氮肥減量對優質稻籽粒蛋白質影響及其合理性評價

王保君 程旺大 沈亞強 秦葉波 蘇 瑤 陳 貴 魯晨妮 張紅梅

（1嘉興市農業科學研究院生態環境研究所，314016，浙江嘉興；2浙江省農業技術推廣中心，310020，浙江杭州；3浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，310021，浙江杭州；4嘉興市農業科學研究院生物技術研究所，314016，浙江嘉興）

氮肥作為重要的農業生產資料，其對糧食生產的貢獻率約為45%[1]，在促進糧食增產方面發揮著重要作用。據統計，我國農業每年施用氮肥約3000萬t，約占全球農業氮肥用量的30%[2]。水稻作為浙北地區主要的栽培作物，也是浙江氮肥消耗占比較高的農作物之一。氮肥的過量施用不僅會造成水稻產量降低，而且會影響稻米品質[3-4]。近年來，人們對稻米的食味品質要求越來越高，優質稻米在消費市場上開始走俏。相關報道[5]指出，稻米的食味品質同水稻籽粒蛋白質含量呈顯著負相關。氮肥施用越多，籽粒蛋白質含量越高，稻米的香味和口感反而越差[6]。此外，氮肥的不合理施用也會威脅農田土壤健康，引發一系列生態環境問題。因此，合理地減少氮肥用量對提高稻米品質以及促進農業綠色健康發展具有重要意義。

目前，關于氮肥合理性評判的指標有很多，其中氮素利用率（NUE）是廣泛使用的指標。然而，NUE不能反映產量水平和氮素損失量，片面追求較高的NUE可能引起土壤氮素消耗[2]。氮素盈余（Nsur）指標可以彌補NUE的不足之處，二者結合可以很好地衡量氮肥管理的合理性[7]。Zhang等[8]根據NUE和Nsur指標對全國13個糧食作物種植區進行氮素合理性判定，結果表明13個種植區在最佳施氮管理下的平均NUE為63%，Nsur相對減少了25%～49%。劉宏元等[9]利用NUE以及Nsur等指標對山東省德州市小麥—玉米輪作田進行評價，結果表明小麥—玉米輪作體系周期平均每年氮素盈余量為196.84kg N/hm2，屬于中級管理水平。浙江省北部屬長三角稻區，耕地比較分散，農戶水稻施肥管理水平參差不齊，仍存在很大的盲目性。相關研究[10]表明，1988-2017年，長三角稻區水稻氮肥平均施用量為279kg/hm2，顯著高于其他稻區的55.9%～75.5%。此外，浙江水稻化肥施用強度呈波狀上升趨勢，由2004年的304kg/hm2上升到2016年的339kg/hm2，減肥潛力較大[11]。近年來，氮肥減量行動在浙北地區廣泛開展，如何通過合理的施氮措施減少環境污染、提高稻米品質尤為重要。本研究通過大田試驗，以浙北優質粳稻為研究對象，研究氮肥減量對優質稻籽粒蛋白質形成的影響，并結合NUE和Nsur指標對氮肥減量管理進行合理性綜合評價，為浙北地區氮肥管理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在浙江北部嘉興市秀洲區王江涇鎮雙橋村嘉興市農業科學研究院試驗地（120°43′04″E，30°50′08″N）進行。試驗地屬亞熱帶季風氣候，海拔12m，年均氣溫15.5℃，年均降水量1194mm，年均日照時數1950h，年輻射量462kJ/cm2，年無霜期245d。土壤類型為長三角地區典型的水稻青紫泥，肥力水平均勻，能代表當地土壤肥力水平，0～20cm土層土壤基本理化性狀為有機碳28.11g/kg、全氮2.39g/kg、速效磷13.55mg/kg、速效鉀132.84mg/kg、銨態氮14.15mg/kg、硝態氮12.37mg/kg，pH 6.82。

1.2 試驗設計

根據嘉興當地農戶施肥習慣，設置施氮量（以純氮計）0（N0）、270（N）、229.5（N-15%）和189kg/hm2（N-30%）4個水平（處理），隨機區組設計，3次重復，每個小區面積22.54m2（4.9m×4.6m）。各小區間田埂寬度為40cm，用塑料膜包裹，防止水肥互串。供試水稻品種為浙北地區優質晚粳稻嘉禾218。2019年5月25日播種，6月22日人工移栽，行株距為25cm×16cm，每穴2株。試驗所用氮肥、磷肥和鉀肥的商品名稱和生產商分別為：中顆粒尿素（N≥46%，河南心連心化學工業集團股份有限公司）、氯化鉀（K2O≥60%，中化化肥控股有限公司）、粒狀過磷酸鈣（P2O5≥12%，海鹽北洋磷原物資有限公司）。各處理水分管理模式以及病、蟲、草害防治保持一致，具體施肥方式、施肥量以及施肥日期見表1。

表1 不同處理施肥方案Table 1 The fertilization designs of different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻籽粒蛋白質及其組分 處理N0、N、N-15%和N-30%的水稻齊穗時間分別為8月27日、9月3日、9月3日和8月31日，分別于水稻齊穗后10、20、30、40、50d取樣。每小區每次割取代表性水稻植株（其株高、長勢以及籽粒成熟度能夠代表小區水稻群體整體特征）3穴，剪取稻穗裝入紙袋，放入烘箱，105℃下殺青30min，80℃烘干至恒重，采用人工手剝和礱谷機（JLGJ4.5，浙江臺州）去殼，加工成糙米，進行粉碎過篩待測。采用凱氏定氮法測定水稻籽粒蛋白質含量以及收獲時水稻秸稈氮含量，采用連續提取—考馬斯亮藍法測定水稻籽粒蛋白質組分含量[12]。

1.3.2 水稻產量 水稻成熟后（2019年10月28日），各小區單獨收割、脫粒、曬干，進行測產。

1.4 相關指標計算公式

式中，N化肥為氮肥輸入氮；N水稻為水稻秸稈+水稻籽粒移除氮；N沉降為大氣沉降輸入氮，嘉興為 55.86kg/hm2[13]，N非共生生物固氮為水稻固氮量45kg/hm2[14]。

1.5 優質稻氮肥減量合理化指標評價體系構建

利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）構建優質稻氮肥合理化減量指標評價體系，選取產量、蛋白質、Nsur和NUE等指標，進行標準化處理，消除量綱，使指標變量的取值控制在[0，1]之間[15]，處理方式為正向指標（+）：指標分數=（指標值-最小值）/（最大值-最小值），逆向指標（-）：指標分數=（指標值-最大值）/（最小值-最大值）。然后建立層次結構，結合經驗豐富的專家評價，使用1-9標度法，計算各層次權重，分別對每層指標建立判斷矩陣，進行一致性檢驗，計算各指標在該層的權重，最后對總體進行一致性檢驗，并確立各指標的綜合權重[11]，建立優質稻氮肥減量合理化指標評價體系（表2），最后計算綜合得分。

表2 浙北優質稻氮肥減量合理性綜合評價指標權重Table 2 The weight of comprehensive evaluation indexes for reducing nitrogen fertilizer of high quality rice in northern Zhejiang

1.6 數據處理

用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法進行多重比較，用GraphPad Prism 8.0和Microsoft Office Excel 2003軟件進行作圖和制表。

2 結果與分析

2.1 浙北優質稻氮肥減量對籽粒蛋白質含量的影響

由圖1可知，氮肥減量對優質稻齊穗后40d籽粒蛋白質含量有一定影響，同N處理相比，N-30%處理的籽粒蛋白質含量顯著降低了6.17%，其他時期差異不顯著。此外，施氮對優質稻前期（齊穗后10～40d）籽粒蛋白含量影響較大，對后期（齊穗后50d）影響較小。同N0處理相比，齊穗后10d，N和N-30%處理的籽粒蛋白質含量分別顯著降低了5.06%和4.86%；齊穗后30d，N、N-15%和N-30%處理的籽粒蛋白質含量分別顯著增加了10.35%、10.72%和7.86%；齊穗后40d，N處理的籽粒蛋白質含量顯著增加了8.55%；齊穗后50d，各處理間差異不顯著。

圖1 浙北優質稻氮肥減量對籽粒蛋白質含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen reduction on grain protein content of high quality rice in northern Zhejiang

2.2 浙北優質稻氮肥減量對籽粒蛋白質組分含量的影響

由圖2可知，氮肥減量對優質稻籽粒清蛋白和醇溶蛋白含量的影響差異不顯著，對優質稻籽粒形成前期球蛋白和谷蛋白含量的影響較大，后期各處理間差異不顯著。

圖2 浙北優質稻氮肥減量對籽粒蛋白質組分動態變化的影響Fig.2 Effects of nitrogen reduction on contents of grain protein components of high quality rice in northern Zhejiang

優質稻齊穗后30d，同N處理相比，N-15%處理的球蛋白含量顯著增加了58.79%，N-30%處理的谷蛋白含量顯著增加了19.94%。此外，氮肥減量對優質稻籽粒蛋白質組分占總蛋白比例的影響不顯著（表3）。

表3 浙北優質稻氮肥減量對籽粒蛋白質組分占總蛋白比例的影響Table 3 Effects of nitrogen reduction on the proportion of grain protein content of high quality rice in northern Zhejiang %

2.3 浙北優質稻氮肥減量對水稻產量及地上部分干物質重的影響

由圖3可知，浙北優質稻產量隨著氮肥減量而降低，處理間差異不顯著。優質稻地上部分干物質重隨著施氮量的減少而降低，同N處理相比，N-30%處理的地上部分干物質重顯著降低了19.79%。

圖3 浙北優質稻氮肥減量對水稻產量及地上部分干物質重的影響Fig.3 Effects of nitrogen reduction on yield and aboveground dry matter weight of high quality rice in northern Zhejiang

2.4 浙北優質稻氮肥減量對Nsur和NUE的影響

由圖4可知，Nsur隨著施氮量的減少而減少，同N處理相比，N-15%和N-30%處理的Nsur分別顯著降低了20.56%和23.89%。同N處理相比，N-15%和N-30%處理的NUE分別增加了8.11%和1.97%，處理間差異不顯著。

圖4 浙北優質稻氮肥減量對Nsur和NUE的影響Fig.4 Effects of nitrogen reduction on Nsurand NUE of high quality rice in northern Zhejiang

2.5 基于AHP對浙北優質稻氮肥減量的綜合評價

由圖5可知，隨著施氮量的減少，各處理的綜合得分均表現為不同程度增加。與N處理相比，N-15%和N-30%處理的綜合得分分別提高了32.42%和3.43%。

圖5 浙北優質稻氮肥減量合理性綜合得分Fig.5 Comprehensive score of rationality of nitrogen reduction for high quality rice in northern Zhejiang

3 討論

氮肥作為農業生產重要的資源，在保證水稻產量和改善稻米品質方面具有重要的意義。合理施用氮肥不僅可以提高資源利用效率，而且可以降低環境污染風險，對優質稻綠色高質量生產具有重要的意義。蛋白質作為衡量稻米營養品質的重要指標，其含量及其組分變化是影響稻米食味品質的重要因素[16]。稻米蛋白質的遺傳比較復雜，受外界環境因素影響較大。其中，氮肥是影響稻米蛋白質含量及其組分的重要因素之一[17]。石呂等[18]研究表明，水稻后期（群體抽穗30%）施氮會顯著提高精米蛋白質及其組分含量。郭曉紅等[19]研究表明，氮肥減量后移（減量10%，135kg/hm2）會顯著提高稻米谷蛋白含量，而蛋白質、清蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量差異不顯著。史登林等[20]研究表明，生物炭配合氮肥減量對水稻蛋白質含量影響不顯著。本研究表明，氮肥減量對水稻前期籽粒蛋白質、球蛋白及谷蛋白含量有一定程度影響，但是在水稻齊穗后50d，籽粒蛋白質及其組分含量差異均不顯著，且對蛋白質組分占比無顯著影響，與蘭艷等[21]研究結果一致。本研究發現，水稻籽粒形成前期（齊穗后10～40d）蛋白質含量較高，后期蛋白質含量降低（齊穗后50d），張桂蓮等[22]研究也表明，隨著成熟度的增加，水稻籽粒可溶性蛋白含量在抽穗后30d達最大值，之后下降，這可能與籽粒物質積累量變化以及水稻籽粒酶含量轉化有關[22-24]。

在水稻產量方面，氮肥均衡減量25%（247.5kg/hm2）能夠維持一定水平的穗數和穗粒數，提高水稻結實率，從而避免產量顯著降低[25]。太湖地區氮肥減量10%（324kg/hm2）不但能夠保證較高的水稻產量，還能夠提高單位產量水稻的生態效益[26]。本研究表明，短期內氮肥減量15%～30%（189～229.5kg/hm2）時優質稻產量下降不顯著。

在NUE和Nsur方面，每季稻氮肥減量30kg/hm2（早稻：135kg/hm2，晚稻：165kg/hm2），氮肥吸收利用率提升了61.7%[27]。氮肥減量10%（270kg/hm2）水稻氮素利用率提高了5.74%，氮肥減量10%、增密20%（N：270kg/hm2，密度14.1×104/hm2）氮素利用可以提高18.28%[28]。水稻減氮18.2%（270kg/hm2）水稻季氮素盈余顯著降低了44.30%[29]。本研究表明，氮肥減量15%～30%（229.5～189kg/hm2）浙北地區單季晚粳優質稻的Nsur顯著降低20.56%～23.89%，NUE提高了1.97%～8.11%。

農業生產過程中，合理的施肥方式在注重作物產量和品質的同時要兼顧生態環境。AHP通過對復雜系統的決策思維過程進行模型化和數量化，實現了定量和定性分析的有機結合，是分析復雜問題的一種有效決策方式[30]，在相關農業區域水土質量評價以及農業可持續發展綜合評價方面有廣泛應用[31-32]。賈琰等[24]和董娟等[33]基于AHP研究表明，生物肥和化肥均為中等水平（75kg/hm2純氮+100kg/hm2P2O5+750kg/hm2生物肥）的土壤培肥效果最好。目前利用AHP對氮肥減量合理性的評價較缺乏。本研究通過AHP，結合水稻產量、品質以及生態環境因素，對氮肥減量效果進行綜合評價，結果表明，在本試驗條件下，氮肥減量15%（229.5kg/hm2）的綜合得分最高，效果最好。

4 結論

在短期內氮肥減量15%（229.5kg/hm2）、30%（189kg/hm2）對浙北優質稻產量、蛋白質及其組分含量無顯著影響。此外，氮肥減量15%、30%時農田Nsur分別顯著降低了20.56%、23.89%，NUE分別提高了1.97%、8.11%。通過AHP對浙北優質稻氮肥減量措施綜合評價得分為N-15%（0.86）＞N-30%（0.67）＞N（0.65）＞N0（0.17）。綜上所述，在本試驗條件下，氮肥減量15%（229.5kg/hm2）為浙北地區優質稻生產較為適宜的施氮量。