有機和常規施肥模式的土壤養分特征及對不同食味型粳稻產量和品質的影響

李玉林 徐承昱 胡 雪 臧 倩 陸炫睿蔣 敏 莊恒揚 黃麗芬,*

(1 揚州大學農學院，江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室，江蘇 揚州 225009；2 揚州大學，江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇 揚州 225009)

有機水稻栽培指整個生育期不使用化學合成物(例如化肥、農藥和生長調節劑)，在田間管理上遵循水稻生長發育的自然規律，以持續穩定生產為目標的一種水稻生產模式[1]。稻米的直鏈淀粉和蛋白質含量一直是國外有機水稻的研究熱點[2-4]。國內關于有機栽培條件對水稻影響的研究主要集中在稻米品質和土壤養分供應方面。侯文平等[5]研究指出改良插秧方式和栽培密度有助于提高有機水稻的品質；黃麗芬等[6]比較了有機和常規栽培方式下雜交粳稻的稻米品質，發現有機栽培較常規栽培降低了加工品質但顯著改善了外觀和蒸煮食味品質；宇萬太等[7]認為有機栽培能改善土壤氮磷鉀等養分狀況，對提高土壤肥力和水稻產量及品質具有重要作用。隨著居民消費水平的不斷提高，人們對稻米的需求由產量型轉向品質型。尤其具有優良食味品質的有機稻米越來越受消費者的青睞，并且其產量穩定，因此，食味型粳稻被廣泛應用于有機水稻生產[8-9]。前人比較研究了常規栽培條件下味優高產和味中高產粳稻的品質差異，結果表明與味中高產粳稻相比，味優高產粳稻加工品質較好、外觀品質較差、膠稠度較長而直鏈淀粉和蛋白質含量較低[10-11]。然而關于有機栽培條件下不同食味型粳稻產量和品質的性狀特征的研究尚鮮見報。基于此，本試驗以2種食味型粳稻為材料，研究了有機栽培對不同食味型粳稻產量和品質的影響，以期為優化水稻有機栽培技術提供一定的理論基礎和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2019年5月至11月在江蘇省高郵市馬棚灣生態農業科技有限公司進行。供試試驗田為黏壤土，地力中等，土壤基礎肥力為：有機質25.48 g·kg-1，全氮1.31 g·kg-1，堿解氮108.23 mg·kg-1，速效磷7.36 mg·kg-1，速效鉀65.43 mg·kg-1，pH值8.72。供試水稻品種根據食味值差異分為味優高產類(食味值在60分以上且產量在9.5 t·hm-2左右)和味中高產類(食味值在50分以下且產量在9.5 t·hm-2左右)[10]，味優高產類包括南粳46和蘇香粳100，味中高產類包括常農粳8號和淮香粳15號，共4個品種，均由江蘇里下河地區農業科學研究所提供。

1.2 試驗設計

采用裂區設計，以栽培方式為主區，品種為裂區。主區設置2種處理，即有機栽培(OF)和常規栽培(CF)，每處理3次重復。各處理隨機區組排列，每社區栽培面積為105 m2。5月22日播種，6月10日人工插秧，移栽行株距30.0 cm×12.5 cm，每穴3苗，11月1日收獲。有機栽培全程按照國家有機產品生產標準GB/T 19630.1-2019[12]進行管理，采用紫云英-水稻的種植方式，在水稻移栽前15 d左右一次性翻耕施入12 000 kg·hm-2紫云英(含0.33% N、0.08% P2O5和0.23% K2O)作為基肥。水稻移栽前施入1 200 kg·hm-2菜籽餅(含5.25% N、0.80% P2O5、1.04% K2O、0.80% Ca、0.48% Mg及各類微量元素)和1 200 kg·hm-2三安生物有機肥(含多種有機酸、肽類以及3.35% N、1.87% P2O5、2.28% K2O和53%有機質)，7月中旬追施450 kg·hm-2三安生物有機肥作為穗肥[13]。常規栽培根據當地生產習慣采用高產栽培管理方式，肥料運籌方式同當地常規施肥模式：45%復合肥(含15% N、15% P2O5和15% K2O)按750 kg·hm-2基施，氮肥施用總量為270 kg·hm-2，P2O5施用量為150 kg·hm-2，K2O施用量為150 kg·hm-2，基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3，分蘗肥于栽后第7、第21天分別施58.5、117 kg·hm-2尿素(含N≥46%)，穗肥分別于倒四、倒二葉各施入175.5 kg·hm-2尿素。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土樣采集與養分測定 分別于水稻分蘗期、抽穗期、灌漿結實期和成熟期用取土器依據五點取樣法[14]采集0～10 cm和10～20 cm耕層土壤，取樣時間分別記為T1～T4，每處理重復3次。采集的土樣經混合均勻后，將樣品中的根系和石塊等雜物挑出，土樣經風干、磨碎后分別過20和100目篩，用于測定土壤堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量和有機質含量等各養分指標[15]。堿解氮含量采用堿解氮擴散法測定；有機質含量采用K2Cr2O7-H2SO4外加熱法測定；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提分光光度法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提火焰光度法測定。

1.3.2 產量及其構成因素測定 于成熟期普查每社區100穴，計算有效穗數，各社區按平均有效穗數取5穴調查每穗粒數、結實率與千粒重，計算理論產量，成熟后各社區隨機選取生長一致的3個點，面積均為1 m2，收割測定實際產量。

1.3.3 稻米品質測定 糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、膠稠度等品質性狀的測定方法參照優質稻谷標準GB/T 17891-2017[16]，稻米直鏈淀粉含量和蛋白質含量采用Infratec 1241 GrainAnalyzer近紅外谷物分析儀(丹麥FOSS-TECATOR公司)測定[17]。稻米粘滯性采用RVA-TeeMaster快速粘度分析儀(澳大利亞NewportScientific儀器公司)檢測[18]。淀粉顆粒的結構采用philips XL-30環境掃描電子顯微鏡(荷蘭Philips公司)觀察[19]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理與分析，采用SPSS 23.0軟件進行顯著性分析(P<0.05), LSD法進行多重比較，采用Origin pro 8.5.1軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 栽培方式對稻田土壤養分含量的影響

從分蘗期到成熟期，2種栽培方式下0～10 cm和10～20 cm土層的速效磷和速效鉀含量均表現為有機栽培>常規栽培；堿解氮和有機質含量從分蘗期至灌漿結實期表現趨勢與速效磷和速效鉀相似，但成熟期常規栽培下0～10 cm土層的堿解氮和有機質含量總體略大于有機栽培(圖1)。

與常規栽培相比，有機栽培下0～10 cm土層堿解氮含量在分蘗期和灌漿結實期分別提高8.62%和12.7%，10～20 cm土層分別提高19.47%和15.04%，有機栽培較常規栽培顯著提高了兩時期各土層的堿解氮含量。與分蘗期相比，灌漿結實期常規栽培下0～10 cm和10～20 cm土層的速效磷含量分別提高75.57%和78.60%，有機栽培下分別提高為61.29%和78.20%。可見，與有機栽培相比，分蘗期至灌漿結實期常規栽培下兩土層的速效磷含量增幅較大。從分蘗期至灌漿結實期，2種栽培方式下0～10 cm土層速效鉀含量總體呈降低趨勢，其中，常規栽培下降了13.50%，有機栽培下降了10.54%。此外0～10 cm土層的有機質含量在有機栽培下較常規栽培分別顯著提高了16.44%、10.59%和24.99%；10～20 cm土層也表現出相同的趨勢。

2.2 栽培方式對不同食味型粳稻的產量及構成因素的影響

由表1可知，不同栽培方式下2種食味型粳稻的穗數均表現出常規栽培>有機栽培的趨勢。雖然有機栽培降低了2種食味型粳稻的穗數，但提高了味中高產粳稻每穗粒數，較常規栽培分別提高了5.60%和6.35%，降低了味優高產粳稻每穗粒數，較常規栽培分別降低了2.17%和2.52%。2種類型粳稻的結實率與穗數變化趨勢基本一致，其中味優高產粳稻在有機栽培下的結實率較常規栽培降低11.46和14.32個百分點，味中高產粳稻降低1.77和0.54個百分點，因此味優高產粳稻在有機栽培下的結實率降低幅度相對較大。另外，2種食味型水稻的千粒重在有機栽培下較常規栽培略有提高。各品種的產量均表現為常規栽培>有機栽培的趨勢。

2.3 栽培方式對不同食味型粳稻稻米品質的影響

2.3.1 栽培方式對稻米加工品質的影響 由表2可知，相同栽培方式下，2種食味型粳稻糙米率差異較小；不同栽培方式下，常規栽培略高于有機栽培，但差異大部分不顯著。與常規栽培相比，有機栽培降低了2種類型粳稻的精米率和整精米率。總體上，2種食味型水稻的糙米率、精米率和整精米率等加工品質指標均表現出常規栽培>有機栽培的趨勢。

2.3.2 栽培方式對稻米外觀品質的影響 由表2可知，相同栽培方式下，2種類型水稻堊白粒率和堊白度總體表現為味優高產>味中高產的趨勢。與常規栽培相比，有機栽培顯著降低了2種類型水稻堊白粒率和堊白度，其中味優高產粳稻在有機栽培下堊白粒率較常規栽培下降2.04和1.33個百分點，味中高產粳稻下降1.30和1.08個百分點；味優高產粳稻在有機栽培下堊白度的較常規栽培下降2.37和1.62個百分點，味中高產粳稻下降1.37和1.72個百分點。可見，有機栽培較常規栽培顯著改善了稻米的外觀品質。

2.3.3 栽培方式對稻米食味品質的影響 由表2可知，有機栽培下2種類型粳稻的膠稠度顯著提高，而直鏈淀粉含量明顯下降。味優高產粳稻在有機栽培下膠稠度較常規栽培提高7.08%和4.41%，味中高產粳稻提高8.05%和4.78%。另外，與常規栽培相比，有機栽培下的味優高產粳稻直鏈淀粉含量分別下降了1.51和0.74個百分點；味中高產粳稻均下降了1.14個百分點。另外，2種栽培方式下，與味中高產粳稻相比，味優高產粳稻的膠稠度相對較高，而直鏈淀粉含量相對較低。不同栽培方式下，2種類型粳稻蛋白質含量表現出常規栽培>有機栽培的趨勢，但差異不顯著。

2.3.4 栽培方式對稻米RVA譜特征值的影響 由表3可知，有機栽培下味優高產粳稻的峰值粘度分別是常規栽培的103.39%和103.44%，而味中高產粳稻分別為92.43%和95.15%，有機栽培顯著提高了味優高產粳稻的峰值粘度，但降低了味中高產粳稻的峰值粘度。與有機栽培相比，常規栽培下兩種類型粳稻的熱漿粘度、最終粘度均表現為常規栽培>有機栽培，差異顯著。有機栽培下味優高產粳稻的崩解值分別為常規栽培下的116.84%和108.92%；味中高產粳稻分別為138.08%和115.99%，有機栽培較常規栽培顯著提高了兩種食味型粳稻的崩解值。與常規栽培相比，有機栽培下味優高產粳稻消減值降低幅度分別為37.77%和22.44%，而味中高產粳稻消減值提高幅度分別為6.72%和27.07%，因此有機栽培較常規栽培顯著降低了味優高產粳稻的消減值而味中高產粳稻則相反。不同栽培方式下兩種類型粳稻的峰值時間均表現為常規栽培>有機栽培，味優高產粳稻的糊化溫度在兩種栽培方式下表現為常規栽培<有機栽培，而味中高產粳稻則相反。

2.3.5 栽培方式對淀粉顆粒形態的影響 由圖2可知，不同食味型粳稻的淀粉顆粒排列情況在2種栽培方式下存在明顯差。常規栽培下，味優高產粳稻的淀粉粒排列松散，粒間空隙大；但在有機栽培下，淀粉粒粒徑較大，緊密排列，粒間空隙小。2種栽培方式下味中高產粳稻的淀粉顆粒排列情況及粒間空隙大小與之相反，與常規栽培相比，有機栽培下味中高產粳稻的淀粉粒排列松散且粒間空隙大。

注：A：常規栽培(南粳46)；B：常規栽培(蘇香粳100)；C：常規栽培(常農粳8號)；D：常規栽培(淮香粳15號)；a：有機栽培(南粳46)；b：有機栽培(蘇香粳100)；c：有機栽培(常農粳8號)；d：有機栽培(淮香粳15號)。Note: A: Conventional cultivation (Nanjing 46). B: Conventional cultivation (Suxiangjing 100). C: (Changnongjing 8). D: (Huaixiangjing 15). a: Organic cultivation (Nanjing 46). b: Organic cultivation (Suxiangjing 100). c: Organic cultivation (Changnongjing 8). d: Organic cultivation (Huaixiangjing 15).圖2 不同栽培方式下兩種食味型粳稻淀粉顆粒的掃描電鏡照片(5 000倍)Fig.2 Scanning electron micrographs of starch granules of two edible japonica rice under different cultivation methods (5 000 times)

2.4 品種和栽培方式對粳稻產量及構成因素的通徑分析

由圖3可知，產量各構成因素對粳稻產量的影響程度表現為穗數>千粒重>每穗粒數>結實率，以穗數的影響最大(0.632)。栽培方式和品種對穗數均表現為負效應，其中栽培方式影響更大(-0.933)；品種較栽培方式對千粒重和結實率的影響更大；栽培方式和品種對每穗粒數和結實率的影響表現相反，栽培方式對每穗粒數表現為正效應，品種對結實率表現為正效應。

圖3 不同栽培方式對產量及其構成因素的通徑分析Fig.3 Path analysis of different cultivation methods on yield and its constituent factors

2.5 不同栽培方式下土壤養分含量與不同食味型粳稻產量和品質的相關性分析

由表4相關分析結果可知，不同栽培方式下土壤堿解氮含量與2種食味型粳稻的穗數、結實率、實際產量、整精米率和蛋白質含量呈顯著正相關，與堊白粒率和直鏈淀粉含量呈顯著負相關，土壤速效磷和速效鉀含量均與整精米率、堊白粒率、直鏈淀粉含量和蛋白質含量呈顯著或極顯著負相關，土壤有機質含量與結實率呈顯著正相關。綜上，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量與直鏈淀粉和蛋白質含量等食味品質指標密切相關。另外，與常規栽培相比，有機栽培下味優高產粳稻的平均粒徑與土壤堿解氮含量呈顯著負相關，與土壤速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關。

注：*和**分別表示相關性在0.05和0.01水平達到顯著和極顯著。

3 討論

3.1 栽培方式對土壤養分含量的影響

堿解氮是水稻生長發育過程所需的主要養分[20]。Richter等[21]研究表明，與常規栽培相比，有機栽培可顯著提高土壤中堿解氮含量，其主要由于有機栽培以施用有機肥為主，隨時間的推移，其所含養分逐漸被微生物分解釋放，可長期提供有效氮養分；常規栽培施用的化肥僅在適時間內提供有效氮養分，因而常規栽培下堿解氮含量顯著低于有機栽培[22]。本研究結果表明，從分蘗期至灌漿結實期，0～10 cm和10～20 cm土層的堿解氮含量在有機栽培下均顯著高于常規栽培，而成熟期較常規栽培明顯下降，可能是成熟期土壤水分缺失，有機氮的分解速度加快導致的[23]。

另外有機栽培下各時期的土壤速效磷和速效鉀含量均顯著高于常規栽培，主要因為土壤中磷以有機磷和無機磷2種形態存在，有機栽培施用的有機肥本身含有較多的有機磷且有機肥中包含的大量微生物可將無機磷轉化為有機磷；此外，有機肥中的大量有機膠體具有吸附和交換鉀離子的功能[24-25]，因而有機栽培較常規栽培可顯著提高土壤中速效磷和速效鉀的含量。土壤有機質作為土壤中的含碳有機物，是土壤肥力的重要指標之一[26]。大量研究結果表明，與常規栽培相比，有機栽培可顯著提高土壤有機質含量[27-29]。本研究結果與之相似，有機栽培較常規栽培顯著提高了不同土層的有機質含量，可能與施入土壤的有機肥提供了充足的碳源且促進了有機質分解和轉化有關[30]。

3.2 栽培方式對粳稻產量的影響

水稻的產量主要由穗數、穗粒數、結實率和千粒重等因素構成，同時還受其他因素的影響，尤其是栽培方式[31]。一般認為，與常規栽培相比，有機栽培方式下水稻產量較低主要因為病蟲草害導致結實率下降、千粒重減小；此外，有機肥肥效釋放慢、氮素供應不足、生育期形成的有效分蘗數較少，亦會降低單位面積穗數，導致有機稻產量比常規稻減少約10%～20%[32-34]。本研究結果表明，有機栽培方式下味優高產粳稻和味中高產粳稻的穗數和結實率均顯著低于常規栽培，致使2種食味型水稻的產量均降低約18%。本研究中，參試的味中高產型粳稻產量大于味優高產型，這與朱盈等[35]研究得出不同類型粳稻平均產量表現為味中高產>味優高產的結論相似。前人研究發現，適宜的氮肥水平可使水稻高產和優質達到協同一致[36]。在本研究條件下，土壤堿解氮含量與產量和品質等指標均呈顯著正相關，因此在施肥制度上合理控制氮肥施用量，可實現水稻高產優產。

3.3 栽培方式對粳稻品質的影響

除了受品種自身基因型影響外，栽培方式對稻米品質的影響也十分重要[37]。前人研究認為，與常規栽培相比，有機栽培對稻米加工品質基本無影響但能改善外觀和蒸煮食味品質[38-39]。本研究結果表明，2種食味型水稻的糙米率、精米率和整精米率均表現為常規栽培>有機栽培，且同一栽培方式下，味優高產型粳稻的糙米率、精米率和整精米率均小于味中高產型，這與胡蕾等[10]研究得出味優高產類型加工品質中的糙米率、精米率、整精米率均高于味中類型品種的結論不同，存在差異的原因可能與肥料所含氮素水平不同有關[40]。外觀品質是影響稻米商品價值的重要因素之一[41]。本研究中，有機栽培方式下2種食味型粳稻的堊白粒率和堊白度均顯著低于常規栽培，這與趙海成等[42]研究得出有機栽培可降低稻米的堊白粒率和堊白度的結論一致。直鏈淀粉和蛋白質含量是影響稻米蒸煮食味品質的重要因素[43]。有機栽培方式下，2種食味型粳稻的直鏈淀粉和蛋白質含量均低于常規栽培，而膠稠度高于常規栽培，與前人研究用等量有機肥替代化學氮肥可顯著降低稻米堊白粒率和堊白度并提高膠稠度的結果一致[44]。有研究發現，RVA譜特征值與稻米食味品質密切相關，RVA譜的峰值粘度和崩解值越大，熱漿粘度和消減值越小，其食味品質越好[45]。本研究發現，與常規栽培相比，有機栽培方式下2種食味型粳稻的崩解值較大，熱漿粘度較小，顯然有機栽培改善了2種類型水稻的食味品質。綜上，與味中高產型相比，味優高產型粳稻具有加工和外觀品質較差，蒸煮食味品質較好等特點，造成不同食味型粳稻品質差異的原因可能與水稻品種基因型不同[46]，以及籽粒中直鏈淀粉含量的差異[47]等有關。淀粉以多個淀粉體構成，每個淀粉體包含著大量復合淀粉粒[48]。前人對有機水稻的淀粉粒形態和排列結構進行了研究，結果表明，有機栽培下淀粉粒粒徑和數量明顯增加，且排列比較緊密[49]。本研究結果與之相似，有機栽培下，味優高產型粳稻的淀粉粒間空隙小，且排列緊密。

4 結論

與常規栽培相比，有機栽培顯著提高了各生育時期0～10 cm和10～20 cm土層堿解氮、速效磷和速效鉀等養分含量，但降低了2種食味型粳稻的產量；通徑分析表明栽培方式對穗數影響最大，而品種對千粒重和結實率的影響最大。另外，有機栽培較常規栽培顯著改善了2種食味型粳稻的外觀品質、食味品質和RVA譜特征值，且味優高產粳稻的淀粉顆粒結構在有機栽培下排列比較緊密。相關性分析顯示，堿解氮較速效磷、速效鉀和有機質等土壤養分與產量和品質等指標均呈顯著正相關。