趙海成,李紅宇?,陳立強,赫 臣,鄭桂萍,韓 笑,何文翠,周云峰

(1黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院∕黑龍江省教育廳寒地作物遺傳育種與栽培重點實驗室,大慶163319;2黑龍江省綏濱農(nóng)場,鶴崗156203;3黑龍江省大慶市星火牧場,大慶163319)

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和消費者生活水平的提高,人們對稻米品質(zhì)的要求越來越高。利用先進的栽培技術(shù)是改良稻米品質(zhì)的主要途徑之一。氮和硅是水稻正常生長必須的兩大重要元素[1-2]。關(guān)于氮肥施用量和施肥模式與水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性的關(guān)系已有大量研究[3-6]。適宜的氮肥施用量和施肥時期對構(gòu)建高產(chǎn)群體、改善稻米品質(zhì)具有積極作用,而過量施氮使土壤中硅氮比例嚴(yán)重失調(diào)[7],水稻群體質(zhì)量惡化,倒伏風(fēng)險和病害發(fā)病率增加,對稻米品質(zhì)多呈負(fù)面影響[8-9]。且隨著氮肥施用量的增加,肥料利用率卻在降低。

硅能促進土壤中的錳、銅、鐵、鋅等微量元素離子移動,有效防止缺素癥的產(chǎn)生,對水稻具有緩解重金屬毒害,增強水稻抗旱性、抗病蟲性等作用。硅的沉積可以增加細(xì)胞壁強度,提高水稻抗倒性[10]。施用硅肥能顯著改善稻米品質(zhì),主要表現(xiàn)為稻米的糙米率、精米率和整精米率顯著提高,稻米的堊白粒率和堊白度顯著降低[11-12],日本、韓國已把硅列為水稻增產(chǎn)的四大元素之一[13]。我國大部分稻田僅靠土壤硅的自然風(fēng)化已難以滿足水稻高產(chǎn)的需要,北方約有40%的稻田缺硅,南方有高達(dá)50%的稻田缺硅。因此,施用硅肥對我國水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗逆抗倒等具有重要的作用。

近年來,大量施用氮肥所引起的養(yǎng)分利用效率下降以及生產(chǎn)成本提高和水土污染等問題日益突出,土壤硅素供應(yīng)不平衡問題日趨凸顯,本試驗研究不同施氮水平下硅對水稻的產(chǎn)量品質(zhì)及抗倒性效應(yīng)的影響,闡明其對水稻增產(chǎn)和增質(zhì)的作用及其原因,以期為寒地水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全使用硅氮配施技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2016年在大慶市黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)寒地作物遺傳育種與栽培重點實驗室實驗盆缽場(東經(jīng) 124°26′—125°15′、北緯 45°30′—47°11′)進行。 該區(qū)屬東北半濕潤-半干旱草原-草甸鹽漬區(qū),年日照時數(shù)2 726 h,無霜期166 d,夏季平均氣溫23.2℃,農(nóng)作物生長發(fā)育期氣溫日差達(dá)10℃以上,年降水量427.5 mm,年蒸發(fā)量1 635 mm。參試品種：‘墾粳5號’,主莖12片葉,株高87 cm左右,全生育期135 d,需≥10℃活動積溫2 450℃左右。供試土壤為白漿土,土壤養(yǎng)分含量如表1所示。

表1 土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient content

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽,每盆裝土12 kg,盆缽高30 cm,上直徑30 cm,下直徑25 cm,體積0.017 m3。共設(shè)6個處理,每個處理3次重復(fù),每個處理種植12盆,每盆3穴,每穴4苗。試驗采用二因素完全隨機設(shè)計(表2)：A因素為硅肥,2水平,以A1和A2表示,A1=0 kg∕hm2,A2=15 kg∕hm2;B因素為氮肥,3水平,B1=96 kg∕hm2(減少氮肥20%)、B2=120 kg∕hm2(常規(guī)施肥)、B3=144 kg∕hm2(增加氮肥 20%)。 參試肥料使用46%尿素,43%重過磷酸鈣,50%硫酸鉀和佳木斯三興農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司生產(chǎn)的“神歸”硅肥(SiO2≥8%)。 氮肥按照基∶蘗∶調(diào)∶穗 =4∶3∶1∶2分配,磷肥100%基施,鉀肥按照基∶穗 =6∶4分配。 4 月17日播種,5月25日插秧,其他管理同常規(guī)生產(chǎn)。

表2 不同處理施肥量和分配時期Table 2 Fertilization amount and distribution period of different treatmentskg·hm-2

1.3 測定項目及方法

齊穗后20 d,每處理取10個主莖測定各節(jié)間長度、莖稈直徑(莖稈長徑和短徑的平均值)、莖稈壁厚、莖稈重心高度、地上部單莖鮮重和抗折力。測定方法參考李金才等[12]的方法,略有改進。莖稈抗折力：取倒1節(jié)間、倒2節(jié)間和倒3節(jié)間,剝除葉鞘,兩端置于高50 cm、間隔5 cm的支撐木架凹槽內(nèi),在其中部掛一容器,向容器內(nèi)勻速加細(xì)沙,使莖稈折斷所用的細(xì)沙加上容器自身的質(zhì)量即為莖稈抗折力(g)。地上部單莖鮮重：包括穗、葉和鞘的質(zhì)量。莖稈重心高度：測量莖稈基部至該莖(帶穗、葉和鞘)平衡支點的距離(cm)。抗倒伏指數(shù)：抗倒伏指數(shù)=抗折力∕(重心高度×地上部鮮重)。

成熟期收獲前按平均莖數(shù)取中等植株6株,于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干。稱量穗重和草重,考察穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重、一二次枝梗數(shù)、一二次枝梗的粒數(shù)、一二次枝梗結(jié)實率和一二次枝梗的千粒重,計算經(jīng)濟系數(shù)。剩余植株脫粒,室內(nèi)保存3個月左右用于品質(zhì)分析。

各樣品統(tǒng)一用風(fēng)選機等風(fēng)量風(fēng)選;碾米品質(zhì)測定依照《GB∕T 17891—1999優(yōu)質(zhì)稻谷》執(zhí)行。堊白粒率和堊白度使用大米外觀品質(zhì)判別儀(日本靜岡制機株式會社ES-1000)測定。參照徐正進等[4]的測定方法,用近紅外透過式PS-500食味分析儀(日本靜岡機械制造有限公司)測定精米的直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量和食味值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理,用DPS 7.05進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

結(jié)果表明(表3),產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的硅肥和氮肥二因素互作均不顯著。施硅處理穗數(shù)顯著高于未施硅處理,但絕對數(shù)值相差較小,其他產(chǎn)量構(gòu)成因素與未施硅處理無顯著差異,施硅處理產(chǎn)量高于未施硅處理5.14%,但未達(dá)到顯著水平。隨著施氮量增加穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量呈增加趨勢,千粒重與結(jié)實率有所下降,B1與B2穗數(shù)差異不顯著,二者極顯著低于B3;B2和B3穗粒差異不顯著,二者顯著高于B1;不同施氮水平間產(chǎn)量差異顯著或極顯著。不同施氮水平間結(jié)實率和千粒重?zé)o顯著差異。

表3 不同處理產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素的比較Table 3 Comparison of yield and its components under different treatment

2.2 不同施肥處理對穗部性狀的影響

從穗部性狀分析,硅氮二因素互作不顯著。硅肥的施用對穗部性狀無顯著影響。B1處理穗重、穗長、著粒密度和二次枝梗數(shù)顯著或極顯著低于B2和B3處理,其他性狀B2和B3處理無顯著差異;B2和B3處理各穗部性狀間差異不顯著(表4)。

2.3 不同施肥處理對稻米主要品質(zhì)指標(biāo)的影響

結(jié)果表明(表5),施硅處理糙米率、精米率和整精米率極顯著增加,加工品質(zhì)改善,堊白粒率和堊白度極顯著增加,外觀品質(zhì)變劣;蛋白質(zhì)含量極顯著提高,但絕對數(shù)值差異較小,直鏈淀粉含量差異不顯著,食味評分顯著降低。B2和B3處理各品質(zhì)指標(biāo)差異不顯著;B1處理加工品質(zhì)的精米率和整精米率顯著或極顯著低于B2和B3處理;B1處理外觀品質(zhì)的堊白粒率和堊白度極顯著低于其他處理;營養(yǎng)食味品質(zhì)的蛋白質(zhì)含量極顯著低于其他處理,直鏈淀粉含量差異不顯著,食味評分極顯著高于其他處理。加工及營養(yǎng)食味品質(zhì)各指標(biāo)硅氮二因素互作不顯著,堊白粒率和堊白度硅氮二因素互作顯著。A1與A2在B1(減氮20%)條件下,均以A1水平下堊白粒率和堊白度最低,在常規(guī)施氮(B2)基礎(chǔ)上,減氮20%會降低外觀品質(zhì)(圖1)。

表4 不同處理穗部性狀的比較Table 4 Comparison of panicle characters under different treatments

表5 不同處理稻米主要品質(zhì)指標(biāo)的比較Table 5 Comparison of main quality indexes of different treatments

注：?與??分別表示顯著性差異水平達(dá)到P＜0.05和P＜0.01,下同

圖1 硅氮互作堊白粒率和堊白度比較Fig.1 Comparison of the rate of chalky grains and the amount of chalkiness under controlled co-application of silicon and nitrogen

2.4 不同施肥處理對干物質(zhì)生產(chǎn)特性的影響

結(jié)果表明(表6),各指標(biāo)硅氮二因素互作均不顯著。施硅處理各指標(biāo)略高于未施硅處理,但差異均不顯著。氮肥因素方面,經(jīng)濟系數(shù)隨著施氮量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。B1處理莖鞘重、生物產(chǎn)量和經(jīng)濟系數(shù)顯著或極顯著高于B2和B3,不同施氮量下穗重?zé)o顯著差異。

表6 不同處理物質(zhì)生產(chǎn)特性的比較Table 6 Comparison of material production characteristics under different treatments

2.5 不同施肥處理對水稻抗倒性的影響

結(jié)果表明(表7),各節(jié)間長度、莖稈直徑和壁厚硅氮二因素互作均不顯著。硅肥因素施硅處理倒1節(jié)間莖稈壁厚顯著低于未施硅處理,倒2、倒3和倒4節(jié)間莖稈壁厚高于未施硅處理,其中倒2和倒4節(jié)間達(dá)到顯著或極顯著水平。氮肥因素倒2、倒3和倒4節(jié)間莖稈壁厚隨施氮量增加呈下降趨勢,其中減氮20%處理莖稈壁厚與常規(guī)施肥差異不顯著,顯著高于增施氮肥20%處理。各節(jié)間長度和莖稈直徑處理間不顯著。

表7 不同處理的株高、莖稈節(jié)間長度、直徑和莖壁厚度Table 7 Stem internode length、diameter and stem wall thickness under different treatments

結(jié)果表明(表8),施硅處理倒1、倒2和倒3節(jié)間莖稈抗折力高于未施硅處理,其中倒1節(jié)間和倒2節(jié)間達(dá)到顯著水平。各節(jié)間抗折力隨施氮量增加呈下降趨勢,其中增氮20%處理倒1節(jié)間和倒2節(jié)間抗折力顯著低于減氮20%處理,與常規(guī)施氮差異不顯著,倒3節(jié)間減氮20%處理抗折力顯著高于常規(guī)施氮和增氮20%處理,后二者差異不顯著,倒1節(jié)間在氮硅二因素互作間達(dá)到了極顯著水平。施硅處理抗倒伏指數(shù)高于未施硅處理18.4%,但差異未達(dá)到顯著水平;抗倒伏指數(shù)隨施氮量增加呈下降趨勢,其中減氮20%處理顯著高于常規(guī)施氮和增氮20%處理,后二者差異不顯著。

表8 不同處理莖稈抗折力和抗倒伏指數(shù)的比較Table 8 Comparison of stem bending strength and lodging resistance index under different treatments

各節(jié)間抗折力和抗倒伏指數(shù)硅氮二因素互作顯著或極顯著。減氮20%和常規(guī)施氮條件下,施硅對各節(jié)間抗折力和抗倒伏指數(shù)無顯著差異;增氮20%條件下,施硅處理各節(jié)間抗折力和抗倒伏指數(shù)顯著或極顯著高于未施硅處理,分別高63.3%、114.5%、70.6%和76.1%。各節(jié)間的抗折力從基部第1節(jié)間到第3節(jié)間逐漸增加,說明節(jié)間長度與莖稈的機械強度關(guān)系密切,特別是基部第3節(jié)間的長短對莖稈的機械強度影響很大(表9)。

表9 硅氮互作莖稈抗折力和抗倒伏指數(shù)的比較Table 9 Comparison of stem bending strength and lodging resistance index under the silicon-nitrogen interaction

3 結(jié)論與討論

本研究表明,硅氮配施可以有效提高水稻產(chǎn)量、改善品質(zhì),提高抗倒性。施硅處理產(chǎn)量高于未施硅處理5.14%。施硅能夠極顯著改善加工品質(zhì),減氮(減氮20%)利于改善外觀品質(zhì),蛋白質(zhì)含量最低為8.30%,食味值提高。施用硅肥可增加基部節(jié)間的硅化程度和壁厚,從而增加莖稈抗折力。在增氮20%條件下,施硅處理各節(jié)間抗折力和抗倒伏指數(shù)顯著或極顯著高于未施硅處理,分別高63.3%、114.5%、70.6%和76.1%,表明在增氮20%條件下,配施硅肥可以避免因過量施氮而增加的倒伏風(fēng)險,進而提高水稻產(chǎn)量及抗倒伏性。在增氮20%和施硅條件下,水稻產(chǎn)量分別為39.46 g∕穴、35.18 g∕穴;在減氮20%和不施硅肥條件下,稻米品質(zhì)食味值分別為76.98分、74.72分。水稻施硅時,不僅考慮土壤有效硅含量的高低,還要考慮施氮量和土壤供氮能力,以硅、氮單因素最優(yōu)施用量的組合即是硅氮配施的最優(yōu)配比。

一般認(rèn)為水稻穗數(shù)和穗粒數(shù)隨施氮量的增加而增加,結(jié)實率和千粒重則相反,而產(chǎn)量與氮肥呈二次曲線關(guān)系。當(dāng)土壤有效硅含量較低時,產(chǎn)量與硅肥正相關(guān),尤其是低至中硅水平增產(chǎn)效果更為明顯,硅用量過高或過低產(chǎn)量均降低[15-16],但不同類型水稻品種在不同硅肥施用量下的產(chǎn)量效應(yīng)有差異。多數(shù)研究認(rèn)為穗數(shù)、成穗率、千粒重和穗粒數(shù)增加是產(chǎn)量增加的主要原因[17-18],部分研究認(rèn)為結(jié)實率也有所影響[19]。水稻莖倒伏多發(fā)生在莖稈基部第1—3節(jié)間[20-21]。隨著施氮量的增加,植株高度增加,重心上移,基部節(jié)間伸長,節(jié)間充實度下降,抗折力和彈性模量減小,莖稈倒伏指數(shù)增加,抗倒伏能力下降[22-23],而施用硅肥可增加基部節(jié)間的硅化程度和壁厚,同時硅也可以通過提高水稻葉片的直立度來減少水稻群體密植帶來的相互遮陰,提高光能利用率,防止倒伏,莖稈抗折力增加[24-25]?？梢?硅、氮以及硅氮配施的報道較多,但硅氮二因素各指標(biāo)的具體互作情況缺少明確的分析描述。本研究表明,施硅能增加倒2、倒3和倒4節(jié)間莖稈壁厚,莖稈壁厚隨施氮量增加呈下降趨勢,硅肥與氮肥在各節(jié)間抗折力及抗倒伏指數(shù)間存在互作效應(yīng),因此,氮肥與硅肥配合施用是提高抗折力與肥效的重要手段。

稻米品質(zhì)是以稻米物質(zhì)的生理生化為基礎(chǔ),在遺傳特性和環(huán)境因素的作用下通過籽粒灌漿進行復(fù)雜有序的代謝過程而形成的。因此,一般影響水稻植株生長發(fā)育的栽培環(huán)境因素都會影響稻米品質(zhì),其影響程度依各因素變化而不同。前人對硅肥與稻米加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)的研究結(jié)果較為一致,認(rèn)為增施硅肥可以改善稻米加工品質(zhì)、降低堊白度和堊白粒率[26-27],施氮量對稻米蒸煮食味品質(zhì)的影響為隨著施氮量的增加而下降。硅肥與直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量關(guān)系有三種觀點：(1)施硅可增加稻米直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量[28-29];(2)施硅會降低稻米質(zhì)量淀粉和蛋白質(zhì)含量[30-31];(3)一定范圍內(nèi),稻米蛋白質(zhì)含量隨著施硅量增加而增加,而直鏈淀粉下降,當(dāng)施硅量大于某臨界值時,直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量沒有明顯變化。施硅使稻米整精米率顯著提高,堊白面積和直鏈淀粉含量顯著降低,而對稻米糙米率、堊白粒率、堊白度,多數(shù)研究認(rèn)為施硅對稻米食味無明顯影響[32]。本研究結(jié)果表明,減氮利于改善外觀品質(zhì),蛋白質(zhì)含量最低為8.30%,食味值提高。施硅能夠極顯著改善稻米加工品質(zhì),這與商全玉等[11]研究結(jié)果一致。堊白粒率和堊白度極顯著增加,食味評分顯著下降,與徐紅生[33]研究相矛盾,這可能與土壤硅含量和參試品種基因型有關(guān),有待進一步研究。