王志君,李紅宇,2,3,夏玉瑩,范名宇,2,3,趙海成,2,3,魯潔婷,趙朝勇,鄭桂萍,2,3

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院,黑龍江 大慶 163319;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北平原農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163319;3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163319)

蛋白質(zhì)的含量及構(gòu)成是影響稻米食味品質(zhì)的重要因素[1-2],一般認(rèn)為稻米的食味值評(píng)分與蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,即在一定范圍內(nèi),稻米蛋白質(zhì)含量越高食味值越低[3-5]。傳統(tǒng)的氮含量檢測(cè)常采用凱氏定氮法,該方法不僅用時(shí)長(zhǎng),而且后期需要破壞性取樣,致使檢測(cè)工作較為繁雜、時(shí)效性較差[6]。因此,收獲前對(duì)稻米蛋白質(zhì)含量進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)能夠滿足水稻分級(jí)分類(lèi)收獲的要求,在水稻優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)中具有重要意義。

SPAD葉綠素儀可以通過(guò)測(cè)量葉片在波長(zhǎng)650 nm和峰值波長(zhǎng)940 nm內(nèi)的透光系數(shù)而快速、實(shí)時(shí)測(cè)定葉片葉綠素的相對(duì)含量[7],大量研究結(jié)果表明植株葉片含氮量與SPAD值呈正相關(guān)關(guān)系[8-11],且與籽粒蛋白質(zhì)含量具有一定的相關(guān)性[12-14]。由此推測(cè)SPAD 值的變化能夠反映出葉片和收獲籽粒的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。張麗等[15]在SPAD值與玉米籽粒蛋白質(zhì)含量關(guān)系的研究中,發(fā)現(xiàn)利用葉片SPAD遞減值可以快速檢測(cè)出玉米成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量,并建立了相關(guān)模型。田永超等[16]針對(duì)小麥的研究發(fā)現(xiàn),借助葉片SPAD值可以預(yù)測(cè)出單位面積上小麥籽粒生長(zhǎng)過(guò)程中蛋白質(zhì)的積累動(dòng)態(tài)。王志東等[17]的研究認(rèn)為秈稻稻米的蛋白質(zhì)含量與蠟熟期和黃熟期劍葉SPAD值呈極顯著負(fù)相關(guān),而與始穗期、齊穗期和乳熟期劍葉SPAD值相關(guān)性不顯著。作物品種之間或同一品種植株的不同氮素狀態(tài)會(huì)造成氮素基礎(chǔ)值不同[18],致使SPAD診斷結(jié)果存在差異。因此,計(jì)算歸一化SPAD等衍生指標(biāo)作為診斷依據(jù)是非常必要的。前人通過(guò)構(gòu)建 SPADL4×L3/mean[19]、SPADL1-L3/SPADL1+L3[20]、SPADL1-L3/SPADL3[21]等指標(biāo)進(jìn)行植株氮素診斷,但在 SPAD 值測(cè)定理想指示葉位的選擇存在較多分歧,如李剛?cè)A等[22]研究認(rèn)為可以利用頂3葉SPAD值判斷水稻氮素營(yíng)養(yǎng)狀況,而凌啟鴻等[23]研究表明頂 4 葉和頂 3 葉的SPAD差值能更好地反映水稻氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。

前人關(guān)于SPAD估測(cè)籽粒蛋白質(zhì)含量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)多為研究不同氮素水平或不同環(huán)境中的水稻冠層葉片氮含量差異所導(dǎo)致的蛋白質(zhì)含量的差異,從而建立估測(cè)模型,而水稻品種之間或同一品種植株的不同氮素狀態(tài)、水稻品種之間基因型差異所導(dǎo)致的葉片顏色、氮肥利用率不同等因素均會(huì)造成葉片SPAD采集誤差,致使研究結(jié)果穩(wěn)定性較差。

本研究對(duì)不同施氮量以及多品種試驗(yàn)的不同葉位SPAD構(gòu)建歸一化 SPAD 指數(shù)(SPADij, INDSPADij),分析了不同葉位的歸一化 SPAD 指數(shù)與稻米氮素營(yíng)養(yǎng)之間的定量關(guān)系,通過(guò)不同葉位SPAD值及其衍生指標(biāo)與稻米氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的相關(guān)性高低更能判定稻米氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的葉位,并應(yīng)用歸一化SPAD值估算的稻米氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與真實(shí)值做比較進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證,從而篩選有效指標(biāo)快速精確地判定稻米蛋白質(zhì)含量,以期為稻米蛋白質(zhì)含量的早期預(yù)測(cè)和調(diào)控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)于2020—2021年在黑龍江省大慶市(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)、大慶市王家圍子村)以盆栽試驗(yàn)與大田試驗(yàn)相結(jié)合的形式進(jìn)行。該區(qū)年日照時(shí)數(shù)2 726 h,無(wú)霜期143 d,年平均氣溫4.2℃,夏季平均氣溫23.3℃,農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育期氣溫日差達(dá)10℃以上,年降水量427.5 mm,年蒸發(fā)量163.5 mm,屬半干旱地區(qū)。盆栽試驗(yàn)所用盆缽高30 cm,上直徑30 cm,下直徑25 cm,每盆裝黑鈣土12 kg,每處理12盆。大田試驗(yàn)小區(qū)面積2 m×2 m=4 m2,共計(jì)20個(gè)小區(qū),大田土壤為鹽堿土。黑鈣土與鹽堿土土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Soil nutrient status

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 2020年試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)1:氮肥試驗(yàn)

氮肥盆栽試驗(yàn)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校內(nèi)盆栽場(chǎng)進(jìn)行,參試品種為稻花香2號(hào),葉齡n=14。試驗(yàn)采用二因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì),A因素為前中期氮肥施入量(基肥、分蘗肥、調(diào)節(jié)肥),8水平,氮肥施用量分別為0(A1)、51.72(A2)、103.45(A3)、155.17(A4)、206.90(A5)、258.62(A6)、310.35(A7)、362.07(A8)kg·hm-2,按基肥∶蘗肥∶調(diào)節(jié)肥=4∶3∶1施用;B因素為后期氮肥施入量(穗肥),3水平,氮肥施用量分別為0(B1)、51.72(B2)、103.45(B3)kg·hm-2。各處理施肥方式見(jiàn)表2。氮肥采用尿素(含N 46.4%),磷肥采用過(guò)磷酸鈣(含P2O516%),過(guò)磷酸鈣用量為139.54 kg·hm-2,100%作為基肥。鉀肥采用硫酸鉀(含K2O 50%),硫酸鉀用量為120.00 kg·hm-2,分2次施用,基肥和穗肥各占50%,即1∶1。其中基肥攪漿時(shí)一次性施用,分蘗肥分2次施用,葉齡4.1～4.5時(shí)第一次施用分蘗肥的75%, 葉齡5.1～5.5時(shí)第二次施用分蘗肥的25%,調(diào)節(jié)肥在倒4葉伸長(zhǎng)期施用,穗肥在倒2葉伸長(zhǎng)期施用。該試驗(yàn)資料用于建立模型。

表2 試驗(yàn)處理的氮肥施用量/(kg·hm-2)Table 2 Nitrogen application rate of experimental treatments

試驗(yàn)2:品種試驗(yàn)

品種盆栽試驗(yàn)于校內(nèi)盆栽場(chǎng)進(jìn)行,采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì),供試品種分別為C1:松粳22(主莖14片葉)、C2:松粳16(主莖14片葉)、C3:龍稻203(主莖13片葉)、C4:墾粳8號(hào)(主莖13片葉)、C5:龍粳21(主莖12片葉)、C6:三江6號(hào)(主莖12片葉),各品種特征特性如表3所示。氮肥施用按照基肥∶分蘗肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=4∶3∶1∶2進(jìn)行,依據(jù)本地水稻高產(chǎn)栽培技術(shù)進(jìn)行施用,氮肥總施入量為258.62 kg·hm-2,氮肥、磷肥和鉀肥施用種類(lèi)和施用時(shí)間同試驗(yàn)1。該試驗(yàn)資料用于建立模型。

表3 品種特征特性Table 3 Characteristics of the varieties

1.2.2 2021年試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)3:大田試驗(yàn)

在重復(fù)2020年試驗(yàn)1、2的基礎(chǔ)上增加大田試驗(yàn)3。大田試驗(yàn)于大慶市王家圍子村進(jìn)行,采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì),供試品種分別為綏粳27(主莖11片葉,香稻)、龍粳31(主莖11片葉),每品種10個(gè)小區(qū)。氮肥按照基肥∶分蘗肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=4∶3∶1∶2施用,依據(jù)本地(蘇打鹽堿地)水稻高產(chǎn)栽培技術(shù)進(jìn)行,氮肥總施入量為258.62 kg·hm-2,氮肥、磷肥和鉀肥施用種類(lèi)和施用時(shí)間同試驗(yàn)1。該試驗(yàn)資料用于檢測(cè)模型。

試驗(yàn)1～3均于4月10日浸種,4月18日播種,5月10日攪漿,5月20日(秧苗葉齡為3.1)移栽。盆栽試驗(yàn)每桶4穴,每穴3苗。大田試驗(yàn)穴距為15 cm,行距為30 cm,其他管理措施按照當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)栽培技術(shù)進(jìn)行。

為排除品種差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,本研究選取了當(dāng)?shù)厮痉N植面積相對(duì)較大、葉齡不同、同一葉齡品種香味特性不同的水稻品種進(jìn)行試驗(yàn)。 利用試驗(yàn)1、2的數(shù)據(jù)建立SPAD與稻米蛋白質(zhì)含量的相關(guān)模型,于大田試驗(yàn)3中對(duì)基于SPAD模型計(jì)算出稻米蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值進(jìn)行比較,驗(yàn)證模型在不同時(shí)空下的敏感性和穩(wěn)定性,以排除環(huán)境差異對(duì)試驗(yàn)的干擾。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 SPAD值測(cè)定 水稻主莖頂 1、頂 2、頂 3 葉及頂 4 葉的 SPAD值都被用于水稻氮素研究,但是頂 4 葉出現(xiàn)較晚且位置較低,易被稻田水浸蝕。因此,本次研究選取水稻頂1、頂2、頂3葉作為研究對(duì)象,于天氣晴朗時(shí),采用葉綠素儀SPAD-502(Konica minolta,日本)分別測(cè)定拔節(jié)期(T1)、孕穗期(T2)和齊穗期(T3)主莖頂部3張全展葉片的SPAD值。測(cè)量部位為主莖葉片上部(近葉尖1/3處)、中部(葉片中間位置)、基部(近葉基1/3處)和葉寬1/4或3/4的位置3部分,其平均值為所測(cè)葉片的SPAD值。測(cè)量時(shí)葉片置于葉片夾的葉室中,避開(kāi)主葉脈,然后夾緊葉片,保證葉片水平且被測(cè)面積相同,避免背景反射、葉片表面彎曲等造成的光譜波動(dòng)及葉片內(nèi)部變異造成的影響。每個(gè)處理(小區(qū))標(biāo)定測(cè)量24穴,每穴測(cè)定3個(gè)主莖,共計(jì)72個(gè)主莖。

1.3.2 食味品質(zhì)測(cè)定 每處理標(biāo)定24穴水稻收獲后各自脫粒(與SPAD值相對(duì)應(yīng)),于通風(fēng)陰干處晾曬3個(gè)月,待理化性質(zhì)穩(wěn)定后,用小型碾米機(jī)把稻谷加工為精米。每穴稱(chēng)取10 g精米,按米水質(zhì)量比1∶1.2將精米隔水蒸煮成米飯。采用日本佐竹公司生產(chǎn)的米飯食味計(jì)(SATA1B)測(cè)定米飯綜合食味值,重復(fù)3次其平均值為該穴食味值(無(wú)氮區(qū)A1B1產(chǎn)量不夠,則每穴重復(fù)2次)。

1.3.3 蛋白質(zhì)含量測(cè)定 用自動(dòng)凱氏定氮儀法測(cè)定精米的蛋白質(zhì)含量[24]。每穴稱(chēng)取1.5 g精米粉,分別注入250 mL消化管中,注入12 mL濃硫酸及7 g K2SO4和0.8 g CuSO4·5H2O的混合催化物,420℃下消化1 h后,用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Kjeltec8400,FOSS公司,丹麥)測(cè)定米粉含氮量,再乘以換算系數(shù)5.95,重復(fù)4次,其平均值為該穴蛋白質(zhì)含量。

1.3.4 SPAD值衍生指標(biāo) 除水稻頂部3片葉(L1、L2、L3)SPAD值外,本試驗(yàn)采用了5種SPAD值衍生指標(biāo),衍生指標(biāo)通過(guò)某種數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算而得,計(jì)算過(guò)程分別為:

SPADn=頂部n張葉片SPAD的均值

SPADLi-Lj=頂i葉SPAD值-頂j葉SPAD值;

SPAD(Li-Lj)/Li=(頂i葉SPAD值-頂j葉SPAD值)/頂i葉SPAD值

SPADLi×Lj/mean=頂i葉SPAD值×頂j葉SPAD值/i、j兩張葉片平均SPAD值

INDSPADij:SPADij=(SPADL i-SPADL j)/(SPADLi+SPADLj)

其中,SPADLi和SPADLj分別代表水稻冠層主莖第i和j葉位的SPAD值(i,n,j≤3),L1、L2、L3分別為頂部第1、2、3張全展葉。

1.4 SPAD數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及統(tǒng)計(jì)分析, Origin 2018 64bit進(jìn)行繪圖作業(yè),利用試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的數(shù)據(jù)資料分析SPAD以及衍生指標(biāo)與精米蛋白質(zhì)含量的相關(guān)關(guān)系,并建立模型。模型的準(zhǔn)確性和適用性采用試驗(yàn)3的數(shù)據(jù)資料,利用預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的預(yù)測(cè)精度(P-k)、根均方差(RMSE)及對(duì)稱(chēng)平均絕對(duì)百分比誤差(SMAPE)等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。

預(yù)測(cè)精度(P-k):真實(shí)值與預(yù)測(cè)值回歸方程的斜率與真實(shí)值等于預(yù)測(cè)值的回歸方程斜率1之間差的絕對(duì)值,P-k越小,預(yù)測(cè)精度越高。

RMSE越小,預(yù)測(cè)精度越高。

SMAPE越小,預(yù)測(cè)精度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理間蛋白質(zhì)含量的比較

兩年間施氮量對(duì)稻米蛋白質(zhì)含量及食味值影響的結(jié)果如表4所示,在A水平下,A因素對(duì)稻米的蛋白質(zhì)含量和食味值的影響在兩年間均達(dá)到極顯著水平,均以A1水平蛋白質(zhì)含量最低,食味值最高;A8水平蛋白質(zhì)含量最高,食味值最低。2020年A8水平蛋白質(zhì)含量較A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7水平分別極顯著增加34.55%、27.44%、26.39%、22.19%、18.07%、14.39%、12.23%;A8水平食味值較A1～A7水平分別極顯著降低8.10%、5.06%、4.99%、4.10%、3.45%、2.96%、2.28%。2021年稻米蛋白質(zhì)含量大小、食味值大小與2020年數(shù)據(jù)表現(xiàn)為同等趨勢(shì),蛋白質(zhì)含量大小關(guān)系為A1A2>A3>A4>A5>A6>A7>A8。因此,在水稻前期生長(zhǎng)增施氮肥會(huì)提高稻米的蛋白質(zhì)含量,降低食味值評(píng)分。在B水平中,兩年間B因素對(duì)稻米的蛋白質(zhì)含量和食味值的影響均為極顯著水平,以B1水平蛋白質(zhì)含量最低,食味值最高; B3水平蛋白質(zhì)含量最高,食味值最低。因此,提高氮肥在穗肥中的比例會(huì)促進(jìn)稻米蛋白質(zhì)含量的增加而降低其食味值評(píng)分。

表4 施氮量對(duì)稻米蛋白質(zhì)含量及食味值的影響Table 4 Effects of nitrogen application rate on protein content and taste value of rice

綜上,在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中,增加氮肥的施入量會(huì)提高稻米的蛋白質(zhì)含量并降低食味值,食味值與蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

對(duì)年均蛋白質(zhì)含量與施氮量進(jìn)行回歸,如圖1所示。 在B1、B2、B3下,均以A1水平蛋白質(zhì)含量最低,A8水平最高。在B1下,與A8蛋白質(zhì)含量相比, A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分別降低27.78%、21.81%、19.03%、14.86%、12.50%、11.11%、7.64%。在B2下,與A8水平相比,A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分別降低28.66%、26.11%、25.48%、16.56%、15.29%、14.01%、10.45%。B3下,與A8水平蛋白質(zhì)含量相比,A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分別降低24.50%、21.66%、18.94%、15.47%、14.23%、12.38%、11.14%。因此,在不同的穗肥下,稻米蛋白質(zhì)含量與施氮量呈現(xiàn)線性增加的關(guān)系,B1、B2、B3下蛋白質(zhì)含量與施氮量回歸方程的R2(擬合優(yōu)度)分別為0.92**、0.96**、0.96**。

注:*、**分別表示差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01),下同。Note:* and ** indicate significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) differences ,respectively. The same below.圖1 不同穗肥下施肥量與蛋白質(zhì)含量的關(guān)系Fig.1 Relationship between fertilization amount and protein content under different panicle fertilizers

兩年間6個(gè)品種的蛋白質(zhì)含量及食味值的測(cè)定結(jié)果相似,以2021年的數(shù)據(jù)為例(圖2)。結(jié)果表明,6個(gè)品種之間的蛋白質(zhì)含量、食味值差異較大,其中C1蛋白質(zhì)含量最低,食味值最高,C6蛋白質(zhì)含量最高,食味值最低。6個(gè)品種蛋白質(zhì)含量由高到低的順序?yàn)镃6>C5>C2>C3>C4>C1,C6蛋白質(zhì)含量較C5、C2、C3、C4、C1分別極顯著提高2.99%、5.04%、10.43%、12.23%、15.63%,食味值由高到低的順序?yàn)镃1>C4>C3>C2>C5>C6,C6食味值較C5、C2、C3、C4、C1分別極顯著降低1.17%、2.89%、3.54%、7.93%、12.09%。由此可知,不同品種的稻米蛋白質(zhì)含量及食味值差異較大,蛋白質(zhì)含量較低的品種其食味值較高。

注:數(shù)據(jù)后不同小、大寫(xiě)字母分別表示同一試驗(yàn)因素不同處理間差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。Note: Different lowercase and uppercase letters indicate significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) differences among treatments under the same experimental factor, respectively.圖2 不同品種稻米的蛋白質(zhì)含量及食味值比較Fig.2 Comparison of protein content and taste value in grains of different varieties

2.2 蛋白質(zhì)含量與食味值的關(guān)系

如圖3所示,食味值與蛋白質(zhì)含量呈線性遞減關(guān)系,即稻米蛋白質(zhì)含量越高,水稻食味值評(píng)分越低。線性回歸方程的擬合優(yōu)度R2=0.93**,達(dá)到極顯著水平。

圖3 蛋白質(zhì)含量與食味值的關(guān)系Fig.3 Relationship between protein content and taste value

2.3 葉片SPAD值的比較

2.3.1 氮肥試驗(yàn)中水稻葉片SPAD值的比較 如圖4所示,在施氮量A的影響下,水稻頂部3片葉SPAD值與施氮量呈線性正相關(guān),即隨著施氮量的增加,葉片SPAD值亦增加,SPAD值與施氮量的回歸方程R2分別為0.98**、0.96**、0.98**,達(dá)到極顯著水平。各施氮水平下,水稻頂部3片葉SPAD表現(xiàn)出L2>L1>L3的關(guān)系。

圖4 T1時(shí)期施氮量與頂部葉片SPAD值的關(guān)系Fig.4 Relationship between nitrogen application rate and SPAD value of top leaves during T1 period

圖5結(jié)果表明,不同穗肥下,T2時(shí)期水稻頂部3片葉的SPAD值與施氮量呈線性正相關(guān),其回歸方程R2均達(dá)到極顯著水平。在B1、B2、B3下,3張葉片SPAD值大小關(guān)系均為:L2>L1>L3, B2、B3水平頂部3片葉SPAD值高于B1。

圖5 T2時(shí)期不同穗肥下施氮量與頂部葉片SPAD值的關(guān)系Fig.5 Relationship between nitrogen fertilization rate and SPAD value of top leaves under different panicle fertilizers during T2 period

在圖6中,T3時(shí)期3張葉片SPAD值大小關(guān)系為:L1>L2>L3,頂一葉的SPAD值為最高值,不同葉片SPAD值與施氮量表現(xiàn)為線性正相關(guān),回歸方程的R2為極顯著水平。在同等施氮量下,T3時(shí)期的葉片SPAD值表現(xiàn)出略高于T2時(shí)期的趨勢(shì)。

圖6 T3時(shí)期不同穗肥下施氮量與頂部葉片SPAD值的關(guān)系Fig.6 Relationship between nitrogen fertilization rate and SPAD value of top leaves under different panicle fertilizers during T3 period

綜上,在T1～T2時(shí)期水稻頂部葉片SPAD值呈現(xiàn)降低趨勢(shì),T2～T3時(shí)期水稻頂部葉片SPAD值動(dòng)態(tài)升高。由此可知,水稻頂部葉片在T1～T3時(shí)期經(jīng)歷了“黑-黃-黑”葉色交替現(xiàn)象,且不同時(shí)期水稻頂部葉片SPAD值分布規(guī)律差異較大,但與施氮量均表現(xiàn)出線性關(guān)系。提高氮肥投入量使葉位之間的SPAD值差值減小,在T2和T3時(shí)期變化更為明顯。

2.3.2 不同水稻品種冠層葉片SPAD值的比較 在圖7中,6個(gè)供試品種在T1時(shí)期頂部3片葉SPAD值大小關(guān)系均為:L2>L1>L3。在T2時(shí)期,品種C1和C2頂部3片葉SPAD值大小關(guān)系為:L2>L1>L3,品種C3、C4 、C5和C6 頂部3片葉SPAD值大小關(guān)系為L(zhǎng)2>L3>L1。T3時(shí)期5個(gè)供試品種頂部3片葉SPAD值大小關(guān)系均為L(zhǎng)1>L2>L3。由此可知,6個(gè)供試品種在T1、T2時(shí)期均為功能葉頂2葉SPAD值最高,在T3時(shí)期以功能葉頂一葉SPAD值最高。不同品種SPAD值在T1～T2時(shí)期呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)下降趨勢(shì),在T2～T3時(shí)期表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)上升。由此可知,不同水稻品種頂部葉片SPAD值分布規(guī)律及數(shù)值有較大差異,但不同水稻品種在T1～T3時(shí)期會(huì)出現(xiàn) “黑-黃-黑”葉色交替現(xiàn)象。

圖7 不同品種不同時(shí)期頂部葉片SPAD值的比較Fig.7 Comparison of SPAD values in top leaves of different varieties at different stages

2.4 葉片SPAD值及其衍生指標(biāo)與蛋白質(zhì)含量的關(guān)系

利用試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的兩年數(shù)據(jù)對(duì)頂部3片葉SPAD值與稻米蛋白質(zhì)含量相關(guān)性分析進(jìn)行指標(biāo)篩選,表5結(jié)果顯示,在氮肥梯度試驗(yàn)中,3個(gè)時(shí)期下單片葉SPAD值與蛋白質(zhì)含量相關(guān)性均達(dá)到極顯著相關(guān),而在品種試驗(yàn)中單片葉的SPAD值與其蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性未能達(dá)到顯著水平。由此可知,借助單片葉SPAD值進(jìn)行蛋白質(zhì)含量預(yù)測(cè)受品種差異的影響具有一定困難。借助衍生指標(biāo)篩選的結(jié)果顯示,在3個(gè)生育時(shí)期共選出3個(gè)指標(biāo)SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3 /mean,其中SPAD(L1+L2+L3)/3在氮肥試驗(yàn)中3個(gè)時(shí)期的相關(guān)系數(shù)分別為0.81**、0.83**、0.81**,在品種試驗(yàn)中相關(guān)系數(shù)分別為0.85**、0.85**、0.86**。SPADL2×L3/mean在氮肥試驗(yàn)中3個(gè)時(shí)期的相關(guān)系數(shù)分別為0.81**、0.82**、0.82**;在品種試驗(yàn)中相關(guān)系數(shù)分別為0.84**、0.82**、0.86**。SPADL1×L2×L3/mean在氮肥試驗(yàn)中3個(gè)時(shí)期的相關(guān)系數(shù)分別為0.70*、0.83**、0.84**,在品種試驗(yàn)中R2分別為0.72*、0.78*、0.89**。3個(gè)指標(biāo)與蛋白質(zhì)含量均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

表5 頂部葉片SPAD值及其衍生指標(biāo)與蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of canopy leaf SPAD and its derivative indexes and protein content

對(duì)表5篩選的指標(biāo)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如表6所示,不同時(shí)期的衍生指標(biāo)SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3/mean與蛋白質(zhì)含量擬合方程均為線性關(guān)系,SPAD(L1+L2+L3)/3在3個(gè)時(shí)期的R2分別為0.75**、0.74**、0.72**,SPADL2×L3/meanR2分別為0.75**、0.72**、0.72**,SPADL1×L2×L3/meanR2分別為0.76**、0.77**、0.77**,均達(dá)到極顯著水平。

表6 不同時(shí)期SPAD指標(biāo)和蛋白質(zhì)含量的擬合方程Table 6 Fitting equations of SPAD index and protein content in different periods

2.5 測(cè)試與檢驗(yàn)

利用試驗(yàn)3的試驗(yàn)資料對(duì)SPAD衍生指標(biāo)與蛋白質(zhì)含量的回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn),采用根均方差 (RMSE)、對(duì)稱(chēng)平均絕對(duì)百分比誤差(SMAPE)、預(yù)測(cè)精度(P-k)進(jìn)行定量評(píng)估。圖8結(jié)果表明,SPAD(L1+L2+L3)/3在TI、T2、T3時(shí)期的P-k分別為0.04、0.15、0.04,SPADL2×L3/mean分別為0.15、0.11、0.11,SPADL1×L2×L3/mean3個(gè)時(shí)期的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系,R2達(dá)到極顯著水平,但其與蛋白質(zhì)含量基準(zhǔn)線(Y=X,預(yù)測(cè)值與真實(shí)值相同)偏差較遠(yuǎn),預(yù)測(cè)精度較差,其P-k分別為0.94、0.49、0.87。TI、T2、T3時(shí)期SPAD(L1+L2+L3)/3的RMSE分別為0.07、0.07、0.11,SMAPE分別為0.71%、0.66%、1.16%, SPADL2×L3/mean的RMSE分別為0.09、0.10、0.07,SMAPE分別為0.98%、1.09%、0.75%(表7)。因此,SPAD(L1+L2+L3)/3和SPADL2×L3/mean顯示出模擬值和觀測(cè)值間良好的擬合關(guān)系,較指標(biāo)SPADL1×L2×L3/mean監(jiān)測(cè)具有較高的敏感性和穩(wěn)定性,指標(biāo)SPADL1×L2×L3/mean在檢測(cè)過(guò)程中可以排除。

注:預(yù)測(cè)精度(P-k)為Y=X的斜率1和真實(shí)值與預(yù)測(cè)值回歸方程斜率之間差的絕對(duì)值,P-k越小,預(yù)測(cè)精度越高。Note: The prediction accuracy (P-k) is the absolute value of the slope 1 of Y=X and the slope of the regression equation between the real value and the predicted value. The smaller the P-k, the higher the prediction accuracy.圖8 基于SPAD(L1+L2+L3)/3 、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3/mean的籽粒蛋白質(zhì)含量真實(shí)值與預(yù)測(cè)值的1∶1關(guān)系圖Fig.8 1∶1 relationship between the actual value and predicted value of grain protein content based on SPAD(L1+L2+L3)/3, SPADL2×L3/mean, SPADL1×L2×L3/mean

表7 SPAD指標(biāo)的RMSE、 SMAPE值Table 7 RMSE and SMAPE values of SPAD indicators

3 討 論

3.1 水稻頂部葉片SPAD 值的動(dòng)態(tài)變化特征

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要化學(xué)物質(zhì),其含量的高低會(huì)直接影響作物的光合能力,而水稻對(duì)氮素的吸收、同化與運(yùn)轉(zhuǎn)能夠影響其葉片的葉綠素含量[23]。本研究結(jié)果表明,水稻不同時(shí)期和不同葉位的SPAD值與施氮量均呈現(xiàn)線性關(guān)系,并且提高氮肥的投入量能夠減少葉位間SPAD的差值,這與李剛?cè)A等[22]研究結(jié)果一致。SPAD葉綠素儀讀數(shù)大小和植株氮素之間的關(guān)系取決于品種、施氮量及測(cè)定時(shí)期,氮肥的施用水平、施用時(shí)間等不同的田間管理措施不會(huì)改變施氮量與SPAD值的線性關(guān)系[25],卻能夠改變水稻冠層葉片“黑黃”出現(xiàn)的時(shí)間以及交替變化波動(dòng)的幅度[26]。黃影華等[27]研究稱(chēng)不同水稻品種葉片SPAD值均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)為降低趨勢(shì),而其他研究認(rèn)為水稻頂部葉片SPAD值的降低呈現(xiàn)的是二次動(dòng)態(tài)下降,并非簡(jiǎn)單的線性降低,表現(xiàn)為葉片顏色“黑-黃-黑”交替[28-29]。本試驗(yàn)的研究結(jié)果與后者一致,即SPAD值從幼穗分化期至孕穗期下降,進(jìn)入抽穗期后開(kāi)始回升,隨著生育期的推進(jìn),齊穗期SPAD值又開(kāi)始降低。通過(guò)分析,出現(xiàn)SPAD值動(dòng)態(tài)變化的原因可能是水稻在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期頂部葉片積累了大量的氮素,氮素逐漸增加,致使葉片顏色加深,SPAD值升高,隨著生育期的推進(jìn),水稻生殖生長(zhǎng)利用前期葉片積累氮素主要進(jìn)行幼穗分化,葉片顏色變淺,SPAD值降低。此后葉片持續(xù)光合,儲(chǔ)存大量氮素,葉片可利用的氮素增加,致使葉片顏色加深,SPAD值回升[30]。水稻進(jìn)入灌漿期直至成熟收獲,葉片積累的氮素轉(zhuǎn)移至稻米并合成蛋白質(zhì),葉片顏色越來(lái)越黃,SPAD值會(huì)顯著降低,所以成熟期葉片SPAD值越低,則頂部葉片殘留的氮素含量較少,說(shuō)明氮素向稻米轉(zhuǎn)運(yùn)的較多,從而稻米中的蛋白質(zhì)含量合成較多[31]。因此,葉片氮素含量與SPAD值和施氮量密切相關(guān),葉綠素計(jì)讀數(shù)在一定程度能夠反映植株葉片及籽粒的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.2 SPAD值動(dòng)態(tài)變化特征與蛋白質(zhì)含量的關(guān)系

SPAD值動(dòng)態(tài)變化很好地反映了水稻的生理代謝特征,SPAD值較大時(shí),葉片顏色表現(xiàn)為深綠,植株氮素充足,此時(shí)植株體內(nèi)氮代謝較強(qiáng),蛋白質(zhì)合成較多[26]。而SPAD值較小時(shí),葉片的顏色表現(xiàn)為淺綠,則表明植株氮素不足,植株以碳代謝為主,氮代謝會(huì)衰退,此時(shí)蛋白質(zhì)合成減弱但同化物積累增多[32]。所以葉片SPAD值和蛋白質(zhì)含量具有密切聯(lián)系,前人在秈稻[17]和其他作物中做了相關(guān)研究。王增裕等[33]發(fā)現(xiàn)小麥在花后第4周的周期內(nèi),籽粒含氮量與葉片含氮量的降低值表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系。高飛等[34]研究表明有效預(yù)測(cè)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的媒介是旗葉SPAD 值的遞減速率。張賢等[35]發(fā)現(xiàn)在白三葉營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期內(nèi),葉片蛋白質(zhì)含量與SPAD值呈正相關(guān);在開(kāi)花期內(nèi),兩者之間呈負(fù)相關(guān)。王文石等[36]研究則表明黑麥草拔節(jié)期、孕穗期葉片SPAD值與其干草中粗蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)。在本研究中,利用單葉片SPAD值預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)含量受品種差異影響較大,較難實(shí)現(xiàn)。而衍生指標(biāo)SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3/mean均與籽粒蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系,3個(gè)指標(biāo)與蛋白質(zhì)含量回歸方程的R2均達(dá)到了極顯著水平,所以利用衍生指標(biāo)可有效降低品種差異帶來(lái)的影響。通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)一步的測(cè)試與檢驗(yàn),指標(biāo)SPAD(L1+L2+L3)/3和SPADL2×L3/mean顯示出模擬值和觀測(cè)值間良好的擬合關(guān)系,并且兩個(gè)指標(biāo)具有較高的敏感性和穩(wěn)定性。指標(biāo)SPADL1×L2×L3/mean預(yù)測(cè)精度較差的原因可能是SPAD值測(cè)定的精確度易受水稻品種、生長(zhǎng)時(shí)期和生長(zhǎng)環(huán)境等因素的影響[37-38,28],而蛋白質(zhì)受田間氣候因素及環(huán)境影響會(huì)發(fā)生遺傳變異[39]。因此,借助SPAD(L1+L2+L3)/3和SPADL2×L3/mean指標(biāo)可有效降低品種及環(huán)境差異帶來(lái)的影響,實(shí)現(xiàn)在選種或收獲前通過(guò)頂部葉片的SPAD值預(yù)測(cè)稻米蛋白質(zhì)含量的目的,達(dá)到按質(zhì)收獲的要求。

3.3 稻米蛋白質(zhì)含量對(duì)食味值的影響

蛋白質(zhì)作為稻米重要組成成分,其含量相對(duì)較低,僅占稻米的 8%左右,但對(duì)稻米食味品質(zhì)有著不可忽視的作用[40]。大部分學(xué)者認(rèn)為稻米蛋白質(zhì)含量偏高,會(huì)造成米飯硬度變大,黏度降低,色澤變差,稻米食味值顯著下降[41-42],也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)稻米的蛋白質(zhì)含量較高,其食味值不一定降低[43-44]。本研究通過(guò)分析稻米蛋白質(zhì)含量和食味值的關(guān)系(圖3)發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),稻米蛋白質(zhì)含量與食味值呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與前者的研究一致。而錢(qián)春榮等[45]指出食味值與蛋白質(zhì)含量并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不同。關(guān)于稻米蛋白質(zhì)含量對(duì)食味值的影響機(jī)理,有學(xué)者提出稻米蛋白質(zhì)含量影響食味品質(zhì)的原因是前者能夠影響淀粉結(jié)構(gòu)的合成或作用于淀粉糊化過(guò)程而產(chǎn)生的間接效應(yīng),如Martin等[46]、謝黎虹等[47]用蛋白酶酶解蛋白質(zhì)后,發(fā)現(xiàn)RVA(Rapid Visco-Analyser)上升段的斜率發(fā)生變化,說(shuō)明蛋白質(zhì)通過(guò)水合改變淀粉的吸水量而影響米飯質(zhì)地。還有研究認(rèn)為如果蛋白質(zhì)含量變高,會(huì)促使籽粒結(jié)構(gòu)緊密,大量蛋白體填塞在淀粉體間的空隙而與淀粉緊密結(jié)合,打破蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)使淀粉糊化就需要更多的能量,同樣會(huì)導(dǎo)致稻米淀粉糊化膨脹受到抑制[48-49],從而降低蒸煮食味品質(zhì)。所以稻米蛋白質(zhì)含量增高致使食味品質(zhì)降低是直接效應(yīng)還是蛋白質(zhì)作用于淀粉而產(chǎn)生的間接效應(yīng),還需要更為深入的研究才能確定。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析2020—2021年試驗(yàn)處理間蛋白質(zhì)含量、食味值、SPAD值的差異,本研究得出以下結(jié)論:

(1)增施氮肥會(huì)極顯著提高稻米的蛋白質(zhì)含量并降低其食味值;不同品種蛋白質(zhì)含量差異較大,蛋白質(zhì)含量較高的品種食味值偏低,且稻米食味值與蛋白質(zhì)含量之間存在線性關(guān)系。

(2)不同時(shí)期、不同葉位的SPAD值與施氮量均呈現(xiàn)線性關(guān)系,并且提高氮肥的投入量能減少葉位間SPAD值的差值。不同水稻品種的SPAD值分布差異較大,冠層葉色“黑黃交替”現(xiàn)象在不同施氮量、不同品種下均會(huì)出現(xiàn)。

(3)篩選出的指標(biāo)SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean能夠有效降低品種及環(huán)境差異對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響,兩個(gè)指標(biāo)與蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為線性關(guān)系。

綜上,借助指標(biāo) SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean能夠快速、無(wú)損、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)稻米蛋白質(zhì)含量高低從而判定其蒸煮食味品質(zhì)的優(yōu)劣。