不同有机肥对旱直播水稻品质的影响

徐令旗，郭晓红，张佳柠，赵 洋，李晓蕾，刘绍峰，崔致远，安懿亮，吕艳东

(1.黑龙江八一农垦大学 农学院，黑龙江省教育厅寒地作物种质改良与栽培重点实验室，黑龙江 大庆 163319；2.北大荒垦丰种业股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090)

水稻是我国重要的粮食作物，长期以来，高产、优质和高效一直是我国水稻生产的目标[1]。到如今，随着社会经济的发展，我国国力日渐增强，人民生活水平得到很大改善，对水稻要求越来越高，水稻生产已由数量型向质量效益型转变[2]。而传统的大量施用化肥又会导致土壤板结，土壤质量下降，保肥能力衰退[3]，很难实现水稻优质生产，并且还会引起一系列环境污染问题[4]。因此，如何摆脱这种困境，提高新时期水稻优质生产，满足市场需求已成为生产者的迫切需求。

有机肥料可直接为水稻提供各种丰富的养分，并为微生物创造良好的土壤生态环境，促进土壤微生物繁殖，加速土壤有机质腐解，并使得一部分有机物合成转化为土壤腐殖质，这对增加土壤养分含量，培肥土壤，改善土壤理化性质和结构等方面具有重要作用[5-7]，并且有机肥腐熟程度随水稻生育进程而增高，在水稻生育后期能够充分满足水稻对养分的需求，进而达到提升稻米品质的作用[8]。王显等[9]研究表明，与尿素相比，生物有机肥能够改善稻米外观品质，降低垩白粒率和垩白度并能显著提高蛋白质含量。唐微等[10]研究表明，沼液可以提高稻米中蛋白质和矿质元素的含量，提升稻米营养品质。唐雪[11]研究表明，豆粕能显著提高稻米中蛋白质和氨基酸含量，但会降低稻米的碾磨品质，而生物有机肥处理下稻米的峰值黏度和热浆黏度得到改善，稻米的食味值提高。赵秀哲等[12]研究表明，后期追施有机肥能够提高稻米精米率和整精米率，降低垩白粒率。

直播水稻因其省工、省力、节水易机械化，而备受生产者们青睐[13]，近年来，直播水稻种植面积呈增加的趋势[14]。目前，多数关于旱直播产量、品质的研究是基于传统的多次性的氮肥管理模式[15]，而关于有机肥对旱直播水稻品质形成的研究却鲜有报道，更缺乏旱直播条件下不同有机肥处理间稻米品质的系统比较。因此，本试验在旱直播条件下以第三积温带品种龙粳31为试验材料，采用生物炭、海藻生物有机肥、基施旺生物有机肥和凹凸棒有机肥4种有机肥并设置零肥、常规施肥(CK)，共6个试验处理，比较了不同有机肥处理下旱直播稻米加工品质、外观品质、营养品质和蒸煮食味品质的差异，明确有机肥对旱直播稻米品质的影响，以期为寒地旱直播水稻优质栽培提供理论依据

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年在黑龙江省友谊农场试验基地(东经131°49′，北纬46°45′)，大田条件下进行。气候类型均为中温带大陆性季风气候，年均气温3.1 ℃，年均降水量501.2 mm，土壤类型为草甸黑土。水稻生育期间气象变化如图1所示。

图1 2018—2020年水稻生育期间田间气象因子变化Fig.1 Changes in field meteorological factors during the growth period of rice from 2018 to 2020

1.2 试验设计

按照单因素完全随机设计，设置6个处理：零肥(N0)、常规施肥(NPK)、生物炭+常规施肥(OF1)、海藻生物肥+常规施肥(OF2)、基施旺生物有机肥+常规施肥(OF3)、凹凸棒有机肥+常规施肥(OF4)，以常规施肥为对照，氮肥总量为 204.05 kg/hm2，其中基肥为88.82 kg/hm2、蘖肥为69.00 kg/hm2、穗肥为46.23 kg/hm2；磷肥总量为80.04 kg/hm2，全部为基肥；钾肥总量为115.00 kg/hm2，基肥为63.75 kg/hm2、穗肥为51.25 kg/hm2。OF1、OF2、OF3和OF4处理在常规施肥的基础上，于旋地之前分别施入15 000 kg/hm2生物炭、300 kg/hm2海藻生物有机肥、300 kg/hm2基施旺生物有机肥和750 kg/hm2凹凸棒有机肥。每个处理3次重复，共18小区，小区面积为222.3 m2。

供试品种为龙粳31(主茎叶为11叶)，生育期130 d左右，需≥10 ℃活动积温2 350 ℃左右。试验材料播种前使用亮盾种衣剂包衣，机械播种，播量为210 kg/hm2，播深2～3 cm，行距20 cm，同时各处理均侧深施入基肥，用覆土链覆土，播后镇压2次。

1.3 测定项目及方法

水稻收获后风干1个月，按《中国农业标准汇编：粮油作物卷》的标准测定品质。用FC-2K型实验砻谷机(YAMAMOTO，离心式)加工成糙米，用日本公司生产的VP-32型实验碾米机(YAMAMOTO，直立式)加工精米；垩白粒率、垩白度用日本静冈机械株式会社生产的ES-1000便携式品质分析仪测定；直链淀粉含量、蛋白质含量用FOSS公司生产的1241型近红外谷物分析仪测定；食味品质用日本佐竹公司(SATAKE)生产的米饭食味计(STA1A)进行测定。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010 与 SPSS 17.0 软件对数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥对水稻加工品质的影响

有机肥对旱直播水稻加工品质的影响如表1所示，2018年，除OF1外，OF2、OF3和OF4的稻米糙米率均大于NPK，但从2019—2020年来看，与NPK相比，OF1、OF2和OF3表现出不同程度的降低趋势，平均分别降低0.36，0.22，0.29百分点，而OF4却有增加的趋势，平均增加幅度为0.68百分点，但OF1、OF2、OF3和OF4与NPK间的差异均未达显著水平，说明长期施用生物炭、海藻生物有机肥和基施旺生物有机肥有降低稻米糙米率的趋势。3 a间，不同有机肥处理下稻米精米率均高于常规施肥处理。与NPK相比，OF1、OF2、OF3和OF4平均分别提高1.05，1.03，1.05，1.53百分点，但OF1、OF2和OF3与NPK间的差异均未达显著水平，而2019—2020年OF4与NPK间的差异均达显著水平，说明施用有机肥有提高旱直播稻米精米率的趋势，且施肥效果以施用凹凸棒有机肥最佳。3 a间，6个处理的稻米整精米率维持在53.43%～69.53%，而不同有机肥处理下稻米整精米率均高于常规施肥处理，且以OF1最高。与NPK相比，OF1、OF2、OF3和OF4平均分别提高2.64，1.78，1.06，2.53百分点，其中2018—2019年OF1、OF2、OF3和OF4与NPK间的差异均未达显著水平，而2020年OF1、OF2和OF4与NPK间的差异均达显著水平，但OF3与NPK间的差异未达显著水平。

2.2 有机肥对水稻外观品质的影响

有机肥对旱直播水稻外观品质的影响如表2所示，处理和年际环境变化极显著影响旱直播稻米垩白粒率、垩白度、精米粒长和精米粒宽。3 a间，施肥处理的稻米垩白粒率和垩白度均大于零肥处理，但6个处理的稻米垩白粒率和垩白度变化略有差异，垩白粒率和垩白度分别以NPK和OF2最高，分别为3.21%，1.82%。与NPK相比，OF1、OF2、OF3、OF4垩白粒率平均分别降低0.72，0.24，0.54，1.05百分点，其中OF4与NPK间的差异均达显著水平，说明OF4对降低旱直播稻米垩白粒率的效果最好。对于垩白度来说，OF1、OF3和OF4较NPK平均分别降低0.26，0.41，0.51百分点，OF1和OF3与NPK间的差异均不显著，而2020年OF4与NPK间的差异达显著水平，说明长期施用OF4效果最好；而OF2表现增加的趋势，平均增加幅度为0.11百分点，但与NPK间的差异不显著。不同年份间稻米的粒长、粒宽和稻米的长宽比在不同处理间差异不大。

表1 有机肥对旱直播稻米加工品质的影响Tab.1 The effect of organic fertilizer on the processing quality of dry direct-seeded rice %

表2 有机肥对旱直播稻米外观品质的影响Tab.2 The effect of organic fertilizer on the appearance quality of dry direct-seeded rice

2.3 有机肥对水稻营养品质的影响

有机肥对旱直播水稻营养品质的影响如表3所示，2018年有机肥处理对稻米蛋白质含量、直链淀粉含量影响相较于2019—2020年表现出一定的差异性，说明有机肥施肥短期内肥效发挥差，而随着有机肥逐年施入，有机肥肥效逐渐发挥作用，2019—2020年，OF1、OF2、OF3、OF4稻米蛋白质含量平均分别达8.99%，9.13%，9.08%，9.16%，较NPK平均分别增加0.54，0.68，0.63，0.71百分点。2019—2020年，NPK处理的稻米直链淀粉含量最高，达16.51%，而与NPK相比，OF1、OF2、OF3、OF4均表现为降低的趋势，平均分别降低0.20，0.64，0.69，0.38百分点。

表3 有机肥对旱直播稻米营养品质的影响Tab.3 The effect of organic fertilizer on the nutritional quality of dry direct-seeded rice

2.4 有机肥对水稻蒸煮食味品质的影响

有机肥对旱直播稻米蒸煮食味品质的影响如表4所示，有机肥施入初期可提高旱直播稻米光泽、味道、口感和食味评分值，降低稻米香气和完整性；有机肥长期施用则会降低稻米蒸煮食味品质。2019—2020年，与NPK相比，OF1、OF2、OF3和OF4处理稻米香气、光泽、味道、口感和食味评分值均表现不同程度地降低趋势，但稻米完整性表现出不同程度增加趋势。与NPK相比，2019—2020年OF1、OF2、OF3和OF4处理稻米完整性分别不同程度提高2.57%，3.38%，2.30%，0.95%，其中2019年OF2与NPK间的处理达显著水平，2020年OF1、OF2、OF3和OF4与NPK间的差异均未达显著水平。与NPK相比，2019—2020年NPK处理的稻米食味评分值平均为72.70，而OF1、OF2、OF3、OF4处理的稻米食味评分值平均分别为68.68，68.05，70.00，70.35，较NPK分别降低5.53%，6.40%，3.71%，3.23%，其中受年际环境及处理和年份交互效应的影响，2019年OF1、OF2、OF3和OF4与NPK间的差异均达显著水平，而2020年差异均未达显著水平。

表4 有机肥对旱直播稻米食味品质的影响Tab.4 The effect of organic fertilizer on the eating quality of dry direct-seeded rice

为了进一步探究有机肥对旱直播蒸煮食味品质的影响，将食味品质特征值间进行相关性分析(图2)，结果表明，香气、光泽、味道、口感与食味品质之间均呈极显著正相关，且其彼此之间也均呈极显著正相关，但完整性与香气、光泽、味道、口感与食味评分值均呈极显著负相关，可见完整性不利于香气、光泽、味道、口感与食味评分值的形成。相关分析更进一步揭示了有机肥导致旱直播蒸煮食味品质降低的原因。

图2 有机肥处理下旱直播稻米食味特征值间的相关性Fig.2 Correlation among edible characteristic values of dry direct-seeded rice under organic fertilizer treatment

2.5 有机肥处理下水稻品质性状间的相关性分析

有机肥处理下水稻各品质性状间存在显著相关性(图3)，糙米率与精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量、食味评分值间均呈极显著正相关，而与蛋白质含量呈极显著负相关；精米率与整精米率、垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量间呈极显或显著正相关，而与蛋白质含量、食味评分值间相关性不显著；整精米率与垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量、食味评分值间均呈极显著正相关，而与蛋白质含量呈极显著负相关。说明有机肥处理下水稻加工品质的提高有利于食味品质的改善，但不利于营养品质的形成，而且也会降低稻米外观品质。垩白粒率、垩白度与直链淀粉含量、食味评分值间均呈极显著正相关，并且垩白粒率与垩白度存在极显著正相关，但二者均与蛋白质含量呈极显著负相关；说明外观品质降低能有利于营养品质的形成，但会降低食味品质，并且垩白粒率将随着垩白度增加而增加。蛋白质与直链淀粉含量、食味评分值间均呈极显著负相关，而直链淀粉含量与食味评分值间呈极显著正相关，说明营养品质的提高将导致食味品质降低，而直链淀粉含量提高则会促进食味品质的形成。

图3 有机肥处理下旱直播稻米各品质性状间的相关性分析Fig.3 Correlation analysis table of various quality traits of dry direct-seeded rice under organic fertilizer treatment

为了探索蛋白质、直链淀粉与食味评分值关系，将蛋白质、直链淀粉分别与食味评分值进行回归分析，得到食味评分值(Y)与蛋白质(X)的一次线性回归方程为：Y=136.84-7.46X(R2=0.806，F=209.03，P<0.01)，食味评分值(Y)与直链淀粉(M)的一次线性回归方程为：Y=-48.69+7.42M(R2=0.702，F=165.22，P<0.01)，一定范围内，蛋白质每增1%，食味评分值则会降低7.46，直链淀粉每增1%，食味评分值则会增加7.42。

3 讨论与结论

稻米品质的形成主要受品种自身的遗传特性和外部的生存环境共同控制，但也受到栽培措施的影响[16-17]。本研究结果表明，施肥处理对旱直播稻米各品质性状特征值有一定的影响，影响程度与年际环境变化和品质性状特征指标均有密切联系。

稻米的加工品质、外观品质受环境影响较大[18]，本研究表明，不同处理下旱直播稻米加工品质和外观品质受施肥处理、年际环境的影响达极显著水平。李先[19]研究表明，有机肥能够显著提高晚稻糙米率、精米率和整精米率。黄涛[20]研究表明，施用有机肥对稻米糙米率、精米率影响不显著，但能够使整精米率增加5.05%～7.09%。而周江明[21]研究表明，施用有机肥前期养分释放缓慢，土壤有效养分供应不足，水稻茎、鞘、叶等部分养分储存量少，而后期大量有机养分矿化释放而增加，颖花数虽增加但籽粒灌浆速率低，不利于稻米糙米率和整精米率的形成。本研究表明，与NPK相比，长期施用有机肥对稻米糙米率影响不显著，但长期施用有机肥能够提高稻米精米率和整精米率，这可能是因为在旱直播条件下土壤透气性好，土壤微生物活动增强，有机肥养分释放要高于淹水条件，利于水稻吸收、贮存，并保证后期籽粒灌浆，从而增加了稻米的精米率和整精米率。此外，吴殿星等[22]认为，蛋白质是影响稻米糙米率和整精米率的因素之一，稻米中高量的蛋白质可充分填充淀粉细胞，使其变得紧密，而胚乳的结构也会因此变得紧密而坚硬，稻米强度和耐压性得到进一步提高，减少碎米率，提高出糙率和整精米率。而本研究中，稻米糙米率、整精米率与蛋白质呈极显著负相关，说明稻米蛋白质含量提高并不会提高稻米出糙率和整精米率反而可能会抑制稻米出糙率和整精米率。关于蛋白质与加工品质的关系需要进一步探究。李冠男[5]研究表明，稻米垩白粒率和垩白度在有机肥与NPK配施下增幅最大。唐雪[11]则认为，基因是影响稻米粒型的主要因素。本研究表明，长期施用生物炭、基施旺生物有机肥和凹凸棒有机肥有利于稻米垩白粒率和垩白度降低，这可能是因为有机肥能改善水稻叶片的光合性能，提高光合能力，促进光合产物的分配和利用[19]，淀粉、蛋白质在胚乳中充实良好，稻米垩白粒率和垩白度降低。但长期施用海藻生物有机肥则有增加稻米垩白粒率和垩白度的趋势。可能与有机肥本身的营养物质有关。倪国荣[23]研究认为，植物吸收利用和自然流失的程度因有机肥种类所含营养物质结构不一而有差异。而海藻生物有机肥结构物质可能延缓了化肥的肥效，使水稻生殖期土壤保留较高的氮素，较高氮素导致水稻贪青旺长，成熟期延迟增加稻米的垩白度，降低外观品质[5]，此外，蛋白质含量的提高也会起到一定的降低垩白的作用。3 a间各处理间稻米粒长、粒宽和长宽比差异不明显，说明基因遗传是影响粒型的主要因子。

本研究表明，长期施用有机肥有利于稻米蛋白质形成。与NPK相比，2019—2020年OF1、OF2、OF3和OF4显著提高了稻米的蛋白含量，平均分别增加0.54，0.68，0.63，0.71百分点。张三元等[24]发现，稻米蛋白质含量的高低与抽穗前15 d水稻吸氮量有关，但一部分氮肥因开花期间水稻根系吸氮能力下降不能及时转运而造成氮素流失进而导致蛋白质含量降低。而施用有机肥能够提高作物生育后期对氮素的吸收能力[25-27]。此外，受降雨的影响，常规施肥处理土壤中氮素易随雨水流失，而有机肥具有减少氮素流失的能力[28]，配施有机肥的处理土壤中氮素较高，并且有机肥还能够促进作物吸收并积累氮素[29]，从而改善蛋白质含量。另外，有机肥是各种养分的载体，不仅含作物生长所需的大量营养元素，还含有作物所需微量元素[8]，而有些微量元素是组成蛋白酶的辅助因子，如锌、镁、钴、铜、硼等，植物能从施有机肥土壤中吸收这些元素，提高蛋白质合成酶的活性，因而稻米中蛋白质含量高[30]。但高比例施用有机肥或不施肥，会导致土壤前期有效氮不足，影响水稻早期对养分的积累，进而影响到籽粒中的蛋白质含量[21]。所以在本试验中，有机肥处理与常规施肥处理间蛋白质含量间差异不显著，可能是因为有机肥施用比例过高导致的。

蒸煮食味品质也是国标规定的评定稻米品质等级的 4 项指标之一[16]，而直链淀粉是国内对稻米蒸煮食味品质进行评定的指标之一[30]，同时稻米蛋白质含量与蒸煮食味品质之间具有非常密切的关系[31-33]。一些研究表明，稻米蒸煮食味品质与一定范围内直链淀粉含量呈极显著正相关[34]。本研究表明，长期施用有机肥不利于直链淀粉含量的提高，与NPK相比，2019—2020年OF1、OF2、OF3和OF4处理下稻米的直链淀粉含量平均分别降低0.20，0.64，0.69，0.38百分点。说明长期施用有机肥不利于直链淀粉含量的提高，本研究结果与关静[35]一致。相关分析表明，蛋白质含量与直链淀粉含量呈极显著负相关，而整精米率、垩白粒率和垩白度与直链淀粉呈极显著正相关，而有机肥处理下，整精米率和蛋白质含量增加，而垩白粒率和垩白度降低，说明蛋白质是影响直链淀粉的主要因素。本研究结果表明，长期施用有机肥不仅不能改善旱直播稻米蒸煮食味品质反而会降低蒸煮食味品质。与NPK相比，2019—2020年OF1、OF2、OF3和OF4处理下稻米食味评分值平均分别降低5.53%，6.40%，3.71%，3.23%。主要原因可能是因为有机肥降低了米饭的香气、光泽、味道、口感等蒸煮食味品质的指标，提高了米饭的完整性，而香气、光泽、味道、口感与食味评分值呈极显著正相关，完整性与香气、光泽、味道、口感、综合食味评分值呈极显著负相关；而另一方面有机肥提高了蛋白质含量，降低了直链淀粉含量，相关分析表明，蛋白质含量与食味评分值呈极显著负相关，相关系数为-0.90，直链淀粉与综合食味评分值呈极显著正相关，相关系数为0.84，且线性回归方程分析也表明，一定范围内，蛋白质含量每增加1%，食味评分值则会降低7.46，直链淀粉含量每增加1%，食味评分值则会增加7.42。但李瑞峰[36]研究表明，旱直播水稻籽粒直链淀粉与食味值间呈极显著正相关，蛋白质与食味值间相关性不显著。而项亚威[37]研究表明，旱直播种植方式下直链淀粉含量低，胶稠度值高，米饭更加柔软，利于食味品质的提高，而蛋白质的提高对食味品质有一定负面影响。本试验与上述结果产生差异的原因可能与旱直播水稻种植的播期、施肥方式、水分管理等有关，但本试验中，导致稻米食味品质下降是由蛋白质直接引起的还是间接通过淀粉结构合成的尚不清楚，需要进一步深入研究才能确定。此外，垩白度、垩白粒率降低也影响了食味评分值。

与常规施肥相比，长期施用有机肥提高了稻米的精米率和整精米率改善了旱直播稻米的加工品质。长期施用有机肥降低了稻米的垩白粒率，而生物炭、基施旺生物有机肥、凹凸棒有机肥降低了稻米的垩白度，海藻生物有机肥表现为增加，各处理对稻米粒型无显著影响。有机肥增加了稻米的蛋白质含量，提升了旱直播稻米的营养品质，但降低直链淀粉含量。施用有机肥不利稻米蒸煮食味的改善，有机肥处理下稻米的香气、香气、光泽、味道、口感和食味评分值均表现不同程度降低。