李夏雯，卢树昌

（天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300392）

水稻种植是中国的民族产业，在我国乃至全球粮食安全中起决定性作用[1]。我国在常规水稻生产中大水灌溉下淋失、地表蒸发等造成了稻田水分利用率低，严重制约了我国水稻生产系统的生产效率与可持续发展[2]。在水源紧缺、生产成本上涨等压力下，常规稻优势减弱，种植面积有所下降，而随着品种改进、栽培配套措施完善、农业机械化发展、加之农村劳动力转移，我国水稻直播面积呈不断扩大趋势[3]。

旱直播技术是一种不进行育秧、移栽，直接将种子种于大田，节水、省工、降本、轻型简便的水稻栽培技术，能够缓解农业用水短缺问题[4]。褚光等[5]研究表明，相比于常规水层灌溉，干湿交替灌溉水分利用效率提高了28.9%，同时增加了水稻产量。魏永霞等[6]研究表明，滴灌旱直播相对于淹水灌溉，显著提高了水分利用效率，全生育期节省灌溉用水63.88%。适度的干湿交替管理措施，在一定程度上调节了水稻根系周围的土壤水分和氧气平衡，有利于促进水稻的生长发育和产量形成。旱直播稻与常规稻在土壤理化性状方面的需求有显著差异，施用土壤调理剂可使土壤性状得到改善，对水稻生长发育具有显著的促进效果。研究表明，生物炭能够促进作物养分吸收，提高作物产量[7-9]。张爱平等[10]研究认为，生物炭配施氮肥可提高水稻氮素吸收量，提高氮肥利用率。王德胜等[11]研究认为，施用生物炭能显著提高南疆地区水稻产量和氮肥利用率。水稻为典型的喜硅作物，研究表明，施硅既可以促进水稻生长发育，又可以改善土壤结构，提升土壤微生物活性，促进水稻对氮磷素的吸收，改善稻米品质[12-14]。

目前，对旱直播稻的研究大多集中在单一水分管理或施肥管理等方面，对调理剂施用与水分管理结合效应方面的报道较少，尤其对旱直播稻稳产优质配套措施的研究不深入。改革传统的水稻种植体系，研究发展节水、省工、省时、改善旱直播稻产量和品质的新型生产栽培方式势在必行。基于此，本研究在土壤调理剂与两种水分优化管理结合的栽培模式下，探讨旱直播稻的产量、品质及养分吸收情况，以达到提高水分生产效率、获得旱直播稻稳产优质的目的，为水土环境因素制约突出的生产区域发展旱直播稻栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在天津市武清区大孟庄镇后幼庄村，位于北纬39º 32′～39°33′，东经116º 57′～116º 58′，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量550～606 mm，60%降雨集中在6—8月。灌溉方式为常年大水漫灌，土壤类型为潮土。经测定，试验地土壤质地为轻壤，土壤有机质21.21 g/kg、全氮1.86 g/kg、有效磷21.98 mg/kg、速效钾212.37 mg/kg、土壤CEC 15.54 cmol/kg。土壤地力总体表现较高，但保水保肥能力不高。

1.2 试验材料

1.2.1 供试作物

供试作物为早稻品种‘津原E28’，为粳型常规稻，京津唐地区种植全生育期平均177 d，千粒重30.2 g，常规移栽种植平均产量600 kg/667m2以上，抗性中等[15]。

1.2.2 供试土壤调理剂

稻壳生物炭：由稻壳材料制作，有机碳含量450 g/kg，碱性，比表面积292 m2/g，购于天津亚德尔生物质科技股份有限公司。

硅渣材料：购于浙江银亿集团有限公司，经检测主要成分为多孔活性二氧化硅，二氧化硅含量为84%，有机碳含量7.19 g/kg，酸性，比表面积80～97 m2/g，为固体粉状。

1.3 试验处理与田间管理

试验时间为2020年5—10月，设8个处理，即：T1（W1＋对照）、T2（W1＋生物炭）、T3（W1＋硅）、T4（W1＋1/2生物炭＋1/2硅）、T5（W2＋对照）、T6（W2＋生物炭）、T7（W2＋硅）和T8（W2＋1/2生物炭＋1/2硅）。小区面积36 m2（6 m× 6 m），采用区组设计，3次重复，设置保护行，播种量为6 kg/667m2，行距30 cm。生物炭与硅渣材料施用量分别为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分别表示湿润灌溉和关键需水期灌溉。

湿润灌溉（W1）即旱直播后立即进行田间灌水等待出苗，整个生育期内，灌小水，保持土壤湿润，全生育期灌水量为500 m3/667m2，10～15 d灌一次，每次50 m3/667m2，共计10次；关键需水期灌溉（W2）即旱直播后待秧苗长到一叶一心时灌水1次、水稻分蘖期2次、孕穗抽穗期2次及灌浆期1次，全生育期灌水共计6次，每次50 m3/ 667m2，总灌水量300 m3/667m2。试验全生育期有效降水量240 mm（折合亩有效降水量160 m3），水稻常规需水量为630 m3/667m2[16]，全生育期实际灌水定额＝作物常规需水量×安全系数（该区取1.5[17]）—有效降水量，根据计算可知，常规水稻灌水定额为785 m3/667m2，即W1全生育期灌水量较常规灌溉节水36%，W2全生育期灌水量较常规灌溉节水61%。两种灌水方式按照各自12个小区分开设计，中间采用1.5 m空白间隔带。

全生育期纯氮、P2O5、K2O施用量分别为20、6和5 kg/667m2。氮肥在整地、分蘖期、分蘖末期、拔节孕穗期分4次施用，按照40%、20%、20%、20%施入，即基追比4∶6，以尿素提供；磷、钾作为基肥一次性施入，以磷酸二铵和硫酸钾提供，由于磷酸二铵含有部分氮素，在计算基肥尿素施用量时需扣除磷酸二铵中的氮素。

1.4 测试方法

每小区去除两侧保护行各5行（宽1.5 m）及两头各1 m边界，选取中心区10行（宽3 m）共12 m2（3 m×4 m）植株进行整株收获，自然风干晾晒后将旱直播稻茎叶、根、穗分离，并分别称重，计算干物质量。

糙米率和精米率是稻谷定等的评价指标。糙米率是指稻谷经垄谷机去掉谷壳加工成糙米的质量占总稻谷质量的百分率。精米率是指将糙米去掉米皮碾磨成精米的质量占总稻谷质量的百分率。垩白是衡量稻米外观品质的主要性状，垩白粒率是指有垩白的米粒占米样总粒数的百分率[18-19]。稻谷经垄谷机（韩国双龙公司，型号：SY88-TH）碾磨成糙米，再用碾米机（日本佐竹公司，型号：CBS300AS（1））碾磨成精米，按《GB/T 17891— 1999: 优质稻谷》及《NY/T 83—2017：米质量测定方法》测定糙米率、精米率、垩白粒率。粒长、粒宽、表面积使用日本佐竹公司生产的颗粒评定仪（型号：RGQI20）测定。营养和食味品质主要由蛋白质含量、直链淀粉含量、脂肪酸含量和食味值反映[20]。食味是衡量稻米品质的一项重要指标，日本佐竹公司建立开发了大米食味评价系统与食味检测仪器，能够科学地反映食味品质[21-23]。蛋白质含量、直链淀粉含量、脂肪酸含量和食味值均使用日本佐竹公司生产的食味分析计（型号：RLTA10B）测定。

植物样品经浓硫酸-H2O2消煮后，分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度计法测定各部位全氮、全磷、全钾含量，并计算各部位吸氮量（吸氮量＝干物质量×含氮量）、吸磷量（吸磷量＝干物质量×含磷量）、吸钾量（吸钾量＝干物质量×含钾量）。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010进行数据处理，采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan法和LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理旱直播稻干物质量状况

由图1可知，除T3外，旱直播稻各处理干物质量均为茎叶＞稻谷＞根，茎叶所占比例最大，为37.3%～47.7%，稻谷占28.8%～43.2%，根部占14.6%～23.6%。各处理总干物质量为T3＞T2＞T4＞ T1＞T7＞T6＞T8＞T5，即湿润灌溉（W1）旱直播稻干物质量显著优于关键需水期灌溉（W2）。相同灌溉方式下，施加调理剂处理旱直播稻干物质量均优于对照，施加硅调理剂处理以T3和T7最优。T3总干物质量为1 632.4 kg/667m2，稻谷为680.9 kg/667m2，显著优于其他处理。其次为T2、T4，稻谷干物质量分别为529.9、495.1 kg/667m2。

图1 不同处理旱直播稻各部位干物质量状况

综上，湿润灌溉（W1）旱直播稻能够获得相对较高的产量，施加硅调理剂（T3）能够明显促进旱直播稻生长发育，尤其能够促进稻谷干物质积累，对产量提升有显著效果。

2.2 不同处理旱直播稻品质状况

2.2.1 不同处理旱直播稻加工与外观品质状况

由表1可知，施加土壤调理剂对旱直播稻加工品质与外观品质均有一定影响。加工品质方面：施加调理剂处理的糙米率和精米率都高于对照，以T8最优，分别较对照（T5）高60.34%、15.28%，其次为T3处理，糙米率和精米率较对照（T1）高7.54%、13.47%。外观品质方面：T6处理垩白粒率最小，为12.50%，T2处理次之，为16.50%，说明施加生物炭能够显著降低旱直播稻米垩白粒率，提升外观品质。在粒形方面，T8总体表现最优。

表1 不同处理旱直播稻加工与外观品质状况

总体来看，关键需水期灌溉稻米加工品质与外观品质均优于湿润灌溉，生物炭与硅调理剂结合（T8、T3）能够提升旱直播稻米加工品质，施加生物炭（T6）可提升稻米外观品质。

2.2.2 不同处理旱直播稻营养与食味品质状况

直链淀粉含量直接影响大米理化特性和食味，是评定蒸煮食味品质的一项重要指标。蛋白质含量超过9%则影响稻米食味值，醇溶蛋白与食味值呈显著负相关[24]。由表2可知，T8处理蛋白质含量最小，为8.85%，其他处理由小到大依次为T4（9.00%）、T7（9.10%）、T3（9.35%），即生物炭与硅调理剂结合（T8、T4）处理下稻米蛋白质含量较低。直链淀粉含量和脂肪酸含量各处理从小到大依次为T4＜T8＜T7＜T3，而食味值则表现相反规律，即：T4＞T8＞T7＝T3，T4、T8处理表现最优。说明生物炭和硅调理剂配合施用，对于降低稻米蛋白质、直链淀粉和脂肪酸含量以及提升食味值，有明显效果。

表2 不同处理旱直播稻营养与食味品质状况

2.3 不同处理旱直播稻养分吸收状况

2.3.1 不同处理旱直播稻各部位氮素吸收状况

如图2所示，整体来看，W1旱直播稻总吸氮量显著优于W2，各处理总吸氮量为T2＞T3＞T4＞ T1＞T6＞T7＞T8＞T5，T2处理总氮素吸收量最大，达15.30 kg/667m2，T3次之，为14.75 kg/667m2。W1各处理不同部位吸氮量为：稻谷＞茎叶＞根。稻谷部位T3处理吸氮量达8.502 kg/667m2，显著高于其他处理，较T1高64.39%；T2次之，为7.69 kg/667m2。茎叶部分，T2吸氮量最大，为5.74 kg/667m2，较T1高76.07%；T4次之，为5.24 kg/667m2，各处理间达显著差异。W2稻谷和茎叶部位氮素吸收情况与W1呈相同规律，稻谷吸氮量：T7＞T8＞T6＞T5，茎叶吸氮量：T6＞T8＞ T7＞T5。

图2 旱直播稻各处理不同部位氮素吸收状况

综上，W1旱直播稻氮素吸收状况显著优于W2，施加硅调理剂（T3）有利于促进稻谷氮素吸收，提升产量，而施加生物炭处理（T2）能够显著促进茎叶部位氮素吸收转化，提升氮素利用 效率。

2.3.2 不同处理旱直播稻各部位磷素吸收状况

如图3所示，W1旱直播稻磷素吸收状况显著高于W2，整体表现为：T2＞T3＞T4＞T1＞T7＞ T6＞T8＞T5。T2处理总吸磷量最大，为2.68 kg/667m2；T3次之，为2.56 kg/667m2。各处理不同部位吸磷量为：稻谷＞茎叶＞根。T3、T2稻谷吸磷量显著优于其他处理，分别为1.40、1.36 kg/667m2，两处理间未达显著差异。茎叶部位T2吸磷量最高，为0.86 kg/667m2，较对照（T1）高53.94%，显著优于其他处理。W2稻谷部位T7吸磷量最大，茎叶部位T6吸磷量最大，分别较对照（T5）高108.89%和84.69%。

图3 旱直播稻各处理不同部位磷素吸收状况

整体来看，施加硅调理剂（T3）处理能够提升稻谷部位磷素吸收，而施加生物炭（T2）能够显著促进茎叶部位磷素吸收，提升磷素利用效率。

2.3.3 不同处理旱直播稻各部位钾素吸收状况

如图4所示，W1旱直播稻总吸钾量表现为T2＞T3＞T4＞T1，各处理吸钾量均为茎叶部位占比最大。T2总吸钾量最大，达13.84 kg/667m2；T3次之，为13.19 kg/667m2。T2茎叶吸钾量达7.37 kg/667m2；T3次之，为7.23 kg/667m2，分别较对照（T1）高63.36%和60.15%，两处理间未达显著差异，较其他处理差异显著。W2灌水方式下T6总吸钾量最大，较对照（T5）高38.22%，茎叶部位较对照（T5）高30.88%。

图4 旱直播稻各处理不同部位钾素吸收状况

综上，茎叶是旱直播稻吸收钾素的主要部位，湿润灌溉更能促进钾素吸收，施加生物炭（T2）能够显著提高旱直播稻的钾素吸收，有利于旱直播稻茎叶同化物的吸收与运转。

3 讨论与结论

3.1 讨论

在品质方面，本研究发现，生物炭和硅调理剂配施（T8）能够提升稻米加工品质，糙米率和精米率分别达到98.61%和93.03%。施加生物炭处理（T6）外观品质好，垩白粒率最小，为12.50%，且W2方式下最优。可能由于水分影响稻米籽粒灌浆特性，旱直播稻植株在干湿交替条件下穗少粒小且灌浆饱满，使稻米垩白率和垩白度均偏 低[25]。吴伟等[26]研究表明，蛋白质含量高，对食味品质有负效应，直链淀粉含量高，蒸煮后米饭黏性小、松散质硬，食味也较差，这与本试验结果一致。T4直链淀粉和脂肪酸含量明显低于其他处理，蛋白质含量也较低，为9.00%，而食味值较高。史登林等[27]研究表明，在生物炭与氮肥减量配施条件下，稻米的精米率、垩白度、粒长等外观品质及直链淀粉、蛋白质等营养品质均有不同程度的改善。杨国英等[28]研究表明，施硅能够提高稻米精米率等加工品质，改善外观品质，降低蛋白质含量。本研究表明，生物炭和硅调理剂配合施用，能够明显降低稻米蛋白质、直链淀粉和脂肪酸含量，提升稻米食味值。这是由于生物炭含有较高钾素以及Ca、Mn和Zn等多种微量元素，能够促进相关酶在植株体内合成，而硅能促进氮磷吸收，平衡氮磷钾含量，二者结合对稻米品质有较好的改善效果[29]。

在养分吸收方面，T2处理氮素、磷素和钾素总吸收量均最大，分别为15.30、2.68和13.84 kg/667m2，较其他处理达显著差异。茎叶部位氮、磷、钾吸收量同样以T2处理最优。HARDY等[30]研究发现，施加生物炭显著提高了双季稻的钾素吸收，有利于水稻茎叶同化物向籽粒转运，提高了作物产量。刘磊等[31]研究表明，施加生物炭有增加早稻氮素和磷素吸收的趋势，显著提高了早、晚稻钾素吸收，这与本试验结果一致。施加生物炭能够有效促进旱直播稻养分吸收，尤其是茎叶部位养分的吸收运转，且对茎叶钾素的吸收有显著促进作用。生物炭为多孔结构，能够改善土壤结构，其CEC高保水保肥性强，能够增强氮素固化[32-33]。另外，生物炭可以增加土壤对铵态氮的吸附与保持，减少氮素损失，促进水稻对氮素的吸收[8，34]。有研究表明[35-36]，土壤中施入生物炭有利于解磷细菌和解钾细菌的生长，通过提高土壤磷、钾素有效性来促进作物对两种元素的吸收。从稻谷养分吸收来看，本试验中T3、T6处理均为相同水分灌溉方式下最优处理，T3处理稻谷吸氮量、吸磷量分别为8.50、1.40 kg/667m2，说明施加硅调理剂对于稻谷氮磷吸收有显著促进效果。陈进红等[37]研究表明，与空白对照相比，施硅处理籽粒氮、磷含量得到显著提升，与本试验结果一致。

不同灌溉方式对水稻产量、品质产生不同的影响[5，38-39]。YANG等[40]、郑传举等[41]、刘立军等[42]研究认为，适当水分胁迫能够改善稻米品质；解文孝等[43]也研究表明，水分胁迫使稻米的蛋白质含量和脂肪含量增加，这与本试验结果一致。本试验中W2稻米的加工品质与外观品质均优于W1，蛋白质含量也最优。吕银斐等[44]研究表明，干湿交替灌溉比常规灌溉和湿润灌溉稻米的干物质量分别提高了9.15%和13.45%。本试验中，W2稻米的产量和养分吸收低于W1，这可能由于重度干湿交替使得旱直播稻根冠比较高，且根系活力大，干物质累积速率提升集中于根部，虽然提高了水分利用效率，但也造成了抽穗后期较大的“源”与籽粒“库”争夺光合产物，阻止了籽粒充实，造成产量不高；而W1水分相对充足，对于干物质积累有促进作用，有利于获取较高的干物质量。另外，也可能由于在湿润管理中没有考虑水稻需水规律，完全按照设定进行管理，继而出现产量上的负性效应。本试验中湿润管理在全生育期保持田面湿润条件下，同时兼顾了旱直播稻不同生育时期的水分特性条件，因而效果较好。关于在不同生育时期水分对旱直播稻生长生理特性的作用以及内部运转机理和长效机制，还有待进一步深入研究。

3.2 结论

从干物质量看，T3处理能够获得最高总干物质量，为1 632.4 kg/667m2，T2次之；茎叶部位T2最高，达621.9 kg/667m2；稻谷部位T3最高，达680.9 kg/667m2，T2次之，为529.94 kg/667m2。从养分吸收看，T2处理氮素、磷素、钾素总吸收量均最大，分别为15.30、2.68和13.84 kg/667m2，T3次之；茎叶部位同样T2处理效果最好，氮、磷、钾吸收量分别为5.74、0.86和7.37 kg/667m2；稻谷吸氮量、吸磷量以T3处理最高，分别为8.50、1.40 kg/667m2。生物炭有利于获得较高干物质量，且显著促进茎叶部位养分吸收。硅调理剂显著促进了稻谷部位的生长与养分吸收。

从品质来看，生物炭和硅调理剂配合施用能够改善稻米品质，直链淀粉和脂肪酸含量明显低于其他处理，蛋白质含量9.00%，食味值较高，T8次之。

从水分管理来看，W1旱直播稻在干物质量、产量及养分吸收方面均显著优于W2，T2处理（生物炭）、T3处理（硅调理剂）效果较好。品质方面，W2稻米加工品质与外观品质均优于W1，T8处理糙米率和精米率分别较对照高60.34%、15.28%，T6处理垩白粒率最小，为12.50%；营养和食味品质以W1较好，T4生物炭和硅调理剂配合施用对于降低蛋白质、直链淀粉和脂肪酸含量以及提升食味值有明显效果。