刘嫒桦 李小坤, 2, *
不同肥料施用与稻米品质关系的整合分析
刘嫒桦1李小坤1, 2, *
(1华中农业大学 资源与环境学院/农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室/华中农业大学微量元素研究中心，武汉 430070；
2华中农业大学 双水双绿研究院，武汉 430070；
*通信联系人, email: lixiaokun@mail.hzau.edu.cn)
【目的】科学施肥是提高稻米品质的有效手段之一，整合不同养分与稻米品质的关系，为改善稻米品质提供理论依据。【方法】以氮、磷、钾、钙、镁、硫、锌、铁、硅、水稻和品质为主要关键词，在“中国知网”和“Web of Science”检索2001年至2021年公开发表的文献，共筛选出符合分析标准的文献94篇、共计数据4277组。将文献中的稻米品质分为营养品质、蒸煮食味品质、外观品质和加工品质，以不施某养分肥料处理为对照，应用Meta分析方法整合分析不同养分施用对稻米品质指标的影响。【结果】与不施某养分肥料肥理相比，施用氮、钾、铁肥可以提高水稻的蛋白质含量，平均增幅分别为17.03%、6.10%、5.61%；
施用锌肥和铁肥分别提高稻米的锌含量（28.20%）和铁含量（21.81%），均有利于改善稻米的营养品质。施用氮肥降低稻米的胶稠度（3.33%）、直链淀粉含量（6.01%）、峰值黏度（8.05%）和崩解值（9.98%），不利于稻米蒸煮食味品质的提高。施用钾、镁、硫、硅肥均可降低稻米的垩白粒率，平均降幅分别为15.09%、6.50%、24.07%、23.22%，同时，钾、锌、硅肥的施用可以降低稻米的垩白度，有助于改善外观品质。对于加工品质指标，施用氮、钾、锌肥均可以显著提高稻米的整精米率，平均增幅分别为10.29%、2.92%、3.76%，有利于加工品质提高。【结论】不同养分的施用对稻米的营养、蒸煮食味、外观、加工品质均有一定的影响，但其影响的品质指标不同。在实际生产中应根据目标品质需求协调不同养分对稻米品质的影响，以达到稻米品质最优化。
养分；
水稻；
品质；
Meta分析
水稻是我国重要的粮食作物之一，全国有一半以上人口将水稻作为主食[1]。近年来，我国水稻产量稳中有升，粮食供求也从长期短缺到总量持平，已成功解决我国14亿多人口的温饱问题[2]，居民对于粮食追求也从温饱向营养健康转变，米饭也更加注重软硬、咀嚼香味等感性特性[3]。虽然能量、蛋白质等大量营养供应不足所导致的显性饥饿问题已基本解决，但人体维生素、矿物质等微量营养素缺乏所产生的隐性饥饿却出现在发展中国家的妇女以及幼龄儿童中，据报道我国有近3亿人口处于隐性饥饿状态[4]。相较于小麦、玉米等其他粮食作物需要加工成面粉再制成主食，稻米的食用方式简便，并且稻米富含淀粉、氨基酸等营养物质，能满足人类卡路里需求的23%[5]。水稻作为人们最常用的膳食，提高稻米品质不仅满足人们对于食物的要求，同时通过改善稻米营养来提高人们对于营养元素的吸收，保障生命健康。
稻米品质由水稻基因型、气候环境、栽培管理措施以及稻米的存储环境等诸多因素共同调控[6]。目前有许多研究利用基因资源改良现代品种，培育出优质水稻，有通过育种改良粳稻培育出的长粒型粳稻嘉禾系列[7]，其品质指标达到了粳稻一级标准。随着大气中CO2浓度、臭氧等含量逐渐增加，地表温度不断上升，使得水稻品质变劣[8]，并且直播或长期淹灌也会导致水稻品质出现劣化的趋势[9]。虽然各因素均会对稻米品质指标有影响，但在一定范围和一定时期内，选定某一品种后，向水稻生产系统输入矿质养分，即科学施肥便成为改善水稻品质的有效手段之一。矿质养分是水稻产量和品质形成的重要物质基础[10-11]，水稻的光合作用、酶促反应等生理代谢过程所需的物质组成是矿质养分，同时其直接调节生理代谢过程，从而影响水稻的生长和品质形成[12-13]。有研究提出施氮延长籽粒灌浆持续时间，提高粒重，有助于改善加工、外观和蒸煮食味品质[14]，但是也有研究指出随着施氮量的增加，籽粒垩白度呈线性增加趋势，外观品质下降[15]，氮对稻米品质特别是外观品质的影响并没有得准确定论。施用磷肥通过提高草酰乙酸合成酶的活性来增加籽粒中蛋白质含量[16]。喷施铁肥可以降低稻米垩白度，改善稻米外观品质，但其机制尚不清楚[17]。
目前，关于养分对稻米品质影响的研究非常多，但是大多是针对一种养分进行研究，缺乏养分与稻米品质的综合分析。本研究利用前人的试验数据，以不施肥处理为对照，运用Meta分析方法定量分析施用氮肥、钾肥、磷肥大量元素肥料，钙肥、镁肥、硫肥中量元素肥料，锌肥、铁肥、硅肥对稻米营养品质、蒸煮食味品质、外观品质、加工品质四类主要品质指标的影响，总结得出不同养分施用对稻米品质的影响效果，以期为科学施肥提供理论依据，从而使水稻品质得到改善，进而改善人类健康状况。
1.1 数据来源
本研究以氮、磷、钾、钙、镁、硫、锌、铁、硅等9种养分，“水稻”“品质”以及“Nutrients”“Rice”“Quality”为主要关键词，分别在“中国知网”（https://fsso.cnki.net/）以及“Web of Science”（https://webofknowledge.com）两个数据库中检索2001−2021年发表的文献。为实现研究目的并满足Meta分析方法对数据的要求，基于以下标准筛选文献：1）同一个试验必须有施肥和不施肥（或对照）处理；
2）文章中明确给出施用肥料的用量；
3）文章中所涉及的相关数据包含试验的重复数，相关品质指标的平均数及标准偏差；
4）试验品种、试验地、试验年份等基本信息清晰。基于以上标准筛选，获得94篇符合标准的文献，从中提取共计4277组数据。
1.2 数据提取
本研究的目标品质指标包括营养品质（蛋白质含量、锌含量、铁含量）、蒸煮食味品质（直链淀粉含量、胶稠度、食味值、峰值黏度、最终黏度、热浆黏度、崩解值、消减值）、外观品质（垩白度、垩白粒率、垩白大小、籽粒长宽比）以及加工品质（糙米率、精米率、整精米率）。对品质指标施肥处理和不施肥处理下的平均值、标准差或标准误、样本数或重复数进行提取。对于柱状图，则采用图形数字化软件Get Graphigitizer (http:// www. getdata-graph-digitizer. com/)进行数字转化后再提取数据。
对于文献中给出的标准误差的数据，利用下面公式将其转化为标准偏差：
式中SD为标准偏差；
SE为标准误差。
对于文献中没有给出标准偏差或者标准误差的，使用下面公式计算缺失标准偏差值：
式中AVE为平均值；
CV为变异系数。
1.3 整合分析
将分组后稻米品质指标的不施肥处理和施用对应肥料处理的平均值、标准偏差和重复数输入MetaWin软件中，选择效应比（R）的自然对数作为效应值，反映施用肥料对稻米品质指标的影响。由于各文献数据的试验年份、测试指标方法均不同，研究之间存在较大的差异性，因此采用平衡权重的随机效应模型计算效应值ln[18]，在计算时每个指标要求来自同一文献样本数不低于10个，或者超过来自至少2篇独立文献的5个样本数[19]：
式中e为施用肥料处理的稻米相关品质指标的平均值；
c为不使用肥料处理的稻米相关品质指标的平均值。
为了更加直观地反映施肥对水稻各品质指标的影响，同时方便对数据进行解释，利用下面公式计算相对变化率（）[20]：
发表偏倚检验采用失安全系数法，若＞5+10，则说明不存在发表偏倚，整合分析数据结果可信[21]。
1.4 数据处理
所有数据均采用Microsoft Excel 2019进行记录和整理，采用Meta分析软件MetaWin进行计算和分析，利用Origin 2021软件进行数据标准正态分布检验以及绘图。
2.1 氮肥施用对稻米品质指标的影响
施氮对稻米的营养品质、蒸煮食味品质、外观品质和加工品质指标的影响如图1所示。施氮显著提高了稻米蛋白质含量，与不施氮处理相比，变化率为17.03%（15.49%～18.61%），这可能与施氮量有关；
蒸煮食味品质指标均呈现降低的趋势，峰值黏度、最终黏度、热浆黏度、崩解值平均降幅为8.05%、5.67%、7.88%、9.98%，消减值平均增幅为21.71%，胶稠度和直链淀粉含量降幅分别为3.33%（3.16%～4.37%）和6.01%（4.97%～7.04%）。外观品质指标结果显示，施氮显著增加了垩白大小、垩白粒率和垩白度，增幅分别为33.51%（25.51%～42.01%）、16.08%（11.56%～20.79%）和33.98%（25.63%～42.88%）。施氮显著提高了稻米加工品质，与不施氮处理相比，整精米率、精米率和糙米率等加工品质指标的变化率分别为10.29%（9.26%～11.30%）、4.90%（4.37%～5.42%）和3.59%（3.30%～3.88%）。
点代表效应值ln R，误差线代表95%置信区间。括号内的值代表样本数。若ln R的95%置信区间不与0重叠，则说明施肥处理对稻米品质指标的影响显著；
若ln R的95%置信区间与0重叠，则说明施肥处理对稻米品质指标无显著影响。下同。
Fig. 1. Effects of nitrogen fertilizer application on the indicators of rice quality.
2.2 磷、钾肥施用对稻米品质指标的影响
磷、钾肥施用对稻米品质指标的影响效应如图2-A所示。与不施磷处理相比，施磷可提高稻米的整精米率以及精米率，变化率分别为1.57%（1.04%～2.12%）以及0.92%（0.69%～1.16%）。与不施钾处理相比，施用钾肥显著增加了稻米的蛋白质含量和崩解值，变化率为6.10%（3.93%～8.33%）和9.37%（5.12%～13.80%），改善了稻米的营养、蒸煮食味品质。在外观品质方面，施用钾肥后稻米的垩白粒率和垩白度的降幅分别为15.09%（11.20%～18.81%）和19.07%（11.50%～26.00%），有利于外观品质改善。对于加工品质指标，整精米率和精米率的增幅分别为2.92%（1.82%～4.04%）和1.42%（1.17%～1.68%），提高了加工品质。
2.3 钙、镁、硫肥施用对稻米品质指标的影响
施用钙、镁、硫肥对稻米品质指标的影响如图2-B所示。
与不施钙肥处理比，施用钙肥后稻米的垩白粒率和垩白度增幅分别为47.93%(22.25%～79.03%)和53.93%（26.78%～86.88%）。施用镁肥后，稻米的食味值和糙米率的增幅分别为3.70%（2.30%～6.19%）和0.67%（0.39%～0.95%），降低了垩白粒率6.50%（4.27%～8.67%）。与不施硫肥相比，施用硫肥后稻米的垩白粒率显著降低，变化率为24.07%（15.22%～31.21%）。
2.4 锌、铁、硅肥施用对稻米品质指标的影响
施锌、铁、硅肥对稻米品质指标的影响如图2-C所示。与不施锌处理相比，施用锌肥可以显著提高稻米的锌含量、整精米率，增幅分别为28.20%（22.51%～34.16%）、3.76%（1.43%～6.13%），降低了稻米的垩白度，变化率为12.37% (9.17%～15.45%)，对垩白粒率影响不显著。与不施铁处理相比，施用铁肥后稻米的营养品质显著增加，蛋白质含量、铁含量的增幅为5.61% (3.46%～7.03%)、21.81%(14.91%～29.11%)。与不施硅处理相比，施用硅肥后稻米的垩白粒率、垩白度显著降低，变化率为23.22%（13.81%～31.60%）、28.10%(19.17%～36.04%)。
图2 磷、钾、钙、镁、硫、锌、铁、硅肥施用对稻米品质的影响
Fig. 2. Effects of phosphorus, potassium,calcium, magnesium, sulfur, zinc, iron and silicon fertilizer on rice quality.
3.1 大量元素氮、磷、钾肥施用对稻米品质的影响
本研究通过整合分析研究了氮、磷、钾肥施用对稻米品质的影响，与不施肥处理相比，氮、钾可以提高稻米的蛋白质含量，平均增幅为17.03%、6.10%，同时氮、磷、钾肥的施用均可以提高稻米的整精米率和精米率，平均增幅分别为10.29%和4.9%、1.57%和0.92%、2.92%和1.42%，说明氮、磷、钾可以显著改善稻米的营养品质和加工品质，这与王伟妮等的研究基本一致[22]。氮磷钾之所以可以提高籽粒中蛋白质含量，是因为氮、磷等元素参与蛋白质的合成，外源补充养分可以很好地提高稻米蛋白质含量；
钾离子能促进氨基酸的转运，特别是能将其转运到籽粒，并且钾能够激活蛋白质合成酶[23]，有助于蛋白质含量的提升。稻米加工品质的形成主要由籽粒灌浆速率以及灌浆持续的时间、最大灌浆速率出现时间和灌浆物质积累等因素共同决定[24, 25]。氮延长水稻叶片的持绿时间，以此加强水稻的光合作用，延长籽粒的灌浆时间[14]。喷施磷肥能促进叶片超氧化物歧化酶、愈创木酚过氧化物酶和过氧化氢酶的活性，缓解植株早衰，提高劣势籽粒的灌浆时间，喷施钾肥则能提高籽粒中脱落酸的含量，促进沉降强度，提高籽粒充实率和粒重[26]。本研究中，与不施氮处理相比，施氮可以降低稻米的胶稠度和直链淀粉含量，平均降幅为3.33%和6.01%，淀粉黏滞性谱特征值除了消减值外均呈降低趋势，优质稻米的直链淀粉含量一般为18%～20%，胶稠度越大米饭越柔软[27]，则说明施氮降低了蒸煮食味品质。同时稻米蛋白质含量升高也可能是稻米食味下降的原因之一。石吕等[28]的研究表明稻米蛋白质含量在稻米蒸煮过程中的糊化和对食味口感的表现中有重要作用，蛋白质含量的增加均使得稻米的蒸煮食味品质劣化。醇溶蛋白提高会增加米饭的硬度[29]，而谷蛋白增加可以升高糊化温度和降低峰值黏度[30]，二者均受氮的影响较大，因此蛋白质含量的升高不利于稻米的蒸煮食味品质改善。被誉为品质元素的钾显著降低稻米的垩白粒率以及垩白度，改善稻米外观品质。刘立军等[31]的研究指出，通过调节结实期的钾营养供应，可以改变根系分泌物，进而影响水稻内激素以及淀粉合成关键酶活性，进而改善稻米的外观品质。施氮会降低稻米的外观品质，显著提高稻米的垩白大小、垩白粒率以及垩白度，氮、钾两种养分肥料的施用对垩白的影响变异性较大，这与水稻类型、品种、种植区域气候条件、施肥量等因素均有关系。有研究利用粳稻与籼稻对比，发现粳稻的外观品质优质达标率能达到78.6%～80.8%，而籼稻仅达到43.4%～45.7%[32]。有研究发现旱稻和水稻在连续灌水以及裸地栽培条件下垩白度也呈现出较大的差异[33]，因此不同品种在不同田间管理下所表现出的外观品质存在差异。王娇等[34]研究较高的相对湿度、日均温、日最低温均对稻米垩白产生较大影响，并且高温耐性不同的品种对其响应也不同[35]。
3.2 钙、镁、硫、锌、铁、硅对稻米品质的影响
通过整合分析研究了钙、镁、硫、锌、铁、硅肥施用对稻米品质的影响，与不施肥处理相比，钙肥施用增加了稻米的垩白粒率以及垩白度，平均增幅分别为47.93%和53.93%，钙对于稻米外观品质的影响效应是九种养分中影响最大的，其样本数较少导致了变异较大，是否因为添加了植物添加剂以及与其他化肥的配施综合导致钙提高了稻米的垩白还有待商榷[36-37]。镁肥施用可以提高稻米的食味值和糙米率，平均增幅为3.70%和0.67%，说明镁可以改善稻米的蒸煮食味品质和加工品质。同时镁肥、硫肥的施用均降低了稻米的垩白粒率，从而改善了稻米的外观品质。有研究指出，水稻抽穗后，叶片SPAD值随着施硫量的增加而提高，使光合生产力提高，从而改善稻米品质[38]。金正勋等[39]研究表明灌浆成熟期喷施硫酸镁可提高食味值，同时显著提高灌浆期叶片Rubisco亚基基因转录表达量，提高光合作用效率，有利于蒸煮食味品质和加工品质的改善。
与不施肥处理相比，施用锌肥和铁肥可以提高稻米的矿质含量，对于锌、铁含量分别可提高28.20%和21.81%，说明外源施用锌、铁肥可以改善稻米的营养品质，这与前人的研究基本一致[40-41]。同时施锌可以提高稻米的整精米率以及降低垩白度，改善稻米的营养品质和外观品质。施用硅肥可以降低稻米的垩白粒率和垩白度，平均降幅为23.22%和28.10%，说明硅可以改善稻米的外观品质。施锌、铁肥可以增加环境中离子活度，有利于提高稻米锌、铁含量[42-43]。锌可以提高与碳酸酐酶活性，以此提高水稻的净光合速率[44]，为后期籽粒灌浆提供物质基础。铁作为植物催化叶绿素合成的酶的激活器，也参与植物光合作用，并且缺铁会使得稻米品质下降[17]。施用硅肥可以有效防止植株倒伏，增加水稻的光合性能，同时也促进水稻分蘖，提高水稻的灌浆能力[45]。
养分管理对于水稻产量和品质均有重要作用[6]，我国幅员辽阔，田间种植是最为常见的种植模式，而养分管理是在田间种植下有效提高稻米品质的方式，有助于改善稻米品质，推进优质粮食工程以及我国农业绿色转型[15]。目前我国水稻产量稳中有升，稻米品质也成为消费者追求的目标，但是在实际生产中，产量并不能与稻米品质形成较好的协同关系[46]，追求高产需要放弃优质的稻米，而追求风味良好的稻米则需要适当放弃产量，如何在二者间取得较好的平衡依然是需要解决的难题。
施用氮、磷、钾肥可以通过提高整精米率和精米率从而提高稻米的加工品质，氮、钾肥施用提高蛋白质含量以改善营养品质。钾、镁、硫、锌、硅肥施用可以降低稻米的垩白度或垩白粒率而提高稻米的外观品质。施镁可以通过提高稻米的糙米率以及食味值，从而提高加工品质和蒸煮食味品质。施锌、铁通过提高稻米的锌、铁含量从而改善营养品质，并且施锌可以提高稻米的整精米率从而改善加工品质（图3）。不同养分对稻米品质指标的影响效应不同，协调不同养分对稻米品质的影响，根据实际生产中的目标品质需求采取相应的养分管理技术，使得稻米品质达到最优，保障粮食安全。
图3 养分对稻米品质的影响及内在机制
Fig. 3. Effects of nutrients on rice quality and the internal mechanism.
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Meta-analysis of Relationship Between Fertilizer Application and Rice Quality
LIU Aihua1, LI Xiaokun1, 2, *
[1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River) in Ministry of Agriculture and Rural Affairs/ Microelement Research Center, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;2Shuangshui and Shuanglü Research Institute, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;*Corresponding author, email: lixiaokun@mail.hzau.edu.cn]
【Objective】Scientific fertilization is one of the most effective means to improve rice quality, and the relationship between different nutrients and rice quality is integrated to provide a theoretical basis for rice quality improvement. 【Method】N, P, K, Ca, Mg, S, Zn, Fe, Si, rice, and quality were used as the main keywords to search the publications on "China National Knowledge Infrastructure" and "Web of Science" from 2001 to 2021. A total of 94 articles and 4277 data sets were selected to meet the analysis criteria. The nutritional quality, cooking and eating quality, appearance quality, and milling quality of rice in the publications were categorized, and the effect of different nutrient applications on rice quality indicators was integrated and analyzed by meta-analysis. 【Result】Compared with without fertilization, the application of nitrogen, potassium, and iron fertilizer could improve the protein content of rice grain by an average of 17.03%, 6.10%, and 5.61%, respectively, and the application of zinc and iron fertilizer increased the zinc content (28.20%) and iron content (21.81%) of rice grain, respectively, all of which were beneficial to improving the nutritional quality. Nitrogen fertilizer application lowered gel consistency (3.33%), amylose content (6.01%), peak viscosity (8.05%), and breakdown (9.98%), which were not favorable to the improving rice cooking and eating quality. The application of potassium, magnesium, sulfur, and silicon fertilizer reduced the chalkiness rate by 15.09%, 6.50%, 24.07%, and 23.22%, respectively, while potassium, zinc, and silicon also reduced the chalkiness degree and helped improve the appearance quality. For milling quality indicators, the application of nitrogen, potassium, and zinc fertilizer could greatly enhance the head rice rate with an average growth rate of 10.29%, 2.92%, and 3.76%, respectively, which was conducive to the milling quality improvement. 【Conclusion】Different nutrients have an effect on the nutritional, cooking and eating, appearance, and milling quality of rice, however the quality indicators affected vary. To optimize rice quality, the impacts of different nutrients on rice quality should be coordinated in actual production according to the desired quality standards.
nutrients; rice; quality; meta-analysis
10.16819/j.1001-7216.2023.220807
2022-09-06；
2022-10-30。
湖北洪山实验室重大项目（2121hsz002）；
国家重点研发计划资助项目（2021YFD1901205）；
湖北省重点研发计划资助项目（2022BBA0048）。
