氮肥對水稻產量、品質和氮利用效率的影響研究進展

趙燦 劉光明 戴其根 許軻 高輝 霍中洋

（揚州大學/農業農村部長江流域稻作技術創新中心/江蘇省作物栽培生理重點實驗室，江蘇 揚州 225009；#共同第一作者；*通訊作者：huozy69@163.com）

水稻是我國最重要的糧食作物之一，2021年種植面積達2 992.12萬hm2，占糧食播種面積的25.44%，稻谷總產21 284.30萬t，占糧食總產的31.17%[1]。糧食安全問題一直是關系國計民生的頭等大事。有人估算，到2030年，我國人口將突破14.5億，糧食需求將持續剛性增長[2]。在過去50 多年中，在耕地面積沒有擴大的情況下，我國水稻產量增長了近3 倍，其中50%歸功于化學肥料的使用，其中又以氮肥的貢獻最為顯著[3-4]。國內外許多學者已對氮肥運籌進行了大量的研究，本文結合前人及課題組的研究情況，概述了以下幾個方面的研究進展：氮肥運籌對水稻產量和品質的影響、不同基因型水稻氮效率的差異、氮肥代謝相關的生理及分子機理。提出并討論存在的問題，并對下一步研究重點進行展望，以為更好更合理利用氮肥提供理論依據。

1 氮肥運籌與水稻產量

1.1 我國氮肥使用情況

氮肥是水稻生產中最重要的肥料，是保障水稻產量的前提。我國氮肥生產量和使用量目前在世界上排名第一，目前用量占全球用量的38.3%（圖1）。目前我國稻田單季氮肥（純氮）用量平均為180 kg/hm2，比世界平均水平高出75%[5]，而江蘇省的單季氮肥（純氮）用量平均為272.24 kg/hm2，蘇南地區甚至達到300 kg/hm2，比世界平均水平高出191.26%[4]。過多使用氮肥不僅增加生產成本，導致經濟效益下降，還會對環境造成嚴重污染[6]。氮肥運籌是影響水稻產量和品質的主要栽培技術措施之一，合理的氮肥配比能保證水稻更好進行各種生理代謝，在水稻產量和品質形成過程中起著決定性作用[7-8]。氮肥運籌中，基蘗肥與穗肥的比例是精確定量施氮的核心內容。如何更精確施用氮肥、提高氮肥利用效率是我國目前亟需解決的一個重要問題。

圖1 1961—2019年中國和世界氮肥消費量變化（數據來自聯合國糧食及農業組織統計資料）

1.2 氮肥運籌對水稻產量的影響

氮肥施用量與水稻產量呈開口向下的拋物線關系，且基蘗肥運籌比例對產量的影響因地力水平的差異而不同。可見，確定最適氮肥用量對于水稻高產至關重要[9]。凌啟鴻等[10]研究認為，水稻中小苗移栽，基蘗肥氮與穗肥氮比例以6∶4 或5∶5 利于獲得高產。以此為理論依據，農學家們對氮肥運籌最佳比例進行了更細致的研究，發現基蘗肥氮與穗肥氮比例為6∶4，穗肥在倒4 葉和倒2 葉期追施可使水稻高產、優質、高效得到較好的協調統一，且氮素水平與產量、每穗粒數均呈顯著或者極顯著正相關[11]。ZHU等[12]研究發現，基肥氮、分蘗肥氮、穗肥氮比例為4∶2∶4，且總氮量為300 kg/hm2時可獲得高產。不同水稻品種的最佳氮肥運籌比例不盡相同。在基肥氮、分蘗肥氮、穗肥氮比例為4∶3∶3 時，甬優538和揚產1601 稻曲病發生率較小，病穗率降低，進而形成高產[13]。同時，秸稈是一種重要的可再生有機資源，已有大量研究表明，秸稈還田能提高水稻產量5%～10%，適當的氮肥運籌比例與秸稈還田相結合不僅可以提高水稻產量，還能保護生態環境[14]。在秸稈全量還田下，基蘗肥氮與穗肥氮比例為7∶3 時，可提高群體干物質積累量和產量，經濟系數也最高[15－16]。大田生產中，氮肥后移可提高水稻產量，增加穗粒肥比例能促進葉片灌漿期生理代謝，防止葉片早衰，使水稻保持較高的源、庫活性[17]。還有研究表明，緩釋肥與速效肥混施能有效增加水稻產量[18]。近年來，實地氮肥管理技術在水稻生產中廣泛應用，該技術以氮肥管理為中心，在水稻生長過程中使用葉綠素測定儀（SPAD）和葉色卡（LCC）觀測葉片氮素情況并依此指導施肥，從而協調水稻高產[19]。

2 氮肥運籌與氮效率

2.1 水稻氮效率相關概念

國外通用的氮效率（Fertilizer N use efficiency，FNUE）的定量指標有：氮肥吸收利用率（Recovery efficiency 或uptake efficiency，RE，是植株氮積累量占氮投入量的百分比）、氮肥生理利用率（Physiological efficiency，PE，稻谷生產量與投入氮的吸收量的比值）、氮肥農學利用率（Agronomic efficiency，AE，稻谷生產量與氮投入量的比值）、氮肥偏生產力（Partial factor productivity of applied N，PFP，稻谷產量與施氮量的比值）、氮素干物質生產率（Nitrogen dry matter production efficiency，NDMPE，水稻干物質量與吸氮量之比）、氮素籽粒生產效率（Nitrogen grain production efficiency，NGPE，水稻的谷物產量與吸氮量之比）、氮收獲指數（Nitrogen harvest index，NHI，成熟期籽粒含氮量與成熟期植株總吸氮量之比）、氮轉運率（Nitrogen translocation rate，NTR，抽穗期水稻莖葉吸氮量和成熟期水稻莖葉吸氮量之差與抽穗期水稻莖葉吸氮量之比）[20]。

我國氮素平均吸收利用效率僅為28.3%～35.0%，遠低于世界平均水平（40.0%～60.0%）[21－22]。氮肥利用效率低不僅會制約水稻獲得高產，造成肥料浪費，還會破壞環境，有效利用氮肥提高產量是保證我國糧食安全的關鍵[23]。2016年“中央一號文件”（中共中央國務院關于落實發展新理念加快農業現代化）就提出了“農藥化肥零增長”戰略[24]。可見，如何合理施氮，提高水稻氮肥利用效率至關重要。

2.2 氮肥運籌比例對氮肥利用效率的影響

不同水稻品種氮利用效率存在顯著差異[25]。選育氮肥利用率高的水稻品種是提高水稻氮肥利用效率行之有效的措施[26]。一般而言，高產型水稻品種需氮量較高，秈稻對氮的敏感程度比粳稻高，且其具有更高的氮利用效率[27]。單玉華等[28]研究發現，粳稻品種氮的干物質生產效率高于秈稻，而氮的籽粒生產效率低于秈稻。在常氮、高氮處理下，氮高效品種氮肥利用率大于氮中效、氮低效品種[29]。劉永強等[30]對來自全球不同地理區域的110 份水稻核心種質材料進行氮響應評估，發現分蘗氮響應與水稻氮素利用率存在高度關聯性。吳子帥等[31]以廣西單季稻區有代表性的104 份優質粳稻品種為研究對象，篩選出了16 種氮素利用高效型水稻品種。我國水稻資源豐富，為氮素利用高效型水稻品種的選育提供了豐富的材料。

近年來，隨氮肥施用量增加，氮肥的吸收利用率持續下降[32]。在確保水稻高產、優質前提下，如何提高水稻氮肥利用效率已成為科技工作者亟需解決的問題。在不同地力水平下，氮肥運籌對氮素利用效率影響不同，適宜氮肥運籌比例可以提高水稻氮肥利用效率[6，15]。通過適當提高基肥比例（基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3），可提高水稻氮積累量和氮肥利用效率。李曉峰等[15]發現，隨基蘗肥氮占總施氮量比例的下降，氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率、氮肥生理利用率及氮肥偏生產力均呈現先增后減趨勢，當基蘗肥氮與穗肥氮比例為7∶3 時最高。最新研究發現，根區一次施氮是一種節肥高效的施肥方式，可以顯著增加肥料養分在土壤中的貯存時間，降低肥料養分損失風險，提高水稻氮肥利用效率[33－34]。不同栽培方式可影響水稻氮肥利用效率，科學選擇種植方式并配套適宜的品種對提高水稻氮素利用效率具有重要意義。彭廷等[35]發現，最佳氮素配比存在著明顯的種植方式差異，機插和手插氮肥利用效率最佳的莖蘗肥氮∶穗肥氮分別是7∶3和6∶4。胡雅杰等[9]研究發現，在水稻生長發育中、后期缽苗機插較毯苗機插氮肥吸收能力強，植株總氮素積累量和氮肥利用率顯著提高。水稻有序擺拋栽，尤其是二連孔有序擺拋，可提高水稻氮肥利用效率[36]。前人研究指出，緩控釋肥配比施用不僅能減少氮量投入，同時有利于提高氮肥利用效率[37-38]。

2.3 氮代謝生理及分子機理

一般情況下，氮肥利用效率可分為氮吸收與同化、氮轉運與再利用兩部分[4]，充分理解此生物學過程的調節機制，對提高水稻氮肥利用效率至關重要。植物吸收土壤中的無機氮元素主要以NO3-和NH4+形式，其中NO3-的吸收與利用主要在有氧的土壤中，而NH4+則在水田或酸性土壤中被吸收與利用[39]。然而，由于水稻具有通氣組織，可以將氧氣從葉片運輸到根系周圍，使得根系表面發生快速的硝化作用，根系周圍NO3-可被根尖細胞立刻吸收并利用，研究發現，NO3-和NH4+被水稻吸收利用率大致相同[40]。水稻通過硝酸鹽和銨轉運蛋白吸收土壤中的氮。目前科學家發現，水稻中有2個硝酸鹽轉運蛋白家族：nitrate transporter 1/peptide transporter family（NPF，也被稱為NRT1/PTR家族）和nitrate transporter 2家族（NRT2）[41]。水稻中NPF 基因多達90種，其中研究較多的是OsNPF8.9、OsNPF2.2和Os－NPF2.4, 主要在根部表皮細胞、根毛等組織中表達[42-43]。王威等[44]研究表明，OsNRT1.1A 是解決水稻高氮下“貪青晚熟”的關鍵基因，同時對提高氮肥利用率和增產的協同具有重要指導意義。目前水稻中NRT2 基因研究較多的有OsNRT2.1/2.2/2.3a/2.3b/2.4，主要在根表皮細胞、根尖、莖等組織中表達，主要負責硝酸鹽的吸收與轉運[39，45]。GAUDINIER等[46]針對擬南芥根中表達的轉錄因子（TFs），篩選了98個與氮代謝相關基因的啟動子（包括氮信號、氮同化、激素反應等），發現高通量網絡分析具有較高的可靠性。NH4+的吸收與利用主要通過銨轉運蛋白（ammonia transport protein，AMT）。目前在水稻中至少有10個與AMT 合成相關的基因[47]，其中，ATM1家族（ATM1;1～ATM1;5）有4個在根中表達量高，負責吸收根中的銨鹽。OsAMT1（OsAMT1;1～Os－AMT1;3）在根中特異表達，受銨鹽誘導；OsAMT2.1 在根和地上部組成型表達，且不受氮源調控[48]。

土壤中的氮元素經過水稻根吸收與轉運以后，硝酸鹽一部分主要在根中同化，另一部分運輸到莖中，在莖的細胞質中硝酸鹽經硝酸還原酶形成亞硝酸鹽，在質體中進一步被亞硝酸還原酶作用形成NH4+[4]。由硝酸鹽形成的銨和水稻銨轉運蛋白得到的銨最終經過GS/GOGAT 循環合成氨基酸。谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）是水稻氨同化的主要酶系。水稻中細胞質谷氨酰胺合成酶（GS）基因由OsGS1;1、OsGS1;2、OsGS1;3 編碼，OsGS1;1和OsGS1;2 為高親和型谷氨酰胺合成酶，而低親和型合成酶（GS1;2和GS1;3）在水稻根系中還沒有檢測到[48]。Os－GS1;1 在水稻中組成型表達，在劍葉中表達較高，與水稻生長發育和灌漿有關，且對水稻自然衰老過程中氮素再利用至關重要。OsGS1;2 主要在根表皮細胞中組成型表達，主要負責銨的初級利用。OsGS1;3 只在小穗中特應性表達，對籽粒成熟或萌發至關重要[48-49]。負責編碼谷氨酸合成酶（GOGAT）的基因有OsFd－GOGAT、OsNADH－GOGAT1、OsNADH－GOGAT2。其中，OsFd－GOGAT 在葉肉細胞或富含葉綠體的細胞內表達較高。ZHANG等[50]發現，增加氮同化產物谷氨酰胺，可以上調Nhd1 的表達，進而下調OsFd－GOGAT 的表達和OsFd－GOGAT 的活性，表明這是一種由Nhd1 控制的氮同化負反饋調節途徑。OsNADH－GOGAT1 在根系表皮細胞表達較高，主要負責根中銨的同化和分蘗的發育；OsNADH－GOGAT2 主要在成熟葉片的維管組織中表達，與成熟葉片韌皮部到小穗過程中氮的再活化息息相關[51-52]。不同基因型水稻的氮素利用效率以及氮肥運籌對水稻生長發育影響的分子機理有待進一步研究。

3 氮肥運籌與稻米品質

隨著生活水平的提高，人們對優質稻米的需求也越來越高。產量和品質同步提升已成為我國水稻生產發展的重要方向。前人在氮肥運籌對稻米品質的影響方面已進行了大量研究。施用氮肥能改變籽粒淀粉和蛋白組分含量，顯著或極顯著提高籽粒蔗糖合成酶（SuSy）、蔗糖酸性轉化酶（AI）、谷氨酰胺合酶（GS）、谷草轉氨酶（GOT）和谷丙轉氨酶（GPT）活性，且還能夠改變淀粉和蛋白合成相關基因表達量，最終改變稻米黏滯特性和食味品質[53-54]。穗肥用量對稻米加工品質和營養品質影響巨大，合理穗肥比例不僅能提高整精米率，還可以影響關鍵酶來調節蛋白質的合成和積累，從而改善稻米外觀品質和蒸煮食味品質[16，55]。幼穗分化Ⅱ期之前施用穗肥，可獲得較好的稻米加工品質和外觀品質、較高的直鏈淀粉含量、適宜的膠稠度和蛋白質含量[56]。胡群等[12]認為，隨著基蘗肥與穗肥比例的降低，稻米的糙米率、精米率和整精米率增加，直鏈淀粉含量和膠稠度減小，堊白粒率和堊白度呈先增加后減小的趨勢。在秸稈全量還田和毯苗機插栽培條件下，增施氮肥、磷肥和鉀肥有利于提高軟米粳稻加工品質，而減少氮肥、穩施磷肥、增加鉀肥利于改善稻米食味品質[9，57]。

有研究表明，隨著施氮量的增加，碾磨品質和蛋白質含量增加，外觀品質、直鏈淀粉含量、膠稠度以及蒸煮品質下降[58-59]。而從夕漢等[60]研究表明，氮肥能夠增加各品種的直鏈淀粉和蛋白質含量，使膠稠度變長，堊白粒率、堊白度和堿消值降低；隨施氮量增加，熱漿黏度、峰值黏度、回復值和崩解值遞減，而消減值遞增。朱鎮等[61]則認為，多數品種稻米蛋白質和直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而上升，食味品質下降。殷春淵等[62]研究表明，隨施氮量提高，稻米品質呈先增后降的趨勢，在最適氮水平（255 kg/hm2）下精米率提高、堊白降低。可見，氮肥運籌對稻米品質的影響因品種而異，此方面的生理及分子機理還需進一步研究。

4 研究展望

水稻優質高產條件下如何達到與氮高效協同統一是困擾農業科學工作者的一個難題，也是急需解決的重大問題，而培育高氮肥利用效率的作物新品種是解決這一問題的關鍵，是未來主要的研究方向。由于各稻作區地力水平差別較大，明確各稻作區地力水平，并針對性的進行肥料綜合運籌，將是下一步研究的重點。水稻側深施肥不僅能提高氮肥利用率，同時具有良好的經濟生態效益。研究不同氮肥配比側深施與水稻高產高效的關系及其內在機理將是今后的一個研究重點。植物體內碳/氮代謝緊密相連，氮素的吸收需要光合作用、呼吸作用過程提供能量（ATP）、還原劑等物質；而氮代謝為光合作用、呼吸作用提供氮元素，進而合成相應的酶[63]。因此，需對碳/氮代謝過程中相關基因加以開發并利用，以提高氮肥利用效率。如利用Os－NRT1.1A 基因縮短水稻成熟時間的同時，增產和提高氮肥利用率該如何協同？該基因在不同水稻類型中的表現又如何？也是今后研究的一個方向。揭示不同氮肥利用效率基因型水稻的根系生長發育特性的內在機制已迫在眉睫。氮肥運籌比例對水稻源庫特征影響的分子機制也有待探究，尤其是源庫協同衰老方面。

一般認為，產量高與品質優是矛盾的，如何通過氮肥的合理運籌使優質和高產協調一致，是今后需要解決的重要問題。淀粉是胚乳中最主要的儲藏物質，灌漿期是稻米品質的形成期。灌漿過程中淀粉合成相關基因表達量的高低直接影響著稻米品質。明確胚乳發育和儲藏蛋白合成過程中的關鍵基因對稻米品質的提升至關重要。特別是要重點研究低溫、高溫、低氮、高氮等條件對淀粉精細結構、籽粒灌漿特性和稻米品質的影響，這在全球氣候變化的大趨勢下尤為重要。稻米品質性狀具有表型可塑性，可分別從激素水平、酶學機制、表觀遺傳學等方面進行研究。