3种复种模式下秸秆还田对机插杂交籼稻产量形成及品质的影响

袁晓娟，孙知白，杨永刚，林 郸，郭长春，文艳芳，郭兴新，杨志远，陈宗奎，徐富贤，马 均，孙永健*

（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；2.四川省农业科学院水稻高粱研究所，四川 德阳 618000）

以麦-稻、油-稻和菜-稻为主的多元化复种轮作模式在我国农业生产中占据主导地位[1-2]；随着作物产量的增加，秸秆总量不断增加[3]。农作物秸秆是一种含碳、氮、磷和钾等丰富的可再生能源[4-6]。秸秆还田不仅可以培肥地力，提高作物产量及品质，还可以减少环境污染等问题[7-8]。为此，前人针对麦-稻、菜-稻以及油-稻等不同水旱复种轮作模式下前茬作物秸秆还田对水稻产量及品质的影响展开大量研究[9-12]，且研究结果不太一致[13-17]。研究表明，与秸秆不还田相比，麦-稻复种下麦秆还田可以显著提高水稻产量，增加稻田土壤可溶性有机碳含量[13-14]。林郸等[15]研究认为，菜-稻复种模式下蔬菜残留物还田可使水稻增产，同时，可提高整精米率、降低垩白粒率以及改善食味品质。汤文光、张顺涛等[16-17]研究表明，油-稻复种模式下油菜秸秆还田可显著提高水稻产量、有效穗数、每穗粒数及生物量，从而获得高产；并提高稻米整精米率和食味值。此外，遗传因素和栽培环境共同影响稻米品质[18]；且品种间的稻米品质差异较大，杂交稻的垩白及食味品质均低于常规稻，三系杂交稻又低于两系杂交稻[19];且不同品种在不同的生态区、轮作模式、栽培技术、土壤肥力下产量和米质差异显著[20-23]。上述研究主要针对单一复种轮作模式下秸秆还田对不同水稻品种产量和品质的影响，或者单一品种在不同复种轮作模式或配套栽培技术的产量及米质的比较，但是对于多元化复种轮作模式下旱茬作物秸秆还田对不同机插稻品种产量形成及米质比较的研究鲜见报道。为此，本研究设置麦-稻、油-稻和菜-稻3种复种轮作模式，研究3种复种模式下对应的旱茬作物秸秆还田处理对两种类型的机插优质丰产杂交稻品种的产量形成及米质的影响，以期为多元化复种轮作模式下机插稻优质丰产高效生产提供理论依据和实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验于2018—2019年在眉山市东坡区悦兴镇莲墩村(103°83′E，30°14′N)国家粮食丰产核心示范区进行。选用本研究区域广泛种植、有代表性的两系、三系两种类型杂交籼稻品种为试材，三系杂交籼稻品种宜香优2115(生育期156.7 d，四川农业大学等选育)和两系杂交籼稻品种晶两优534(生育期157.9 d，袁隆平农业高科技股份有限公司等选育)。试验前耕层土壤(0～20 cm)为壤土，两年试验均于5月3日采用对角线取样法取耕层土壤样品，土壤理化特性及水稻季前茬秸秆或残留物均全量还田情况见表1，水稻季试验区气象数据由四川省气象局提供，气象资料如图1所示。试验采用两因素裂区设计，主区为3种复种模式：麦-稻(T1)、油-稻(T2)、菜-稻(T3)，副区为两个水稻品种。采用钵体毯苗旱育水管，播种量折干种子75.0 g/盘，两年定位试验均于4月15日播种，前茬作物收获后，秧苗于5月10日移栽，秧龄25 d，插秧机具为6行乘坐式高速插秧机（久保田，NSPU-68C）；栽插密度为30.0 cm×16.0 cm。每个处理3次重复，小区面积24 m2。氮肥（尿素，含N 46.2%，四川玖源农资化工有限公司生产）施用量折合纯氮150 kg/hm2；磷肥（过磷酸钙，含P2O512%，四川省广汉市万福磷肥实业有限公司生产）施用量折合P2O575 kg/hm2；钾肥（氯化钾，含K2O 60%，中化化肥有限公司生产）施用量折合K2O 150 kg/hm2。氮肥运筹为基肥∶蘖肥∶穗肥(倒4叶、倒2叶分两次等量施入)=3∶3∶4；磷、钾肥全部做基肥施用；采用控制性交替灌溉[10,24]，各小区间筑高30 cm，宽40 cm的埂子，采用塑料薄膜包裹，防止串水串肥，其他田间管理按照当地常规生产田进行。

图1 2018—2019年水稻生长季平均气温和降雨量Figure 1 Climate data during the experimental area in 2018—2019

表1 试验田耕层土壤(0～20 cm)理化性质及秸秆还田量Table 1 Physical and chemical properties of topsoil(0-20 cm)and straw returning amount of experimental field

1.2 测定项目及方法

1.2.1 茎蘖动态及成穗率

各小区定点20穴稻株，分别于移栽后第9、16、23、30、37、55、79和113 天调查分蘖数，并计算成穗率。成穗率=有效穗数/最高茎蘖数×100%[25]。

1.2.2 干物质积累及转运

分别于抽穗期、成熟期各小区按平均茎蘖数取具代表性稻株5穴，分叶、茎鞘和穗，105℃杀青30 min，然后80℃烘至恒重，称重。计算干物质积累量、叶片与茎鞘转运量、叶片与茎鞘转运率、叶片与茎鞘贡献率，公式如下[26]：

干物质积累量=叶片干物质积累量+茎鞘干物质积累量+穗部干物质积累量

叶片与茎鞘转运量=抽穗期叶片与茎鞘干物质积累量-成熟期叶片与茎鞘干物质积累量

叶片与茎鞘物质转运率=叶片与茎鞘干物质转运量/抽穗期叶片与茎鞘干物质积累量×100%

叶片与茎鞘物质贡献率=叶片与茎鞘干物质转运量/成熟期穗部干物质积累总量×100%

1.2.3 考种与计产

成熟期各小区调查代表性稻株60穴，计算平均茎蘖数。而后按平均茎蘖数分别于每小区取5穴代表性植株，调查每穗粒数、实粒数和千粒重，计算结实率等性状[26]。各小区实收面积为24.0 m2，人工收获后晒干计产（按照13.5%标准水分含量折算）。

1.2.4 米质

稻谷收获后、称取样品1.0 kg自然阴干3个月，进行风选、去杂后测定米质，指标如下：

①加工及外观品质：出糙率、整精米率、垩白粒率和垩白度等指标参照《GB/T 17891—2017优质稻谷》测定[27]。

②食味品质：外观、硬度、黏度、口感、平衡度和食味值等指标采用米饭食味计（SATAKE，日本佐竹公司）测定。每个样品准确称取整精米30.00 g，放入标准配套钢罐，加水浸泡30 min，冲洗0.5 min直至水清澈，按照米水比例为1∶1.4加水，用滤纸包裹罐口并系上橡皮筋，放入蒸汽式电饭锅（型号为GOODWAY威马），准确计时蒸30 min，蒸煮完毕关火焖10 min后取出，将焖完毕的米饭用钥匙刨松软，将新滤纸用橡皮筋系上罐口，随后放入冷却器中冷却20 min后取出，在室温条件（25℃）下放置100 min后，称取8.0 g米饭放入专用容器内用食味计测定[28]，每个样品测定3次，取平均值。

③淀粉黏滞性：峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值（峰值黏度与热浆黏度之差）、消减值（冷胶黏度与峰值黏度之差）、峰值时间和糊化温度等指标采用3-D型黏度速测仪（澳大利亚，Newport Scientific仪器公司）测定，用TCW（Thermal Cycle for Windows）进行分析。黏滞值用RVU（RVA黏度单位)表示。根据美国谷物化学师协会（AACC，American Association of Cereal Chemists）操作规程(2000 61-02)，称取3.00 g淀粉样品，加25 mL的蒸馏水，在50℃下保持1 min，后恒速升温到95℃（3.8 min），保持2.5 min，再恒速降温到50℃（3.8 min），保持1.4 min。在起始10 s内，搅拌器的转动速率为960 r/min，之后保持在160 r/min，读数时间间隔4 s[29]。每个样品测定3次，取平均值。

1.3 数据分析

数据处理采用软件Microsoft Excel 2010、DPS 6.5；采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。用Origin Pro 2022SR1绘图。

2 结果与分析

2.1 3种复种模式下秸秆还田对两种机插杂交籼稻品种产量及构成因素的影响

3种复种模式下不同前茬作物秸秆还田与两个杂交籼稻品种对机插稻产量均存在极显著影响，且品种对产量的影响明显高于不同复种模式下秸秆还田处理(见表2)。从两年数据来看，3种复种模式下两机插杂交籼稻品种的稻谷产量均以T2复种模式表现最优，较T1增加16.26%～18.87%，较T3增加10.83%～13.60%。同一复种模式下，机插杂交籼稻品种晶两优534稻谷产量均不同程度的高于宜香优2115，尤以T2模式下晶两优534的稻谷产量最高，两年较宜香优2115显著提高7.79%～8.03%。

表2 3种复种模式下秸秆还田对两种机插杂交稻品种产量及构成因素的影响Table 2 Effects of straw returning on the yield and composition factors of two machine transplanted hybrid rice varieties under three multiple cropping patterns

从两年产量构成因素共性来看，3种复种模式下秸秆还田、两个供试品种对有效穗数和总颖花数均存在显著或极显著影响；品种对每穗粒数、结实率及千粒重影响较大，均达显著或极显著水平。从两个供试杂交籼稻品种来看，3种复种模式下宜香优2115有效穗数、每穗粒数及总颖花数分别比晶两优534显著降低15.19%～30.72%、9.22%～40.15%和35.03%～53.35%；而结实率、千粒重两年平均值较晶两优534显著提高3.67%～7.69%、43.75%～47.47%。从复种模式来看，T2模式下有效穗数分别较T1和T3模式显著提高9.66%～13.22%、2.88%～5.50%；总颖花数较T1和T3模式也显著提高9.57%～11.93%、6.81%～9.73%。表明油-稻复种模式下选用机插杂交籼稻品种晶两优534为本试验最佳的复种模式与机插稻品种的耦合方式，总颖花数(有效穗和每穗粒数的乘积)是保障其获得高产的关键。

2.2 3种复种模式下秸秆还田对两种机插杂交籼稻品种分蘖动态及成穗率的影响

由图2可见，3种复种模式下秸秆还田处理中两机插杂交籼稻品种茎蘖消长动态变化趋势基本一致，且茎蘖数(见图2-A)及成穗率(见图2-B)均表现为晶两优534＞宜香优2115。移栽后9 d各处理茎蘖数差异最小，随着生育进程的推进茎蘖数呈增加趋势，分蘖盛期出现在移栽后16～23 d，除菜-稻复种下宜香优2115外，其余各处理高峰苗均出现在移栽后37 d，此后茎蘖数开始下降，于移栽79 d后茎蘖数下降逐渐趋于平缓。就品种而言，3种复种模式下，相对于宜香优2115，晶两优534最高茎蘖数提高17.27%～37.38%，成穗率提高0.12%～11.17%。就复种模式而言，相对麦-稻、菜-稻模式，油-稻模式最高茎蘖数分别高3.55%和9.81%；成穗率油-稻比麦-稻模式高6.08%，比菜-稻模式降低4.54%。表明菜-稻模式通过控制无效分蘖的发生，从而提高成穗率，且搭配晶两优534可以进一步促进成穗，油-稻模式通过生长前期产生足额茎蘖数，为形成充足有效穗奠定基础，从而获得相对适宜的成穗率，油稻模式搭配晶两优534可以获得相对较高的最高茎蘖数。

图2 3种复种模式下秸秆还田对两种机插杂交稻品种分蘖动态(A)及成穗率(B)的影响（2018）Figure 2 Effects of straw returning on tillering dynamics(A)and the rate of productive tillers(B)of two machine transplanted hybrid rice varieties under three multiple cropping patterns

2.3 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种干物质积累及叶片和茎鞘转运的影响

品种对抽穗及成熟期地上部干物质积累、叶片与茎鞘转运率、叶片与茎鞘贡献率的影响均达显著或极显著水平，且品种对上述指标的影响显著高于复种模式下秸秆还田处理（见表3）。就品种而言，两品种间干物质转运量、转运率及贡献率差异极显著，且均表现为宜香优2115＜晶两优534，两年趋势一致。3种复种模式下，宜香优2115抽穗及成熟期干物质积累比晶两优534显著降低4.28%～39.11%、9.26%～65.28%，叶片与茎鞘转运率、叶片与茎鞘贡献率比晶两优534显著降低26.33%～63.31%、33.32%～62.35%。就复种模式而言，T2处理下抽穗期干物质积累量两年平均比T1高3.54%，比T3低3.18%，成熟期干物质积累、叶片与茎鞘转运量平均分别比T1高2.09%、13.40%，比T3高2.43%、10.36%。此外，T2处理下叶片与茎鞘转运率较T1、T3分别提高9.70%～70.40%、9.72%～13.73%，贡献率较 T1提高9.67%～67.23%，较T3降低1.78%～18.18%。表明晶两优534搭配T2模式能进一步提高成熟期干物质积累及叶片与茎鞘的转运量，从而形成相对较高的叶片与茎鞘的转运率及对穗部的贡献率，而搭配T3模式则可以进一步提高抽穗期干物质积累及叶片与茎鞘贡献率。

表3 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种抽穗期、成熟期干物质积累及叶片和茎鞘转运的影响Table 3 Effects of straw returning on dry matter accumulation and leaf and stem-sheath transport of two machine transplanted rice varieties at full heading and maturity stage under three multiple cropping patterns

2.4 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种加工及外观品质的影响

复种模式下秸秆还田、两种品种对垩白粒率、垩白度的影响均达显著或极显著水平，而两因素互作效应仅对垩白粒率的影响达显著或极显著水平(见表4)。从复种模式来看，外观品质以T2处理最优，两年间垩白粒率较T1、T3降低17.77%～26.03%、9.33%～35.26%；垩白度较T1、T3降低26.07%～30.73%、11.55%～56.88%。此外，品种对整精米率也存在极显著影响，且外观及加工品质受品种的影响均明显高于复种模式的差异。从品种来看，3种复种模式下，晶两优534的出糙率、整精米率比宜香优2115均显著提高0.55%～1.15%、2.92%～38.20%；且垩白粒率、垩白度比宜香优2115均显著降低37.95%～77.43%、34.25%～80.80%。可见，T2处理下选用杂交籼稻品种晶两优534可以进一步改善稻米外观品质，提高糙米率及整精米率。

表4 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种加工和外观品质的影响Table 4 Effects of straw returning on the processing and appearance quality of two machine transplanted rice varieties under three multiple cropping patterns

2.5 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种稻米RVA谱特征值的影响

复种模式下不同作物秸秆还田对稻米峰值黏度、冷胶黏度、消减值、崩解值、峰值时间均存在显著或极显著影响；供试品种对稻米RVA谱特征值(除峰值黏度外)均存在极显著影响，且两者间存在显著或极显著互作效应(见表5)。两年间，从复种模式来看，T2处理的冷胶黏度比T1、T3分别显著提高0.95%～5.14%、2.04%～5.11%，崩解值分别显著提高3.13%～7.52%、10.35%～11.23%，消减值分别显著降低9.64%～9.84%、23.48%～24.74%。同时峰值黏度两年平均比T1、T3分别提高1.55%、1.33%，峰值时间比T1提高0.17%，比T3降低1.41%。此外，品种对稻米RVA谱特征值的影响均显著高于复种模式处理。从品种来看，3种复种模式下，晶两优534峰值黏度两年平均比宜香优2115降低0.07%～9.09%，热浆黏度比宜香优2115增加1.30%～23.02%；冷胶黏度、消减值、峰值时间和糊化温度比宜香优2115分别显著提高13.17%～37.62%、48.30%～65.28%、2.52%～9.88%和0.31%～2.85%，崩解值比宜香优2115显著降低15.31%～28.79%。可见，与晶两优534相比，宜香优2115在3种复种模式下均可显著降低冷胶黏度、消减值和峰值时间，提高了峰值黏度和崩解值。由此表明，在T2处理下搭配杂交籼稻宜香优2115可获得相对较高的食味品质。

表5 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种淀粉RVA谱特征值的影响Table 5 Effects of straw returning on the characteristic values of starch RVA spectrum of two machine transplanted rice varieties under three multiple cropping patterns

2.6 3种复种模式对两种机插稻品种稻米食味品质的影响

除黏度外，供试品种对食味品质均存在显著或极显著影响，且供试品种对稻米的外观、口感、食味值、硬度等指标的影响均大于复种模式下秸秆还田处理，而两因素互作效应仅对外观影响显著或极显著(见表6)。3种复种模式下，宜香优2115的外观、口感和食味值均显著高于晶两优534，分别比晶两优534提高1.16%～11.64%、1.73%～9.40%和0.78%～4.74%，硬度比晶两优534显著降低6.88%～40.00%，平衡度比晶两优534提高4.55%～61.11%，但差异未达显著水平。不同复种模式下，两品种的口感、食味值、黏度均以T2表现最优，比T1提高2.26%～4.23%、0.95%～1.75%和3.92%～9.09%，比T3提 高 0.62%～2.87%、0.19%～0.97%和 15.21%～20.00%。表明T2处理可以适度提高稻米口感、食味值和黏度，同时，搭配宜香优2115对稻米食味品质的改善优势更加明显。

表6 3种复种模式下秸秆还田对两种机插稻品种食味品质的影响Table 6 Effects of straw returning on the eating quality of two machine transplanted rice varieties under three multiple cropping patterns

3 讨论

3.1 不同复种模式对机插杂交籼稻产量形成的影响

不同复种轮作模式下秸秆还田对水稻产量的影响已有大量报道[30-31]。有研究认为，稻-麦复种条件下秸秆长期全量还田可使水稻增产[30]。也有研究认为，麦(油)-稻复种轮作模式下秸秆还田均能有效促进稻株氮素吸收，显著提高水稻产量，尤以油-稻复种模式下增产效果更佳[31]。严奉君等[32]研究表明，麦秆、油菜秆覆盖还田，能够显著的提高有效穗数、穗粒数及产量，但麦秆覆盖优于油菜秆覆盖。殷尧翥等[33]研究表明油-稻复种下秸秆堆腐还田对水稻产量构成因素影响显著，有效穗及穗粒数分别提高了5.9%～9.8%和1.5%～5.2%。本研究表明，复种模式及品种对产量存在极显著影响，且均表现为油-稻＞菜-稻＞麦-稻模式，晶两优534＞宜香优2115，各处理间差异达到显著水平。两年间，油-稻的产量分别比菜-稻模式、麦-稻模式提高10.83%～13.60%和16.26%～18.87%，原因可能是油-稻模式相较其他复种模式促进有效穗数、总颖花数的形成(见表2)，这与殷尧翥等[30]研究结果一致。不同品种间产量差异极显著，晶两优534的产量显著高于宜香优2115，有效穗数、每穗粒数、总颖花数均显著高于宜香优2115。这主要因为晶两优534“库容”(总颖花数)优势明显，在一定程度上刺激了光合产物(干物质)向穗部的转运，即晶两优534干物质积累量、转运量、转运率以及贡献率均显著高于宜香优2115(见表3)。秸秆还田结合氮肥管理有效提高了直播稻茎蘖成穗率和粒叶比，构建了协调的源库关系，从而提高物质生产效率[34]。有研究认为[35]，麦(油)-稻复种模式下秸秆还田搭配合理的氮肥运筹方式，能优化直播稻的群体结构，增加叶绿体含量进而提高结实期剑叶的光合速率、延缓叶片衰老，最终增加群体干物质积累。本研究表明，3种复种模式下晶两优534茎蘖数均显著高于宜香优2115。其中，最高茎蘖数，成穗率比宜香优2115显著提高17.27%～37.38%、0.12%～11.17%。就复种模式而言，最高茎蘖数表现为油-稻＞菜-稻＞麦-稻，成穗率则表现为菜-稻＞油-稻＞麦-稻。油-稻模式表现相对较好的主要原因是油-稻模式可以促进土壤风化，改善土壤构造，从而影响土壤养分释放[36]，进而影响水稻产量。同时，前茬作物油菜生长季施用的大量肥料对油菜的生长发育起到了促进作用，油菜收获后，残留在土壤中剩余的养分能有效提高土壤肥力，进而促进后茬作物水稻的生长[37]。

3.2 不同复种模式对机插杂交籼稻米质的影响

目前关于单一复种模式下秸秆还田对稻米品质的影响的研究较多，基本趋同的结论是秸秆还田可以改善稻米品质，但究竟改善何种品质这一结论不一。刘月月等[38]研究认为，秸秆还田可以改善外观品质，提高了稻米蛋白质含量，但不利于获得较好的加工品质。解文孝等[39]研究认为，秸秆还田提高了稻米胶稠度和食味值，但降低了精米率和整精米率。殷尧翥等[33]认为，油稻复种下秸秆堆腐还田对稻米出糙率、精米率有明显提升，但对外观品质有一定的负效应。王建明等[40]认为，麦秆还田提高了稻米蛋白质含量，降低了稻米垩白度，从而改善稻米营养品质和外观品质。徐国伟等[41]认为，秸秆还田一定程度降低了稻米营养品质，但改善了稻米的外观与食味品质。本研究表明，3种复种模式下秸秆还田及品种对垩白粒率和垩白度存在显著或极显著的影响。两品种垩白粒率与垩白度表现为，晶两优534＞宜香优2115；3种复种模式下，垩白粒率与垩白度为油-稻＜麦-稻＜菜-稻。这可能是油菜抽薹后脱落的大量叶片以及收获后翻埋的秸秆会带入大量的氮素到土壤中[42-43]，一定程度地提高了土壤的N素供给，降低C/N，产生的大量养分易被水稻吸收利用[21]，从而提高了水稻N素利用水平。而稻株中充盈的N素，可以延缓功能叶衰老，使水稻在生育后期仍保持相对较高的光合能力，从而有利于籽粒内部淀粉和蛋白质的发育及排列[38]；同时，在颖果发育时期，由于油菜秸秆充分腐解，提高了稻田的养分供给，促进稻米籽粒增长，优化了稻米长宽比，使稻米胚乳养分运输的距离变短，从而降低稻米垩白度和垩白粒率[41]。

有关秸秆还田对稻米食味品质的影响结论也不一致。薛亚光等[9]认为，麦-稻模式下麦秆全量还田增加了后茬水稻稻米直链淀粉含量，降低了稻米胶稠度，不利于蒸煮食味品质的进一步提高。陈梦云等[44]研究认为麦秆还田能提高稻米的崩解值和食味值，显著降低稻米的消减值，进而改善蒸煮食味品质。林郸等[15]研究认为，菜-稻复种模式相较油-稻、麦-稻模式明显提高稻米蒸煮食味品质。本研究表明3种复种模式下秸秆还田、两个供试品种对崩解值、消减值影响显著或极显著，但复种模式下秸秆还田对稻米蒸煮食味品质影响不显著。机插稻宜香优2115，通过提高崩解值、峰值黏度，降低消减值，从而显著提高稻米的食味值及口感，改善稻米蒸煮食味品质。本研究结果与林郸等[15]结论不一致，这可能与不同栽播条件以及供试品种的选择有关。

4 结论

3种复种模式下秸秆还田、两个供试品种对水稻产量及米质均存在显著影响，稻谷产量均表现为油-稻模式最高，菜-稻模式次之，麦-稻模式最低，供试品种产量则表现为晶两优534＞宜香优2115。油-稻模式有利于不同机插品种形成较高的有效穗数，促进成熟期干物质积累，增加叶片与茎鞘转运量及转运率，降低稻米垩白粒率和垩白度，提高稻米峰值黏度、崩解值，降低消减值，提高食味值及口感，是实现高产优质同步提高的有效措施。晶两优534具有较高结实期干物质积累，叶片与茎鞘的物质转运、茎蘖数及成穗率；而宜香优2115则有高的崩解值、消减值及食味品质。就本研究而言，多元化种植模式下，油-稻模式相对于菜-稻、麦-稻模式对水稻季水稻的生产优势明显，选用晶两优534进行机插可获得高产和较好外观品质，而选用宜香优2115在稳产的条件下其稻米蒸煮食味品质优势明显，可为优质稻米的生产提供支撑。