減氮配施牡蠣殼粉對優質晚秈稻抗倒性能的影響

黃玉珍 高凱歌 呂茹潔 占 靜 潘 霞 曾勇軍 商慶銀

(江西農業大學作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室，江西 南昌 330045)

水稻(OryzasativaL.)是我國主要的糧食作物之一，約有60%以上人口以稻米為主食[1]。隨著我國商品經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，消費者飲食結構發生了明顯變化，普通稻米已難以滿足人們的要求[2]。近年來，我國稻農對種植優質品種的積極性不斷增強，優質秈稻生產面積快速增加[3]。然而，多數優質秈稻品種抗倒能力較弱，尤其在生長中后期優質稻品種極易發生倒伏。倒伏問題已成為發展優質秈稻生產的關鍵限制因素之一[4-5]。水稻倒伏后，群體冠層結構遭到破壞，光合速率和物質生產能力急劇下降[6]，水分、礦質元素及光合產物的運輸受阻[7-8]，最終對產量和品質造成負面影響。同時，倒伏也導致機械收獲困難，使收獲成本增高[9]。因此，提高植株抗倒性能對發展優質秈稻生產具有重要意義。

在大田生產中增加肥料投入等是提高產量的主要技術措施[10]。然而，過量的氮肥導致群體過大，群體結構變劣，影響個體發育。一方面，莖稈基部因通風透光差、個體間養分競爭等導致莖稈細弱、機械強度降低[11]。另一方面，隨著氮肥用量增加，復種指數的不斷提高，中微量元素隨作物收獲不斷地被攜出農田，導致土壤養分元素不平衡[12]。鈣是構成植物細胞壁的必需物質，具有加固細胞壁的作用，同時能調控莖稈的生長，進而影響莖稈的強度，增強植株的堅挺性[13]。在缺鈣時，植物生長受阻，節間較短，因而一般較正常生長的植株矮小，且組織柔軟[14]，易倒伏。生產上，施用石灰類物質可有效提高土壤鈣含量，改良并修復土壤[15-16]，而且可以提高植株抗倒伏能力。鄧文等[17]發現，施鈣(特別是中、高量)對提高準兩優527生育后期的抗倒伏能力作用明顯。鄧小華等[18]發現，施用石灰可以提高土壤pH值，改善土壤理化特性，有利于烤煙的生長發育，進而提高其品質。但石灰修復效果不穩定，修復作用持久性弱，長期施用會導致土壤板結和養分流失，不能實現對土壤的可持續改良[19]。因此，迫切需要采用低成本且環境友好型生物質材料來替代工業產品以修復土壤缺鈣問題。

牡蠣殼屬于一種廢棄的生物質材料，來源豐富，主要成分為碳酸鈣，經高溫煅燒后主要成分轉變為氧化鈣[20]。施用牡蠣殼粉土壤調理劑可有效改良土壤，提高土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣含量[21]。目前，一些國家已開始對牡蠣殼作為土壤改良劑、修復劑進行相關研究，尤其是韓國與西班牙[22-23]。國內也有研究證實，牡蠣殼粉末可以改良土壤酸化問題，顯著降低土壤有效態重金屬的含量，同時為土壤補充中微量營養元素[24-26]。但目前尚不清楚牡蠣殼粉能否緩解減量施用氮肥對水稻產量的負面影響并提高植株抗倒伏能力。基于此，本研究以優質晚秈稻泰優871為材料，探究減氮配施牡蠣殼粉調理劑對水稻抗倒性能和產量的影響，以期為優質稻推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2020年在江西省宜春市上高縣泗溪鎮曾家村試驗田(115°09′ E，28°31′ N)進行。耕層土壤(0～20 cm)理化性質如下：有機質含量32.4 g·kg-1，全氮含量2.67 g·kg-1，堿解氮含量98.8 mg·kg-1，速效磷含量12.3 mg·kg-1，速效鉀含量71.5 mg·kg-1，pH值 5.5。供試材料為優質晚秈稻泰優871(購自廣東省農業科學院水稻研究所)，6月26日播種，7月20日移栽，秧齡17 d。氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素(含N 46.4%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)，分別以N、P2O5和K2O計。牡蠣殼粉土壤調理劑(64份牡蠣殼粉，3份草木灰，31份生石灰，2份膨潤土)，含CaO≥45%，K2O 1.2%，SiO21.8%，pH值8.5～10.0，粉劑。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設置3個處理，每個處理3次重復。小區面積30 m2。人工移栽株、行距分別為16.5、23 cm，每穴栽插3～4株，每小區約857穴。處理方式分別為：T1:常規施肥(180 kg N·hm-2)；T2:減氮施肥(135 kg N·hm-2)；T3:減氮配施牡蠣殼粉調理劑(T2基礎上增施3 t·hm-2牡蠣殼粉調理劑)。氮肥分別按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4比例施用；磷肥和鉀肥全部作為基肥施用，其中P2O5施用量為70 kg·hm-2， K2O施用量為120 kg·hm-2，牡蠣殼粉調理劑與基肥混施，其他田間管理按一般高產田進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 莖稈形態指標 于水稻抽穗后20 d選取長勢一致的10根主莖，去除根系，用天平測定單株鮮重，測定每根株高、穗頸長、重心高度、節間長度、穗長、莖粗和莖稈壁厚。其中，株高是指從地上部第1節間至穗頂端的長度；穗頸長是指從劍葉頸部到穗頸節的長度；重心高度是指從水稻莖稈基部到平衡支點(用食指支撐帶穗植株達到平衡時的點)的長度；節間長度是指基部第2節間長度；穗長是指從穗頸節到穗頂端的長度；用精確度為0.001 mm的游標卡尺測量莖稈基部第2節間(伸長程度超過1 cm計為第1節，以此往上為第2、第3、第4……節)的直徑和壁厚；將節間從中部截斷，用數顯游標卡尺測量莖稈長軸和短軸與莖壁4個交點處的莖壁厚度，取平均值作為莖稈壁厚，取節間外徑平均值作為莖粗。

1.3.2 莖稈生物力學參數 于水稻抽穗后20 d取樣，從莖稈節點處剪斷，將莖稈分成若干節間。計算所有莖稈基部第2節間樣品的生物力學參數：

彎曲強度(bending strength，SS)：用YYD-1莖稈強度測量儀(浙江托普儀器有限公司)測定。固定基部節間兩支點的間隔為5 cm，將節間水平地放置在兩支點上，在節間中點施力使其折斷，力的大小即為該節間抗折力，若節間長度小于5 cm則不測。莖稈單位橫截面積下的抗折力即為莖稈彎曲強度。

抗彎剛度(flexural rigidity，EI)：用莖稈強度測量儀測定。將節間兩端水平放置在兩個支點上，兩支點間距離為L(即節間長度)，在L/2處垂直施加力F使節間適當彎曲但不折斷，然后測量L/2處垂直位移δ，按公式(1)計算彈性模量，彈性模量和截面慣性矩的乘積即為莖稈抗彎剛度。

E=FL3/48δI

(1)

折斷彎矩(breaking resistance，M，N·cm-1)、彎曲力矩(bending moment，WP，N·cm-1)和倒伏指數(lodging index，LI)分別按以下公式計算：

M=F×L/4

(2)

式中，F為使基部被測節段折斷時所施加的力(N)；L為兩支點間的距離(cm)。

WP=SL×FW/100

(3)

式中，SL為基部節間折斷部位到主莖頂端的距離(cm)；FW為基部節間折斷部位到主莖頂端的鮮重(g)。

LI=WP/M×100%

(4)

1.3.3 基部第2節間碳水化合物及莖稈鈣積累量 于水稻抽穗后20 d以及齊穗期和成熟期取樣，將基部第2節間莖稈洗凈置于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重稱重，然后用高速萬能粉碎機(浙江紅景天工貿有限公司)粉碎，用于抽穗后20 d淀粉、蔗糖、木質素、纖維素含量以及齊穗期和成熟期鈣含量的測定。其中，纖維素和木質素含量采用重鉻酸鹽碘量法；淀粉含量測定采用斐林-碘量法；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；鈣含量測定采用原子吸收法。莖桿鈣積累量按公式(5)進行計算。

莖稈鈣積累量(g·m-2)=莖稈鈣含量(%)×莖干重(g·m-2)。

(5)

1.3.4 基部第2節間碳代謝相關酶活性 于水稻抽穗后20 d取樣，取其基部第2節間莖稈，液氮處理后置于-80℃冰箱保存，用于淀粉酶、蔗糖磷酸合成酶、纖維素代謝酶以及木質素合成相關酶活性的測定。其中，淀粉酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；蔗糖磷酸合成酶活性采用間苯二酚比色法測定；蔗糖磷酸合酶(sucrose phosphate synthase, SPS)和蔗糖合酶(sucrose synthase, SS)活性測定參照《現代植物生理學實驗指南》[27]，采用果糖和UDPG比色法；采用上海酶聯生物公司生產的試劑盒及酶標儀測定酪氨酸解氨酶(tyrosine ammonia-lyase, TAL)、肉桂醇脫氫酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)和4-香豆酸: CoA連接酶(4-coumarate:CoA ligase, 4CL)活性；采用北京索萊寶公司生產的試劑盒及紫外分光光度法測定苯丙氨酸轉氨酶(phenylalnine ammonialyase, PAL)活性。

1.3.5 干物質 于水稻齊穗期和成熟期從每個小區隨機選取代表性植株6穴(邊三行除外)，分別按根、莖鞘、葉、穗分類。將分類樣品在105℃烘箱內殺青30 min，再轉至70℃烘干至恒重，冷卻至室溫后稱重。莖鞘物質輸出率按公式(6)進行計算。

莖鞘物質輸出率=(齊穗期莖干重-成熟期莖干重)/齊穗期莖干重×100%。

(6)

1.3.6 成熟期產量測定 于成熟期調查每個小區20穴，計算單位面積有效穗數；按對角線取樣法，從小區中間選取代表性植株10穴，脫粒后用水選法分離實粒和秕粒，烘干后考察結實率和千粒重。從每小區中心收割5 m2用于測產，折算成14%含水量的實收產量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Office Excel 2010、JMP 10以及IBM SPSS Statistics 22軟件進行數據整理和方差分析，采用Tukey HSD法進行多重比較，相關性分析采用Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 減氮和牡蠣殼粉調理劑對莖稈形態的影響

與T1處理相比，T2處理下穗頸長、穗長和莖粗、莖壁厚均無顯著變化，單株鮮重、株高、重心高和基部第2節間長度分別顯著下降9.87%、2.79%、2.39%和20.41%。與T2處理相比，除重心高外，T3處理下莖稈各形態指標均無顯著變化(表1)。

表1 減氮和牡蠣殼粉調理劑對泰優871莖稈形態的影響Table 1 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on stem morphology of Taiyou 871

2.2 減氮和牡蠣殼粉調理劑對基部第2節間莖稈生物力學參數的影響

與T1處理相比，T2處理下折斷部位至穗頂長度和倒伏指數分別顯著下降2.42%和17.5個百分點，基部第2節間抗折力、彎曲強度、抗彎剛度、折斷彎矩、彎曲力矩、折斷部位至穗頂鮮重均無顯著變化。與T2處理相比，T3處理下倒伏指數顯著下降7.1個百分點，其他力學參數均無顯著變化(表2)。

2.3 減氮和牡蠣殼粉調理劑對基部第2節間碳水化合物含量的影響

與T1處理相比，T2處理淀粉、蔗糖、木質素和纖維素的含量變化均不顯著。與T2處理相比，T3處理纖維素含量顯著增加，淀粉、蔗糖和木質素變化均不顯著(表3)。

2.4 減氮和牡蠣殼粉調理劑對基部第2節間碳代謝相關酶活性的影響

與T1處理相比，T2處理SS-Ⅱ活性顯著提高75.4%，CL活性顯著降低15.6%，SPS、β-AL、PAL、4CL、C4H活性均無顯著變化。與T2處理相比，T3處理PAL活性顯著降低26.0%，C4H活性顯著提高61.2%，SPS、SS-Ⅱ、β-AL、CL、4CL活性均無顯著變化(表4)。

表2 減氮和牡蠣殼粉調理劑對基部第2節間莖稈生物力學參數的影響Table 2 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on biomechanical parameters of basal second internode stem

表3 減氮和牡蠣殼粉調理劑對基部第2節間碳水化合物含量的影響Table 3 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on carbohydrate content of basal second internode

表4 減氮和牡蠣殼粉調理劑對基部第2節間碳代謝相關酶活性的影響Table 4 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on activities of carbon metabolism related enzymes in basal second internode

2.5 減氮和牡蠣殼粉調理劑對莖稈鈣積累量的影響

T3處理在齊穗期和成熟期的莖稈鈣積累量均顯著高于T1、T2處理，而T1和T2處理之間莖稈鈣積累量無顯著差異(圖1)。

2.6 減氮和牡蠣殼粉調理劑對泰優871干物質量的影響

分析減氮和牡蠣殼粉調理劑對泰優871齊穗期和成熟期莖、葉、穗干物質量的影響，結果表明，T3處理齊穗期莖稈干物質量顯著高于T1、T2處理，其余各處理間干物質量均無顯著差異(圖2-A)。葉片、穗、總干物質量各處理間均無顯著差異(圖2-B～D)。由圖3可知，T3處理莖鞘物質輸出率顯著高于T1、T2處理。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.圖1 減氮和牡蠣殼粉調理劑對莖稈鈣積累量的影響Fig.1 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on calcium accumulation in stem

圖2 減氮和牡蠣殼粉調理劑對泰優871莖干物質量(A)、葉干物質量(B)、穗干物質量(C)、總干物質量(D)的影響Fig.2 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on stem dry matter accumulation(A), leaf dry matter accumulation(B), spike dry matter accumulation(C), total dry matter accumulation(D) of Taiyou 871

圖3 減氮和牡蠣殼粉調理劑對泰優871莖鞘物質輸出率的影響Fig.3 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on stem sheath material output rate of Taiyou 871

2.7 產量及產量構成要素

由表5可知，T3處理下的產量顯著高于T1、T2處理，從產量構成要素看，主因是有效穗數和結實率的影響。與T1處理相比，T2處理有效穗數顯著減少3.17%；而與T2處理相比，T3處理有效穗數顯著增加3.72%，說明減氮配施牡蠣殼粉調理劑有利于水稻有效穗數的維持，加之T3處理下結實率增加，最終促使產量增加。

2.8 相關性分析

由表6可知，倒伏指數與形態指標單株鮮重、基部第2節間長度呈顯著正相關，與重心高呈極顯著正相關；與莖稈生物力學指標基部第2節間抗折力、抗彎剛度呈極顯著負相關，與折斷部位至穗頂長呈顯著正相關；與蔗糖合成酶活性呈極顯著負相關，與纖維素酶活性呈極顯著正相關；與淀粉、木質素、纖維素含量及成熟期莖稈鈣含量呈顯著負相關。

3 討論

3.1 減氮配施牡蠣殼粉調理劑對水稻莖稈抗倒伏性狀的影響

水稻倒伏一般分為根倒伏和莖倒伏[28]。根倒伏主要是由于根系入土淺、根系營養不良引起的。健壯的根系源于良好的土壤環境，也是地上部旺盛生長的信息反饋[29]。同時，地上部的生長也能一定程度地反映地下部的生長情況。南方稻區莖倒伏較為普遍，主要是由于莖稈基部較細，機械組織不發達所致[30]，因此，本研究主要探討的是莖倒伏。有研究表明，減氮有利于提高植株抗倒伏能力[30]。本研究也表明，T2處理顯著降低倒伏指數，有利于植株抗倒伏。前人研究發現，基部節間長度與水稻倒伏密切相關[31-32]。本研究結果顯示，T2處理較T1顯著降低株高、重心高，這與節間長度顯著降低有關。節間長度降低導致折斷部位至穗頂長降低，從而導致倒伏指數顯著減小。相關分析表明，倒伏指數與基部第2節間長度呈正相關，說明較短的基部第2節間有利于植株抗倒伏，這與Zhong等[33]的研究結果基本一致。前人研究發現，莖稈中貯藏物質的含量及組成成分決定了作物的抗倒能力，水稻莖稈中充實的物質主要是可溶性糖、淀粉、纖維素、木質素等碳水化合物，這些物質的積累可以增強莖稈的強度，從而增強其抗倒性[34]。郭玉華等[35]發現，減少氮肥施用量引起莖基節纖維素和木質素含量增加。但本研究發現，T2處理下，淀粉、蔗糖、木質素、纖維素含量較T1均有所增加但差異并不顯著，可能是因為其碳代謝相關酶SPS、β-AL、PAL、4CL、C4H活性均無顯著變化。

表5 減氮和牡蠣殼粉調理劑對泰優871產量及產量構成要素的影響Table 5 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on yield and yield components of Taiyou 871

表6 各指標與倒伏指數的相關系數(n=9)Table 6 Correlation coefficient between each index and lodging index(n=9)

本研究發現，T3處理顯著降低倒伏指數，首先，可能是因為牡蠣殼中含有豐富的鈣元素，而鈣是植物體細胞壁和細胞間層的主要組成成分，能使植株具有一定的機械強度，增強莖稈的抗倒伏能力[36]。加之T3處理齊穗期及成熟期莖稈鈣積累量均顯著增加，倒伏指數與成熟期莖稈鈣含量呈顯著負相關，說明水稻成熟期莖稈鈣含量在一定程度上與水稻抗倒伏能力的強弱有關，這與楊艷華等[36]的研究結果基本一致。其次，本研究使用的牡蠣殼粉調理劑中含有草木灰和膨潤土。草木灰主要成分為K2CO3，膨潤土主要礦物成分為蒙脫石，含有大量硅元素。而硅、鉀有利于相關組織細胞的木質化和硅質化，可增加莖稈機械強度，進而增強水稻抗倒伏性[37]。此外，T3處理顯著增加了纖維素含量。而纖維素是構成細胞壁的主要成分，其含量與植物組織的機械強度也有密切的關系[38]，從而提高莖稈的抗倒伏能力。

3.2 減氮配施牡蠣殼粉調理劑對水稻產量的影響

有研究表明，適當減氮可以實現水稻穩產，過量減氮則會造成產量大幅度降低[39-40]。本研究發現，減氮后有效穗數顯著降低，但對產量未造成顯著影響。這與徐文波等[39]的研究結果基本一致。同時，本研究發現，T3處理產量顯著高于T1、T2處理，從產量構成要素上看，主因是有效穗數和結實率的增加。牡蠣殼粉主要礦物組成為CaCO3，CaCO3晶體交叉迭層，堆砌成較為有序的多重微層結構，這種孔隙結構使其具有一定的吸附性能，可改良土壤[41]。將牡蠣殼粉施入土壤后，可以使土壤pH值上升，有機質、速效氮、速效磷等含量下降，并可減少土壤養分流失，提高土壤保肥能力[42]。因此，在本研究中，T3處理下有效穗數提高可能是由于牡蠣殼粉調理劑與基肥混施改良了土壤，提高了氮肥利用率與苗期質量，從而達到促分蘗早發快長的效果。前人研究表明，添加貝殼粉調理劑使植物株高和葉片葉綠素相對含量增加[43]，提高了葉片光合速率，從而有利于籽粒中光合物質的積累。這與本研究結果基本一致，T3處理莖鞘物質輸出率顯著高于T1、T2處理，也說明添加牡蠣殼粉調理劑有利于灌漿期籽粒充實，進而提高籽粒的結實率，最終促使產量的增加。

4 結論

本研究結果表明，減氮施肥能提高莖稈的抗倒能力，但不利于水稻有效穗數和產量的維持；減氮配施牡蠣殼粉調理劑不僅可以顯著增加產量，而且能夠顯著提高水稻莖稈鈣積累量，降低倒伏指數，對實現水稻的高產、穩產、抗倒伏具有重要意義。