基于模糊隶属函数法评估不同肥料对甬优15产量和品质的综合影响

李建强， 沈阿林， 贾生强,3， 高敬文， 喻曼， 苏瑶*

(1.平湖市农业农村局 植保土肥技术推广中心，浙江 平湖 314200； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 3.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300)

水稻是浙江省主要的粮食作物。据统计，2018年全省水稻种植面积为64.11万hm2，总产量达469.3万t，占粮食总产量的78.7%，在保障粮食安全、维护社会稳定等方面起着不可替代的重要作用。近年来，随着人们生活水平的提高，对稻米品质的要求也越来越高。

稻米品质一般包含外在品质和内在品质两方面，外在品质主要指加工品质和外观品质，内在品质包含食味品质、营养品质等。稻米品质性状的表达除了受遗传、环境因子、水分管理、耕作方式的影响外，还与肥料施用密切相关[1-2]。近年来，人们开展了大量有关调整肥料种类和施肥量实现水稻增产提质的研究，但结果并不完全一致。有研究表明，长期施用化肥会降低稻米整精米率、提高稻米垩白粒率、垩白度，降低食味品质[3-4]，而施用有机肥则可提高稻米直链淀粉含量、淀粉黏度和聚合度等[5]，从而增强稻米在碾磨过程中的抗破坏能力[6]，提高稻米的糙米率、精米率及整精米率等加工品质[7-9]。也有研究表明，相较于施常规化肥而言，施用有机肥对稻米品质无显著影响[10-11]，且在土壤肥力较高时施用还存在水稻减产的风险[12-13]。而相较于常规有机肥，生物有机肥因其含有大量有益微生物和微生物代谢产物，兼有微生物接种剂和有机肥的作用，故而能更好地实现水稻增产[14-15]，但其对水稻品质影响的报道还较为缺乏。此外，缓释肥在降低养分损失和增加稻米产量方面表现出一定优势，但对稻米加工、外观和食味品质的影响低于有机肥[16-18]。目前，国内有关施肥如何影响稻米品质的研究多是通过比较表征稻米品质的单项理化指标而得到结论，鲜有通过统计分析的方法，将稻米外观、加工和食味等品质的各项指标进行综合分析，缺乏不同种类肥料对稻米品质综合影响的准确评估。不同的土壤类型、肥力情况和环境条件会改变肥料对稻米品质的影响程度，而当前相关研究多集中于我国东北、淮北等水稻主产区，研究结果对于浙江水稻施肥的指导意义有限。

鉴于此，本研究选择浙江中部(桐庐)和北部(嘉兴)水稻种植区作为试验点，以水稻品种甬优15为研究对象，比较常规化肥(尿素)、缓释掺混肥、普通有机肥、生物有机肥和硅钙钾镁肥等不同种类肥料对甬优15产量及构成因子、稻米加工、外观和食味品质的影响；采用综合隶属函数模糊评价法对不同区域施用不同种类肥料稻米的外观、加工和食味品质进行综合评估，以期为进一步优化高效优质的水稻施肥技术提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在杭州桐庐和嘉兴平湖水稻试验基地进行，0～20 cm耕层土壤pH分别为5.01和7.34，有机质、总氮、碱解氮、速效钾、有效磷含量分别为35.5和40.6 g·kg-1、2.33和2.37 g·kg-1、129.66和159.49 mg·kg-1、73.37和131.75 mg·kg-1、14.96和4.18 mg·kg-1。选用当地主推品种甬优15作为试验材料。

1.2 处理设计

试验设6个不同施肥处理，分别为不施氮肥(CK)、常规化肥(F-1)、缓释掺混肥(F-2，青阳县茂施农业科技有限公司，控释氮≥13%)、硅钙钾镁肥(F-3，金正大生态工程集团股份有限公司)、生物有机肥(F-4，眉山市新都化工复合肥有限公司，有效活菌数≥5亿·g-1，有机质≥60%)和普通有机肥(F-5，杭州富阳富隆有机肥有限公司)。除CK外，所有处理总氮施入量为270 kg·hm-2。其中，F-2和F-5处理氮肥运筹比例为6∶4(基肥∶孕穗肥)，其他处理氮肥运筹比例均为4∶3∶3(基肥∶分蘖肥∶孕穗肥)。F-3处理中硅钙钾镁肥在施分孽肥时施入，底肥为常规尿素；缓释掺混肥、生物有机肥和普通有机肥都作为底肥施入，追肥采用常规尿素。所有处理的磷钾肥施用量和施用时间相同。其中，磷肥(过磷酸钙)做基肥一次性施入450 kg·hm-2，钾肥(氯化钾)270 kg·hm-2作为分蘖肥施入。田间采取小区设计，小区面积36 m2(4 m×9 m)，各处理设3个重复，区间均筑田埂，田埂上覆塑料膜并埋至土表20 cm以下，单独排灌，以防肥料相互渗漏。

试验采用旱育秧。桐庐和平湖试验点播种时间分别为5月5日和5月24日，均在秧龄20 d时人工移栽，移栽规格为30 cm×15 cm，每穴1棵基本苗。在栽培过程中，病虫草害防控、灌溉模式等与当地常规栽培措施相同。

1.3 调查与采样分析

于水稻成熟期，随机在各小区调查5个样方的有效穗数，在实验室对其产量构成因子包括穗粒数和千粒重进行考种分析；各小区收获后脱谷测实产，并随机取稻谷约2.0 kg，置于阴凉通风处风干后，参照NY/T 83—2017测定糙米率、垩白度、垩白粒率、碱消值、精米率；参照GB/T 21719—2008测定整精米率；参照NY/T 2334—2013测定长宽比；参照GB/T22294—2008测定胶稠度；参照GB/T 15683—2008测定直链淀粉含量；参照GB 5009.5—2016测定蛋白质含量。

1.4 综合隶属度模糊评价稻米品质

基于施用不同种类肥料后，稻米加工品质、外观品质和食味品质的差异，采用综合隶属函数模糊评价法对稻米品质进行综合分析，进而确定相对最佳的施肥种类。选取糙米率、精米率、整精米率、垩白度、垩白粒率、长宽比、碱消值、胶稠度、直链淀粉和蛋白含量等指标作为稻米品质综合评价指标[19-20]。其中，糙米率、精米率和整精米率作为稻米加工品质的主要指标，垩白度和垩白粒率作为稻米外观品质指标长宽比、胶稠度、碱消值、直链淀粉含量和蛋白质含量5个指标作为稻米食味品质评价指标[21-22]。

根据稻米各项理化指标与综合评判结果间的关系，对各单项指标值进行定量转换，计算各项指标的隶属度。有研究指出，直链淀粉含量与稻米食味品质呈显著或极显著负相关，直链淀粉含量低，米粒拉伸性好，但并非越低越好，存在一个较佳的范围[23-25]。碱消值是评定稻米糊化温度的常用指标，碱消值高，糊化温度低，米饭食味好[26-27]。一般而言，蛋白质含量低的大米做成的米饭香味、柔软性和黏性更佳，但也有研究认为，蛋白质含量高一定会降低米饭食味[25]。稻米胶稠度与米饭的硬度和黏度有关，与米饭食味呈正相关；稻米的粒长和粒型与米饭食味也呈正相关[25]。因此，糙米率、精米率、整精米率、碱消值和胶稠度与综合评判结果为正相关，采用正隶属函数进行定量转换；垩白度、垩白粒率与综合评判结果为负相关，采用反隶属函数进行定量转换；长宽比、直链淀粉和蛋白质含量采用固定性隶属函数进行定量转换，各自最佳值分别设为2.49、15.5%和2.0%[25]。加工品质、外观品质和食味品质的隶属度计算为对应包含的各指标隶属度的平均值，而稻米综合品质隶属度计算采用外观品质、加工品质和食味品质隶属度按权重0.2、0.2和0.6加权求和而得。

1.5 数据统计分析

本研究数据采用Excel 2010和PASS软件对数据进行处理和绘图，采用SPSS软件对数据进行显著性差异分析，采用PAST软件对稻米品质数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因子对不同种类肥料的响应

由表1可知，相比CK，其他施肥处理均能显著增加有效穗数、和产量，增幅分别为42.9%～52.5%和29.0%～46.0%，表明施氮肥是水稻增产的重要措施。对于桐庐试验点，相较于常规化肥(F-1)，施用缓释掺混肥(F-2)、硅钙钾镁肥(F-3)、生物有机肥(F-4)和普通有机肥(F-5)可通过增加穗粒数而有效提高产量，增幅分别为2.1%、2.9%、2.3%和6.7%。对于平湖试验点，相较于F-1，F-2、F-4和F-5可显著增加有效穗数，进而实现增产，增幅分别为1.7%、13.3%和5.2%。由此表明，有机肥或缓释肥可为水稻前期分蘖或中后期的灌浆提供充足养分，进而提高水稻有效穗数或穗粒数实现增产。相较于桐庐试验点，平湖试验点各处理的有效穗数、穗粒数和产量均显著更高，这可能与平湖试验点土壤类型及其含有更高的养分有关。与常规施化肥相比，其他各施肥处理对试验区水稻千粒重无显著影响。

2.2 稻米品质对不同肥料种类的响应

如表2所示，施肥均一定程度的增加稻米的糙米率，但未达显著水平。对于桐庐试验点，相较于常规化肥(F-1)，施用缓释掺混肥(F-2)、生物有机肥(F-4)和普通有机肥(F-5)能提高稻米的精米率、整精米率，降低垩白度和胶稠度；其中，F-4和F-5能进一步提高稻米碱消值和直链淀粉含量，同时降低稻米蛋白质含量；F-3稻米垩白度略有下降，其他品质指标变化不明显。对于平湖试验点，相较于常规化肥(F-1)，施用缓释掺混肥(F-2)能有效提高稻米精米率和碱消值，显著降低垩白度，但同时降低了整精米率；施用生物有机肥(F-4)和普通有机肥(F-5)也能降低稻米垩白度，并提高碱消值和胶稠度，但精米率和整精米率均有明显下降；施用硅钙钾镁肥(F-3)降低了稻米的垩白度，同时显著提高了稻米的碱消值。相较于桐庐试验点，平湖试验点不同施肥处理下，稻米的精米率、整精米率和碱消值更高，垩白度更低，长宽比和直链淀粉含量也都更接近最适值2.46和15.5%。

表1 不同种类肥料处理对稻米产量及构成因子的影响

对试验区不同施肥处理下的稻米品质进行主成分分析。由图1可知，第1、2和3主成分的特征值分别为33.85、3.90和1.36，其对稻米品质总变异的解释率分别为84.7%、9.8%和3.4%，累计贡献率达97.9%。其中，PC1轴主要包含精米率的信息，负荷系数为0.82；PC2轴主要包含垩白度的信息，负荷系数为0.90；PC3轴则主要包含胶稠度的信息，负荷系数为0.88。由此表明，施用不同种类的氮肥，主要影响稻米加工品质的精米率、外观品质的垩白度和食味品质的胶稠度；相较于食味品质，氮肥种类对稻米加工和外观品质的影响更大。

2.3 基于综合隶属度评价稻米品质

由表3可知，糙米率、精米率和整精米率隶属度的平均值作为表征稻米加工品质的隶属度，垩白度和垩白粒率隶属度的平均值作为表征稻米外观品质的隶属度，碱消值、胶稠度、长宽比、直链淀粉和蛋白质隶属度的平均值则作为稻米食味品质的隶属度值。进一步对加工、外观和食味品质的隶属度进行加权求和得稻米品质综合隶属度(表4)。

评价结果显示，平湖试验点各处理的稻米品质综合隶属度(0.568～0.699)普遍高于桐庐试验点(0.399～0.463)，表明平湖试验点各处理稻米综合品质均优于桐庐试验点。对于平湖试验点而言，不施氮肥处理下的稻米品质综合隶属度值最高(0.699)，其次为施用生物有机肥处理(F-4)、普通有机肥(F-5)、缓释掺混肥肥(F-2)、硅钙钾镁肥(F-3)，而施用常规化肥(F-1)处理的稻米品质综合隶属度值最低(0.568)。桐庐试验点，不施氮肥处理条件下的稻米品质综合隶属度值最低(0.399)，施用生物有机肥(F-4)的稻米品质综合隶属度值最高(0.463)，其次为硅钙钾镁肥(F-3)、缓释掺混肥(F-2)、普通有机肥(F-5)和常规化肥(F-1)。由此表明，相较于常规化肥，生物有机肥、普通有机肥、缓释掺混肥、硅钙钾镁肥均能在一定程度上提升稻米品质，其中，施用生物有机肥的效果相对最佳。

表2 不同种类肥料处理对稻米品质指标的影响

深灰色、浅灰色分别为平湖和桐庐试验点样品。图1 影响稻米品质的第1和第2主成分(a)、第1和第3主成分(b)分析结果

表3 不同种类肥料处理稻米品质指标隶属度值

表4 不同种类肥料处理稻米品质综合隶属度

3 讨论

试验中不同种类肥料对甬优15产量的影响在2个试验点表现出相似的规律，即相较于常规化肥，底肥施用缓释掺混肥、生物有机肥和普通有机肥均能有效提高产量，其中，施用有机肥产量增幅最大，均大于5%。相关研究表明，在养分总投入量相当的情况下，施用有机肥后水稻产量较施用化肥增产4%～20%[28]，这与本研究结果一致。由于桐庐试验点土壤为砂黏土，土壤肥力以及保水保肥能力均低于平湖试验点，因此，其水稻产量较平湖低。从产量构成因子分析，调整氮肥种类后，平湖试验点因有效穗数增加实现产量上升，而桐庐试验点主要通过增加穗粒数实现产量的提高。一方面，平湖试验点移栽时气温相对较高，加速了前期缓释掺混肥和有机肥的养分释放，促进了水稻前期分蘖，进而增加水稻有效穗数；另一方面，桐庐试验点土壤保肥能力弱，施用缓释掺混肥和有机肥能有效降低养分损失，保障水稻中后期生长养分所需，因此，较常规化肥更有利于水稻灌浆期籽粒的形成，进而增加穗粒数。硅钙钾镁肥的施用仅在桐庐试验点表现出显著的增产效果，这可能是由于桐庐试验地土壤偏酸性，施用硅钙钾镁肥在一定程度缓解了酸性土壤对作物根系活力的抑制，促进水稻根部对养分的吸收与转运，进而提高水稻产量，但平湖试验地土壤呈中性，因此，相对而言效果不明显。

对同一水稻品种，相较于施用不同种类的肥料，稻米品质受产地环境因素影响更为显著。本研究中，平湖试验点稻米的加工、外观和食味品质均优于桐庐试验点，这可能与2个试验地的土壤特性、气候特征(包括日照、温差、降水等)密切相关，后续可进一步深入探讨环境因子对稻米品质的影响及机制，进而指导不同区域的水稻栽培和养分管理。不同种类肥料主要通过影响稻米加工品质的精米率、外观品质的垩白度和食味品质的碱消值等指标而影响稻米的综合品质。本研究中，相较于常规化肥，底肥施用缓释掺混肥、生物有机肥和普通有机肥均能一定程度提高稻米精米率，降低垩白度，增加碱消值，有利于稻米品质的改善；硅钙钾镁肥的施用可有效降低稻米垩白度。李冠男等[29]研究结果也表明，单施有机肥能通过提高精米率改善稻米加工品质，通过降低垩白度提高其外观品质。

对于不同试验点，不同种类肥料对稻米品质的影响程度略有差异。根据隶属函数评价结果，平湖试验点稻米综合品质由高到低排序为CK>F-4>F-5>F-2>F-3>F-1，桐庐试验点排序为F-4>F-3>F-2>F-5>F-1>CK。可见，对于平湖试验点，不施肥和施用生物有机肥稻米品质最佳，而桐庐试验点则是施用生物有机肥和硅钙钾镁肥稻米品质最佳。缓释掺混肥效果欠佳可能与其养分控制释放速率和模式未能与水稻的养分吸收速率和模式同步有关[30]。桂云波等[31]研究结果也表明，有机肥对稻米加工品质、外观品质、蒸煮食用品质的影响大于长效控释肥。本研究中，施用生物有机肥对稻米综合品质的改善最佳，可能是由于生物有机肥可以增加土壤微生物量和活性，促进土壤养分转化，从而改善土壤微环境，有利于水稻养分的均衡吸收[32]，但确切的影响机制还有待后续深入的解析。此外，有研究表明，钾肥、镁肥的施用能通过增强稻米黏性改善其食味品质[32-33]；适当施用硅、镁肥还能提高水稻精米率、糙米率等外观品质和蒸煮食味品质[34]。本研究中，硅钙钾镁肥的施用能有效改善桐庐试验点水稻的综合品质，对平湖试验点水稻品质提升作用较小，这可能与试验点土壤自身所这些元素的含量有关。平湖试验点不施氮肥的CK处理稻米综合品质相对最佳，这可能是由于本试验确定的总施氮量对于平湖土壤肥力而言较高，导致施氮后稻米品质有所下降，但不施氮肥的水稻产量最低。因此，在实际生产中，应进一步研究实现产量和品质双提升的养分管理技术。

4 小结

本研究中，相较于常规化肥，底肥施用缓释掺混肥、生物有机肥和普通有机肥能通过增加有效穗数或穗粒数实现水稻增产，其中，有机肥产量增幅最大。相较于氮肥种类，稻米品质受产地环境因素影响更显著。本研究中，平湖试验点稻米加工、外观和食味品质均优于桐庐。不同种类氮肥主要通过影响稻米精米率、垩白度和碱消值，进而影响稻米综合品质。相较于常规化肥，底肥施缓释掺混肥、生物有机肥和普通有机肥均能一定程度提高稻米精米率，降低垩白度，增加碱消值，有利于稻米品质的改善；硅钙钾镁肥的施用可有效降低稻米垩白度。相同种类氮肥对稻米品质的影响程度因产地环境不同而有所差异。根据隶属函数综合评价结果，平湖试验点各处理稻米综合品质由高到低排序为CK>F-4>F-5>F-2>F-3>F-1，桐庐试验点排序为F-4>F-3>F-2>F-5>F-1>CK。综合而言，施用生物有机肥在水稻增产提质方面具有较大潜力，但今后还需进一步对其长期的施用效果及其在土壤养分、土壤微生物结构与活性以及作物养分吸收转运方面的影响机制开展深入的研究，同时关注产地环境因子在影响水稻综合品质方面的重要作用，以期为不同水稻主产区的优质高效施肥技术提供数据支撑和指导。