不同氮水平下晚稻品種響應抽穗揚花期低溫的產量及生理差異

曹超豪，沈天花，施 翔，熊強強，陳小榮，賀浩華

(江西農業大學 農學院，作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室，江西省超級稻工程技術研究中心， 雙季稻現代化生產協同中心，江西 南昌 330045)

低溫不利于作物的正常生長發育，是影響農作物生產的不可控災害之一[1]。江西省地處長江中下游，屬于典型的雙季稻區，頻繁發生的2種低溫型氣候“倒春寒”及“寒露風”造成嚴重的產量損失。寒露風期間平均氣溫低于正常氣溫5～10 ℃，隨著近年來氣候變化加劇，晚稻抽穗揚花期受寒露風影響概率高達80%[2]。水稻抽穗揚花期是產量形成重要時期，低溫將導致水稻花粉育性下降[3]，影響源器官內各種酶活性，導致植物代謝異常，功能葉光合減弱[4-5]，根系活力下降不利光合產物運輸[6-7]，最終造成有效分蘗減少，空癟谷粒增加，產量大幅下降。邵怡若等[8]研究表明，低溫會導致一些植物的葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率下降。宋廣樹等[9]研究發現，過氧化物酶活性、游離脯氨酸、葉綠素、丙二醛含量變化幅度能客觀反映水稻葉片在抽穗期遇低溫時的耐冷性。氮肥作為農作物生長最重要的調控養分因子，其與產量的形成密切相關[10]，氮肥的使用一直是農作物生產的重點，作物的高產與增產離不開合理施用氮肥，合理使用氮肥有助于作物應對自然氣候災害，減少因氣候造成的減產[11]。研究表明，低溫條件下，過量的施用氮肥而缺少足夠的日照會使碳水化合物的合成減少，相對吸氮量增加，不能充分轉化為蛋白質，氮以原狀體積聚于植株內，并不能有效利用氮肥，發生冷害時施氮量少比施氮量大的結實率相對較高[12]。關于不同品種間不同施氮水平在抽穗揚花期遭遇低溫時，尤其是氮肥使用過量的條件下，對水稻的產量形成及其相關生理特性的影響未見報道。

本研究使用常規晚稻品種黃華占、超級雜交晚稻H優518和榮優225 3個品種為試驗材料，設置不同施氮水平，室外桶栽使其在抽穗揚花期遇自然低溫，探究晚稻品種在抽穗揚花期遇低溫寒露風不同氮肥處理下的產量構成及相關生理特性的差異、不同晚稻品種不同施氮水平下抽穗揚花期遇低溫時響應的差異性，探明晚稻在抽穗揚花期時遇低溫寒露風的最適氮肥用量及其調控機制，為晚稻抵御低溫寒露風育種與栽培提供參考資料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

黃華占(P1)：常規稻品種，全生育期129～131 d；榮優225(P2)：秈型三系雜交稻(榮豐A×R225)，全生育期114.1 d；H優518(P3)：秈型三系雜交水稻(H28A×51084)，全生育期平均112.9 d。

1.2 試驗方法

本研究采用桶栽(桶高為24.0 cm、桶底內徑為23.5 cm、桶上部外徑為29.0 cm)方式于2016年在江西省灌溉試驗中心站進行試驗，桶栽土壤取自稻田0～20 cm耕層土壤，土壤自然風干。土壤理化性質：有機質19.46 g/kg，全氮1.75 g/kg，堿解氮132.9 mg/kg，有效磷20.8 mg/kg，速效鉀87.0 mg/kg，pH值6.5。每桶裝風干土20 kg。基于黃華占生育期相對榮優225與H優518較長，黃華占6月16日進行播種，榮優225和H優518品種6月28日播種，7月24日，選取生長一致的秧苗移栽，每桶栽插3穴，每穴1株苗。所有管理措施均按高產栽培方式進行。

1.3 試驗設計

本試驗設計4個施氮梯度處理，N1：低氮(折成純N為90 kg/hm2)；N2：正常氮(折成純N為180 kg/hm2)；N3：高氮(折成純N為250 kg/hm2)；N4超高氮(折成純N為330 kg/hm2)。試驗采用隨機區組設計擺放用桶，每處理15桶重復。磷肥(P2O5)全部作基肥，每處理換做大田用量90～100 kg/hm2，鉀肥(K2O)每處理150 kg/hm2，氮肥施用按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2。2016年3個品種抽穗揚花期期間的9月21-23日出現了1個較為明顯的降溫時段，具體氣象因子如圖1所示(日平均溫度氣象數據來自江西省灌溉試驗中心站氣象場，觀測頻率參考日常大氣探測。)。

圖1 2016年試驗期間的氣象因子Fig.1 Meteorological factors during the 2016 trial period

1.4 測定項目及方法

葉綠素、光合及有關生理指標低溫來臨前1 d(9月20日)的取樣或測定是根據農事氣象預報而定。

1.4.1 葉綠素含量 低溫來臨前1 d(9月20日)，低溫結束后第2天(9月25日)，每處理選取長勢均勻的10株水稻，定株，掛牌。同時采用SPAD-502葉綠素測定儀(浙江托普有限公司)對其倒2葉葉綠素含量進行測定，測量時避開葉脈，葉片基部、中部和頂部各測一次SPAD值，取其平均值。

1.4.2 光合參數指標 低溫來臨前1 d(9月20日)，低溫結束后第2天(9月25日)，于上午9：00-11：00，晴朗無云的天氣，使用便攜式光合儀(CI-340，美國CID公司)測定葉片光合參數指標(凈光合速率，Net photosynthetic rate，Pn；蒸騰速率，Transpiration rate，Tr；氣孔導度，Stomatal conductance，Gs；胞間CO2濃度，Intercellular CO2concentration，Ci)。每處理測試3個重復。

1.4.3 相關生理指標 低溫來臨前1 d，低溫結束后第2天，每處理每重復選取3株水稻，取倒2葉葉片測定抗氧化酶系統活性，取下葉片用液氮速凍。參照李合生等[13]的方法，略有改動。丙二醛(Malonaldehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸提取法，超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性采用氮藍四唑光化還原法，過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性采用愈創木酚氧化法，游離脯氨酸(Free proline)含量采用茚三酮法，過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性采用碘量法，考馬斯亮藍G-520法測定可溶性蛋白(Soluble protein)含量。

1.4.4 產量及其構成 水稻成熟期時每處理取5株完整未受損的稻株考種，分別考查單株有效穗數、千粒質量、穗空粒數、穗粒數、單株產量，計算結實率和穗粒數。

1.5 數據分析

分別采用Microsoft Excel 2003軟件和SPSS 7.0統計分析軟件分析作圖，其中數據分析采用 Duncan氏新復極差法(SSR法)。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理下各品種產量及其構成因素

表1可以看出，同一氮肥處理下H優518的單株產量最高，其次為榮優225，黃華占最低。3個品種均以N2處理的產量最高且與N1處理有顯著性差異，相對于N2處理，N4處理的單株產量降低幅度為榮優225 >黃華占> H優518。結實率和千粒質量均表現為N4處理低于N2處理，且H優518下降的幅度最低。同一氮肥處理下2個雜交晚稻品種均較常規稻黃華占具有較高的結實率和單株有效穗數。表明抽穗揚花期低溫條件下，相對于N2處理，N3和N4產量下降幅度總體上H優518最小，說明水稻存在品種間不同施氮量下對抽穗揚花期低溫響應的差異性。

2.2 不同氮肥處理下各品種葉片葉綠素及光合特性

圖2可看出，無論低溫前、低溫后，同一處理均以榮優225的葉綠素含量最高。不同品種低溫結束后葉綠素含量均不同程度下降，其中N4處理的下降幅度對比N2處理的下降幅度，H優518是最小的。葉綠素含量變化可知，N2處理下黃華占對比其他2個雜交稻品種下降幅度更大且與其他氮處理差異顯著，N3、N4處理的下降幅度間差異不顯著，說明低溫對黃華占的光合速率影響比較大。

表2表明，低溫來臨后，3個品種葉片葉綠素含量及凈光合速率的下降幅度隨著施氮量的增加而增大，蒸騰速率、氣孔導度也表現出類似特點。3個品種的凈光合速率下降幅度為黃花占最大，H優518次之，榮優225最小。蒸騰速率上，N4處理下降幅度為榮優225>黃華占>H優518。不同氮肥處理間葉片氣孔導度除N1外，低溫來臨后均表現為下降，各品種降幅較明顯的是N3，表現為榮優225>黃華占>H優518。胞間CO2濃度除N1小幅上升外，除黃華占N3處理外各處理低溫來臨后均不同程度下降。可見過量施氮不利于水稻光合作用的進行。對比3個品種經歷低溫的光合特性分析，總體而言H優518對低溫的抗性表現優于其他2個品種。

表1 水稻各品種不同氮處理下的產量及其構成因素Tab.1 Yields and components of different rice varieties under the different nitrogen treatments

注：表中同列不同小寫字母代表同一品種不同處理間達顯著差異水平(P<0.05)。PL.穗長；EPPP.單株有效穗數；TGPP.穗粒數；SSR.結實率；1000-GW.千粒質量；YPP.單株產量。表2同。

Note： Different lowercase letters in the same column meant significant difference among treatments of the same variety at 0.05 level. PL.Panicle length; EPPP. Effective panicles per plant; TGPP.Total grains per panicle; SSR. Seed setting rate; 1000-GW.1000-grain weight; YPP. Yield per plant. The same as Tab.2.

不同小寫字母代表同一品種不同處理間達顯著差異水平(P<0.05)，柱狀數據為平均值，短線表示標準差。BLT.低溫前；ALT.低溫后。圖4-11、表2同。

Different lowercase letters represent significant differences among the treatments of the same variety at 0.05 level，the column data is average and the short lines represents the standard deviation.BLT.Before low temperature;ALT. After low temperature.The same as Fig.4-11,Tab.2.

圖2 水稻各品種不同氮處理下的SPAD值
Fig.2 SPAD values of different rice varieties under the different nitrogen treatments

2.3 不同氮肥處理下各品種分蘗動態、包頸率和干物質量

圖3可看出，各品種單株分蘗數N4均高于N2。抽穗期低溫對水稻成穗影響較大，對分蘗數影響很小。圖4還可看出，除H優518以外，其他兩品種均以N4包頸(指穗頸)率最高且與其他氮處理差異顯著。除N1處理外，其他處理黃華占的包頸現象最為明顯，其N2包頸率高達15.58%，N3、N4包頸率也高于另外2個品種，并且均達顯著性水平。H優518的N3、N4處理包頸率均比其他品種低。綜合說明，過量施氮將加重晚稻抽穗揚花期低溫下的包頸率，且品種間存在一定的差異性。

圖5可看出，各品種同一處理總干物質量總體表現為榮優225 最高，H優518次之，黃華占最低。N2條件下榮優225的干物質積累量最多。N3處理與N2相比，穗部干物質增幅上以H優518最低，黃華占最高。

表2 水稻各品種不同氮處理下的葉片光合特性Tab.2 Leaf photosynthetic characteristics of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖3 水稻各品種不同氮處理下的單株分蘗數動態變化Fig.3 Dynamics of tiller number per plant of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖4 水稻各品種不同氮處理下的包頸率Fig.4 Packaged panicle neck rates of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖5 水稻各品種不同氮處理下的干物質積累與分配Fig.5 Dry matter accumulations and distributions of different rice varieties under the different nitrogen treatments

2.4 不同氮肥處理下各品種葉片滲透調節物質及保護酶

圖6可看出，低溫前高氮處理葉片游離脯氨酸含量榮優225最高，H優518最低，各品種內存在顯著性差異。低溫后各品種的游離脯氨酸仍較高，不同品種不同氮處理的游離脯氨酸上升幅度不同且上升幅度有一定差異性，其中正常氮N2條件下H優518的游離脯氨酸含量上升幅度為40.93%，榮優225上升31.67%，黃華占上升30.89%。

圖6 水稻各品種不同氮處理下的葉片游離脯氨酸含量Fig.6 Content of free proline in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖7表明，低溫前后同一水稻品種的高氮與超高氮處理可溶性蛋白含量均高于低氮及正常氮處理并達顯著水平。對比低溫前，低溫后除N1處理外可溶性蛋白含量均有不同程度下降，其中以N4降幅最大。N2條件下可溶性蛋白含量降低幅度為黃華占最大，榮優225 次之，H優518最小。

圖7 水稻各品種不同氮處理下的葉片可溶性蛋白含量Fig.7 Content of soluble protein in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖8表明，不同氮肥處理下的不同水稻品種受低溫的影響其丙二醛含量上升幅度不同。N2條件下，低溫后黃華占丙二醛含量上升23.29%，榮優225上升18.58%，H優518上升14.93%。常規稻與雜交稻存在較為明顯的品種間差異。

圖8 水稻各品種不同氮處理下的葉片MDA含量Fig.8 Content of MDA in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖9可看出，各品種受低溫影響后的SOD酶活性N3、N4處理下降最為明顯且與N1、N2處理差異顯著，說明增施氮肥會降低水稻SOD酶的活性。低溫后，正常氮處理下以H優518降幅最小，黃華占降幅最大。進一步說明低溫對H優518的影響要低于其他2個品種。

圖9 水稻各品種不同氮處理下的葉片SOD活性Fig.9 SOD activity in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖10可看出，低溫來臨后除N1外，不同品種的各個處理POD活性均有不同程度的升高，H優518的POD活性一直保持較高水平。N2條件下，POD活性上升幅度為榮優225最大，黃華占次之，H優518最小。N4處理條件下低溫前與低溫后H優518變化幅度最小。

圖10 水稻各品種不同氮處理下的葉片POD活性Fig.10 POD activity in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

圖11表明，低溫來臨后不同品種和處理間CAT活性下降幅度不同。黃華占N3的CAT活性降幅最大且與其他氮處理差異顯著，N4次之；榮優225 N4的CAT降幅最大，N3次之；H優518的N4降幅最大。N2條件下，下降幅度為黃華占>榮優225>H優518。

圖11 水稻各品種不同氮處理下的葉片CAT活性Fig.11 CAT activity in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

3 討論和結論

合理施用氮肥有利于水稻提升產量，過高或過低都不利于水稻增值增產[14-15]。同時植物的生長發育需要在適宜的溫度范圍內，低溫會抑制植物的生長發育，甚至死亡[16]。本研究表明，各品種抽穗揚花期低溫條件下正常氮處理N2單株產量最高，N1單株產量最低但結實率最高，這與前人研究結果基本一致[17-18]，結實率下降原因可能是由于施氮量過多，導致稻株碳/氮比下降，從而降低了稻株抗性，導致結實率降低。本研究還發現，抽穗揚花期低溫寒露風對不同品種稻株后期生蘗成穗影響不同，高量和超高量施氮導致稻株抽穗時間后延，同時受低溫影響，導致其生蘗晚無法正常抽穗，造成包頸現象。潘興書等[17]研究表明，施氮量在合理的范圍內時，產量會隨著施氮量增加而增加，莖葉鞘、穗部積累的干物質及穗所占的比例均有增加的趨勢，尤其在水稻的齊穗期和成熟期。但是本研究中雖然各品種莖、葉干物質量隨著施氮量增加均有所增加，但由于受抽穗揚花期低溫的影響，正常施氮處理的稻株，其穗部干物質量均比高氮、超高氮處理的有所下降，可能是由于晚稻抽穗揚花期遇低溫導致水稻貪青晚熟，空殼增多，穗“庫”對莖、葉“源”的壓力下降，莖葉光合產物及其貯存的碳水化合物向穗部籽粒調運減少，從而導致穗部干物質量降低。

氮素是光合作用和影響合成葉綠素的重要元素之一。在葉綠素合成和降解過程中，存在一系列的酶促反應，低溫會導致酶的活性降低，故溫度對葉綠素含量也有很大的影響[19]。本研究表明，抽穗揚花期低溫處理后各光合指標均有一定程度下降，這與前人研究結果基本一致[18-21]；特別是低溫來臨前，高氮處理可一定程度提高各品種的光合速率以及氣孔導度，這也與王仁雷等[22]研究一致，但低溫來臨期間各光合指標均不同程度下降；另外，本研究還發現，低溫期結束后，高氮處理的光合速率以及氣孔導度高于正常氮處理，這與丁坤元等[23]在對珙桐研究中發現的高氮水平對脅迫具有更好的恢復力的研究結果基本一致。本研究結果還發現，稻株葉綠素隨施氮的增加而增加，這與張延麗等[24]和侯云鵬等[25]研究結果基本一致，在遭遇寒露風低溫后，各個處理稻株的葉綠素含量均不同程度的下降，這與楊盛昌等[20]和魯艷紅等[21]研究結果基本一致。低溫結束后，正常氮處理的水稻葉綠素含量低于高氮處理和超高氮處理的葉綠素含量，可能是因為遇上低溫前，高氮處理和超高氮處理的水稻中有較多的氮素以葉綠體中葉綠素的形式存在于稻株中所致。

植物在受到低溫脅迫時，會引發或加重膜脂過氧化作用，產生并積累大量的活性氧，各滲透調節物以及內源激素含量均有一定程度變化，從而影響植株的耐脅迫能力[26-29]。有研究表明，當植株受到低溫脅迫后游離脯氨酸與對照正常溫度相比均呈上升趨勢[30]。不同水稻品種在響應低溫脅迫時，過氧化物酶(POD)活性在一定程度內均有所升高[31]。本研究結果表明，在抽穗揚花期時遇低溫，3個晚稻品種中葉片游離脯氨酸含量、丙二醛含量和過氧化物酶活性都有上升，這與前人研究的結果基本一致[29-30]。本研究結果還顯示，在低溫結束后，水稻各品種高氮處理下葉片丙二醛相對積累量高于正常氮處理，不同施氮處理可溶性蛋白含量不同程度下降，這與邵怡若等[8]研究結果基本一致；各品種游離脯氨酸含量均不同程度升高，過量施氮處理的晚稻品種的上升幅度均低于正常氮處理的晚稻品種，這是因為過量施氮可能會導致水稻對低溫脅迫的適應性降低，并且在低溫結束后雜交稻H優518具較低的脯氨酸含量及較高的可溶性蛋白水平，以及較好的保護酶活性和相對積累較少的丙二醛，這樣有利于植物的正常生長以及干物質的積累，這與宋廣樹等[9]的研究結果一致。說明抽穗揚花期低溫下雜交稻H優518相對其余品種在正常氮條件下有較高的抗寒性而獲得穩定的產量；常規稻黃華占抗寒性相對較弱，產量較低[32]，這也可能由于不同品種本身的差異導致的。

綜合各品種晚稻抽穗期低溫條件在不同施氮處理下的產量及相關生理指標的分析，得出以下結論：施氮量過低或過高均不利于水稻產量形成，尤其是施氮量過高還遇上低溫時，抗性且與抗性有關的生理指標下降嚴重，稻株包頸加重、結實率及產量均將大幅度降低，因此，生產上應避免氮肥使用不當的情況，晚稻品種在施氮量為180 kg/hm2比較合適。同時3個晚稻品種中，在正常氮條件下，發現超級雜交稻H優518在抵抗寒露風上具有明顯優勢，說明水稻抽穗期低溫抗(耐)性存在明顯的基因型差異，將來在選育耐低溫品種可以考慮將其作為研究材料，但具體指標及標記鑒定的方法還需要做進一步深入研究。