江苏优质稻区土壤理化性状对稻米品质的影响

刘红江, 裴晓芳, 丁雯丽, 郭 智, 张岳芳, 盛 婧, 周 炜, 黄胜东

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室,江苏 南京 210014; 2.南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏 南京 210044; 3.无锡学院电子信息工程学院,江苏 无锡 214105; 4.江苏省农业科学院粮食作物研究所,江苏 南京 210014)

水稻是中国主要的粮食作物,长期以来,其产量稳步提高,在保障国家粮食安全方面发挥了重要作用[1]。江苏作为中国优质稻米主产区,其单产常年位居全国首位[2],随着经济的迅速发展和人民生活水平的不断改善,老百姓对优质高档稻米的消费需求愈发强烈[3]。进入21世纪以来,伴随一大批优质高产水稻新品种的育成,江苏优良食味水稻品种的种植面积在不断增加,已经超过水稻种植总面积的1/3,为本地区优良食味水稻的生产提供了良好的前提条件[4]。与此同时,轮作休耕[5]、种植绿肥还田[6]、施用有机肥[7-8]和中微量元素肥料[9-10]、稻田综合种养[11-12]、病虫草害的绿色防控[13-14]、稻田生物多样性布局[15]等配套栽培技术措施的应用,也为优良食味水稻品种优质高产高效特性的稳定和提升提供了保障。此外,土壤作为水稻生长发育的载体,其质量也对水稻产量[16]和稻米品质[17]具有重要影响。目前为止,关于土壤理化性状与稻米品质间相关性的系统性研究较少。为此,本研究以苏南丘陵地区优良食味水稻生产基地为研究地点,2020年和2021年在江苏省句容市后白镇选取了11个具有代表性的水稻种植主体,通过田间调查和取样检测相结合的方法,系统地比较研究了稻米主要品质指标和土壤主要理化性状指标的相关性,以期为优良食味水稻的产地选择,保证其优质高效种植,以及提升稻作生产的社会效益和经济效益提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

研究于2020年和2021年在江苏省镇江市句容市后白镇(31°48′N,119°12′E)进行,该区地形属于低山丘陵圩区,气候类型为亚热带湿润季风气候。常年平均气温15.2 ℃,日平均气温高于10 ℃,适宜作物生长期约226 d。年降水量1 058.8 mm,年平均光照时长2 157 h。土壤类型为黄泥土,耕地多属肥沃圩田,适宜种植优质稻麦。

1.2 研究概况

2020年和2021年在江苏省句容市后白镇圩区随机选取11个具有代表性的水稻种植主体,对其农田土壤及稻米等进行取样检测分析。按照所种植的水稻品种分为4类,其中南粳46有4个种植主体(A1、A2、A3、A4);南粳3908有2个种植主体(B1、B2);南粳5055有3个种植主体(C1、C2、C3);南粳9108有2个种植主体(D1、D2)。11个种植主体2年间种植的水稻品种不变。水稻机械插秧,在每年6月中旬移栽,稻季水、肥、药等运筹方法按照当地优质高产栽培措施进行。不同种植主体结合土壤肥力状况与水稻苗情,氮(N)肥、磷(P2O5)肥、钾(K2O)肥施用量分别为240～320 kg/hm2、60～90 kg/hm2、120～150 kg/hm2,并实时进行病虫草害防控,各种植主体水稻根据田间长势情况适期收获。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤理化性状的测定 在水稻种植开始前取样测定稻田土壤基础地力水平。有机质含量测定采用重铬酸钾容量法;总氮含量测定采用凯氏定氮法;总磷含量测定采用硫酸-高氯酸消煮法;氨态氮和硝态氮含量测定采用 KCl浸提-靛酚蓝比色法。速效磷含量测定采用碳酸氢钠法。速效钾含量测定采用醋酸铵-火焰光度法。

1.3.2 水稻产量的测定 在成熟期,对于不同水稻种植主体,在调查的基础上,选择有代表性的0.13～0.20 hm2长势均匀的田块,收获稻谷,称质量,测定含水率,折算成标准含水率,得到水稻实收产量。具体计算公式如下:水稻实收产量=收获稻谷鲜质量×(1-测得稻谷含水率)/(1-14.5%)/实际收割面积。

1.3.3 稻米品质指标的测定 稻谷收获后,风干,置留3个月后砻谷、碾米,按照《GB/T 17891-2017 优质稻谷》标准,测得糙米率(BR)、精米率(MR)和整精米率(HMR);使用东孚久恒扫描仪测定稻米的长(KL)和宽(KW),垩白粒率(CR)和垩白度(CD);同时测定米粉的胶稠度(GC)。用大米食味计(SATAKE,北京东孚久恒公司产品)测定稻米蛋白质含量(PC)及直链淀粉含量(AC)。

1.3.4 稻米淀粉黏滞特性指标的测定 稻米淀粉黏滞特性用快速黏度分析仪(RVA)(Perten,瑞典波通仪器公司产品)测定,参数设置依据AACC(美国谷物化学协会)规程(1995-61-02)标准方法。仪器直接读出的数据有:峰值黏度(PV)、热浆黏度(TV)、最终黏度(FV)、糊化温度(PaT)和峰值时间(PeT)。根据这些指标可计算得到:崩解值(PV-TV)、消减值(SBV=FV-PV)和回复值(FV-TV)。

1.3.5 米饭食味值(RTV)的测定 称量30.0 g精米,以米∶水为1.00∶1.25(体积比)添加去离子水,常温浸泡0.5 h,以日本品种越光大米作对照,用米饭食味计(STA 1A,佐竹-日本)检测米饭食味值。

1.4 数据分析

用Excel 2007进行数据整理并作图,用SPSS 13.0进行数据间的多重比较和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 稻田土壤理化性状

由表1可知,2020年和2021年度11个水稻种植主体农田土壤总氮含量为1.18～2.12 g/kg,平均值为1.60 g/kg;总磷含量为0.372～0.712 g/kg,平均值为0.56 g/kg;速效氮含量为91.3～137.6 mg/kg,平均值为110.5 mg/kg;速效磷含量为9.11～14.19 mg/kg,平均值为11.42 mg/kg;速效钾含量为102.5～159.7 mg/kg,平均值为133.4 mg/kg;有机质含量为17.87～36.08 g/kg,平均值为26.64 g/kg。从基础数据看,11个水稻种植主体农田土壤基本理化性状指标值差异多达显著水平;从平均值看,对照农业行业标准,土壤肥力属中等偏上水平[18]。与2020年度比较,除了速效钾含量以外,同一种植主体2021年度稻田土壤其他理化性状指标变化幅度不大。

表1 代表性水稻种植主体农田土壤基本理化性状

2.2 不同水稻种植主体的水稻产量

由图1可知,11个种植主体,2020年和2021年水稻平均产量分别为9 448.0 kg/hm2和9 465.9 kg/hm2;从不同种植主体看,A1平均产量为9 161.0 kg/hm2,为最低;B1平均产量达9 936.5 kg/hm2,为最高;极差为775.5 kg/hm2,B1平均产量比A1高8.47%,处理间差异达到显著水平;2个试验年度,不同水稻品种平均产量从小到大顺序为南粳46、南粳9108、南粳5055、南粳3908,依次为9 248.1 kg/hm2、9 429.3 kg/hm2、9 516.7 kg/hm2、9 812.8 kg/hm2,处理间的差异多达到显著水平。结合表1数据,就同一水稻品种而言,土壤有机质含量和养分含量较高的种植主体,水稻产量也相对较高。

同年不同品种的数据比较,不同小写字母表示在0.05水平差异显著。图1 不同水稻种植主体稻谷产量Fig.1 Grain yield of different rice planters

2.3 稻米品质指标

2.3.1 稻米加工品质 由表2数据可以计算出, 11个种植主体,2020年和2021年稻谷平均糙米率分别为83.7%和83.5%;2个试验年度,不同水稻品种平均糙米率从小到大顺序为南粳9108、南粳5055、南粳3908、南粳46,依次为82.0%、83.1%、84.1%、84.5%,2020年品种间的差异多达显著水平(表2)。11个种植主体,2020年和2021年稻谷平均精米率分别为73.2%和72.3%;2个试验年度,不同水稻品种平均精米率从小到大顺序为南粳9108、南粳5055、南粳3908、南粳46,依次为70.9%、71.9%、73.5%、73.9%,品种间的差异多达显著水平。11个种植主体,2020年和2021年稻谷平均整精米率分别为68.5%和68.7%;2个试验年度,不同水稻品种平均整精米率从小到大顺序为南粳9108、南粳5055、南粳3908、南粳46,依次为66.0%、68.8%、69.2%、69.5%,品种间的差异多达显著水平。除南粳9108外,不同品种稻谷整精米率均达到优质稻谷国家二级标准[19]。

表2 不同水稻种植主体稻米加工品质

综上说明,南粳46的加工品质相对最好,南粳3908次之。2个试验年度间稻米的加工品质差异不明显。

2.3.2 稻米外观粒型品质 由表3可以计算得出,11个种植主体,2020年整精米平均粒长和粒宽明显大于2021年,但2021年整精米长/宽值较大。2个试验年度,不同水稻品种整精米平均粒长和粒宽均是南粳3908最大,其长/宽值适中。2020年与2021年,稻米平均垩白度分别为6.04%和6.43%,稻米平均垩白粒率分别为16.31%和17.56%。2个试验年度,不同水稻品种稻米平均垩白度和平均垩白粒率均以南粳3908最低,分别为5.52%和16.35%;以南粳9108最高,分别为6.56%和17.57%。品种间的差异多达显著水平。

表3 不同水稻种植主体稻米外观粒型品质

2.3.3 稻米蒸煮食味与营养品质 由表4可以计算得出,11个种植主体,2020年和2021年稻米平均蛋白质含量分别为9.14%和8.78%;2个试验年度,不同水稻品种稻米平均蛋白质含量从小到大顺序为南粳46、南粳5055、南粳3908、南粳9108,依次为8.54%、8.97%、9.00%、9.76%,品种间的差异多达显著水平(表4);不同种植主体间稻米蛋白质含量差异多达显著水平。11个种植主体,2020年和2021年稻米平均胶稠度分别为81.1 mm和80.6 mm;2个试验年度,不同水稻品种稻米平均胶稠度从小到大顺序为南粳9108、南粳3908、南粳5055、南粳46,依次为78.0 mm、79.4 mm、81.0 mm、83.0 mm,品种间的差异多达显著水平;不同种植主体间稻米胶稠度差异多达显著水平。11个种植主体,2020年和2021年稻米平均直链淀粉含量分别为10.10%和9.99%;2个试验年度,不同水稻品种稻米干基平均直链淀粉含量从小到大顺序为南粳46、南粳3908、南粳5055、南粳9108,依次为9.67%、9.96%、10.11%、10.81%,不同品种间差异多达到显著水平;稻米直链淀粉含量在不同种植主体间也多存在显著差异。

表4 不同水稻种植主体稻米蒸煮食味与营养品质

说明,南粳46的蛋白质和直链淀粉含量较低、胶稠度较大,稻米蒸煮食味与营养品质较好,南粳3908次之。

2.3.4 RVA谱特征值 由表5可知,11个种植主体中,2020年和2021年稻米峰值黏度、热浆黏度和最终黏度均以种植南粳46的A3种植主体最高,并显著大于其他10个种植主体。两季水稻,稻米的崩解值也以A3种植主体较高,但不同种植主体间的差异多不显著。不同水稻品种稻米的消减值均为负值,以南粳9108最小,南粳3908最大,不同种植主体间的稻米消减值总体差异不显著。两季稻米的平均回复值,南粳46、南粳5055和南粳3908基本接近,而南粳9108的回复值相对较小,不同种植主体间的稻米回复值差异显著。峰值时间是指米粉样品达到峰值黏度的时间,值越小说明稻米淀粉粒的膨胀性越好。两季稻米,南粳3908、南粳46和南粳5055 的稻米平均峰值时间较小,南粳9108的平均峰值时间较大。不同水稻品种稻米平均糊化温度从小到大顺序为南粳46、南粳3908、南粳5055、南粳9108。

表5 不同水稻种植主体稻米快速黏度分析仪(RVA)谱特征值

总体来看,南粳46稻米RVA谱特征值相对较优,南粳3908次之。

2.3.5 稻米综合食味值 由图2的数据可以计算得出,11个种植主体,2020年和2021年稻米平均食味值分别为83.7和82.0;从不同种植主体看,D1平均食味值最低,为75.5,A3平均食味值最高,达86.8,极差为11.3,处理间差异达到显著水平;2个试验年度,不同水稻品种平均食味值从小到大顺序为南粳9108、南粳3908、南粳5055、南粳46,依次为77.5、82.4、82.7、85.9,处理间的差异多达到显著水平。结合表1数据,就同一水稻品种而言,土壤有机质含量和养分含量较高的种植主体,稻米食味值总体相对较高。

同年不同品种间比较,不同小写字母表示在0.05水平差异显著。图2 不同水稻种植主体稻米综合食味值Fig.2 Comprehensive grain taste value of different rice planters

2.4 稻米主要品质指标与土壤理化性状间的相关性

为了明确稻米主要品质指标与产地土壤理化性状指标的相关关系,对2组主要指标采用统计软件进行了相关性分析。由表6可知,稻米HMR、GC、PV、TV、RTV与土壤TN、AN、OM呈显著或极显著正相关;稻米PC则与土壤TN和OM呈显著或极显著负相关。稻米HMR和RTV与土壤TP均呈显著负相关;而稻米SBV与土壤AP则呈显著正相关。稻米GC、PV、BDV与土壤AK均呈显著或极显著正相关;但稻米SBV与AK呈显著负相关。

表6 稻米主要品质指标与土壤理化性状的相关系数

3 讨 论

3.1 水稻生长发育及产量形成与稻田土壤肥力的关系

土壤肥力分自然肥力(内因)和人为肥力(外因)。前者由成土过程中地形、生物、气候、时间等因素的协同作用决定;人为肥力则是人类进行农业生产活动行为方式的总和[20]。对于同一区域不同水稻田块,土壤肥力的差异可能主要由不同农户长期施肥、耕作、灌溉等管理方式的不同引起[21]。稻田土壤肥力是水稻获得高产稳产的前提条件,对不同肥力水平的稻田,为了提高水稻产量,需要采取不同的肥料运筹方式。范立慧等[22]的研究结果表明,对肥力水平较高的土壤,适当减少总氮投入量,均衡运筹基肥和蘖肥,能够保证水稻产量,并提高氮肥吸收利用效率;对肥力水平较低的土壤,稻季应适当增加总施氮量,并提高基肥氮的投入量,促进水稻分蘖的早发快发,保证水稻穗数,提高水稻产量。王秋菊等[23]在高肥力土壤上的研究结果表明,与常规施肥相比较,秸秆还田条件下连续3年减少10%的施氮量,可以保持地力,并维持水稻高产稳产;对中、低肥力水平的土壤,秸秆还田条件下采用常规施肥水平或适当增施氮肥能够提高水稻产量,但连续增氮使水稻增产幅度递减,说明秸秆连续还田几年后需要控制稻田氮肥投入量,维持土壤氮素平衡,提高氮肥利用效率。本研究结果表明,水稻产量的高低主要由品种自身的产量潜力决定,南粳3908作为超级稻品种,其产量相对较高;就同一水稻品种而言,稻田土壤有机质含量及养分含量较高的土壤,其土壤肥力水平总体较高[24],获得的水稻产量也相对较高,这与前人的研究结果基本一致。说明水稻产量潜力与土壤肥力水平关系密切,高肥力土壤上种植的水稻更容易高产稳产[25]。因此在实际生产中,可以通过实施秸秆还田、配施有机肥、种植绿肥还田等方式培肥地力,促进水稻的高产稳产。

3.2 稻米品质与稻田土壤肥力的关系

水稻品种自身的遗传特性对稻米品质起主导作用[26-28]。此外,栽培措施、气候条件,以及土壤肥力等因素对稻米品质也能产生重要影响[29-33]。本研究结果表明,稻米蛋白质含量与土壤总氮含量呈负相关关系,可能是因为土壤肥力好,总氮含量高,水稻往往前期生长发育较好,有利于分蘖早发快发,形成高质量群体[34],这为实际生产中稻季减施氮肥提供了条件,特别是穗肥减氮能直接降低稻米中的蛋白质含量[35],而稻米中的蛋白质含量降低,有利于提高稻米的食味值[36],因此,稻米食味值与土壤总氮含量呈显著的正相关关系。前人通过对连续多年种植紫云英还田培肥土壤的研究结果也表明,稻季比对照减少20%的化肥施用量,仍能够保证水稻产量,并提升稻米品质[37]。本研究结果还表明,稻米食味值与土壤有机质含量表现为显著正相关,可能是因为有机质含量较高的土壤,其氮、磷等元素含量也较高,生产中一般可以减少施用化肥,这往往有利于提高稻米食味值。王飞等[38]的研究结果表明,相较于单施化肥,长期施用牛粪有机肥+化肥处理能够明显提高稻田土壤有机质含量,同时提升稻米的品质性状,这与本研究结果基本一致。但本研究中化学氮肥、磷肥、钾肥施用量要明显大于前人研究结果中的化肥施用量[38],可能与本研究供试水稻品种为粳稻,而前人的试验用水稻品种是籼稻,两者的养分需求规律不同有关。此外,本研究结果表明,稻米食味值与土壤总磷含量呈显著的负相关关系,表明水稻季要少施或不施磷肥,以避免土壤中磷素的大量盈余,影响稻米品质。这可能与本地区土壤含磷量总体偏高有关[39]。而本研究江苏苏南地区在实际水稻生产中,农民往往也仅将少量的磷肥作为基肥施用。因此,在种植水稻的过程中,我们要通过有机培肥,提高土壤肥力,以利于提升稻米品质,但也要特别注意控制好稻季磷肥的投入量。

4 结 论

对于同一地区的不同经营主体,土壤肥力高低不同,除了因成土母质不同外,还与不同经营主体对秸秆还田、种植绿肥还田、施用有机肥和农家肥等土壤有机培肥的重视程度不同有关。在本研究中,就同一水稻品种而言,土壤有机质含量高的经营主体,其水稻产量相对较高,稻米品质也相对较优。说明,通过有机质培肥,提高了土壤肥力水平,能够保证水稻种植的高产稳产和优质,对实施国家藏粮于地和藏粮于技战略具有重要意义。此外,虽然肥力水平较高的土壤,在减少氮肥施用量的同时,能够协调好水稻的优质与高产;但长此以往,其是否能够一直保持较高的地力水平,以及后续应当采用怎样的土壤培肥措施,以保证地力的长期稳定,值得设计长期定位试验,开展进一步深入研究。