硅氮配施對寒地水稻產量品質及抗倒性的影響

趙海成,李紅宇?,陳立強,赫 臣,鄭桂萍,韓 笑,何文翠,周云峰

(1黑龍江八一農墾大學農學院∕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黑龍江省綏濱農場,鶴崗156203;3黑龍江省大慶市星火牧場,大慶163319)

隨著經濟的迅速發展和消費者生活水平的提高,人們對稻米品質的要求越來越高。利用先進的栽培技術是改良稻米品質的主要途徑之一。氮和硅是水稻正常生長必須的兩大重要元素[1-2]。關于氮肥施用量和施肥模式與水稻產量、品質和抗性的關系已有大量研究[3-6]。適宜的氮肥施用量和施肥時期對構建高產群體、改善稻米品質具有積極作用,而過量施氮使土壤中硅氮比例嚴重失調[7],水稻群體質量惡化,倒伏風險和病害發病率增加,對稻米品質多呈負面影響[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,主要表現為稻米的糙米率、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的四大元素之一[13]。我國大部分稻田僅靠土壤硅的自然風化已難以滿足水稻高產的需要,北方約有40%的稻田缺硅,南方有高達50%的稻田缺硅。因此,施用硅肥對我國水稻優質高產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分利用效率下降以及生產成本提高和水土污染等問題日益突出,土壤硅素供應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量品質及抗倒性效應的影響,闡明其對水稻增產和增質的作用及其原因,以期為寒地水稻高產、優質、安全使用硅氮配施技術提供科學依據。

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墾大學寒地作物遺傳育種與栽培重點實驗室實驗盆缽場(東經 124°26′—125°15′、北緯 45°30′—47°11′)進行。 該區屬東北半濕潤-半干旱草原-草甸鹽漬區,年日照時數2 726 h,無霜期166 d,夏季平均氣溫23.2℃,農作物生長發育期氣溫日差達10℃以上,年降水量427.5 mm,年蒸發量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,土壤養分含量如表1所示。

表1 土壤養分含量Table 1 Soil nutrient content

1.2 試驗設計

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6個處理,每個處理3次重復,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業技術服務有限公司生產的“神歸”硅肥(SiO2≥8%)。 氮肥按照基∶蘗∶調∶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,其他管理同常規生產。

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節間、倒2節間和倒3節間,剝除葉鞘,兩端置于高50 cm、間隔5 cm的支撐木架凹槽內,在其中部掛一容器,向容器內勻速加細沙,使莖稈折斷所用的細沙加上容器自身的質量即為莖稈抗折力(g)。地上部單莖鮮重：包括穗、葉和鞘的質量。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：抗倒伏指數=抗折力∕(重心高度×地上部鮮重)。

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

各樣品統一用風選機等風量風選;碾米品質測定依照《GB∕T 17891—1999優質稻谷》執行。堊白粒率和堊白度使用大米外觀品質判別儀(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、蛋白質含量和食味值。

1.4 數據分析

采用Excel 2003進行數據整理,用DPS 7.05進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對產量及其構成因素的影響

結果表明(表3),產量及其構成因素的硅肥和氮肥二因素互作均不顯著。施硅處理穗數顯著高于未施硅處理,但絕對數值相差較小,其他產量構成因素與未施硅處理無顯著差異,施硅處理產量高于未施硅處理5.14%,但未達到顯著水平。隨著施氮量增加穗數、穗粒數和產量呈增加趨勢,千粒重與結實率有所下降,B1與B2穗數差異不顯著,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;不同施氮水平間產量差異顯著或極顯著。不同施氮水平間結實率和千粒重無顯著差異。

表3 不同處理產量及其產量構成因素的比較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指標的影響

結果表明(表5),施硅處理糙米率、精米率和整精米率極顯著增加,加工品質改善,堊白粒率和堊白度極顯著增加,外觀品質變劣;蛋白質含量極顯著提高,但絕對數值差異較小,直鏈淀粉含量差異不顯著,食味評分顯著降低。B2和B3處理各品質指標差異不顯著;B1處理加工品質的精米率和整精米率顯著或極顯著低于B2和B3處理;B1處理外觀品質的堊白粒率和堊白度極顯著低于其他處理;營養食味品質的蛋白質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。加工及營養食味品質各指標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,在常規施氮(B2)基礎上,減氮20%會降低外觀品質(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指標的比較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生產特性的影響

結果表明(表6),各指標硅氮二因素互作均不顯著。施硅處理各指標略高于未施硅處理,但差異均不顯著。氮肥因素方面,經濟系數隨著施氮量的增加呈現下降的趨勢。B1處理莖鞘重、生物產量和經濟系數顯著或極顯著高于B2和B3,不同施氮量下穗重無顯著差異。

表6 不同處理物質生產特性的比較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

結果表明(表7),各節間長度、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節間莖稈壁厚顯著低于未施硅處理,倒2、倒3和倒4節間莖稈壁厚高于未施硅處理,其中倒2和倒4節間達到顯著或極顯著水平。氮肥因素倒2、倒3和倒4節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施肥差異不顯著,顯著高于增施氮肥20%處理。各節間長度和莖稈直徑處理間不顯著。

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

結果表明(表8),施硅處理倒1、倒2和倒3節間莖稈抗折力高于未施硅處理,其中倒1節間和倒2節間達到顯著水平。各節間抗折力隨施氮量增加呈下降趨勢,其中增氮20%處理倒1節間和倒2節間抗折力顯著低于減氮20%處理,與常規施氮差異不顯著,倒3節間減氮20%處理抗折力顯著高于常規施氮和增氮20%處理,后二者差異不顯著,倒1節間在氮硅二因素互作間達到了極顯著水平。施硅處理抗倒伏指數高于未施硅處理18.4%,但差異未達到顯著水平;抗倒伏指數隨施氮量增加呈下降趨勢,其中減氮20%處理顯著高于常規施氮和增氮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的比較Table 8 Comparison of stem bending strength and lodging resistance index under different treatments

各節間抗折力和抗倒伏指數硅氮二因素互作顯著或極顯著。減氮20%和常規施氮條件下,施硅對各節間抗折力和抗倒伏指數無顯著差異;增氮20%條件下,施硅處理各節間抗折力和抗倒伏指數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%。各節間的抗折力從基部第1節間到第3節間逐漸增加,說明節間長度與莖稈的機械強度關系密切,特別是基部第3節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的比較Table 9 Comparison of stem bending strength and lodging resistance index under the silicon-nitrogen interaction

3 結論與討論

本研究表明,硅氮配施可以有效提高水稻產量、改善品質,提高抗倒性。施硅處理產量高于未施硅處理5.14%。施硅能夠極顯著改善加工品質,減氮(減氮20%)利于改善外觀品質,蛋白質含量最低為8.30%,食味值提高。施用硅肥可增加基部節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,施硅處理各節間抗折力和抗倒伏指數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險,進而提高水稻產量及抗倒伏性。在增氮20%和施硅條件下,水稻產量分別為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、氮單因素最優施用量的組合即是硅氮配施的最優配比。

一般認為水稻穗數和穗粒數隨施氮量的增加而增加,結實率和千粒重則相反,而產量與氮肥呈二次曲線關系。當土壤有效硅含量較低時,產量與硅肥正相關,尤其是低至中硅水平增產效果更為明顯,硅用量過高或過低產量均降低[15-16],但不同類型水稻品種在不同硅肥施用量下的產量效應有差異。多數研究認為穗數、成穗率、千粒重和穗粒數增加是產量增加的主要原因[17-18],部分研究認為結實率也有所影響[19]。水稻莖倒伏多發生在莖稈基部第1—3節間[20-21]。隨著施氮量的增加,植株高度增加,重心上移,基部節間伸長,節間充實度下降,抗折力和彈性模量減小,莖稈倒伏指數增加,抗倒伏能力下降[22-23],而施用硅肥可增加基部節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]。可見,硅、氮以及硅氮配施的報道較多,但硅氮二因素各指標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,硅肥與氮肥在各節間抗折力及抗倒伏指數間存在互作效應,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。

稻米品質是以稻米物質的生理生化為基礎,在遺傳特性和環境因素的作用下通過籽粒灌漿進行復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育的栽培環境因素都會影響稻米品質,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和外觀品質的研究結果較為一致,認為增施硅肥可以改善稻米加工品質、降低堊白度和堊白粒率[26-27],施氮量對稻米蒸煮食味品質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含量關系有三種觀點：(1)施硅可增加稻米直鏈淀粉含量和蛋白質含量[28-29];(2)施硅會降低稻米質量淀粉和蛋白質含量[30-31];(3)一定范圍內,稻米蛋白質含量隨著施硅量增加而增加,而直鏈淀粉下降,當施硅量大于某臨界值時,直鏈淀粉含量和蛋白質含量沒有明顯變化。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,多數研究認為施硅對稻米食味無明顯影響[32]。本研究結果表明,減氮利于改善外觀品質,蛋白質含量最低為8.30%,食味值提高。施硅能夠極顯著改善稻米加工品質,這與商全玉等[11]研究結果一致。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,有待進一步研究。