毛依琦 陳蕾 顧逸彪 張耗 劉立軍 王志琴 楊建昌 顧駿飛*

（1江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009；第一作者：454588927@qq.com；*通訊作者：gujf@yzu.edu.cn）

提高水稻單產(chǎn)對(duì)于保障我國(guó)糧食安全有重要意義。然而我國(guó)水稻生產(chǎn)還存在很多問(wèn)題，如肥料施用量過(guò)高，肥料尤其是氮肥的利用效率較低等[1-3]。相關(guān)研究表明，隨著氮肥用量的增加，水稻產(chǎn)量會(huì)隨之增加，但當(dāng)達(dá)到一定限度后，產(chǎn)量不會(huì)再增加甚至?xí)档汀５实某渴褂贸嗽黾咏?jīng)濟(jì)成本、浪費(fèi)資源之外，對(duì)環(huán)境的污染也不可小覷。因此，提高氮肥利用率對(duì)于提高水稻單產(chǎn)、增加經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境均有重要意義。育種家們以利用雜交種優(yōu)勢(shì)、塑造理想株型等綜合的方式，設(shè)計(jì)并培育出的具有產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)、抗性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的超級(jí)稻品種，有著巨大的增產(chǎn)潛力[4-7]。這些品種大面積單產(chǎn)一般能達(dá)到9.0 t/hm2以上，目前累計(jì)推廣面積超過(guò)0.47億hm2[8]，占全國(guó)水稻種植面積的近1/4[4]。與常規(guī)高產(chǎn)品種相比，超級(jí)稻品種產(chǎn)量可增加8%~20%[9-12]，因此，超級(jí)稻的研究與推廣對(duì)于保障我國(guó)糧食安全有著十分重要的意義。

雖然超級(jí)稻有巨大的增產(chǎn)潛力，但是其在生育后期莖鞘干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率不高，結(jié)實(shí)率低且不穩(wěn)定，尤其是弱勢(shì)粒結(jié)實(shí)性差。據(jù)報(bào)道，超級(jí)稻結(jié)實(shí)率比常規(guī)品種低10%以上[13-14]。同時(shí)，雖然超級(jí)稻根系發(fā)達(dá)，氮素吸收能力強(qiáng)，但是氮肥生理利用率比常規(guī)品種也要低10%~20%[15]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)水稻籽粒充實(shí)差和氮肥利用效率低的原因進(jìn)行了大量研究[13，16-22]，但是針對(duì)超級(jí)稻養(yǎng)分尤其是氮素的吸收調(diào)控規(guī)律缺乏深入研究，對(duì)超級(jí)稻高產(chǎn)高效的調(diào)控途徑仍不清楚。因此，闡明超級(jí)稻品種的光合生理特性、氮素代謝與產(chǎn)量形成的關(guān)系，可為超級(jí)稻高產(chǎn)栽培管理提供理論依據(jù)。本研究選取了秈粳雜交稻甬優(yōu)2640和常規(guī)粳稻武運(yùn)粳24為研究對(duì)象，分析栽培調(diào)控措施對(duì)超級(jí)稻產(chǎn)量、氮素代謝與利用能力存在的關(guān)聯(lián)，為超級(jí)稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的提高提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與栽培概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田，試驗(yàn)時(shí)間為2016—2017年。試驗(yàn)田土壤為沙壤土，養(yǎng)分情況：有機(jī)質(zhì) 24.4 g/kg、堿解氮105 mg/kg、速效磷 34.3 mg/kg、速效鉀68.2 mg/kg。前茬作物為小麥。供試品種為甬優(yōu)2640和武運(yùn)粳24。2016年試驗(yàn)于5月10育秧，6月12日移栽。2017年試驗(yàn)于6月6日育秧，6月20日移栽。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4種栽培措施：N0，氮空白區(qū)；CK，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培措施；IDRN，增密減氮；PI，精確灌溉。每種處理3次重復(fù)，以裂區(qū)的形式進(jìn)行，主區(qū)為栽培措施，副區(qū)（小區(qū)）為品種，小區(qū)面積30 m2。各小區(qū)間做埂隔離，以防竄水竄肥。2016試驗(yàn)為人工插秧，2017年為機(jī)插秧。在試驗(yàn)期內(nèi)其他栽培措施均相同，具體如下。

N0，氮空白區(qū)：生育期內(nèi)不施氮肥；磷肥為過(guò)磷酸鈣（含 P2O513.5%），用量 90 kg/hm2，全部基施；鉀肥為氯化鉀（含K2O 63%），用量120 kg/hm2，作基施和拔節(jié)肥（促花肥）2次施入，比例為6∶4；移栽密度2016年為16.0 cm×25.0 cm，2017年為 13.3 cm×30.0 cm，每穴栽插2苗，全生育期淺水灌溉，生育中期進(jìn)行擱田以減少無(wú)效分蘗，收獲前1周斷水。

CK，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)：總施氮量（純N，下同）為300 kg/hm2，分基肥（移栽前）、分蘗肥（移栽后 57 d）、促花肥（葉齡余數(shù)3.5）、保花肥（葉齡余數(shù)1.2）4次施用，比例為 5∶2∶2∶1；移栽密度和其他栽培措施同 N0 處理。

IDRN，增密減氮：相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培載插密度增加 25%（2016年為 12.8 cm×25.0 cm，2017年為 10.7 cm×30.0 cm，每穴栽插2苗）、減氮10%（氮肥用量為270 kg/hm2），水分管理方式同N0處理和CK；前氮后移，氮肥分基肥（移栽前）、分蘗肥（移栽后5~7 d）、促花肥（葉齡余數(shù)3.5葉）、?；ǚ剩ㄈ~齡余數(shù)1.2葉）4次施入，比例為4∶2∶2∶2。其余栽培措施和管理方式同 N0處理。

PI，精確灌溉：相比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培載插密度增加25%（（2016年為 12.8 cm×25.0 cm，2017年為 10.7 cm×30.0 cm，每穴栽插2苗）、減氮10%（氮肥用量為270 kg/hm2），精確灌溉；前氮后移，方式同IDRN處理。精確灌溉：在水稻處于移栽期與返青期之間時(shí)保持田間淺水層狀態(tài)；返青期至有效分蘗臨界葉齡期前2個(gè)葉齡期（N-n-2）進(jìn)行間隙濕潤(rùn)灌溉，土壤水勢(shì)低限為-10 kPa；（N-n-1）葉齡期至（N-n+1）葉齡期間進(jìn)行 1 個(gè)葉齡期的排水?dāng)R田，土壤水勢(shì)低限為-20 kPa；在（N-n＋1）葉齡期至二次枝梗分化期初（倒3葉開(kāi)始抽出時(shí)）之間進(jìn)行干濕交替灌溉，土壤水勢(shì)低限為-10 kPa；在二次枝梗分化期（倒3葉抽出期）至出穗后10 d內(nèi)進(jìn)行間隙濕潤(rùn)灌溉，土壤水勢(shì)低限為-10 kPa；抽穗后11～45 d內(nèi)進(jìn)行干濕交替灌溉，土壤水勢(shì)低限為-15 kPa。若水稻能夠在各個(gè)生育期內(nèi)達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)，則可按計(jì)劃進(jìn)行灌溉，田間保持2~3 cm淺層水，同時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水勢(shì)（使用土壤水分張力計(jì)）。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 莖蘗動(dòng)態(tài)

從移栽后7 d開(kāi)始統(tǒng)計(jì)莖蘗數(shù)，每個(gè)小區(qū)選取20穴，每7 d統(tǒng)計(jì)1次。

1.3.2 干物質(zhì)量、葉面積

在分蘗中期、穗分化始期、抽穗期、抽穗后15 d、抽穗后30 d、成熟期分別從每個(gè)小區(qū)中選取水稻5穴，將5穴中的水稻樣品分開(kāi)為葉、莖、穗（抽穗以后），趁葉片未發(fā)生失水卷曲時(shí)測(cè)定葉面積。之后于烘箱中105℃殺青30 min，75℃烘干至恒質(zhì)量，后進(jìn)行稱(chēng)重。將烘干樣品粉碎至粉末狀備用，測(cè)定樣品中的氮素含量和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物量（non-structural carbohydrate，NSC）。

1.3.3 莖鞘NSC

取樣期與上述相同，同樣將測(cè)定干物質(zhì)的樣品進(jìn)行烘干粉碎操作，測(cè)量其中含有植株NSC的量，參照YOSHIDA等[23]方法，稱(chēng)取0.1 g樣品粉末（過(guò)100目篩）置于15 mL離心管中，加入80%乙醇溶液10 mL，在80℃水溫下水浴30 min，冷卻后在2 000 r/min速度下離心15 min，重復(fù)此提取過(guò)程3次，合并3次的上清液定容至50 mL后備用，待測(cè)定其中可溶性總糖含量；吸取0.5 mL提取液置于10 mL離心管中，向其中滴入1.5 mL蒸餾水及0.2%蒽酮試劑4 mL，經(jīng)15 min沸水浴，冷卻后使用比色儀測(cè)定溶液吸光度（波長(zhǎng)620 nm）。同時(shí)將離心管中殘?jiān)糜?0℃烘箱中，烘干后提取淀粉；烘干冷卻后，將2 mL蒸餾水滴入離心管中，20 min沸水浴，進(jìn)行不間斷攪動(dòng)操作，冷卻后滴入9.2 mol/L HClO4溶液2 mL，并經(jīng)10 min振蕩，加入6 mL蒸餾水以2 000 r/min速度離心20 min，析出上清液，再次將2 mL 4.6 mol/L HClO4滴入殘?jiān)?，重?fù)上述步驟后將多次提取的上清液合并，置于50 mL容量瓶加蒸餾水定容，待測(cè)定其中的淀粉含量。將0.5 mL提取液移入10 mL離心管，加入蒸餾水1.5 mL和0.2%蒽酮試劑4 mL，經(jīng)15 min沸水浴，待冷卻后以比色法進(jìn)行吸光度測(cè)定（波長(zhǎng)620 nm）。具體過(guò)程可參考PUCHER等[24]的試驗(yàn)。

1.3.4 葉片氮代謝酶活性

在水稻抽穗后第20 d時(shí)采集其地面以上部分的葉片，按所處高度分為3層，以液氮進(jìn)行固定保存，保存環(huán)境為-80℃，可使用超低溫冰箱，用于測(cè)定谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酰胺合成酶（GS）、硝酸還原酶（NR）等酶的活性，具體方法參照李合生等[25-26]。

1.3.5 植株氮含量

將部分烘干樣品進(jìn)行粉碎，過(guò)篩之后稱(chēng)取定量，添加濃硫酸和反應(yīng)催化劑，以消煮爐在420℃條件下進(jìn)行1 h消煮，待樣品溶液顏色變綠并澄清且溫度降至常溫，以凱氏定氮儀進(jìn)行氮含量測(cè)定。

表1 不同栽培方式的水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素（2016年）

表2 不同栽培方式的水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素（2017年）

1.3.6 考種計(jì)產(chǎn)

在水稻成熟期，計(jì)算各小區(qū)平均穗數(shù)，以此為依據(jù)取10穴作為結(jié)實(shí)率、單穗粒數(shù)和千粒重的樣本，并進(jìn)行2次重復(fù)。計(jì)算各小區(qū)實(shí)際收獲產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)處理

莖蘗成穗率（%）=成熟期莖蘗數(shù)/最大莖蘗數(shù)×100；收獲指數(shù)=產(chǎn)量（干質(zhì)量）/地上部總干物質(zhì)量；莖鞘NSC運(yùn)轉(zhuǎn)率（%）=（抽穗期莖鞘NSC量-成熟期莖鞘NSC量）/抽穗期莖鞘NSC量×100；NSC對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率（%）=（抽穗期莖鞘NSC量-成熟期莖鞘NSC量）/籽粒重量×100；穎花/葉（個(gè)/cm2）=總穎花數(shù)/抽穗期葉面積；實(shí)粒/葉（粒/cm2）=總實(shí)粒數(shù)/抽穗期葉面積；粒重/葉（mg/cm2）=籽粒產(chǎn)量/抽穗期葉面積。

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2013與SPSS進(jìn)行處理分析，采用Sigma Plot 10.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

從表1可以看出，甬優(yōu)2640在N0、CK、IDRN、PI處理下的產(chǎn)量分別為 7.01、9.51、10.69、11.90 t/hm2；與CK相比，IDRN、PI處理分別增產(chǎn)12.4%和25.1%，CK比N0處理增產(chǎn)35.7%。武運(yùn)粳24在N0、CK、IDRN、PI處理下的產(chǎn)量分別為 6.05、8.99、9.77、11.06 t/hm2；與CK相比，IDRN、PI處理分別增產(chǎn)8.7%和23.0%，CK比N0處理增產(chǎn)48.6%?？偡f花量（穗數(shù)×每穗穎花數(shù)）顯著增加是IDRN、PI處理產(chǎn)量比CK上升的最主要因素。2017年表現(xiàn)同2016年（表2）。

2.2 氮肥使用效率

從表3可以發(fā)現(xiàn)，IDRN與PI處理的氮肥利用效率顯著高于CK。例如，氮肥農(nóng)學(xué)利用率（AE）甬優(yōu)2640在IDRN與PI處理下分別為18.33 kg/kg、20.89 kg/kg，較CK分別增加32.5%、51.0%；武運(yùn)粳24在IDRN與PI處理下分別為14.26 kg/kg、18.00 kg/kg，較CK分別增加21.6%、53.5%。

從表4可以看出，以IDRN與PI方式進(jìn)行栽培的水稻，在抽穗至成熟期的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率相比CK大幅提高。

2.3 地上部農(nóng)藝與生理性狀

由表5可知，總LAI、有效LAI、高效LAI和高效葉面積率均以N0處理最低，IDRN和PI處理顯著高于CK。由表6可知，N0處理的穎花/葉、實(shí)粒/葉和粒重/葉最低，IDRN和PI處理較CK明顯提高。也就是說(shuō)，優(yōu)化栽培措施后，水稻的庫(kù)源比提高。

2.4 氮代謝酶活性

由圖1可以看出，在開(kāi)花后第20 d時(shí)，葉片中谷氨酸脫氫酶（GDH）的活性較抽穗期低；IDRN和PI處理較CK都有明顯提高，與N0處理相比也有清晰的高度差異。而同一植株葉片中，上部葉片的GDH活性較低，向下逐漸增強(qiáng)。由圖2可知，抽穗后水稻葉片的GS活性隨時(shí)間進(jìn)程而下降。在不同栽培方式間比較，水稻葉片 GS活性表現(xiàn)為N0＜CK＜IDRN＜PI；同一植株中，下部葉片GS活性較低，向上逐漸增強(qiáng)。由圖3可知，抽穗后20 d內(nèi)，水稻葉片的GOGAT活性隨時(shí)間推進(jìn)而下降；不同栽培方式GOGAT活性表現(xiàn)為N0＜CK＜IDRN＜PI。與GS活性相似，同一植株中的葉片，GOGAT酶活性以下部葉片較低，向上逐漸增強(qiáng)。由圖4可知，抽穗后，水稻葉片的NR活性隨時(shí)間推進(jìn)而下降；在不同栽培方式間比較，葉片NR活性在水稻植株地上部整體趨勢(shì)是 N0＜CK＜IDRN＜PI；同一植株水稻中，以上部葉片NR活性較強(qiáng)，向下逐漸減弱。

表3 不同栽培方式下水稻吸氮量及氮素利用效率（2017年）

表4 不同栽培方式下水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮收獲指數(shù)（2017年）

表5 不同栽培措施下水稻抽穗期有效葉面積率和高效葉面積率（2017）

表6 不同栽培措施下水稻抽穗期群體粒葉比（2017）

3 討論

凌啟鴻等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在較高產(chǎn)量水平上，可以通過(guò)提高水稻的穎花量和粒數(shù)的方式將產(chǎn)量再提高。楊建昌等[28-29]研究表明，當(dāng)穗數(shù)處于一個(gè)適宜的數(shù)值時(shí)，想要使中秈稻實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)，可以通過(guò)擴(kuò)大庫(kù)容來(lái)完成，即確保穗數(shù)適宜的情況下有效地協(xié)調(diào)水稻穗數(shù)和穗質(zhì)量的平衡，單株與群體間的平衡，以攻大穗的方式提高產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，增密減氮和精確灌溉的栽培方式通過(guò)增加單位面積穗數(shù)，大幅度提高了總穎花數(shù)，最終達(dá)到增產(chǎn)目的?？梢?jiàn)，增加單位面積穗數(shù)也是增加總穎花量的重要途徑之一。同時(shí)，增密減氮與精確灌溉采用了前氮后移和干濕交替灌溉技術(shù)，有利于減少無(wú)效分蘗、提高莖蘗成穗率、增加穎花量、促進(jìn)籽粒灌漿。

圖1 不同栽培方式下水稻葉片GDH酶活性

圖2 不同栽培方式下水稻葉片GS酶活性

大量研究表明，群體大小受栽插密度和氮肥共同影響，因此，合理的穗數(shù)可通過(guò)適當(dāng)增加栽插密度實(shí)現(xiàn)，如果施用的氮肥超量，密度增加會(huì)使得植株間競(jìng)爭(zhēng)加劇，產(chǎn)生大量無(wú)效分蘗；當(dāng)種植密度較稀疏時(shí)，水稻個(gè)體較大，有利于獲得壯苗，但會(huì)在前期產(chǎn)生大量分蘗，使單株植株上的分蘗之間產(chǎn)生劇烈的競(jìng)爭(zhēng)[30-32]。所以，目前的研究中，通過(guò)對(duì)水稻、小麥等作物運(yùn)用增密減氮技術(shù)以增加產(chǎn)量是研究的重點(diǎn)，其原理就是以增加密度的形式對(duì)由氮肥不足引起的分蘗數(shù)量降低進(jìn)行補(bǔ)足[30-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，以增密減氮技術(shù)栽培的水稻與對(duì)照相比，擁有更高的峰值苗數(shù)和莖蘗成穗率，抽穗期穗質(zhì)量和葉片面積指數(shù)也有顯著提高，可知增密減氮技術(shù)是通過(guò)提高水稻植株的質(zhì)量而達(dá)到了提高產(chǎn)量的目的。

圖3 不同栽培方式下水稻葉片GOGAT酶活性

圖4 不同栽培方式下水稻葉片NR酶活性

有些研究中提到，減少無(wú)效分蘗，提高分蘗成穗率，可以提高氮肥利用效率[33-35]。本研究觀(guān)察到，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培技術(shù)相比，增密減氮技術(shù)和精確灌溉栽培處理對(duì)氮肥施用后的吸收效率、利用效率以及生產(chǎn)力均有所提升，其原理是這兩種技術(shù)提高了水稻分蘗成穗率，穗數(shù)的增加使得水稻生育中后期吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)了更多的氮素，因此氮肥得到了更充分的利用。

本研究結(jié)果表明，與對(duì)照相比，增密減氮和精確灌溉栽培方式均能夠提高葉片中氮代謝相關(guān)酶的活性，如GDH、NR、GS和GOGAT。NR是硝態(tài)氮同化過(guò)程中的調(diào)節(jié)酶和限速酶，GS和GOGAT則以偶聯(lián)形成循環(huán)反應(yīng)，在高等植物中催化氮同化的反應(yīng)進(jìn)行，對(duì)于氮肥的吸收利用均有重要意義[36]。有研究表明，在現(xiàn)代超級(jí)稻品種中，葉片中NR酶的活性一般隨施氮量的增加而增加，而GS活性和GOGAT活性都能夠明顯地影響水稻在抽穗期對(duì)氮的吸收能力和最終產(chǎn)量，和二者均呈顯著或極顯著正相關(guān)[37]。GDH酶活性對(duì)氨的同化過(guò)程有重要影響，可解除植物組織中積累NH4+時(shí)產(chǎn)生的氨毒作用[38-39]。在本研究中，以前氮后移和輕干濕交替等方式進(jìn)行栽培的水稻，其葉片中與氮代謝相關(guān)的酶活性也有所提高，氮素的吸收利用能力有所上升。

4 結(jié)論

與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培技術(shù)相比，增密減氮、精確灌溉的栽培方式提高了莖蘗成穗率、粒葉比、有效和高效葉面積率、氮代謝酶活性，可利用總穎花數(shù)模式提升庫(kù)容，對(duì)庫(kù)容強(qiáng)度也有一定提高作用，促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收?？偠灾?，增密減氮和精確灌溉可以協(xié)同提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率。