水氮互作对直播稻产量及稻米品质的影响

武云霞，刘芳艳，孙永健，郭长春，杨志远，何 艳，严田蓉，孙知白，丁 峰，马 均

（四川农业大学水稻研究所/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130）

党的十九大报告明确提出“确保国家粮食安全，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中”，同时国家也进一步指明了“谷物基本自给、口粮绝对安全”的粮食安全新战略；而诸多农作物中水稻对保障粮食安全作用重大[1]。随着经济社会的发展，人们对水稻丰产高效生产，以及稻米品质也提出了更高的要求，优质丰产高效已成为水稻生产持续研究的重要方向[2]。已有研究表明，直播稻生产历史悠久，优缺点明显，与传统移栽、机插相比，直播稻营养生长期明显缩短，在温光利用特性上也存在差异[3]，且能节省育秧、插秧等环节，具有省工、节本、增产的效果，是未来水稻轻简化高效生产发展的必然趋势[4]。同时，水稻产量和米质是由内部遗传因子和外部环境因素共同作用形成的，而水、氮是调控作物产量和品质最重要的两个因子[5]；研究结果[6-8]表明，适宜的水分和氮肥运筹可以充分发挥其互作效应，增加产量；有关水氮耦合对米质影响的研究表明，灌溉方式和氮肥水平对米质调控也存在显著的互作效应，在重干湿交替灌溉（土壤水势-30 kPa 时复水）条件下，增施氮肥可以缓解严重水分胁迫对米质的不利影响[9]，淹灌和干湿交替情况下增施氮肥会降低稻米的加工品质[10]。但上述水氮互作对水稻产量和稻米品质影响的研究集中在育苗移栽的栽培方式上，而对直播稻丰产提质的研究报道较少，尤其缺乏水氮耦合对稻米食味米质的影响。为此，本研究设置不同的灌水情况及氮肥运筹比例处理，研究其对直播稻产量和稻米品质的影响，并探讨水氮耦合对稳定直播稻产量、改善米质的途径，以期明确水氮互作对直播稻产量和米质的影响，提出本研究区域直播稻高产优质最适宜的水氮运筹，为直播稻水肥管理技术提供实践基础和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

在前期研究试验[6-7]的基础上，本试验于2018年在成都市温江区四川农业大学水稻研究所试验农场进一步补充和完善，供试品种为F 优498（中籼迟熟型杂交稻，生育期 147～152 d）。耕层（0～20 cm）土壤质地为砂质壤土，含有机质 23.0 g/kg、全氮1.63 g/kg、速效磷 30.2 mg/kg、速效钾 29.3 mg/kg。播种前晒种1 d，浸种直至90%露白为止，阴干以种子不沾手为宜。4月15日直播，行株距25 cm×20 cm；模拟水直播机机型为2BDXS-10CP，自制株距为20 cm 的排种器进行穴直播，每穴 4～5 粒，设 3 种水分管理方式：

①淹灌（W1）：水稻 2 叶 1 心时开始保持 1～2 cm水层，收获前1 周自然落干。

②干湿交替灌溉（W2）：2 叶 1 心时开始灌水1～2 cm 水层，自然落干至土壤水势为-25 kPa（用中国科学院南京土壤研究所生产的真空表式土壤负压计测定）再灌水的干湿交替灌溉。

③旱种（W3）：仅在土壤水势达到-50 kPa 时灌透水，以土面不积水为准。

在前期试验确定高产施氮量（150 kg/hm2）基础上，设3 种氮肥运筹模式：基肥（播种前1 d）：蘖肥（播种后22 d）：穗肥（晒田复水10 d 后）分别为5：3：2、3：3：4、3：1：6，依次记为 N1、N2、N3，并设不施氮处理（N0）。施P2O575 kg/hm2作基肥施用，K2O 150 kg/hm2分两次施用，蘖肥：穗肥为5：5。试验采用裂区设计，灌水方式为主区，氮肥运筹为副区，3 次重复，小区面积15 m2。小区间筑埂（宽40 cm）并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥，准确记载每次灌水量，确保相同灌溉方式的小区每次灌水量一致；其他田间管理按大面积生产田进行。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 考种与计产

收获前各小区取10 窝具有代表性的植株，进行考种，调查每穗粒数、结实率、千粒重等指标。各小区去除边行后按实际株数计产。

1.2.2 稻米品质

稻谷收获后、自然阴干3 个月，用风选机等风量风选，去杂，测定稻米品质。

①加工品质：出糙率依据《GBT 5495-2008》；整精米率根据《GBT 21719-2009》。

②外观品质：垩白粒率、垩白度根据《GB/T 17891-1999》；长宽比根据《GB/T 17891-1999》。

③食味品质：按米水比1 ∶1.4 蒸煮米饭，米饭煮熟2 h 后，用仪器SATAKE（日本生产）测定口感、硬度、粘度等指标。

④淀粉RVA 谱：稻米脱壳碾成精米、粉碎、过筛（100 目）；用 Super3 型 RVA 仪（澳大利亚生产）测定 RVA 谱，并用 TCW（Thermal Cycle for Windows）软件分析。

1.3 数据分析

Excel 2010、DPS 软件处理试验数据；多重比较采用最小显著性差异法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 3种水分管理方式和氮肥运筹对直播稻产量及其构成因素的影响

由表1可见，各水氮处理对直播稻产量的影响达极显著水平，且存在显著的互作效应。不同灌水方式和氮肥运筹处理下，产量以W2N1最高，为本试验直播稻最佳的水氮耦合运筹方式。W2和W1下，增加氮肥后移比例（达总施氮量的40%）虽会造成产量的降低，但减产不显著；随氮肥后移比例的增大（至N3运筹方式），会导致产量的显著下降。W3下，仍以N1处理产量最高，超过N2的氮肥运筹比例会导致产量显著下降；本结果表明，不同灌水方式在施氮量在150 kg/hm2条件下，直播稻氮肥后移比例过大和W3处理均会导致产量显著下降，氮肥后移比例可占总施氮量的20%～40%为宜。

表1 3 种水分管理方式和氮肥运筹比例对直播稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of three irrigation regimes and N application ratios on yield and its components of direct seeding rice

由表1还可看出，除每穗粒数外，各水氮处理对直播稻其他产量构成因素均有显著或极显著的影响，有效穗、总颖花数受氮肥运筹的影响高于灌溉处理，结实率及千粒重则相反。各灌水方式下，有效穗和总颖花数均值均呈 W2＞W1＞W3，且 W3处理有效穗数、总颖花数及结实率均不同程度的低于W2和W1处理。各氮肥运筹下，不同灌溉方式有效穗、总颖花数均随氮肥后移量的增加呈先增后降的趋势；W2下，N1和N2处理结实率和千粒重相对其他水氮处理优势不明显，可能总颖花数增多，提高了库容量的缘故，而W3下氮肥后移比例过大均会导致结实率和千粒重显著下降。从水氮处理间的交互作用来看，灌溉方式与氮肥运筹除对每穗粒数及结实率无显著交互效应外，对其他各产量构成因子均存在显著或极显著的交互效应。

2.2 3种水分管理方式和氮肥运筹对直播稻稻米品质的影响

2.2.1 对稻米加工品质和外观品质的影响

由表2可见，水氮处理对直播稻糙米率、整精米率、垩白度、垩白粒率均有极显著的互作效应，且氮肥运筹对各指标的影响明显高于灌水处理。各灌溉方式下，与N0相比，氮肥施用显著提高了糙米率和整精米率、显著降低了垩白粒率和垩白度、不同程度地提高了稻米长宽比。同一灌水方式各施氮处理对稻米加工品质和外观品质的影响不太一致；W1处理下，除整精米率外，糙米率、垩白粒率及垩白度均随氮肥后移比例的增加呈先优化后降低的趋势，综合以氮肥后移量40%为宜；W2处理下，整精米率、垩白粒率和垩白度随氮肥后移比例的增加均呈不同程度的恶化趋势，以氮肥后移量20%处理最优；W3处理下，随氮肥后移比例的增加糙米率和整精米率呈先增加后降低趋势，以氮肥后移量40%为宜，但同时会导致稻米垩白粒率及垩白度呈增加的趋势。

2.2.2 对稻米淀粉RVA 谱特征值的影响

由表3可见，水氮处理对直播稻稻米淀粉RVA谱的峰值黏度、热浆黏度、崩解值和冷浆黏度的影响均达极显著水平，且氮肥运筹除了对冷浆黏度和糊化温度的影响效应小于灌溉方式外，对淀粉RVA特征谱其余指标的影响均大于灌溉方式。各灌溉方式下，峰值黏度均值 W2＞W1＞W3；冷浆黏度均值 W1＞W2＞W3。同一灌溉方式下，与N0相比，施用氮肥降低了峰值黏度、热浆黏度、崩解值、冷浆黏度和糊化温度；随着氮肥后移比例的增加，回复值逐渐增大、冷浆黏度、峰值黏度和崩解值则逐渐变小，且氮肥后移比例由40%增加到60%时，热浆黏度、崩解值、冷浆黏度和回复值的变化均不显著。

2.2.3 对食味米质的影响

由表4可见，水氮处理除对口感和硬度互作效应不显著外，对其余蒸煮食味品质指标均存在显著或极显著的互作效应；氮肥运筹对黏度以外所有蒸煮食味指标的影响均大于灌溉方式。各灌溉方式下，施用氮肥处理与N0相比，蒸煮后稻米外观、口感、食味值和平衡均下降，降低了蒸煮食味品质；且随氮肥后移比例的增加，稻米口感和食味值也呈现下降趋势；弹性在氮肥后移20%时最大。同一灌溉方式下，氮肥运筹对硬度、黏度、平衡和弹性的影响不同；W2和W3下，硬度、黏度和平衡随氮肥后移比例增加而增大；W1下，硬度随氮肥后移比例增加呈现先增后降的趋势，黏度和平衡随氮肥后移比例增加而减少。

表2 3 种水分管理方式和氮肥运筹比例对直播稻加工品质和外观品质的影响Table 2 Effect of three irrigation regimes and N application ratios on milling quality and appearance quality of direct seeding rice

表3 3 种水分管理方式和氮肥运筹比例对直播稻淀粉RVA 谱特征值的影响Table 3 Effect of three irrigation regimes and N application ratios on RVA profile characteristics of direct seeding rice

表4 3 种水分管理方式和氮肥运筹比例对直播稻蒸煮食味米质的影响Table 4 Effect of three irrigation regimes and N application ratios on cooking and palatability rice quality of direct seeding rice

3 讨论

3.1 水氮互作对直播稻产量及其构成因素的影响

水分和氮肥是水稻生长发育过程中不可或缺的，前人关于水分或氮肥管理单一因素对于直播稻产量形成进行了大量研究[11-12]，关于二者耦合效应对直播稻产量及其构成因素影响的研究集中在水分和氮肥用量互作方面：贠宁晗等[13]研究表明，灌溉方式和氮肥用量互作可以通过改善水稻不同时期的光响应特征进而影响直播稻产量；张鸿等[14]研究也表明，灌溉方式和施氮量对直播稻产量存在极显著的互作效应；提出根据水稻品种不同，采用轻度的干湿交替配合品种特性施用氮肥可以有效提高产量。而在节水灌溉下，如何将确定的施氮量进一步优化运筹提高直播稻产量方面研究还很少。前人[6-7]关于水分和氮肥运筹对手插稻产量形成的影响进行了研究且结果表明，灌溉方式和氮肥运筹对移栽稻产量有明显的互作效应，各灌溉方式下，氮肥后移比例以总量的40%为宜不应超过60%；而本试验结果表明，水分和氮肥运筹互作对直播稻产量也存在明显的互作效应；但各灌溉方式下，氮肥后移比例以20%为宜不应超过40%，可以稳定直播稻产量；这与前人手插稻研究结果的差异应该是栽培方式导致的，由于直播稻根系在土壤中分布相对较浅，氮肥后移量较大不利于后期养分的吸收及高效利用，而且会加大倒伏的风险。

水稻产量与有效穗数、穗粒数、千粒重和结实率等密切相关，其中适宜的有效穗数是水稻高产的基础，有效穗数随氮肥后移量增加均表现为先增加后减少的趋势[6，15]，本试验表明直播稻有效穗数随氮肥后移比例的增加也呈先增后降的趋势，但直播稻有效穗随灌溉水分的减少则表现为先增后降的趋势，存在显著的水氮互作效应（见表1）。结实率和千粒重受品种、穗型、生态条件、水肥等因素的影响[6，15-18]，品种之间结实率差异较大。刘琦等[16]研究表明，中籼迟熟杂交稻比中籼中熟杂交稻、粳稻的结实率、千粒重大。大穗型品种较小穗型结实率低，且干旱、氮肥过高或者施用不合理均也会导致水稻千粒重和结实率下降[17]；而水氮互作对千粒重和结实率的影响研究集中在移栽稻方面且结果差异较大，李俊周等[18]研究表明，水氮总量一定时，移栽稻的千粒重随氮肥后移比例的增大而增大。孙永健等[6]研究表明，不同灌溉方式下，氮肥运筹对人工移栽杂交籼稻千粒重影响不同，旱种下千粒重随氮肥后移比例的增加呈下降趋势；而淹灌和干湿交替处理下随氮肥后移比例增加，千粒重呈先增后减的趋势；结实率随氮肥后移比例增加呈下降趋势。赵宏伟等[15]研究认为，同一灌溉方式下，人工移栽寒地粳稻千粒重和结实率随氮肥后移比例增加均表现为先增加后减少。本研究表明，灌溉方式对直播稻结实率和千粒重影响大于氮肥运筹；淹灌时千粒重随氮肥后移比例增加呈增加趋势；而干湿交替灌溉和旱种下，千粒重随氮肥后移比例增加表现为先增加后降低的趋势，但旱种下氮肥后移比例过大会导致结实率和千粒重显著下降。这可能由于结实率和千粒重具有区域品种特征[6，15]，且受土壤水分及氮肥条件[18-19]的影响，土壤非饱和含水量下，氮肥后移比例过大不仅会进一步降低土壤水势，形成双重胁迫；而且会减少氮肥从叶片、茎鞘向穗部转运[19]，导致结实率和千粒重显著下降。

3.2 水氮互作对直播稻稻米品质的影响

近年来，随着人们生活水平的提高，对稻米品质的重视越来越高。且稻米品质的研究多集中在传统移栽、机插等方面，大部分研究[20-22]表明灌溉方式与氮肥用量互作对稻米品质存在显著的互作效应；常规灌溉和节水灌溉下，增施氮肥会显著降低稻米外观品质；而干旱胁迫下，提高氮肥用量，可以改善稻米的加工、外观及食味品质。此外，灌溉方式和氮肥运筹互作对稻米品质报道较少[23]，尤其是食味米质的影响研究鲜见报道。前人关于灌溉方式和氮肥运筹单因素对稻米品质影响研究表明，适当增加穗肥比例能有效改善稻米的加工品质，但会使稻米的外观品质和食味品质变劣[24]；节水灌溉可以一定程度上改善稻米品质[25]。本研究表明，灌溉方式和氮肥运筹互作对直播稻稻米品质有显著的互作效应；且氮肥运筹对稻米品质的影响大于灌溉方式；氮肥后移比例过大（达到总量的60%）会降低稻米品质，但是通过适当的水分胁迫可以改善稻米的品质，这可能是由于氮肥后移比例过高，不利于水稻整个生育时期氮素的均衡吸收，从而导致稻谷贪青晚熟，降低了稻米的食味品质。另外，水分可以影响氮肥的肥效，水分胁迫下，稻株对氮肥吸收利用效率降低，在一定程度上，缓解了氮肥用量过大而导致其贪青晚熟的影响，达到以水调肥的效果，进而改善稻米食味品质。

灌溉方式、氮肥运筹对稻米品质的研究多集中在单一方面，前人多数研究[25-26]认为干湿交替或者氮肥后移比例增加均可改善稻米的加工品质；而灌溉方式或者氮肥运筹对稻米的外观品质影响较为复杂，结果差异较大。而二者互作对稻米加工及外观品质的影响鲜见报道。本试验表明，不同灌溉方式下，与不施氮肥相比，施用氮肥可以提高稻米加工与外观品质；淹灌下，适宜的氮肥后移可以改善水稻的外观品质；而土壤水分胁迫下，氮肥后移比例占总量的20%时稻米外观品质优。有研究表明[27]稻米外观品质与籽粒灌浆特性密切相关，所以水分和氮肥运筹互作对稻米外观品质的影响可能是由于水氮互作影响了水稻籽粒灌浆特性导致的。综合稻米加工品质和外观品质表现，干湿交替配合氮肥运筹基肥∶蘖肥∶穗肥为5 ∶3 ∶2 是本试验最优处理；淹灌下，氮肥后移比例以占总量的40%为宜；而旱种下稻米的加工品质与外观品质之间有一定的矛盾，氮肥后移占总量的20%虽然加工品质优，但是会降低稻米的外观品质。

此外，稻米淀粉RVA 谱是影响稻米蒸煮品质的重要因素[28]，有研究认为峰值黏度和崩解值大、回复值小且为负数的稻米，蒸煮食味品质较好[29]。淀粉RVA 谱特性是环境、品种和栽培方式共同作用的结果[30]，灌溉方式和氮肥运筹是常见的栽培管理措施。有研究[31]表明，干湿交替可以通过提高籽粒中蔗糖合成酶（SuS）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGP）、淀粉合成酶（StS）和淀粉分支酶（SBE）活性来增大峰值黏度和崩解值。成臣，胡群等[32，24]研究认为，随着氮肥后移比例增大，淀粉RVA 谱的峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度和崩解值逐渐降低，而消减值和回复值均呈升高的趋势，而关于二者互作对淀粉RVA 谱以及稻米蒸煮食味特性影响的研究较少。本研究表明，各灌溉方式下，施用氮肥降低了稻米的蒸煮食味品质，主要原因可能是施用氮肥会提高稻谷中蛋白质含量，而稻谷蛋白质含量增加往往会导致稻米蒸煮食味品质的下降；随着氮肥后移比例加，蒸煮稻米的外观、口感和食味值呈下降趋势，这可能是氮肥后移比例增加，增加了稻谷中蛋白质含量的同时又降低了峰值黏度、崩解值；增大回复值，淀粉RVA 谱的变化影响稻米的质地，使米饭较硬而弹性变小；水氮互作是如何影响直播稻结实期籽粒灌浆，进而影响稻米淀粉RVA 谱及食味米质的有待进一步研究。

4 结论

灌溉方式和氮肥运筹对直播稻产量、加工品质、外观品质、RVA 谱、食味米质均存在显著或极显著的互作效应。综合稻米的产量和品质，在施氮量150 kg/hm2条件下，直播稻产量以及稻米品质以干湿交替配合氮肥运筹基肥∶蘖肥∶穗肥为5 ∶3 ∶2处理最优。淹灌下，氮肥后移比例以总量的20%～40%为宜；旱种下，以氮肥后移占总量20%为宜。