水氮互作下直播稻结实期冠层小气候与米质的关系

武云霞 郭长春 孙永健,* 刘芳艳 杨志远 孙园园 王明田 马均

水氮互作下直播稻结实期冠层小气候与米质的关系

武云霞1, 2郭长春1孙永健1,*刘芳艳1杨志远1孙园园3王明田4马均1

(1四川农业大学 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；2四川省泸州市泸县现代农业园区管理委员会, 四川 泸县 646100;3中国气象局 成都高原气象研究所，成都 610072;4四川省气象台，成都 610072;*通信联系人，E-mail:yongjians1980@163.com)

【】结实期田间穗部冠层小气候是水稻生长发育最直接的微环境因子，水分和氮肥运筹通过影响水稻群体构建进而影响水稻田间冠层小气候，研究水氮互作对直播稻结实期冠层小气候及稻米品质的影响，可以丰富和完善直播稻水氮管理技术。以杂交稻F优498为试材，通过淹灌(W1)、干湿交替(W2)、旱种(W3)3种灌水方式及底肥∶蘖肥∶穗肥质量比分别为5∶3∶2(N1)、3∶3∶4(N2)、3∶1∶6(N3)3种氮肥运筹模式，研究水氮互作对直播稻灌浆结实期冠层温度、光照强度及稻米品质的影响；并探讨水氮互作下直播稻灌浆结实期穗部冠层小气候特征与米质的关系。水氮互作对稻米加工、外观及食味品质均存在显著或极显著的影响。各灌水方式在150 kg/hm2施氮量下，氮肥后移比例均以占总施氮量的20%最优，且与W2处理耦合可进一步改善稻米品质。各灌溉方式下，氮肥后移比例增加到总量的60%时，会导致直播稻灌浆结实期温差、总温差、积温、有效积温、光照强度及米质下降。水氮互作下穗部冠层小气候与加工品质及蒸煮食味品质关系密切，温度对整精米率的影响大于光照强度，且有效积温与整精米率相关性最高；光照强度与稻米蒸煮食味品质的外观、口感以及综合评分关系最密切初步探明，水氮互作会通过改变直播稻冠层小气候进而影响稻米品质。可为直播稻提质丰产增效提供理论依据与实践基础。

直播稻; 灌溉方式; 氮肥运筹; 冠层小气候; 米质

冠层是水稻源库交流之地，相对于大气候而言，冠层小气候范围小、变化幅度大，且受人为活动干扰大[1]。品种的选育与选用、栽培方式[2-3]会对作物冠层的构建以及冠层小气候产生影响，而水稻栽培方式中，直播稻因为可以节省大量的人力物力资源，是未来水稻栽培的方向。常见的田间管理措施如肥料[4-5]和水分[6]会直接影响作物的群体生长发育，从而影响农作物的冠层小气候。彭小光[4]研究表明，氮肥会通过影响水稻群体的叶面积指数，从而造成冠层内日最高温的变化，且随着氮肥用量的增加，冠层日最高温降低。He等[5]研究表明，氮肥用量大会使水稻群体小气候温湿度昼夜变幅减小，导致减产。何生兵[6]研究发现，不同灌水模式对稻田冠层小气候影响显著，控制灌溉模式下株间空气湿度减小，昼夜温差变大。前人关于水氮对水稻冠层小气候的影响集中在氮肥、水分单一因素方面，而关于二者互作对水稻田间冠层小气候影响的研究还未见报道。稻米品质是由内部遗传因素与外部环境综合作用产生的，其中气象条件是影响稻米品质的重要环境因素[7-9]。大范围的环境气象通过改变稻田中的小气候，进而影响稻米品质。因此，灌浆结实期冠层小气候对稻米品质的影响更加直接。人类很难改变大环境气候，但冠层小气候受不同株型品种的选用、栽培措施等人工调控影响较大。因此，探明水稻群体中冠层小气候特征及其对稻米品质的影响，解析改善群体冠层小气候的调控途径，进而丰富直播稻水氮提质丰产高效管理体系[10]。为此，本研究设计三种灌溉方式和三种氮肥运筹处理，研究灌溉方式和氮肥运筹互作对直播稻灌浆结实期冠层小气候以及稻米品质的影响；并探讨水氮互作下，直播稻稻米品质与灌浆结实期冠层小气候的关系，为改善直播稻品质提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在前面研究[11-13]确定稳产高效施氮量(150 kg/hm2)基础上，2018年和2019年分别在四川农业大学成都温江水稻研究所试验农场和崇州区四川农业大学现代农业研发基地开展试验。崇州区四川农业大学现代农业研发基地耕层(0~20 cm)土壤质地为砂质壤土，含有机质25.6 g/kg、全氮1.71 g/kg、速效磷25.2 mg/kg、速效钾154.68 mg/kg。供试品种为F优498(中籼迟熟型杂交稻，生育期147~152 d)，利用水直播机(型号为2BDXS-10CP)进行机械直播，4月22日播种，9月3日收获。每个小区面积15 m2，行株距25 cm×20 cm，每个处理重复3次。试验设计为裂区处理，主区为3种灌水方式，副区为3种氮肥运筹以及不施氮处理。3种灌水方式如下：

1) 淹灌(W1)：从直播稻2叶1心时开始灌水处理，水层一直保持在1~2 cm，水稻成熟前1周自然落干；

2) 干湿交替(W2)：从直播稻2叶1心时开始灌水处理，每次灌溉水层1~2 cm再自然落干至−25 kPa土壤水势时再灌水，用真空表式土壤负压计(中国科学院南京土壤研究所生产)测定土壤水势；

3) 旱种(W3)：在−40 kPa土壤水势时灌透水，且要求地表不积水为宜。

3种氮肥运筹模式：基肥(播种前1 d)∶蘖肥(播种后22 d)∶穗肥(播种后70 d)分别为5∶3∶2(N1)、3∶3∶4(N2)、3∶1∶6(N3)，并设不施氮处理(N0)。磷肥(过磷酸钙)当作底肥，施用量(折合P2O5) 75 kg/hm2，钾肥(氯化钾)按照基肥∶穗肥为1∶1分两次施用，施用量(折合K2O) 150 kg/hm2。相邻小区间修筑40 cm的埂子，埂子用塑料薄膜包裹（防止小区间水肥流窜），每次灌水量要准确记录，灌溉方式相同的小区要确保灌水量每次一致。其他田间管理措施按大田生产进行。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 冠层小气候

抽穗前各小区安装美国生产的HOBO仪器(MX2301温度计，MX2305光照强度计)，高度在穗子的1/2处。在冠层上方1.0 m处放置仪器MX2301读取大气温度，仪器MX2305测定大气光照强度。调节仪器每隔10 min记录1次数据直至水稻收获，用手机蓝牙读取及导出数据后，计算总温差、昼夜温差、积温、有效积温及日均光照强度。总温差= ∑(一天中最高温度－最低温度)；昼夜温差=总温差/天数；积温=∑日平均10℃以上温度；有效积温=∑(日平均温度－10)。

W1－淹灌; W2－干湿交替灌溉; W3－旱种; N1－底肥∶蘖肥∶穗肥为5∶3∶2; N2－底肥∶蘖肥∶穗肥为3∶3∶4; N3－底肥∶蘖肥∶穗肥为3∶1∶6; W×N－水分管理方式和氮肥运筹互作。

Fig. 1. Effects of water management mode and N application ratio on daily canopy temperature during grain filling stage of directly seeded rice.

1.2.2 米质测定

自然阴干3个月后的稻谷，用相同风选机相同风量风选，去除杂粒，依据《GB/T 5495－2008》测定出糙率，依据《GB/T 21719－2009》测定整精米率；根据《GB/T 17891－1999》测定垩白粒率、垩白度，根据《GB/T 17891－1999》测定长宽比；用仪器SATAKE(日本生产)测定口感、硬度、黏度等食味指标。

1.3 数据分析

数据用DPS 6.5、Microsoft Excel处理；并用SigmaPlot 12.0作图。

2 结果与分析

2.1 水分管理方式和氮肥运筹互作对直播稻灌浆结实期冠层日温度的影响

由图1可知，直播稻灌浆结实期不同处理的日温度变化趋势基本一致，在22℃到35℃之间且与大气温度变化相同，早晚温度低，中间温度高呈明显的单峰曲线，且最高峰温度出现在16:00附近。各灌溉方式下，随氮肥后移量的增加，日最高温逐渐降低，而最低温度变化不大，所以温差随氮肥后移比例增大而减小。根据直播稻灌浆结实期温度计算日均温差和总温差(表1)，灌溉方式和氮肥运筹对直播稻日均温差有极显著的互作效应，对总温差有显著的互作效应。各灌溉方式下，随氮肥后移比例的增加，直播稻灌浆结实期的日均温差与总温差均表现为逐渐降低。淹灌处理的温差和总温差较干湿交替灌溉和旱种低。

表1 水分管理方式和氮肥运筹对直播稻灌浆结实期冠层温度的影响

W1－淹灌; W2－干湿交替灌溉; W3－旱种; N1－底肥∶蘖肥∶穗肥5∶3∶2; N2－底肥∶蘖肥∶穗肥3∶3∶4; N3－底肥∶蘖肥∶穗肥3∶1∶6; W×N－水分管理方式和氮肥运筹互作; 在0.05和0.01水平上差异显著分别用*, **表示。下同。

W1,Flooding irrigation; W2, Dry-wet alternative irrigation; W3, Drying; N1, Basal fertilizer: fertilizer for tillering: fertilizer for panicle initiation 5∶3∶2; N2, Basal fertilizer: fertilizer for tillering: fertilizer for panicle initiation 3∶3∶4; N3, Basal fertilizer: fertilizer for tillering: fertilizer for panicle initiation 3∶1∶6; W×N, Water management mode and N application interaction; *, ** significant interation at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. The same as below.

2.2 水分管理方式和氮肥运筹互作对直播稻灌浆结实期冠层温度的影响

由图2可知，直播稻灌浆结实期日均温度变化趋势基本一致，且日均温度在20℃到29℃之间。各灌溉方式下，与其他氮肥处理以及不施氮肥相比，氮肥后移达到总量的60%灌浆结实期直播稻冠层日均温度降低。根据直播稻灌浆结实期日均温度计算积温和有效积温(表1)，灌溉方式和氮肥运筹对积温和有效积温有显著的互作效应。各灌溉方式下，氮肥后移比例20%与40%处理的积温和有效积温高于氮肥后移60%与不施氮肥。各氮肥运筹下，直播稻干湿交替处理灌浆结实期冠层的积温和有效积温高于淹灌，旱种最低。

2.3 水分管理方式和氮肥运筹互作对直播稻灌浆结实期冠层光照强度的影响

由图3可知，直播稻灌浆结实期的日均光照强度变化趋势基本一致，在且光照强度为0~2250 Lx。各灌溉方式下，相对其他氮肥处理以及不施氮肥，氮肥后移比例达到N3处理会使光照强度降低。这可能是因为氮肥后移比例过大，直播稻植株叶片面积增大，相互遮挡，减少阳光射入。

2.4 水分管理方式和氮肥运筹互作对直播稻加工品质及外观品质的影响

由表2可见，灌溉方式和氮肥运筹互作对直播稻加工品质的糙米率、整精米率以及外观品质的垩白度、垩白粒率均有显著或极显著的影响，且对各指标的影响氮肥运筹处理大于水分管理方式。各灌溉方式下，施氮处理的直播稻糙米率均值提高；垩白粒率和垩白度显著降低，同步改善了稻米的加工以及外观品质。氮肥运筹对直播稻稻米加工以及外观品质的影响与灌溉方式密切相关。随着氮肥后移比例的增加，W1处理整精米率呈现先增加后降低的趋势，垩白度和垩白粒率升高；W2处理整精米率表现为降低但差异不显著，垩白度和垩白粒率表现为先显著升高后显著降低，W2处理下，综合直播稻加工与外观品质来看，氮肥后移比例20%为宜，也是最优组合；W3下，糙米率以及整精米率均值呈现先增加后降低的趋势但是差异均不显著，垩白度和垩白粒率表现为先显著降低后显著上升，W3处理下，综合直播稻加工与外观品质来看以氮肥后移40%为宜。

2.5 水分管理方式和氮肥运筹互作对直播稻蒸煮食味品质的影响

由表3可见，灌溉方式和氮肥运筹互作对除硬度外的稻米蒸煮食味指标均有显著或极显著的互作效应。对外观、口感、综合评分、硬度、平衡、弹性的影响，氮肥运筹均大于灌水方式。各灌水方式下，施用氮肥与不施用氮肥相比会使直播稻稻米蒸煮食味品质变劣，具体表现为蒸煮后的稻米外观、口感和食味值均下降，且各灌溉方式下，稻米外观、口感和食味值均值随氮肥后移比例的增加也呈现下降趋势。各灌溉方式下，增加氮肥后移比例到40%或者60%相对于氮肥后移比例20%可以不同程度上增加稻米的硬度。节水灌溉下，弹性均以氮肥后移20%最高。

图2 水分管理方式和氮肥运筹对直播稻灌浆结实期冠层日均温度的影响

Fig. 2. Effects of water management mode and N application ratio on daily mean canopy temperature during grain filling stage of directly seeded rice.

表2 水分管理方式和氮肥运筹对直播稻稻米加工品质和外观品质的影响

各灌水方式下不同字母表示氮肥运筹在5%水平上差异显著。W－水分管理方式; N－施氮运筹; W×N－水分管理方式和氮肥运筹互作。在0.05和0.01水平上差异显著分别用*, **表示。下同。

Values followed by different letters are significantly different at<0.05. W, Water management mode; N, N application operation; W×N, Water management mode and N application interaction. *, ** Significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. The same as below.

图3 水分管理方式和氮肥运筹对直播稻灌浆结实期冠层日均光照强度的影响

Fig. 3. Effects of water management mode and N application ratio on light intensity of directly seeded rice during grain filling stage.

表3 水分管理方式和氮肥运筹对直播稻米蒸煮食味品质的影响

表4 水氮互作下直播稻结实期冠层小气候与米质指标相关性

2.6 水氮互作下直播稻结实期冠层小气候与米质的关系

由表4可知，水氮互作下，直播稻整精米率与日均温差、总温差、有效积温均显著正相关，有效积温与整精米率的相关性最高；垩白度和垩白粒率与日均温差及日均光照强度呈显著负相关，这可能与研究区域四川盆地“弱光寡照、昼夜温差小”的生态特点有关。稻米蒸煮食味品质的外观、口感、综合评分与日均温差、总温差、有效积温以及日均光照强度均显著或极显著正相关，其中，综合评分与日均光照强度的相关性最高，与日均温差相关性次之。

3 讨论

3.1 水氮互作对直播稻稻米品质的影响

稻米品质是综合性状，不同的时代、不同的区域以及不同的用途有不同的评价标准。稻米品质是品种遗传特性与环境条件共同作用的结果。黎星等[14]研究表明，施氮量的增加可以改善稻米品质。本研究表明，各灌溉方式下，施肥可以改善直播稻的加工、外观以及蒸煮食味品质，这丰富和完善了前人的结论[14]。周婵婵等[15]研究表明，干湿交替灌溉可以提高移栽稻稻米品质。本研究表明，相对于旱种，干湿交替可以提高直播稻稻米外观品质；淹灌可以提高直播稻蒸煮食味品质；而灌溉方式对直播稻加工品质的影响受到氮肥运筹的影响，与前人[15]研究结果的差异可能是栽培方式不同导致的，直播稻相对移栽稻来说，营养生长时间明显缩短，灌浆结实期的温度、光照等外部环境差异大。季红娟等[16]研究表明，增加氮肥后移比例会降低直播稻的外观品质。本研究表明，氮肥运筹对直播稻外观品质的影响与灌溉方式有关，淹灌条件和干湿交替情况下，减少氮肥后移比例(氮肥总量的20%)相对其他氮肥处理可以改善直播稻的外观品质，且氮肥后移比例从40%增加到60%时垩白粒率差异不显著；旱种下随氮肥后移比例增加，直播稻垩白度和垩白粒率呈现先显著下降后显著增加的趋势，以氮肥后移40%为宜，丰富和完善了前人的研究结果[16]。这可能是因为灌溉方式可以调节施用的氮肥的肥效，影响水稻对氮肥的吸收利用和水稻的生长发育，进而改善直播稻冠层小气候，最终引起稻米品质的变化。此外，本研究还表明，各灌溉方式下，直播稻蒸煮食味的外观、口感及综合评分均随穗肥比列的增加呈现逐渐下降的趋势，这应该是由于直播稻过高的氮肥后移比例会增加直播稻籽粒中氮素含量，而水稻籽粒氮素含量与稻米蒸煮食味品质呈显著负相关关系[17]。

3.2 水氮互作对直播稻灌浆结实期冠层小气候的影响

水稻田间冠层小气候是水稻生长发育最直接的环境，可以通过水稻生长发育，进而影响水稻产量与品质。前人研究表明，灌溉方式[6,9,18]、氮肥用量[4-5, 19]、氮肥运筹等均对水稻冠层小气候有影响。本研究结果表明，水氮互作对直播稻冠层小气候有影响，节水灌溉下，直播稻冠层温度呈早晚低，中间高的单峰曲线，与大气温度变化一致，这与前人研究[9]结果相同。本研究还表明，水氮互作对直播稻温度的最高温度影响较大，对最低温度影响不大。各灌溉方式下，随氮肥后移比例的增加，直播稻灌浆结实期的日均温差与总温差表现为逐渐降低，且氮肥后移比例过大也会导致积温、有效积温以及日均光照强度的下降。这可能是因为氮肥后移比例过大，直播稻灌浆结实期叶片生长较为旺盛，单片叶片大，稻田冠层光照较少，且直播稻栽培中过高的氮肥后移比例，虽然导致叶面积增大，但是同时分蘖数会显著下降，二者共同作用可能导致通风性增加，通风和透光的改变共同影响直播稻灌浆结实期的温度变化[20]。

3.3 水氮互作下直播稻灌浆结实期冠层小气候与稻米品质的关系

前人研究[20]表明，冠层光照对稻米品质的影响大于温度，且整精米率与冠层的温度呈正相关。本研究也表明，灌浆结实期的冠层光照强度对稻米蒸煮食味品质的外观、口感、综合评分影响最大，其次是日均温差，总温差，且三者均与综合评分相关性最高，整精米率与灌浆结实期日均温差、总温差、有效积温均呈显著的正相关，这丰富和完善了前人的研究[20]。杨东等[21]研究表明，不同时期弱光处理对稻米品质的影响不同，以始穗期弱光胁迫对稻米品质影响最大，且弱光会降低稻米的外观品质。董明辉等[22]研究结果表明，光照强度降低会使水稻的外观品质变劣，且光照对米质形成的影响会随光照强度大小、品种类型和籽粒着生位置不同而变化。本研究表明，水氮互作下直播稻垩白度、垩白粒率与光照强度和日均温差呈显著负相关关系，与前人研究结果的差异可能是种植地区区域环境差异导致的，四川盆地地区具有“弱光寡照、昼夜温差小”的生态特点。水氮互作下，水稻冠层小气候对直播稻的加工品质以及蒸煮食味品质影响较大，这可能由于水氮互作下穗部冠层温光条件的改善，可能进一步促进了直播稻籽粒内部蔗糖合成酶、蔗糖转化酶、腺苷二磷酸焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶等多种酶之间的协同作用[23]。

3.4 水氮互作下直播稻提质增产的生理生态基础及调控途径

水、氮在作物产量和品质的调控方面均起着重要的作用。水稻通过怎样的水肥互作方式能充分发挥水氮耦合效应，通过怎样的途径获得优质的稻米是当前水稻栽培研究的重点和热点[24]。本研究结果表明，干湿交替配合适宜的氮肥运筹比例可以通过改善直播稻灌浆结实期冠层小气候与稻米品质。根据本研究设置的不同处理的结果，灌溉方式和氮肥运筹互作对直播稻稻米品质的调控途径可能是适宜的灌溉方式和氮肥运筹互作通过影响水稻的生长发育进而影响水稻的有效分蘖数、叶片质量、氮素吸收转运等，改善了水稻灌浆结实期的穗部温度、光照强度等冠层小气候，尤其穗部有效积温和光照强度的改善对提高整精米率及稻米蒸煮食味品质作用显著；而水氮互作下穗部冠层温光条件的改善可能促进了直播稻籽粒内部蔗糖合成酶、蔗糖转化酶、腺苷二磷酸焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶等酶之间的协同作用[22]，酶的协同优化了直播稻灌浆动态[23, 25]，使穗部的氮素增加，并促进了结实期干物质积累，进而提高稻米品质。

4 结论

水氮互作对直播稻结实期冠层小气候及米质均存在显著互作效应。干湿交替灌溉配合氮肥运筹基肥∶蘖肥∶穗肥5∶3∶2可以同步改善直播稻加工、外观以及蒸煮食味品质。水氮互作下冠层小气候与稻米加工品质以及蒸煮食味品质关系密切，温度对整精米率的影响大于光照强度，且有效积温与整精米率相关性最高；垩白度和垩白粒率与日均温差及日均光照强度呈显著负相关；光照强度与稻米蒸煮食味品质的外观、口感以及综合评分影响关系最密切。

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Relationship Between Canopy Microclimate at Grain Filling Stage and Rice Quality of Directly Seeded Rice Under Water and Nitrogen Interaction

WU Yunxia1, 2, GUO Changchun1, SUN Yongjian1,*, LIU Fangyan1, YANG Zhiyuan1, SUN Yuanyuan3, WANG Mingtian4,MA Jun1

(Rice Research Institute of Sichuan Agricultural University/Key Laboratory of Crop Physiology,,,; Management Committee of Luxian Modern Agricultural Park,,,;Institute of Plateau Meteorology,,,;Sichuan Meteorological Observatory,,;*,)

【】Field canopy microclimate is the most direct environment factor for rice growth and development. The management of water and nitrogen fertilizer affects the growth of rice and thus affect the canopy microclimate of paddy field. Studying the effect of water and nitrogen interaction on the canopy microclimate during the seed-filling stage and rice quality of directly seeded rice can enrich and improve water and nitrogen management of the directly seeded rice.【】With hybrid rice F You 498 as material, three irrigation treatments were designed including flooding (W1), dry-wet alternate (W2) and drying (W3) as well as three N fertilizer application methods with basal fertilizer: fertilizer for tillering: topdressing for panicle initiation 5:3:2(N1), 3:3:4(N2) and 3:1:6(N3), The effect of water and nitrogen interaction on canopy temperature, light intensity and rice quality of directly-seeded rice were analyzed during grain filling stage. The relationship between canopy microclimate and rice quality was also discussed. 【】The results showed that irrigation mode and N fertilization interactions had a significant or extremely significant effect on milling quality, appearance quality, and cooking and palatability of directly seeded rice. Under the conditions of 150 kg/hm2N application rate for each irrigation method, the most suitable panicle N-fertilizer level should account for 20% of total N. Coupled with W2, itcan further improve rice quality. The ratio of N-fertilizer for panicle initiation increased to 60%, leading to the decrease of daily temperature difference, total temperature difference, accumulated temperature, effective accumulated temperature, daily average light intensity and rice quality of directly seeded rice under irrigation. Under the interaction of water and N, the canopy microclimate in the field exerted the greatest impact on milling quality, and cooking and palatability of directly seeded rice. The effect of temperature on the head milled rice rate was greater than the light intensity, and the effective accumulated temperature had the highest correlation with head milled rice rate. Light intensity was the most closely related to the appearance, taste and comprehensive score of rice cooking and palatability quality. 【】It is preliminarily proved that the interaction between water and nitrogen affects rice quality by changing the microclimate of the direct-seeded rice canopy. The results will lay a theoretical and practical basis for improvement of the quality and yield of direct-seeded rice.

directly seeded rice; water management mode; N fertilizer; canopy microclimate; rice quality

10.16819/j.1001-7216.2021.0314

2020-03-27；

2021-01-12。

国家重点研发计划重点专项(2018YFD0301202)；四川省科技支撑计划项目(2020YJ0411)；四川省重点实验室科技发展基金资助项目(省重点实验室2018-重点-05-01)；四川省学术和技术培养支持经费资助项目(川人社办发[2016]183号)。