調理劑施用與節(jié)水灌溉結合對旱直播稻產量、品質及 養(yǎng)分吸收影響研究

李夏雯，盧樹昌

（天津農學院 農學與資源環(huán)境學院，天津 300392）

水稻種植是中國的民族產業(yè)，在我國乃至全球糧食安全中起決定性作用[1]。我國在常規(guī)水稻生產中大水灌溉下淋失、地表蒸發(fā)等造成了稻田水分利用率低，嚴重制約了我國水稻生產系統(tǒng)的生產效率與可持續(xù)發(fā)展[2]。在水源緊缺、生產成本上漲等壓力下，常規(guī)稻優(yōu)勢減弱，種植面積有所下降，而隨著品種改進、栽培配套措施完善、農業(yè)機械化發(fā)展、加之農村勞動力轉移，我國水稻直播面積呈不斷擴大趨勢[3]。

旱直播技術是一種不進行育秧、移栽，直接將種子種于大田，節(jié)水、省工、降本、輕型簡便的水稻栽培技術，能夠緩解農業(yè)用水短缺問題[4]。褚光等[5]研究表明，相比于常規(guī)水層灌溉，干濕交替灌溉水分利用效率提高了28.9%，同時增加了水稻產量。魏永霞等[6]研究表明，滴灌旱直播相對于淹水灌溉，顯著提高了水分利用效率，全生育期節(jié)省灌溉用水63.88%。適度的干濕交替管理措施，在一定程度上調節(jié)了水稻根系周圍的土壤水分和氧氣平衡，有利于促進水稻的生長發(fā)育和產量形成。旱直播稻與常規(guī)稻在土壤理化性狀方面的需求有顯著差異，施用土壤調理劑可使土壤性狀得到改善，對水稻生長發(fā)育具有顯著的促進效果。研究表明，生物炭能夠促進作物養(yǎng)分吸收，提高作物產量[7-9]。張愛平等[10]研究認為，生物炭配施氮肥可提高水稻氮素吸收量，提高氮肥利用率。王德勝等[11]研究認為，施用生物炭能顯著提高南疆地區(qū)水稻產量和氮肥利用率。水稻為典型的喜硅作物，研究表明，施硅既可以促進水稻生長發(fā)育，又可以改善土壤結構，提升土壤微生物活性，促進水稻對氮磷素的吸收，改善稻米品質[12-14]。

目前，對旱直播稻的研究大多集中在單一水分管理或施肥管理等方面，對調理劑施用與水分管理結合效應方面的報道較少，尤其對旱直播稻穩(wěn)產優(yōu)質配套措施的研究不深入。改革傳統(tǒng)的水稻種植體系，研究發(fā)展節(jié)水、省工、省時、改善旱直播稻產量和品質的新型生產栽培方式勢在必行?；诖耍狙芯吭谕寥勒{理劑與兩種水分優(yōu)化管理結合的栽培模式下，探討旱直播稻的產量、品質及養(yǎng)分吸收情況，以達到提高水分生產效率、獲得旱直播稻穩(wěn)產優(yōu)質的目的，為水土環(huán)境因素制約突出的生產區(qū)域發(fā)展旱直播稻栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設在天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村，位于北緯39o 32′～39°33′，東經116o 57′～116o 58′，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量550～606 mm，60%降雨集中在6—8月。灌溉方式為常年大水漫灌，土壤類型為潮土。經測定，試驗地土壤質地為輕壤，土壤有機質21.21 g/kg、全氮1.86 g/kg、有效磷21.98 mg/kg、速效鉀212.37 mg/kg、土壤CEC 15.54 cmol/kg。土壤地力總體表現較高，但保水保肥能力不高。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試作物

供試作物為早稻品種‘津原E28’，為粳型常規(guī)稻，京津唐地區(qū)種植全生育期平均177 d，千粒重30.2 g，常規(guī)移栽種植平均產量600 kg/667m2以上，抗性中等[15]。

1.2.2 供試土壤調理劑

稻殼生物炭：由稻殼材料制作，有機碳含量450 g/kg，堿性，比表面積292 m2/g，購于天津亞德爾生物質科技股份有限公司。

硅渣材料：購于浙江銀億集團有限公司，經檢測主要成分為多孔活性二氧化硅，二氧化硅含量為84%，有機碳含量7.19 g/kg，酸性，比表面積80～97 m2/g，為固體粉狀。

1.3 試驗處理與田間管理

試驗時間為2020年5—10月，設8個處理，即：T1（W1＋對照）、T2（W1＋生物炭）、T3（W1＋硅）、T4（W1＋1/2生物炭＋1/2硅）、T5（W2＋對照）、T6（W2＋生物炭）、T7（W2＋硅）和T8（W2＋1/2生物炭＋1/2硅）。小區(qū)面積36 m2（6 m× 6 m），采用區(qū)組設計，3次重復，設置保護行，播種量為6 kg/667m2，行距30 cm。生物炭與硅渣材料施用量分別為1 600、15 kg/667m2。1/2生物炭是指生物炭施用量800 kg/667m2，1/2硅表示硅渣材料施用量7.5 kg/667m2。W1、W2分別表示濕潤灌溉和關鍵需水期灌溉。

濕潤灌溉（W1）即旱直播后立即進行田間灌水等待出苗，整個生育期內，灌小水，保持土壤濕潤，全生育期灌水量為500 m3/667m2，10～15 d灌一次，每次50 m3/667m2，共計10次；關鍵需水期灌溉（W2）即旱直播后待秧苗長到一葉一心時灌水1次、水稻分蘗期2次、孕穗抽穗期2次及灌漿期1次，全生育期灌水共計6次，每次50 m3/ 667m2，總灌水量300 m3/667m2。試驗全生育期有效降水量240 mm（折合畝有效降水量160 m3），水稻常規(guī)需水量為630 m3/667m2[16]，全生育期實際灌水定額＝作物常規(guī)需水量×安全系數（該區(qū)取1.5[17]）—有效降水量，根據計算可知，常規(guī)水稻灌水定額為785 m3/667m2，即W1全生育期灌水量較常規(guī)灌溉節(jié)水36%，W2全生育期灌水量較常規(guī)灌溉節(jié)水61%。兩種灌水方式按照各自12個小區(qū)分開設計，中間采用1.5 m空白間隔帶。

全生育期純氮、P2O5、K2O施用量分別為20、6和5 kg/667m2。氮肥在整地、分蘗期、分蘗末期、拔節(jié)孕穗期分4次施用，按照40%、20%、20%、20%施入，即基追比4∶6，以尿素提供；磷、鉀作為基肥一次性施入，以磷酸二銨和硫酸鉀提供，由于磷酸二銨含有部分氮素，在計算基肥尿素施用量時需扣除磷酸二銨中的氮素。

1.4 測試方法

每小區(qū)去除兩側保護行各5行（寬1.5 m）及兩頭各1 m邊界，選取中心區(qū)10行（寬3 m）共12 m2（3 m×4 m）植株進行整株收獲，自然風干晾曬后將旱直播稻莖葉、根、穗分離，并分別稱重，計算干物質量。

糙米率和精米率是稻谷定等的評價指標。糙米率是指稻谷經壟谷機去掉谷殼加工成糙米的質量占總稻谷質量的百分率。精米率是指將糙米去掉米皮碾磨成精米的質量占總稻谷質量的百分率。堊白是衡量稻米外觀品質的主要性狀，堊白粒率是指有堊白的米粒占米樣總粒數的百分率[18-19]。稻谷經壟谷機（韓國雙龍公司，型號：SY88-TH）碾磨成糙米，再用碾米機（日本佐竹公司，型號：CBS300AS（1））碾磨成精米，按《GB/T 17891— 1999: 優(yōu)質稻谷》及《NY/T 83—2017：米質量測定方法》測定糙米率、精米率、堊白粒率。粒長、粒寬、表面積使用日本佐竹公司生產的顆粒評定儀（型號：RGQI20）測定。營養(yǎng)和食味品質主要由蛋白質含量、直鏈淀粉含量、脂肪酸含量和食味值反映[20]。食味是衡量稻米品質的一項重要指標，日本佐竹公司建立開發(fā)了大米食味評價系統(tǒng)與食味檢測儀器，能夠科學地反映食味品質[21-23]。蛋白質含量、直鏈淀粉含量、脂肪酸含量和食味值均使用日本佐竹公司生產的食味分析計（型號：RLTA10B）測定。

植物樣品經濃硫酸-H2O2消煮后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度計法測定各部位全氮、全磷、全鉀含量，并計算各部位吸氮量（吸氮量＝干物質量×含氮量）、吸磷量（吸磷量＝干物質量×含磷量）、吸鉀量（吸鉀量＝干物質量×含鉀量）。

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2010進行數據處理，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法和LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理旱直播稻干物質量狀況

由圖1可知，除T3外，旱直播稻各處理干物質量均為莖葉＞稻谷＞根，莖葉所占比例最大，為37.3%～47.7%，稻谷占28.8%～43.2%，根部占14.6%～23.6%。各處理總干物質量為T3＞T2＞T4＞ T1＞T7＞T6＞T8＞T5，即濕潤灌溉（W1）旱直播稻干物質量顯著優(yōu)于關鍵需水期灌溉（W2）。相同灌溉方式下，施加調理劑處理旱直播稻干物質量均優(yōu)于對照，施加硅調理劑處理以T3和T7最優(yōu)。T3總干物質量為1 632.4 kg/667m2，稻谷為680.9 kg/667m2，顯著優(yōu)于其他處理。其次為T2、T4，稻谷干物質量分別為529.9、495.1 kg/667m2。

圖1 不同處理旱直播稻各部位干物質量狀況

綜上，濕潤灌溉（W1）旱直播稻能夠獲得相對較高的產量，施加硅調理劑（T3）能夠明顯促進旱直播稻生長發(fā)育，尤其能夠促進稻谷干物質積累，對產量提升有顯著效果。

2.2 不同處理旱直播稻品質狀況

2.2.1 不同處理旱直播稻加工與外觀品質狀況

由表1可知，施加土壤調理劑對旱直播稻加工品質與外觀品質均有一定影響。加工品質方面：施加調理劑處理的糙米率和精米率都高于對照，以T8最優(yōu)，分別較對照（T5）高60.34%、15.28%，其次為T3處理，糙米率和精米率較對照（T1）高7.54%、13.47%。外觀品質方面：T6處理堊白粒率最小，為12.50%，T2處理次之，為16.50%，說明施加生物炭能夠顯著降低旱直播稻米堊白粒率，提升外觀品質。在粒形方面，T8總體表現最優(yōu)。

表1 不同處理旱直播稻加工與外觀品質狀況

總體來看，關鍵需水期灌溉稻米加工品質與外觀品質均優(yōu)于濕潤灌溉，生物炭與硅調理劑結合（T8、T3）能夠提升旱直播稻米加工品質，施加生物炭（T6）可提升稻米外觀品質。

2.2.2 不同處理旱直播稻營養(yǎng)與食味品質狀況

直鏈淀粉含量直接影響大米理化特性和食味，是評定蒸煮食味品質的一項重要指標。蛋白質含量超過9%則影響稻米食味值，醇溶蛋白與食味值呈顯著負相關[24]。由表2可知，T8處理蛋白質含量最小，為8.85%，其他處理由小到大依次為T4（9.00%）、T7（9.10%）、T3（9.35%），即生物炭與硅調理劑結合（T8、T4）處理下稻米蛋白質含量較低。直鏈淀粉含量和脂肪酸含量各處理從小到大依次為T4＜T8＜T7＜T3，而食味值則表現相反規(guī)律，即：T4＞T8＞T7＝T3，T4、T8處理表現最優(yōu)。說明生物炭和硅調理劑配合施用，對于降低稻米蛋白質、直鏈淀粉和脂肪酸含量以及提升食味值，有明顯效果。

表2 不同處理旱直播稻營養(yǎng)與食味品質狀況

2.3 不同處理旱直播稻養(yǎng)分吸收狀況

2.3.1 不同處理旱直播稻各部位氮素吸收狀況

如圖2所示，整體來看，W1旱直播稻總吸氮量顯著優(yōu)于W2，各處理總吸氮量為T2＞T3＞T4＞ T1＞T6＞T7＞T8＞T5，T2處理總氮素吸收量最大，達15.30 kg/667m2，T3次之，為14.75 kg/667m2。W1各處理不同部位吸氮量為：稻谷＞莖葉＞根。稻谷部位T3處理吸氮量達8.502 kg/667m2，顯著高于其他處理，較T1高64.39%；T2次之，為7.69 kg/667m2。莖葉部分，T2吸氮量最大，為5.74 kg/667m2，較T1高76.07%；T4次之，為5.24 kg/667m2，各處理間達顯著差異。W2稻谷和莖葉部位氮素吸收情況與W1呈相同規(guī)律，稻谷吸氮量：T7＞T8＞T6＞T5，莖葉吸氮量：T6＞T8＞ T7＞T5。

圖2 旱直播稻各處理不同部位氮素吸收狀況

綜上，W1旱直播稻氮素吸收狀況顯著優(yōu)于W2，施加硅調理劑（T3）有利于促進稻谷氮素吸收，提升產量，而施加生物炭處理（T2）能夠顯著促進莖葉部位氮素吸收轉化，提升氮素利用 效率。

2.3.2 不同處理旱直播稻各部位磷素吸收狀況

如圖3所示，W1旱直播稻磷素吸收狀況顯著高于W2，整體表現為：T2＞T3＞T4＞T1＞T7＞ T6＞T8＞T5。T2處理總吸磷量最大，為2.68 kg/667m2；T3次之，為2.56 kg/667m2。各處理不同部位吸磷量為：稻谷＞莖葉＞根。T3、T2稻谷吸磷量顯著優(yōu)于其他處理，分別為1.40、1.36 kg/667m2，兩處理間未達顯著差異。莖葉部位T2吸磷量最高，為0.86 kg/667m2，較對照（T1）高53.94%，顯著優(yōu)于其他處理。W2稻谷部位T7吸磷量最大，莖葉部位T6吸磷量最大，分別較對照（T5）高108.89%和84.69%。

圖3 旱直播稻各處理不同部位磷素吸收狀況

整體來看，施加硅調理劑（T3）處理能夠提升稻谷部位磷素吸收，而施加生物炭（T2）能夠顯著促進莖葉部位磷素吸收，提升磷素利用效率。

2.3.3 不同處理旱直播稻各部位鉀素吸收狀況

如圖4所示，W1旱直播稻總吸鉀量表現為T2＞T3＞T4＞T1，各處理吸鉀量均為莖葉部位占比最大。T2總吸鉀量最大，達13.84 kg/667m2；T3次之，為13.19 kg/667m2。T2莖葉吸鉀量達7.37 kg/667m2；T3次之，為7.23 kg/667m2，分別較對照（T1）高63.36%和60.15%，兩處理間未達顯著差異，較其他處理差異顯著。W2灌水方式下T6總吸鉀量最大，較對照（T5）高38.22%，莖葉部位較對照（T5）高30.88%。

圖4 旱直播稻各處理不同部位鉀素吸收狀況

綜上，莖葉是旱直播稻吸收鉀素的主要部位，濕潤灌溉更能促進鉀素吸收，施加生物炭（T2）能夠顯著提高旱直播稻的鉀素吸收，有利于旱直播稻莖葉同化物的吸收與運轉。

3 討論與結論

3.1 討論

在品質方面，本研究發(fā)現，生物炭和硅調理劑配施（T8）能夠提升稻米加工品質，糙米率和精米率分別達到98.61%和93.03%。施加生物炭處理（T6）外觀品質好，堊白粒率最小，為12.50%，且W2方式下最優(yōu)?？赡苡捎谒钟绊懙久鬃蚜９酀{特性，旱直播稻植株在干濕交替條件下穗少粒小且灌漿飽滿，使稻米堊白率和堊白度均偏 低[25]。吳偉等[26]研究表明，蛋白質含量高，對食味品質有負效應，直鏈淀粉含量高，蒸煮后米飯黏性小、松散質硬，食味也較差，這與本試驗結果一致。T4直鏈淀粉和脂肪酸含量明顯低于其他處理，蛋白質含量也較低，為9.00%，而食味值較高。史登林等[27]研究表明，在生物炭與氮肥減量配施條件下，稻米的精米率、堊白度、粒長等外觀品質及直鏈淀粉、蛋白質等營養(yǎng)品質均有不同程度的改善。楊國英等[28]研究表明，施硅能夠提高稻米精米率等加工品質，改善外觀品質，降低蛋白質含量。本研究表明，生物炭和硅調理劑配合施用，能夠明顯降低稻米蛋白質、直鏈淀粉和脂肪酸含量，提升稻米食味值。這是由于生物炭含有較高鉀素以及Ca、Mn和Zn等多種微量元素，能夠促進相關酶在植株體內合成，而硅能促進氮磷吸收，平衡氮磷鉀含量，二者結合對稻米品質有較好的改善效果[29]。

在養(yǎng)分吸收方面，T2處理氮素、磷素和鉀素總吸收量均最大，分別為15.30、2.68和13.84 kg/667m2，較其他處理達顯著差異。莖葉部位氮、磷、鉀吸收量同樣以T2處理最優(yōu)。HARDY等[30]研究發(fā)現，施加生物炭顯著提高了雙季稻的鉀素吸收，有利于水稻莖葉同化物向籽粒轉運，提高了作物產量。劉磊等[31]研究表明，施加生物炭有增加早稻氮素和磷素吸收的趨勢，顯著提高了早、晚稻鉀素吸收，這與本試驗結果一致。施加生物炭能夠有效促進旱直播稻養(yǎng)分吸收，尤其是莖葉部位養(yǎng)分的吸收運轉，且對莖葉鉀素的吸收有顯著促進作用。生物炭為多孔結構，能夠改善土壤結構，其CEC高保水保肥性強，能夠增強氮素固化[32-33]。另外，生物炭可以增加土壤對銨態(tài)氮的吸附與保持，減少氮素損失，促進水稻對氮素的吸收[8，34]。有研究表明[35-36]，土壤中施入生物炭有利于解磷細菌和解鉀細菌的生長，通過提高土壤磷、鉀素有效性來促進作物對兩種元素的吸收。從稻谷養(yǎng)分吸收來看，本試驗中T3、T6處理均為相同水分灌溉方式下最優(yōu)處理，T3處理稻谷吸氮量、吸磷量分別為8.50、1.40 kg/667m2，說明施加硅調理劑對于稻谷氮磷吸收有顯著促進效果。陳進紅等[37]研究表明，與空白對照相比，施硅處理籽粒氮、磷含量得到顯著提升，與本試驗結果一致。

不同灌溉方式對水稻產量、品質產生不同的影響[5，38-39]。YANG等[40]、鄭傳舉等[41]、劉立軍等[42]研究認為，適當水分脅迫能夠改善稻米品質；解文孝等[43]也研究表明，水分脅迫使稻米的蛋白質含量和脂肪含量增加，這與本試驗結果一致。本試驗中W2稻米的加工品質與外觀品質均優(yōu)于W1，蛋白質含量也最優(yōu)。呂銀斐等[44]研究表明，干濕交替灌溉比常規(guī)灌溉和濕潤灌溉稻米的干物質量分別提高了9.15%和13.45%。本試驗中，W2稻米的產量和養(yǎng)分吸收低于W1，這可能由于重度干濕交替使得旱直播稻根冠比較高，且根系活力大，干物質累積速率提升集中于根部，雖然提高了水分利用效率，但也造成了抽穗后期較大的“源”與籽?！皫臁睜帄Z光合產物，阻止了籽粒充實，造成產量不高；而W1水分相對充足，對于干物質積累有促進作用，有利于獲取較高的干物質量。另外，也可能由于在濕潤管理中沒有考慮水稻需水規(guī)律，完全按照設定進行管理，繼而出現產量上的負性效應。本試驗中濕潤管理在全生育期保持田面濕潤條件下，同時兼顧了旱直播稻不同生育時期的水分特性條件，因而效果較好。關于在不同生育時期水分對旱直播稻生長生理特性的作用以及內部運轉機理和長效機制，還有待進一步深入研究。

3.2 結論

從干物質量看，T3處理能夠獲得最高總干物質量，為1 632.4 kg/667m2，T2次之；莖葉部位T2最高，達621.9 kg/667m2；稻谷部位T3最高，達680.9 kg/667m2，T2次之，為529.94 kg/667m2。從養(yǎng)分吸收看，T2處理氮素、磷素、鉀素總吸收量均最大，分別為15.30、2.68和13.84 kg/667m2，T3次之；莖葉部位同樣T2處理效果最好，氮、磷、鉀吸收量分別為5.74、0.86和7.37 kg/667m2；稻谷吸氮量、吸磷量以T3處理最高，分別為8.50、1.40 kg/667m2。生物炭有利于獲得較高干物質量，且顯著促進莖葉部位養(yǎng)分吸收。硅調理劑顯著促進了稻谷部位的生長與養(yǎng)分吸收。

從品質來看，生物炭和硅調理劑配合施用能夠改善稻米品質，直鏈淀粉和脂肪酸含量明顯低于其他處理，蛋白質含量9.00%，食味值較高，T8次之。

從水分管理來看，W1旱直播稻在干物質量、產量及養(yǎng)分吸收方面均顯著優(yōu)于W2，T2處理（生物炭）、T3處理（硅調理劑）效果較好。品質方面，W2稻米加工品質與外觀品質均優(yōu)于W1，T8處理糙米率和精米率分別較對照高60.34%、15.28%，T6處理堊白粒率最小，為12.50%；營養(yǎng)和食味品質以W1較好，T4生物炭和硅調理劑配合施用對于降低蛋白質、直鏈淀粉和脂肪酸含量以及提升食味值有明顯效果。