邢丕鵬 劉金海 羅昊文 賴日芳 何隆鑫 田華 段美洋 潘圣剛 莫釗文 唐湘如

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實驗站/廣州市絲苗香米科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，廣州510642；第一作者：18843184689＠163.com；*通訊作者：tangxr＠scau.edu.cn）

可持續(xù)農(nóng)業(yè)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要方向。在農(nóng)業(yè)污染問題日趨嚴(yán)重的形勢下，探究傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展，是我國農(nóng)業(yè)研究和生產(chǎn)的迫切任務(wù)。水稻是我國的主要糧食作物之一，2019年我國水稻總產(chǎn)量達(dá)20 961萬t，約占全年糧食總產(chǎn)量的31.58%[1]。雖然我國水稻總產(chǎn)量很高，能基本滿足我國人民的需要，但我國經(jīng)濟(jì)水平的提高也使得人們開始追求高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，導(dǎo)致高品質(zhì)高附加值的稻米仍然存在很大缺口。所以，兼顧可持續(xù)性與高品質(zhì)高附加值的有機(jī)水稻種植受到農(nóng)業(yè)從業(yè)者的青睞。在水稻栽培過程中，水分是較大的限制因素，其用水量占我國農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上[2]，所以水稻節(jié)水栽培更加符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的大方向。雖然前人研究表明，水稻旱作會減少分蘗[3]、延長生育期[4]、降低產(chǎn)量。但在有機(jī)栽培過程中，提供合適的節(jié)水栽培模式，旱作水稻的產(chǎn)量可以達(dá)到與有機(jī)常規(guī)水稻栽培種植模式相同的產(chǎn)量。

香稻，作為高附加值農(nóng)產(chǎn)品，含有主要的特征物質(zhì)2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），使其擁有特殊香味而深受人們的喜愛[5]。廣東地區(qū)的絲苗米就是我國著名的香稻品種之一。所以，香稻與有機(jī)栽培模式相結(jié)合，符合香稻和有機(jī)栽培之間相互契合的高品質(zhì)高附加值的定位。并且有研究表明，一定程度上的節(jié)水栽培有利于香稻香氣的合成與積累[6]。還有人論證了不同耕作方式與施肥方式對香稻香氣合成的影響[7-8]。但是，對于不同機(jī)械種植方式對香稻在有機(jī)栽培下的產(chǎn)量、品質(zhì)和香氣的影響鮮有報道。為此，本研究從有機(jī)旱作香稻出發(fā)，探究了不同機(jī)械種植方式對香稻產(chǎn)量和香氣的影響，并對水田插秧機(jī)能否適用于旱田插秧進(jìn)行探討，從而達(dá)到降低水稻旱田種植成本的目的，為華南地區(qū)有機(jī)水稻種植提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以常規(guī)香稻品種19香作為試驗材料，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻栽培研究室提供。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2020年6—10月在廣州市從化區(qū)呂田鎮(zhèn)獅象村有機(jī)農(nóng)場（23°54′N，113°48′E）進(jìn)行，該農(nóng)場完全采用有機(jī)栽培種植方法，水稻生長過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進(jìn)行平整稻田，并灌水使得土壤含水量為100%，以便于水插秧機(jī)工作。本試驗共設(shè)4個處理，分別為旱插秧機(jī)旱插秧（DD）、水插秧機(jī)旱插秧（DW）、機(jī)械旱直播（D），以常規(guī)水田栽培模式為對照（CK）。DD處理采用洋馬VP6E（2ZGZ-6）水稻插秧機(jī)，DW處理采用井關(guān)PZ60DT水稻插秧機(jī)，D處理采用2BD-H10型水稻精量旱穴直播機(jī)。機(jī)插秧處理于5月20日播種育秧，6月5日移栽，行株距30 cm×20 cm，每叢3苗；旱直播處理于6月2日進(jìn)行播種，用種量3.5 kg/667 m2，每667 m2基本苗11 000叢。每個小區(qū)面積80 m2，3次重復(fù)。所施肥料為有機(jī)香稻專用水溶肥“馫香”肥（東莞富特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)，成分：N+P2O5+K2O=5%，有機(jī)質(zhì)=45%），基肥和分蘗肥用量各15 kg/667 m2。CK為常規(guī)水田種植模式，土壤水層維持在3～5 cm，旱作水稻全生育期田間無水層，僅每天的7∶00—9∶30利用噴灌設(shè)施噴施水分，每次每667 m2噴水4.0 t。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

于水稻成熟期，每個處理小區(qū)取有代表性植株30叢調(diào)查水稻有效穗數(shù)，并選取有代表植株3叢測定每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。每個小區(qū)實割3 m2測定實際產(chǎn)量，重復(fù)3次。

1.3.2 稻米品質(zhì)

收獲后的稻谷于室溫下保存3個月后測定稻米品質(zhì)性狀。碾磨品質(zhì)采用機(jī)械礱谷機(jī)和碾米機(jī)進(jìn)行碾磨并稱重，外觀品質(zhì)參照NY147-88《米質(zhì)測定方法》測定。稻米蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量用近紅外谷物分析儀（FOSS InfratecTM 1241）測定。

1.3.3 稻谷香氣及香氣合成關(guān)鍵基因BADH2相對表達(dá)量

稻谷測定香氣籽粒材料于水稻收獲前1 d取回，在-20℃下冷藏保存，稻谷籽粒香氣測定方法參照李艷紅等[9]方法，使用GC-MS QP2010 Plus型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀測定稻谷2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）含量。用于測定基因表達(dá)量的籽粒材料于水稻收獲前1 d取回，選取穗上部優(yōu)勢粒10粒左右，并于-80℃下冷藏保存，實時熒光定量PCR采用Option Real-Time PCR System（Bio-Rad，CFX96，California，USA）儀器，每個樣品3次重復(fù)。PCR反應(yīng)條件：95℃30 s；95℃5 s；57℃30 s；40個循環(huán)。反應(yīng)結(jié)束后，進(jìn)行溶解曲線分析。以不加cDNA模板作為陰性對照，每個樣品設(shè)置3個重復(fù)，以actin基因作為內(nèi)參基因，根據(jù)各基因已知序列信息（基因BADH2引物序列：F 5'-GGTTGGTCTTCCTTCAGGTGTGC-3'/R 5'-CATCAACATCATCAAACACCACTAT-3'），按照熒光定量PCR引物設(shè)計原則，利用Beacon Designer軟件（Premier Biosoft International，Palo Alto，CA，USA）進(jìn)行定量PCR引物設(shè)計。由上海美吉生物工程公司合成。PCR擴(kuò)增率保證在95%～105%之間，基因相對表達(dá)量運用2-ΔΔCt計算得出（儀器帶有BIO-RAD CFX Manager 1.6自動按照該運算公式運算）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和Statistix 8.1軟件進(jìn)行整理和分析，在5%的概率水平上，采用最小顯著性差異（LSD）檢驗分離均值之間的差異，并采用字母標(biāo)記法進(jìn)行標(biāo)注。標(biāo)注相同小寫字母表示兩組數(shù)據(jù)在0.05水平上差異不顯著，標(biāo)注不同小寫字母表示兩組數(shù)據(jù)在0.05水平上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同機(jī)械種植方式對有機(jī)香稻產(chǎn)量的影響

由表1可以看出，與CK相比，DD處理的產(chǎn)量和結(jié)實率沒有顯著差異，DW和D處理的產(chǎn)量顯著要低。就有效穗數(shù)而言，DW和D處理顯著低于CK，DD處理與CK差異不顯著。DD處理的每穗粒數(shù)最高，D處理的每穗粒數(shù)最低，顯著低于DD處理。處理間的千粒重差異不顯著。

表1 不同機(jī)械種植方式對有機(jī)香稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.2 不同機(jī)械種植方式對有機(jī)香稻品質(zhì)的影響

從表2可以看出，與CK相比，D處理碾磨品質(zhì)均顯著降低，DW處理和DD處理的糙米率和精米率差異不顯著，DD處理的整精米率顯著降低。在營養(yǎng)品質(zhì)中，各個處理的蛋白含量差異不顯著，DD處理的直鏈淀粉含量最高，顯著高于其他處理；CK與DW處理差異不顯著，D處理的直鏈淀粉含量最低，顯著低于其他處理。D處理的堿消值最低，顯著低于其他處理。CK、DW處理和DD處理間的堿消值差異不顯著。與CK相比，旱作水稻的堊白度顯著降低，而旱作水稻處理之間堊白度無顯著差異。

表2 不同機(jī)械種植方式對有機(jī)香稻品質(zhì)的影響

2.3 不同機(jī)械種植方式對有機(jī)香稻香氣及香氣合成關(guān)鍵基因BADH2表達(dá)量的影響

由圖1可知，在有機(jī)栽培條件下，旱作水稻較CK（158.81 μg/kg）顯著提高了香稻的香氣2-AP含量。而在旱作水稻之間，香氣物質(zhì)含量差異不顯著，但DD處理的2-AP含量最高，達(dá)278.30 μg/kg。與CK相比，有機(jī)栽培條件下旱作香稻BADH2基因表達(dá)量顯著下降，DW處理下降23.0%，DD處理下降28.0%，D處理下降22.7%。雖然旱作水稻處理之間差異不顯著，但DD處理的表達(dá)量最少，D處理的表達(dá)量最多。

圖1 不同機(jī)械種植方式對有機(jī)香稻2-AP含量及BADH2基因相對表達(dá)量的影響

3 討論

雖然化肥和農(nóng)藥投入極大降低了人工投入以及病蟲草害所導(dǎo)致的損失，顯著提高了作物產(chǎn)量，化肥也被證明其比有機(jī)肥料能更為高效的被植株吸收[10]。但大量化學(xué)品的施用會嚴(yán)重污染土壤和地下水水質(zhì)，對環(huán)境造成不利影響并且這種影響在進(jìn)一步惡化[11]。盡管研究表明當(dāng)下的農(nóng)業(yè)種植方法與種植制度有著種種不利，但這種不利影響還不足以影響到農(nóng)民的決策[12]。有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高成本與低產(chǎn)量，使得農(nóng)民不愿主動采用。但隨著生活水平以及環(huán)境保護(hù)意識的提高，消費者對有機(jī)產(chǎn)品的需求也在逐漸提高[12]，從而促進(jìn)了有機(jī)種植制度的推廣，提升了土地潛力[13]。水稻傳統(tǒng)淹水灌溉種植，不僅用水量巨大，水資源利用率也低[14]。所以，水稻節(jié)水灌溉有利于緩解當(dāng)前的問題。但目前的研究多為控灌、少灌，稻田內(nèi)仍有水層，對旱作水稻研究較少。研究顯示，非抗旱型常規(guī)水稻的旱作過程中，會產(chǎn)生結(jié)實率降低[15]、株型矮化、劍葉早衰[16]等問題，進(jìn)而降低產(chǎn)量。但本試驗顯示，水稻常規(guī)栽培與水稻旱作栽培在產(chǎn)量上并沒有明顯差異。在本試驗中，機(jī)械旱直播的表現(xiàn)最差，應(yīng)當(dāng)是水稻種子直播后，沒有進(jìn)行單獨的育秧，導(dǎo)致在水稻發(fā)芽及生長前期受草害影響較大，相比于集中育秧后移栽，有機(jī)條件下水稻直播的秧苗質(zhì)量較弱[17]，所以導(dǎo)致產(chǎn)量明顯下降。水插秧機(jī)旱插秧處理的產(chǎn)量顯著低于對照，表明在現(xiàn)行條件下，有機(jī)旱作種植所用農(nóng)機(jī)具不能和常規(guī)水插秧通用，這也會導(dǎo)致秧苗質(zhì)量不好，進(jìn)而導(dǎo)致減產(chǎn)。雖然有研究表明，水稻遇水分脅迫易增加堊白度[16]，但在本試驗中，旱作水稻堊白度均顯著低于對照，可能是噴灌給水方式優(yōu)于常規(guī)給水方式，有利于籽粒灌漿，降低堊白度。

香稻的香氣受多方面因素影響，并與多種化合物有著密切聯(lián)系，但最為重要的化合物是2-AP[18]。而2-AP合成的基因基礎(chǔ)，現(xiàn)在一般認(rèn)為是因為要編碼氨基醛脫氫酶（BADH）的BADH2基因表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致香氣物質(zhì)2-AP在香米品種中積累[19-20]。在本試驗中，對照的BADH2mRNA表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于旱作水稻的表達(dá)量。前人研究也發(fā)現(xiàn)，輕度控水灌溉或者缺水條件都能有效提高水稻籽粒2-AP的含量[21]。雖然普遍認(rèn)為香稻的香氣與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，但是在有機(jī)條件下，旱插秧機(jī)旱插秧可以使得香稻香氣比對照顯著提高，而產(chǎn)量差異不大。

4 結(jié)論

在有機(jī)栽培條件下，旱插秧機(jī)旱插秧的產(chǎn)量與常規(guī)水插秧差異不顯著，但籽粒香氣物質(zhì)含量顯著高于常規(guī)水插秧。所以，在香稻的有機(jī)栽培中，建議采用旱作管理和選用旱插秧機(jī)插秧方式。