水分管理對再生稻稻米品質的影響

王肖鳳，汪吳凱，夏方招，孫亞婷，戴澤彰，鄭祥波，楊特武，姚璇

華中農業大學植物科學技術學院，武漢 430070

水稻是重要的糧食作物之一，世界上超過50%的人以大米為主糧[1]。現在人們對優質稻米的需求日益升高，因此，為了保障糧食安全，不僅要增加水稻產量，也要提高稻米品質。再生稻是利用頭季收割后倒樁上存活的休眠芽萌發成為再生蘗，而后抽穗成熟再收獲一季的水稻種植模式[2]。再生稻種植模式節省人工、肥料、農藥，以及具有增產、增收、米質優、綠色等優點[3]，同時再生稻的稻米品質好，符合消費者對優質大米的要求。

稻米品質包括加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質、營養品質和安全品質等方面評價指標[4]。加工品質直接影響商品價值，世界每年碾磨過程中損失的稻米有2 600億 t，加工品質好可以減少成熟后研磨加工過程中的損失，增加整精米產量[5]。研究表明，外觀品質的堊白度和加工品質密切相關，稻米堊白部分淀粉結構排列不整齊且有間隙，堊白籽粒容易有裂紋、易碎，因此稻米加工品質會受到影響[6]。近年來稻米的蒸煮食味和營養品質、安全品質也受到了人們的重視，蒸煮食味和營養品質評價指標主要有淀粉黏度特征值、蛋白質含量、直鏈淀粉含量、膠稠度、營養元素含量等，安全品質主要考察的是重金屬元素含量[7]。

稻米品質受遺傳因素和環境因子的共同調控，水分是影響稻米品質的重要環境因子之一[8]。Xu等[9]研究發現，水稻移栽后23～24 d開始輕度干濕交替灌溉(-15 kPa)使得揚稻6號、旱優8號的整精米率增加，堊白度降低，微量元素含量減少，砷含量減少，鎘含量不變。周嬋嬋等[10]以粳稻品種沈稻47和優586為研究材料，發現與淺水層灌溉和淺濕灌溉相比，輕干濕交替灌溉條件使稻米的最高黏度、最終黏度和崩解值增加，消減值減少，改善了稻米的食味品質。羅炳順等[11]研究表明半量灌溉條件下稻米整精米率和蛋白質含量顯著高于常規水層灌溉。張皓政等[12]發現輕干濕交替灌溉條件下東農425和松粳6號的糙米率、整精米率和直鏈淀粉含量顯著高于常規水層灌溉，堊白粒率低于常規水層灌溉。在半干旱地區，與干濕交替灌溉相比，常規水層灌溉能夠提高巴基斯坦水稻Super Basmati、Basmati 2000 和Shaheen Basmati稻米的糙米率、精米率、整精米率，降低Super Basmati稻米的堊白粒率，說明在半干旱地區常規水層灌溉條件下的稻米品質優于干濕交替灌溉[13]。

目前，關于水分管理措施影響稻米品質的研究較多，主要集中在常規水層灌溉、干濕交替灌溉等水分條件對稻米品質的影響，但是不同水分管理方式對再生稻稻米品質的影響還少有報道。孫亞婷等[14]研究發現，常規水層灌溉和干濕交替灌溉條件下頭季稻的產量無顯著差異，而常規水層灌溉條件下再生季的產量顯著增加了8.9%，說明常規水層灌溉條件下再生稻產量更高。但是，常規水層灌溉和干濕交替灌溉水分管理對再生稻稻米品質的影響還不清楚。本研究以湖北省推廣面積較大的再生稻品種兩優6326為材料，比較常規水層灌溉和干濕交替灌溉條件下再生稻的稻米品質，為探尋適合再生稻生產的灌溉方式提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種與試驗處理

試驗于2018年再生稻再生季節(3-10月)在湖北省黃岡市蘄春縣赤東鎮酒鋪村試驗基地進行。試驗田土壤的基本理化性質為：pH值5.09，有機質28.5 g/kg，全氮2.2 g/kg，速效磷16.2 mg/kg，速效鉀158.3 mg/kg。供試品種為兩系雜交秈稻兩優6326，為鄂東南地區再生稻主推品種之一。3月20日播種，4月25日移栽，株行距為13.3 cm×30 cm，雙本栽。

本試驗采取隨機區組設計，每個小區面積為40 m2(5 m×8 m),3次重復。試驗設置2個頭季稻水分管理方式：常規水層灌溉(continuous flooding,CF)和干濕交替灌溉(alternate wetting and drying,AWD)；CF為除分蘗末期進行1次排水曬田外，頭季保持水層(3～5 cm)；AWD為除頭季移栽至返青田間保持淺水層外，其余時期采用AWD，即自淺水層自然落干到土壤水勢達-15 kPa時，灌水至形成淺水層，再自然落干至土壤水勢達-15 kPa，如此循環。在AWD處理小區安裝土壤負壓計監測15 cm深處土壤水勢，每天12:00記錄水勢，當讀數達到閾值時，灌3～5 cm水層。再生季水分管理為從頭季收獲后開始保持淺水層至收獲前1周。

頭季施氮肥200 kg/hm2，于移栽前1 d(基肥)、移栽后7 d(分蘗肥)和幼穗分化期(穗肥)施入，比例為4∶3∶3；磷肥(P 40 kg/hm2)，作基肥一次性施入；鉀肥(K 60 kg/hm2)，作基肥一次性施入。再生季肥料管理包括頭季齊穗后15 d施入N 75 kg/hm2和K 60 kg/hm2；頭季收割后3 d內施入N 75 kg/hm2。以上氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素(46.4%N)、過磷酸鈣(12% P2O5)和氯化鉀(60% K2O)。頭季成熟期收獲方式為人工收獲，留茬高度為40 cm。頭季和再生季生育期內病蟲草防治按一般高產田管理進行。

1.2 稻米加工品質和外觀品質測定

水稻收獲、脫粒、曬干并室內貯藏3個月后，參照中華人民共和國國家標準GB/T17891-1999《優質稻谷》測定稻米糙米率、精米率、整精米率。采用萬深SC-E大米外觀品質檢測及稻米品質判定儀測定稻米堊白度、堊白粒率、透明度。

1.3 稻米淀粉黏滯特性

參照國標NY/T 1753-2009，采用澳大利亞Newport Scientific儀器公司生產的Super3型RVA儀(Rapid Viscosity-Analyzer)快速測定淀粉譜黏滯特性，用TCW(Thermal Cycle for Widows)配套軟件分析淀粉黏滯性。

1.4 稻米蒸煮與營養品質測定

參照國標GB/2905-1982，用消煮法測定稻米粗蛋白含量。稻米直鏈淀粉含量參照國標GB/T 15683-1995方法測定。參照國標GB/T 22294-2008方法測定稻米膠稠度。參照國標GB/5009.268-2016方法，檢測整精米中微量元素和重金屬元素含量。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel統計，用GraphPad軟件的t-test和ANOVA方法進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 再生稻各生育期氣象數據比較

如表1所示，2018年移栽至齊穗期日均溫為24.7 ℃，齊穗期至齊穗后15 d日均溫為28.8 ℃，齊穗后15 d至成熟期日均溫為30.9 ℃，成熟期至再生季齊穗期日均溫為29.2 ℃，再生季齊穗期至再生季成熟期日均溫為21.5 ℃。移栽至齊穗期降雨量為305.6 mm，齊穗期至齊穗后15 d降雨量為61.3 mm，齊穗后15 d至成熟期降雨量為32.2 mm，成熟期至再生季齊穗期降雨量為39.8 mm，再生季齊穗期至再生季成熟期降雨量為38.6 mm。

表1 2018年再生稻各生育期氣象數據Table 1 The meteorological data during ratoon rice growing periods in 2018

2.2 不同水分管理方式對稻米加工品質的影響

由表2可知，在常規水層灌溉條件下，再生季稻米的糙米率(79.7%)顯著高于頭季(74.8%)，再生季稻米的精米率(70.4%)顯著高于頭季(64.2%)，再生季稻米的整精米率(66.8%)顯著高于頭季(51.1%)。在干濕交替灌溉條件下，再生季稻米的糙米率(76.8%)顯著高于頭季(73.6%)，再生季稻米的精米率(67.4%)顯著高于頭季(63.4%)，再生季稻米的整精米率(59.1%)顯著高于頭季(47.3%)。可見，2種不同水分管理方式下再生季稻米的加工品質均比頭季稻米好。

表2 不同水分管理方式下再生稻加工品質Table 2 Processing quality of ratoon rice under different water managements %

不同水分管理方式下，頭季稻米的糙米率、精米率、整精米率存在顯著差異。與干濕交替灌溉條件相比，常規水層灌溉條件下糙米率顯著增加3.78%，精米率顯著增加4.45%，整精米率顯著增加13.03%。不同水分管理方式對再生季稻米的糙米率、精米率、整精米率有影響，常規水層灌溉條件下的再生季稻米的糙米率比干濕交替灌溉條件下顯著增加1.63%，精米率顯著增加1.26%，整精米率顯著增加8.03%。可見，常規水層灌溉條件下的再生稻稻米加工品質比干濕交替灌溉條件下的好。

2.3 不同水分管理方式對稻米外觀品質的影響

如表3所示，常規水層灌溉條件下，再生季稻米的堊白度(2.513%)顯著低于頭季(7.863%)，再生季稻米的堊白粒率(0.603%)顯著低于頭季(3.597%)，再生季稻米的透明度(1級)顯著優于頭季(2級)。干濕交替灌溉條件下，再生季稻米的堊白度(2.953%)比頭季(7.717%)顯著降低，再生季稻米的堊白粒率(0.520%)比頭季(2.973%)顯著降低，再生季稻米的透明度(1級)比頭季(2級)好。可見，2種不同水分管理方式下再生季稻米外觀品質均優于頭季稻米。

2種水分管理方式下頭季稻米的堊白度、堊白粒率、透明度無顯著差異，頭季稻米的堊白度均符合優質秈米三級標準(堊白度≤8.0%)。2種水分管理方式下再生季稻米的堊白粒率、透明度無明顯差異，但是常規水層灌溉條件下再生季稻米的堊白度(2.513%)顯著低于干濕交替灌溉(2.953%)，降低了14.9%(表3)，然而水分條件沒有改變再生季稻米的優質大米等級，2種水分管理方式下的再生季稻米堊白度符合優質秈米二級標準(堊白度≤5.0%)。可見，常規水層灌溉較干濕交替灌溉條件下的再生季稻米堊白度更低，外觀品質更好。

表3 不同水分灌溉方式下再生稻外觀品質Table 3 Appearance quality of ratoon rice under different water managements

2.4 不同水分管理方式對稻米RVA譜特征值的影響

稻米RVA譜特征值是稻米食味品質的表征。如表4所示，再生季稻米的崩解值顯著低于頭季稻米，再生季稻米的消減值顯著高于頭季稻米，再生季稻米糊化溫度顯著低于頭季稻米。不同水分管理方式下，頭季稻米的峰值黏度、熱漿黏度、崩解值、最終黏度、消減值、糊化溫度無顯著差異，再生季稻米的也無顯著差異(表4)。可見，生長季對于再生稻稻米的淀粉黏滯特性有顯著影響，2種水分管理方式下的再生稻稻米的淀粉黏滯特性沒有顯著差異。

表4 不同灌溉方式下再生稻RVA譜特征值Table 4 RVA profile characteristics of ratoon rice under different water managements

2.5 不同水分管理方式對稻米蒸煮和營養品質的影響

稻米蒸煮和營養品質主要包括蛋白質含量、直鏈淀粉含量和膠稠度。蛋白質含量低，食味品質好，直鏈淀粉含量低，稻米黏度大。再生季稻米蛋白質含量(CF:5.56%，AWD：5.14%)顯著低于頭季(CF:7.84%，AWD:7.59%)，再生季稻米直鏈淀粉含量(CF:15.07%，AWD:15.57%)高于頭季(CF:12.15%，AWD:12.87%)。

常規水層灌溉和干濕交替灌溉條件下頭季稻米的蛋白質含量無顯著差異，常規水層灌溉條件下(12.15%)和干濕交替灌溉條件下(12.87%)的直鏈淀粉含量無顯著差異，常規水層灌溉條件下的膠稠度(86.87 mm)低于干濕交替灌溉(108.3 mm)，但是無顯著差異。不同水分條件下再生季稻米的粗蛋白質含量、直鏈淀粉含量和膠稠度亦無顯著差異(表5)。可見，2種水分管理方式下再生稻稻米蒸煮食味品質沒有顯著變化。

表5 不同水分灌溉方式下再生稻蒸煮和營養品質Table 5 Cooking and nutritional quality of ratoon rice under different water managements

水稻籽粒中微量元素的類型和含量是評價營養品質的指標之一。水分條件可以通過改變土壤中微量元素的價態影響水稻對微量元素的吸收與轉運。如圖1所示，常規水層灌溉條件下再生季稻米的鐵元素含量(19.88 mg/kg)比干濕交替灌溉條件下(8.74 mg/kg)顯著增高127.41%，而2種水分條件下再生季稻米中鎂、鈉、鉀、鈣、錳、鋅元素的含量無顯著差異。可見，與干濕交替灌溉相比，常規水層灌溉增加了再生季稻米的營養元素含量，改善了營養品質。

圖1 不同水分方式下再生季稻米營養元素含量Fig.1 Content of nutrient elements in ratoon rice grain under different water managements

2.6 不同水分管理方式對稻米重金屬含量的影響

由圖2 可知，與干濕交替灌溉相比，常規水層灌溉條件下的再生季稻米中鉻(Cr)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鈷(Co)、鉛(Pb)含量增加，其中鉻(Cr)含量顯著增加91.38%，鎳(Ni)含量顯著增加74.96%，鈷(Co)含量顯著增加35.70%，而鎘(Cd)、鉛(Pb)含量的差異未達到顯著水平。另外，2種水分管理方式下再生季稻米中砷(As)的含量無顯著差異。常規水層灌溉條件下再生季稻米的鉛(Pb)含量(0.22 mg/kg)略微超過國家食品安全標準(Pb≤0.2 mg/kg)，而干濕交替灌溉條件下再生季稻米的鉛(Pb)含量沒有超標。常規水層灌溉條件下稻米的鉻(Cr)含量(2.08 mg/kg)超過國家食品安全標準(Cr≤1 mg/kg)，而干濕交替灌溉條件下的鉻(Cr)含量沒有超標。2種水分條件下再生季稻米的鎘(Cd)、砷(As)含量均沒有超過國家食品安全標準(As≤0.2 mg/kg，Cd≤0.2 mg/kg)。

圖2 不同水分方式下再生季稻米重金屬元素含量Fig.2 Content of heavy metal elements in ratoon rice grain under different water managements

3 討 論

3.1 常規水層灌溉條件下再生稻加工品質和外觀品質更好

水分管理是重要的栽培管理措施，不同水分條件下稻米品質表現出差異[15]。不同水分管理方式影響水稻稻米品質已經受到了越來越多的關注。呂銀斐等[16]研究表明，與常規水層灌溉相比，干濕交替灌溉條件下稻米精米率和整精米率顯著增高，堊白度和堊白粒率顯著降低。潘圣剛等[17]研究表明，干濕交替灌溉條件下稻米糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、直鏈淀粉含量、蛋白質含量較常規水層灌溉無顯著差異，膠稠度顯著增加。王春歌等[18]研究發現輕干濕交替灌溉條件下，水稻淀粉的晶型沒有發生改變，淀粉短鏈部分所占比例增加，中長鏈和直鏈淀粉含量減少，最高黏度、熱漿黏度和崩解值略高，一定程度上提升了稻米口感。劉凱等[19]研究了結實期土壤水分和灌溉方式對水稻產量與品質的影響及其產生原因，發現輕干濕交替灌溉條件下稻米最高黏度和崩解值顯著提高，堊白度和消減值顯著降低，提高了稻米的外觀和食味品質，而重干濕交替灌溉使稻米品質變差。輕干濕交替灌溉條件下，結實期籽粒乙烯釋放速率降低，灌漿中后期籽粒中蔗糖合酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合酶和淀粉分支酶活性增加，從而影響外觀和食味品質。田玉聰等[20]研究了氣象條件對再生稻米的影響，發現頭季播種-始穗期降水量與再生稻稻米糙米率呈顯著正相關，頭季齊穗-成熟期降水量與再生稻稻米糙米率、精米率呈顯著正相關，與蛋白質含量、直鏈淀粉含量無顯著相關性。頭季水分充足有利于提高再生稻的加工品質，但不影響食味品質。

本研究結果表明，頭季常規水層灌溉條件下再生稻頭季和再生季的稻米糙米率、精米率、整精米率顯著高于干濕交替灌溉；常規水層灌溉條件下的再生季稻米堊白度顯著低于干濕交替灌溉。這些結果顯示常規水層灌溉方式有利于提高再生稻的加工品質和外觀品質，說明再生稻頭季的水分條件對再生稻稻米品質有較大影響，與田玉聰等[20]的研究結果相符。另外，楊建昌[7]、呂銀斐等[16]、王春歌等[18]研究發現干濕交替灌溉條件下雜交中稻的稻米品質更好。可能是因為雜交中稻和再生稻生育時期不同，中稻一般5月初播種，灌漿期在8、9月份，再生稻一般3月下旬播種，再生稻灌漿期在7、8月份，受高溫影響較大，應深水保穗。因此，常規水層灌溉可能更能保證頭季稻灌漿的需水條件，降低高溫對主季和再生季稻米品質的影響。常規水層灌溉條件下，無論是再生稻的產量還是品質都優于干濕交替灌溉[14]，說明常規水層灌溉是更適宜再生稻生產的主季水分管理方式。

3.2 不同水分條件影響再生稻稻米重金屬的積累

鎘(Cd)、砷(As)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鎳(Ni)等重金屬具有生物毒性，其中鉻(Cr)、鎘(Cd)、砷(As)是已知的致癌物質。它們來源于礦石開采、電鍍等工業活動，工業廢水的任意排放嚴重污染環境。隨著環境污染的加重，水稻的重金屬污染問題日益突出，稻米中積累的重金屬會進入食物鏈，從而影響人們的身體健康[21]。稻米對重金屬的吸收受遺傳和環境的影響，與水稻栽培時的水分管理關系密切[22]。水分管理方式能夠通過改變土壤的pH和氧化還原電位影響鎘(Cd)、砷(As)、鉻(Cr)在籽粒中的積累[23]。Norton等[24]研究表明，常規水層灌溉條件下水稻籽粒中砷(As)的含量顯著增加，鎘(Cd)的含量顯著減少。Xiao等[25]研究發現，不加入鉻(Cr)的土壤在不同水分管理方式下中稻中浙優1號精米中Cr的含量差異不顯著；在鉻(Cr)含量為200 mg/kg和400 mg/kg的土壤條件下，常規水層灌溉條件下精米中鉻(Cr)含量顯著降低。Wan等[26]研究發現，在酸性土壤中，常規水層灌溉條件下準兩優608的籽粒中鉛(Pb)含量顯著高于干濕交替灌溉，而在弱堿性土壤中，2種水分管理方式下籽粒中鉛(Pb)含量無顯著差異。

本研究發現，在常規水層灌溉條件下，在湖北省蘄春地區種植的再生稻品種兩優6326再生季稻米中除砷(As)以外，鉻(Cr)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鈷(Co)、鉛(Pb)的含量高于干濕交替灌溉，且鉻(Cr)、鎳(Ni)、鈷(Co)的含量顯著增加(圖2)。另外，我們還發現與干濕交替灌溉相比，常規水層灌溉條件下再生季稻米中鐵(Fe)的含量顯著升高(圖1)。水稻中鐵(Fe)的吸收與轉運受其本身價態的影響，Fe3+在土壤中溶解度低，而Fe2+溶解度高，植物主要吸收Fe2+。土壤中鐵(Fe)的價態受土壤氧化還原狀態的影響[27]。Slamet-Loedin等[28]認為灌水后土壤環境從有氧條件變為無氧條件，Fe3+被還原為可溶性的Fe2+，因此,常規灌溉條件下有更多的Fe2+供植物吸收。值得注意的是，有研究表明鐵(Fe)的價態變化會影響重金屬的積累。李義純等[29]研究發現FeSO4處理增加了糙米中鎘(Cd)的含量，Fe(NO3)3處理減少了糙米中鎘(Cd)的積累，說明Fe2+更有利于水稻對重金屬鎘(Cd)的吸收。常規水層灌溉條件下土壤氧化還原電位低，當鐵氧化物被還原后，產生更多的Fe2+，溶解度增大，減少了對重金屬的吸附，重金屬會被釋放到土壤中[30]。因此，常規水層灌溉很可能是通過改變土壤氧化還原狀態，產生更多可供再生稻植株吸收的Fe2+，使得再生稻稻米的鐵(Fe)含量升高。而且，由于Fe3+的相對減少，鐵氧化物對重金屬的吸附能力減弱，導致再生稻植株更容易吸收一些重金屬，積累于再生稻稻米中。