有机栽培条件下不同机械种植方式对香稻产量、品质以及香气的影响

邢丕鹏 刘金海 罗昊文 赖日芳 何隆鑫 田华 段美洋 潘圣刚 莫钊文 唐湘如

（华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室/农业农村部华南地区作物栽培科学观测实验站/广州市丝苗香米科学与技术重点实验室，广州510642；第一作者：18843184689＠163.com；*通讯作者：tangxr＠scau.edu.cn）

可持续农业是当前农业生产发展的重要方向。在农业污染问题日趋严重的形势下，探究传统农业向可持续农业发展，是我国农业研究和生产的迫切任务。水稻是我国的主要粮食作物之一，2019年我国水稻总产量达20 961万t，约占全年粮食总产量的31.58%[1]。虽然我国水稻总产量很高，能基本满足我国人民的需要，但我国经济水平的提高也使得人们开始追求高品质农产品，导致高品质高附加值的稻米仍然存在很大缺口。所以，兼顾可持续性与高品质高附加值的有机水稻种植受到农业从业者的青睐。在水稻栽培过程中，水分是较大的限制因素，其用水量占我国农业总用水量的65%以上[2]，所以水稻节水栽培更加符合当前可持续发展的大方向。虽然前人研究表明，水稻旱作会减少分蘖[3]、延长生育期[4]、降低产量。但在有机栽培过程中，提供合适的节水栽培模式，旱作水稻的产量可以达到与有机常规水稻栽培种植模式相同的产量。

香稻，作为高附加值农产品，含有主要的特征物质2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），使其拥有特殊香味而深受人们的喜爱[5]。广东地区的丝苗米就是我国著名的香稻品种之一。所以，香稻与有机栽培模式相结合，符合香稻和有机栽培之间相互契合的高品质高附加值的定位。并且有研究表明，一定程度上的节水栽培有利于香稻香气的合成与积累[6]。还有人论证了不同耕作方式与施肥方式对香稻香气合成的影响[7-8]。但是，对于不同机械种植方式对香稻在有机栽培下的产量、品质和香气的影响鲜有报道。为此，本研究从有机旱作香稻出发，探究了不同机械种植方式对香稻产量和香气的影响，并对水田插秧机能否适用于旱田插秧进行探讨，从而达到降低水稻旱田种植成本的目的，为华南地区有机水稻种植提供理论依据和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以常规香稻品种19香作为试验材料，由华南农业大学农学院水稻栽培研究室提供。

1.2 试验设计

本试验于2020年6—10月在广州市从化区吕田镇狮象村有机农场（23°54′N，113°48′E）进行，该农场完全采用有机栽培种植方法，水稻生长过程中完全使用腐熟的自然原料。水稻插秧前7 d旋耕1次，并于插秧前1 d进行平整稻田，并灌水使得土壤含水量为100%，以便于水插秧机工作。本试验共设4个处理，分别为旱插秧机旱插秧（DD）、水插秧机旱插秧（DW）、机械旱直播（D），以常规水田栽培模式为对照（CK）。DD处理采用洋马VP6E（2ZGZ-6）水稻插秧机，DW处理采用井关PZ60DT水稻插秧机，D处理采用2BD-H10型水稻精量旱穴直播机。机插秧处理于5月20日播种育秧，6月5日移栽，行株距30 cm×20 cm，每丛3苗；旱直播处理于6月2日进行播种，用种量3.5 kg/667 m2，每667 m2基本苗11 000丛。每个小区面积80 m2，3次重复。所施肥料为有机香稻专用水溶肥“馫香”肥（东莞富特生物技术有限公司生产，成分：N+P2O5+K2O=5%，有机质=45%），基肥和分蘖肥用量各15 kg/667 m2。CK为常规水田种植模式，土壤水层维持在3～5 cm，旱作水稻全生育期田间无水层，仅每天的7∶00—9∶30利用喷灌设施喷施水分，每次每667 m2喷水4.0 t。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 产量及产量构成因素

于水稻成熟期，每个处理小区取有代表性植株30丛调查水稻有效穗数，并选取有代表植株3丛测定每穗粒数、结实率和千粒重。每个小区实割3 m2测定实际产量，重复3次。

1.3.2 稻米品质

收获后的稻谷于室温下保存3个月后测定稻米品质性状。碾磨品质采用机械砻谷机和碾米机进行碾磨并称重，外观品质参照NY147-88《米质测定方法》测定。稻米蛋白质含量和直链淀粉含量用近红外谷物分析仪（FOSS InfratecTM 1241）测定。

1.3.3 稻谷香气及香气合成关键基因BADH2相对表达量

稻谷测定香气籽粒材料于水稻收获前1 d取回，在-20℃下冷藏保存，稻谷籽粒香气测定方法参照李艳红等[9]方法，使用GC-MS QP2010 Plus型气相色谱质谱联用仪测定稻谷2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）含量。用于测定基因表达量的籽粒材料于水稻收获前1 d取回，选取穗上部优势粒10粒左右，并于-80℃下冷藏保存，实时荧光定量PCR采用Option Real-Time PCR System（Bio-Rad，CFX96，California，USA）仪器，每个样品3次重复。PCR反应条件：95℃30 s；95℃5 s；57℃30 s；40个循环。反应结束后，进行溶解曲线分析。以不加cDNA模板作为阴性对照，每个样品设置3个重复，以actin基因作为内参基因，根据各基因已知序列信息（基因BADH2引物序列：F 5'-GGTTGGTCTTCCTTCAGGTGTGC-3'/R 5'-CATCAACATCATCAAACACCACTAT-3'），按照荧光定量PCR引物设计原则，利用Beacon Designer软件（Premier Biosoft International，Palo Alto，CA，USA）进行定量PCR引物设计。由上海美吉生物工程公司合成。PCR扩增率保证在95%～105%之间，基因相对表达量运用2-ΔΔCt计算得出（仪器带有BIO-RAD CFX Manager 1.6自动按照该运算公式运算）。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010和Statistix 8.1软件进行整理和分析，在5%的概率水平上，采用最小显着性差异（LSD）检验分离均值之间的差异，并采用字母标记法进行标注。标注相同小写字母表示两组数据在0.05水平上差异不显著，标注不同小写字母表示两组数据在0.05水平上差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同机械种植方式对有机香稻产量的影响

由表1可以看出，与CK相比，DD处理的产量和结实率没有显著差异，DW和D处理的产量显著要低。就有效穗数而言，DW和D处理显著低于CK，DD处理与CK差异不显著。DD处理的每穗粒数最高，D处理的每穗粒数最低，显著低于DD处理。处理间的千粒重差异不显著。

表1 不同机械种植方式对有机香稻产量及产量构成因素的影响

2.2 不同机械种植方式对有机香稻品质的影响

从表2可以看出，与CK相比，D处理碾磨品质均显著降低，DW处理和DD处理的糙米率和精米率差异不显著，DD处理的整精米率显著降低。在营养品质中，各个处理的蛋白含量差异不显著，DD处理的直链淀粉含量最高，显著高于其他处理；CK与DW处理差异不显著，D处理的直链淀粉含量最低，显著低于其他处理。D处理的碱消值最低，显著低于其他处理。CK、DW处理和DD处理间的碱消值差异不显著。与CK相比，旱作水稻的垩白度显著降低，而旱作水稻处理之间垩白度无显著差异。

表2 不同机械种植方式对有机香稻品质的影响

2.3 不同机械种植方式对有机香稻香气及香气合成关键基因BADH2表达量的影响

由图1可知，在有机栽培条件下，旱作水稻较CK（158.81 μg/kg）显著提高了香稻的香气2-AP含量。而在旱作水稻之间，香气物质含量差异不显著，但DD处理的2-AP含量最高，达278.30 μg/kg。与CK相比，有机栽培条件下旱作香稻BADH2基因表达量显著下降，DW处理下降23.0%，DD处理下降28.0%，D处理下降22.7%。虽然旱作水稻处理之间差异不显著，但DD处理的表达量最少，D处理的表达量最多。

图1 不同机械种植方式对有机香稻2-AP含量及BADH2基因相对表达量的影响

3 讨论

虽然化肥和农药投入极大降低了人工投入以及病虫草害所导致的损失，显著提高了作物产量，化肥也被证明其比有机肥料能更为高效的被植株吸收[10]。但大量化学品的施用会严重污染土壤和地下水水质，对环境造成不利影响并且这种影响在进一步恶化[11]。尽管研究表明当下的农业种植方法与种植制度有着种种不利，但这种不利影响还不足以影响到农民的决策[12]。有机农业生产的高成本与低产量，使得农民不愿主动采用。但随着生活水平以及环境保护意识的提高，消费者对有机产品的需求也在逐渐提高[12]，从而促进了有机种植制度的推广，提升了土地潜力[13]。水稻传统淹水灌溉种植，不仅用水量巨大，水资源利用率也低[14]。所以，水稻节水灌溉有利于缓解当前的问题。但目前的研究多为控灌、少灌，稻田内仍有水层，对旱作水稻研究较少。研究显示，非抗旱型常规水稻的旱作过程中，会产生结实率降低[15]、株型矮化、剑叶早衰[16]等问题，进而降低产量。但本试验显示，水稻常规栽培与水稻旱作栽培在产量上并没有明显差异。在本试验中，机械旱直播的表现最差，应当是水稻种子直播后，没有进行单独的育秧，导致在水稻发芽及生长前期受草害影响较大，相比于集中育秧后移栽，有机条件下水稻直播的秧苗质量较弱[17]，所以导致产量明显下降。水插秧机旱插秧处理的产量显著低于对照，表明在现行条件下，有机旱作种植所用农机具不能和常规水插秧通用，这也会导致秧苗质量不好，进而导致减产。虽然有研究表明，水稻遇水分胁迫易增加垩白度[16]，但在本试验中，旱作水稻垩白度均显著低于对照，可能是喷灌给水方式优于常规给水方式，有利于籽粒灌浆，降低垩白度。

香稻的香气受多方面因素影响，并与多种化合物有着密切联系，但最为重要的化合物是2-AP[18]。而2-AP合成的基因基础，现在一般认为是因为要编码氨基醛脱氢酶（BADH）的BADH2基因表达受到抑制，导致香气物质2-AP在香米品种中积累[19-20]。在本试验中，对照的BADH2mRNA表达量远远高于旱作水稻的表达量。前人研究也发现，轻度控水灌溉或者缺水条件都能有效提高水稻籽粒2-AP的含量[21]。虽然普遍认为香稻的香气与产量呈负相关，但是在有机条件下，旱插秧机旱插秧可以使得香稻香气比对照显著提高，而产量差异不大。

4 结论

在有机栽培条件下，旱插秧机旱插秧的产量与常规水插秧差异不显著，但籽粒香气物质含量显著高于常规水插秧。所以，在香稻的有机栽培中，建议采用旱作管理和选用旱插秧机插秧方式。