栽培措施对超级稻产量及氮肥利用效率的影响

毛依琦 陈蕾 顾逸彪 张耗 刘立军 王志琴 杨建昌 顾骏飞*

（1江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/扬州大学农学院，江苏扬州225009；2江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学，江苏扬州 225009；第一作者：454588927@qq.com；*通讯作者：gujf@yzu.edu.cn）

提高水稻单产对于保障我国粮食安全有重要意义。然而我国水稻生产还存在很多问题，如肥料施用量过高，肥料尤其是氮肥的利用效率较低等[1-3]。相关研究表明，随着氮肥用量的增加，水稻产量会随之增加，但当达到一定限度后，产量不会再增加甚至会降低。氮肥的超量使用除了增加经济成本、浪费资源之外，对环境的污染也不可小觑。因此，提高氮肥利用率对于提高水稻单产、增加经济效益和保护环境均有重要意义。育种家们以利用杂交种优势、塑造理想株型等综合的方式，设计并培育出的具有产量高、品质优、抗性强等优点的超级稻品种，有着巨大的增产潜力[4-7]。这些品种大面积单产一般能达到9.0 t/hm2以上，目前累计推广面积超过0.47亿hm2[8]，占全国水稻种植面积的近1/4[4]。与常规高产品种相比，超级稻品种产量可增加8%~20%[9-12]，因此，超级稻的研究与推广对于保障我国粮食安全有着十分重要的意义。

虽然超级稻有巨大的增产潜力，但是其在生育后期茎鞘干物质转运率不高，结实率低且不稳定，尤其是弱势粒结实性差。据报道，超级稻结实率比常规品种低10%以上[13-14]。同时，虽然超级稻根系发达，氮素吸收能力强，但是氮肥生理利用率比常规品种也要低10%~20%[15]。

近年来国内外对水稻籽粒充实差和氮肥利用效率低的原因进行了大量研究[13，16-22]，但是针对超级稻养分尤其是氮素的吸收调控规律缺乏深入研究，对超级稻高产高效的调控途径仍不清楚。因此，阐明超级稻品种的光合生理特性、氮素代谢与产量形成的关系，可为超级稻高产栽培管理提供理论依据。本研究选取了籼粳杂交稻甬优2640和常规粳稻武运粳24为研究对象，分析栽培调控措施对超级稻产量、氮素代谢与利用能力存在的关联，为超级稻产量和氮肥利用效率的提高提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与栽培概况

试验地点位于扬州大学农学院试验田，试验时间为2016—2017年。试验田土壤为沙壤土，养分情况：有机质 24.4 g/kg、碱解氮105 mg/kg、速效磷 34.3 mg/kg、速效钾68.2 mg/kg。前茬作物为小麦。供试品种为甬优2640和武运粳24。2016年试验于5月10育秧，6月12日移栽。2017年试验于6月6日育秧，6月20日移栽。

1.2 试验设计

试验共设4种栽培措施：N0，氮空白区；CK，当地常规栽培措施；IDRN，增密减氮；PI，精确灌溉。每种处理3次重复，以裂区的形式进行，主区为栽培措施，副区（小区）为品种，小区面积30 m2。各小区间做埂隔离，以防窜水窜肥。2016试验为人工插秧，2017年为机插秧。在试验期内其他栽培措施均相同，具体如下。

N0，氮空白区：生育期内不施氮肥；磷肥为过磷酸钙（含 P2O513.5%），用量 90 kg/hm2，全部基施；钾肥为氯化钾（含K2O 63%），用量120 kg/hm2，作基施和拔节肥（促花肥）2次施入，比例为6∶4；移栽密度2016年为16.0 cm×25.0 cm，2017年为 13.3 cm×30.0 cm，每穴栽插2苗，全生育期浅水灌溉，生育中期进行搁田以减少无效分蘖，收获前1周断水。

CK，当地常规：总施氮量（纯N，下同）为300 kg/hm2，分基肥（移栽前）、分蘖肥（移栽后 57 d）、促花肥（叶龄余数3.5）、保花肥（叶龄余数1.2）4次施用，比例为 5∶2∶2∶1；移栽密度和其他栽培措施同 N0 处理。

IDRN，增密减氮：相比当地常规栽培载插密度增加 25%（2016年为 12.8 cm×25.0 cm，2017年为 10.7 cm×30.0 cm，每穴栽插2苗）、减氮10%（氮肥用量为270 kg/hm2），水分管理方式同N0处理和CK；前氮后移，氮肥分基肥（移栽前）、分蘖肥（移栽后5~7 d）、促花肥（叶龄余数3.5叶）、保花肥（叶龄余数1.2叶）4次施入，比例为4∶2∶2∶2。其余栽培措施和管理方式同 N0处理。

PI，精确灌溉：相比当地常规栽培载插密度增加25%（（2016年为 12.8 cm×25.0 cm，2017年为 10.7 cm×30.0 cm，每穴栽插2苗）、减氮10%（氮肥用量为270 kg/hm2），精确灌溉；前氮后移，方式同IDRN处理。精确灌溉：在水稻处于移栽期与返青期之间时保持田间浅水层状态；返青期至有效分蘖临界叶龄期前2个叶龄期（N-n-2）进行间隙湿润灌溉，土壤水势低限为-10 kPa；（N-n-1）叶龄期至（N-n+1）叶龄期间进行 1 个叶龄期的排水搁田，土壤水势低限为-20 kPa；在（N-n＋1）叶龄期至二次枝梗分化期初（倒3叶开始抽出时）之间进行干湿交替灌溉，土壤水势低限为-10 kPa；在二次枝梗分化期（倒3叶抽出期）至出穗后10 d内进行间隙湿润灌溉，土壤水势低限为-10 kPa；抽穗后11～45 d内进行干湿交替灌溉，土壤水势低限为-15 kPa。若水稻能够在各个生育期内达到相应指标，则可按计划进行灌溉，田间保持2~3 cm浅层水，同时监测土壤水势（使用土壤水分张力计）。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 茎蘖动态

从移栽后7 d开始统计茎蘖数，每个小区选取20穴，每7 d统计1次。

1.3.2 干物质量、叶面积

在分蘖中期、穗分化始期、抽穗期、抽穗后15 d、抽穗后30 d、成熟期分别从每个小区中选取水稻5穴，将5穴中的水稻样品分开为叶、茎、穗（抽穗以后），趁叶片未发生失水卷曲时测定叶面积。之后于烘箱中105℃杀青30 min，75℃烘干至恒质量，后进行称重。将烘干样品粉碎至粉末状备用，测定样品中的氮素含量和非结构性碳水化合物量（non-structural carbohydrate，NSC）。

1.3.3 茎鞘NSC

取样期与上述相同，同样将测定干物质的样品进行烘干粉碎操作，测量其中含有植株NSC的量，参照YOSHIDA等[23]方法，称取0.1 g样品粉末（过100目筛）置于15 mL离心管中，加入80%乙醇溶液10 mL，在80℃水温下水浴30 min，冷却后在2 000 r/min速度下离心15 min，重复此提取过程3次，合并3次的上清液定容至50 mL后备用，待测定其中可溶性总糖含量；吸取0.5 mL提取液置于10 mL离心管中，向其中滴入1.5 mL蒸馏水及0.2%蒽酮试剂4 mL，经15 min沸水浴，冷却后使用比色仪测定溶液吸光度（波长620 nm）。同时将离心管中残渣置于80℃烘箱中，烘干后提取淀粉；烘干冷却后，将2 mL蒸馏水滴入离心管中，20 min沸水浴，进行不间断搅动操作，冷却后滴入9.2 mol/L HClO4溶液2 mL，并经10 min振荡，加入6 mL蒸馏水以2 000 r/min速度离心20 min，析出上清液，再次将2 mL 4.6 mol/L HClO4滴入残渣，重复上述步骤后将多次提取的上清液合并，置于50 mL容量瓶加蒸馏水定容，待测定其中的淀粉含量。将0.5 mL提取液移入10 mL离心管，加入蒸馏水1.5 mL和0.2%蒽酮试剂4 mL，经15 min沸水浴，待冷却后以比色法进行吸光度测定（波长620 nm）。具体过程可参考PUCHER等[24]的试验。

1.3.4 叶片氮代谢酶活性

在水稻抽穗后第20 d时采集其地面以上部分的叶片，按所处高度分为3层，以液氮进行固定保存，保存环境为-80℃，可使用超低温冰箱，用于测定谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酰胺合成酶（GS）、硝酸还原酶（NR）等酶的活性，具体方法参照李合生等[25-26]。

1.3.5 植株氮含量

将部分烘干样品进行粉碎，过筛之后称取定量，添加浓硫酸和反应催化剂，以消煮炉在420℃条件下进行1 h消煮，待样品溶液颜色变绿并澄清且温度降至常温，以凯氏定氮仪进行氮含量测定。

表1 不同栽培方式的水稻产量及其构成因素（2016年）

表2 不同栽培方式的水稻产量及其构成因素（2017年）

1.3.6 考种计产

在水稻成熟期，计算各小区平均穗数，以此为依据取10穴作为结实率、单穗粒数和千粒重的样本，并进行2次重复。计算各小区实际收获产量。

1.4 计算方法与数据处理

茎蘖成穗率（%）=成熟期茎蘖数/最大茎蘖数×100；收获指数=产量（干质量）/地上部总干物质量；茎鞘NSC运转率（%）=（抽穗期茎鞘NSC量-成熟期茎鞘NSC量）/抽穗期茎鞘NSC量×100；NSC对籽粒的贡献率（%）=（抽穗期茎鞘NSC量-成熟期茎鞘NSC量）/籽粒重量×100；颖花/叶（个/cm2）=总颖花数/抽穗期叶面积；实粒/叶（粒/cm2）=总实粒数/抽穗期叶面积；粒重/叶（mg/cm2）=籽粒产量/抽穗期叶面积。

本试验数据使用Microsoft Excel 2013与SPSS进行处理分析，采用Sigma Plot 10.0绘图。

2 结果与分析

2.1 对产量及其构成因子的影响

从表1可以看出，甬优2640在N0、CK、IDRN、PI处理下的产量分别为 7.01、9.51、10.69、11.90 t/hm2；与CK相比，IDRN、PI处理分别增产12.4%和25.1%，CK比N0处理增产35.7%。武运粳24在N0、CK、IDRN、PI处理下的产量分别为 6.05、8.99、9.77、11.06 t/hm2；与CK相比，IDRN、PI处理分别增产8.7%和23.0%，CK比N0处理增产48.6%。总颖花量（穗数×每穗颖花数）显著增加是IDRN、PI处理产量比CK上升的最主要因素。2017年表现同2016年（表2）。

2.2 氮肥使用效率

从表3可以发现，IDRN与PI处理的氮肥利用效率显著高于CK。例如，氮肥农学利用率（AE）甬优2640在IDRN与PI处理下分别为18.33 kg/kg、20.89 kg/kg，较CK分别增加32.5%、51.0%；武运粳24在IDRN与PI处理下分别为14.26 kg/kg、18.00 kg/kg，较CK分别增加21.6%、53.5%。

从表4可以看出，以IDRN与PI方式进行栽培的水稻，在抽穗至成熟期的氮素转运量和转运率相比CK大幅提高。

2.3 地上部农艺与生理性状

由表5可知，总LAI、有效LAI、高效LAI和高效叶面积率均以N0处理最低，IDRN和PI处理显著高于CK。由表6可知，N0处理的颖花/叶、实粒/叶和粒重/叶最低，IDRN和PI处理较CK明显提高。也就是说，优化栽培措施后，水稻的库源比提高。

2.4 氮代谢酶活性

由图1可以看出，在开花后第20 d时，叶片中谷氨酸脱氢酶（GDH）的活性较抽穗期低；IDRN和PI处理较CK都有明显提高，与N0处理相比也有清晰的高度差异。而同一植株叶片中，上部叶片的GDH活性较低，向下逐渐增强。由图2可知，抽穗后水稻叶片的GS活性随时间进程而下降。在不同栽培方式间比较，水稻叶片 GS活性表现为N0＜CK＜IDRN＜PI；同一植株中，下部叶片GS活性较低，向上逐渐增强。由图3可知，抽穗后20 d内，水稻叶片的GOGAT活性随时间推进而下降；不同栽培方式GOGAT活性表现为N0＜CK＜IDRN＜PI。与GS活性相似，同一植株中的叶片，GOGAT酶活性以下部叶片较低，向上逐渐增强。由图4可知，抽穗后，水稻叶片的NR活性随时间推进而下降；在不同栽培方式间比较，叶片NR活性在水稻植株地上部整体趋势是 N0＜CK＜IDRN＜PI；同一植株水稻中，以上部叶片NR活性较强，向下逐渐减弱。

表3 不同栽培方式下水稻吸氮量及氮素利用效率（2017年）

表4 不同栽培方式下水稻氮素转运量和氮收获指数（2017年）

表5 不同栽培措施下水稻抽穗期有效叶面积率和高效叶面积率（2017）

表6 不同栽培措施下水稻抽穗期群体粒叶比（2017）

3 讨论

凌启鸿等[27]研究发现，在较高产量水平上，可以通过提高水稻的颖花量和粒数的方式将产量再提高。杨建昌等[28-29]研究表明，当穗数处于一个适宜的数值时，想要使中籼稻实现超高产，可以通过扩大库容来完成，即确保穗数适宜的情况下有效地协调水稻穗数和穗质量的平衡，单株与群体间的平衡，以攻大穗的方式提高产量。本试验结果表明，增密减氮和精确灌溉的栽培方式通过增加单位面积穗数，大幅度提高了总颖花数，最终达到增产目的。可见，增加单位面积穗数也是增加总颖花量的重要途径之一。同时，增密减氮与精确灌溉采用了前氮后移和干湿交替灌溉技术，有利于减少无效分蘖、提高茎蘖成穗率、增加颖花量、促进籽粒灌浆。

图1 不同栽培方式下水稻叶片GDH酶活性

图2 不同栽培方式下水稻叶片GS酶活性

大量研究表明，群体大小受栽插密度和氮肥共同影响，因此，合理的穗数可通过适当增加栽插密度实现，如果施用的氮肥超量，密度增加会使得植株间竞争加剧，产生大量无效分蘖；当种植密度较稀疏时，水稻个体较大，有利于获得壮苗，但会在前期产生大量分蘖，使单株植株上的分蘖之间产生剧烈的竞争[30-32]。所以，目前的研究中，通过对水稻、小麦等作物运用增密减氮技术以增加产量是研究的重点，其原理就是以增加密度的形式对由氮肥不足引起的分蘖数量降低进行补足[30-32]。本研究发现，以增密减氮技术栽培的水稻与对照相比，拥有更高的峰值苗数和茎蘖成穗率，抽穗期穗质量和叶片面积指数也有显著提高，可知增密减氮技术是通过提高水稻植株的质量而达到了提高产量的目的。

图3 不同栽培方式下水稻叶片GOGAT酶活性

图4 不同栽培方式下水稻叶片NR酶活性

有些研究中提到，减少无效分蘖，提高分蘖成穗率，可以提高氮肥利用效率[33-35]。本研究观察到，与当地常规栽培技术相比，增密减氮技术和精确灌溉栽培处理对氮肥施用后的吸收效率、利用效率以及生产力均有所提升，其原理是这两种技术提高了水稻分蘖成穗率，穗数的增加使得水稻生育中后期吸收并转运了更多的氮素，因此氮肥得到了更充分的利用。

本研究结果表明，与对照相比，增密减氮和精确灌溉栽培方式均能够提高叶片中氮代谢相关酶的活性，如GDH、NR、GS和GOGAT。NR是硝态氮同化过程中的调节酶和限速酶，GS和GOGAT则以偶联形成循环反应，在高等植物中催化氮同化的反应进行，对于氮肥的吸收利用均有重要意义[36]。有研究表明，在现代超级稻品种中，叶片中NR酶的活性一般随施氮量的增加而增加，而GS活性和GOGAT活性都能够明显地影响水稻在抽穗期对氮的吸收能力和最终产量，和二者均呈显著或极显著正相关[37]。GDH酶活性对氨的同化过程有重要影响，可解除植物组织中积累NH4+时产生的氨毒作用[38-39]。在本研究中，以前氮后移和轻干湿交替等方式进行栽培的水稻，其叶片中与氮代谢相关的酶活性也有所提高，氮素的吸收利用能力有所上升。

4 结论

与当地常规栽培技术相比，增密减氮、精确灌溉的栽培方式提高了茎蘖成穗率、粒叶比、有效和高效叶面积率、氮代谢酶活性，可利用总颖花数模式提升库容，对库容强度也有一定提高作用，促进水稻对氮素的吸收。总而言之，增密减氮和精确灌溉可以协同提高水稻产量和氮肥利用效率。