氮肥施用量与水稻-水含羞草混作对稻米品质、淀粉结构及蛋白质组成的影响

《Food and Energy Security》：Effects of Nitrogen Application Rate and Rice–Water Mimosa Mixed Cropping on Rice Quality, Starch Structure, and Protein Composition

　　

稻米品质受氮（N）管理、种植制度和环境条件的共同影响。研究人员开展了一项为期两年的田间试验，以评估水稻-水含羞草混作及三种氮肥施用量（0、75和150 kg N ha^?1）对稻米碾磨品质、外观品质、理化特性、淀粉特性、蛋白质组成及米粉糊化特性的影响。增加氮肥施用量总体提高了糙米率、精米率、整精米率、胶稠度和蛋白质含量，但降低了仪器衍生食味指数、总淀粉含量、直链淀粉含量、峰值黏度、谷值黏度、崩解值和最终黏度。垩白度、垩白粒率和溶解度在75 kg N ha^?1下总体呈现最低值。与单作相比，混作在75 kg N ha^?1下对碾磨品质的提升和垩白的降低产生了最一致的促进作用，并在部分低氮和中氮处理下提高了仪器衍生食味指数和蛋白质含量。混作还改变了蛋白质组分构成，总体提高了醇溶蛋白和谷蛋白的相对比例，同时降低了残余蛋白组分。此外，混作改变了淀粉的短程分子有序结构和米粉的糊化特性，但这些响应的幅度和方向取决于氮肥施用量和试验年份。总体而言，稻米品质对混作的响应取决于氮肥管理和试验年份；在本两年试验条件下，所测三种氮肥用量中，75 kg N ha^?1对多项品质性状产生了较为有利的数值。

水稻是全球重要的主粮作物，其品质直接关系到粮食安全与消费偏好。随着消费者对稻米外观、加工性能、营养价值和蒸煮食味品质要求的提高，稻米品质已成为与产量同等重要的生产目标。稻米品质具有多维性，通常以碾磨品质、外观品质和蒸煮食味品质表征，而淀粉组成、淀粉分子有序结构、糊化特性和蛋白质积累又显著影响米饭质地、消化性和适口性。氮肥是影响水稻产量和氮素吸收的重要管理因子，但氮肥对稻米品质的影响并非单向：适量施氮可改善部分品质性状，过量施氮则可能引起蛋白质升高、淀粉结构和糊化特性改变，进而降低食味。已有研究表明，施氮对稻米品质的效应取决于施氮量、时期、品种、温度及具体品质指标，因此需要从多维度评价氮肥的影响。另一方面，禾本科-豆科混作被认为可改善资源互补性和作物表现，豆科植物通过共生固氮向伴生作物转移氮素的现象在旱作系统中已有报道。然而，关于水稻与水生豆科植物混作的研究仍较有限。水含羞草（Neptunia oleracea Lour.）是一种水生豆科植物，可与固氮根瘤菌形成根瘤。前期研究发现，水稻-水含羞草混作影响土壤氮素有效性、生物固氮输入和表观氮损失，并改变水稻冠层条件、产量、碾磨品质和垩白。但该体系对不同氮肥投入下稻米更广泛品质性状（如淀粉含量与短程分子有序度、蛋白质含量与组分、米粉糊化特性及其年际间关系）的影响仍缺乏系统解析。为此，研究人员开展了一项为期两年的田间试验，设置水稻单作和水稻-水含羞草混作两种种植模式，以及0、75、150 kg N ha^?1三种氮肥施用量，系统评价碾磨品质、外观品质、仪器食味相关性状、淀粉特性、蛋白质组分和糊化特性，并分析混作效应是否随氮肥水平和年份而变化，以及各品质变量间的关联。

研究人员在吉林农业大学教学科研基地（中国吉林省长春市，44°04′N，126°11′E）的砂质壤土上开展试验，供试水稻品种为吉粳88（生育期约144天），伴生作物为水含羞草。两年试验均采用随机完全区组设计，设置6个处理组合：单作下0、75、150 kg N ha^?1（分别编码R1、R2、R3）和混作下对应施氮量（编码RW1、RW2、RW3），每年3个独立区组，共18个小区，每小区面积40 m²，独立排灌。水稻于5月27日移栽，行株距30 cm×16.5 cm，每穴3苗；混作处理中水含羞草以100,000株 ha^?1的密度随机分布于稻株间。氮肥为尿素，按基肥:分蘖肥:穗肥=40%:30%:30%施用，磷钾各一次性基施75 kg P₂O₅ ha^?1和75 kg K₂O ha^?1。成熟期每小区去除边行后取5.0 m²稻株，脱粒、干燥至含水量约14%，室温通风贮存3个月后进行品质测定。每个小区作为独立实验单元，每次测定设3次技术重复，取均值用于统计。

主要关键技术方法包括：按国标GB/T 17891-2017测定糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率和垩白度；使用FOSS Infratec NOVA近红外谷物分析仪获取仪器衍生食味指数（ITI）；采用酸水解-蒽酮比色法测定总淀粉含量，碘比色法测定直链淀粉含量，支链淀粉含量由总淀粉减去直链淀粉计算；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合衰减全反射（ATR）附件和去卷积处理，计算A1045/A1022和A1022/A995吸光度比值以表征淀粉短程分子有序结构；使用凯氏定氮法测定粗蛋白含量，并按Osborne溶解度分级原理依次提取清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，分别采用考马斯亮蓝G-250法和双缩脲法定量；按Zhu等的方法测定米粉溶解度和膨胀势；使用快速黏度分析仪（RVA-TecMaster）测定峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值和回生值；按Cagampang等的方法测定胶稠度。统计分析使用SPSS 26.0，按年份进行双因素方差分析，并将两年数据合并进行以年份、氮肥、种植制度及其交互为固定效应的组合分析；采用主成分分析（PCA）和Pearson相关分析探索品质变量间的关联。

### 3.1 氮肥施用量和水稻-水含羞草混作对稻米碾磨品质和外观品质的影响

施氮量显著影响所有碾磨和外观品质性状，种植制度显著影响糙米率、整精米率、垩白度和垩白粒率，但精米率不受种植制度显著影响，且所有性状均存在显著的氮肥×种植制度互作。两年结果一致表明，施氮总体上提高了糙米率、精米率和整精米率，而垩白度和垩白粒率在75 kg N ha^?1下最低。混作效应最突出的表现出现在75 kg N ha^?1下：2024年RW2较R2精米率提高2.09%，垩白度和垩白粒率分别降低12.55%和8.94%；2025年RW2较R2糙米率、精米率和整精米率分别提高3.15%、1.60%和2.09%，垩白度和垩白粒率分别降低11.32%和8.82%。混作在0和150 kg N ha^?1下对碾磨品质的改善作用有限，且年际间存在差异。

### 3.2 氮肥施用量和水稻-水含羞草混作对米粉品质的影响

施氮量和种植制度对胶稠度、仪器衍生食味指数、膨胀势、溶解度和蛋白质含量均有显著影响。施氮总体上提高了胶稠度和蛋白质含量，降低了仪器衍生食味指数；膨胀势在150 kg N ha^?1下最高，溶解度在75 kg N ha^?1下最低。混作在低氮和中氮条件下显著提高了仪器衍生食味指数：2024年RW1较R1提高3.11%，RW2较R2提高5.55%；2025年RW1提高2.15%，RW2提高5.19%。混作还显著降低了多个氮素水平下的溶解度，并在75 kg N ha^?1下显著提高了蛋白质含量（2024年+5.37%，2025年+8.42%）。混作对胶稠度和膨胀势的效应在多数处理下不显著。

### 3.3 氮肥施用量和水稻-水含羞草混作对稻米淀粉组成的影响

施氮量和种植制度均显著影响总淀粉含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量、支链淀粉/直链淀粉比值和淀粉/蛋白质比值，且所有性状均存在显著的氮肥×种植制度互作。总体而言，施氮降低了总淀粉、直链淀粉、支链淀粉、支链/直链比和淀粉/蛋白质比。混作进一步降低了多个氮素水平下的淀粉相关指标，但效应方向和幅度因年份而异：2024年RW1较R1总淀粉、直链淀粉、支链淀粉、支链/直链比和淀粉/蛋白质比分别降低5.72%、3.59%、6.30%、2.74%和7.93%；2025年各氮素水平下混作对上述指标的降幅更大，RW2较R2总淀粉含量降低15.03%，直链淀粉降低6.53%。混作在2025年对所有五项指标均产生显著降低作用，而2024年高氮下混作对总淀粉和支链淀粉无显著影响。

### 3.4 氮肥施用量和水稻-水含羞草混作对米粉蛋白质组分相对比例的影响

米粉中谷蛋白为优势蛋白组分，其次为残余蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和清蛋白。施氮总体上提高了清蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的相对比例，降低了残余蛋白比例。混作进一步提高了醇溶蛋白和谷蛋白的比例，并显著降低了残余蛋白比例。例如，2024年RW2较R2醇溶蛋白和谷蛋白相对比例分别提高26.68%和10.62%，残余蛋白降低46.14%；2025年RW2较R2清蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白分别提高17.53%、27.26%和9.22%，残余蛋白降低53.42%。球蛋白比例在各处理间变化很小。混作对蛋白组分构成的影响在75和150 kg N ha^?1下更为明显。

### 3.5 氮肥施用量和水稻-水含羞草混作对米粉糊化特性的影响

施氮量显著影响所有RVA参数，种植制度显著影响峰值黏度、谷值黏度、崩解值和最终黏度，但不影响回生值。两年中，施氮总体上降低了峰值黏度、谷值黏度、崩解值和最终黏度，回生值在最高施氮量下明显升高。混作对糊化特性的影响随氮素水平和年份变化：2024年RW2较R2峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度和回生值分别降低3.09%、4.70%、1.01%、5.30%和15.54%；2025年RW2较R2对应参数分别降低10.10%、16.64%、9.35%、7.73%和18.10%。在0和150 kg N ha^?1下混作的糊化特性响应不一致，部分处理无显著差异。

### 3.6 氮肥施用量和水稻-水含羞草混作对稻米淀粉FTIR光谱特征及短程分子有序结构的影响

FTIR光谱分析显示，施氮量和种植制度对A1045/A1022和A1022/A995比值均有显著影响，且两者存在显著的三因素互作。2024年施氮降低了A1045/A1022并提高了A1022/A995；混作在所有氮素水平下均显著降低A1045/A1022，并提高A1022/A995。2025年混作在0氮下使A1045/A1022和A1022/A995分别降低0.51%和4.85%，但在75和150 kg N ha^?1下降低A1045/A1022、提高A1022/A995。结果表明，施氮和混作改变了淀粉短程分子有序结构，但方向和幅度依赖于氮肥用量和年份。

### 3.7 稻米品质性状的主成分分析

主成分分析前两个主成分解释了总变异的65.9%（PC1 51.1%，PC2 14.8%）。处理分化主要沿PC1发生，R1、RW1分布于负侧，R3、RW3分布于正侧，R2、RW2居中间位置。糙米率、精米率、整精米率、胶稠度、清蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白和A1022/A995与PC1正相关，而总淀粉、直链淀粉、仪器衍生食味指数、溶解度、垩白度、垩白粒率和A1045/A1022与PC1负相关。该结果说明氮肥施用量是稻米品质多元变异的主要驱动因素，混作在相同氮水平下产生附加位移。

### 3.8 相关性分析

基于36个小区的Pearson相关分析表明，整精米率与蛋白质含量（r=0.90）、A1022/A995（r=0.77）和胶稠度（r=0.73）正相关，与A1045/A1022（r=?0.82）、总淀粉（r=?0.77）、溶解度（r=?0.72）和垩白度（r=?0.70）负相关。垩白度与溶解度呈强正相关（r=0.97），与蛋白质含量负相关（r=?0.60）。蛋白质含量与A1045/A1022呈强负相关（r=?0.91），与A1022/A995呈强正相关（r=0.89）。总淀粉与直链淀粉高度正相关（r=0.92）。仪器衍生食味指数与蛋白质含量（r=?0.62）、胶稠度（r=?0.57）等负相关。相关分析为探索性结果，不表明因果关系。

讨论部分指出，氮肥施用量对稻米碾磨和外观品质的效应与已有研究一致，即适量施氮改善加工品质，过量施氮可能劣化籽粒灌浆。混作在75 kg N ha^?1下对碾磨品质和垩白的改善最明显，但该效应并非在所有氮水平下一致，说明混作效应依赖于氮肥管理背景。垩白的降低可能与灌浆环境和淀粉-蛋白沉积平衡改变有关，但本研究未直接测定灌浆速率、冠层微气候、氮素转移和碳氮代谢，故不能将外观品质改善归因于水含羞草向水稻的氮素转移。施氮提高胶稠度和蛋白质含量、降低仪器衍生食味指数的现象与文献相符。混作提高了部分处理下仪器衍生食味指数和蛋白质含量，但仪器指数未经感官小组验证，不能等同于食味品质。年份间温度和降水差异可能造成处理响应的不一致，但缺乏灌浆动态和小区微气候数据，无法分离具体环境因子贡献。混作改变了蛋白组分构成，使醇溶蛋白和谷蛋白比例升高、残余蛋白降低，但未测定蛋白体结构、氨基酸组成和消化率，故仅反映组分迁移而非营养改善。施氮及混作降低总淀粉和直链淀粉，并伴随蛋白质升高，可能反映碳氮分配变化，但缺乏碳氮代谢和酶活性证据。FTIR和RVA结果显示处理改变了淀粉短程分子有序性和米粉糊化行为，但这些属于理化关联而非食味改善的直接证据。综上所述，氮肥管理和种植制度共同影响稻米品质，且年际间存在差异。施氮总体提高碾磨品质、胶稠度和蛋白质含量，降低仪器衍生食味指数、总淀粉和直链淀粉；垩白在75 kg N ha^?1下最低。混作在75 kg N ha^?1下对多项碾磨和外观品质呈现有利效应，并在低中氮水平提高仪器衍生食味指数，同时改变蛋白组分、淀粉特性、短程分子结构和糊化特性，但这些响应不一致，不能视为食味改善或特定生理机制的证明。在本两年试验条件下，75 kg N ha^?1对多项品质性状产生较优值。