不同灌溉方式对南方优质食味晚籼稻产量及品质的影响

熊若愚，解嘉鑫，谭雪明，杨陶陶，潘晓华，曾勇军，石庆华，张俊，才硕，曾研华✉

1江西农业大学/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/双季稻现代化生产协同创新中心，南昌 330045；2中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081；3江西省灌溉试验中心站，南昌 330201

0 引言

【研究意义】随着人民生活水平的提高，以及农业供给侧结构性改革的推进，水稻生产由传统的高产目标向优质丰产协调转变。优质食味水稻生产，特别是稻米品质保优与丰产协同研究已成为当前亟待突破的研究课题。稻米品质受遗传和外界环境影响，其中水分管理是影响稻米品质形成的重要栽培措施。我国水资源短缺[1]，且存在着时间和空间分布上的不均匀特性[2-3]，如近年来南方稻区9—10月份晚稻灌浆结实期遭遇干旱连阴雨天气，严重阻碍水稻灌浆结实，影响稻米品质的形成；同时不合理的稻田水分灌溉方式也不利于稻米品质保优栽培。因此，开展稻田水分灌溉方式对优质食味稻产量及品质的影响研究具有重要的意义。【前人研究进展】水稻和小麦是我国最主要的粮食作物，且稻麦轮作种植方式约占中国水稻生产总面积的16%，不同水分灌溉方式下稻麦系统的研究较多[4-5]。国内外水稻水分灌溉管理方式主要包括间歇灌溉[6]、控制灌溉[7]、“浅、湿、晒”灌溉[8]及传统淹水灌溉[9]等。由于水稻是喜水植物，整个生育期都需要充足的水分，研究表明幼穂分化及抽穗期土壤水分胁迫会导致籽粒产量严重下降[9]，所以传统淹水灌溉一直以来都作为水稻常用的灌溉方式。但近年研究表明，持续淹水灌溉并不是一种水稻最优灌溉方式，持续淹水会抑制水稻根系呼吸和生长，导致根系过早衰老、叶片发黄等生长障碍，还会大量消耗水分，降低水分利用率[10-11]。间歇灌溉是水稻种植减少水资源投入的常用节水灌溉技术，目前正被很多国家采用[6]。研究表明，间歇灌溉与常规灌溉相比产量无显著差异但水分利用率显著提高[12]。LI等[13]研究认为，间歇灌溉能周期性改变土壤 pH和 Eh，提高籽粒灌浆过程中的酶活性，防止水稻在灌浆期迅速衰老，加速养分在籽粒中的再流动，从而提高产量，且具有改善生理活性的巨大潜力。吕银斐等[14]研究表明，间歇灌溉使产量提高，提升精米率和整精米率，降低稻米垩白，改善稻米品质。【本研究切入点】前人关于水分灌溉研究主要以粳稻品种为对象，且以稻麦系统为主，主要集中于水稻产量、水分利用率及光合特性等[15-17]方面，对稻米品质特别是关于南方优质食味晚籼稻品质保优栽培措施的研究报道较少。而南方双季稻区是我国籼稻主产区，近年来，南方晚籼稻品种优质化趋势明显，优质食味晚籼稻品种在生产中推广面积较大，其中泰优 871品种是江西省主推的一个优质食味籼稻品种，具有较好的生产效益。以往关于优质食味晚籼稻的品质保优研究主要以氮肥管理[18]、直播方式[19]、倒伏[20]等方面居多。【拟解决的关键问题】本研究以江西省主推优质食味晚籼稻品种泰优871和普通食味籼稻品种荣优华占为试验材料，通过2年田间试验系统比较分析不同灌溉方式下优质食味晚籼稻产量、水分利用率及稻米品质的形成特征，以期为南方稻区优质食味晚籼稻品质保优栽培和稻田水分高效利用节水技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及试供材料

试验于 2018—2019年在江西农业大学人才培养产学研合作上高创新基地进行（上高县泗溪镇曾家村，115°09′E、28°23′N），试验土壤基础理化性质为 pH 5.32、有机质 33.4 g·kg-1、全氮 1.52 g·kg-1、碱解氮176.5 mg·kg-1、速效磷 15.3 mg·kg-1、速效钾 68.2 mg·kg-1。供试品种为江西省主推优质食味晚籼稻品种泰优 871（杂交晚籼稻，泰丰 A×昌恢 871）和普通食味籼稻对照品种荣优华占（杂交晚籼稻，荣丰A×华占），分别由江西现代种业有限公司和江西先农种业有限公司提供。水稻生育期内田间小气候温度与降雨量变化如图1所示，其中2018年水稻本田期（移栽至收获）降雨量为3 490 mm，平均气温25.1℃；2019年本田期降雨量为532 mm，平均气温26.4℃。

1.2 试验设计

本研究为大田试验，采用裂区设计，灌溉方式为主区，品种为副区。设置3种灌溉方式，分别为（1）常规灌溉（CK），除中期搁田外（当群体茎蘖数达到预期穗数的80%开始搁田），全生育期保持2—3 cm淹水层，收获前1周断水；（2）持续淹水灌溉（CFI），水稻移栽后田面一直保持2—5 cm水层，分蘖末期不晒田，土壤水势0 MPa，收获前1周自然落干；（3）间歇灌溉（AWD），在移栽后的返青期内田间保持0—4 cm浅水层，之后进行干湿交替灌溉，监测土壤水势（采用 TEN-100土壤张力计测定，浙江托普仪器有限公司）；当田间由浅水层自然落干至土壤水势为-15 kPa时，然后灌水1—2 cm；在分蘖末期晒田，再自然落干至土壤水势为-15 kPa，再上浅层水，如此循环，直至成熟。各处理小区面积为25 m2（5 m×5 m），重复3次，随机区组排列。各小区间连有塑料管道用于水分灌溉，各出水口装有水表，用于计算各小区实际灌水量。小区间作埂（宽40 cm、高30 cm），并包塑料薄膜将各小区隔开。不同灌溉方式下的土壤水势变化如图2所示，2018与2019年移栽后间歇灌溉次数分别为12、13次，常规灌溉次数为17、19次，持续淹水灌溉次数为19、22次，间歇灌溉土壤水势达到-15 kPa的时间约为7—9 d。

2018年6月20日播种，7月18日移栽，11月2日成熟，其中常规灌溉处理8月6日开始搁田（群体茎蘖数达预期穗数80%），8月21日结束搁田；2019年6月22日播种，7月20日移栽，11月1日成熟，常规灌溉处理8月7日开始搁田，8月22日结束搁田。播种量 30 kg·hm-2，育秧采用基质育秧，采用人工模拟机插方式移栽，行株距25 cm×14 cm。晚稻施用纯氮（N）为 165 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1，磷肥在移栽前作基肥一次施用，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶2∶4 施用，钾肥按基肥∶分蘖肥=5∶5施用。其余栽培措施均按照当地高产栽培要求实施。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 水分利用率 全生育期记录总灌溉量（irrigation amount，IA）、自然降水量（natural rainfall，NR）及总用水量（total water amount，TWA=IA+NR）。测定实际产量（Yield）后计算灌溉水分利用率（irrigation water use efficiency，IWUE=Yield/IA）、总水分利用率（total water use efficiency，TWUE= Yield/TWA）。

1.3.2 产量及其构成因素 于成熟期每小区取 150穴用于测定实际产量，选取100穴调查有效穗数，计算平均有效穗数后取5穴进行考种。

1.3.3 稻米品质 糙米率、精米率、整精米率、垩白率、垩白度、直链淀粉含量的测定方法参照中国人民共和国国家标准GB/T 17891-2017 《优质稻谷》。蛋白质含量的测定采用凯氏定氮法，测定精米米粉中的含氮量，再乘以换算系数5.95。

1.3.4 稻米 RVA谱特征值 米粉黏度采用快速黏度分析仪（Rapid Viscosity-Analyzer Super 3，澳大利亚Newport Scientific仪器公司）测定，用TCW（Thermal Cycle for Windows）配套软件自动读取RVA特征值，测定指标包括峰值黏度（peak viscosity，PV）、热浆黏度（trough viscosity，TV）、最终黏度（final viscosity，FV）、崩解值（breakdown，BD=PV-TV）、消减值（setback，SB=FV-PV）和糊化温度（pasting temperature，PT）。

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 22.0软件进行处理和统计分析，表中数据为平均值±标准差，用Sigmaplot 14.0软件进行绘图。

2 结果

2.1 不同灌溉方式下水分利用率的变化

不同灌溉方式间供试晚籼稻品种水分利用率存在明显差异（表 1）。年份间灌水量、总用水量、总水分利用率差异极显著；不同灌溉方式对灌水量、总用水量、灌溉水分利用率及总水分利用率的影响达极显著水平；同时，年份与灌溉方式互作对总水分利用率有极显著影响。不同灌溉方式下稻田灌水量、总用水量2年均表现为持续淹水灌溉（CFI）＞常规灌溉（CK）＞间歇灌溉（AWD），且差异显著。除2019年荣优华占在CFI处理下总水分利用率较 CK无显著差异外，各处理灌溉水分利用率和总水分利用率呈相反趋势，年份与品种间趋势较为一致，总体差异显著。与CK和CFI处理相比，AWD处理在 2018年灌溉水分利用率和总水分利用率增幅分别为36.8%—100%、18.2%—62.5%，2019年则增幅分别为47.4%—100%、41.2%—91.7%，且CFI处理总体与 CK差异达显著水平。说明间歇灌溉显著降低了稻田灌水量和总用水量，但提高了灌溉水分利用率和总水分利用率，符合大田条件下水分灌溉试验预期处理。

表1 不同灌溉方式下优质食味晚籼稻品种水分利用率变化Table 1 Changes on water use efficiency under different irrigation managements in high quality eating late-season indica rice

2.2 不同灌溉方式下产量及产量构成的变化

不同灌溉方式对产量及产量构成具有显著或极显著影响，年份对供试品种产量构成因子具有极显著影响（结实率除外），而品种间产量及产量构成也达极显著水平（千粒重除外）（表 2）。年份与品种对产量构成因子（千粒重除外）有显著或极显著的互作效应，年份与灌溉方式仅对每穗粒数及千粒重有极显著的互作效应，而品种与灌溉方式互作对每穗粒数影响显著，且年份、品种与灌溉方式对每穗粒数也具有显著的互作效应。

表2 不同灌溉方式下优质食味晚籼稻品种产量及产量构成Table 2 Yield and its components under different irrigation managements in high quality eating late-season indica rice

不同灌溉方式下，与CK相比，CFI与AWD处理有增加2个供试品种产量的趋势，但差异不显著，仅2018年AWD处理显著增加普通食味籼稻荣优华占品种的产量，增幅达8.0%。而不同灌溉方式下供试晚籼稻品种产量构成存在显著差异。从产量构成因子来看，2个水稻品种AWD处理较CK与CFI处理降低有效穗数，总体差异显著。普通食味籼稻荣优华占的每穗粒数各处理趋势因年度而异，2018年 CK显著低于CFI、AWD处理，2019年各处理差异不显著；而优质食味籼稻泰优871品种每穗粒数2年均以CFI处理显著高于CK、AWD处理，后两者差异不显著。各品种结实率总体表现为 CFI处理低于 CK、AWD处理，AWD处理则相对最高，且CFI处理显著低于AWD处理（荣优华占2019年除外）。2个品种不同灌溉处理千粒重总体差异不明显（仅荣优华占 2018年CFI处理显著低于CK）。说明不同食味类型品种的产量构成因子变化趋势受到灌溉方式的影响要高于品种。

2.3 不同灌溉方式下稻米加工品质的变化

品种及不同灌溉方式下稻米加工品质（糙米率、精米率与整精米率）具有极显著差异，整精米率在不同年份间呈极显著差异，年份与品种互作对糙米率和精米率具有极显著影响，年份与灌溉方式互作对糙米率显著影响，对整精米率具有显著或极显著影响，品种与灌溉方式互作对精米率和整精米率具有显著影响，而年份、品种及灌溉管理互作对整精米率影响显著（表3）。

表3 不同灌溉方式下优质食味晚籼稻品种加工品质变化Table 3 Changes on grain processing quality under different irrigation managements in high quality eating late-season indica rice

不同处理下糙米率变化品种间存在一定差异，2年供试水稻品种AWD处理相对较高，其中2018年普通食味籼稻荣优华占与2019年优质食味籼稻泰优871的AWD处理与CFI处理差异显著。各品种精米率不同处理2年均表现为AWD处理要相对高于CK、CFI处理，其中2019年AWD处理与CFI处理差异达显著水平。从整精米来看，2个品种各处理及年度间变化趋势不一，荣优华占整精米率总体表现为AWD处理相对较高，其中2019年与CFI处理差异显著；泰优871 2018年CK显著高于CFI、AWD处理，2019年各处理差异不显著，但CFI处理也相对较低。总体来说，AWD处理可提高稻米的糙米率与精米率，CFI处理则相对较差。

2.4 不同灌溉方式下稻米外观品质的变化

不同年份、品种及灌溉方式下稻米外观品质呈极显著差异，且品种与灌溉方式互作对外观品质具有极显著影响（表 4）。不同灌溉方式对供试水稻品种的外观品质影响存在显著差异，从2年结果来看，无论是优质食味籼稻品种泰优871，还是普通食味籼稻品种荣优华占，相比CK和AWD处理，CFI处理均要降低稻米的垩白率与垩白度，总体差异达显著水平，而AWD处理与CK差异不明显（2019年荣优华占垩白率除外）（表4）。说明CFI可改善稻米的外观品质，而AWD对于稻米外观品质没有明显的改善作用。

2.5 不同灌溉方式下稻米蒸煮食味及营养品质的变化

品种、灌溉方式对食味及营养品质具有极显著影响，年份对食味品质（直链淀粉和胶稠度）具有极显著影响，年份与灌溉方式互作对直链淀粉含量、胶稠度具有显著或极显著影响，而年份、品种及灌溉方式互作对胶稠度具有极显著影响（表5）。

不同灌溉方式下各品种直链淀粉含量年度间存在差异（表5），2018年供试水稻品种各处理间差异不显著，2019年CFI处理要显著低于AWD处理与CK；而2年稻米胶稠度均表现为CFI处理显著低于AWD处理、CK，AWD处理相对高于 CK，其中 2018年AWD处理与CK差异显著。从稻米蛋白质含量来看，与CFI处理相比，CK与AWD处理2年均可显著降低供试品种蛋白质含量，其中普通食味籼稻品种荣优华占降幅11.1%—15.3%、优质食味籼稻泰优871降幅10.3%—19.2%，且2019年泰优871品种AWD处理显著低于CK。说明AWD处理有利于降低稻米蛋白质含量，增加稻米的食味口感。此外，从不同灌溉方式对供试品种蒸煮食味及营养品质的影响程度来看，优质食味籼稻品种直链淀粉与营养品质受灌溉方式的影响效应要高于普通食味籼稻品种。

表5 不同灌溉方式下优质食味晚籼稻品种蒸煮食味及营养品质变化Table 5 Changes on grain eating and nutritional quality under different irrigation managements in high quality eating late-season indica rice

2.6 不同灌溉方式下稻米RVA谱特征值的变化

年份、品种及水分灌溉方式对RVA特征值（糊化温度除外）具有极显著影响；年份与品种互作对RVA特征值（回复值除外）具有显著或极显著影响；年份与水分灌溉方式互作对峰值黏度、热浆黏度、崩解值及消减值有极显著影响；品种与水分灌溉方式仅对崩解值和消减值有显著或极显著影响；年份、品种和水分灌溉方式互作对峰值黏度及崩解值有极显著影响（表6）。

表6 不同灌溉方式下优质食味晚籼稻品种稻米RVA谱特征值Table 6 Rice starch RVA under different irrigation managements in high quality eating late-season indica rice

不同灌溉方式下，与CFI处理相比，CK、AWD处理有增加稻米淀粉峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值的趋势，且消减值显著降低。其中，荣优华占的2年各指标与CFI处理差异显著（2018年热浆黏度除外），而CK与AWD处理间峰值黏度、热浆黏度、最终黏度及崩解值差异不显著（除2019年热浆黏度AWD处理显著高于CK），AWD处理消减值显著低于CK；优质食味籼稻品种泰优871也具有类似趋势，其中崩解值、2019年峰值黏度与热浆黏度各处理差异均显著，AWD处理要显著高于CK。此外，2个品种2018年AWD处理具有较低的糊化温度，而 CFI处理最高，其中荣优华占糊化温度CK 显著低于CFI处理，泰优871品种AWD处理较CK和CFI处理则显著降低，而2019年各处理无显著差异。以上结果说明，CFI处理不利于稻米食味品质的改善。

3 讨论

3.1 不同灌溉方式对优质食味晚籼稻水分利用及产量的影响

研究表明，间歇灌溉处理下灌溉次数减少，用水量大幅度降低，但水分利用率显著增加[7,9]。本研究结果与之较为一致，间歇灌溉显著降低了稻田灌溉总用水量，提高了灌溉水分利用率和总水分利用率，且年份与灌溉方式互作对总水分利用率具有极显著的影响，说明供试品种对水分利用的能力还受到年际间变化的影响。

前人关于水分灌溉方式对水稻产量的影响研究结论不一。BELDER等[21]研究表明，间歇灌溉与持续淹水灌溉相比，植株生物量和产量无显著差异，饱和或高于土壤所需水分条件下并不影响水稻产量及产量构成因素。JONG等[22]研究认为，间歇灌溉与常规灌溉相比，产量并无显著差异。本研究结果与之较为一致，灌溉方式对不同食味类型水稻产量也没有显著影响，仅在 2018年普通食味籼稻品种荣优华占产量间歇灌溉处理下显著高于常规灌溉。而JUN等[23]研究指出间歇灌溉显著降低水稻产量，产量差异的主要原因在于水分亏缺的时期和持续时间，当水稻在发育期和开花期受到胁迫时，产量显著下降，每穗粒数减少。说明水稻产量变化受到灌溉方式的影响可能与地域[24]、气候条件[25]、灌溉处理措施[14]有关。研究表明水分胁迫过重会影响植株有效穗数及每穗颖花数，但间歇灌溉有利于增加每穗颖花数和结实率[26-27]。而长期持续灌溉下土壤透气性较差，造成水稻营养生长和生殖生长不协调[28]，光合速率降低[29]，影响籽粒灌浆[30]。本研究 2个品种间歇灌溉处理尽管降低了有效穗数，但每穗粒数较常规灌溉有所提高，且结实率较持续淹水灌溉增加明显，这与前人研究结果较为一致。说明稻田采用间歇灌溉方式在节水基础上，仍有利于水稻形成较好的产量群体。另外，本研究年份、品种与灌溉方式对产量构成因子具有显著或极显著的互作效应，且各处理产量构成因子间互有高低，并没有呈现明显的变化规律，说明优质食味晚籼稻产量形成不仅仅与灌溉方式有关，同时也受到年度间与品种类型的影响。

3.2 不同灌溉方式对优质食味晚籼稻稻米品质的影响

前人研究表明土壤水分亏缺和重度干湿交替灌溉明显降低稻米糙米率、精米率及整精米率，而轻度土壤落干及轻干湿交替灌溉可以改善稻米加工品质[31-32]。本研究也得出类似的结果，间歇灌溉下稻米糙米率、精米率相对持续淹水灌溉有所增加，且年份与灌溉方式互作对糙米率、整精米率具有显著或极显著影响，说明间歇灌溉在不同气象年份间仍有利于籽粒充实，从而改善稻米加工品质[33]，但年份间气候影响较大。研究表明，常规灌溉供水量的70%进行灌溉处理能降低垩白粒率，改善稻米外观品质[34-35]。垩白降低的原因在于轻干湿交替灌溉增加了水稻籽粒蔗糖合成酶、ADP葡萄糖焦磷酸酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶的活性，其活性的高低与库强及灌浆速率有密切联系[36]；同时轻干湿交替灌溉通过显著促进茎秆中的物质向籽粒转运[37]，从而提高并改善稻米外观品质。但GRAHAM等[38]研究表明，间歇灌溉处理下稻米垩白度显著高于持续灌溉。供给水稻生长的大部分水分用于蒸发，蒸腾作用使水稻冠层内的温度降低[39]。在田间条件下，阻碍蒸腾作用降低冠层温度将导致水稻稻米垩白度增加[40]。本试验中，间歇灌溉与常规灌溉间稻米外观品质差异并不显著，但持续淹水灌溉却显著降低了稻米垩白率及垩白度，可能是因为间歇灌溉的落干期增加了稻田水分蒸发，且灌浆期水稻冠层温度相对较高，不利于籽粒灌浆形成，而持续淹水灌溉稻田具有充足的水分供籽粒正常灌浆，使得稻米籽粒淀粉有序排布[38,41]。此外，品种与灌溉方式间外观品质也存在极显著的互作效应，说明水稻品种类型（不同直链淀粉含量）也可能是外观品质对水分灌溉方式响应不同的原因[38]。

稻米食味品质是影响消费者口感评价优劣的关键指标。王秋菊等[37]研究认为间歇灌溉能降低直链淀粉和蛋白质含量，从而提高稻米食味品质。但不同灌溉方式下直链淀粉含量差异并不显著[30]。本研究表明，2018年供试品种各处理间直链淀粉含量差异不显著，而2019年间歇灌溉显著高于持续淹水灌溉，可能原因在于2018年年降雨量较多，导致水分灌溉处理间的差异较2019年小（图1）。结合态淀粉合成酶作为直链淀粉合成的关键酶，间歇灌溉有利于增加其活性，提升Wx基因的转录水平，从而导致间歇灌溉下直链淀粉含量增加[42]。刘立军等[43]研究表明，间歇灌溉增加了稻米的胶稠度，改善了稻米的蒸煮食味品质。本研究与之一致，间歇灌溉较持续淹水灌溉处理胶稠度显著增加。

蛋白质含量作为稻米营养品质指标对稻米食味有显著影响。研究表明蛋白质含量与稻米食味品质呈现显著负相关[37]。持续淹水和水分亏缺都会导致蛋白质含量增加[44]。本研究也得出类似的结果，说明持续淹水灌溉有增加稻米食味变差的趋势，而间歇灌溉则有利于改善稻米食味口感。稻米淀粉 RVA谱特征值是指一定的米粉在加热、高温和冷却过程中，米粉的黏滞特性发生一系列变化所形成的黏度谱，它是淀粉热物理特性的反映，是评价稻米蒸煮食味品质优劣的一项重要指标。LIM等[45]研究表明峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和崩解值与稻米食味呈显著正相关，消减值与稻米食味呈负相关。本研究表明间歇灌溉提升了峰值黏度及崩解值，且降低了消减值，使得稻米食味有提升趋势。而持续淹水灌溉糊化黏度降低的原因可能是持续淹水导致支链淀粉长链、结晶度增加，抑制了淀粉的膨胀[46]。另外，同一品种下 2019年各处理糊化特性均高于2018年，原因可能在于2018年花后降雨量相对较高（图 1），不利于稻米淀粉糊化黏度特性。此外，本研究灌溉方式对优质食味籼稻品种直链淀粉、营养品质与稻米 RVA谱特征值的影响程度要高于普通食味籼稻品种，说明优质食味籼稻品种的食味特性对水分灌溉方式相对较敏感，启示我们在生产中注意采用合理的灌溉措施，以达到优质食味籼稻的品质保优目的。

4 结论

本研究表明，间歇灌溉有效提升稻田水分利用率，通过增加结实率保证了优质食味晚籼稻的产量，而通过稳定每穗粒数与结实率维持普通食味晚籼稻的产量。间歇灌溉总体改善了稻米加工品质，但间歇灌溉与常规灌溉间稻米外观品质差异并不显著，而持续淹水灌溉处理则显著降低了稻米的垩白率和垩白度，有利于外观品质的改善。间歇灌溉处理下直链淀粉含量、胶稠度、峰值黏度及崩解值增加，且蛋白质含量及消减值降低，有利于改善稻米蒸煮食味的适口性。灌溉方式对优质食味籼稻品种直链淀粉、营养品质与稻米RVA谱特征值的影响效应要高于普通食味籼稻品种。