不同施肥处理下水稻根系与稻米品质的关系研究

尚振西，边嘉宾，陈帅君，孙瑞祥

不同施肥处理下水稻根系与稻米品质的关系研究

尚振西1a，边嘉宾1a,1b,通信作者，陈帅君1a，孙瑞祥2

（1. 天津农学院a. 农学与资源环境学院，b. 科技处，天津 300392；2. 天津台格土宝农业科技有限公司，天津 301711）

根系是吸收养分及水分的主要器官，根系形态与活性影响水稻的生长发育、产量及品质形成。为探讨水稻根系形态与稻米品质的关系，选取优质稻米品种‘津原E28’为试验材料，采用盆栽方法设置7个处理，研究在不同施肥处理条件下，水稻在3个主要时期的根系形态与稻米品质的关系。结果表明：在水稻最高分蘖期，施用复合肥处理的根尖数与对照组有明显差异，二次支梗糙米率与根尖数呈极显著负相关，且一次支梗籽粒的直链淀粉含量、二次支梗籽粒的直链淀粉含量与根尖数呈显著负相关，施用复合肥处理的一次支梗籽粒的直链淀粉含量比对照组减少了2.8%；在灌浆期，二次支梗籽粒的直链淀粉含量与水稻根系体积呈显著正相关。表明稻米品质受根系形态的影响，在最高分蘖期，稻米品质会随根尖数的增加而有所提升；而在灌浆期，稻米品质则随根系继续生长而降低。从施肥情况来看，施用复合肥的水稻长势最好，且稻米的品质也相对较好，但无机肥施用过多会对土壤和植物造成一定的负面影响。今后，还应在有机肥和无机肥配合施用对水稻产量和品质的影响方面作进一步研究。

水稻；根系形态；施肥处理；品质；食味

随着我国人民生活水平的不断提高和水稻生产的不断发展，人们越来越趋向于追求食用高品质稻米。因此在水稻的生产和科研过程中，其主要目标也发生了改变，由过去以产量为主转变为产量与品质并重[1]。

目前，中国在水稻品种审定中所涉及的品质指标主要包括碾磨品质、外观品质、蒸煮食味品质及营养品质4个方面[2]。稻米的长宽比与垩白度是稻米外观品质的主要构成要素，是决定稻米商品价值最直观的首要性状。少或无垩白以及长粒形稻米的商品价值相对较高[3]。直链淀粉含量是影响蒸煮与食味品质的主要因素，胶稠度通常与直链淀粉含量呈负相关，而糊化温度与稻米蒸煮和食味品质的关系较为密切[3]。

根系不仅是植株养分和水分吸收的重要器官，也是许多信号物质转化、同化或合成的场所，以及和地上部物质交换的重要器官。根系的形态与活力会直接影响水稻的生长发育、产量和营养水平[4]。作为水稻科学的重要组成部分，水稻根系的研究也一直受到农学、遗传育种等科技工作者的重视[5]。目前，国际上已将根系研究作为进一步提高农作物生产力的一个极具有潜力的基础性科研课题[6]。根据前人的研究可知，水稻根系形态对产量具有重要影响，尤其是抽穗期根系形态与产量关系极为密切[7]。刘红江等[8]研究表明，在水稻抽穗期以及抽穗20 d后，产量与不定根数、不定根总长度、根体积均呈正相关关系，且多达显著水平。郭保卫等研究认为，根系体积、根干质量密度与产量极显著相关[9]。但由于根系对产量的作用是一个间接、复杂的作用，且根系自身参数变化也彼此影响，因此，很难用几个根系参数简单的线性相加或几何相加来描述根系与产量的复杂关系[10]。

水稻根系是吸收养分的器官。因此，养分的施用量、施用方式以及施用时间等与水稻根系的生长发育状况有直接关系[11]。孙浩燕等[12]研究认为，总根长、总根表面积、总根体积均受施肥方式、氮肥用量的显著影响，且两者交互作用也达显著水平。付瑶瑶[13]研究认为，经过施肥处理的水稻有效穗数比不施肥处理显著增加，且增施有机肥可显著增加水稻的每穗粒数。根据前人研究结果证明，稻壳可作为水稻的育秧基质，来实现废物利用、增加农业收入、改善生态环境，且可节省秧土30%～40%，减轻对土壤资源的破坏[14]。而米糠作为糙米精制后得到的副产物，由稻米的皮层、胚、糊粉层和少量胚乳组成，含有较高含量的脂肪、蛋白质、膳食纤维；此外，矿物质、维生素E、谷维素等生理活性物质含量也很丰富[15]。因此，米糠可作为有机肥料为水稻提供养分，促进水稻增产增收。同时，米糠还可抑制杂草的生长，减少化学农药的利用。

本研究以有机肥（稻壳和米糠）与复合肥为施用肥料，探究在不同种类有机肥施用方式下，高效吸收利用肥料水稻的根系形态以及根系形态与稻米品质的关系，揭示水稻根系形态建成与稻米品质的关系，为研究优质高产稻米的栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种选用天津市国家级原种场选育的常规粳米品种‘津原E28’。

1.2 试验方法

试验在天津农学院网室进行，供试土壤取自天津市宝坻区黄庄农场，置于直径为30 cm的桶内。2018年4月20日播种，5月31日采用人工插秧方式将水稻秧苗移栽到试验盆中，单株插秧，第2天进行施肥处理。根据施肥种类的不同，设置施肥梯度，分别为不施用任何肥料（对照）、施用稻壳、施用米糠（设置4个水平，米糠施用量依次增加）、施用复合肥共7个施肥水平，分别用K、C、M1、M2、M3、M4、M5表示，即：不施用任何肥料、施用293.90 g（10 399.85 kg/hm2）稻壳、施14.13 g（500 kg/ hm2）米糠、施28.26 g（1 000 kg/ hm2）米糠、施42.39 g（1 500 kg/hm2）米糠、施56.52 g（2 000 kg/hm2）米糠、施复合肥19.20 g（N-P2O5-K2O＝18∶22∶8，施肥总量679.41 kg/ hm2，其中N 122.29 kg/ hm2、P2O5149.47 kg/ hm2、K2O 54.35 kg/ hm2）。每个试验盆内种植4株水稻，每周进行水稻生长情况调查。在水稻整个生育时期内，均未施用任何农药和化学除草剂。

1.3 根系形态调查

根系形态调查分别在水稻的最高分蘖期、灌浆期、抽穗期进行。每个时期取各处理4株水稻根系，清洗干净后，将根系从茎上剪下，逐一摆在扫描盘上，并保证每条根都不重叠，然后用Epson Expression 10000XL 3.49根系扫描仪（精工爱普生公司）测定水稻总根长、总根表面积、总根体积及根尖数等性状指标。

1.4 稻米品质测定

待水稻自然成熟后，进行人工收获，将收获的水稻带回实验室进行脱壳、碾米后（KMT-400B6磨米机，韩国HIGERN Motor Co. Ltd. 公司），进行各性状测定。所测量的品质性状包括稻米碾磨品质的糙米率；外观品质包括整精米率、长宽比、垩白粒率、垩白度（RGQ120型颗粒评定仪，日本SATAKE公司）；蒸煮食味品质采用RVA-4型快速黏度分析仪（澳大利亚Newport公司）进行RVA特征值的测定，并采用TWC（thermal cycle for windows）配套软件进行分析，记录其数据；直链淀粉含量采用AA3连续流动分析仪（德国Bran Luebbe公司）测定。

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010录入和整理，并用SPSS 22.0数据统计分析软件进行方差分析与相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻根系形态的影响

由表1可以看出，在水稻灌浆期，各施肥处理的总根表面积、总根长、总根体积均高于不施肥处理（K）。在水稻最高分蘖期，复合肥处理的总根表面积、总根长、总根体积与其他处理均存在显著差异，而其他处理间差异未达显著水平；施用复合肥（M5）与米糠处理的根尖数与对照组有明显差异，而稻壳处理的根尖数与对照组无明显差异。在抽穗期，施用复合肥的总根体积与其他处理差异显著，而施用米糠与稻壳（C）处理的总根体积与对照组均未达到显著水平；M5处理的总根表面积与M4处理的总根表面积存在显著性差异，且与对照组差异较大；而其他各处理的总根表面积均未达到显著水平。在灌浆期，总根体积各处理表现为M5＞M1＞M4＞M2＞M3＞C＞K，M5处理总根体积最大，且与对照组差异较大；总根表面积各处理表现为M1＞M3＞M4＞M5＞M2＞C＞K，即施用米糠处理（M1、M2、M3、M4）的根表面积较大，且与对照组有明显差异；施用米糠与复合肥的根尖数与对照组有明显差异。

总体上看（表1），施用复合肥对水稻根系生长的促进作用最为明显。尤其在水稻最高分蘖期，与其他施肥处理相比，施用复合肥对总根表面积、总根长、总根体积影响较大，有促进作用。施用米糠与稻壳的水稻根系相较于对照组也有所提高，但与施用复合肥处理的水稻根系相比，提升能力则较弱。

表1 各时期不同施肥方式对水稻根系形态差异性比较

注：不同小写字母表示在5%水平上存在显著性差异；*、**、***分别表示在5%、1%、0.1%水平上存在显著性差异；ns表示无显著性差异。下同

2.2 不同施肥方式对稻米品质的影响

淀粉崩解值是鉴定稻米食味的因素，可反映淀粉热糊的稳定性，即抗剪切和耐热性能。由表2可以看出，施用复合肥处理（M5）的崩解值最低、糊化温度最高，且明显不同于其他处理，而施用稻壳处理（C）与施用米糠处理的崩解值无明显差异。说明M5处理的稻米在蒸煮过程中，其热糊稳定性好，淀粉颗粒强度较大，不容易破裂。施用复合肥处理稻米的消减值与施用米糠处理的消减值存在显著差异。说明M5处理稻米淀粉的老化速 率最快。M1处理与M2、M4处理的最终黏度存在显著差异，M5处理与C处理的最终黏度也存在显著差异。M5处理与C处理的峰值黏度与低谷黏度都存在明显差异。

表2 不同处理的RVA差异性比较

由表3可以看出，M5处理的一次支梗籽粒的直链淀粉含量最低，且明显低于M1、M3、M4处理的一次支梗籽粒的直链淀粉含量。M1处理与M3处理的二次支梗籽粒的直链淀粉与对照组存在显著性差异，而M2处理与M4处理的二次支梗籽粒的直链淀粉与对照组无显著性差异。M5处理的二次支梗籽粒的直链淀粉与M1、M3处理的二次支梗籽粒的直链淀粉存在显著性差异，且二次支梗籽粒的直链淀粉明显低于M1、M3、M4处理。

表3 不同处理的水稻直链淀粉含量差异性比较 %

2.3 不同施肥方式对稻米外观品质的影响

由表4可以看出，各处理间的一次支梗长宽比与二次支梗长宽比并无明显差异，说明施肥方式对稻米长宽比的影响不大。M1处理的一次支梗垩白度与其他施用米糠处理的稻米一次支梗垩白度存在显著性差异，且高于其他处理。米糠处理的稻米一次支梗垩白度与复合肥处理存在显著性差异。M5处理的一次支梗垩白度最低，且明显低于其他处理。而施用复合肥的稻米一次支梗垩白度明显低于施用米糠的稻米，说明M5处理的一次支梗稻米的外观品质更加优质。而M1处理的二次支梗垩白度与其他处理有显著性差异，且高于其他处理，说明M1处理的二次支梗稻米的外观品质次于其他处理。施用复合肥的一次支梗表面积与二次支梗表面积与其他处理有明显差异，米糠处理与稻壳处理的一次支梗表面积差异未达到显著水平。

表4 不同处理稻米外观品质差异性比较

2.4 水稻各时期根系形态与稻米品质的相关性

从表5可以看出，水稻根尖数与稻米的品质性状之间具有一定的相关性。在最高分蘖期，稻米一次支梗籽粒的直链淀粉含量（＝0.010）、二次支梗籽粒的直链淀粉含量（＝0.044）、二次支梗糙米率与根尖数呈显著负相关。其中，二次支梗糙米率（＝0.006）与根尖数呈极显著负相关。而在水稻生长后期，稻米品质与水稻的根尖数相关性减弱。在灌浆期，稻米品质的各性状指标，特别是二次支梗的品质指标与水稻的总根体积存在一定相关性（表6）。稻米二次支梗籽粒的直链淀粉含量（＝0.024）、二次支梗的糙米率（＝0.020）与水稻总根体积呈显著相关。

表5 水稻各时期根尖数与稻米品质相关性

表6 灌浆期水稻根体积与稻米二次支梗品质的相关性

3 讨论

3.1 水稻各个时期根系形态变化

水稻根系形态会随水稻植株的生长发生变化，从而在不同时期为水稻地上部及时提供所需的水肥营养。特别是在水稻繁殖生长阶段，合理的水肥管理有助于稻米品质的提升与产量的提高。若使水稻根系在生育后期还能源源不断地为植株提供水肥，那么在栽培管理上，既要在前期构建好根系形态系统的基础，后期又要设法减缓根系衰老和死亡进程，以维持一定的须根数量和较强的活性，使水稻在生育后期还可以保持强大的根系，为提升稻米产量与品质提供有利的支持[16]。

本试验主要研究了水稻根系的总根表面积、总根长、总根体积、根尖数这4项指标在不同时期所呈现的不同形态特征。根据前人研究结果，在不同生育期植株对氮、磷、钾的需求也不相同。对氮、磷、钾的吸收量均随植株生长量的逐渐加大而迅速递增，尤其是拔节后随着营养生长与生殖生长并进，达到养分吸收最高峰，之后对各种养分的吸收量平稳下降至成熟后分布在茎叶和籽粒中[17]。了解并掌握各个时期水稻根系形态特征，有助于水稻营养吸收，保证稻米的品质。本试验中根表面积、根体积、根尖数总体上均在抽穗期之前呈上升状态，而在抽穗期之后，水稻根系则趋于稳定。水稻根长则是在最高分蘖期达到顶峰状态，而后趋于平稳。

3.2 根系对稻米外观品质的影响

稻米的外观品质是稻米最直观的表现。不同水稻品种粒形相差较大，食味也有所差异。一般认为稻米为长粒形的品种米质较好，而一味追求长粒会出现整精米率下降，粒宽太大时会出现垩白增大现象，只有当谷粒的长宽比在一个合理的范围内，同时千粒重在适当的水平，才是优质米育种的目标[18]。本研究结果显示，水稻外观品质的长宽比、垩白度、表面积没有明显的相关关系，且各处理的一次支梗长宽比与二次支梗长宽比并无明显差异，说明施肥方式对稻米长宽比的影响不大。

3.3 根系对稻米品质食味的影响

水稻根系作为多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所，是构成稻米品质的水分、养分吸收的重要器官，对稻米品质有很大影响[19]。由本研究结果可以看出，在最高分蘖期，水稻一次支梗籽粒的直链淀粉含量、二次支梗籽粒的直链淀粉含量与根尖数呈显著负相关，说明水稻的一次支梗籽粒的直链淀粉含量、二次支梗籽粒的直链淀粉含量随分蘖期根尖数的增加而减少。稻米的糙米率与根尖数呈极显著负相关，说明水稻的糙米率随根尖的增加而降低。在灌浆期，稻米二次支梗籽粒的直链淀粉含量与根系体积呈正相关，说明二次支梗籽粒的直链淀粉含量随根体积的增加而增加。直链淀粉含量是稻米的主要品质指标之一，也是影响米饭适口性的主要因素。直链淀粉含量高，则会降低米饭的可口性。因此，适当降低直链淀粉含量对培育水稻食味优质新品种显得尤为重要[20]。直链淀粉含量与峰值黏度、热浆黏度、崩解值中至少一种指标呈显著或极显著负相关，而与冷胶黏度、消减值、回复值、峰值时间中至少一种指标呈显著或极显著正相关[21]。而本研究中并未发现水稻的根系形态特征与稻米的峰值黏度、热浆黏度、崩解值、冷胶黏度、消减值、回复值等RVA值有显著的相关性，仍需要进一步的研究。

4 结论

本试验通过研究不同施肥处理条件下水稻根系形态与稻米品质的变化，发现在最高分蘖期，稻米的品质食味随根尖数的增加而提升；在灌浆期，稻米的品质食味随根系体积的增加而提升。因此，注重这两个时期的水肥管理，有助于稻米品质的提升。而对于水稻施肥情况来看，施用复合肥的水稻长势最好，且稻米品质也相对较好，但无机肥施用过多会对土壤与植物有一定的负面影响。而有机肥相较于无机肥具有一定的优势，有利于土壤的改良与植株品质的提升，但常因肥效慢而被弃用。今后，还应在有机肥和无机肥配合施用对水稻产量和品质的影响方面作进一步研究。

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Relationship between rice root system and rice quality under different fertilization treatments

Shang Zhenxi1a, Bian Jiabin1a,1b, Corresponding Author, Chen Shuaijun1a, Sun Ruixiang2

（1. Tianjin Agricultural University, a.College of Agronomy and Resources Environment, b. Department of Scientific Research, Tianjin 300392, China; 2.Tianjin Taige Tubao Agricultural Technology Co. Ltd., Tianjin 301711, China）

In this experiment, the high quality rice variety ‘Jinyuan E28’ was selected as the experimental material. Seven treatments were set up by potted rice method to study the relationship between root morphology and rice quality in three main stages under different fertilization treatments. The results showed that at the highest tillering stage of rice, the brown rice rate of secondary branch was negatively correlated with the number of root tips, and the amylose content in primary branch and secondary branch was negatively correlated with the number of root tips. The amylose content in primary branch of rice treated with compound fertilizer decreased by 2.8% compared with the control group. At grain filling stage, amylose content in secondary branches of rice was positively correlated with root volume, which indicated that the quality of rice was affected by root morphology. Therefore, at the highest tillering stage of rice, the quality of rice will be improved with the increase of root tips, while at the filling stage, the quality of rice will decrease with the continuous growth of root system.

rice; root morphology; fertilization treatment; quality; palatability

1008-5394（2020）04-0001-06

10.19640/j.cnki.jtau.2020.04.001

S511

A

2020-08-10

天津市一二三产业融合发展科技示范工程项目（18ZXYENC00140）；天津市农村科技帮扶工程项目（18ZXBFNC00330）；天津市企业科技特派员项目（19JCTPJC60500）；天津市高等学校大学生创新创业训练计划项目（201810061129）

尚振西（1997—），男，本科在读，主要从事水稻栽培方面的研究。E-mail：1126458333@qq.com。

边嘉宾（1977—），男，副研究员，博士，主要从事水稻有机栽培和品质、食味育种方面的研究。E-mail：bjb20042002@163.com。

责任编辑：宗淑萍