以杂交粳稻(常优2号、常优5号、甬优8号)和常规粳稻(淮稻5号、南粳46、南粳5055)为试材, 比较研究了有机和常规栽培方式对两种类型粳稻的产量和品质的影响, 探索了有机栽培条件下杂交粳稻实现稳产优质的可能性。结果表明, 有机栽培杂交、常规粳稻平均产量分别为8.11 t hm-2和6.29 t hm-2, 前者比后者高28.93%。有机栽培杂交粳稻的群体总茎蘖数低于常规粳稻, 但成穗率较常规粳稻增加了6.5个百分点。两种类型水稻叶面积指数和光合势在各生育期均表现为有机栽培<常规栽培, 但有机栽培杂交粳稻叶面积指数和光合势降幅较小。有机栽培条件下, 杂交粳稻生育后期平均群体生长率是常规粳稻1.29倍, 干物质积累比例高出8.81个百分点。有机栽培略微降低了杂交粳稻的加工品质, 但显著改善了外观品质, 提高胶稠度、降低直链淀粉含量, 对蛋白质含量影响较小, 总体上改善了蒸煮食味品质。有机栽培下杂交粳稻产量优势明显且有较好的品质性状, 在有机稻米产业发展中具有独特的应用价值。
Two types of japonica rice, including three varieties of hybrid japonica rice (Changyou 2, Changyou 5, Yongyou 8) and three varieties of conventional japonica rice (Huaidao 5, Nanjing 46, Nanjing 5055), were grown under organic farming and conventional farming. The possibility achieving stable production and high quality under organic farming was explored. The results showed that average yield of hybrid japonica rice and conventional japonica rice was 8.11 and 6.29 t ha-1 respectively, under organic farming. While, total stem and tiller number in the population of conventional rice varieties was more than that of hybrid rice under both farming treatments, the decline of tillers of hybrid japonica rice was more stable and as a result, the percentage of earbearing tillers of hybrid japonica rice under organic farming increased by 6.50% compared with conventional rice. In each growth period, rice leaf area index and photosynthesis potential showed the trend of conventional farming > organic farming, and also, compared with the conventional cultivation, smaller drops in those indexes were found under organic farming for hybrid japonica rice than for conventional japonica rice. Furthermore, the average population growth rate of hybrid japonica rice was 1.29% higher and the accumulation of dry matter ratio was 8.81% higher than those of conventional japonica rice. Compared with conventional cultivation, organic farming slightly declined the processing quality of all rice varieties, but improved the appearance quality and eating quality through reducing the chalk white degree, increasing gel consistency and lowering amylose content. Whereas, the impact of farming methods was not significant on protein content. In sum, with significantly increasing yield and excellent quality traits, hybrid japonica rice displays obvious advantages under organic farming, therefore has a unique application value in the development of organic rice industry.
随着人们健康和环保意识的增强, 有机食品集天然性、品质好、安全卫生为一体成为消费新时尚[1, 2, 3], 有机农业受到越来越多的关注, 成为一个新兴的农业产业体系。近十年来我国有机稻米发展较快、规模较大, 在有机食品生产中占有重要地位[4, 5]。选择有机栽培条件下产量稳定、品质优良、抗病虫的水稻品种是有机水稻生产的关键技术之一[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]。同时, 由于有机稻米价格较高, 消费者要求有机稻米有较好的食味品质[6, 7]。一般认为, 杂交粳稻品质不及常规粳稻, 因此生产上主要选择产量与品质较好的常规粳稻品种用于有机栽培, 国内关于水稻有机栽培品种的研究也集中在常规粳稻品种类型[6, 7, 13]。张三元等[13]对不同类型水稻品种有机栽培产量构成及稻米品质变化的研究结果表明, 吉林省稻区生育期140 d以下的品种有机栽培产量潜力较大, 而生育期140 d以上的品种有机栽培结实率偏低、籽粒饱满度差, 较常规栽培减产约5%~10%。许燕芳等[14]比较了5个不同水稻品种在有机栽培与普通栽培的产量差异, 发现米质较优的武育粳3号有机栽培后期虫害严重, 减产达32.8%。现代育种多在施用高量化学肥料的条件下选择, 常规粳稻品种在有机栽培条件下对氮的利用率较低, 生物学产量和籽粒产量均大幅下降[14]。有机水稻生产只通过种植豆科绿肥、施用农家肥和经过有机认证的商品有机肥, 在养分供应上表现出供肥水平低而变化平稳的特点[15], 因此只有适应这种肥力供应特性的水稻品种才能在有机生产条件下获得较好的产量。杂交水稻根系发达, 吸肥能力强, 在中低肥力下生长优势明显[16], 可能更适合有机栽培养分供应特点。近年来, 优质杂交粳稻甬优8号因其良好的株型结构、群体库容大、抗倒力强成为超级稻品种的典范[16, 17], 常优系列粳型杂交稻也因其优质高产而被大面积推广[18, 19]。本文对有机与常规栽培下产量形成特征和品质进行研究, 探索杂交粳稻在有机栽培下稳产优质的可能性, 旨在拓展有机水稻品种的选择空间。
试验于2012— 2013年5月至10月在江苏省高邮市马棚湾生态农业科技有限公司进行。该公司从2009年开始按照国家有机产品标准(GB/T19630.1)全程控制生产有机稻米, 2013年通过有机产品认证。试验地为黏壤土, 地力中等, 土壤含有机质22.4 g kg-1、全氮1.03 g kg-1、碱解氮80.8 mg kg-1、速效磷23.3 mg kg-1、速效钾105.3 mg kg-1。3个杂交粳稻(HJ)品种为甬优8号、常优2号、常优5号, 生育期平均分别为163 d、162 d、160 d; 3个常规粳稻(CJ)品种为淮稻5号、南粳46、南粳5055, 生育期平均分别为150 d、165 d、160 d。
采用裂区设计, 以栽培方式为主区, 品种为裂区。主区设2个处理, 即有机栽培(OF)和常规栽培(CF)。各处理随机区组排列, 小区面积15 m2, 重复2次。5月2日播种, 5月20日人工模拟机插。移栽行株距30.0 cm× 12.5 cm, 杂交粳稻双本栽插, 常规粳稻三本栽插。
有机栽培全程采用该公司近几年执行的有机稻米生产栽培管理方式。采用绿肥(紫云英)-水稻的种植方式, 紫云英鲜草产量约为12 000 kg hm-2, 在水稻栽插前15 d左右作为基肥一次性耕翻施入。水稻栽插前施入菜籽饼1200 kg hm-2、三安生物有机肥1155 kg hm-2, 7月中旬追施三安生物有机肥495 kg hm-2作为穗肥。菜籽饼、三安生物有机肥[1]和紫云英鲜草含氮量分别为4.60%、4.00%和0.33%。
常规栽培采用当地常规高产栽培管理方式, 施270 kg hm-2氮肥, 基肥∶ 分蘖肥∶ 穗肥=4∶ 3∶ 3, 分蘖肥于栽后第7天、第21天分别施10%、20%, 穗肥分别于倒四、倒二叶各施入15%; P2O5、K2O施用量均为150 kg hm-2, 全部作基肥。
1.3.1 茎蘖动态 每个小区选长势比较一致的植株15穴, 拔节前每5 d调查1次, 拔节后每7 d调查1次。
1.3.2 干物质积累与叶面积 分别于水稻移栽期、有效分蘖临界叶龄期(N-n)、拔节期、抽穗期和成熟期, 按每小区茎蘖数的平均数选取代表性水稻植株4穴, 测定植株绿叶面积, 并于105℃下杀青30 min, 80℃下烘干至恒重, 测定植株干物质重。
1.3.3 产量结构调查与测产 成熟期从各处理取具有平均茎蘖数的植株5穴, 测定每穴穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、千粒重。同时从每小区收割30穴测产。
1.3.4 稻米品质 水稻收获3个月后, 按照GB/ T17891-1999的标准测定糙米率、精米率、整精米率、胶稠度。采用近红外谷物分析仪测定稻米直链淀粉及蛋白质含量。
群体生长率(g m-2 d-1)=(W2-Wl)/(t2-t1), 式中, W1和W2为前后2次测定的干物质重, t1和t2为前后2次测定的日期;
光合势(m2 d hm-2)=1/2 (L1+L2) (t2-t1), 式中, L1和L2为前后2次测定的叶面积, t1和t2为前后2次测定的时间。
2012年与2013年两年试验结果趋势一致, 本文主要取2013年的数据。采用SAS 9.1、DPS 7.05和SigmaPlot 10.0软件分析数据和绘制图表。
相同栽培方式下单位面积穗数为杂交粳稻< 常规粳稻(表1), 两种类型水稻均表现出OF< CF趋势。虽然有机栽培不同程度降低了两种类型水稻的单位面积穗数, 但却提高了杂交粳稻每穗粒数, 平均OF/CF为104.42%, 降低了常规粳稻每穗粒数, 平均OF/CF比值为97.61%。两种类型粳稻的结实率均为有机栽培< 常规栽培, 不同的是杂交粳稻在有机栽培下的结实率下降幅度相对较小(OF/CF均值为98.66%), 而常规粳稻在有机栽培下的结实率下降幅度较大, 仅为常规栽培的86.35%。千粒重在有机栽培下呈略增趋势。
各品种的产量均表现为常规栽培> 有机栽培趋势, 相同栽培方式平均产量为杂交粳稻> 常规粳稻。杂交粳稻常规栽培下平均产量比常规粳稻高5.06%, 而有机栽培杂交、常规粳稻平均产量分别为8.11 t hm-2和6.29 t hm-2, 前者比后者高出28.93%。其主要原因在于有机栽培杂交粳稻每穗粒数、结实率较常规粳稻分别高出35.36%、5.66%, 穗型大与结实率高是其产量优势形成的主要机制。
由表2可见, 杂交粳稻有机栽培平均茎蘖数在有效分蘖临界叶龄期(N-n)、拔节期、抽穗期和成熟期分别是常规栽培的83.24%、85.59%、94.60%和82.32%, 常规粳稻也呈现出相似的趋势。由此可见,
在相同生育期, 各类型水稻群体茎蘖数表现为常规栽培> 有机栽培, 差异极显著。从茎蘖消长动态看, 各种类型粳稻均在有效分蘖临界叶龄期(N-n)达预期穗数, 数量相当; 至拔节期达高峰苗, 且在常规栽培下各类型粳稻群体约为预期穗数的1.40倍左右, 而在有机栽培下杂交粳稻群体约为预期穗数的1.50倍左右, 常规粳稻群体约为1.65倍; 表明虽然常规栽培下两种类型粳稻群体茎蘖消长相当, 但在有机栽培下, 杂交粳稻比常规粳稻有较稳定的群体茎蘖消长动态。从茎蘖成穗率来看, 两种类型的品种均呈常规栽培> 有机栽培, 在有机栽培下杂交、常规粳稻平均茎蘖成穗率分别为66.90%、60.40%, 而常规栽培下分别为70.7%、70.2%。有机栽培下杂交粳稻成穗率比常规粳稻增加了6.5个百分点; 而在常规栽培下成穗率则总体相当。
由图1看出, 在移栽和有效分蘖临界叶龄(N-n)期, 叶面积指数表现为常规栽培> 有机栽培, 但两者无显著差异; 在拔节、抽穗和成熟期, 杂交粳稻有机栽培条件下叶面积指数分别为常规栽培的92.32%、96.27%和74.93%, 而常规粳稻分别为89.36%、84.99%和83.64%。因此无论是杂交粳稻还是常规粳稻, 各生育期叶面积指数均为常规栽培> 有机栽培趋势。相同栽培处理拔节期和抽穗期杂交粳稻平均叶面积指数均显著高于常规粳稻, 仅成熟期比常规粳稻略低。在拔节至抽穗、抽穗至成熟期, 有机栽培杂交粳稻平均光合势比常规栽培分别降低了5.33%和9.73%, 而常规粳稻则分别降低了13.33%和15.41%, 表明与常规栽培相比, 有机栽培水稻生长中后期光合势降幅杂交粳稻远小于常规粳稻。
在有机、常规栽培下, 移栽至(N-n)、(N-n)至拔节期干物质积累比例的平均值杂交粳稻略高于常规粳稻, 表明杂交粳稻在生育前期已奠定了较好的物质生产基础(图2)。在拔节至抽穗期, 有机与常规栽培常规粳稻干物质积累比例分别比杂交粳稻高出10.55和2.58个百分点。从抽穗至成熟期, 两种栽培方式干物质积累比例均为杂交粳稻> 常规粳稻, 尤其以有机栽培差异最为显著, 杂交粳稻比常规粳稻高8.81个百分点。
在移栽至(N-n)、(N-n)至拔节、抽穗至成熟阶段, 水稻平均群体增长速率在两种栽培条件下均表现为杂交粳稻> 常规粳稻; 而在拔节至抽穗期间则表现为杂交粳稻< 常规粳稻。有机栽培条件下水稻生育后期(抽穗至成熟期), 杂交粳稻的平均群体增长速度是常规粳稻的1.29倍, 差异极显著。从相对值来看, 在抽穗至成熟期间, 杂交粳稻有机栽培条件下平均群体增长速率为常规栽培条件下的67.98%; 而常规粳稻仅为59.29%, 说明有机栽培较常规栽培更大幅度地降低了常规粳稻生育后期的群体增长速率。在有机栽培下, 抽穗至成熟期间群体增长速率最高的是甬优8号, 最低的是淮稻5号, 而这2个品种水稻分别获得了本实验有机生产条件下的最高产和最低产。因此, 后期能保持较高的群体增长速率是有机生产条件下获得高产的重要基础。
2.5.1 对加工品质的影响 在相同栽培方式下, 两种类型水稻糙米率差异较小(表3), 有机栽培较常规栽培呈略微降低趋势, 但差异不显著。有机栽培下, 杂交粳稻常优2号、常优5号和甬优8号精米率分别为73.67%、73.23%、73.08%; 常规粳稻淮稻5号、南粳46和南粳5055分别为73.63%、72.61%、72.54%, 有机与常规栽培相比, 杂交粳稻精米率变幅为96.58%~97.99%, 常规粳稻变幅为98.38%~ 99.38%, 有机栽培下杂交粳稻的精米率与常规粳稻相当, 且栽培方式对精米率的影响较小。两种类型水稻的整精米率在不同栽培方式下的变化趋势与精米率相似。总之, 与常规栽培相比较, 有机栽培下各类型水稻的糙米率、精米率和整精米率等加工品质均略有降低, 但差异较小。
2.5.2 对外观品质的影响 由表3可见, 与常规栽培相比, 有机栽培杂交粳稻稻米的垩白率、垩白度的相对值分别为84.11%~93.79%、82.37%~87.46%; 常规粳稻稻米分别为89.12%~92.47%、82.79%~ 91.30%, 即有机栽培使稻米的垩白率和垩白度下降, 改善了稻米的外观品质。两种栽培模式下外观品质总体以常优5号、南粳46最佳, 而常优2号、淮稻5号相对较差; 说明稻米外观品质主要受水稻本身种质遗传因素控制[3, 6], 在不同类型品种之间有较大的变幅。
2.5.3 对稻米蒸煮食味品质和蛋白质含量的影响
与常规栽培相比, 有机栽培下杂交粳稻胶稠度增加幅度为7.65%~10.33%, 常规粳稻为4.16%~ 12.31%; 相反, 有机栽培下杂交粳稻的直链淀粉含量分别是常规栽培下的90.32%~94.25%、常规粳稻分别为91.75%~97.31% (表4)。由此可见, 有机栽培下两种类型粳稻的胶稠度均极显著增加, 而直链淀粉含量显著下降。在相同栽培模式下, 与常规粳稻相比, 杂交粳稻胶稠度相对较低, 而直链淀粉含量相对较高; 但有机栽培下杂交粳稻的蒸煮食味品质有较大幅度改善。在常规和有机栽培两种方式下, 两种类型粳稻的蛋白质含量相当, 差异不显著。
有机栽培对水稻生长发育的影响因地域气候、土壤性状、有机肥种类和数量、水稻品种等差异而结论不一[20, 21, 22, 23]。凌启鸿等[1]发现生物有机肥可提高南粳44成穗率, 显著提高不同生育期的水稻植株氮素积累量, 增加单位面积穗数、千粒重, 进而提高产量。黄涛[24]选用杂交籼稻“ 中浙优1号” 、“ 中浙优8号” 的研究表明有机栽培前期生长迟缓, 干物质积累量低, 中期生长快, 干物质积累量高, 后期由于病虫害影响, 干物质积累降低, 推测这可能是导致有机栽培产量下降的主要原因。而张玉烛等[25]的研究结论与之存在一定分歧, 认为在施用足量的有机肥栽培条件下, 超级杂交水稻两优293生育后期有机肥区群体不早衰、叶面积指数高、剑叶叶绿素含量高及千粒重增加。本研究结果表明, 与常规粳稻相比, 有机栽培条件下杂交粳稻抽穗至成熟期具有较高叶面积指数、较强光合势、高干物质积累比例和高生长速率, 杂交粳稻表现出明显的生长优势, 有机栽培平均产量达8.11 t hm-2, 而常规粳稻仅为6.29 t hm-2, 前者比后者提高28.93%, 有机栽培优质杂交粳稻可实现较高产量。
稻米品质既受水稻自身基因型的控制, 又受气候条件和栽培管理措施等环境因素的影响, 是一种多基因系统与环境因素交互作用的结果[26]。在稻米品质中, 垩白、胶稠度、直链淀粉含量和蛋白质等易受环境条件的影响, 其中垩白是所有稻米品质指标中对环境生态条件变化反应最敏感的性状[27]。本试验有机栽培条件下两种类型粳稻的千粒重增加、稻米垩白粒率和垩白度降低, 印证了许凤英等[28]关于千粒重增加可降低垩白发生的结论。本研究还表明, 与常规栽培相比, 有机栽培提高稻米的胶稠度、降低直链淀粉含量, 从而改善蒸煮食味品质, 与张三元等[13]通过多年有机栽培环境下不同类型水稻品种试验、全国明等[29]采用稻鸭共作有机栽培模式的研究结果一致。因此, 有机栽培总体上是一种有利于稻米品质改善的栽培方式。除了栽培方式外, 基因型也是决定稻米部分品质性状的重要因素。目前, 水稻品种选用时往往存在高产与优质不可兼得的矛盾, 杂交粳稻具备较常规粳稻增产10%~20%的产量潜力[30], 但杂交粳稻米质整体水平不及常规粳稻, 表现为平均胶稠度相对较低, 而直链淀粉含量相对较高[31]。近年来杂交粳稻育种有了突破性进展, 一些优质杂交粳稻在常规栽培生产中兼具高产与优质, 产生了巨大的社会效益和经济效益[16, 17, 18, 19, 32]。本研究表明采用优质杂交粳稻品种的有机栽培, 既达到较高的产量, 又具有较好的品质, 为优质杂交粳稻在有机稻米产业中的推广应用提供了依据。
有机栽培条件下, 与常规粳稻相比, 杂交粳稻产量显著增加, 大穗与高结实率是其增产的主因。在抽穗至成熟期具有较高叶面积指数、强光合势、高干物质积累比例和高生长速率, 是有机栽培下杂交粳稻产量优势的基础。有机栽培改善了两种类型水稻稻米的外观品质和蒸煮食味品质, 对蛋白质含量影响不大。鉴于优质杂交粳稻有机栽培产量优势明显且有较好的品质性状, 在有机稻米产业发展中具有较好的应用前景。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。
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