超級雜交稻葉片光合特性、光合氮素利用效率和產量對不同施氮量的響應

彭金鳳 劉婷婷 許桂玲 馮躍華,3* 王曉珂 李杰 羅強鑫 PHONENASAY Somsana 韓志麗 盧葦

（1貴州大學農學院，貴陽550025；2黔西南州農業農村局，貴州 興義562400；3貴州大學/山地植物資源保護與種質創新教育部重點實驗室，貴陽550025；第一作者：1498845335@qq.com；*通訊作者：fengyuehua2006@126.com）

光合作用是水稻物質生產的基礎，水稻產量的90%來自葉片的光合作用，水稻葉片光合作用強弱對產量起著至關重要的作用[1-3]。氮素是水稻生長發育過程中最重要的元素，也是光合器官組成的關鍵因子，栽培環境中營養的供應直接關系著作物葉片的光合功能[4]，氮素營養對作物葉片光合性能具有顯著的調控作用[5-7]。張忠學等[8]研究表明，隨著施氮量的增加，龍慶稻3號的光飽和點（LSP）和LCP明顯降低，AQE有所增加；而徐俊增等[9]研究表明，在高氮處理下嘉33的AQE和LSP大都高于低氮處理，LCP低于低氮處理；劉琦峰等[7]在盆栽試驗條件下，研究了6個施氮水平下龍粳32號葉片的光合參數，表明葉片Pn與Gs隨施氮量增加而升高，而Ci降低，在施氮量達150 kg/hm2之后，Pn降低、Ci增加；而歐達等[5]大田試驗結果表明，隨著施氮量的增加，C兩優華占的Pn在拔節期和孕穗期整體呈上升趨勢，Gs在拔節期和孕穗期呈整體上升趨勢，Ci在拔節期呈先升后降趨勢、在孕穗期呈下降趨勢。

另外，PNUE是葉片的固有屬性，是描述植物葉片養分利用、生理特性和生存策略的重要特征，單位面積葉片氮含量是影響PNUE的關鍵因素[10-12]。李勇[10]研究認為，隨著施氮量增加，揚稻6號和汕優63的Narea呈上升趨勢，PNUE呈下降趨勢；而徐國偉等[13]在田間試驗條件下，研究了3個供氮水平下新稻20葉片的PNUE，結果表明在同一灌溉方式下，中氮處理能提高主要生育期水稻葉片Narea和PNUE。

綜上所述，在有關不同施氮量對水稻葉片光合特性、光合氮素利用效率影響的研究中，存在不同的研究結論，同時前人對水稻光合特性和光合氮素利用效率的研究較多集中在粳稻上，有關秈型超級雜交稻的研究報道不多。為此，筆者于2019年以超級雜交稻Q優6號和宜香優2115為試驗材料，探究不同施氮水平對超級雜交稻孕穗期、抽穗期葉片光合特性、光合氮素利用效率和產量的調節作用，旨在為貴州超級雜交稻的高產栽培提供理論和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在貴州省黃平縣舊州鎮寨碧村（26°59′44.59″N，107°43′58.90″E）進行。試驗田土壤肥力狀況：pH值5.02，有機質18.38 g/kg，堿解氮209.50 mg/kg，速效磷4.56 mg/kg，速效鉀65.73 mg/kg，全氮2.62 g/kg，全磷0.29 g/kg，全鉀12.31 g/kg。試驗水稻品種為Q優6號（重慶市種子公司）、宜香優2115（四川綠丹種業有限公司），前者葉片顏色較深，后者葉片顏色較淺。

1.2 試驗設計

試驗采用兩因素裂區設計。主區處理為品種（V），設2個水平，為Q優6號（V1）、宜香優2115（V2）；副區處理為施氮量（N），設5個水平，為0 kg/hm2（N0）、75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）、300 kg/hm2（N4）。氮肥處理采用分次施肥法，基肥（5月27日施）、分蘗肥（6月6日施）、促花肥（7月6日施）、保花肥（7月23日施）施氮量分別占總施氮量的35%、20%、30%、15%；磷肥和鉀肥的用量分別為96 kg/hm2（P2O5）、135 kg/hm2（K2O），磷肥作基肥一次性施入，鉀肥作基肥和保花肥各施50%。每個處理3次重復，小區面積25.9 m2，每個小區四周筑高30 cm、寬20 cm的田埂并包膜，包膜壓深至地下30 cm，重復間留50 cm走道。4月18日育秧，5月27日移栽，行株距30 cm×20 cm，每叢插1苗。大田返青期保持淺水層，分蘗期濕潤灌溉，苗期達到預期穗數的85%時開始自然斷水曬田，拔節后灌水并保持淺水層至抽穗期，灌漿成熟期間歇灌溉，收獲前10 d斷水落干。田間精細管理，及時控制病蟲害。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 光合特性參數

孕穗期（7月19日）取心葉為0.5的下1片葉，抽穗期（8月9日）取劍葉，在晴天上午9∶00—11∶00，選擇有代表性植株，采用美國LI-COR公司生產的LI-6400型光合作用測定儀測定主莖葉片中部Pn、Gs、Tr、Ci。每個處理選擇3個測樣點，測定時光強為1 500μmol/m2·s，溫度為30℃，CO2濃度為400μmol/mol。

1.3.2 氣體交換參數

于孕穗期（7月20日至23日）、抽穗期（8月11日至13日），葉片選擇與光合參數測定一樣，在晴天9∶00—15∶00采用Li-Cor6400型光合作用測定儀對目標葉片進行光響應及胞間CO2響應曲線的測定。測定時按照由高到低：2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0μmol/m2·s光強梯度測定其光響應曲線，測定時葉室CO2濃度設定為400μmol/mol，每個光強下測定時間為2～3 min，整個程序需要約30 min。以光合速率為縱坐標、光強為橫坐標作曲線，曲線的初始斜率（PPFD≤200時）為量子產率。測定光響應曲線后第2 d，設定葉室光照在光飽和點1 500 μmol/m2·s，設定葉室內CO2濃度梯度依次為：400、250、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500μmol/mol測定胞間CO2響應曲線，以光合速率為縱坐標、細胞間隙內CO2濃度為橫坐標作曲線，曲線的初始斜率（C＜200時）為羧化效率。每個光強或CO2濃度下測定時間為2～3 min，整個程序需要約30 min。所有氣體交換參數測定時葉片溫度和葉室內空氣濕度分別控制在25℃～28℃和40%～60%。利用光響應曲線計算LSP、LCP和AQE，利用胞間CO2響應曲線計算最大羧化速率（Vcmax）和最大電子傳遞速率（Jmax）。

1.3.3 最大羧化速率和最大電子傳遞速率的計算

首先通過胞間CO2響應曲線初始部分（外界CO2濃度在50～200μmol/mol時）胞間CO2濃度（Ci）與凈光合速率作擬合直線Pn＝kCi+i，得到斜率k以及i。其中，Ci為Li-6400直接測得；k為羧化效率CE；i等于Ci取值為0時的凈光合速率，相當于光呼吸速率[14]。然后通過FARQUHAR改進的方法[15]計算Vcmax；Jmax通過LOUSTAU提出的方法[16]進行計算。

1.3.4 光合氮素利用效率（PNUE）

PNUE＝Pn/Narea，式中，Pn為凈光合速率、Narea為單位葉面積氮含量；Narea＝（Nleaf×SLW）/100，式中，Nleaf為葉片氮含量（通過凱氏定氮儀測定）、SLW為比葉重；SLW＝DM/LA，式中，DM為葉片烘干至恒質量后的質量、LA為葉片葉面積。

表1 不同處理對水稻葉片光合特性的影響（孕穗期）

1.3.5 產量及其構成因子

產量測定成熟期每個小區選90叢進行測產，單打單收，曬干后測定稻谷質量和含水量，然后折合含水量13.5%記為實收產量。在測定產量的同時，根據田間調查的平均莖蘗數，選取代表性植株6叢作為每個小區考種樣品，考察產量構成因子。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據整理和計算，并用SAS 9.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對葉片光合特性的影響

由表1可知，在孕穗期，隨著施氮量的增加，水稻Vcmax和Jmax均呈上升趨勢，而LCP和Ci與之相反，其中Vcmax和Jmax均是N4處理最高，N4處理的Jmax顯著高于N1處理，N0處理的LCP顯著高于N1處理，N0處理的Ci顯著高于N2、N3和N4處理；Tr、AQE和Pn均呈先升后降趨勢，其中，N1處理的AQE顯著高于N0處理，N2、N3和N4處理的Pn顯著高于N0和N1處理。

由表1可知，在孕穗期，對于V1品種，隨著施氮量的增加，Vcmax和Jmax呈上升趨勢，均為N3處理顯著高于N1處理；Ci呈下降趨勢，N0處理顯著高于N2和N3處理；AQE和Pn呈先升后降趨勢，其中，N2處理的AQE顯著高于N4處理，N2和N3處理的Pn顯著高于N0和N1處理；LSP呈先降后升趨勢，其中，N3和N4處理的LSP顯著高于N2處理。對于V2品種，隨著施氮量的增加，Ci呈下降趨勢，N0處理的Ci顯著高于N4處理，AQE呈先升后降趨勢，N1、N3和N4處理顯著高于N0處理。兩個品種間，水稻Vcmax、Jmax、LCP、Ci和Tr均為V1高于V2，而Gs、LSP、AQE和Pn與之相反，但差異性均不顯著。

由表2可知，在抽穗期，隨著施氮量的增加，水稻Gs和LCP呈先升后降趨勢。其中N1處理的LCP最高，且顯著高于N0、N2和N4處理；N2處理的Gs最高，且顯著高于N0和N4處理。由表2可知，在抽穗期，隨著施氮量的增加，兩個品種的變化趨勢相同，對于V1品種，LCP呈先升后降趨勢，其中，N1處理顯著高于N4處理；對于V2品種，LCP變化趨勢與V1品種一致，其中，N1處理顯著高于N0和N2處理。兩個品種間，水稻Vcmax、Jmax、LSP和AQE均為V1高于V2，而LCP、Gs、Pn、Ci和Tr與之相反，其中，僅V2、V1品種間的Pn差異達顯著水平。

表2 不同處理對水稻葉片光合特性的影響（抽穗期）

圖1 不同施氮量對水稻葉片Narea、PNUE的影響

方差分析結果（表1和表2）表明，不同超級雜交稻品種光合特性在抽穗期Pn達到顯著差異；施氮量對水稻孕穗期Pn和抽穗期LCP有極顯著或顯著影響；品種與施氮量的互作對水稻孕穗期和抽穗期光合特性影響均不顯著。

2.2 不同處理對葉片光合氮素利用效率的影響

從圖1中Ⅰ、Ⅱ可看出，在孕穗期，隨著施氮量的增加，水稻PNUE（除N0處理外）呈先升后降趨勢，而Narea呈上升趨勢，其中，N2處理的PNUE顯著高于N1處理，N3和N4處理的Narea顯著高于N0處理。在抽穗期，隨著施氮量的增加，水稻Narea呈上升趨勢，而PNUE呈下降趨勢，其中，N1、N2、N3和N4處理的Narea顯著高于N0處理，N0處理的PNUE顯著高于N3處理。

表3 不同處理對水稻產量及其構成因子的影響

由圖1中Ⅲ、Ⅳ可看出，兩個品種在不同生育時期的變化趨勢不同，在孕穗期，隨著施氮量的增加，對于V1品種，Narea呈上升趨勢，PNUE（除N0處理外）呈先升后降趨勢，其中，N3處理的Narea顯著高于N0處理。對于V2品種，Narea呈上升趨勢，PNUE（除N0處理外）呈先升后降趨勢，其中，N4處理的Narea顯著高于N0和N1處理。在抽穗期，隨著施氮量的增加，V1品種的Narea呈上升趨勢，其中，N3和N1處理的Narea顯著高于N0處理；V2品種的Narea呈上升趨勢，PNUE呈下降趨勢，其中，N3和N4處理的Narea顯著高于N0處理，N0處理的PNUE顯著高于N3和N4處理。

由圖1中Ⅴ、Ⅵ可知，兩個品種間水稻孕穗期的PNUE、抽穗期的Narea和PNUE，均為V2顯著高于V1，而V1孕穗期的Narea高于V2，但未達顯著水平。

方差分析結果表明，品種對孕穗期和抽穗期的PNUE、抽穗期的Narea均有極顯著影響；施氮量對孕穗期和抽穗期的Narea有顯著或極顯著影響；品種與施氮量的互作對各指標的影響均不顯著。

2.3 不同處理對產量及產量構成因子的影響

由表3可知，隨著施氮量的增加，對于V1品種，千粒重和結實率變化呈下降趨勢，實際產量呈先升后降趨勢，其中，N0處理的千粒重顯著高于N2、N3和N4處理，N0處理的結實率顯著高于N3處理，實際產量N2處理顯著高于N0和N1處理；對于V2品種，千粒重、結實率和實際產量的變化趨勢與V1品種變化趨勢一致，其中，N0處理的千粒重顯著高于其他4個施氮處理，N0處理的結實率顯著高于N2和N4處理，實際產量N1處理顯著高于N4處理。

兩個品種間，有效穗數、每穗粒數和實際產量均為V1高于V2，千粒重和結實率則相反，其中，V1的每穗粒數和實際產量顯著高于V2，V2的千粒重和結實率顯著高于V1。

方差分析結果（表3）表明，不同品種每穗總粒數、千粒重和實際產量達極顯著差異，結實率達顯著差異；施氮量對千粒重、結實率和實際產量的影響達顯著或極顯著水平；品種與施氮量的互作僅對千粒重和實際產量有顯著或極顯著影響。

在本試驗條件下，施氮量和產量之間呈拋物線關系。于V1品種，建立產量與施氮量之間的回歸方程：y=－0.0623x2+23.441x+11033，推算出獲得最高產量的施氮量為188.13 kg/hm2，水稻產量為13 237.98 kg/hm2；于V2品種，建立產量與施氮量之間的回歸方程：y=－0.0202x2+4.3292x+10242，推算出獲得最高產量的施氮量為107.16 kg/hm2，水稻產量為10 027.35 kg/hm2。由兩個品種產量平均值與施氮量之間的回歸方程y=－0.0413x2+13.89x+10637，可推算出獲得最高產量的施氮量為168.16 kg/hm2，水稻產量為11 804.87 kg/hm2。

3 討論與結論

本研究表明，隨著施氮量增加，孕穗期水稻葉片Pn呈先升后降趨勢、Ci呈下降趨勢，抽穗期Gs呈先升后降趨勢、Pn呈上升趨勢，表明適量增施氮肥，有利于使葉片氣孔張開，促進葉片吸收胞間CO2參與光合作用，光合效率提高，而過高的施氮量抑制氣孔舒張，降低光合作用，研究結果與黎星等[17]研究相似但有所差異，這可能與試驗選用水稻品種和試驗地外界條件以及土壤基礎肥力不同有關。

本研究表明，隨著施氮量增加，孕穗期水稻葉片AQE呈先升后降趨勢，而LSP、LCP呈下降趨勢，表明適量增施氮肥有利于水稻葉片對強光的吸收利用，氮肥虧缺或過高的施氮處理會導致水稻功能葉片對強光適應能力降低，所得結果與張忠學等[8-9]的研究結果略有不同，這可能與水稻品種和試驗地外界條件以及土壤基礎肥力不同有關。孕穗期和抽穗期的Vcmax和Jmax總體呈上升趨勢，進一步表明適量的增施氮肥有利提高最大羧化速率和電子傳遞速率，促進在基質中將CO2轉化成穩定的碳水化合物的過程，從而提高葉片光合速率，所得結果與李勇[10]的研究結果一致。

本研究表明，隨著施氮量增加，孕穗期和抽穗期水稻葉片Narea大體呈上升趨勢，抽穗期PNUE呈降低趨勢，這與李勇[10]的研究略有不同，不同之處是在本試驗條件下孕穗期PNUE呈先升后降趨勢，這可能與水稻品種和試驗地外界條件以及土壤基礎肥力不同有關。

本試驗條件下，Q優6號和宜香優2115，在孕穗期的PNUE，抽穗期的Narea、PNUE和Pn存在顯著性差異，這與前人[18-20]的研究結論較為一致。在本研究中，盡管Q優6號的千粒重和結實率顯著低于宜香優2115，但Q優6號的有效穗數和每穗粒數高于宜香優2115，最終導致Q優6號的實際產量顯著高于宜香優2115，表明實際產量受有效穗數和每穗粒數的影響較大，這一結論與夏冰等[21]研究結果一致。

本研究表明，隨著施氮量的增加，每穗粒數和實際產量呈先升后降趨勢，說明適量增施氮促進作物產量提高，當施氮量超過一定水平后，對作物產量則產生抑制作用，結果與高偉等[22]的研究結果一致。本研究表明，有效穗數呈上升趨勢、千粒重和結實率呈下降趨勢，與蔣鵬等[23]的研究結果不同，這可能與試驗選用品種以及試驗外界條件不同有關。

總的來說，在75~225 kg/hm2的施氮量范圍內，增施氮肥能提高光合氮素利用效率，有利于促進氣孔導度增大及葉片吸收CO2參與光合作用，提高最大羧化速率和電子傳遞速率，以此促進在基質中將CO2轉化成穩定碳水化合物的過程，從而提高葉片光合速率，有利于實現高效高產。