施用石灰是改良土壤酸化的有效措施[14]。石灰不仅可以直接中和土壤酸度，还能够降低交换性铝含量，增加土壤交换性钙、交换性镁含量和阳离子交换量[15]。此外，适量施用石灰能够促进土壤团聚体的形成，提高土壤的保水性，促进根系的生长发育[16]，还能够改善土壤的微生物多样性，促进有益微生物的生长，更新土壤健康状态[17]。有研究[18]表明，石灰还可以使重金属离子在土壤中以碳酸盐、聚合物、氢氧化物等形式沉积下来，从而降低重金属的生物有效性。但是，单施石灰对土壤肥力的提升效果并不明显，且长期大量施用石灰可能导致土壤物理性质恶化，不利于作物生长[19]。本研究假设，石灰与猪粪有机肥配施在改良土壤酸化和提升肥力的同时，能够降低有机肥中重金属的生物有效性。前人[20-21]研究主要关注石灰或猪粪有机肥单独施用对酸性土壤的改良效果和对水稻产量的影响，对稻米品质的影响鲜有报道。但近年来，人们消费水平与生活质量不断提高，对稻米品质的要求越来越高。为此，本研究在酸性稻田上开展田间试验，探明石灰与猪粪有机肥配施对双季优质稻稻米品质的影响，旨在为酸性稻田土壤改良和双季优质稻生产提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2019-2020年在江西省南昌市进贤县张公镇江西省红壤研究所（116°20′24″ E，28°15′30″ N）进行。试验地属于亚热带季风气候，年均降水量1684 mm，年蒸发量1100~1300 mm；年均气温17.7~18.5 ℃。该地区耕作制度为早稻季（4-7月）、晚稻季（7-11月）和冬闲季（11月-翌年4月）。供试土壤为第四纪红色黏土发育而来的水稻土。试验前0~20 cm耕作层土壤理化性质为pH 5.24、有机质28.23 g/kg、全氮1.50 g/kg、全磷0.46 g/kg、全钾9.22 g/kg、碱解氮146.34 mg/kg、有效磷26.31 mg/kg、速效钾82.12 mg/kg、总镉0.02 mg/kg。
1.2 试验设计
本试验采用完全随机区组设计，各小区面积均为60 m2。共设置3个处理，分别为施用化肥处理（NPK）；猪粪有机肥替代50%的化肥氮处理（1/2N+M），磷、钾肥在扣除猪粪中的含量后，不足部分用化肥补充；石灰与猪粪有机肥配施处理（1/2N+M+L），仅在2019年早稻整地前撒施一次熟石灰Ca(OH)2 2.45 t/hm2（2018年晚稻收获后施用，仅施用一次），施肥和1/2N+M处理一致。每个处理3个重复，处理间的田埂用黑色塑料薄膜包裹，边际用土压实，防止串肥。
供试有机肥为猪粪，由张公镇马家村养猪场提供。猪粪的养分为全氮26.32 g/kg、全磷34.24 g/kg、全钾13.94 g/kg、全镉0.16 mg/kg。2年供试水稻品种一致，早稻品种为杂交籼稻柒两优2012，晚稻品种为杂交籼稻泰优871。早稻和晚稻移栽密度分别为25 cm×13 cm和25 cm×16 cm。采用人工移栽，早稻每穴移栽4根苗，晚稻每穴移栽2根苗。NPK处理早稻和晚稻的施肥量相同。以尿素作为氮肥（含N 46.7%），施用量为纯氮150 kg/hm2，基肥和分蘖肥的施用比例为5:5。磷肥使用钙镁磷肥（含P2O5 12%），钾肥使用氯化钾（含K2O 60%），P2O5和K2O施用量均为75 kg/hm2，全部作基肥。施肥方式为人工撒施。在每一水稻季移栽前取样测定猪粪的含水量与养分含量，对比折算出等氮量替代50%化肥氮素的猪粪施用量，于移栽前5 d均匀撒施。
田间水分管理为水稻生育前期保持浅水层，于分蘖中期排水进行晒田，后期采取干湿交替的灌溉措施，直至水稻收获前1周左右自然排干。水稻移栽前先灌水泡田5 d，之后旋耕埋茬、施基肥，沉实2 d后插秧。水稻田间病虫害管理与当地高产栽培模式保持一致。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 稻米加工品质
成熟期适时收割，将水稻籽粒在室温下放置3个月后，取200 g稻谷置于脱粒机中脱壳，获得糙米，称取单位精确至0.01 g。再将糙米置于碾米机中碾磨，获得精米，称取单位亦精确至0.01 g，分别计算糙米率和精米率。挑取精米中米粒完整、长度合格的部分，除以脱粒前稻谷的重量再乘以100，便得到了整精米率。
1.3.2 稻米外观品质
在扫描仪（Microtek ScanMaker i800 Plus，上海中品科技有限公司，中国）上平铺适量整精米进行扫描，米粒间无重叠。再运行相应的万深种子大米外观检测软件分析测定垩白粒率和垩白度。
1.3.3 直链淀粉含量和胶稠度
称量适量米粉于消化管中，用乙醇和氢氧化钠溶液处理并煮沸，随后冷却并定容得到样品溶液。从样品溶液中吸取一定量进行酸化和碘液反应。利用标样绘制出标准曲线并得出回归方程式，测定样品的吸光度值并代入即可得出直链淀粉含量。称取100 mg的精米米粉放入试管中，沸水浴加热8 min，接着取出并冷却。一段时间后将试管平放于水平台桌上静置1 h，最后测量试管内米胶的流动长度，即胶稠度。
1.3.4 淀粉RVA谱特征值
采用澳大利亚Newport Scientific仪器公司的Super 3型RVA快速测定淀粉RVA谱特征值，用TWC配套软件自动记录、读取RVA特征值。
1.3.5 镉含量
精米研磨成粉后采用HNO3-H2O2法消解，利用原子吸收光谱仪（iCE 3000 series，Thermo Scientific仪器公司，德国）石墨炉法测定稻米中镉的含量。
1.4 数据处理
采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析，使用最小显著性差异法于P<0.05水平进行处理间的多重比较。
2 结果与分析
2.1 石灰与猪粪配施对稻米加工品质的影响
表1 石灰与猪粪配施对早稻稻米加工品质的影响
Table 1
| 年份 Year | 处理 Treatment | 糙米率 Brown rice rate | 精米率 Milled rice rate | 整精米率 Head rice rate |
|---|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 78.63±1.25a | 61.99±1.07b | 38.75±0.11b |
| 1/2N+M | 79.36±0.72a | 63.19±1.10a | 40.77±1.80b | |
| 1/2N+M+L | 79.37±0.72a | 64.17±0.97a | 46.19±0.53a | |
| 2020 | NPK | 78.27±0.30a | 55.82±0.54a | 42.90±0.63b |
| 1/2N+M | 77.90±0.33a | 55.26±0.10a | 44.30±0.10a | |
| 1/2N+M+L | 77.44±0.79a | 56.00±0.65a | 44.66±0.64a |
同一列的不同小写字母表示同一年份的不同处理间差异显著（P < 0.05），下同。
Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments in the same year (P < 0.05), the same below.
表2 石灰与猪粪配施对晚稻稻米加工品质的影响
Table 2
| 年份 Year | 处理 Treatment | 糙米率 Brown rice rate | 精米率 Milled rice rate | 整精米率 Head rice rate |
|---|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 75.80±1.59a | 64.61±4.60a | 46.34±5.60a |
| 1/2N+M | 77.35±0.87a | 62.58±0.56a | 43.92±2.06a | |
| 1/2N+M+L | 79.18±2.25a | 65.10±2.45a | 49.36±4.86a | |
| 2020 | NPK | 81.44±0.38a | 69.87±0.08a | 60.89±0.86a |
| 1/2N+M | 81.25±0.23a | 69.39±0.62a | 59.46±1.66a | |
| 1/2N+M+L | 81.37±0.47a | 69.53±0.02a | 61.94±1.07a |
2.2 石灰与猪粪配施对稻米外观品质的影响
表3 石灰与猪粪配施对早稻稻米外观品质的影响
Table 3
| 年份 Year | 处理 Treatment | 垩白粒率 Chalky grain rate | 垩白度 Chalkiness |
|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 17.75±0.81a | 5.67±0.13a |
| 1/2N+M | 16.38±0.89a | 5.25±0.68ab | |
| 1/2N+M+L | 15.66±1.41a | 4.68±0.19b | |
| 2020 | NPK | 18.46±2.66a | 5.73±0.28a |
| 1/2N+M | 14.81±0.80b | 4.28±0.13b | |
| 1/2N+M+L | 13.47±0.77b | 4.21±0.13b |
表4 石灰与猪粪配施对晚稻稻米外观品质的影响
Table 4
| 年份 Year | 处理 Treatment | 垩白粒率 Chalky grain rate | 垩白度 Chalkiness |
|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 18.87±3.76a | 8.61±1.86a |
| 1/2N+M | 15.15±1.16a | 6.79±0.59ab | |
| 1/2N+M+L | 14.28±2.32a | 5.50±0.76b | |
| 2020 | NPK | 5.90±0.08a | 1.35±0.02a |
| 1/2N+M | 5.88±1.14a | 1.38±0.06a | |
| 1/2N+M+L | 5.83±0.53a | 1.37±0.12a |
2.3 石灰与猪粪配施对稻米直链淀粉含量和胶稠度的影响
表5 石灰与猪粪配施对早稻稻米直链淀粉含量和胶稠度的影响
Table 5
| 年份 Year | 处理 Treatment | 直链淀粉含量 Amylose content (%) | 胶稠度 Gel consistency (mm) |
|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 16.81±0.15a | 70.00±0.24b |
| 1/2N+M | 16.55±0.40a | 68.40±0.97b | |
| 1/2N+M+L | 15.54±0.65b | 73.32±1.94a | |
| 2020 | NPK | 16.55±0.23a | 69.56±2.10b |
| 1/2N+M | 16.17±0.36ab | 73.86±0.82ab | |
| 1/2N+M+L | 15.94±0.23b | 75.56±1.00a |
表6 石灰与猪粪配施对晚稻稻米直链淀粉含量和胶稠度的影响
Table 6
| 年份 Year | 处理 Treatment | 直链淀粉含量 Amylose content (%) | 胶稠度 Gel consistency (mm) |
|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 18.23±2.58a | 81.36±2.20a |
| 1/2N+M | 18.43±1.58a | 81.29±1.50a | |
| 1/2N+M+L | 18.86±0.92a | 84.64±1.46a | |
| 2020 | NPK | 17.03±0.45ab | 64.15±0.53ab |
| 1/2N+M | 17.70±0.30a | 64.05±0.15b | |
| 1/2N+M+L | 16.81±0.25b | 65.57±0.77a |
2.4 石灰与猪粪配施对米粉RVA谱特征值的影响
表7 石灰与猪粪配施对早稻稻米RVA的影响
Table 7
| 年份 Year | 处理 Treatment | 最高黏度 Peak viscosity (cP) | 热浆黏度 Hot paste viscosity (cP) | 最终黏度 Final viscosity (cP) | 崩解值 Breakdown (cP) | 消减值 Setback (cP) | 峰值时间 Peak time (min) | 糊化温度 Pasting temperature (℃) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 3821±135.97a | 1791±81.87a | 3074±98.33b | 2030±135.91a | -747±99.36a | 5.69±0.03a | 76.30±0.05a |
| 1/2N+M | 3773±141.99a | 1779±98.60a | 3090±58.28ab | 1993±105.31a | -682±106.88a | 5.71±0.03a | 76.33±0.08a | |
| 1/2N+M+L | 3990±74.32a | 1905±100.71a | 3272±119.04a | 2085±155.89a | -718±183.53a | 5.78±0.08a | 76.85±0.95a | |
| 2020 | NPK | 3307±133.99a | 1970±65.09a | 3120±122.05a | 1337±119.49a | -187±40.95a | 6.05±0.17a | 80.30±2.35a |
| 1/2N+M | 3398±343.43a | 2006±154.72a | 3225±179.23a | 1392±190.58a | -266±28.58a | 6.00±0.07a | 78.73±0.06a | |
| 1/2N+M+L | 3623±225.87a | 2004±156.92a | 3240±184.72a | 1619±90.32a | -384±45.83b | 5.82±0.04a | 80.02±2.33a |
表8 石灰与猪粪配施对晚稻稻米RVA的影响
Table 8
| 年份 Year | 处理 Treatment | 最高黏度 Peak viscosity (cP) | 热浆黏度 Hot paste viscosity (cP) | 最终黏度 Final viscosity (cP) | 崩解值 Breakdown (cP) | 消减值 Setback (cP) | 峰值时间 Peak time (min) | 糊化温度 Pasting temperature (℃) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2019 | NPK | 2749±82.33b | 1516±52.35b | 2809±102.58b | 1233±103.57b | 60±8.72a | 5.69±0.06a | 78.43±0.09a |
| 1/2N+M | 3278±193.62a | 1803±88.72a | 3201±145.72a | 1481±149.86ab | -77±8.83ab | 5.67±0.03a | 78.47±0.87a | |
| 1/2N+M+L | 3644±206.18a | 1942±79.45a | 3412±149.86a | 1702±98.62a | -232±30.26b | 5.76±0.07a | 78.17±0.46a | |
| 2020 | NPK | 1803±28.94b | 1207±47.43a | 2476±85.85a | 597±20.03b | 699±10.97a | 5.94±0.12a | 92.58±0.45a |
| 1/2N+M | 1822±53.01ab | 1223±40.95a | 2492±83.34a | 599±21.78b | 666±24.11b | 5.93±0.07a | 92.28±0.06a | |
| 1/2N+M+L | 1925±63.09a | 1261±27.07a | 2567±44.88a | 664±36.02a | 639±6.43b | 5.89±0.03a | 92.30±0.02a |
2.5 石灰与猪粪配施对双季稻精米中镉含量的影响
由图1可知，与NPK相比，1/2N+M和1/2N+ M+L显著增加了2020年早稻精米的镉含量。此外，1/2N+M对2019年早、晚稻和2020年晚稻精米的镉含量有升高趋势，但差异不显著。与1/2N+M相比，1/2N+M+L显著降低了2020年早稻精米的镉含量，对其余组别的精米镉含量均有降低趋势。同一年份3个处理的精米镉含量都表现出晚季高于早季。
图1
图1
石灰与猪粪配施对精米中镉含量的影响
不同小写字母表示同一年份的不同处理间差异显著（P < 0.05）。
Fig.1
Effects of combined lime and pig manure application on the cadmium concentration in polished rice
Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (P < 0.05).
3 讨论
3.1 石灰与猪粪配施对稻米加工、外观和食味品质的影响
食味优质的稻米往往表现出较低的消减值和较高的崩解值。本研究表明，与单施化肥相比，猪粪有机肥替代化肥显著降低了稻米的消减值，提升了稻米的食味品质。高捷[28]研究表明，有机肥替代部分化肥可以提高稻米最高黏度、热浆黏度、最终黏度和崩解值，降低稻米消减值，从而提高稻米蒸煮食味品质，这与本研究结果相一致。但在本研究中，相较于单施化肥，猪粪有机肥替代化肥对稻米直链淀粉含量和胶稠度没有显著差异。董慧等[29]研究发现，有机肥替代部分化肥会降低稻米直链淀粉含量。王雪冬[30]研究认为，有机肥替代部分无机肥提高了稻米直链淀粉含量。以上结果不一致的原因可能是直链淀粉含量受施肥处理的影响较小，受品种与外界环境影响较大[31]。稻米品质受遗传特征和环境条件的综合影响。水稻品种、土壤生态环境、气候条件、种植制度以及栽培技术等因素的改变均会引起水稻营养器官运输代谢功能的差异，最终形成不同的品质特性[32]。
3.2 石灰与猪粪配施对稻米镉含量的影响
前人[37]研究发现，石灰与有机肥配施有效降低了土壤中的镉浓度。然而，这种施肥方式对稻米中镉的影响尚不清楚。在本试验中，与单施猪粪有机肥相比，石灰与猪粪配施处理的稻米镉含量均有一定程度的减少。生物有效态镉是植物体吸收镉的主要形式[38]。水稻通过根部吸收有效态镉，随后镉由根部进入木质部并向茎部转运，最后转运到籽粒[39]。有研究[40]表明，石灰的施入导致土壤酸碱度提高，促进了难溶性的羟基态镉和CdCO3的形成，降低了土壤有效态镉的含量，从而减少水稻根部对镉的吸收。H+的减少还增加了土壤表面的离子吸附位点，减缓了Cd2+在土壤溶液中的迁移速率[41]。另有研究[42]表明，石灰还能显著提高土壤阳离子交换量以及土壤氧化还原电位，增强土壤胶体对Cd2+的吸附能力。此外，石灰中的Ca2+会与土壤中的重金属离子产生拮抗效应，减少Cd2+由茎秆向叶片及籽粒的转运[43]。因此，石灰与猪粪配合施用能够显著降低水稻对重金属的吸收，有效提升农产品的安全性。
应该指出的是，猪粪有机肥需要较长施用年限才能发挥其提升土壤肥力的效果，其带来的镉等重金属在土壤中的累积亦是一个缓慢的过程。因此，石灰与猪粪配施对土壤肥力和稻米镉含量的影响仍需持续监测。
4 结论
石灰与猪粪配施不仅能够有效提高稻米的精米率、整精米率、胶稠度和崩解值，降低稻米的垩白度、垩白粒率、直链淀粉含量和消减值，还可以减轻猪粪中镉在稻米中的累积。因此，在猪粪有机肥还田的基础上配施石灰不仅能够改良土壤酸化和提升土壤肥力，并且有助于提升双季优质稻的稻米品质。
参考文献
Mineralogical comparison of agriculturally acidified and naturally acidic soils
Significant acidification in major Chinese croplands
DOI:10.1126/science.1182570
PMID:20150447
[本文引用: 1]
Soil acidification is a major problem in soils of intensive Chinese agricultural systems. We used two nationwide surveys, paired comparisons in numerous individual sites, and several long-term monitoring-field data sets to evaluate changes in soil acidity. Soil pH declined significantly (P < 0.001) from the 1980s to the 2000s in the major Chinese crop-production areas. Processes related to nitrogen cycling released 20 to 221 kilomoles of hydrogen ion (H+) per hectare per year, and base cations uptake contributed a further 15 to 20 kilomoles of H+ per hectare per year to soil acidification in four widespread cropping systems. In comparison, acid deposition (0.4 to 2.0 kilomoles of H+ per hectare per year) made a small contribution to the acidification of agricultural soils across China.
Organic fertilizer improves soil fertility and restores the bacterial community after 1, 3- dichloropropene fumigation
水稻有机肥替代化肥的效果研究
Crop yield-soil quality balance in double cropping in China’s upland by organic amendments: a meta-analysis
Effects of organic fertilizer proportion on the distribution of soil aggregates and their associated organic carbon in a field mulched with gravel
Liming impacts on soils, crops and biodiversity in the UK: a review
Liming effects on soil pH and crop yield depend on lime material type, application method and rate, and crop species: a global meta-analysis
Responses of soil fungal communities to lime application in wheat fields in the pacific northwest
Short-term lime application impacts microbial community composition and potential function in an acid black soil
施用不同石灰类物质对双季优质稻产量和品质的影响
DOI:10.3969/j.issn.1006-8082.2023.03.011
[本文引用: 2]
南方双季稻区土壤酸化日益严重，已经成为制约水稻产量提升的主要因素之一。大量研究表明，施用石灰可以改良土壤酸化和提高水稻产量，但目前关于石灰施用对当地稻米品质的影响研究较少，且不同石灰类物质的施用效果是否存在差异还不是很清楚。于2021年在江西省典型酸性双季稻田上开展田间试验，旨在明确施用不同石灰类物质（氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙）对优质稻（早稻为柒两优2012、晚稻为美香占2号）产量和米质的影响。结果表明，不同石灰类物质间的施用效果无显著差异，且施用石灰类物质对早稻产量、品质和氮素吸收亦无显著影响。但与不施石灰对照相比，施用氧化钙、氢氧化钙和碳酸钙处理的晚稻显著增产11.3%、17.3%和17.6%，氮素吸收显著增加16.6%、17.1%和13.5%，精米率和整精米率分别显著提高1.3%~2.1%和6.1%~6.3%，直链淀粉含量显著下降4.7%~4.8%。与不施石灰对照相比，施用氧化钙、氢氧化钙和碳酸钙处理的早季稻田土壤pH值分别显著提升0.52、0.42和0.50个单位，晚季稻田土壤pH分别显著提升0.41、0.57和0.48个单位。可见，在酸性双季稻田上施用石灰类物质，在改良土壤酸化的同时改善了晚稻的加工和食味品质。
Nitrogen fertilizer increases seed protein and milling quality of rice
Improvements in the physical and chemical characteristics of degraded soils supplemented with organic-inorganic amendments in the Himalayan region of Kashmir, Pakistan
稻米品质形成机理研究——品质不同的粳稻品种籽粒灌浆过程中胚乳内含物质积累动态的比较研究
Molecular and environmental factors determining grain quality in rice
Occurrence of trace elements and antibiotics in manure-based fertilizers from the Zhejiang Province of China
Phytoavailability of cadmium in rice amended with organic materials and lime: effects of rhizosphere chemical changes and cadmium sequestration in iron plaque
Inhibition roles of calcium in cadmium uptake and translocation in rice: a review
Arsenic and cadmium accumulation in rice and mitigation strategies
Cadmium pollution of soil-rice ecosystems in rice cultivation dominated regions in China: a review
Variations in grain cadmium and arsenic concentrations and screening for stable low-accumulating rice cultivars from multi-environment trials
