有機栽培條件下不同機械種植方式對香稻產量、品質以及香氣的影響

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

（華南農業大學亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室/農業農村部華南地區作物栽培科學觀測實驗站/廣州市絲苗香米科學與技術重點實驗室，廣州510642；第一作者：18843184689＠163.com；*通訊作者：tangxr＠scau.edu.cn）

可持續農業是當前農業生產發展的重要方向。在農業污染問題日趨嚴重的形勢下，探究傳統農業向可持續農業發展，是我國農業研究和生產的迫切任務。水稻是我國的主要糧食作物之一，2019年我國水稻總產量達20 961萬t，約占全年糧食總產量的31.58%[1]。雖然我國水稻總產量很高，能基本滿足我國人民的需要，但我國經濟水平的提高也使得人們開始追求高品質農產品，導致高品質高附加值的稻米仍然存在很大缺口。所以，兼顧可持續性與高品質高附加值的有機水稻種植受到農業從業者的青睞。在水稻栽培過程中，水分是較大的限制因素，其用水量占我國農業總用水量的65%以上[2]，所以水稻節水栽培更加符合當前可持續發展的大方向。雖然前人研究表明，水稻旱作會減少分蘗[3]、延長生育期[4]、降低產量。但在有機栽培過程中，提供合適的節水栽培模式，旱作水稻的產量可以達到與有機常規水稻栽培種植模式相同的產量。

香稻，作為高附加值農產品，含有主要的特征物質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]。廣東地區的絲苗米就是我國著名的香稻品種之一。所以，香稻與有機栽培模式相結合，符合香稻和有機栽培之間相互契合的高品質高附加值的定位。并且有研究表明，一定程度上的節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，對于不同機械種植方式對香稻在有機栽培下的產量、品質和香氣的影響鮮有報道。為此，本研究從有機旱作香稻出發，探究了不同機械種植方式對香稻產量和香氣的影響，并對水田插秧機能否適用于旱田插秧進行探討，從而達到降低水稻旱田種植成本的目的，為華南地區有機水稻種植提供理論依據和實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以常規香稻品種19香作為試驗材料，由華南農業大學農學院水稻栽培研究室提供。

1.2 試驗設計

本試驗于2020年6—10月在廣州市從化區呂田鎮獅象村有機農場（23°54′N，113°48′E）進行，該農場完全采用有機栽培種植方法，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進行平整稻田，并灌水使得土壤含水量為100%，以便于水插秧機工作。本試驗共設4個處理，分別為旱插秧機旱插秧（DD）、水插秧機旱插秧（DW）、機械旱直播（D），以常規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，DW處理采用井關PZ60DT水稻插秧機，D處理采用2BD-H10型水稻精量旱穴直播機。機插秧處理于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日進行播種，用種量3.5 kg/667 m2，每667 m2基本苗11 000叢。每個小區面積80 m2，3次重復。所施肥料為有機香稻專用水溶肥“馫香”肥（東莞富特生物技術有限公司生產，成分：N+P2O5+K2O=5%，有機質=45%），基肥和分蘗肥用量各15 kg/667 m2。CK為常規水田種植模式，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利用噴灌設施噴施水分，每次每667 m2噴水4.0 t。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 產量及產量構成因素

于水稻成熟期，每個處理小區取有代表性植株30叢調查水稻有效穗數，并選取有代表植株3叢測定每穗粒數、結實率和千粒重。每個小區實割3 m2測定實際產量，重復3次。

1.3.2 稻米品質

收獲后的稻谷于室溫下保存3個月后測定稻米品質性狀。碾磨品質采用機械礱谷機和碾米機進行碾磨并稱重，外觀品質參照NY147-88《米質測定方法》測定。稻米蛋白質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鍵基因BADH2相對表達量

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型氣相色譜質譜聯用儀測定稻谷2-乙?；?1-吡咯啉（2-AP）含量。用于測定基因表達量的籽粒材料于水稻收獲前1 d取回，選取穗上部優勢粒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。PCR反應條件：95℃30 s；95℃5 s；57℃30 s；40個循環。反應結束后，進行溶解曲線分析。以不加cDNA模板作為陰性對照，每個樣品設置3個重復，以actin基因作為內參基因，根據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引物設計原則，利用Beacon Designer軟件（Premier Biosoft International，Palo Alto，CA，USA）進行定量PCR引物設計。由上海美吉生物工程公司合成。PCR擴增率保證在95%～105%之間，基因相對表達量運用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 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2010和Statistix 8.1軟件進行整理和分析，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，并采用字母標記法進行標注。標注相同小寫字母表示兩組數據在0.05水平上差異不顯著，標注不同小寫字母表示兩組數據在0.05水平上差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同機械種植方式對有機香稻產量的影響

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

表1 不同機械種植方式對有機香稻產量及產量構成因素的影響

2.2 不同機械種植方式對有機香稻品質的影響

從表2可以看出，與CK相比，D處理碾磨品質均顯著降低，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。在營養品質中，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 不同機械種植方式對有機香稻品質的影響

2.3 不同機械種植方式對有機香稻香氣及香氣合成關鍵基因BADH2表達量的影響

由圖1可知，在有機栽培條件下，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，香氣物質含量差異不顯著，但DD處理的2-AP含量最高，達278.30 μg/kg。與CK相比，有機栽培條件下旱作香稻BADH2基因表達量顯著下降，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處理的表達量最少，D處理的表達量最多。

圖1 不同機械種植方式對有機香稻2-AP含量及BADH2基因相對表達量的影響

3 討論

雖然化肥和農藥投入極大降低了人工投入以及病蟲草害所導致的損失，顯著提高了作物產量，化肥也被證明其比有機肥料能更為高效的被植株吸收[10]。但大量化學品的施用會嚴重污染土壤和地下水水質，對環境造成不利影響并且這種影響在進一步惡化[11]。盡管研究表明當下的農業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民的決策[12]。有機農業生產的高成本與低產量，使得農民不愿主動采用。但隨著生活水平以及環境保護意識的提高，消費者對有機產品的需求也在逐漸提高[12]，從而促進了有機種植制度的推廣，提升了土地潛力[13]。水稻傳統淹水灌溉種植，不僅用水量巨大，水資源利用率也低[14]。所以，水稻節水灌溉有利于緩解當前的問題。但目前的研究多為控灌、少灌，稻田內仍有水層，對旱作水稻研究較少。研究顯示，非抗旱型常規水稻的旱作過程中，會產生結實率降低[15]、株型矮化、劍葉早衰[16]等問題，進而降低產量。但本試驗顯示，水稻常規栽培與水稻旱作栽培在產量上并沒有明顯差異。在本試驗中，機械旱直播的表現最差，應當是水稻種子直播后，沒有進行單獨的育秧，導致在水稻發芽及生長前期受草害影響較大，相比于集中育秧后移栽，有機條件下水稻直播的秧苗質量較弱[17]，所以導致產量明顯下降。水插秧機旱插秧處理的產量顯著低于對照，表明在現行條件下，有機旱作種植所用農機具不能和常規水插秧通用，這也會導致秧苗質量不好，進而導致減產。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于常規給水方式，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系，但最為重要的化合物是2-AP[18]。而2-AP合成的基因基礎，現在一般認為是因為要編碼氨基醛脫氫酶（BADH）的BADH2基因表達受到抑制，導致香氣物質2-AP在香米品種中積累[19-20]。在本試驗中，對照的BADH2mRNA表達量遠遠高于旱作水稻的表達量。前人研究也發現，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]。雖然普遍認為香稻的香氣與產量呈負相關，但是在有機條件下，旱插秧機旱插秧可以使得香稻香氣比對照顯著提高，而產量差異不大。

4 結論

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