而高于氮响应B型品种。不同粳稻品种的农学利用效率、吸收利用效率、生理利用效率和偏生产力在实地氮肥管理处理下均显著高于农民常规施肥。在实地氮肥管理处理下，氮响应A型品种的农学利用效率、吸收利用效率和偏生产力要显著高于氮响应B型品种。

2.2 加工品质与外观品质

由表4可知，实地氮肥管理显著增加了各品种的精米率和整精米率，而糙米率在各处理下无显著差异。氮响应A型品种的精米率和整精米率要略高于氮响应B型品种。与加工品质的变化类似，不同粳稻品种的垩白粒率和垩白面积在实地氮肥管理下显著降低，因而降低了水稻的垩白度；这表明实地氮肥管理能够提高稻米的加工品质和外观品质，氮响应A型品种和氮响应B型品种表现出相同的趋势。

2.3 蒸煮与食味品质

各品种的直链淀粉含量和蛋白质含量在农民常规栽培处理下最高，实地氮肥管理下直链淀粉含量显著降低(表6)。各品种的胶稠度在实地氮肥管理下显著升高，糊化温度在实地氮肥管理下显著降低，表明实地氮肥管理能够提高稻米的蒸煮与食味品质。与氮响应B型品种相比，氮响应A型品种的直链淀粉含量和糊化温度较低，胶稠度较长，表明氮响应A型品种的蒸煮与食味品质优于氮响应B型品种。氮响应A型品种的蛋白质含量也显著高于氮响应B型品种(表6)。

表2 不同氮肥运筹处理下水稻的产量及其构成因素Table 2.Grain yield and its components of rice varieties under different nitrogen managements.

表3 不同氮肥运筹处理下水稻的吸氮量与氮肥利用效率Table 3.Nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of rice varieties under different nitrogen managements.

表4 不同氮肥运筹处理对水稻加工品质的影响Table 4.Effect of nitrogen management on milling quality of rice.

表5 氮肥运筹对水稻外观品质的影响Table 5.Effect of nitrogen management on appearance quality of rice.

表6 氮肥运筹对水稻蒸煮品质及蛋白质含量的影响Table 6.Effect of nitrogen management on cooking quality and protein content of rice.

2.4 蛋白组分

蛋白组分反映稻米的营养品质，还与稻米的食味有关。稻米的蛋白质除绝对含量外，谷蛋白、醇溶蛋白等组分也与营养品质相关。氮响应不同水稻品种的谷蛋白和清蛋白含量在实地氮肥管理下显著升高，醇溶蛋白含量在实地氮肥管理下显著降低，球蛋白在不同氮肥运筹处理下无明显差异(表7)。氮响应A型品种的清蛋白和谷蛋白含量要显著高于氮响应B型品种，球蛋白和醇溶蛋白含量与氮响应B型品种没有显著差异，表明氮响应A型品种总蛋白含量高主要是由于清蛋白和谷蛋白含量提高(表 7)。

表7 氮肥运筹对水稻籽粒蛋白质含量与蛋白组分的影响Table 7.Effect of nitrogen management on protein content and its components in rice grain.

2.5 淀粉黏滞谱特性

表8为各水稻品种的淀粉黏滞谱特性。在不同氮肥运筹处理间，最终黏度无明显变化规律。在实地氮肥管理下，水稻的热浆黏度、最高终黏度和崩解值与农民常规处理相比表现出增加的趋势，消减值则呈下降趋势，表明实地氮肥管理改善了稻米的食味品质。氮响应A型品种稻米淀粉谱的最高黏度、热浆黏度、崩解值均显著高于氮响应B型品种，而消碱值显著低于氮响应B型品种，说明氮响应A型品种稻米的蒸煮食味品质要优于对照品种(表8)。与氮响应B型品种相比，氮响应A型品种稻米淀粉黏滞谱性的特征值在不同氮肥运筹处理下表现出更大的波动，表明氮响应A型品种的食味品质对氮肥更加敏感(表8)。

3 讨论

3.1 实地氮肥管理对水稻产量和氮肥利用效率的影响

肥水管理是水稻增产的重要因素，氮肥运筹对水稻生产和环境保护有着重要的意义[25-26]。本研究表明，实地氮肥管理显著提高了水稻的产量和氮肥利用效率，氮响应A型品种的增产增效效果较氮响应B型品种更为显著。有研究表明，减少水稻基肥施用量会导致其单位面积穗数不足，影响产量潜力的充分发挥[18]。本研究则表明，与农民常规施肥相比，实地氮肥管理下虽然穗数有所降低，会造成一定的产量损失；但是实地氮肥管理下穗粒数和结实率显著升高，引起产量增加，增产显著大于穗数减少引起的产量损失。水稻产量是库容量和灌浆效率的乘积，通常情况下穗粒数与结实率呈负相关[27]。但是，本研究表明，实地氮肥管理与农民常规施肥相比，不仅显著增加每穗粒数，而且还可以提高籽粒结实率，这是实地氮肥管理增产增效的重要原因。氮响应A型品种在实地氮肥管理下能达到增产增效的效果，且较氮响应B型品种相比施氮量更低，即氮敏感水稻品种在相对较低施氮量下能获得较高的产量。

3.2 不同粳稻品种的米质

水稻米质是水稻理化特性的综合反映，包括碾磨加工品质、商品外观品质、蒸煮食味品质、营养品质等[28]。本研究表明，氮响应A型品种的精米率和整精米率均显著高于氮响应B型品种；外观品质的差异未达到显著水平，说明了氮响应A型品种的加工品质优于氮响应B型品种。直链淀粉含量是评价稻米食味性的重要因素，直链淀粉含量较高的稻米胀性比较大，色泽暗淡，质地较硬，食味性比较差；直链淀粉含量较低的稻米胀性比较小，有光泽，质地柔软，食味性较好[29]。稻米中蛋白质含量过高会抑制淀粉粒膨胀及糊化，导致米饭口感变差，影响稻米的食味品质。除绝对含量外，谷蛋白、醇溶蛋白等组分也与稻米的营养品质和食味品质有关[30]。有研究表明，稻米的谷蛋白和清蛋白中含有较多的必需氨基酸，易于消化，营养价值比较高，是优质蛋白；而醇溶蛋白中氨基酸含量较低，而且因为结构紧密难以被吸收消化，被认为是劣质蛋白[31]。胶稠度较长，米饭较软较黏，稻米额蒸煮与食味性较好[32]。本研究表明，氮响应A型品种稻米的直链淀粉含量要低于氮响应B型品种，胶稠度的长度则高于氮响应B型品种；氮响应A型品种稻米的清蛋白和谷蛋白含量均要显著高于氮响应B型品种，球蛋白和醇溶蛋白含量却低于氮响应B型品种，表明氮响应A型品种的食味和营养品质要优于氮响应B型品种。氮响应A型品种的蛋白质含量要高于氮响应B型品种，虽然营养品质较好，但在一定程度上降低了稻米的食味性。本研究发现，氮响应A型品种的蛋白质含量高主要是清蛋白和谷蛋白等优质蛋白较高，表明氮响应A型品种的营养品质较好。

表8 氮肥运筹对水稻的淀粉黏滞谱特性的影响Table 8. Effect of nitrogen management on starch viscosity of rice.cP

稻米淀粉的RVA黏滞谱特征值与蒸煮食味品质关系密切，特别是崩解值和消碱值能较好地反映稻米的蒸煮与食味品质，RVA谱特征值与直链淀粉和支链淀粉相对含量有关，还与稻米品质指标直链淀粉含量和胶稠度等关系密切[33-34]。直链淀粉含量与崩解值负相关，与消碱值正相关[35-36]。有研究表明，稻米的食味性与最高黏度和崩解值呈正相关，与消减值呈负相关[37]。本研究表明，氮响应A型品种稻米淀粉谱的最高黏度、热浆黏度、崩解值均显著高于氮响应B型品种，而消碱值显著低于氮响应B型品种，说明氮响应A型品种稻米的蒸煮食味品质要优于氮响应B型品种。与氮响应B型品种相比，氮响应A型品种稻米淀粉黏滞谱的特征值在不同氮肥运筹处理下表现出更大的波动，表明氮响应A型品种的食味品质对氮肥更加敏感。

3.3 氮肥运筹对米质的影响

稻米的品质除受品种基因型影响外，还与栽培措施和环境因素等密切相关。在不同栽培要素中，氮肥运筹是影响稻米品质最主要的因素之一[38]。氮肥运筹对稻米加工和外观品质会造成重大的影响。有研究认为[39]，氮肥会对稻米的加工品质造成负效应；但也有研究认为[40]，氮肥运筹会增加稻米加工品质。金军等[41]指出，不同品种外观品质对氮素反应不同。本研究表明，实地氮肥管理显著增加了不同粳稻品种的精米率和整精米率，显著降低了垩白粒率、垩白面积和垩白度，表明实地氮肥管理同步提高了稻米的加工品质和外观品质。

直链淀粉含量是评价稻米食味性的重要因素，以往研究表明实地氮肥管理和减少施氮量都会显著降低稻米中的直链淀粉含量，本研究结果与之一致[42]。胶稠度和糊化温度是反映稻米食味性的重要指标[43]。本研究发现，实地氮肥管理显著增加了稻米的胶稠度，显著降低了糊化温度，表明实地氮肥管理能够提高稻米的蒸煮与食味品质。稻米的蛋白质除绝对含量外，谷蛋白，醇溶蛋白等组分也与营养品质相关。有研究表明，谷蛋白和清蛋白属于优质蛋白；醇溶蛋白属于劣质蛋白[31]。本研究表明，氮敏感性不同水稻品种的谷蛋白和清蛋白含量在实地氮肥管理下显著升高，醇溶蛋白含量在实地氮肥管理下显著降低，表明通过氮肥运筹可以改变稻米中蛋白组分的分布，进而改善稻米的营养品质。在实地氮肥管理下，水稻的热浆黏度、最高终黏度和崩解值与农民常规处理相比表现出增加的趋势，消减值则呈下降趋势，表明实地氮肥管理改善了稻米的食味品质。

4 结论

与农民常规施肥相比，实地氮肥管理能提高各品种的产量和氮肥利用效率，氮响应A型品种的增产增效幅度大于氮钝感水稻品种。实地氮肥管理可以显著提高水稻的整精米率、胶稠度、热浆黏度和崩解值，显著增加稻米中清蛋白和谷蛋白的含量，显著降低垩白度、直链淀粉含量和糊化温度，表明通过氮肥运筹可以提高水稻的米质。与氮响应B型品种相比，氮响应A型品种的加工品质和蒸煮食味品质较优，稻米中清蛋白和谷蛋白含量较高，直链淀粉含量较低，稻米淀粉黏滞谱性较好，食味品质对氮肥的响应更为敏感。

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