氮肥配施纳米镁对水稻产量、品质和氮肥利用率的影响

张海鹏 陈志青 王 锐 卢 豪 崔培媛 杨艳菊 张洪程

（农业农村部长江流域稻作技术创新中心/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学水稻产业工程技术研究院，225009，江苏扬州）

随着我国社会经济的发展和城乡居民生活水平的提高，对稻米的需求由数量型向品质型和食味型转变，优质食味水稻开始受到人们的广泛关注[1-3]。稻米品质除了受品种自身的遗传基因影响外，还与环境条件和栽培技术密切相关。合理的栽培技术与肥料运筹能有效提高稻米品质[4-6]。氮素是影响水稻生长发育、产量和品质的因素之一[7]。适当增加施氮量，优质食味粳稻产量及品质均显著提高[8-9]。目前，我国氮肥消耗量约占世界氮肥总消耗量的37%，而氮肥吸收利用率仅为30%～35%[10-11]。过多地施用氮肥易造成土壤养分失衡，不利于作物生长，还会带来温室效应和水体富营养化等环境问题[12]。研究如何实现水稻产量、品质和氮肥利用率的协同提高，对农业的可持续发展及生态环境的改善具有重要意义。

镁作为植物生长发育的必需元素之一，是除氮、磷和钾以外应用于作物较多的元素[13]。镁是植物叶绿体的重要组成成分，对维持叶绿体的结构和促进叶绿素的合成具有重要作用[14]。水稻叶片叶绿体的数量和活性在很大程度上决定着植物对氮素的利用[15-16]。因此施用镁肥可以有效提高作物干物质积累量、产量及氮素利用效率[17]。镁与稻米的食味品质也有密切关系[18]。施用镁肥能够显著降低稻米最终黏度、回复值和消减值，显著提高最高黏度、热浆黏度和崩解值，最终提高稻米蒸煮食味品质[19-21]。

已有研究[22]报道，纳米镁可被作物吸收利用，提高作物叶绿体的数量和活性，显著提高作物产量和氮肥利用率。纳米镁为纳米级颗粒，其理化性质稳定，比表面积大，易吸附在根系表面而被吸收，受土壤质地、结构、有机质和胶体等影响较小[23]，能够克服常用离子态镁肥（如硫酸镁等）受土壤理化性质影响而难以有效吸收利用的缺点[17]。然而，关于纳米镁对水稻籽粒产量、氮肥利用率及稻米品质影响的研究较少。因此，本研究采用盆栽试验研究不同氮肥水平条件下基施纳米镁肥对水稻产量、氮肥利用及稻米品质的影响，为构建优质、高产、高效的水稻生产栽培技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019和2020年的5-12月在江苏省扬州市扬州大学校内试验田（119.42°E，32.39°N）进行。土壤类型为沙壤土，有机质24.4g/kg、全氮1.32g/kg、碱解氮104.2mg/kg、速效磷35.4mg/kg、速效钾72.5mg/kg、速效镁43.41mg/kg，pH 6.03。

1.2 试验材料

供试水稻品种选用江苏省农业科学院粮食作物研究所培育的迟熟中粳品种南粳9108。

1.3 试验设计

采用盆栽试验，栽培盆的长×宽×高为0.80m×0.50m×0.75m，每盆面积计0.40m2。设不施镁肥（Non-Mg）和施纳米镁处理（Nano-Mg），每个处理分别设4个施氮量水平，分别为0（0N）、225（15N）、270（18N）、315kg/hm2（21N），共 8个处理。氮肥（尿素，含N 46%）的基肥:分蘖肥:穗肥=4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度为10cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量为135kg/hm2（过磷酸钙，含P2O512%），全部作基肥施用；钾肥施用量为270kg/hm2（氯化钾，含K2O 60%），基肥:穗肥=1:1；纳米镁（Nano-Mg）用量为12kg/hm2，购自上海超威纳米科技有限公司，纳米球状，粒径为20～45nm。各处理2年施肥量和施肥方法保持一致。2019年试验结束后，各试验盆土壤于2020年5月10日前更换25cm表层新土，新土与2019年所用土壤为同一田块同时取的耕层土壤（20cm）。每个试验处理重复10次。

水稻育秧于每年5月15日播种，湿润育秧，30d秧龄后，挑选发育进程与长势一致的秧苗，于6月15日移栽。每穴定植4株苗，每盆16穴，栽植密度为 12.5cm×20.0cm（4.0×105穴/hm2）。2019年试验结束后，各试验盆于2020年5月10日前更换新土。试验期间水分与病虫害防治等管理措施按高产栽培要求统一实施。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 产量及其构成因素 各处理成熟期分别选取20穴，计算有效穗数，按各处理的平均穗数取有代表性的植株3穴，测定穗粒数、结实率和千粒重等，计算理论产量，并实收测产。

1.4.2 各器官含氮率 将成熟期植株的茎鞘、叶片和穗烘干粉碎，用H2SO4-H2O2消化，采用半微量凯氏定氮法测定氮浓度，计算各器官含氮率。

1.4.3 稻米品质 将水稻收获、脱粒并晒干，3个月后，依照《GB/T 17891-1999优质稻谷》测定稻米的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、籽粒长宽比、胶稠度等。采用近红外谷物分析仪测定稻米的蛋白质和直链淀粉含量。

1.4.4 食味指标 采用米饭食味计（STA1A，日本佐竹公司）自动测定米饭的气味、光泽和色泽、完整性、味道、口感的评分和综合评分值。

1.4.5 稻米淀粉黏滞特性 采用澳大利亚Newport Scientific仪器公司生产的Super 3型RVA快速黏度分析仪测定淀粉黏滞特性，用配套软件TWC分析。按照AACC规程（1995-61-02）和RACI标准方法，取含水量12.00%的米粉样品3.00g，加蒸馏水25.00g。在搅拌测定过程中，罐内温度保持50℃1min，以11.84℃/min的速度上升到95℃（3.75min）并保持2.5min，再以11.84℃/min的速度下降到50℃并保持1.4min。搅拌器在起始10s内转动速度为960转/min，之后保持在160转/min。RVA谱特征值包括峰值黏度、热浆黏度、崩解值（峰值黏度-热浆黏度）、最终黏度、消减值（最终黏度-峰值黏度）、回复值（最终黏度-热浆黏度）和糊化温度等[24]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理和图表绘制，用SPSS 25.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量下钠米镁对水稻产量及其构成因素的影响

表1表明，2年中各处理的水稻籽粒产量均随施氮量的增加而升高，均以施氮量315kg/hm2处理的产量最高。在相同氮肥施用量水平下，2019和2020年施纳米镁各处理的籽粒产量较不施镁处理均有所提高，并且配施氮处理后的差异达到显著水平。与不施镁各处理相比，施纳米镁处理的2年籽粒产量分别提高2.85%～8.86%和5.22%～7.16%。随着氮肥施用量的增加，施用纳米镁对2年水稻籽粒产量的影响均呈先升高后降低的趋势，施氮量270kg/hm2处理的增产幅度最高，而施氮量315kg/hm2处理的增产幅度较低。从水稻产量构成因素来看，在相同氮肥施用量水平下，施纳米镁处理的单位面积穗数、穗粒数、结实率和千粒重较不施镁处理均有不同程度的提高。

表1 不同施氮量条件下纳米镁对水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice yield and its components under different N application rates

2.2 不同施氮量下纳米镁对稻米品质的影响

2.2.1 加工品质 由表2可知，各处理稻米的糙米率、精米率和整精米率随着施氮量的增加呈上升趋势。在相同氮肥施用量水平下，与不施镁处理相比，施纳米镁各处理的糙米率、精米率和整精米率均有所提高。与不施镁处理相比，施纳米镁各处理的精米率提高1.70%～2.29%，整精米率提高2.96%～4.08%。由此可见，施用纳米镁能够有效提高稻米的精米率和整精米率，改善稻米的加工品质。

表2 不同施氮量条件下纳米镁对水稻加工品质的影响Table 2 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice processing quality under different N application rates

2.2.2 外观品质 由表3可知，不同氮肥施用量处理的籽粒长宽比之间无显著差异，施用纳米镁对籽粒长宽比也无显著影响。不同氮肥用量显著影响了稻米的垩白粒率和垩白度。不施镁和施纳米镁各处理稻米的垩白粒率随着施氮量的增加基本呈先降低后升高的趋势，施氮量270kg/hm2处理的垩白粒率最低，施氮量315kg/hm2处理的垩白粒率有升高的趋势，而稻米的垩白度随着施氮量的增加呈逐渐降低的趋势。在相同氮肥施用量水平下，与不施镁处理相比，施纳米镁的各处理稻米垩白粒率和垩白度有所降低，分别降低了1.64%～4.85%和1.28%～3.87%。可见，施用纳米镁可改善稻米的外观品质，施氮量270kg/hm2处理的稻米外观品质最佳。

表3 不同施氮量条件下纳米镁对水稻外观品质的影响Table 3 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice appearance quality under different N application rates

2.2.3 蒸煮食味和营养品质 2年各处理的稻米食味品质和营养品质变化情况基本一致。表4表明，不施镁和施纳米镁各处理的直链淀粉含量随着施氮量的增加而逐渐降低，蛋白质含量和胶稠度均随着施氮量的增加而逐渐升高。在相同氮肥施用量水平下，与不施镁处理相比，施纳米镁各处理的直链淀粉含量降低了1.25%～2.56%，差异不显著，蛋白质含量提高了5.13%～7.02%，胶稠度无显著差异，食味值略有提高。由此可见，施用纳米镁对稻米蒸煮和营养品质的影响主要体现在蛋白质含量的提高，对直链淀粉含量和胶稠度影响较小。

由表5可知，随着施氮量的增加，不施镁和施纳米镁各处理稻米的食味值逐渐降低，均以不施氮肥处理的食味值最高。从影响食味值的各项相关指标来看，随着施氮量的增加，外观、黏度和平衡度均显著降低，硬度显著升高。在相同氮肥施用量水平下，施纳米镁各处理的食味值较不施镁处理提高了0.39%～1.70%，但未达到显著水平。由此可见，稻米的食味值对氮肥施用量的响应差异较为明显，施用纳米镁肥对食味值的影响不显著。

表5 不同施氮量条件下纳米镁对水稻食味品质的影响Table 5 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice eating quality under different N application rates

2.2.4 稻米淀粉RVA谱特征值 表6表明，不施镁和施纳米镁各处理的峰值黏度、热浆黏度、崩解值和最终黏度均随着施氮量的增加而逐渐降低，消减值和回复值随着施氮量的增加而逐渐升高，其中峰值黏度、热浆黏度和消减值的差异均达到显著水平，糊化温度随着施氮量的增加未呈现明显变化规律。在相同氮肥施用水平下，与不施镁处理相比，施纳米镁各处理的峰值黏度、热浆黏度和崩解值均有所提高，最终黏度有所降低，但差异均不显著。施纳米镁各处理的消减值和回复值较不施镁处理分别降低了8.87%～12.57%和6.79%～8.56%。由此可见，施用纳米镁对稻米RVA谱特性有改善的趋势。

表6 不同施氮量条件下纳米镁对稻米淀粉RVA谱特征值的影响Table 6 Effects of nano-magnesium fertilizer on RVA profile characteristics under different N application rates

2.3 不同施氮量下纳米镁对水稻氮肥利用率的影响

由图1可知，不施镁各处理的氮肥利用率随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，施氮量270kg/hm2时的氮肥利用率最高。施纳米镁各处理的氮肥利用率随着施氮量的增加呈逐渐降低的趋势，施氮量225kg/hm2时的氮肥利用率最高。相同氮肥施用量水平下，施纳米镁各处理的氮肥利用率均高于不施镁处理，施纳米镁可提高氮肥利用率4.18%～5.97%。

图1 纳米镁对水稻氮肥利用率的影响Fig.1 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice N fertilizer use efficiency

3 讨论

3.1 纳米镁对水稻产量及氮素利用率的影响

水稻产量由单位面积穗数、穗粒数、结实率和千粒重4个因素共同决定[25]。前人研究发现，施用镁肥能够有效促进水稻分蘖，提高茎蘖成穗率，增加单位面积穗数和穗粒数[26]，并有利于籽粒结实率的提高[27]。聂录等[20]认为，合理施用镁肥能够提高水稻主茎的糖和淀粉含量，促进成熟期的光合物质由茎鞘向穗部转运，促进水稻的粒重增加，从而实现增产。在本研究中，与不施镁肥处理相比，施用纳米镁显著提高了水稻的单位面积穗数和穗粒数，结实率和千粒重略有提高，未达到显著水平。纳米镁可在稳定籽粒结实率和千粒重的基础上，通过提高单位面积穗数和穗粒数来促进水稻增产。氮肥吸收量、氮肥利用率与产量之间存在极显著直线正相关关系[28]。镁作为作物生长发育所必需的元素，适宜的镁用量有利于水稻的生长发育，增强光合作用，促进氮素的吸收和物质的积累[29]。本研究发现，在相同氮肥施用水平下，与不施镁处理相比，施用纳米镁的各处理均提高了水稻的氮肥利用率，这与前人[30]研究结果一致。

3.2 纳米镁对稻米品质的影响

稻米品质主要受品种遗传因素、栽培措施和环境条件等影响[31]，氮素调控是影响水稻生长发育和稻米品质形成的重要措施[32]。镁是除氮、磷、钾以外应用于水稻较多的元素，合理施用镁肥能够改善稻米品质。增加氮肥施用量可显著提高稻米的糙米率和精米率[33]。本研究表明，随着施氮量的增加，稻米的糙米率、精米率和整精米率均呈升高趋势，加工品质得到改善。钱永德等[34]研究发现，镁肥可以提高水稻糙米率、精米率及整精米率。本研究结果与上述结论一致，施用纳米镁肥能够有效提高精米率和整精米率，提高稻米的加工品质。唐健等[35]研究认为，稻米的垩白粒率和垩白度均随着施氮量的增加而下降，这与本研究结果不尽一致。本研究发现，稻米的垩白粒率随着施氮量的增加呈先降低后升高的趋势，而稻米的垩白度随着施氮量的增加逐渐降低。施用纳米镁后，稻米的垩白粒率和垩白度有所降低，其中以施氮量270kg/hm2处理的稻米外观品质最佳，可见纳米镁的施用对改善稻米外观品质有一定作用。

蛋白质和直链淀粉含量是评价稻米营养品质的重要指标。杨泽敏等[36]研究表明，施氮量的增加可显著提高稻米的蛋白质含量，降低直链淀粉含量。李军等[18]认为，镁肥会增加稻米中蛋白质含量、降低直链淀粉含量。这些研究结果均与本研究结果一致。而施用纳米镁后显著提高了水稻的氮肥利用率，提高植株的氮素吸收量，在水稻生育后期促进茎和叶中的氮素更多地向穗部转移，提高穗部的吸氮量，进而提高籽粒中蛋白质含量。稻米的直链淀粉含量受蛋白质含量变化的影响，二者互为消长关系[32]，蛋白质含量的提高会相对降低直链淀粉含量。稻米的RVA谱特性是衡量稻米品质的重要指标，口感较好的稻米RVA谱往往具有较高的峰值黏度、崩解值以及较低的消减值[37]。施用镁肥后稻米RVA谱中的最终黏度、回复值及消减值降低，且最高黏度、热浆黏度及崩解值上升，提高了稻米的食味品质[38]。本研究发现，与不施镁处理相比，施用纳米镁处理的峰值黏度、热浆黏度和崩解值均有所提高，最终黏度略微降低，而消减值和回复值相较于不施镁处理均显著降低。由此可见，施用纳米镁肥对稻米RVA谱特性有所改善，有利于稻米食味品质的提高。

4 结论

施用纳米镁肥提高了水稻单位面积穗数、穗粒数、结实率和千粒重，水稻籽粒产量提高了2.85%～8.86%。纳米镁肥的施用促进了水稻的氮素吸收积累量，水稻的氮肥利用率提高了4.18%～5.97%。此外，施用纳米镁肥改善了稻米的加工品质和外观品质，稻米的蛋白质含量提高5.13%～7.02%，稻米的食味品质也有所提高。兼顾产量和稻米品质，在225～270kg/hm2的施氮量下，施用纳米镁肥有利于实现水稻的高产高效和优质栽培。