水稻籽粒硝态氮和铵态氮积累特性及氮肥调控研究

孙璐璐　朱立楠　郑冠龙　朱方旭　郭雪冬　Lugo Oke　张忠臣　金正勋（东北农业大学农学院，哈尔滨　150030；第一作者：sunlulu_1990@163.com；通讯作者：zxjin326@hotmail.com）



水稻籽粒硝态氮和铵态氮积累特性及氮肥调控研究

孙璐璐朱立楠郑冠龙朱方旭郭雪冬Lugo Oke张忠臣金正勋*
（东北农业大学农学院，哈尔滨150030；第一作者：sunlulu_1990@163.com；*通讯作者：zxjin326@hotmail.com）

摘要：选用5个粳稻品种，通过田间和盆栽试验，分析水稻籽粒中硝态氮和铵态氮含量的品种间差异和籽粒中分布特点、灌浆过程中积累动态变化及其与施氮量和谷氨酰胺合成酶活性间的关系。结果表明，精米中硝态氮和铵态氮含量品种间有显著差异，铵态氮含量高于硝态氮；硝态氮和铵态氮主要分布在籽粒的米糠层里，在籽粒中呈由外到内逐渐降低的变化趋势；随着施氮量的增加，精米中硝态氮和铵态氮含量都大幅度增加，增幅高达114.1%～203.0%，但增加的幅度因品种不同而异；随灌浆进程的推进，籽粒硝态氮含量逐渐增多直至成熟，但硝态氮的日积累量和铵态氮含量随灌浆进程逐渐上升，达到峰值后又逐渐下降，呈单峰曲线变化，抽穗后25 d达到峰值，硝态氮含量高的品种日积累量显著大于含量低的品种，铵态氮含量高的品种灌浆前期积累量少于含量低的品种，而灌浆后期的积累量高于含量低的品种；籽粒谷氨酰胺合成酶活性与硝态氮和铵态氮含量及硝态氮日积累量间均呈显著或极显著正相关。

关键词：水稻；硝态氮；铵态氮；积累特性；氮肥调控

已有研究［1-2］表明，硝酸盐、亚硝酸盐和生物碱是合成强致癌物质亚硝胺的前体物，人和动物均可利用硝酸盐、亚硝酸盐和胺等含氮物质合成亚硝胺。联合国世界卫生组织和粮农组织（WHO/FAO）1973年规定［3］，每kg人体质量的硝态氮日允许摄入量为0～1.06 mg，亚硝态氮为0～0.04 mg。欧共体食物科学委员会（SCF）1992年又将亚硝态氮的允许量降低到0～0.02 mg［4］。

水稻是世界上重要的粮食作物，有约1/2的人口以稻米为主食［5］。中国是世界上水稻总产量最高的国家，同时也是最大的稻米消费国［6］。作物体内的硝态氮和铵态氮主要来自于根吸收的氮肥，大量施用氮肥已成为水稻取得高产更高产的重要手段之一。然而，大量施用氮肥增产的同时，是否会造成水稻籽粒中硝态氮、铵态氮过度积累，进而危害人体健康，迄今未见研究报道。因此，分析水稻籽粒中硝态氮、铵态氮分布特点和品种间差异，在灌浆过程中籽粒硝态氮、铵态氮积累动态变化以及与施氮量和氮代谢关键酶活性间的关系等对生产安全食用稻米具有重要意义。

1　材料与方法

1.1供试材料与田间试验设计

选用五优稻4号、松粳3号、松粳6号、松粳9号、松粳12号等5个粳稻品种为材料，于2013年在黑龙江省五常市民乐乡红光村进行田间试验。试验采用裂区试验设计，肥料为主区，品种为副区，6 m行长，8行区，3次重复。4月6日播种，播种量为每盘催芽籽150 g，大棚盘育苗。5月15日人工插秧，插秧密度为行距30 cm、株距13 cm，每丛插4棵苗。施氮量设3个水平：不施任何肥料（CK）；施纯N 90 kg/hm2（L）；施纯N 135 kg/hm2（H）。N∶P2O5∶K2O为1∶0.5∶0.8。磷肥全部作基肥，钾肥50%作基肥、50%作穗肥。氮肥45%作基肥、25%作分蘖肥、30%作穗肥。其他田间管理同常规生产。

收获时以小区为单位混收脱粒，待自然干燥3个月后磨糙米，糙米经1.7 mm分级筛过筛后，使用韩国双龙公司生产的三立式全自动精米机将糙米分别加工成精米率为85%和90%的精米。用旋涡式粉碎机粉碎糙米和不同精米率的精米，供籽粒硝态氮、铵态氮含量和全氮含量测定。

1.2盆栽试验设计

选用五优稻4号和松粳6号2个粳稻品种为材料，于2014年在哈尔滨东北农业大学校内进行盆栽试验，盆规格为长100 cm、宽40 cm、高60 cm。根据供试品种的生育期进行分期播种，以期使抽穗期尽可能一致，大棚盘育苗，单粒等距离点播催芽籽，5月9日选取长势一致的秧苗，行距25 cm，株距10 cm，单株插秧，每盆插12棵苗，每个品种插3盆，正常水肥管理。

抽穗时每个供试品种选取长势相近、且同日抽的穗挂牌标记，待抽穗后的第10 d、15 d、20 d、25 d、30 d、35 d分别取挂牌标记的稻穗8个，迅速放入液氮中，然后各稻穗中选取灌浆一致的穗中部籽粒30粒，在低温下去壳去胚后放入冻存管里，置于-80℃冰柜里保存，用于籽粒硝态氮、铵态氮含量测定和谷氨酰胺合成酶活性测定。

1.3测定方法

采用张福强［7］改进的酚二磺酸法测定籽粒硝态氮，采用靛酚蓝比色法［8］测定铵态氮。用半微量凯氏定氮法测定籽粒全氮含量。参照金正勋等［9］方法测定籽粒谷氨酰胺合成酶活性。

表1　品种间精米硝态氮、铵态氮、全氮含量多重比较

表2　糙米和不同精米率稻米硝态氮和铵态氮含量比较　（μg/g）

2　结果与分析

2.1精米硝态氮、铵态氮、全氮含量的品种间差异

由表1可见，不同品种间精米硝态氮和铵态氮含量、全氮含量以及硝态氮与全氮、铵态氮与全氮、无机氮与全氮的百分比等F值均达到极显著水平，说明供试品种间这些性状有极显著的遗传差异。进一步多重比较可知，松粳12号硝态氮含量、松粳6号铵态氮含量、松粳9号全氮含量分别极显著高于其他品种，增幅分别比最低的松粳6号和五优稻4号高1.6倍、1.3倍和1.1倍；松粳12号硝态氮与全氮的百分比、松粳6号铵态氮与全氮的百分比最大，而松粳6号和五优稻4号最小，而且差异达到极显著水平；硝态氮和铵态氮含量松粳12号都较高，五优稻4号都较低，松粳6号是一高一低；硝态氮含量和硝态氮与全氮百分比的变异系数最大，全氮含量变异系数最小。说明不同基因型品种间稻米积累的硝态氮量和转化能力有显著的差异，其积累量高低受控于遗传基因，而且品种间稻米硝态氮含量变异远大于铵态氮含量的变异。

2.2糙米和不同精米率稻米硝态氮和铵态氮含量比较

由表2可见，五优稻4号和松粳6号糙米的硝态氮和铵态氮含量最高，其次是90%精米率的稻米，而85%精米率的稻米最低，其差异都达到极显著水平。与糙米相比，90%精米率的五优稻4号和松粳6号稻米硝态氮含量分别降低46.5%和45.3%，铵态氮含量分别降低82.5%和78.5%；85%精米率的稻米硝态氮含量分别降低69.4%和68.0%，铵态氮含量分别降低86.8%和85.7%；与90%精米率的稻米相比，85%精米率的稻米硝态氮含量分别降低42.8%和41.5%，铵态氮含量分别降低24.8%和33.6%。说明硝态氮和铵态氮含量是由籽粒表层到内逐渐降低。

由表2还可见，五优稻4号的糙米硝态氮和铵态氮含量都高于松粳6号，但90%精米率的稻米中硝态氮含量是五优稻4号高于松粳6号，而铵态氮含量是松粳6号高于五优稻4号，当糙米加工成85%精米率时2个品种间硝态氮含量没有差异，铵态氮含量差异较小。

2.3施氮量对精米硝态氮和铵态氮及全氮含量的影响

表3　施氮量对精米硝态氮和铵态氮及全氮含量的影响

表4　灌浆过程中籽粒硝态氮和铵态氮含量变化　（μg/g）

由表3可见，5个粳稻品种精米硝态氮和铵态氮含量均随施氮量的增加而极显著上升，全氮含量虽然因品种不同既有显著增加的，如五优稻4号、松粳3和松粳9号，也有差异不大的，如松粳6号无肥和低肥处理间、松粳12号低肥和高肥处理间差异都不显著，但总体上看还是增加的。与对照相比，当施氮量为90 kg/ hm2时，硝态氮含量增幅为66.18%～90.52%，平均增加74.90%；铵态氮含量增幅为9.47%～50.84%，平均增加30.42%；全氮含量增幅为1.66%～6.44%，平均提高3.60%；当施氮量为135 kg/hm2时，硝态氮含量增幅为114.1%～203.0%，平均提高169.2%；铵态氮含量增幅为52.33%～99.31%，平均增加78.80%；全氮含量增幅为4.13%～11.58%，平均提高6.63%。与施氮量90 kg/hm2相比，当施氮量135 kg/hm2时，硝态氮含量增幅达28.83%～75.02%，平均增加53.73%；铵态氮含量增幅达11.15%～77.18%，平均增加39.11%；全氮含量增幅达1.02%～4.82%，平均提高2.92%。说明施氮量对精米硝态氮和铵态氮含量影响很大，随着施氮量的增加精米硝态氮和铵态氮含量都大幅度地增加，而且增加的幅度因品种不同而异，全氮含量虽然显著增加，但增加幅度较小。

2.4灌浆过程中籽粒硝态氮和铵态氮积累动态变化

由表4可见，灌浆过程中五优稻4号和松粳6号籽粒硝态氮含量变化趋势都一致，表现为随灌浆进程积累量逐渐增多直至成熟，但日积累的量是随灌浆进程逐渐上升，达到峰值后又逐渐下降，呈单峰曲线变化，2个品种都在抽穗后25 d达到峰值，而且硝态氮含量高的品种五优稻4号日积累量和灌浆同时期硝态氮含量显著或极显著高于含量低的品种松粳6号。说明灌浆过程中籽粒硝态氮积累量是随灌浆进程持续增加，灌浆时间越长积累的量也越多，而且含量高的品种具有更快的积累速度。

灌浆过程中五优稻4号和松粳6号籽粒铵态氮含量均随灌浆进程逐渐增加，达到峰值后又逐渐下降，呈单峰曲线变化，都在抽穗后25 d达到峰值，抽穗后10 ～25 d籽粒中的铵态氮含量松粳6号极显著高于五优稻4号，但抽穗后30～35 d却相反。说明灌浆成熟过程中不同品种间籽粒铵态氮代谢在时间和程度上均有差异，铵态氮含量高的品种灌浆前期积累量少于含量低的品种，而灌浆后期含量高的品种积累量多于含量低的品种。

2.5籽粒谷氨酰胺合成酶活性与硝态氮和铵态氮积累关系

由表5可见，水稻灌浆过程中，2个品种的籽粒谷氨酰胺合成酶活性变化趋势基本一致，表现为随着灌浆进程酶活性逐渐上升，达到峰值后又逐渐降低，但仍然维持与灌浆中前期同样的水平，呈单峰曲线变化，五优稻4号和松粳6号分别在抽穗后30 d和25 d到达峰值，说明酶活性达到峰值的时间因品种而异。就酶活性高低而言，抽穗后10～25 d的谷氨酰胺合成酶活性松粳6号显著或极显著高于五优稻4号，但抽穗后30～35 d却是五优稻4号极显著高于松粳6号，说明既有灌浆中前期酶活性大的品种，也有灌浆中后期酶活性大的品种。

由表6可见，灌浆过程中籽粒谷氨酰胺合成酶活性与硝态氮和铵态氮含量及硝态氮日积累量间均呈正相关。其中，松粳6号的硝态氮含量、五优稻4号的硝态氮日积累量与谷氨酰胺合成酶活性的相关性未达显著水平外，其他均达到显著或极显著水平。说明籽粒谷氨酰胺合成酶活性与硝态氮和铵态氮含量及硝态氮日积累量间有密切关系，酶活性高有利于促进硝态氮和铵态氮的积累。

表5　灌浆过程中籽粒谷氨酰胺合成酶活性变化　（U/grain）

3　讨论

谷氨酰胺合成酶是氮代谢过程中具有多功能的酶，参与调控很多氮代谢的过程。谷氨酰胺合成酶活性的降低可导致植物体内很多氮代谢及糖代谢过程受到影响。张亚丽等［10］研究表明，不同品种对硝态氮吸收存在着明显的基因型差异。Larmur等［11］研究表明，不同品种间植株氮的再转运速率差异明显。本试验结果表明，不同品种间稻米硝态氮和铵态氮含量存在很大的遗传差异，籽粒中硝态氮含量高的品种具有更快的积累速度，积累量和速度都取决于品种的遗传特性；灌浆过程中籽粒谷氨酰胺合成酶活性与硝态氮和铵态氮含量及硝态氮日积累量间有密切关系，酶活性高有利于促进硝态氮和铵态氮的积累，而且不同灌浆时期和品种间酶活性大小有极显著的遗传差异。这就说明，稻米积累硝态氮和铵态氮量的多少取决于品种的遗传特性，积累量高的品种具有相关的高功能基因和酶活性。徐振华［12］研究表明，品种间有性杂交后代籽粒谷氨酰胺合成酶活性能产生超亲变异，而且酶活性高低与该基因mRNA表达量有密切关系，也进一步说明基因在氮代谢和硝态氮积累上起重要的调控作用。因此，通过品种间杂交育种和基因操作等选育籽粒硝态氮和铵态氮含量低的品种是生产绿色安全稻米的最经济有效的途径。

另外，过量施用氮肥所导致的蔬菜硝态氮吸收与还原转化不平衡是产生累积的根本原因，吸收与生长不协调更使累积过程加剧［13］。由本试验结果可知，不施氮肥生产的精米中硝态氮含量较低，但随着施氮量的增加，精米中硝态氮含量大幅度增加，其增幅高达114.1%～203.0%。这就说明，单施过量的氮肥和不合理的施用是促进作物硝态氮积累的重要原因。前人的研究结果表明，不施氮处理的玉米植株硝态氮含量低于施氮处理［14］；硼钼胁迫将抑制大豆叶片硝酸还原酶活性，增加硝态氮含量［15］；在菠菜中钾素含量高的器官，硝态氮还原转化速度快，氮肥和钾肥配施可以降低蔬菜的硝态氮含量［16-17］；抽穗后25 d时增施磷肥和钾肥的处理籽粒非蛋白氮含量下降［18］，表明不同营养元素对作物氮素吸收利用和积累都起不同的作用。从本试验结果也可知，不同灌浆时期籽粒中硝态氮和铵态氮积累的量和速度不仅品种间有显著的遗传差异，而且随施氮量的增加，硝态氮和铵态氮增加的幅度因品种和施氮量不同而异。因此，在绿色优质高产水稻栽培中不仅要控制氮肥施用量，而且还应根据品种对氮素营养的反应特性，更加注意氮肥施用时期及配施其他元素肥料，以协调水稻籽粒灌浆成熟过程中的碳氮代谢，充分发挥其籽粒积累淀粉和蛋白质的生理功能，促进非蛋白氮的转化是降低籽粒硝态氮和铵态氮含量的重要调控途径。

参考文献

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Study on Accumulation Characteristics of Nitrate-N and Ammonia-N in Grain of Rice and Regulation of N-fertilizer

SUN Lulu，ZHU Linan，ZHENG Guanlong，ZHU Fangxu，GUO Xuedong，Lugo Oke，ZHANG Zhongchen，JIN Zhengxun*
（Agricultural College，Northeast Agriculture University，Harbin 150030，China；1st autor：sunlulu_1990@163.com；*Corresponding author：zxjin326@hotmail.com）

Abstract：Based on the field and pot culture experiment of five japonica rice varieties，the content and distribution character of nitrate-N and ammonia-N in the endosperm，their variable trend during the grain filling period and the correlations of N-fertilizer with the enzyme activity of GS among different varieties were analyzed.The results indicated that there was a difference between nitrate-N and ammonia-N content in the mature grain among the rice varieties.The content of ammonia-N is higher than nitrate-N，which both mainly located in rice bran and showed a decline trend from outside to inside.Increasing the N-fertilizer amount led to the increase in the nitrate-N and ammonia-N level by 114.1%～203.0%depending on different varieties；As application of N-fertilizer level raised，each content showed a significant growth.During the filling period，the nitrate-N content in endosperm kept raising until the mature stage，while the accumulation amount of nitrate-N and the content of ammonia-N showed a unimodal curve trend with peak value appearring at the 25th day after heading.Comparing with low nitrate-N content varieties，the daily average growth of nitrate-N was extremely higher than the high content varieties.However，the daily average growth of ammonia-N was lower than the high ammonia-N content varieties at early grain filling stage，but higher at late stage than the low Ammonia-N content varieties.The enzyme activity of GS showed significant difference among different variaties at each stage，having a outstanding positive linear correlation to the content and accumulation rate of ammonia-N and nitrate-N.

Key words：rice；nitrate-N；ammonia-N；accumulation characteristics；N-fertilizer regulation

中图分类号：S511

文献标识码：A

文章编号：1006-8082（2016）01-0025-05

收稿日期：2015－09－21

基金项目：科技部“十二五”科技支撑计划项目（2011BA D16B11-02YJ02）；“十二五”农村领域国家科技支撑计划项目（2013BAD20B04-2S）