硅氮配施对寒地水稻产量品质及抗倒性的影响

赵海成,李红宇∗,陈立强,赫 臣,郑桂萍,韩 笑,何文翠,周云峰

(1黑龙江八一农垦大学农学院∕黑龙江省教育厅寒地作物遗传育种与栽培重点实验室,大庆163319;2黑龙江省绥滨农场,鹤岗156203;3黑龙江省大庆市星火牧场,大庆163319)

随着经济的迅速发展和消费者生活水平的提高,人们对稻米品质的要求越来越高。利用先进的栽培技术是改良稻米品质的主要途径之一。氮和硅是水稻正常生长必须的两大重要元素[1-2]。关于氮肥施用量和施肥模式与水稻产量、品质和抗性的关系已有大量研究[3-6]。适宜的氮肥施用量和施肥时期对构建高产群体、改善稻米品质具有积极作用,而过量施氮使土壤中硅氮比例严重失调[7],水稻群体质量恶化,倒伏风险和病害发病率增加,对稻米品质多呈负面影响[8-9]。且随着氮肥施用量的增加,肥料利用率却在降低。

硅能促进土壤中的锰、铜、铁、锌等微量元素离子移动,有效防止缺素症的产生,对水稻具有缓解重金属毒害,增强水稻抗旱性、抗病虫性等作用。硅的沉积可以增加细胞壁强度,提高水稻抗倒性[10]。施用硅肥能显著改善稻米品质,主要表现为稻米的糙米率、精米率和整精米率显著提高,稻米的垩白粒率和垩白度显著降低[11-12],日本、韩国已把硅列为水稻增产的四大元素之一[13]。我国大部分稻田仅靠土壤硅的自然风化已难以满足水稻高产的需要,北方约有40%的稻田缺硅,南方有高达50%的稻田缺硅。因此,施用硅肥对我国水稻优质高产抗逆抗倒等具有重要的作用。

近年来,大量施用氮肥所引起的养分利用效率下降以及生产成本提高和水土污染等问题日益突出,土壤硅素供应不平衡问题日趋凸显,本试验研究不同施氮水平下硅对水稻的产量品质及抗倒性效应的影响,阐明其对水稻增产和增质的作用及其原因,以期为寒地水稻高产、优质、安全使用硅氮配施技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2016年在大庆市黑龙江八一农垦大学寒地作物遗传育种与栽培重点实验室实验盆钵场(东经 124°26′—125°15′、北纬 45°30′—47°11′)进行。 该区属东北半湿润-半干旱草原-草甸盐渍区,年日照时数2 726 h,无霜期166 d,夏季平均气温23.2℃,农作物生长发育期气温日差达10℃以上,年降水量427.5 mm,年蒸发量1 635 mm。参试品种：‘垦粳5号’,主茎12片叶,株高87 cm左右,全生育期135 d,需≥10℃活动积温2 450℃左右。供试土壤为白浆土,土壤养分含量如表1所示。

表1 土壤养分含量Table 1 Soil nutrient content

1.2 试验设计

试验采用盆栽,每盆装土12 kg,盆钵高30 cm,上直径30 cm,下直径25 cm,体积0.017 m3。共设6个处理,每个处理3次重复,每个处理种植12盆,每盆3穴,每穴4苗。试验采用二因素完全随机设计(表2)：A因素为硅肥,2水平,以A1和A2表示,A1=0 kg∕hm2,A2=15 kg∕hm2;B因素为氮肥,3水平,B1=96 kg∕hm2(减少氮肥20%)、B2=120 kg∕hm2(常规施肥)、B3=144 kg∕hm2(增加氮肥 20%)。 参试肥料使用46%尿素,43%重过磷酸钙,50%硫酸钾和佳木斯三兴农业技术服务有限公司生产的“神归”硅肥(SiO2≥8%)。 氮肥按照基∶蘖∶调∶穗 =4∶3∶1∶2分配,磷肥100%基施,钾肥按照基∶穗 =6∶4分配。 4 月17日播种,5月25日插秧,其他管理同常规生产。

表2 不同处理施肥量和分配时期Table 2 Fertilization amount and distribution period of different treatmentskg·hm-2

1.3 测定项目及方法

齐穗后20 d,每处理取10个主茎测定各节间长度、茎秆直径(茎秆长径和短径的平均值)、茎秆壁厚、茎秆重心高度、地上部单茎鲜重和抗折力。测定方法参考李金才等[12]的方法,略有改进。茎秆抗折力：取倒1节间、倒2节间和倒3节间,剥除叶鞘,两端置于高50 cm、间隔5 cm的支撑木架凹槽内,在其中部挂一容器,向容器内匀速加细沙,使茎秆折断所用的细沙加上容器自身的质量即为茎秆抗折力(g)。地上部单茎鲜重：包括穗、叶和鞘的质量。茎秆重心高度：测量茎秆基部至该茎(带穗、叶和鞘)平衡支点的距离(cm)。抗倒伏指数：抗倒伏指数=抗折力∕(重心高度×地上部鲜重)。

成熟期收获前按平均茎数取中等植株6株,于通风阴凉处风干。称量穗重和草重,考察穗数、穗粒数、结实率、千粒重、一二次枝梗数、一二次枝梗的粒数、一二次枝梗结实率和一二次枝梗的千粒重,计算经济系数。剩余植株脱粒,室内保存3个月左右用于品质分析。

各样品统一用风选机等风量风选;碾米品质测定依照《GB∕T 17891—1999优质稻谷》执行。垩白粒率和垩白度使用大米外观品质判别仪(日本静冈制机株式会社ES-1000)测定。参照徐正进等[4]的测定方法,用近红外透过式PS-500食味分析仪(日本静冈机械制造有限公司)测定精米的直链淀粉、蛋白质含量和食味值。

1.4 数据分析

采用Excel 2003进行数据整理,用DPS 7.05进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对产量及其构成因素的影响

结果表明(表3),产量及其构成因素的硅肥和氮肥二因素互作均不显著。施硅处理穗数显著高于未施硅处理,但绝对数值相差较小,其他产量构成因素与未施硅处理无显著差异,施硅处理产量高于未施硅处理5.14%,但未达到显著水平。随着施氮量增加穗数、穗粒数和产量呈增加趋势,千粒重与结实率有所下降,B1与B2穗数差异不显著,二者极显著低于B3;B2和B3穗粒差异不显著,二者显著高于B1;不同施氮水平间产量差异显著或极显著。不同施氮水平间结实率和千粒重无显著差异。

表3 不同处理产量及其产量构成因素的比较Table 3 Comparison of yield and its components under different treatment

2.2 不同施肥处理对穗部性状的影响

从穗部性状分析,硅氮二因素互作不显著。硅肥的施用对穗部性状无显著影响。B1处理穗重、穗长、着粒密度和二次枝梗数显著或极显著低于B2和B3处理,其他性状B2和B3处理无显著差异;B2和B3处理各穗部性状间差异不显著(表4)。

2.3 不同施肥处理对稻米主要品质指标的影响

结果表明(表5),施硅处理糙米率、精米率和整精米率极显著增加,加工品质改善,垩白粒率和垩白度极显著增加,外观品质变劣;蛋白质含量极显著提高,但绝对数值差异较小,直链淀粉含量差异不显著,食味评分显著降低。B2和B3处理各品质指标差异不显著;B1处理加工品质的精米率和整精米率显著或极显著低于B2和B3处理;B1处理外观品质的垩白粒率和垩白度极显著低于其他处理;营养食味品质的蛋白质含量极显著低于其他处理,直链淀粉含量差异不显著,食味评分极显著高于其他处理。加工及营养食味品质各指标硅氮二因素互作不显著,垩白粒率和垩白度硅氮二因素互作显著。A1与A2在B1(减氮20%)条件下,均以A1水平下垩白粒率和垩白度最低,在常规施氮(B2)基础上,减氮20%会降低外观品质(图1)。

表4 不同处理穗部性状的比较Table 4 Comparison of panicle characters under different treatments

表5 不同处理稻米主要品质指标的比较Table 5 Comparison of main quality indexes of different treatments

注：∗与∗∗分别表示显著性差异水平达到P＜0.05和P＜0.01,下同

图1 硅氮互作垩白粒率和垩白度比较Fig.1 Comparison of the rate of chalky grains and the amount of chalkiness under controlled co-application of silicon and nitrogen

2.4 不同施肥处理对干物质生产特性的影响

结果表明(表6),各指标硅氮二因素互作均不显著。施硅处理各指标略高于未施硅处理,但差异均不显著。氮肥因素方面,经济系数随着施氮量的增加呈现下降的趋势。B1处理茎鞘重、生物产量和经济系数显著或极显著高于B2和B3,不同施氮量下穗重无显著差异。

表6 不同处理物质生产特性的比较Table 6 Comparison of material production characteristics under different treatments

2.5 不同施肥处理对水稻抗倒性的影响

结果表明(表7),各节间长度、茎秆直径和壁厚硅氮二因素互作均不显著。硅肥因素施硅处理倒1节间茎秆壁厚显著低于未施硅处理,倒2、倒3和倒4节间茎秆壁厚高于未施硅处理,其中倒2和倒4节间达到显著或极显著水平。氮肥因素倒2、倒3和倒4节间茎秆壁厚随施氮量增加呈下降趋势,其中减氮20%处理茎秆壁厚与常规施肥差异不显著,显著高于增施氮肥20%处理。各节间长度和茎秆直径处理间不显著。

表7 不同处理的株高、茎秆节间长度、直径和茎壁厚度Table 7 Stem internode length、diameter and stem wall thickness under different treatments

结果表明(表8),施硅处理倒1、倒2和倒3节间茎秆抗折力高于未施硅处理,其中倒1节间和倒2节间达到显著水平。各节间抗折力随施氮量增加呈下降趋势,其中增氮20%处理倒1节间和倒2节间抗折力显著低于减氮20%处理,与常规施氮差异不显著,倒3节间减氮20%处理抗折力显著高于常规施氮和增氮20%处理,后二者差异不显著,倒1节间在氮硅二因素互作间达到了极显著水平。施硅处理抗倒伏指数高于未施硅处理18.4%,但差异未达到显著水平;抗倒伏指数随施氮量增加呈下降趋势,其中减氮20%处理显著高于常规施氮和增氮20%处理,后二者差异不显著。

表8 不同处理茎秆抗折力和抗倒伏指数的比较Table 8 Comparison of stem bending strength and lodging resistance index under different treatments

各节间抗折力和抗倒伏指数硅氮二因素互作显著或极显著。减氮20%和常规施氮条件下,施硅对各节间抗折力和抗倒伏指数无显著差异;增氮20%条件下,施硅处理各节间抗折力和抗倒伏指数显著或极显著高于未施硅处理,分别高63.3%、114.5%、70.6%和76.1%。各节间的抗折力从基部第1节间到第3节间逐渐增加,说明节间长度与茎秆的机械强度关系密切,特别是基部第3节间的长短对茎秆的机械强度影响很大(表9)。

表9 硅氮互作茎秆抗折力和抗倒伏指数的比较Table 9 Comparison of stem bending strength and lodging resistance index under the silicon-nitrogen interaction

3 结论与讨论

本研究表明,硅氮配施可以有效提高水稻产量、改善品质,提高抗倒性。施硅处理产量高于未施硅处理5.14%。施硅能够极显著改善加工品质,减氮(减氮20%)利于改善外观品质,蛋白质含量最低为8.30%,食味值提高。施用硅肥可增加基部节间的硅化程度和壁厚,从而增加茎秆抗折力。在增氮20%条件下,施硅处理各节间抗折力和抗倒伏指数显著或极显著高于未施硅处理,分别高63.3%、114.5%、70.6%和76.1%,表明在增氮20%条件下,配施硅肥可以避免因过量施氮而增加的倒伏风险,进而提高水稻产量及抗倒伏性。在增氮20%和施硅条件下,水稻产量分别为39.46 g∕穴、35.18 g∕穴;在减氮20%和不施硅肥条件下,稻米品质食味值分别为76.98分、74.72分。水稻施硅时,不仅考虑土壤有效硅含量的高低,还要考虑施氮量和土壤供氮能力,以硅、氮单因素最优施用量的组合即是硅氮配施的最优配比。

一般认为水稻穗数和穗粒数随施氮量的增加而增加,结实率和千粒重则相反,而产量与氮肥呈二次曲线关系。当土壤有效硅含量较低时,产量与硅肥正相关,尤其是低至中硅水平增产效果更为明显,硅用量过高或过低产量均降低[15-16],但不同类型水稻品种在不同硅肥施用量下的产量效应有差异。多数研究认为穗数、成穗率、千粒重和穗粒数增加是产量增加的主要原因[17-18],部分研究认为结实率也有所影响[19]。水稻茎倒伏多发生在茎秆基部第1—3节间[20-21]。随着施氮量的增加,植株高度增加,重心上移,基部节间伸长,节间充实度下降,抗折力和弹性模量减小,茎秆倒伏指数增加,抗倒伏能力下降[22-23],而施用硅肥可增加基部节间的硅化程度和壁厚,同时硅也可以通过提高水稻叶片的直立度来减少水稻群体密植带来的相互遮阴,提高光能利用率,防止倒伏,茎秆抗折力增加[24-25]。可见,硅、氮以及硅氮配施的报道较多,但硅氮二因素各指标的具体互作情况缺少明确的分析描述。本研究表明,施硅能增加倒2、倒3和倒4节间茎秆壁厚,茎秆壁厚随施氮量增加呈下降趋势,硅肥与氮肥在各节间抗折力及抗倒伏指数间存在互作效应,因此,氮肥与硅肥配合施用是提高抗折力与肥效的重要手段。

稻米品质是以稻米物质的生理生化为基础,在遗传特性和环境因素的作用下通过籽粒灌浆进行复杂有序的代谢过程而形成的。因此,一般影响水稻植株生长发育的栽培环境因素都会影响稻米品质,其影响程度依各因素变化而不同。前人对硅肥与稻米加工品质和外观品质的研究结果较为一致,认为增施硅肥可以改善稻米加工品质、降低垩白度和垩白粒率[26-27],施氮量对稻米蒸煮食味品质的影响为随着施氮量的增加而下降。硅肥与直链淀粉和蛋白质含量关系有三种观点：(1)施硅可增加稻米直链淀粉含量和蛋白质含量[28-29];(2)施硅会降低稻米质量淀粉和蛋白质含量[30-31];(3)一定范围内,稻米蛋白质含量随着施硅量增加而增加,而直链淀粉下降,当施硅量大于某临界值时,直链淀粉含量和蛋白质含量没有明显变化。施硅使稻米整精米率显著提高,垩白面积和直链淀粉含量显著降低,而对稻米糙米率、垩白粒率、垩白度,多数研究认为施硅对稻米食味无明显影响[32]。本研究结果表明,减氮利于改善外观品质,蛋白质含量最低为8.30%,食味值提高。施硅能够极显著改善稻米加工品质,这与商全玉等[11]研究结果一致。垩白粒率和垩白度极显著增加,食味评分显著下降,与徐红生[33]研究相矛盾,这可能与土壤硅含量和参试品种基因型有关,有待进一步研究。