减氮方式对不同穗型粳稻产量和品质的影响

顾汉柱，王琛，吴昊，张瑛，肖治林，景文疆，张耗

(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009)

水稻是我国主要粮食作物之一，全国有一半以上的人口以稻米为主食。 据统计，我国水稻年产量从上世纪80 年代的1.40 亿t 增长到目前的2.11亿t，主要得益于品种选育和栽培技术的改进[1]。但随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，未来几十年要实现水稻增产和优质的双重目标[2]。一般来说，中穗型和小穗型粳稻品种具有较大的品质提升潜力，而大穗型粳稻品种具有较大的产量提升潜力[3-4]。 虽然目前许多研究提出了水稻合理的氮肥增产策略，但是这些方式或策略能否协同实现不同穗型水稻品种高产和优质的目标，还有待深入分析和讨论[5]。

水稻产量和品质受基因型和栽培环境的共同影响[6-7]，施氮量和施氮方式均会对水稻产量和品质产生影响[8-9]。 目前我国稻田施氮量比世界平均水平高75%左右，氮肥施用不合理是造成稻田氮肥利用率低和稻米品质下降的重要原因[10-11]。 以往的研究[12]表明，合理的氮肥减施策略不仅可以保持高产，还能显著改善稻米加工和营养品质。 灌浆期是影响水稻产量和品质的重要时期[13-14]。 然而，不同穗型粳稻品种灌浆特性不一。 为了以低环境成本实现水稻高产优质，当前生产水平下的减氮措施，应当充分考虑水稻的穗型大小，从而采取具有针对性的氮肥减施策略。 为此，本研究以丰粳3227(大穗型)、淮稻5 号(中穗型)和扬辐粳8 号(小穗型)为试验材料，比较不同减氮方式下不同穗型粳稻品种在产量及其构成、干物质积累量、茎蘖成穗率、粒叶比、光合势以及稻米品质等方面的差异，以探明不同穗型粳稻的产量形成规律及其生理特性对减氮的响应，以期为粳稻高产、稳产、优质栽培提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2020 年在江苏里下河地区农业科学研究所万福科研基地进行，前茬作物为小麦。 土壤质地为砂壤土，耕作层含有机质10.53 g/kg、碱解氮96.05 mg/kg、有效磷15.42 mg/kg、速效钾105.2 mg/kg。

1.2 供试材料

以3 个在生产上大面积应用的具有代表性的粳稻品种为材料，分别为大穗型品种丰粳3227(每穗粒数140～160)、中穗型品种淮稻5 号(每穗粒数110～130)、小穗型品种扬辐粳8 号(每穗粒数90 ～110)。

1.3 试验设计

试验采取随机区组设计，品种为主区，氮肥处理为副区(表1)。 尿素(含纯氮46.4%)按基肥(移栽前1 d)、分蘖肥(移栽后7 d)、促花肥(倒4 叶)、保花肥(倒2 叶)比例为4 ∶2 ∶2 ∶2施用。 过磷酸钙(含P2O513.5%)的施用量为300 kg/hm2，于移栽前作基肥一次性施入。 氯化钾(含K2O 63%)的施用量为195 kg/hm2，分基肥和拔节肥2 次使用，前后两次的比例为5 ∶5。 3 个品种分别设置12 个氮肥处理(表1)，即N1(不施氮肥)、N2(当地常规，300 kg/hm2)、N3(基肥减总氮10%)、N4(分蘖肥减总氮10%)、N5(促花肥减总氮10%)、N6(保花肥减总氮10%)、N7(基肥减总氮20%)、N8(分蘖肥减总氮20%)、N9(促花肥减总氮20%)、N10(保花肥减总氮20%)、N11(均衡减总氮10%)、N12(均衡减总氮20%)，每处理设3 次重复，小区面积为15 m2。 5 月20 日播种，6 月22 日移栽，株行距为11.7 cm×30 cm，双本栽插，小区之间用PVC 隔板隔开防止串水串肥。 除中期搁田外，全生育期保持浅水层直至收获前1 周断水，病虫草害管理按照当地常规高产栽培技术措施进行。

表1 氮肥处理Table 1 Nitrogen fertilizer treatment kg·hm-2

1.4 测定项目与方法

1.4.1 茎蘖动态

移栽后7 d，于每个小区内定点选取长势均匀的水稻10 穴，每周观察并记录一次茎蘖数，直到茎蘖数稳定为止。

1.4.2 叶面积

分别于分蘖中期、穗分化始期、抽穗期(全田50%稻穗抽出茎鞘)和成熟期，从每个小区按单穴平均茎蘖数(穗数)选取5 穴生长一致的稻株，按茎、叶、穗(抽穗以后)分开，采用美国LI-COR 公司生产的Li-Cor 3050 型叶面积仪测定叶面积并记录。

1.4.3 干物质量

分别于分蘖中期、穗分化始期、抽穗期(全田50%稻穗抽出茎鞘)和成熟期，从每个小区按单穴平均茎蘖数(穗数)选取5 穴生长一致的稻株，按茎、叶、穗(抽穗以后)分开，置于烘箱105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重后，测定干物质量。

1.4.4 产量及其构成因素

成熟期各小区按单穴平均有效穗数取代表性植株10 穴，重复2 次，风干后于室内考种，考查每穗粒数、结实率和千粒质量。 各小区实收计产。

1.4.5 稻米品质

稻米自然晒干后放置3 个月，待品质稳定后，统一用NP 4350 型风选机风选。 按照《GB/T17891-1999 优质稻谷》测定稻米品质。 测定指标包括糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白面积、垩白度、蛋白质、直链淀粉含量、胶稠度等。 采用的仪器有日本YAMAMOTO 公司生产的FC2K 型糙米机、VP-32型精米机、日本公司生产的ES-1000 型大米外观品质辨别仪、QS-4000 型高精度近红外线食味分析仪、Foss 公司生产的Infratecl 241 Grain Analye 近红外快速品质分析仪。

1.5 数据计算和统计分析

采用Microsoft Excel 2010 软件整理数据；采用SPSS 19.0 进行方差分析。 相关指标的计算公式如下:

茎蘖成穗率(%)＝成熟期有效穗数/最大茎蘖数×100，

颖花/叶(cm-2)＝总颖花数/抽穗期叶面积，

实粒/叶(cm-2)＝总实粒数/抽穗期叶面积，

粒质量/叶(mg·cm-2)＝籽粒产量/抽穗期叶面积，

光合势(×104m2·d·hm-2)＝1/2(L1＋L2)×(t2-t1)，

式中:L1和L2为前后2 次测定的叶面积；t1和t2为前后2 次测定的时间。

群体生长速率(g·m-2·d-1)＝(W2-W1)/(t2-t1)，式中:W1和W2为前后2 次测定的干物质量；t1和t2为前后2 次测定的时间。

收获指数＝籽粒干质量/地上部总干物质量。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素

不同减氮处理对3 个粳稻品种的产量及其构成因素均有显著影响。 各减氮处理中，大穗型品种丰粳3227 在N5(促花肥减总氮10%)处理下、中穗型品种淮稻5 号在N11(均衡减总氮10%)处理下、小穗型品种扬辐粳8 号在N6(保花肥减总氮10%)处理下产量最高，且均与N2 处理无显著差异，但其他处理产量均显著低于N2 处理。 在相同氮肥处理下，大穗型品种丰粳3227 产量最高，其次是中穗型品种淮稻5 号。 氮肥减施20%的处理(N7、N8、N9、N10、N12)产量均显著降低，且3 个品种的趋势一致。 从产量构成因素分析，与N2(当地常规)相比，单位面积穗数在N3(基肥减总氮10%)、N4(分蘖肥减总氮10%)和N7(基肥减总氮20%)、N8(分蘖肥减总氮20%)处理下显著降低；每穗粒数在N5(促花肥减总氮10%)、N9(促花肥减总氮20%)处理下显著降低；结实率和千粒质量在N6(保花肥减总氮10%)、N10(保花肥减总氮20%)处理下显著下降(表2)。

表2 不同处理下各粳稻品种产量及其构成因素Table 2 Yield and its components of japonica rice varieties under different treatments

2.2 茎蘖动态和茎蘖成穗率

3 个粳稻品种移栽后的分蘖数迅速增长，在穗分化始期达到最大值后逐渐降低，直至抽穗后群体茎蘖数稳定。 与N2(当地常规)处理相比，3 个品种N3(基肥减总氮10%)、N4(分蘖肥减总氮10%)、N7(基肥减总氮20%)、N8(分蘖肥减总氮20%)处理的群体茎蘖数均显著降低，但茎蘖成穗率均显著提高。 小穗型品种扬辐粳8 号的分蘖能力强，茎蘖数在各个生育时期均高于其他2 个品种(表3)。

表3 不同处理下各粳稻品种茎蘖动态和茎蘖成穗率Table 3 Tillering dynamics and tiller percentage of japonica rice varieties under different treatments

2.3 干物质积累

地上部干物质积累随着生育进程的推进呈逐渐增加的趋势。 与N2(当地常规)处理相比，分蘖中期，3 个粳稻品种的干物质积累量在N3(基肥减总氮10%)、N7(基肥减总氮20%)和N4(分蘖肥减总氮10%)、N8(分蘖肥减总氮20%)处理下显著降低；穗分化始期，干物质积累量在N5(促花肥减总氮10%)、N9(促花肥减总氮20%)处理下显著降低；抽穗期，干物质积累量在N6(保花肥减总氮10%)、N10(保花肥减总氮20%)处理下显著降低；成熟期，除N2(当地常规)处理外，大穗型品种丰粳3227 在N5(促花肥减总氮10%)处理下、中穗型品种淮稻5号在N11(均衡减总氮10%)处理下、小穗型品种扬辐粳8 号在N6(保花肥减总氮10%)处理下的干物质积累量最高。 减氮处理可提高3 个粳稻品种的收获指数，相同时期减氮20%处理的收获指数高于减氮10%处理(表4)。

表4 不同处理下各粳稻品种的干物质积累动态和收获指数Table 4 Dry matter dynamics and harvest index of japonica rice varieties under different treatments

2.4 粒叶比

粒叶比是衡量水稻植株源库关系的指标之一，除N1(不施氮肥)处理外，大穗型品种丰粳3227 在N5(促花肥减总氮10%)处理下、中穗型品种淮稻5号在N11(均衡减总氮10%)处理下、小穗型品种扬辐粳8 号在N6(保花肥减总氮10%)处理下的粒叶比(颖花/叶、实粒/叶、粒质量/叶)均显著高于其他处理(表5)。

表5 不同处理下各粳稻品种抽穗期粒叶比Table 5 Grain-leaf ratio of japonica rice varieties at heading stage under different treatments

2.5 叶片光合势

随着生育进程的推进，叶片光合势逐渐增加。除N2(当地常规)处理外，大穗型品种丰粳3227 在N5(促花肥减总氮10%)处理下、中穗型品种淮稻5号在N11(均衡减总氮10%)处理下、小穗型品种扬辐粳8 号在N6(保花肥减总氮10%)处理下的光合势显著高于其他处理。 在相同氮肥处理下，淮稻5号主要生育时期的叶片光合势均高于其他2 个品种(表6)。

表6 不同处理下各粳稻品种光合势Table 6 Photosynthetic potential of japonica rice varieties under different treatments ×104 m2·d·hm-2

2.6 稻米品质

2.6.1 加工品质

与N2(当地常规)处理相比，氮肥减施显著降低了3 个品种稻米的出糙率、精米率、整精米率。 在相同施氮量水平下，与前期减氮处理(N3、N4、N7、N8)相比，N5(促花肥减总氮10%)、N9(促花肥减总氮20%)和N6(保花肥减总氮10%)、N10(保花肥减总氮20%)上述指标的降低幅度更大。 由此可见，减氮处理改善了稻米的加工品质。 在3 个不同穗型粳稻品种中，大穗型品种丰粳3227 的加工品质较好(表7)。

表7 不同处理下不同穗型粳稻品种的稻米加工品质Table 7 Rice processing quality of japonica rice with different panicle types under different treatments %

2.6.2 外观品质

与N2(当地常规)处理相比，氮肥减施显著降低了3 个品种稻米的垩白粒率、垩白度和垩白面积。在相同施氮量水平下，与前期减氮(N3、N4、N7、N8)处理相比，N5(促花肥减总氮10%)、N9(促花肥减总氮20%)和N6(保花肥减总氮10%)、N10(保花肥减总氮20%)处理的上述指标降低幅度更大。 由此可见，减氮处理改善了稻米的外观品质。 在3 个不同穗型粳稻品种中，小穗型品种扬辐粳8 号的外观品质较好(表8)。

表8 不同处理下不同穗型粳稻品种的稻米外观品质Table 8 Appearance quality of japonica rice with different panicle types under different treatments

2.6.3 营养与蒸煮食味品质

与N2(当地常规)处理相比，氮肥减施显著降低了3 个品种稻米的蛋白质含量，相同施肥期，减氮20%处理的稻米蛋白质含量小于减氮10%处理。 中穗型品种淮稻5 号的稻米蛋白质含量最高，其次是大穗型品种丰粳3227。 与N2(当地常规)处理相比，氮肥减施显著增加了稻米中直链淀粉含量和胶稠度，相同施肥期减氮20%处理的稻米直链淀粉含量和胶稠度高于减氮10%处理。 相同氮肥减施水平处理稻米的胶稠度无显著差异。 在3 个不同穗型粳稻品种中，小穗型品种扬辐粳8 号的稻米直链淀粉含量和胶稠度最高(表9)。

表9 不同处理下不同穗型粳稻品种的稻米营养与蒸煮食味品质Table 9 Nutrition and cooking and eating quality of japonica rice with different panicle types under different treatments

3 讨论

3.1 氮肥减施对水稻产量形成的影响

一般来说，减少氮素供应量会因为水稻对氮素的吸收减少而导致产量降低[15-16]。 但本试验中，合理的氮肥减施策略可维持产量水平。 具体来说，大穗型品种丰粳3227 在N5(促花肥减总氮10%)处理下、中穗型品种淮稻5 号在N11(均衡减总氮10%)处理下、小穗型品种扬辐粳8 号在N6(保花肥减总氮10%)处理下并未显著降低产量。 可能是由于大穗型品种丰粳3227 具有较大的库容量，可以通过“强源”来提高产量。 促花肥的施用对其穗粒数的提高效果不显著，而提高保花肥的施用比例在节约氮肥资源的基础上可获得高产。 中穗型品种淮稻5 号为源库协调型，源强、库足、流畅，各时期的均衡减氮能协调其生长发育，获得高产。 小穗型品种扬辐粳8 号库容量较小，限制了产量的提高，可通过少施保花肥、重施促花肥主攻大穗来获得高产。 其次，干物质积累量和穗数与水稻产量呈显著或极显著正相关[17-18]。 合理减氮后，干物质积累量和穗数未显著降低，从而促进了收获指数和茎蘖成穗率的增加，各生育阶段叶片光合势的保持进一步支持了这一结论。 本研究中小穗型品种产量显著低于中、大穗型品种，这可能与本研究采取了相同的种植密度(11.7 cm×30 cm)有关。 有研究[19]报道，不同施氮量和种植密度组合对不同水稻品种的籽粒产量有不同的影响；小穗型品种在一定的施氮量下，籽粒产量会随着种植密度增加而增加。

综合分析，合理的减氮策略可通过影响库—源—流的关系和群体质量特征，降低减氮对水稻产量造成的负面影响。 然而，在产量形成的调查中，本研究只对干物质积累、光合势、粒叶比和茎蘖数等相关农艺指标进行了分析，未关注生理特征的变化。进一步调查光合作用、氮素转运和酶活性或许有利于构建针对产量形成的完整评价体系[20-21]。

3.2 氮肥减施对稻米品质的影响

稻米品质不仅受遗传特性的调控，而且受生态环境、栽培措施和加工方法等因素的影响[22-23]。 氮肥的施用是影响稻米品质最主要的因素之一，氮肥施用比例和施用量都会对其产生影响[24-25]。 施用氮肥可以显著改善稻米的加工品质，是因为氮肥的施用促进了灌浆，从而加速了胚乳中淀粉和蛋白质的积累和结构的形成。 本研究中，相比于后期减氮处理(N5、N6、N9 和N10)，前期减氮处理(N3、N4、N7、N8)稻米的出糙率、精米率、整精米率下降幅度更小。 垩白是由于胚乳中的淀粉体和蛋白质体排列不紧密形成的一些间隙所引起的一种光学特性，是评价稻米外观品质的重要指标[26]。 一般来说，合理的施氮量和施肥方式有利于稻米外观品质的改善，过量施氮会导致淀粉和蛋白质颗粒松散，最终形成垩白。 本研究中，后期减氮处理显著减少了垩白粒率、垩白度和垩白面积，改善了稻米外观品质。

营养与蒸煮食味品质是评价稻米品质的重要指标[27-28]。 一般认为，降低直链淀粉和蛋白质含量有利于提升稻米食味品质，但直链淀粉和蛋白质含量偏低也会影响稻米品质[29]。 本研究发现，减少施氮量显著降低了籽粒中的蛋白质含量，增加了直链淀粉含量和胶稠度。 说明合理减氮有利于改善稻米品质。

4 结论

针对不同穗型的粳稻品种，采取不同的氮肥减施策略可在保持产量的同时改善稻米品质。 大穗型品种丰粳3227、中穗型品种淮稻5 号和小穗型品种扬辐粳8 号分别在N5(促花肥减总氮10%)、N11(均衡减总氮10%)和N6(保花肥减总氮10%)处理下的水稻产量与常规施氮处理无显著差异，并可在一定程度上改善稻米品质。