栽培措施對超級稻產量及氮肥利用效率的影響

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實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學農學院，江蘇揚州225009；2江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學，江蘇揚州 225009；第一作者：454588927@qq.com；*通訊作者：gujf@yzu.edu.cn）

提高水稻單產對于保障我國糧食安全有重要意義。然而我國水稻生產還存在很多問題，如肥料施用量過高，肥料尤其是氮肥的利用效率較低等[1-3]。相關研究表明，隨著氮肥用量的增加，水稻產量會隨之增加，但當達到一定限度后，產量不會再增加甚至會降低。氮肥的超量使用除了增加經濟成本、浪費資源之外，對環境的污染也不可小覷。因此，提高氮肥利用率對于提高水稻單產、增加經濟效益和保護環境均有重要意義。育種家們以利用雜交種優勢、塑造理想株型等綜合的方式，設計并培育出的具有產量高、品質優、抗性強等優點的超級稻品種，有著巨大的增產潛力[4-7]。這些品種大面積單產一般能達到9.0 t/hm2以上，目前累計推廣面積超過0.47億hm2[8]，占全國水稻種植面積的近1/4[4]。與常規高產品種相比，超級稻品種產量可增加8%~20%[9-12]，因此，超級稻的研究與推廣對于保障我國糧食安全有著十分重要的意義。

雖然超級稻有巨大的增產潛力，但是其在生育后期莖鞘干物質轉運率不高，結實率低且不穩定，尤其是弱勢粒結實性差。據報道，超級稻結實率比常規品種低10%以上[13-14]。同時，雖然超級稻根系發達，氮素吸收能力強，但是氮肥生理利用率比常規品種也要低10%~20%[15]。

近年來國內外對水稻籽粒充實差和氮肥利用效率低的原因進行了大量研究[13，16-22]，但是針對超級稻養分尤其是氮素的吸收調控規律缺乏深入研究，對超級稻高產高效的調控途徑仍不清楚。因此，闡明超級稻品種的光合生理特性、氮素代謝與產量形成的關系，可為超級稻高產栽培管理提供理論依據。本研究選取了秈粳雜交稻甬優2640和常規粳稻武運粳24為研究對象，分析栽培調控措施對超級稻產量、氮素代謝與利用能力存在的關聯，為超級稻產量和氮肥利用效率的提高提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與栽培概況

試驗地點位于揚州大學農學院試驗田，試驗時間為2016—2017年。試驗田土壤為沙壤土，養分情況：有機質 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2640和武運粳24。2016年試驗于5月10育秧，6月12日移栽。2017年試驗于6月6日育秧，6月20日移栽。

1.2 試驗設計

試驗共設4種栽培措施：N0，氮空白區；CK，當地常規栽培措施；IDRN，增密減氮；PI，精確灌溉。每種處理3次重復，以裂區的形式進行，主區為栽培措施，副區（小區）為品種，小區面積30 m2。各小區間做埂隔離，以防竄水竄肥。2016試驗為人工插秧，2017年為機插秧。在試驗期內其他栽培措施均相同，具體如下。

N0，氮空白區：生育期內不施氮肥；磷肥為過磷酸鈣（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，生育中期進行擱田以減少無效分蘗，收獲前1周斷水。

CK，當地常規：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3.5）、保花肥（葉齡余數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：相比當地常規栽培載插密度增加 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3.5葉）、保花肥（葉齡余數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：相比當地常規栽培載插密度增加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保持田間淺水層狀態；返青期至有效分蘗臨界葉齡期前2個葉齡期（N-n-2）進行間隙濕潤灌溉，土壤水勢低限為-10 kPa；（N-n-1）葉齡期至（N-n+1）葉齡期間進行 1 個葉齡期的排水擱田，土壤水勢低限為-20 kPa；在（N-n＋1）葉齡期至二次枝梗分化期初（倒3葉開始抽出時）之間進行干濕交替灌溉，土壤水勢低限為-10 kPa；在二次枝梗分化期（倒3葉抽出期）至出穗后10 d內進行間隙濕潤灌溉，土壤水勢低限為-10 kPa；抽穗后11～45 d內進行干濕交替灌溉，土壤水勢低限為-15 kPa。若水稻能夠在各個生育期內達到相應指標，則可按計劃進行灌溉，田間保持2~3 cm淺層水，同時監測土壤水勢（使用土壤水分張力計）。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 莖蘗動態

從移栽后7 d開始統計莖蘗數，每個小區選取20穴，每7 d統計1次。

1.3.2 干物質量、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、成熟期分別從每個小區中選取水稻5穴，將5穴中的水稻樣品分開為葉、莖、穗（抽穗以后），趁葉片未發生失水卷曲時測定葉面積。之后于烘箱中105℃殺青30 min，75℃烘干至恒質量，后進行稱重。將烘干樣品粉碎至粉末狀備用，測定樣品中的氮素含量和非結構性碳水化合物量（non-structural carbohydrate，NSC）。

1.3.3 莖鞘NSC

取樣期與上述相同，同樣將測定干物質的樣品進行烘干粉碎操作，測量其中含有植株NSC的量，參照YOSHIDA等[23]方法，稱取0.1 g樣品粉末（過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，重復此提取過程3次，合并3次的上清液定容至50 mL后備用，待測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15 min沸水浴，冷卻后使用比色儀測定溶液吸光度（波長620 nm）。同時將離心管中殘渣置于80℃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，進行不間斷攪動操作，冷卻后滴入9.2 mol/L HClO4溶液2 mL，并經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滴入殘渣，重復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15 min沸水浴，待冷卻后以比色法進行吸光度測定（波長620 nm）。具體過程可參考PUCHER等[24]的試驗。

1.3.4 葉片氮代謝酶活性

在水稻抽穗后第20 d時采集其地面以上部分的葉片，按所處高度分為3層，以液氮進行固定保存，保存環境為-80℃，可使用超低溫冰箱，用于測定谷氨酸合成酶（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

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

表1 不同栽培方式的水稻產量及其構成因素（2016年）

表2 不同栽培方式的水稻產量及其構成因素（2017年）

1.3.6 考種計產

在水稻成熟期，計算各小區平均穗數，以此為依據取10穴作為結實率、單穗粒數和千粒重的樣本，并進行2次重復。計算各小區實際收獲產量。

1.4 計算方法與數據處理

莖蘗成穗率（%）=成熟期莖蘗數/最大莖蘗數×100；收獲指數=產量（干質量）/地上部總干物質量；莖鞘NSC運轉率（%）=（抽穗期莖鞘NSC量-成熟期莖鞘NSC量）/抽穗期莖鞘NSC量×100；NSC對籽粒的貢獻率（%）=（抽穗期莖鞘NSC量-成熟期莖鞘NSC量）/籽粒重量×100；穎花/葉（個/cm2）=總穎花數/抽穗期葉面積；實粒/葉（粒/cm2）=總實粒數/抽穗期葉面積；粒重/葉（mg/cm2）=籽粒產量/抽穗期葉面積。

本試驗數據使用Microsoft Excel 2013與SPSS進行處理分析，采用Sigma Plot 10.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 對產量及其構成因子的影響

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

2.2 氮肥使用效率

從表3可以發現，IDRN與PI處理的氮肥利用效率顯著高于CK。例如，氮肥農學利用率（AE）甬優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方式進行栽培的水稻，在抽穗至成熟期的氮素轉運量和轉運率相比CK大幅提高。

2.3 地上部農藝與生理性狀

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、實粒/葉和粒重/葉最低，IDRN和PI處理較CK明顯提高。也就是說，優化栽培措施后，水稻的庫源比提高。

2.4 氮代謝酶活性

由圖1可以看出，在開花后第20 d時，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。由圖2可知，抽穗后水稻葉片的GS活性隨時間進程而下降。在不同栽培方式間比較，水稻葉片 GS活性表現為N0＜CK＜IDRN＜PI；同一植株中，下部葉片GS活性較低，向上逐漸增強。由圖3可知，抽穗后20 d內，水稻葉片的GOGAT活性隨時間推進而下降；不同栽培方式GOGAT活性表現為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。由圖4可知，抽穗后，水稻葉片的NR活性隨時間推進而下降；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是 N0＜CK＜IDRN＜PI；同一植株水稻中，以上部葉片NR活性較強，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運量和氮收獲指數（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]研究發現，在較高產量水平上，可以通過提高水稻的穎花量和粒數的方式將產量再提高。楊建昌等[28-29]研究表明，當穗數處于一個適宜的數值時，想要使中秈稻實現超高產，可以通過擴大庫容來完成，即確保穗數適宜的情況下有效地協調水稻穗數和穗質量的平衡，單株與群體間的平衡，以攻大穗的方式提高產量。本試驗結果表明，增密減氮和精確灌溉的栽培方式通過增加單位面積穗數，大幅度提高了總穎花數，最終達到增產目的。可見，增加單位面積穗數也是增加總穎花量的重要途徑之一。同時，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，有利于減少無效分蘗、提高莖蘗成穗率、增加穎花量、促進籽粒灌漿。

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，合理的穗數可通過適當增加栽插密度實現，如果施用的氮肥超量，密度增加會使得植株間競爭加劇，產生大量無效分蘗；當種植密度較稀疏時，水稻個體較大，有利于獲得壯苗，但會在前期產生大量分蘗，使單株植株上的分蘗之間產生劇烈的競爭[30-32]。所以，目前的研究中，通過對水稻、小麥等作物運用增密減氮技術以增加產量是研究的重點，其原理就是以增加密度的形式對由氮肥不足引起的分蘗數量降低進行補足[30-32]。本研究發現，以增密減氮技術栽培的水稻與對照相比，擁有更高的峰值苗數和莖蘗成穗率，抽穗期穗質量和葉片面積指數也有顯著提高，可知增密減氮技術是通過提高水稻植株的質量而達到了提高產量的目的。

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]。本研究觀察到，與當地常規栽培技術相比，增密減氮技術和精確灌溉栽培處理對氮肥施用后的吸收效率、利用效率以及生產力均有所提升，其原理是這兩種技術提高了水稻分蘗成穗率，穗數的增加使得水稻生育中后期吸收并轉運了更多的氮素，因此氮肥得到了更充分的利用。

本研究結果表明，與對照相比，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酶的活性，如GDH、NR、GS和GOGAT。NR是硝態氮同化過程中的調節酶和限速酶，GS和GOGAT則以偶聯形成循環反應，在高等植物中催化氮同化的反應進行，對于氮肥的吸收利用均有重要意義[36]。有研究表明，在現代超級稻品種中，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氮的吸收能力和最終產量，和二者均呈顯著或極顯著正相關[37]。GDH酶活性對氨的同化過程有重要影響，可解除植物組織中積累NH4+時產生的氨毒作用[38-39]。在本研究中，以前氮后移和輕干濕交替等方式進行栽培的水稻，其葉片中與氮代謝相關的酶活性也有所提高，氮素的吸收利用能力有所上升。

4 結論

與當地常規栽培技術相比，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，可利用總穎花數模式提升庫容，對庫容強度也有一定提高作用，促進水稻對氮素的吸收。總而言之，增密減氮和精確灌溉可以協同提高水稻產量和氮肥利用效率。