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硅鎂鋅肥改善稻米品質的研究進展

2021-07-23 14:31:06魏曉東張亞東宋雪梅王才林
江蘇農業學報 2021年3期

魏曉東 張亞東 宋雪梅 王才林

摘要: 稻米品質受遺傳因素、環境條件和栽培條件的影響,合理的栽培技術和肥料運籌能有效提升稻米品質。硅、鎂、鋅是除氮、磷、鉀等大量元素外應用于水稻較多的元素,對水稻的生長發育具有重要作用。本文概述了硅肥、鎂肥、鋅肥施用對水稻生長發育中的作用,重點綜述了硅、鎂、鋅在稻米品質形成中的生理功能,以及對稻米外觀品質、加工品質、食味品質、安全品質的影響,提出了今后的研究重點,為水稻的優質栽培提供參考依據。

關鍵詞: 稻米品質;硅肥;鎂肥;鋅肥

中圖分類號: S143.7 文獻標識碼: A 文章編號: 1000-4440(2021)03-0783-06

Research progress on rice quality improvement by applying silicon-magnesium-zinc fertilizer

WEI Xiao-dong, ZHANG Ya-dong, SONG Xue-mei, WANG Cai-lin

(Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Jiangsu High Quality Rice Research and Development Center/Nanjing Branch of Chinese National Center for Rice Improvement, Nanjing 210014,China)

Abstract: Rice quality is affected by genetic factors, environmental conditions and cultivation conditions, reasonable cultivation techniques and fertilizer management can improve rice quality effectively. Silicon, magnesium and zinc fertilizers, which play important roles in the growth and development of rice are much more applied to rice cultivation besides macroelements such as nitrogen, phosphorus and potassium. In this paper, the roles of silicon, magnesium and zinc fertilizers in the growth and development of rice were summarized, the physiological functions of silicon, magnesium and zinc in the formation of rice grain quality, as well as the effects on appearance quality, processing quality, taste quality and safety quality of rice grain were mainly reviewed. The focus of future research was put forward to provide a reference for high-quality cultivation of rice.

Key words: rice quality;silicon fertilizer;magnesium fertilizer;zinc fertilizer

水稻作為全球最重要的糧食作物之一,世界50%以上的人口均以其為主食[1]。中國是農業大國,水稻產業的發展備受重視。隨著社會的發展,人們生活水平得到提高,對稻米品質的要求也逐漸提高[2]。肥料施用在一定程度上影響水稻的產量和品質。水稻除了需要氮、磷、鉀等大量元素外,還需要硅、鎂、鋅等中微量元素。關于硅、鎂、鋅改善稻米品質已有大量研究報道,但缺乏相關總結。本文綜述了近年來應用硅、鎂、鋅改善稻米品質的相關研究進展,以期為水稻優質栽培提供理論依據。

1 硅肥對水稻生長的作用

1.1 硅肥對水稻生長發育的影響

水稻是喜硅作物,硅是水稻所需的重要營養元素之一,其作用僅次于氮、磷、鉀[3]。硅在水稻莖或葉中的含量高達10%~15%,高于其他農作物體內的硅含量。硅對水稻的生長和發育作用較大,在水稻生長發育過程中需要從土壤中不斷地吸收硅元素,以滿足自身生長代謝的需要。每生產100 kg水稻籽粒,需吸收22 kg硅,一個生長季節1 hm2高產水稻可以吸收土壤中1 125~1 950 kg的二氧化硅[4]。如果水稻成熟期莖葉中有效硅含量低于10%,則認為水稻缺硅。水稻如果缺硅,其苗期葉片就會披垂,灌漿期易倒伏,功能葉會提前死亡,光合作用受影響,生育后期出現早衰,使得產量減少,品質降低。硅肥不僅能夠增加產量,還可以增加水稻的抗折力,使其抗倒伏能力提高。趙海成等[5]研究發現施用硅肥可以使水稻基部節間硅化程度增加,增加細胞壁的厚度,使水稻葉片直立,減少葉片之間的遮蔭率從而提高光能利用率,增加莖稈的抗折力,減少倒伏。硅肥能夠調節水稻自身的營養,促進正常的生長代謝活動,在生長發育后期增加功能葉片中葉綠素含量,從而增強水稻光合作用及光合產物的積累[6]。

1.2 硅肥對水稻抗逆性的影響

施用硅肥可以提高水稻的抗旱、抗病蟲害、耐鹽脅迫和耐重金屬脅迫的能力,增強水稻在逆境中的生存能力[7]。Kumar等[8]發現硅的施用降低了植株相對含水量,增加了脯氨酸含量、過氧化氫酶和過氧化物酶的活性,提高了水稻的抗旱能力。Wang等[9]發現在干旱條件下施用硅肥可以緩解水稻膜蛋白復合物的降解。雷雨等[10]發現硅在細胞壁內沉淀會使其細胞壁增厚,阻礙病原菌侵入水稻體內。Yan等[11]發現硅可以減輕鹽離子毒性和滲透約束,減少植株地上部分鈉的吸收和增加根系中鈉的含量來減輕鈉離子毒性,提高水稻的鹽脅迫耐受性。彭華等[12]和YU等[13]研究發現,對鎘脅迫下的水稻施用硅肥后,重金屬離子被土壤吸附的能力增強,并有利于重金屬離子發生鰲合反應,降低其在土壤中的有效性,抑制重金屬離子向地上部分運輸,減輕重金屬脅迫。

1.3 硅肥對稻米品質的影響

稻米品質包括外觀品質、加工品質、食味品質、營養品質和安全品質。近年來,許多研究結果都表明,硅肥在提高和改善稻米品質方面具有重要作用。稻米的外觀品質和加工品質在施用硅肥后可以得到顯著改善。多數學者認為施用硅肥能夠提高水稻的糙米率、精米率及整精米率,使稻米的堊白度和堊白率下降,提高其加工和外觀品質[2,14]。張國良[15]認為,硅肥用量0~300 kg/hm2時,硅肥施用量與精米率、整精米率呈正相關,而與堊白度和堊白率呈負相關。王遠敏[16]則發現硅肥用量在60~120 kg/hm2時,加工品質和外觀品質均下降,這可能和水稻的品種特性及當地土壤條件有關。硅肥也能在一定程度上改善食味品質和營養品質。稻米食味品質的主要指標有直鏈淀粉含量、蛋白質含量、膠稠度、糊化溫度、食味值和RVA值。米飯質地的硬度、凝聚性和黏度等多項物理特性與稻米中直鏈淀粉含量密切相關,直鏈淀粉含量過高或過低均會使米飯品質變差[17-18],稻米中蛋白質含量的下降可使其食味品質得到改善[19-21]。稻米蛋白質和直鏈淀粉含量受硅的影響隨品種和施用時期的不同會出現差異。丁王梅等[22]的研究結果表明,孕穗期施用硅肥能夠增加稻米直鏈淀粉含量和蛋白質含量,而王力等[2]則認為在倒二葉期施用硅肥會使蛋白質含量下降,直鏈淀粉含量上升。商全玉等[14]認為適量施用硅肥能增加稻米蛋白質含量,直鏈淀粉含量則無顯著變化,而張國良[15]發現施用硅肥可引起稻米直鏈淀粉含量的下降以及蛋白質含量的增加。稻米食味品質與RVA譜特征值密切相關,適量施用硅肥能使稻米最高黏度、膠稠度和崩解值提高,降低糊化溫度和消減值,提高食味值,從而提高其蒸煮食味品質。Liu等[23]發現在孕穗期施用硅肥能夠提高稻米中鋅、鈣、鎂和蛋白質含量以及天冬氨酸、谷氨酸、絲氨酸、丙氨酸、酪氨酸、精氨酸、脯氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸等氨基酸的含量,表明在一定時期稻米的營養品質可通過施用硅肥來提高。Wang等[24]研究了6個水稻品種在鎘、鉛、鈷污染土壤上葉面噴施有機和無機納米硅對水稻重金屬積累的影響,發現施用硅肥降低了水稻中重金屬的含量,特別是有毒鎘在籽粒中的含量,這表明納米硅對水稻的重金屬毒性有明顯的緩解作用,施用硅肥能夠降低水稻籽粒中鎘含量,提高稻米的安全品質[25]。

2 鎂肥對水稻生長的作用

2.1 鎂肥對水稻生長發育的影響

鎂作為中量元素的代表之一,在水稻的不同發育過程中是不可或缺的[26]。鎂參與葉綠素的合成,進而影響著水稻的光合作用以及能量代謝。葉片缺鎂后會發生葉片變黃的現象,并伴有老葉焦狀卷曲、劍葉出現黃色條斑的現象[27],這主要是由于缺鎂導致葉綠體結構遭到破壞,使葉綠素合成受阻[28-29]。鎂還可以催化植物體內多種酶促反應[30],例如,鎂可以催化磷酸轉移酶發生反應,促進磷酸鹽在水稻體內的轉運,提高水稻對磷的吸收利用率[31]。水稻穗數和結實率的增加是鎂對水稻產量影響的主要表現。錢永德[32]研究發現,少量施用鎂肥能夠增加穗數和每穗粒數,鎂充足還會增強水稻的光合作用及產物的積累,使得粒質量增加,從而提高水稻產量。

2.2 鎂肥對稻米品質的影響

合理施用鎂肥能夠改善稻米品質。多數研究者認為施用鎂肥會提高稻米的加工品質和外觀品質。研究結果[33-34]表明,鎂肥可以提高水稻糙米率、精米率及整精米率,周立軍等[35]認為鎂肥能夠降低堊白度和堊白率。錢永德等[36]認為施鎂量與稻米的堊白率成反比,與整精米率成正比。李軍等[37]認為施穗肥時可以通過追施鎂肥來提高稻米糙米率、精米率及整精米率,降低堊白度和堊白粒率。稻米蛋白質和直鏈淀粉含量受鎂肥的影響隨品種不同而異,但總的來說施用鎂肥可以使稻米的食味值得到提高。劉顯爽等[34]認為施用鎂肥可以增加稻米中蛋白質含量,降低直鏈淀粉含量。鎂肥追肥時期不同也會造成不同的結果。一般施基肥時施用鎂肥會增加稻米中蛋白質含量,降低直鏈淀粉含量,而分蘗期和孕穗期追施鎂肥會降低稻米中蛋白質含量、增加直鏈淀粉含量[37]。一般認為,食味值高的稻米具有較高的最高黏度、熱漿黏度和崩解值,較低的冷膠黏度、回復值和消減值。楊文祥等[38]研究發現施用鎂肥后RVA譜中的最終黏度、回復值及消減值降低,且最高黏度、熱漿黏度及崩解值明顯上升,施用鎂肥提高了稻米的食味品質;李軍等[37]認為南粳9108穗期追施鎂肥,能夠使稻米的消減值降低,崩解值升高,最終黏度顯著降低,食味值得以優化。此外,鎂肥也能提高稻米的營養安全品質。增施鎂肥能夠顯著增加稻米中氮、鎂、鋅、錳、鈣、銅等元素的含量,提高稻米營養品質[37]。降低重金屬在水稻中的積累也可通過施用鎂肥來實現。杜文琪[39]研究外源鎂對鎘在水稻體內的轉運和積累的影響,發現鎘和鎂在根系中存在拮抗作用,在孕穗期和分蘗期施用鎂肥會降低根系對鎘的吸收,降低糙米中鎘含量,提高水稻抵抗鎘脅迫的能力。

3 鋅肥對水稻生長的作用

3.1 鋅肥對水稻生長發育的影響

鋅是植物健康生長的必需元素,如果葉片的鋅含量低于15 μg/g,就有可能缺鋅。但鋅的含量不是越多越好,當含量超過0.4 mg/g時,就會產生毒害作用[40]。水稻是對鋅較敏感的植物,缺鋅會延緩水稻生長發育,降低水稻的抗逆能力,減少分蘗數而降低產量。鋅是多種酶的活化劑,能對酶起到催化、激活的作用,也可以保持蛋白質的原有結構。植物生長發育過程中CO2的固定、生物膜的維持、蛋白質的合成、生長素的合成和花粉粒的形成等都會受到含鋅酶的調控[41]。水稻中的碳酸酐酶(CA)是與光合作用密切相關的一種酶,張凱岳[42]研究了鋅對水稻碳酸酐酶和光合作用的調節作用,發現通過葉面噴施硫酸鋅可以提高CA的活性,進而促進水稻的凈光合速率,提高水稻的光合作用。還有研究結果表明,鋅是鋅指蛋白的重要組成成分,核酸與鋅指蛋白相互作用會影響植物基因的表達,從而調節植物的生長[43]。因此鋅對于水稻抵御外界脅迫、抵抗病蟲害,促進其生長發育具有重要作用。

3.2 鋅肥對稻米品質的影響

施用鋅肥可以明顯改善稻米品質。王力等[2]研究了施用鋅肥對優良食味粳稻稻米品質的影響,發現施用鋅肥可以使稻米的精米率和整精米率明顯提高,降低糙米率、堊白度和堊白率,說明施用鋅肥可以改善稻米的外觀品質和加工品質;劉健等[44]也發現葉面噴施硫酸鋅可以降低稻米的堊白度和堊白率,提高稻米的外觀品質;黃錦霞等[45]的研究結果表明,鋅肥之所以使稻米的外觀品質得到改善,主要是由于鋅肥的施用提高了稻米中氮的含量,使得細胞內核糖核酸、核糖體和RNA含量增加,促進蛋白質的合成,使籽粒充實堅硬,整精米率提高,堊白度和堊白率降低,最終稻米外觀品質、加工品質和營養品質得以提高。施用鋅肥對稻米的蒸煮品質也有重要影響,主要表現在稻米的膠稠度、堿消值、糙米率和直鏈淀粉含量的變化。王力等[2]的研究結果表明,在倒二葉期追施鋅肥能夠提高南粳9108的膠稠度、最高黏度、崩解值、口感和食味值。徐巡軍等[46]的研究結果表明,施用鋅肥可以使稻米的膠稠度、堿消值、糙米率增加,稻米的直鏈淀粉的含量降低,稻米的營養品質和蒸煮食味品質提高,這主要是由于施用鋅肥使水稻的光合作用增強,對碳水化合物轉化酶具有活化作用,從而提高稻米品質。

鋅肥還有一項重要的作用就是能夠增加稻米香味,目前已開展大量研究。Lei 等[47]研究發現,鋅肥可以通過提高脯氨酸轉化成2-AP(2-乙酰基-1-吡咯啉)的效率來提高稻米的香味。Mo等[48]也獲得了相同的研究結果,他們發現鋅可以誘導脯氨酸濃度和脯氨酸脫氫酶活性增加,提高2-AP含量,有助于促進稻米香氣的形成。Luo等[49]發現孕穗期噴施外源氯化鋅能夠增加香稻籽粒中2-AP含量。此外,有研究結果表明,施用鋅肥能明顯降低糙米對鎘的積累, Fahad等[50]的研究結果表明,這可能是由于鋅和鎘之間存在拮抗作用,植物組織中鋅濃度的增加會影響鎘在組織細胞中的轉移,從而降低了鎘向籽粒中的遷移率。

4 硅、鎂、鋅復合使用對稻米品質的影響

目前關于硅肥、鎂肥、鋅肥單獨施用的研究比較多,3種元素共同施用的研究相對較少。張莉萍等[51]的研究發現,硅肥、鎂肥、鋅肥交互配施可以提高稻米的糙米率,降低堊白率,在一定范圍內可以改善空育131的外觀品質,每667 m2高效硅酸鈉10 kg、鎂1 kg、鋅1 kg是硅、鎂、鋅復合肥的最佳施用量[51];石孝均等[52]的研究結果表明,硅肥鎂肥配施會使水稻籽粒中氮、鉀、硅、鎂的含量提高,增加籽粒中蛋白質的含量,能夠改善稻米的營養品質。李軍等[37]的研究結果表明,孕穗期鎂肥、鋅肥配施能夠改善南粳9108的加工品質和營養品質,但是外觀品質和蒸煮食味品質都比鎂肥、鋅肥單獨施用差。王力等[2]也認為硅肥鋅肥的配施能夠顯著提高南粳9108的外觀品質、加工品質和食味品質,且在倒四葉期施用最佳。3種元素配施不僅可以發揮每一種元素對水稻生長發育的促進作用,還交互影響水稻對元素的吸收,共同調節養分供應,改良水稻植株的營養狀況,使稻米品質得以改善。

5 展望

隨著人民生活水平的提高,稻米品質越來越受到人們的關注。稻米品質受品種遺傳因素、土壤、氣候等方面的影響[53],合理的栽培技術和肥料運籌能有效提升稻米品質。除氮、磷、鉀等大量元素外,硅、鎂、鋅是水稻上應用較多的元素,它們對水稻的生長發育和品質提升都具有重要作用。合理施用硅肥、鎂肥、鋅肥,可以提高稻米的加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質和安全品質,但不同研究者的結論不盡一致。不同品種以及不同地域對栽培的要求也不同,因此今后需要進一步系統地研究硅肥、鎂肥、鋅肥對改善稻米品質的作用、最佳施用時期和施用量及其在不同品種間作用的差異,針對不同品種和不同地域確定合適的施用量和施用時期,以達到最佳的品質提升效果。另外,需要針對不同品種研究硅、鎂、鋅等各種元素與氮、磷、鉀的最佳配比,使產量和品質達到最佳平衡,在提升品質的同時,獲得最佳產量。

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(責任編輯:陳海霞)

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