施氮對干旱條件下晚稻產量與生理的影響

黃慧嫻，沈天花，鐘 蕾，杜 杰，傅軍如，周大虎，賀浩華，陳小榮

(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中心，雙季稻現代化生產協同中心，江西 南昌 330045)

作為重要的糧食類作物，水稻生長發育受內因與外因雙重影響[1]，水分和養分(氮)分別是農作物生長發育和產量形成的主要調節因子[2]。氮素與水分相互獨立又相互影響，是一對既互補又相互制約的因子。農作物在發生水分脅迫的時候，會發生相應的生理生化反應和形態結構上的變化，這些生理和生化響應構成了對水分的適應機制，調節土壤養分的吸收、同化、利用和轉運等[3-5]。

在我國，干旱等氣候災害是影響糧食安全的重要因子，近年來農業發展上為應對氣候變化的挑戰變革逐漸增多[6]。我國南方種植的多為耗水量較大的農作物如水稻等，季節性干旱常導致南方農作物處于水分虧缺脅迫下。另外，由于雨量分布不均，雙季稻區在生長季節經常會遭遇長短不同的水分虧缺，造成不同程度的旱害和歉收，特別是在氣候變暖已成為全球變化的必然趨勢下[7]，在我國長江以南的地區旱災發生的頻率增加。江西伏旱與秋旱發生時雙季稻正處于幼穗分化期，已知水稻該時期作為穗生長敏感期，極易受到環境影響[8-9]。前人研究發現，幼穗分化期至齊穗期干旱脅迫后光合效率下降、脯氨酸與可溶性糖等滲透調節物含量增加，丙二醛等膜脂代謝物含量增加、籽粒灌漿速率減慢，有效穗數、總粒數、實粒數均較正常水分供應下降低，空粒數增加，對結實率影響最大，導致總產量降低[8-10]。

超級稻品種在南方稻區的推廣推動了增產增收及品種的更新換代，新品種的干物質產能及產量潛力水平均得到提高，但生育期間對水肥需求更大，對水、氮虧缺與調控更為敏感[11]。同時有研究認為施氮將提高作物對水分虧缺的敏感性，使作物感受脅迫后響應更為劇烈[12]，而這些研究是否同樣適用于雙季稻還未明確。有推測認為，水分調控與氮素運籌與作物類型、水分脅迫時期和程度及施氮量不同等相關[13-14]，雖然人們對水稻水分與氮素互作及其耦合效應進行了不懈探討，但具體關系尚不十分明確，雙季稻水氮互作效應的機理也缺乏深入探討。研究發現，氮肥、磷肥及鉀肥的合理施用對于農作物抗、耐旱性均有一定的作用，而氮素使用運籌對植物抗、耐旱的效應問題在雙季超級稻上較少有專門報道。同時，以往對植物干旱條件下的水氮耦合效應的研究通常是將氮素設置成不同水平，有關于雙季稻同一氮素水平不同運籌對干旱的緩解效應的研究報道較少。

綜上，開展氮素運籌對雙季超級稻干旱條件下的影響及其有關生理機制的研究十分必要。本研究設置不同氮素運籌，從光合、氮素和干物質積累與分配，氮代謝有關酶活性、滲透調節物質等變化、產量等探討旱前施氮及旱后補氮對超級雜交晚稻的產量形成及其有關生理指標的影響，為農作物生產應對干旱條件下合理的施肥(氮)策略提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

五豐優T025：江西省主栽的雙季超級雜交晚稻(五豐A/昌恢T025，2010年農業部認定為超級稻)，南昌地區生育期112.3 d左右。試驗于2016，2017年在江西省南昌市江西農業大學科技園試驗基地進行。

1.2 試驗設計與材料種植

設置7個處理，采用桶栽方式。試驗用桶參數分別為：24.0 cm(高)、29.0 cm(上部直徑)、23.5 cm(桶底直徑)。土壤取自稻田0～20 cm耕層，經自然晾曬風干，用FT-1000A土壤粉碎機(常州市偉嘉儀器制造有限公司)粉碎成0.15 mm的土壤顆粒，移栽前預淹水浸泡14 d。于6月24日播種，7月26日移栽，移栽選取長勢良好、一致的秧苗移栽到桶內，每個處理各種植20桶，每桶3株(穴)，各個處理共計140桶，移栽前在大田統一管理。正常水分不同氮素水平處理(T1/T2/T3)全生育期保持3～5 cm水層，干旱處理組(T4/T5/T6)，模擬江西等氣象干旱發生時期與歷時，于9月20日(2016年)和9月13日(2017年)(幼穗長度約為1 mm時期)傍晚搬至玻璃房干旱控水，9月26日(2016年)和9月19日(2017年)移出復水，于11月1日(2016年)和10月28日(2017年)收獲。本試驗中氮素水平按180 kg/hm2氮肥折算，各處理氮肥分別按T1/T4=2∶6∶2、T2/T5=2∶2∶6、T3/T6=2∶4∶4(基肥∶分蘗肥∶穗肥)比例施肥，蘗肥于移栽后5 d施用，穗肥于復水后第2天施用(尿素用量分配具體見表1)；磷肥全部在基肥時期施用，施肥水平均采用 P2O590 kg/hm2；鉀肥施肥水平為 K2O 180 kg/hm2，采用基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3比例施肥，栽培與病蟲害防治措施與大田相一致。產量及產量構成采用2 a數據，其余指標均使用2017年數據。前期土壤理化性質檢測結果為：土壤pH值為5.44，有機質含量為23.1 mg/kg，全氮含量為1.12 g/kg，速效養分中N氮磷鉀含量分別為101.00，8.85，90.80 mg/kg。

表1 氮肥(尿素)施用運籌Tab.1 Nitrogen fertilizer (urea) application ratio

1.3 測定指標及方法

1.3.1 產量及其構成 各處理于成熟期選取長勢一致且未損傷水稻7株，將其莖、葉、穗分裝，穗子部位于日光下自然曬干以備后期氮素測定。曬干后分別考察其單株產量和產量構成因素(總粒數、結實率、穗長、千粒質量、二次枝梗數等)。

1.3.2 干物質積累量測定 各處理于穗肥后即抽穗期(同旱后復水)和成熟期各選取5株長勢一致的水稻，將莖、葉、穗分裝以備后期研磨。莖葉穗放于烘箱105 ℃殺青后烘干，成熟期穗子部位于日光下自然曬干后統一稱量計質量。

1.3.3 氮素含量測定 氮含量的測定依據凱氏定氮法[15]，取樣方法同1.3.2。

1.3.4 光合作用 在抽穗期和開花期9：00-11：00使用CI-340便攜式光合作用測定儀(CID Bio-Science，Camas，WA，USA)測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、葉片氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)，每個處理每個重復選定4～6株水稻的倒二葉進行測定，取平均值。

1.3.5 滲透調節物質的測定 于抽穗期和開花期，各處理選取長勢均勻的水稻葉片，對其進行測定。測定有關滲透調節物質：可溶性糖測定采用蒽酮比色法，可溶性蛋白測定利用BCA法，丙二醛(MDA)測定硫代巴比妥酸(TBA)，脯氨酸(Pro)的提取利用磺基水楊酸(SA)法[16-18](測試所用試劑盒均由蘇州科銘生物技術公司提供，具體操作參照說明書)。

1.3.6 氮代謝酶的測定 于抽穗期和開花期，各處理選取長勢均勻的葉片，測定谷氨酸脫氫酶(GDH)[6-8]、谷丙轉氨酶(GPT)[19]、谷胺酰胺合成酶(GS)[20]和硝酸還原酶(NR)[21]4種氮代謝酶活性(測試所用試劑盒均由蘇州科銘生物技術公司提供，具體操作參照說明書)。

1. 4 數據統計與分析

農藝性狀與生理數據采用Microsoft Excel 2010軟件整理數據，運用SPSS 19.0(v 20.0，SPSS Inc. Chicago，USA)軟件下t檢驗進行方差分析，P<0.05表示差異達到顯著水平。

2 結果與分析

2.1 不同蘗、穗氮肥處理水稻產量及其構成的差異

表2中2017年的結果表明，正常水分下3個氮肥運籌處理單株產量表現為T1>T3>T2>CK，兩穗肥重施處理T2和T3較蘗肥重施T1產量分別降低了29.95%，28.46%，且T1與T2、T3間產量呈顯著差異水平，T2與T3間無顯著差異，顯示出正常水分條件下超級雜交晚稻分蘗期施氮的重要性；干旱條件下，兩穗肥重施處理T5和T6較蘗肥重施T4產量差異達顯著水平，分別較后者低38.89%，33.26%，說明雙季晚稻旱后(穗分化期)補氮恢復效果不及旱前(分蘗期)重施氮處理。從產量構成上看，正常水分條件下，蘗肥重施處理T1較2個穗肥重施處理T2和T3只有單株有效穗數呈現顯著差異水平，T1較T2、T3分別多38.07%，30.54%；干旱條件下，蘗肥重施處理T4與2個穗肥重施處理T5、T6單株有效穗數和結實率均呈顯著差異水平，其中單株有效穗數T4較T5、T6分別多26.92%，5.60%，結實率分別高24.14%，33.33%。另外，正常水分與干旱條件下，蘗肥重施處理與2個穗肥重施處理間穗長、二次枝梗數、穗粒數、千粒質量等指標間的差異各存在不同特點，但干旱條件下這些指標在蘗肥重施處理與穗肥重施處理間總體差異不明顯。2016年的結果與2017年整體趨勢較為一致。干旱條件下，T4較T5、T6的單株產量高35.83%，20.60%。

2.2 不同蘗、穗氮肥處理水稻干物質積累的差異

圖1可知，無論是正常水分還是干旱條件下，水稻抽穗期各處理干物質積累量總體表現為氮素蘗肥重施處理高于穗肥重施處理，干物質積累量與前期分蘗肥呈現正相關，分蘗肥充足，穗部干物質積累快。成熟期正常水分處理組仍保持與抽穗期一樣的趨勢，干物質總積累量表現為T1>T3>T2，可見前期供氮充足有助于干物質積累和籽粒充實。幼穗分化期干旱條件下，成熟期干物質積累量顯著低于正常水分處理，T4較T1、T5較T2、T6較T3分別下降19.2%，15.94%，22.31%；但不難發現，干旱條件下無論是總干物質積累量，還是穗部干物質積累量，均以T4處理最高。

表2 水稻各處理下產量及產量構成Tab.2 Yield and its composition of rice for the different treatments

2.3 不同蘗、穗氮肥處理水稻氮含量的差異

圖2表明，正常水分條件下，抽穗期不同蘗、穗氮肥處理以T1總氮含量最高，T1與T2、T3間差異顯著，且T1氮含量大多集中在葉片部位；幼穗分化期干旱條件下，3個不同蘗、穗氮肥處理地上部氮含量無顯著差異。無論是正常水分，還是幼穗分化期干旱，至成熟期稻株氮含量均以氮素蘗肥重施處理最低，氮素穗肥重施處理顯著高于前者，尤其以莖、葉部差異明顯，表明氮素穗肥重施處理將導致更多的氮素積累在莖、葉部，向穗部的轉運相對較少。

2.4 不同蘗、穗氮肥處理水稻光合的差異

表3表明，無論是正常水分還是干旱條件下，水稻抽穗期、開花期各處理凈光合速率(Pn)均是以氮素蘗肥重施處理T1與T4最低，顯著低于氮素穗肥重施各處理；幼穗分化期干旱條件下，氮素蘗肥重施處理T4抽穗期和開花期的蒸騰速率(Tr)也顯著低于氮素穗肥重施各處理，葉片氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)也表現類似差異特點；另外，4個光合指標在幼穗分化期干旱條件下從抽穗期到開花期均不同程度上升。

2.5 不同蘗、穗氮肥處理水稻滲透調節的差異

圖3表明，抽穗期和開花期各處理可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛與脯氨酸含量呈明顯的差異。幼穗分化期干旱條件下，氮素蘗肥重施處理，抽穗期脯氨酸含量較高；開花期持有高水平的可溶性糖含量與較高的可溶性蛋白含量，雖然T4丙二醛含量高于T6，但明顯低于T5。正常條件下，開花期T3處理的滲透調節物質及丙二醛含量最高；在抽穗期，可溶性糖和丙二醛含量在蘗肥重施處理中相對較高，可溶性蛋白和脯氨酸含量在蘗肥重施中相對較低。

表3 水稻各處理下光合指標Tab.3 Photosynthetic indexes of rice for the differentiation treatments

2.6 不同蘗、穗氮肥處理水稻氮代謝酶活性的差異

圖4表明，各處理抽穗期和開花期的硝酸還原酶活性、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脫氫酶和谷丙轉氨酶活性均表現出明顯的差異，開花期較抽穗期硝酸還原酶活性和谷丙轉氨酶活性均表現出規律性下降；其中相較于正常水分，幼穗分化期干旱條件下不同氮素蘗、穗肥處理抽穗期的硝酸還原酶活性和谷丙轉氨酶活性更高；同時，硝酸還原酶和谷丙轉氨酶活性在抽穗期T1>T2,T4T5，開花期也出現相似結果。

3 討論與結論

3.1 幼穗分化期干旱與否條件下水稻產量及構成因素與不同蘗、穗氮肥處理的關系

本研究發現，無論是哪種蘗、穗氮肥比例處理，幼穗分化期干旱后，水稻產量均大幅下降，與Ding等[23]研究結果一致，顯示出雙季晚稻幼穗分化期對水分虧缺的敏感性。穗分化期干旱或正常水分條件下，氮素蘗肥重施較氮素穗肥重施水稻產量均有明顯的優勢，與孫永健等[24]研究指出的隨氮肥穗肥后移比例的增大將導致水稻產量的顯著下降結果相一致，表明了雙季晚稻氮素蘗肥的重要性，分析其原因，可能與雙季晚稻由于受到生育期的限制，而氮素蘗肥適當重施條件下有利于分蘗早生快發，提高成穗率，從而增穗增產，進一步分析產量構成可發現，氮素蘗肥重施不僅有利于改善分蘗成穗，還將保障結實率的穩定；而幼穗分化期干旱條件下，隨著氮素穗肥比例的增多，復水后新生蘗大幅增加，但由于隨后生長期的有限性，部分新生蘗無法抽穗，形成無效蘗，耗費營養，還有部分雖然抽穗，但由于隨著氣溫的下降，結實率大幅下降。因此，幼穗分化期干旱條件下更應保證氮素蘗肥的充分供應，充分利用“以氮調水”效應，保證該逆境脅迫下的產量。

3.2 幼穗分化期干旱與否條件下水稻干物質、氮素積累與不同蘗、穗氮肥處理的關系

干物質作為衡量產量的重要相關性指標，與產量呈顯著正相關。本研究表明，抽穗期干物質積累量與氮素蘗肥呈正比，分蘗肥充足，穗部干物質積累快，分蘗成穗率高，這與前人的研究相一致[25]；成熟期各處理生長中心及干物質積累均轉向穗部，前期肥水充足處理表現出更為穩定的莖、葉物質向穗部轉運趨勢。幼穗分化期干旱條件下，各處理的穗部干物質積累相對正常水分處理減少，而氮素蘗肥重施處理的稻株穗部積累量顯著高于穗肥重施處理。幼穗分化期干旱條件下，成熟期莖、葉氮素積累量占地上部總積累量的比例均以氮素穗肥重施處理高，這與Singh等[26]研究發現的旱后植株內滯留的氮素增加一致。總體看來，幼穗分化期干旱條件下，各蘗、穗氮肥處理的穗部干物質和氮素積累與魏征等[27]和湯國平等[28]提出的旱后補償效應、氮素補償機制存在一定的差異，這可能與水稻幼穗分化期氮素和水分虧缺較其余生育時期更為敏感與復雜有關，其機制值得深入探究。

3.3 幼穗分化期干旱與否條件下水稻光合與不同蘗、穗氮肥處理的關系

前人研究發現植物光合速率隨氮濃度增加而提高，但隨土壤含水率減少而下降。在很多作物中都觀察到氮水互作對光合作用的影響[29]。本研究表明，正常水分條件下，隨生育進程的推進，氮素穗肥的增加，凈光合速率下降趨勢將減緩，與Liu等[30]提出的氮素營養增加更能保持后期光合速率穩定相一致。水稻在幼穗分化期遭遇嚴重干旱后，通過限制氣孔開度，抑制PSⅡ的光反應和電子傳遞過程，胞間二氧化碳濃度和凈光合速率等參數降低。旱前重施氮肥提高了光合色素和二磷酸核酮糖羧化酶等相關蛋白的合成和表達，維持較高的電子傳遞速率，從而保護光合作用的生物化學過程，水稻對干旱脅迫的適應性。

各蘗、穗氮肥處理表現為復水后短期內凈光合速率上升，與Zhou等[31]對水稻土壤水分虧缺后的研究相一致，推測認為受干旱脅迫的影響，旱后氮素吸收轉運集中在葉片，葉綠素濃度升高，PSⅡ原始光能轉換效率(Fv/Fm)和實際光合效率Y(Ⅱ)上升。旱后各氮素穗肥重施處理凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度在開花期上升，說明水稻幼穗分化期旱后復水后重施穗肥，在開花期逐漸表現出對水稻葉片光合一定的生理補償效應，但不同氮肥處理的生理補償效應的強度以及發生時間出現差異[31]。然而，氮素穗肥重施處理下光合作用出現一定補償效應，但光合產物在莖、葉部的滯留不容忽視，相對于氮素蘗肥重施處理，產量還是受到更大的影響。

3.4 幼穗分化期干旱與否條件下水稻滲透調節與不同蘗、穗氮肥處理的關系

水分虧缺作為一種環境變化引起的脅迫，不同植物在應對時有不同的機制，前人研究表明，在失水細胞損傷后會產生一系列的過氧化產物如丙二醛等，但同時也會產生的一些具有脫水保護功能的可溶性蛋白和糖類以調節減緩損傷[32]。在水稻土壤水分下降到50%以后，稻株會為了減緩脅迫影響而合成許多新的糖類物質，這些可溶性糖一部分作為滲透調節物質起作用，一部分作為營養物質，同時影響蛋白的合成與積累，脅迫下植物還可以通過積累一定量的脯氨酸以降低水勢，維持體內的水分平衡[33-34]。

本研究發現，各氮素處理穗分化期復水后初期葉片保護物質可溶性糖與脯氨酸含量上升，至開花期下降，與戴高興等[33]研究結果一致。而丙二醛與可溶性蛋白在水稻穗分化期干旱脅迫后，隨著生育進程的推進以及氮素的吸收利用，其含量反而逐漸增加，推測認為，水稻幼穗分化期干旱復水后由于膜脂傷害加劇，過氧化產物丙二醛增加，并與氮素吸收后產生的滯留氮呈正比，這可能是水分虧缺促進了氮素物質的再利用，加速最初功能葉片的衰老進程，促進了物質的運轉，前人有關研究也出現類似推論[35]。氮素蘗肥重施中抗氧化酶活性提高有利于緩解葉片損傷，導致開花期丙二醛含量較穗肥重施處理顯著下降，提高氮肥施用水平可有效增強植物的抗氧化能力[36]。同時，氮素蘗肥重施處理在開花期持有更高水平的可溶性糖含量，顯示出不同氮素蘗、穗肥比例處理下稻株滲透調節的差異性，可能是其應對穗分化期干旱脅迫的重要生理機制之一。

3.5 幼穗分化期干旱與否條件下水稻氮代謝酶活性與不同蘗、穗氮肥處理的關系

水稻產量的形成離不開氮素的吸收與利用，后者又受到氮代謝酶的調控。本研究表明，干旱條件下抽穗期各氮代謝酶相對保持更高的活性。幼穗分化期干旱條件下，不同處理抽穗期硝酸還原酶與谷丙轉氨酶活性在穗肥重施處理中上升，與孫永健等[37]結果相一致；谷氨酸脫氫酶活性變化則表現為在開花期升高，與Goel等[38]苗期干旱試驗中活性升高相類似。說明各氮代謝酶活性與氮素施用有關，而其對產量的影響，則與氮素的轉運與穗部的積累有關，較為復雜。

綜上所述，雙季晚稻幼穗分化期干旱條件下，干旱前(分蘗期)適當地重施氮肥較干旱后(穗分化期)重施氮肥可在一定程度保持較高的單株有效穗數和結實率，防止干旱條件下的稻株大幅減產，前者較后者存在較明顯的“以氮調水”效應，原因主要是氮素蘗肥重施有利于生育后期氮素及干物質的轉運及向穗部積累，雖然其生育后期凈光合速率、氮代謝酶活性等低于氮素穗肥重施處理。