殷春渊，王书玉，刘贺梅，孙建权，胡秀明，王和乐，田芳慧，马朝阳，张金霞， 刘经纬，张瑞平，王 蕊，张 栩，李习军，王玲燕
(新乡市农业科学院，河南 新乡 453002)
【研究意义】随着农业供给侧结构性改革，我国水稻的有效供给出现了由“数量型”向“质量型”“食味型”转变的趋势，人们对稻米的食味品质提出了更高的要求。口感好、营养价值高的稻米更受消费者青睐。改善和提高稻米食味品质已成为优化我国农业结构调整的重要举措，对促进水稻产业高质量发展具有重要意义[1]。【前人研究进展】水稻品质是一个复杂的综合性状，不论是加工、外观品质，还是蒸煮、食味、营养品质，都受基因型和环境作用的影响[2-4]。氮是影响水稻产量和品质重要因子。研究表明，适当减少氮肥施用量可以提高产量和改善稻米综合品质[5-6]，同时，还能使常规优质粳稻品种保持优异品质性状的稳定性，优化杂交稻品质[7-8]。氮肥用量在调节水稻品质方面发挥了重要作用，类似的相关研究较多，而关于氮肥吸收利用情况与稻米品质关系的研究则相对较少。水稻氮素吸收利用存在基因型差异，氮高效品种一般表现为在抽穗至成熟阶段植株氮素累积量、植株氮素干物质生产效率、氮素籽粒生产效率及氮素收获指数等均显著高于氮低效品种[9-10]。不同水稻基因型对氮肥的响应不同，一些对氮肥反应敏感的水稻基因型，在低氮水平下表现为较高的产量和氮肥利用效率；
一些对氮肥反应迟钝的水稻基因型，只有在高氮水平下才表现为较高的产量和氮肥利用效率；
一些品种无论在何种施氮水平下均表现为高氮肥利用效率，则被称为氮高效品种，还有一些品种则存在高肥低产低效现象[11-12]。分析以上研究，则可以看出，关于水稻品种对氮肥响应的研究大多指产量与肥效的关系，而关于水稻品质与氮效率关系的研究则鲜见报道。【本研究切入点】近年来，随着人们生活水平的提高及水稻品种井喷式增长，人们对优质大米品种需求量也日益提高，减肥增效课题项目在各地的全面实施，一定程度上优化了稻米品质，筛选优质氮高效食味米品种对指导水稻产业提质增效健康发展具有重要意义。当前，高产氮高效水稻品种选育研究较为成熟，在满足水稻产量提高的前提下，氮高效品种是否同样具有较高的稻米食味品质或优良食味粳稻品种选育的氮效率评价关键指标是什么尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究以生产上大面积应用的水稻新品种和本课题组近年来选育的优良水稻新品系为试验材料，通过设置不同的氮素梯度进行筛选，分析不同基因型水稻品种(品系)氮素吸收利用特性、品质特性，及品质相关指标与氮素吸收利用的关系，以此筛选出食味品质好、氮效率高的品种(品系)，明确优良食味米氮效率评价指标，以期为优良食味粳稻新品种高产氮高效栽培提供技术指导。
1.1 供试材料
以已审定的8个优质粳稻新品种和24个外观品质相对优良新品系为试验材料，品种(品系)名称详见表1。
表1 供试粳稻品种
1.2 试验设计
试验于2020年在河南省新乡市农业科学院试验研发基地进行，土质为中壤土，地力中等、平衡。土壤pH 8.14，土壤含有机质6.52%、水解氮56.73 mg/kg、速效磷53.2 mg/kg、速效钾169.74 mg/kg。
试验设4个氮肥水平，即0、180、225、270 kg/hm2(分别用N0、N1、N2、N3表示)，采用裂区试验设计,以施氮水平为主区,品种为副区，重复2次，小区间用包膜的泥田埂隔离防串水串肥。试验于5月6日育秧，6月12日插秧，栽插密度22.2万穴/hm2(行株距为30 cm×15 cm)，每穴2～3本栽插。肥料运筹为m(氮素基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=2.5∶2.5∶5.0，基肥于整地时施入，分蘖肥于移栽后7 d施入，穗肥于倒4、倒2叶露尖时等量施入，磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)各120 kg/hm2作基肥一次性施入。水分管理及病虫害防治等相关栽培措施均按照高产栽培要求进行。
1.3 测定内容和方法
1.3.1 植株全氮的测定 于成熟期各处理取有代表性植株2穴，于105 ℃烘箱杀青30 min，80 ℃烘干72 h后称重，并折算成每公顷干重。之后2穴整株混合粉碎用 H2SO4和H2O2消化，用凯氏定氮法测定植株全氮。
氮素吸收总量(kg/hm2)=收获期地上部干物质重(kg)×含氮率(%)
氮肥利用率(%)=(施氮区植株总吸氮量-空白区植株总吸氮量)/总施氮量×100
氮素籽粒生产效率(kg/kg) =水稻籽粒产量/植株氮素积累总量
氮素收获指数=籽粒氮素吸收量/植株吸氮量
1.3.2 稻米加工品质的测定 水稻收获后放置一段时间，待稻米品质稳定后，用JDMZ100砻谷机测定稻米的精米率和整精米率。
1.3.3 稻米外观品质的测定 用杭州万深检测科技有限公司生产的SC-E稻米外观品质检测仪测定稻米的外观品质。主要包括稻米垩白粒率和垩白度的测定。
1.3.4 稻米食味品质的测定 用北京东孚久恒仪器技术有限公司生产的JSWL 200米粒食味计测定稻米的食味品质。主要测定指标为稻米直链淀粉含量、蛋白质含量和食味值，一个样品取3次测定的平均值。
1.4 数据分析
数据处理与分析采用唐启义的DPS数据处理系统(第3版)进行统计分析，Microsoft Excel 2007电脑软件进行数据计算和图表绘制。
2.1 水稻不同基因型食味品质性状在不同氮肥处理下的差异
从表2可以看出，随着施氮量的增加各水稻基因型平均食味值呈下降趋势，蛋白质含量、水分含量基本呈增加趋势，直链淀粉含量除不施氮处理较低外其他施氮处理间差异较小。不施氮处理下的食味值最高平均为83.9，蛋白质和直链淀粉含量较低平均为7.8%和16.5%。从各基因型在不同氮肥处理下的变幅和变异系数可知，各基因型在不同氮肥处理下的变异不同，其中蛋白质和直链淀粉含量基因型间的变异系数较大，不同氮肥水平平均分别为7.28%和4.6%；
食味值和水分含量基因型间变异系数相对较小，不同氮肥处理平均分别为2.59%和2.66%。进一步把食味值与施氮量进行线性分析表明，两者呈极显著的二次抛物线关系(相关系数r=0.998**)，由此可知，最高食味值下的施氮水平为2.74 kg/667 m2，增加氮肥施用量，稻米食味值下降。
表2 不同氮肥水平下稻米食味品质的差异
2.2 不同水稻基因型加工及外观品质在不同氮肥处理下的差异
从表3可以看出，稻米的精米率和整精米率表现为随着施氮量的增加而增加，不同氮肥处理下基因型间变幅不同，精米率最大值为76.7%，最小值为62.1%，整精米率最大值达73.9%，最小值为41.8%，从变异系数可以看出，整精米率不同处理下的变异系数明显高于精米率，且在不施氮肥处理下变异系数最大，施氮处理相对较小。稻米的外观品质垩白粒率和垩白度基本表现为随着施氮量的增加而降低，从平均值来看，垩白粒率小于15%，垩白度小于5%，说明供试水稻基因型普遍表现为外观品质较好；
从同一氮肥水平下不同基因型间变异系数来看，处理间的变异系数均较大，基本表现为随着施氮量的增加呈先增加后降低趋势，其中最大变异系数表现为N2处理，说明以氮素为调控手段在一定氮肥水平下可以筛选出相对优质的水稻基因型。
表3 稻米加工和外观品质在不同氮素处理下的差异
2.3 不同水稻基因型在不同氮肥处理下氮素吸收利用的差异
从表4可以看出，基因型间平均氮肥利用率表现为随着施氮量的增加而增加，N3处理达最大，平均为44.34%，从不同基因型间的变幅可以看出，最高氮肥利用率表现在N2水平下的水稻基因型达58.72%，属于氮高效水稻基因型。氮素籽粒生产效率表现为随着施氮量的增加呈先增加后降低趋势，最大氮素籽粒生产效率达69.64 kg/kg，最小达22.21 kg/kg，基因型间存在较大变异；
氮素收获指数亦表现为随着施氮量的增加呈先增加后降低趋势，在N1水平下，平均氮素收获指数最大为0.52，从不同基因型间的变幅可知，最高氮素收获指数达0.63，最低为0.17，基因型间差异较大。从氮素吸收利用各指标的变异系数可以看出，氮肥利用率基因型间变异最大，氮素收获指数次之，氮素籽粒生产效率基因型间变异相对较小。
表4 不同水稻基因型氮素吸收利用情况
2.4 优良食味氮高效水稻基因型筛选
以氮肥利用率、氮素籽粒生产效率和食味值为指标，采用卡方距离和离差平方和法对32个水稻基因型在不同施氮水平下进行聚类分析。从聚类分析结果(图1)可以看出，32个水稻基因型在每种氮肥水平下总体可分为3大类型即高氮素籽粒生产效率高食味值、高氮肥利用率低食味值和低氮素籽粒生产效率低食味值类型。在以上3种类型中根据不同生产实际需求、市场应用前景又筛选出有实用价值的高氮素籽粒生产效率高食味值、高氮肥利用率低食味值(相对低)2种类型，最终筛选出了高氮素籽粒生产效率高食味值类型水稻基因型有8个，高氮肥利用率低食味类型水稻基因型有5个。由此可见，在土壤基础地力贫瘠，产量水平相对较低，以追求高产为目标的水稻生产中，应选用高氮肥利用率水稻品种；
在高基础地力水平，平均产量相对较高的水稻田，以追求食味品质为目标的生产中，应选用高氮素籽粒生产效率高食味值类型水稻品种。低氮素籽粒生产效率低食味值类型的水稻基因型应给予淘汰处理。
图1 基于氮肥利用率和食味性状的32个水稻基因型在N1～N3处理下的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 32 rice genotypes according to N use efficiency and taste quality characters under treatments from N1 to N3 level
2.5 优良食味氮高效水稻基因型氮素吸收利用和食味品质特性
以高氮素籽粒生产效率高食味值类型水稻基因型为例，选择有代表性的近几年培育的优良水稻新品种和品系进行研究，重点分析了不同水稻基因型在不同氮素水平下氮素吸收利用和稻米品质特性。从表5可以看出，随着施氮量的增加，氮肥利用率除个别品种外基本表现为增加趋势，最高氮肥利用效率在施氮量为270 kg/hm2处理下达48.91%。新香粳1号、和郑香粳1925分别在施氮量为180、225 kg/hm2处理下氮肥利用率达最高，分别为47.19%、45.09%。氮素籽粒生产效率除个别基因型外基本表现为随施氮量的增加而降低，不施氮处理氮素籽粒生产效率较高，最高达60.44 kg/kg，高氮肥处理最低，最低为28.26 kg/kg。氮素收获指数亦表现为低氮肥处理下相对较高，高氮肥处理下相对较低，最高氮素收获指数是新稻89在N1处理下的表现水平为0.58，最低氮素收获指数是水稻新品系G368在N3高氮肥水平下的表现水平为0.39，差异达0.19。食味值均表现为不施氮处理下最高，低氮肥处理次之，高氮肥处理下基本表现较低水平。对于不同水稻基因型，在不施氮处理下食味值较高达85以上的水稻品种有新香粳1号、郑香粳1925、新稻89。方差分析表明，氮素利用效率各指标和食味值在不同氮肥处理和基因型间均存在极显著差异，对于食味值较高的水稻基因型基本表现为较高的氮素籽粒生产效率和氮素收获指数。
表5 优良食味水稻基因型氮效率和食味值
2.6 氮素利用效率与食味品质性状间的关系
为明确氮素吸收和稻米品质尤其是食味品质的关系，把氮素利用效率与稻米品质各指标进行相关分析。从表6可以看出，氮素籽粒生产效率与食味值呈极显著正相关，与蛋白质含量呈极显著负相关；
氮肥利用效率与食味值呈极显著负相关，与垩白粒率、垩白度呈负相关，与精米率、整精米率呈正相关。各品质性状间相关分析表明，食味值与精米率和整精米率呈正相关，与垩白粒率和垩白度呈负相关，与蛋白质和直链淀粉含量均达极显著负相关；
直链淀粉含量与垩白粒率和垩白度呈极显著负相关，其他各品质性状之间关系不显著。说明，氮肥利用效率和氮素籽粒生产效率在改善稻米食味品质方面，效应不一致，提高氮素籽粒生产效率，稻米食味值增加，蛋白质含量降低，有利于提高稻米的食味品质；
提高氮肥利用效率，稻米精米率和整精米率增加，垩白粒率和垩白度降低，食味值降低，有利于提高稻米的加工和外观品质，但不利于稻米食味品质的改良。综上可知，氮素籽粒生产效率可作为优质氮高效食味米筛选重要的评价指标，氮肥利用效率的提高并不能提高稻米食味品质，但有利于稻米加工和外观品质的改善。
表6 氮素利用效率与稻米品质各指标相关系数
3.1 水稻高产氮高效和优质氮高效评价指标
水稻氮素利用效率是一个复杂的综合性状，受多种因素制约[13-15]，其所涉及的评价指标也较多，最常用的氮效率评价指标主要有氮素吸收利用效率、氮素生理利用效率和氮素农学利用效率等；
还有一些指标包括瞬间氮素利用率、氮素籽粒生产效率、氮素干物质生产效率、氮素生物量生理利用率等。以上这些氮效率指标都在不同层面上反映了氮肥吸收利用的不同方面[12，16]。张亚丽等[12]通过产量差异评价水稻氮高效特性，分析了氮素生理利用效率和氮浓度的关系，提出了氮高效评价指标；
米国华等[17]认为，关于植株氮效率研究都是以产量为最终目标，离开作物产量而研究氮的利用效率没有任何现实生产意义；
Cho等[18]研究表明，水稻产量与氮肥利用效率存在显著正相关关系；
Singh等[19]研究表明氮高效基因型应该是在任何施氮条件下均保持较高产量，这与米国华等研究相一致。综合以上研究表明，以产量指标作为评价水稻品种氮效率类型从而筛选出高产氮高效品种是可行的，那么，以品质指标筛选出的氮高效品种是否具有同样的氮效率吸收类型或氮高效品种是否具有较好的品质特性尚未报道。本研究主要以稻米品质，尤其是稻米食味品质为研究对象，分析了水稻不同基因型品种氮素吸收利用特性及与品质特性的关系，旨在为氮高效栽培及食味米筛选提供理论依据。结果表明，食味值高的水稻基因型大都表现为高的氮素粒生产效率，二者呈极显著正相关，与氮肥利用效率呈极显著负相关；
蛋白质与氮素籽粒生产效率呈极显著负相关。提高氮肥利用效率，精米率和整精米率增加，垩白粒率和垩白度降低。这说明，优质氮高效食味米的氮高效评价指标是氮素籽粒生产效率而非氮肥利用率。氮素籽粒生产效率可作为优质氮高效食味米育种重要的评价指标，提高氮素籽粒生产效率可以提高稻米的食味品质，提高氮肥利用效率并不一定提高稻米食味品质，但有利于稻米加工和外观品质的改良，这与赵晗舒[20]研究结果基本一致。
3.2 施氮量对水稻食味品质的影响
影响稻米品质的因素很多，其中关于氮素对稻米品质的影响研究也较多[21-26]，但结果不尽一致。有研究表明随着施氮量增加，稻米整精米率、垩白度、蛋白质含量增加，食味品质降低，而直链淀粉含量影响较小[5]；
剧成欣等[27]研究表明，增加氮肥施用量，水稻的直链淀粉和蛋白质含量增加，胶稠度变长，垩白粒率、垩白度降低。这说明，关于氮肥施用量对稻米加工、外观和营养品质的影响，不同研究者结果不一。然而，关于不同施氮量对稻米食味品质的影响研究则相对较少。赵可等[28]关于施氮量对稻米食味品质的影响认为，随着施氮量的增加，米饭硬度、粘性、回复性都呈现先上升后下降趋势，综合食味值均呈逐渐下降趋势，说明随着施氮量增加，稻米食味品质较差。本研究结果表明，随着施氮量的增加，不同水稻基因型基本表现为稻米精米率、整精米率增加，外观品质垩白粒率、垩白度降低，蛋白质和直链淀粉含量增加，食味值降低，口感变差，不施氮处理均表现较高的食味值。这与前人[5，27-28]研究结果各有异同。这说明，水稻品质的氮素调控是个复杂的生理反应系统工程，针对河南沿黄优质食味米栽培，应注意氮肥的施用水平，不同品种氮肥适宜施用量不同。本研究通过食味值和施氮量构建了氮肥施用的二次曲线方程，在确保一定产量的前提下，明确了最高食味值下的施氮水平为2.74 kg/667 m2，增加氮肥施用量，稻米食味值下降。因此，在今后的优良食味米选育及栽培过程中，应注重在产量不下降的情况下，适当调控氮肥施用量可以实现水稻的稳产、提质增效的同步改良。
不同水稻基因型氮素吸收利用和稻米加工、外观和食味品质存在较大差异。随着施氮量增加，稻米食味品质降低，加工和外观品质提高。相对于低食味值水稻基因型，高食味值水稻基因型一般具有较高的氮素籽粒生产效率，较高的氮素收获指数。高氮肥利用效率水稻基因型一般表现为高产、高加工品质和外观品质，相对较低的食味值。高产氮高效和优质氮高效其氮效率评价指标不同，氮素籽粒生产效率可作为水稻优良食味氮高效育种选育的评价指标，氮肥利用效率可作为以追求高产、高整精米率低垩白的“双高一低”的高产优质氮高效育种选育的评价指标。
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