氮肥配施納米鎂對水稻產量、品質和氮肥利用率的影響

張海鵬 陳志青 王 銳 盧 豪 崔培媛 楊艷菊 張洪程

（農業農村部長江流域稻作技術創新中心/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學水稻產業工程技術研究院，225009，江蘇揚州）

隨著我國社會經濟的發展和城鄉居民生活水平的提高，對稻米的需求由數量型向品質型和食味型轉變，優質食味水稻開始受到人們的廣泛關注[1-3]。稻米品質除了受品種自身的遺傳基因影響外，還與環境條件和栽培技術密切相關。合理的栽培技術與肥料運籌能有效提高稻米品質[4-6]。氮素是影響水稻生長發育、產量和品質的因素之一[7]。適當增加施氮量，優質食味粳稻產量及品質均顯著提高[8-9]。目前，我國氮肥消耗量約占世界氮肥總消耗量的37%，而氮肥吸收利用率僅為30%～35%[10-11]。過多地施用氮肥易造成土壤養分失衡，不利于作物生長，還會帶來溫室效應和水體富營養化等環境問題[12]。研究如何實現水稻產量、品質和氮肥利用率的協同提高，對農業的可持續發展及生態環境的改善具有重要意義。

鎂作為植物生長發育的必需元素之一，是除氮、磷和鉀以外應用于作物較多的元素[13]。鎂是植物葉綠體的重要組成成分，對維持葉綠體的結構和促進葉綠素的合成具有重要作用[14]。水稻葉片葉綠體的數量和活性在很大程度上決定著植物對氮素的利用[15-16]。因此施用鎂肥可以有效提高作物干物質積累量、產量及氮素利用效率[17]。鎂與稻米的食味品質也有密切關系[18]。施用鎂肥能夠顯著降低稻米最終黏度、回復值和消減值，顯著提高最高黏度、熱漿黏度和崩解值，最終提高稻米蒸煮食味品質[19-21]。

已有研究[22]報道，納米鎂可被作物吸收利用，提高作物葉綠體的數量和活性，顯著提高作物產量和氮肥利用率。納米鎂為納米級顆粒，其理化性質穩定，比表面積大，易吸附在根系表面而被吸收，受土壤質地、結構、有機質和膠體等影響較小[23]，能夠克服常用離子態鎂肥（如硫酸鎂等）受土壤理化性質影響而難以有效吸收利用的缺點[17]。然而，關于納米鎂對水稻籽粒產量、氮肥利用率及稻米品質影響的研究較少。因此，本研究采用盆栽試驗研究不同氮肥水平條件下基施納米鎂肥對水稻產量、氮肥利用及稻米品質的影響，為構建優質、高產、高效的水稻生產栽培技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019和2020年的5-12月在江蘇省揚州市揚州大學校內試驗田（119.42°E，32.39°N）進行。土壤類型為沙壤土，有機質24.4g/kg、全氮1.32g/kg、堿解氮104.2mg/kg、速效磷35.4mg/kg、速效鉀72.5mg/kg、速效鎂43.41mg/kg，pH 6.03。

1.2 試驗材料

供試水稻品種選用江蘇省農業科學院糧食作物研究所培育的遲熟中粳品種南粳9108。

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗，栽培盆的長×寬×高為0.80m×0.50m×0.75m，每盆面積計0.40m2。設不施鎂肥（Non-Mg）和施納米鎂處理（Nano-Mg），每個處理分別設4個施氮量水平，分別為0（0N）、225（15N）、270（18N）、315kg/hm2（21N），共 8個處理。氮肥（尿素，含N 46%）的基肥:分蘗肥:穗肥=4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度為10cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量為135kg/hm2（過磷酸鈣，含P2O512%），全部作基肥施用；鉀肥施用量為270kg/hm2（氯化鉀，含K2O 60%），基肥:穗肥=1:1；納米鎂（Nano-Mg）用量為12kg/hm2，購自上海超威納米科技有限公司，納米球狀，粒徑為20～45nm。各處理2年施肥量和施肥方法保持一致。2019年試驗結束后，各試驗盆土壤于2020年5月10日前更換25cm表層新土，新土與2019年所用土壤為同一田塊同時取的耕層土壤（20cm）。每個試驗處理重復10次。

水稻育秧于每年5月15日播種，濕潤育秧，30d秧齡后，挑選發育進程與長勢一致的秧苗，于6月15日移栽。每穴定植4株苗，每盆16穴，栽植密度為 12.5cm×20.0cm（4.0×105穴/hm2）。2019年試驗結束后，各試驗盆于2020年5月10日前更換新土。試驗期間水分與病蟲害防治等管理措施按高產栽培要求統一實施。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 產量及其構成因素 各處理成熟期分別選取20穴，計算有效穗數，按各處理的平均穗數取有代表性的植株3穴，測定穗粒數、結實率和千粒重等，計算理論產量，并實收測產。

1.4.2 各器官含氮率 將成熟期植株的莖鞘、葉片和穗烘干粉碎，用H2SO4-H2O2消化，采用半微量凱氏定氮法測定氮濃度，計算各器官含氮率。

1.4.3 稻米品質 將水稻收獲、脫粒并曬干，3個月后，依照《GB/T 17891-1999優質稻谷》測定稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、籽粒長寬比、膠稠度等。采用近紅外谷物分析儀測定稻米的蛋白質和直鏈淀粉含量。

1.4.4 食味指標 采用米飯食味計（STA1A，日本佐竹公司）自動測定米飯的氣味、光澤和色澤、完整性、味道、口感的評分和綜合評分值。

1.4.5 稻米淀粉黏滯特性 采用澳大利亞Newport Scientific儀器公司生產的Super 3型RVA快速黏度分析儀測定淀粉黏滯特性，用配套軟件TWC分析。按照AACC規程（1995-61-02）和RACI標準方法，取含水量12.00%的米粉樣品3.00g，加蒸餾水25.00g。在攪拌測定過程中，罐內溫度保持50℃1min，以11.84℃/min的速度上升到95℃（3.75min）并保持2.5min，再以11.84℃/min的速度下降到50℃并保持1.4min。攪拌器在起始10s內轉動速度為960轉/min，之后保持在160轉/min。RVA譜特征值包括峰值黏度、熱漿黏度、崩解值（峰值黏度-熱漿黏度）、最終黏度、消減值（最終黏度-峰值黏度）、回復值（最終黏度-熱漿黏度）和糊化溫度等[24]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理和圖表繪制，用SPSS 25.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量下鈉米鎂對水稻產量及其構成因素的影響

表1表明，2年中各處理的水稻籽粒產量均隨施氮量的增加而升高，均以施氮量315kg/hm2處理的產量最高。在相同氮肥施用量水平下，2019和2020年施納米鎂各處理的籽粒產量較不施鎂處理均有所提高，并且配施氮處理后的差異達到顯著水平。與不施鎂各處理相比，施納米鎂處理的2年籽粒產量分別提高2.85%～8.86%和5.22%～7.16%。隨著氮肥施用量的增加，施用納米鎂對2年水稻籽粒產量的影響均呈先升高后降低的趨勢，施氮量270kg/hm2處理的增產幅度最高，而施氮量315kg/hm2處理的增產幅度較低。從水稻產量構成因素來看，在相同氮肥施用量水平下，施納米鎂處理的單位面積穗數、穗粒數、結實率和千粒重較不施鎂處理均有不同程度的提高。

表1 不同施氮量條件下納米鎂對水稻產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice yield and its components under different N application rates

2.2 不同施氮量下納米鎂對稻米品質的影響

2.2.1 加工品質 由表2可知，各處理稻米的糙米率、精米率和整精米率隨著施氮量的增加呈上升趨勢。在相同氮肥施用量水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的糙米率、精米率和整精米率均有所提高。與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的精米率提高1.70%～2.29%，整精米率提高2.96%～4.08%。由此可見，施用納米鎂能夠有效提高稻米的精米率和整精米率，改善稻米的加工品質。

表2 不同施氮量條件下納米鎂對水稻加工品質的影響Table 2 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice processing quality under different N application rates

2.2.2 外觀品質 由表3可知，不同氮肥施用量處理的籽粒長寬比之間無顯著差異，施用納米鎂對籽粒長寬比也無顯著影響。不同氮肥用量顯著影響了稻米的堊白粒率和堊白度。不施鎂和施納米鎂各處理稻米的堊白粒率隨著施氮量的增加基本呈先降低后升高的趨勢，施氮量270kg/hm2處理的堊白粒率最低，施氮量315kg/hm2處理的堊白粒率有升高的趨勢，而稻米的堊白度隨著施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢。在相同氮肥施用量水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂的各處理稻米堊白粒率和堊白度有所降低，分別降低了1.64%～4.85%和1.28%～3.87%。可見，施用納米鎂可改善稻米的外觀品質，施氮量270kg/hm2處理的稻米外觀品質最佳。

表3 不同施氮量條件下納米鎂對水稻外觀品質的影響Table 3 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice appearance quality under different N application rates

2.2.3 蒸煮食味和營養品質 2年各處理的稻米食味品質和營養品質變化情況基本一致。表4表明，不施鎂和施納米鎂各處理的直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而逐漸降低，蛋白質含量和膠稠度均隨著施氮量的增加而逐漸升高。在相同氮肥施用量水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的直鏈淀粉含量降低了1.25%～2.56%，差異不顯著，蛋白質含量提高了5.13%～7.02%，膠稠度無顯著差異，食味值略有提高。由此可見，施用納米鎂對稻米蒸煮和營養品質的影響主要體現在蛋白質含量的提高，對直鏈淀粉含量和膠稠度影響較小。

由表5可知，隨著施氮量的增加，不施鎂和施納米鎂各處理稻米的食味值逐漸降低，均以不施氮肥處理的食味值最高。從影響食味值的各項相關指標來看，隨著施氮量的增加，外觀、黏度和平衡度均顯著降低，硬度顯著升高。在相同氮肥施用量水平下，施納米鎂各處理的食味值較不施鎂處理提高了0.39%～1.70%，但未達到顯著水平。由此可見，稻米的食味值對氮肥施用量的響應差異較為明顯，施用納米鎂肥對食味值的影響不顯著。

表5 不同施氮量條件下納米鎂對水稻食味品質的影響Table 5 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice eating quality under different N application rates

2.2.4 稻米淀粉RVA譜特征值 表6表明，不施鎂和施納米鎂各處理的峰值黏度、熱漿黏度、崩解值和最終黏度均隨著施氮量的增加而逐漸降低，消減值和回復值隨著施氮量的增加而逐漸升高，其中峰值黏度、熱漿黏度和消減值的差異均達到顯著水平，糊化溫度隨著施氮量的增加未呈現明顯變化規律。在相同氮肥施用水平下，與不施鎂處理相比，施納米鎂各處理的峰值黏度、熱漿黏度和崩解值均有所提高，最終黏度有所降低，但差異均不顯著。施納米鎂各處理的消減值和回復值較不施鎂處理分別降低了8.87%～12.57%和6.79%～8.56%。由此可見，施用納米鎂對稻米RVA譜特性有改善的趨勢。

表6 不同施氮量條件下納米鎂對稻米淀粉RVA譜特征值的影響Table 6 Effects of nano-magnesium fertilizer on RVA profile characteristics under different N application rates

2.3 不同施氮量下納米鎂對水稻氮肥利用率的影響

由圖1可知，不施鎂各處理的氮肥利用率隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，施氮量270kg/hm2時的氮肥利用率最高。施納米鎂各處理的氮肥利用率隨著施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢，施氮量225kg/hm2時的氮肥利用率最高。相同氮肥施用量水平下，施納米鎂各處理的氮肥利用率均高于不施鎂處理，施納米鎂可提高氮肥利用率4.18%～5.97%。

圖1 納米鎂對水稻氮肥利用率的影響Fig.1 Effects of nano-magnesium fertilizer on rice N fertilizer use efficiency

3 討論

3.1 納米鎂對水稻產量及氮素利用率的影響

水稻產量由單位面積穗數、穗粒數、結實率和千粒重4個因素共同決定[25]。前人研究發現，施用鎂肥能夠有效促進水稻分蘗，提高莖蘗成穗率，增加單位面積穗數和穗粒數[26]，并有利于籽粒結實率的提高[27]。聶錄等[20]認為，合理施用鎂肥能夠提高水稻主莖的糖和淀粉含量，促進成熟期的光合物質由莖鞘向穗部轉運，促進水稻的粒重增加，從而實現增產。在本研究中，與不施鎂肥處理相比，施用納米鎂顯著提高了水稻的單位面積穗數和穗粒數，結實率和千粒重略有提高，未達到顯著水平。納米鎂可在穩定籽粒結實率和千粒重的基礎上，通過提高單位面積穗數和穗粒數來促進水稻增產。氮肥吸收量、氮肥利用率與產量之間存在極顯著直線正相關關系[28]。鎂作為作物生長發育所必需的元素，適宜的鎂用量有利于水稻的生長發育，增強光合作用，促進氮素的吸收和物質的積累[29]。本研究發現，在相同氮肥施用水平下，與不施鎂處理相比，施用納米鎂的各處理均提高了水稻的氮肥利用率，這與前人[30]研究結果一致。

3.2 納米鎂對稻米品質的影響

稻米品質主要受品種遺傳因素、栽培措施和環境條件等影響[31]，氮素調控是影響水稻生長發育和稻米品質形成的重要措施[32]。鎂是除氮、磷、鉀以外應用于水稻較多的元素，合理施用鎂肥能夠改善稻米品質。增加氮肥施用量可顯著提高稻米的糙米率和精米率[33]。本研究表明，隨著施氮量的增加，稻米的糙米率、精米率和整精米率均呈升高趨勢，加工品質得到改善。錢永德等[34]研究發現，鎂肥可以提高水稻糙米率、精米率及整精米率。本研究結果與上述結論一致，施用納米鎂肥能夠有效提高精米率和整精米率，提高稻米的加工品質。唐健等[35]研究認為，稻米的堊白粒率和堊白度均隨著施氮量的增加而下降，這與本研究結果不盡一致。本研究發現，稻米的堊白粒率隨著施氮量的增加呈先降低后升高的趨勢，而稻米的堊白度隨著施氮量的增加逐漸降低。施用納米鎂后，稻米的堊白粒率和堊白度有所降低，其中以施氮量270kg/hm2處理的稻米外觀品質最佳，可見納米鎂的施用對改善稻米外觀品質有一定作用。

蛋白質和直鏈淀粉含量是評價稻米營養品質的重要指標。楊澤敏等[36]研究表明，施氮量的增加可顯著提高稻米的蛋白質含量，降低直鏈淀粉含量。李軍等[18]認為，鎂肥會增加稻米中蛋白質含量、降低直鏈淀粉含量。這些研究結果均與本研究結果一致。而施用納米鎂后顯著提高了水稻的氮肥利用率，提高植株的氮素吸收量，在水稻生育后期促進莖和葉中的氮素更多地向穗部轉移，提高穗部的吸氮量，進而提高籽粒中蛋白質含量。稻米的直鏈淀粉含量受蛋白質含量變化的影響，二者互為消長關系[32]，蛋白質含量的提高會相對降低直鏈淀粉含量。稻米的RVA譜特性是衡量稻米品質的重要指標，口感較好的稻米RVA譜往往具有較高的峰值黏度、崩解值以及較低的消減值[37]。施用鎂肥后稻米RVA譜中的最終黏度、回復值及消減值降低，且最高黏度、熱漿黏度及崩解值上升，提高了稻米的食味品質[38]。本研究發現，與不施鎂處理相比，施用納米鎂處理的峰值黏度、熱漿黏度和崩解值均有所提高，最終黏度略微降低，而消減值和回復值相較于不施鎂處理均顯著降低。由此可見，施用納米鎂肥對稻米RVA譜特性有所改善，有利于稻米食味品質的提高。

4 結論

施用納米鎂肥提高了水稻單位面積穗數、穗粒數、結實率和千粒重，水稻籽粒產量提高了2.85%～8.86%。納米鎂肥的施用促進了水稻的氮素吸收積累量，水稻的氮肥利用率提高了4.18%～5.97%。此外，施用納米鎂肥改善了稻米的加工品質和外觀品質，稻米的蛋白質含量提高5.13%～7.02%，稻米的食味品質也有所提高。兼顧產量和稻米品質，在225～270kg/hm2的施氮量下，施用納米鎂肥有利于實現水稻的高產高效和優質栽培。