有机与常规种植稻麦品质的比较研究

金 淑, 席运官①, 王 磊, 陈秋会, 田 伟, 杨育文

(1.环境保护部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042; 2.环境保护部有机食品发展中心, 江苏 南京 210042)

有机耕作方式指遵照一定的有机农业生产标准,在生产中不采用基因工程获得的生物及其产物,不使用化学合成的农药、化肥、生长调节剂、饲料添加剂等物质,遵循自然规律和生态学原理,协调种植业和养殖业的平衡,采用一系列可持续发展的农业技术以维持持续稳定的农业生产体系的一种农业生产方式[1-2]。随着我国有机产品市场的快速发展,有机产品的品质成为消费者关心的第一要素,以直观的测试数据向消费者展示有机与常规产品的品质差别对于促进我国有机产业的发展和有机产品的消费具有重要意义。调查发现,与常规食品相比,有机食品更加安全、健康,并且比常规食品有更好的营养品质和感官品质[3-4]。例如,在2014年,英国纽卡斯尔大学基于2006年以后发表的343篇以作物为主的论文数据,对有机食品质量进行全面系统的统计与分析后发现,有机作物及其衍生产品(例如有机面包、婴儿食品、果汁和酒类)比常规食品含有更多的抗氧化剂、(聚)酚类化合物和较少的镉、氮及农药残留物[4]。但也有一些研究表明,有机农产品与常规农产品在营养品质方面没有明显差异[5-7]。目前国内对有机与常规产品的品质也开展了一些研究[8-9],但稻麦轮作系统品质研究[10-14]较少。在有机稻麦轮作条件下,其营养品质与安全品质是否高于常规方式尚不清楚。

土壤中氮元素含量是决定作物产量和品质的关键因素。目前,国内外对有机与常规产品品质的报道更多基于2种操作模式下不同施氮水平条件下的结论,而对等氮条件下的研究较少。鉴于此,笔者通过调研方式,确定了太湖流域稻麦轮作系统的化肥施用量,在此基础上,根据氮素投入总量和有机肥氮含量换算得到有机肥施用量,研究等氮条件下有机和常规稻麦的品质差异。该试验的开展能够为有机与常规农产品的品质差异提供更全面的数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验田位于太湖流域雪堰镇(31°29′24＂N,120°05′05＂E),壤土质地,土壤颗粒较细。试验小区面积为30 m2,长6.0 m,宽5.0 m。自2012年开始进行基于等氮的稻麦轮作试验,试验年限达到4 a以后作物产量等各项指标已经趋于稳定,该试验的作物品质在一定程度上能够反映有机与常规产品的差异性。试验中供试作物水稻为9998-3,冬小麦为扬麦11号。

1.2 试验方法

1.2.1小区处理

试验处理包括:(1)空白处理:不施肥,不使用农药。(2)常规处理:使用化学(尿素、过磷酸钙、硫酸钾)肥料,在广泛调查的基础上,采用当地平均施肥量与施肥方式,稻季氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)施用量分别为298.8、39.3和74.7 kg·hm-2,麦季氮、磷、钾施用量分别为184.2、19.6和37.3 kg·hm-2,使用多菌灵、阿维菌素等化学农药防治病虫害。(3)有机处理：有机肥(田娘牌),其主要原料为猪粪与豆渣、玉米渣等天然原料经生物菌种高温发酵而成,施用量参照常规组等氮量施肥,稻季氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)施用量分别为298.8、196.4和88.9 kg·hm-2,麦季氮、磷、钾施用量分别为184.2、96.3和92.3 kg·hm-2;采用杀螟杆菌、苏云金杆菌、白僵菌等生物农药与物理措施防治病虫害。各试验小区之间设置隔离带,避免施药过程中对不同小区造成的影响。

1.2.2采样方法

2015年11月采集试验地块有机、常规与空白水稻样品,于2016年6月采集3种处理的小麦样品。田间每试验小区取5点,各点选3丛稻株(或小麦),脱粒后混匀、磨碎密封避光保存。对蛋白质、氨基酸、矿质元素、维生素、黄酮类化合物等进行营养品质检测,对Cr、Cu、Pb、Hg、As、Cd和Zn等重金属和硝酸盐进行安全品质检测。

1.2.3检测方法

各指标测定方法如下:蛋白质采用凯氏定氮法[15],清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白采用考马斯亮蓝法,水分采用烘干法,灰分采用灼烧法,硝酸盐采用IC离子色谱法[16],维生素采用HPLC高效液相色谱法,氨基酸采用HPLC高效液相色谱法,其中色氨酸采用紫外-可见光分光光度法[17],总黄铜采用紫外-可见光分光光度法[18],Ca、Fe、Na、Mg、Cr等金属元素采用ICP-OES电感耦合等离子光谱法,Pb、Hg、As、Cd、Cu等重金属元素采用ICP-MS电感耦合等离子质谱法[19]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0软件对所有数据进行统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)分析不同处理间水稻和小麦品质指标的差异。采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 营养品质

2.1.1蛋白质与氨基酸

有机、常规和空白3种处理稻麦籽粒中蛋白质含量如图1所示。有机水稻、小麦蛋白质含量均显著低于常规处理(P<0.05),常规水稻、小麦蛋白质含量分别为73.4和181.7 g·kg-1,而有机水稻、小麦蛋白质含量分别为67.2和112.1 g·kg-1。有机水稻、小麦谷蛋白含量也均显著低于常规、空白处理(P<0.05),常规水稻、小麦谷蛋白含量分别为60.2和104.4 g·kg-1,而有机水稻、小麦谷蛋白含量分别为50.9和58.3 g·kg-1。与此相反,有机稻麦的清蛋白含量均显著高于常规处理(P<0.05),有机水稻、小麦清蛋白含量分别为2.5和21.2 g·kg-1,而常规处理为2.1和19.9 g·kg-1。

同一幅图中同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

有机、常规和空白3种处理稻麦籽粒中必需氨基酸含量如图2所示。有机水稻中色氨酸含量显著高于常规(P<0.05)。然而,有机水稻中苏氨酸、缬氨酸、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸6种必需氨基酸含量显著低于常规水稻(P<0.05);有机小麦中缬氨酸、亮氨酸、赖氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸含量显著低于常规小麦(P<0.05)。

有机、常规和空白3种处理稻麦籽粒中非必需氨基酸含量如图3所示。无论是水稻还是小麦,除胱氨酸、天冬氨酸外,就其余8种非必需氨基酸而言,有机种植方式均显著低于常规种植方式(P<0.05)。

2.1.2矿物质、总黄酮等营养物质

稻麦籽粒中矿质元素、总黄酮和维生素等含量如表1所示。有机水稻中矿质元素(Fe)、总黄酮含量均显著高于常规水稻(P<0.05);有机小麦中矿质元素(Fe、Na、Mg)、总黄酮含量均显著高于常规小麦(P<0.05)。

同一幅图中同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

同一幅图中同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

表1不同处理稻麦籽粒中营养物质含量

Table1Comparisonofnutrientscontentinriceandwheatgrainswithdifferenttreatments

作物处理w(Fe)/(mg·kg-1)w(Ca)/(mg·kg-1)w(Na)/(mg·kg-1)w(Mg)/(mg·kg-1)w(P)/(g·kg-1)w(K)/(g·kg-1)w(总黄酮)/(g·kg-1)w(VB1)/(mg·kg-1) 水稻空白132.15±1.15a339.25±8.65a42.35±2.16a673.65±1.75a3.7±0.09a5.4±0.02a18.8±0.00b0.84±0.00b常规85.30±0.29c280.70±3.10b59.86±0.34a584.60±3.50b3.6±0.03a5.8±0.07a15.3±0.00c1.92±0.01a 有机101.91±3.99b223.85±19.75c37.42±0.32b611.05±27.65ab2.9±0.04b5.0±0.08a24.7±0.01a1.61±0.00a 小麦空白217.00±0.40b439.00±16.20b118.65±9.35c1 073.50±56.50b2.1±0.10b5.9±0.04a8.2±0.00c1.97±0.01b常规139.40±6.70c493.00±3.40a179.45±3.15b1 028.00±20.00b2.2±0.11b6.1±0.01a9.7±0.00b2.40±0.01a 有机271.50±0.30a432.60±0.40b213.30±2.20a1 163.00±23.00a3.3±0.03a6.3±0.06a15.1±0.00a2.50±0.01a

VB1为维生素B1。就同一种作物而言,同一列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2 安全品质

稻麦籽粒中重金属和硝酸盐含量如表2所示。有机水稻中Cr和As含量均显著低于常规水稻(P<0.05),有机水稻中Cr含量比常规和空白分别低42.41%和64.03%,有机水稻中As含量比常规低52.78%;有机小麦中Cu、Cd和Zn含量均显著低于常规小麦(P<0.05),分别低18.42%、50.00%和35.41%。有机水稻中硝酸盐含量显著低于常规处理(P<0.05)。

表2不同处理稻麦籽粒中重金属和硝酸盐含量

Table2Heavymetalandnitratecontentsinriceandwheatgrainswithdifferenttreatments

作物处理w/(mg·kg-1)CrCuPbHgAsCdZn硝酸盐 水稻空白8.23±0.17aND0.70±0.00aND0.21±0.00bND—35.00±4.00a 常规5.14±0.04bND0.59±0.01aND0.36±0.03aND17.80±0.34a32.50±2.50a 有机2.96±0.09cND0.58±0.09aND0.17±0.02bND17.60±0.62a24.50±3.50b 小麦空白0.91±0.05a5.85±0.22aNDNDND0.078±0.00b—7.00±0.50a 常规0.44±0.01b5.81±0.02aNDNDND0.090±0.00a53.06±0.27a13.50±2.50a 有机0.54±0.01b4.74±0.05bNDNDND0.045±0.00c34.27±0.31b12.60±2.50a

ND表示未检出; “—”表示未检测。就同一种作物而言,同一列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

3 讨论

有机稻麦中蛋白质总量均显著低于常规处理(P<0.05),这与席运官等[8]的研究结果一致;除胱氨酸、天冬氨酸、色氨酸、蛋氨酸以及小麦籽粒中苏氨酸外,无论是必需氨基酸还是非必需氨基酸,有机稻麦均显著低于常规稻麦(P<0.05)。有机稻麦蛋白质、氨基酸含量普遍低于常规品种,这可能主要是由于有机种植方式下施用有机肥,有机肥是缓释肥料,有机氮矿化速率较慢,相比较而言,化肥中氮素释放较快,根据C/N平衡理论,作物体内N元素相对于其他营养元素过量时,会激发作物合成更多N含量高的氨基酸、蛋白质[20],因此常规稻麦中蛋白质与氨基酸含量普遍高于有机稻麦。另外,有机水稻中色氨酸含量显著高于常规水稻,这可能是由于在等氮条件下有机水稻磷素施入量高于常规水稻,水稻吸收较高的磷之后,从而改变碳、氮化合物和脂肪代谢,提高色氨酸酸含量[21]。

有机水稻和小麦中矿质元素Fe含量均高于常规处理,有机水稻和小麦Fe含量分别比常规处理高19.5%和94.8%,有机水稻和小麦Mg含量也分别比常规处理高4.5%和13.1%。LAIRON[22]在有关矿物质的研究中发现,有机食品Fe含量比常规食品高21%,Mg含量比常规食品高29%。笔者研究结果与上述研究结果相一致。

有机水稻和小麦中抗氧化物质总黄酮含量显著高于常规和空白,较常规处理分别高61.4%和55.7%。有机产品总黄酮含量显著高于常规产品,部分学者认为,这是因为在没有化学农药施用的条件下,有机农场病虫害发生几率上升,从而激发农作物合成更多的抗性化学物质以提高自身抵抗病虫害的防御能力,促进酚类等防御化合物的形成[10-11]。但后续田间试验表明酚类等物质含量的提高与施肥显著相关,而与病虫害防治无关[9]。因此,在通常条件下,有机食品中N元素相比其他元素较少时,会减少因为蛋白质、氨基酸等N含量较高物质合成所消耗的碳水化合物,从而有利于次生代谢产物等碳水化学物质的生成[20]；作物可利用性N与酚类含量被认为是呈负相关的[11]。

笔者研究中,与常规种植方式相比,有机种植作物中重金属含量普遍要低,尤其是施用有机肥水稻籽粒中Cr、As含量比常规品种分别低42.41%和52.78%,而小麦中Cd、Cu含量分别比常规品种低50.00%和18.42%。一方面,有机肥通常为碱性,其施用可直接中和土壤表层部分质子,同时有机肥矿化过程中产生有机酸、腐殖质,可消耗土壤中质子氢,提高土壤pH,降低重金属活性;另一方面,腐熟程度较高的有机肥可以直接通过螯合作用钝化土壤重金属,且腐熟程度越高，效果越明显[23-25]。因此,有机肥的施用是降低有机稻麦中重金属含量的主要原因。农作物积累过量硝酸盐,会降低农产品质量,对人、畜健康都会造成潜在威胁[26]。从笔者的测定数据来看,有机水稻中硝酸盐含量与常规处理存在显著差异,前者比后者低24.6%。这可能是因为有机肥是缓释肥料,研究表明缓释氮肥具有降低蔬菜体内硝酸盐含量的作用[27],有机作物中硝酸盐含量普遍低于常规作物[28]。

4 结论与展望

与常规稻麦耕作方式相比,有机稻麦轮作方式能够有效提高产品中黄酮等抗氧化物质含量,同时降低蛋白质、重金属和硝酸盐等含量。

笔者研究结果是在有机与常规等氮投入下得出的,产品的营养和安全品质涉及的成分和元素多,若要探索有机与常规稻麦产品的品质,仍需开展更多的施肥(种类、数量及搭配)方式和长期定点定位试验进行年际差异比较,才能得出规律性的结果。

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