氮肥对超级杂交稻穗颈节间维管束结构的影响

王留行，彭 廷，熊加豹，王海彬，刘 晔，张 静，王代长，滕永忠，赵全志

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002; 2.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002；3.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002)

水稻是全球三大粮食作物之一，中国有65%以上的人口以稻米为主食[1]。超级杂交稻的培育在很大程度上保证了我国粮食安全。超级杂交稻的生长发育和产量的提高离不开氮肥的投入[2]。然而，实际生产中人们为了不断提高水稻产量盲目大量施用氮肥，不仅使农业生产成本提高，还造成氮肥利用效率大幅下降，并引起水稻倒伏频发，生育后期贪青晚熟，易受病虫侵害。另外，氮肥的大量施用还引起农业面源污染，并反馈调节全球气温和生态系统的碳循环[3]，从而直接或间接地导致一系列环境问题[4]。

研究表明，和不施氮肥处理相比，施用150～300 kg/hm2氮肥能显著提高水稻群体总颖花数、有效穗数和穗粒数，水稻产量提高77.7%～103.5%[5]。霍中洋等[6]研究也发现，增加氮素供应可以促使颖花数显著增加。但过量施氮则会影响氮素吸收，降低水稻千粒质量，进而导致产量下降[7-8]。即水稻产量随施氮量的增加呈先增后降的变化趋势[9]。不同施氮量引起的水稻产量的差异主要由结实率和穗数决定，施氮量在135 kg/hm2以下，随施氮量的增加有效穗数显著增加，而结实率有所下降，产量变化趋势与有效穗数变化趋势一致；当施氮量超过135 kg/hm2后，增加施氮量，产量继续上升，有效穗数虽然增加但不明显，结实率随着施氮量的增加而下降[10]。水稻茎秆是联系“源”和“库”的重要枢纽。水稻茎秆中的维管束结构由木质部和韧皮部构成，在水稻生长过程中起“流”的作用，是作物进行水分、矿物质运输的通道，也是水稻根、茎、叶等“源”中同化产物及养分等向籽粒(“库”)转运的主要通道[11-12]。穗颈节间是穗部与茎秆的关键部位。潘俊峰等[13]研究表明，穗颈节间小维管束能促进茎鞘中非结构性碳水化合物的转运。李国辉等[14]研究发现，水稻大维管束和小维管束数量、总横截面积与结实率、千粒质量、产量均呈显著正相关。周红英等[15]研究发现，水稻茎壁越厚，籽粒充实越好，单穗质量越高。前人对维管束结构的研究主要包括2个方面，一是维管束结构对作物穗部性状的影响[16]，二是维管束结构与植株抗倒伏的关系[17]。超级杂交稻产量提升过程中，改善上部茎节间小维管束结构及基部节间大维管束结构，可以促进超级杂交稻穗增大、粒增多[18]。综上，关于氮肥施用量与产量构成因素穗粒数和结实率的研究很多，但关于施氮量对超级杂交稻穗颈节间维管束结构的影响及其与产量和产量构成要素的关系研究还未见报道。为此，分析4个超级杂交稻品种在不同施氮量下穗颈节间维管束结构变化，从生理上揭示氮肥对水稻穗数和结实率的影响机制，为深化超级杂交稻增产的生理机制研究奠定基础。

1 材料和方法

1.1 供试品种

供试超级杂交稻品种为两优培九、Y两优1号、Y两优900和湘两优900。

1.2 试验设计

试验于2017年4—10月在信阳市平桥区二郎村河南农业大学水稻生产基地进行。供试土壤含有机质29.29 g/kg、全氮1.00 g/kg、碱解氮36.74 mg/kg、速效磷16.51 mg/kg、速效钾139.3 mg/kg，pH值为6.41。采用塑料软盘育苗，4月12—15日播种，5月13日移栽，秧龄30 d，每穴2株，行距30 cm，穴距20 cm，小区面积为4.5 m×7.0 m。设置6个氮肥水平：0(N0)、150(N10)、210(N14)、300(N20)、390(N26)、450(N30)kg/hm2。每个氮肥水平设3次重复，每个小区采用聚乙烯塑料硬板隔离，防止串水串肥。氮肥(尿素)分4次施入，移栽前1 d作为基肥施用，移栽后7 d作为分蘖肥施用，倒四叶时作为第一次穗肥施用，倒二叶时作为最后一次穗肥施用，施用比例为4∶2∶2∶2。P2O5(过磷酸钙)施用量为138.38 kg/hm2，作为基肥一次施入；K2O(硫酸钾)施用量为276.75 kg/hm2，50%作为基肥施入，50%于倒二叶时作为穗肥施入。其他田间管理按照高产田标准进行[19]。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及其构成因素 在抽穗期，统计各小区有效穗数。于成熟期，根据平均有效穗数取植株样品，每个小区取5株，用信封装稻穗，然后带回室内考种，考种指标包括实粒数、瘪粒数、千粒质量，根据统计结果计算穗粒数、结实率；在每个小区选取4 m2具有代表性的水稻植株，割完后带至田边打谷，随后称质量，并测定含水量，计算实际产量。

1.3.2 穗颈节间维管束数目和面积 于灌浆中期，各小区选取主茎，参照彭廷等[18]的方法将茎秆从节间处剪断，取穗颈节整理好放入FAA固定液中保存，徒手切片，番红染色，选取优质切片在OLYMPUS-BX43显微镜下观察计数并拍照，用MIAS-1型显微图像分析软件分析维管束结构：大维管束数目、小维管束数目以及它们的面积。

1.4 数据整理和统计分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0进行数据的整理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间小维管束结构的影响

2.1.1 小维管束数目 由图1可知，两优培九施氮处理穗颈节间小维管束数目均显著多于不施氮的N0处理，较N0处理增加了30.44%～46.74%，施氮处理间无显著差异；Y两优1号穗颈节间小维管束数目随着施氮量的增加先增加后降低，小维管束数目在N20处理最多，与N14处理差异不显著，显著多于其他处理，其中较N0处理显著增加19.51%，N26、N30、N0、N10处理间无显著差异；Y两优900穗颈节间小维管束数目随施氮量的增加总体上也呈先增加后降低的趋势，N26处理最多，N14、N20处理依次次之，三者之间差异不显著，前2个处理显著多于N0处理，其他处理均与N0处理无显著差异，N30处理最少；湘两优900穗颈节间小维管束数目随着施氮量的增加先增加后降低，N14处理最多，显著多于其他处理，其中较N0处理显著增加43.70%，N20处理次之，显著多于N0处理，其他处理与N0处理间差异均不显著。总体来讲，在N14、N20处理下，超级杂交稻穗颈节间小维管束数目较多。

A为两优培九，B为Y两优1号，C为Y两优900，D为湘两优900；不同小写字母表示处理间差异达到0.05显著水平。下同A is Liangyoupei 9，B is Y Liangyou No.1,C is Y Liangyou 900,D is Xiangliangyou 900.The different lowercase letters indicate significant differences among differents treatments(P<0.05).The same below图1 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间小维管束数目的影响Fig.1 Effect of different nitrogen application rates on the number of small vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.1.2 小维管束面积 由图2可知，两优培九穗颈节间小维管束面积随着施氮量的增加先增大后减小，N14处理最大，显著高于除N10处理外的其他处理，其中较N0处理显著增加23.70%，而N10、N20、N26、N30、N0处理间差异均不显著；Y两优1号穗颈节间小维管束面积在各处理之间的差异均不显著，也以N14处理最大，且N20、N26、N30处理都小于N0处理；随着施氮量的增加，Y两优900穗颈节间小维管束面积总体呈逐渐减小趋势，N26处理最小，显著小于其他处理，其中较N0处理显著减小25.91%，与N30处理差异不显著，N10、N14、N20、N0处理间均无显著差异；湘两优900穗颈节间小维管束面积随着施氮量的增加总体上先增大后减小，N14处理最大，显著大于其他处理，其中较N0处理显著增加34.13%，除N14处理外的其余几个处理间差异均不显著。总体来看，超级杂交稻穗颈节间小维管束面积在N14处理下最大。

图2 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间小维管束面积的影响Fig.2 Effect of different nitrogen application rates on the area of small vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.1.3 小维管束总面积 由图3可知，两优培九穗颈节间小维管束总面积总体上随着施氮量的增加先增加后降低，以N14处理最大，显著大于N0、N20、N30处理，与其他处理均无显著差异，其中较N0处理显著增加68.17%，N20、N26、N30处理间差异均不显著；施氮对Y两优1号穗颈节间小维管束总面积的影响未达到显著水平，穗颈节间小维管束总面积表现为N14>N20>N10>N0>N30>N26，N26处理较N0处理减少14.38%；从N14处理开始，随着施氮量的增加，Y两优900的穗颈节间小维管束总面积逐渐减少，N30处理最小，显著小于除N26处理外的其他处理，其中较N0处理显著减少27.15%，N0、N10、N14、N20处理间均无显著差异；湘两优900穗颈节间小维管束总面积随着施氮量的增加总体上先增加后降低，N14处理最大，显著大于其他处理，其中较N0处理显著增加93.87%，其他处理均与N0处理无显著差异，N30处理最小。综上，超级杂交稻穗颈节间小维管束总面积在N14处理下最大。

2.2 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间大维管束结构的影响

2.2.1 大维管束数目 由图4可知，两优培九穗颈节间大维管束数目随着施氮量的增加总体呈先增加后减少的趋势，N20处理最多，与N10、N14处理间差异均不显著，显著大于其余处理，其中较N0处理显著增加21.54%，N26处理最少，N0、N10、N26、N30处理间差异均不显著；Y两优1号穗颈节间大维管束数目受施氮量的影响未达到显著水平，维管束数目表现为N20>N26>N14>N0>N10>N30；Y两优900穗颈节间大维管束数目随着施氮量的增加呈先增加后减少再增加的趋势，N30处理最多，显著大于N0、N14、N20处理，其中较N0处理显著增加32.09%，除N20处理外，其余处理均显著大于N0处理；湘两优900穗颈节间大维管束数目随着施氮量的增加总体呈先增加后减小的趋势，N14处理最多，显著大于其他处理，其中较N0处理显著增加83.05%，其余施氮肥处理均与N0处理无显著差异。除Y两优900外，其他超级杂交稻穗颈节间大维管束数目总体上在N14、N20处理下较多。

图3 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间小维管束总面积的影响 Fig.3 Effect of different nitrogen application rates on the total area of small vascular bundle in first internode of super hybrid rice

图4 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间大维管束数目的影响Fig.4 Effect of different nitrogen application rates on the number of large vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.2.2 大维管束面积 由图5可知，两优培九、Y两优1号和湘两优900的穗颈节间大维管束面积总体上均随着施氮量的增加先增加后减小。两优培九穗颈节间大维管束面积以N10处理最大，其与N20处理差异不显著，显著高于其余处理，其余施氮处理均与N0处理无显著差异；Y两优1号穗颈节间大维管束面积以N14处理最大，其次为N10处理，二者与N0、N20处理均无显著差异，N30处理最小，N30、N0、N20、N26处理间均无显著差异；Y两优900穗颈节间大维管束面积随着施氮量的增加逐渐减小，N30处理最小，比N0处理显著减小12.68%，其余施氮肥处理均与N0处理无显著差异，且N20、N26、N30三者之间差异也不显著；湘两优900穗颈节间大维管束面积以N14处理最大，显著大于除N26处理外的其余处理，其中较N0处理显著增加21.84%，其次为N26处理，N30处理最小，除N14处理外，其余处理间均无显著差异。总体来讲，在N10、N14处理下，超级杂交稻穗颈节间大维管束面积较大。

图5 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间大维管束面积的影响Fig.5 Effect of different nitrogen application rates on the area of large vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.2.3 大维管束总面积 由图6可知，两优培九、Y两优1号和湘两优900的穗颈节间大维管束总面积总体上均随着施氮量的增加呈先增加后减小的趋势。两优培九穗颈节间大维管束总面积以N20处理最大，显著大于N0、N26、N30处理，其中较N0处理显著增加27.23%，与N10、N14处理之间均无显著差异，N26、N30、N0处理之间也均无显著差异；Y两优1号的穗颈节间大维管束总面积以N14处理最大，N20、N10处理依次次之，三者之间差异均不显著，N14处理显著大于N0处理，其余施氮肥处理均与N0处理无显著差异，N30处理最小；Y两优900的穗颈节间大维管束总面积以N10处理最大，其次为N26处理，二者均显著大于N0处理，其余处理均与N0处理无显著差异；湘两优900的穗颈节间大维管束总面积以N14处理最大，显著大于其余处理，其中较N0处理显著增加122.56%，N26处理次之，其余施氮肥处理均与N0处理无显著差异。总体来讲，在N10、N14处理下，超级杂交稻穗颈节间大维管束总面积较大。

2.3 不同施氮量下超级杂交稻穗颈节间维管束结构与产量及其构成因素的相关性分析

由表1可知，超级杂交稻穗颈节间小维管束和大维管束面积、总面积均与有效穗数呈极显著负相关；大维管束和小维管束数目、面积、总面积均与千粒质量呈显著或极显著负相关，与穗粒数呈极显著正相关；小维管束总面积及大维管束数目、面积、总面积均与结实率呈极显著正相关；小维管束面积与产量的相关性不显著，大维管束和小维管束数目、总面积及大维管束面积均与产量呈极显著正相关。

图6 不同施氮量对超级杂交稻穗颈节间大维管束总面积的影响 Fig.6 Effect of different nitrogen application rates on the total area of large vascular bundle in first internode of super hybrid rice

指标Index有效穗数EffectivePaniclenumber穗粒数Grainnumberperpanicle千粒质量1000-grainweight结实率Seedsettingrate产量Yield小维管束数目Smallvascularbundlenumber-0.2180.652∗∗-0.571∗∗0.2310.428∗∗小维管束面积Smallvascularbundlearea-0.551∗∗0.606∗∗-0.321∗∗0.2100.209小维管束总面积Totalareaofsmallvascularbundle-0.429∗∗0.696∗∗-0.478∗∗0.236∗0.336∗∗大维管束数目Largevascularbundlenumber-0.1770.521∗∗-0.424∗∗0.302∗∗0.474∗∗大维管束面积Largevascularbundlearea-0.459∗∗0.566∗∗-0.276∗0.370∗∗0.392∗∗大维管束总面积Totalareaoflargevascularbundle-0.314∗∗0.615∗∗-0.418∗∗0.353∗∗0.492∗∗

注：*、**分别表示相关性显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)。

Note:* and **represent significant correlations at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 结论与讨论

大量研究表明，水稻穗颈节间维管束作为光合产物由源到库运输的主要途径，与物质转运效率、光合速率以及倒伏性密切相关，其生长发育状况直接影响水稻产量水平[20]。孙玉友[21]研究籼粳稻穗茎维管束性状发现，籼稻穗茎维管束数目显著多于粳稻。廖色梅等[22]研究认为，亚种间杂交稻与品种间杂交稻的大、小维管束数目有明显差异。彭廷等[18]研究超级杂交稻的茎秆维管束结构也发现，品种间茎秆维管束结构差异显著。因此，水稻穗颈节间维管束性状差异主要由水稻品种决定，同时，也受环境影响[23]。

本研究发现，4个超级杂交稻品种穗颈节间小维管束数目、面积、总面积总体上均随着施氮量的增加呈现先增加后减少的趋势。进一步分析发现，当施氮量≤210 kg/hm2时，增施氮肥可以促进两优培九、Y两优900和湘两优900穗颈节间小维管束数目增加，可以促进两优培九、湘两优900小维管束面积及总面积增大；而当施氮量>210 kg/hm2时，增施氮肥会导致4个超级杂交稻品种小维管束面积、总面积以及湘两优900小维管束数目总体上减少。氮素对两优培九、Y两优1号以及湘两优900大维管束结构的调控与小维管束基本一致。当施氮量≤210 kg/hm2时，增施氮肥明显促进了两优培九和湘两优900穗颈节间大维管束数目、湘两优900大维管束面积及总面积、Y两优1号大维管束面积及总面积增加。当施氮量>210 kg/hm2时，增施氮肥4个超级杂交稻品种大维管束面积(两优培九除外)、湘两优900大维管束数目及总面积、Y两优1号大维管束总面积总体上逐渐减少。殷春渊[24]研究发现，施肥可以显著增加水稻籽粒灌浆期大维管束面积，且施氮量在0～180 kg/hm2时，大维管束面积会随着施氮量的增加而增加。张俊等[25]研究发现，施用氮肥显著增加了水稻大、小维管束数量。这与本试验研究结果一致。

徐正进等[26]研究发现，穗颈节间大、小维管束数目均与穗粒数呈显著或极显著正相关。陈书强等[27]研究表明，倒一节和倒二节茎秆大、小维管束数目均与穗粒数及单株产量存在极显著正相关关系。本研究也发现，超级杂交稻穗颈节间大维管束和小维管束数目、面积及总面积均与穗粒数呈极显著正相关，与千粒质量呈显著或极显著负相关，同前人[26-27]研究结果相似。

程慧煌等[28]研究发现，超级杂交稻的穗粒数、粒叶比和收获指数均随着施肥量的增加呈先增后降的趋势，且增加中后期的氮肥供应，可以保证超级杂交稻的物质积累量。LIU等[29]研究发现，在适宜的氮肥条件下，增加施氮量可以增加10～20 cm土层的根系比例，进而提高超级杂交稻产量。程慧煌等[30]研究发现，随着施氮量增加，超级杂交稻茎粗、壁厚均表现出先升高后降低的趋势；施氮量超过300 kg/hm2时，中低产品种的产量和抗倒伏能力都有所下降。龙瑞平等[31]认为，这主要是由于在合理范围内，增施氮肥可以促进水稻群体生长发育，而超出适宜施氮量时则会导致群体生长过盛，水稻个体之间竞争激烈。李伟娟等[32]研究发现，插秧密度可显著影响水稻大、小维管束的生长。结合前人[28-32]的研究可以得出，施氮可以改善超级杂交稻穗颈节间大、小维管束结构，而过量施氮使水稻分蘖数增加，导致单茎质量下降，进而导致维管束结构恶化。

综上所述，合理施肥通过改变大、小维管束结构，进而影响“流”的运转能力。在增施氮肥过程中，“畅流”可以保证水稻体内营养物质及水分等的运输数量、速率，是其高产生理机制中非常重要的一环。另外，不同水稻品种在不同的生态条件下对最适宜氮肥用量的要求可能存在差异。