不同氮水平下晚稻品种响应抽穗扬花期低温的产量及生理差异

曹超豪，沈天花，施 翔，熊强强，陈小荣，贺浩华

(江西农业大学 农学院，作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西省超级稻工程技术研究中心， 双季稻现代化生产协同中心，江西 南昌 330045)

低温不利于作物的正常生长发育，是影响农作物生产的不可控灾害之一[1]。江西省地处长江中下游，属于典型的双季稻区，频繁发生的2种低温型气候“倒春寒”及“寒露风”造成严重的产量损失。寒露风期间平均气温低于正常气温5～10 ℃，随着近年来气候变化加剧，晚稻抽穗扬花期受寒露风影响概率高达80%[2]。水稻抽穗扬花期是产量形成重要时期，低温将导致水稻花粉育性下降[3]，影响源器官内各种酶活性，导致植物代谢异常，功能叶光合减弱[4-5]，根系活力下降不利光合产物运输[6-7]，最终造成有效分蘖减少，空瘪谷粒增加，产量大幅下降。邵怡若等[8]研究表明，低温会导致一些植物的叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率下降。宋广树等[9]研究发现，过氧化物酶活性、游离脯氨酸、叶绿素、丙二醛含量变化幅度能客观反映水稻叶片在抽穗期遇低温时的耐冷性。氮肥作为农作物生长最重要的调控养分因子，其与产量的形成密切相关[10]，氮肥的使用一直是农作物生产的重点，作物的高产与增产离不开合理施用氮肥，合理使用氮肥有助于作物应对自然气候灾害，减少因气候造成的减产[11]。研究表明，低温条件下，过量的施用氮肥而缺少足够的日照会使碳水化合物的合成减少，相对吸氮量增加，不能充分转化为蛋白质，氮以原状体积聚于植株内，并不能有效利用氮肥，发生冷害时施氮量少比施氮量大的结实率相对较高[12]。关于不同品种间不同施氮水平在抽穗扬花期遭遇低温时，尤其是氮肥使用过量的条件下，对水稻的产量形成及其相关生理特性的影响未见报道。

本研究使用常规晚稻品种黄华占、超级杂交晚稻H优518和荣优225 3个品种为试验材料，设置不同施氮水平，室外桶栽使其在抽穗扬花期遇自然低温，探究晚稻品种在抽穗扬花期遇低温寒露风不同氮肥处理下的产量构成及相关生理特性的差异、不同晚稻品种不同施氮水平下抽穗扬花期遇低温时响应的差异性，探明晚稻在抽穗扬花期时遇低温寒露风的最适氮肥用量及其调控机制，为晚稻抵御低温寒露风育种与栽培提供参考资料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

黄华占(P1)：常规稻品种，全生育期129～131 d；荣优225(P2)：籼型三系杂交稻(荣丰A×R225)，全生育期114.1 d；H优518(P3)：籼型三系杂交水稻(H28A×51084)，全生育期平均112.9 d。

1.2 试验方法

本研究采用桶栽(桶高为24.0 cm、桶底内径为23.5 cm、桶上部外径为29.0 cm)方式于2016年在江西省灌溉试验中心站进行试验，桶栽土壤取自稻田0～20 cm耕层土壤，土壤自然风干。土壤理化性质：有机质19.46 g/kg，全氮1.75 g/kg，碱解氮132.9 mg/kg，有效磷20.8 mg/kg，速效钾87.0 mg/kg，pH值6.5。每桶装风干土20 kg。基于黄华占生育期相对荣优225与H优518较长，黄华占6月16日进行播种，荣优225和H优518品种6月28日播种，7月24日，选取生长一致的秧苗移栽，每桶栽插3穴，每穴1株苗。所有管理措施均按高产栽培方式进行。

1.3 试验设计

本试验设计4个施氮梯度处理，N1：低氮(折成纯N为90 kg/hm2)；N2：正常氮(折成纯N为180 kg/hm2)；N3：高氮(折成纯N为250 kg/hm2)；N4超高氮(折成纯N为330 kg/hm2)。试验采用随机区组设计摆放用桶，每处理15桶重复。磷肥(P2O5)全部作基肥，每处理换做大田用量90～100 kg/hm2，钾肥(K2O)每处理150 kg/hm2，氮肥施用按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2。2016年3个品种抽穗扬花期期间的9月21-23日出现了1个较为明显的降温时段，具体气象因子如图1所示(日平均温度气象数据来自江西省灌溉试验中心站气象场，观测频率参考日常大气探测。)。

图1 2016年试验期间的气象因子Fig.1 Meteorological factors during the 2016 trial period

1.4 测定项目及方法

叶绿素、光合及有关生理指标低温来临前1 d(9月20日)的取样或测定是根据农事气象预报而定。

1.4.1 叶绿素含量 低温来临前1 d(9月20日)，低温结束后第2天(9月25日)，每处理选取长势均匀的10株水稻，定株，挂牌。同时采用SPAD-502叶绿素测定仪(浙江托普有限公司)对其倒2叶叶绿素含量进行测定，测量时避开叶脉，叶片基部、中部和顶部各测一次SPAD值，取其平均值。

1.4.2 光合参数指标 低温来临前1 d(9月20日)，低温结束后第2天(9月25日)，于上午9：00-11：00，晴朗无云的天气，使用便携式光合仪(CI-340，美国CID公司)测定叶片光合参数指标(净光合速率，Net photosynthetic rate，Pn；蒸腾速率，Transpiration rate，Tr；气孔导度，Stomatal conductance，Gs；胞间CO2浓度，Intercellular CO2concentration，Ci)。每处理测试3个重复。

1.4.3 相关生理指标 低温来临前1 d，低温结束后第2天，每处理每重复选取3株水稻，取倒2叶叶片测定抗氧化酶系统活性，取下叶片用液氮速冻。参照李合生等[13]的方法，略有改动。丙二醛(Malonaldehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸提取法，超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性采用氮蓝四唑光化还原法，过氧化物酶(Peroxidase，POD)活性采用愈创木酚氧化法，游离脯氨酸(Free proline)含量采用茚三酮法，过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性采用碘量法，考马斯亮蓝G-520法测定可溶性蛋白(Soluble protein)含量。

1.4.4 产量及其构成 水稻成熟期时每处理取5株完整未受损的稻株考种，分别考查单株有效穗数、千粒质量、穗空粒数、穗粒数、单株产量，计算结实率和穗粒数。

1.5 数据分析

分别采用Microsoft Excel 2003软件和SPSS 7.0统计分析软件分析作图，其中数据分析采用 Duncan氏新复极差法(SSR法)。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理下各品种产量及其构成因素

表1可以看出，同一氮肥处理下H优518的单株产量最高，其次为荣优225，黄华占最低。3个品种均以N2处理的产量最高且与N1处理有显著性差异，相对于N2处理，N4处理的单株产量降低幅度为荣优225 >黄华占> H优518。结实率和千粒质量均表现为N4处理低于N2处理，且H优518下降的幅度最低。同一氮肥处理下2个杂交晚稻品种均较常规稻黄华占具有较高的结实率和单株有效穗数。表明抽穗扬花期低温条件下，相对于N2处理，N3和N4产量下降幅度总体上H优518最小，说明水稻存在品种间不同施氮量下对抽穗扬花期低温响应的差异性。

2.2 不同氮肥处理下各品种叶片叶绿素及光合特性

图2可看出，无论低温前、低温后，同一处理均以荣优225的叶绿素含量最高。不同品种低温结束后叶绿素含量均不同程度下降，其中N4处理的下降幅度对比N2处理的下降幅度，H优518是最小的。叶绿素含量变化可知，N2处理下黄华占对比其他2个杂交稻品种下降幅度更大且与其他氮处理差异显著，N3、N4处理的下降幅度间差异不显著，说明低温对黄华占的光合速率影响比较大。

表2表明，低温来临后，3个品种叶片叶绿素含量及净光合速率的下降幅度随着施氮量的增加而增大，蒸腾速率、气孔导度也表现出类似特点。3个品种的净光合速率下降幅度为黄花占最大，H优518次之，荣优225最小。蒸腾速率上，N4处理下降幅度为荣优225>黄华占>H优518。不同氮肥处理间叶片气孔导度除N1外，低温来临后均表现为下降，各品种降幅较明显的是N3，表现为荣优225>黄华占>H优518。胞间CO2浓度除N1小幅上升外，除黄华占N3处理外各处理低温来临后均不同程度下降。可见过量施氮不利于水稻光合作用的进行。对比3个品种经历低温的光合特性分析，总体而言H优518对低温的抗性表现优于其他2个品种。

表1 水稻各品种不同氮处理下的产量及其构成因素Tab.1 Yields and components of different rice varieties under the different nitrogen treatments

注：表中同列不同小写字母代表同一品种不同处理间达显著差异水平(P<0.05)。PL.穗长；EPPP.单株有效穗数；TGPP.穗粒数；SSR.结实率；1000-GW.千粒质量；YPP.单株产量。表2同。

Note： Different lowercase letters in the same column meant significant difference among treatments of the same variety at 0.05 level. PL.Panicle length; EPPP. Effective panicles per plant; TGPP.Total grains per panicle; SSR. Seed setting rate; 1000-GW.1000-grain weight; YPP. Yield per plant. The same as Tab.2.

不同小写字母代表同一品种不同处理间达显著差异水平(P<0.05)，柱状数据为平均值，短线表示标准差。BLT.低温前；ALT.低温后。图4-11、表2同。

Different lowercase letters represent significant differences among the treatments of the same variety at 0.05 level，the column data is average and the short lines represents the standard deviation.BLT.Before low temperature;ALT. After low temperature.The same as Fig.4-11,Tab.2.

图2 水稻各品种不同氮处理下的SPAD值
Fig.2 SPAD values of different rice varieties under the different nitrogen treatments

2.3 不同氮肥处理下各品种分蘖动态、包颈率和干物质量

图3可看出，各品种单株分蘖数N4均高于N2。抽穗期低温对水稻成穗影响较大，对分蘖数影响很小。图4还可看出，除H优518以外，其他两品种均以N4包颈(指穗颈)率最高且与其他氮处理差异显著。除N1处理外，其他处理黄华占的包颈现象最为明显，其N2包颈率高达15.58%，N3、N4包颈率也高于另外2个品种，并且均达显著性水平。H优518的N3、N4处理包颈率均比其他品种低。综合说明，过量施氮将加重晚稻抽穗扬花期低温下的包颈率，且品种间存在一定的差异性。

图5可看出，各品种同一处理总干物质量总体表现为荣优225 最高，H优518次之，黄华占最低。N2条件下荣优225的干物质积累量最多。N3处理与N2相比，穗部干物质增幅上以H优518最低，黄华占最高。

表2 水稻各品种不同氮处理下的叶片光合特性Tab.2 Leaf photosynthetic characteristics of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图3 水稻各品种不同氮处理下的单株分蘖数动态变化Fig.3 Dynamics of tiller number per plant of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图4 水稻各品种不同氮处理下的包颈率Fig.4 Packaged panicle neck rates of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图5 水稻各品种不同氮处理下的干物质积累与分配Fig.5 Dry matter accumulations and distributions of different rice varieties under the different nitrogen treatments

2.4 不同氮肥处理下各品种叶片渗透调节物质及保护酶

图6可看出，低温前高氮处理叶片游离脯氨酸含量荣优225最高，H优518最低，各品种内存在显著性差异。低温后各品种的游离脯氨酸仍较高，不同品种不同氮处理的游离脯氨酸上升幅度不同且上升幅度有一定差异性，其中正常氮N2条件下H优518的游离脯氨酸含量上升幅度为40.93%，荣优225上升31.67%，黄华占上升30.89%。

图6 水稻各品种不同氮处理下的叶片游离脯氨酸含量Fig.6 Content of free proline in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图7表明，低温前后同一水稻品种的高氮与超高氮处理可溶性蛋白含量均高于低氮及正常氮处理并达显著水平。对比低温前，低温后除N1处理外可溶性蛋白含量均有不同程度下降，其中以N4降幅最大。N2条件下可溶性蛋白含量降低幅度为黄华占最大，荣优225 次之，H优518最小。

图7 水稻各品种不同氮处理下的叶片可溶性蛋白含量Fig.7 Content of soluble protein in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图8表明，不同氮肥处理下的不同水稻品种受低温的影响其丙二醛含量上升幅度不同。N2条件下，低温后黄华占丙二醛含量上升23.29%，荣优225上升18.58%，H优518上升14.93%。常规稻与杂交稻存在较为明显的品种间差异。

图8 水稻各品种不同氮处理下的叶片MDA含量Fig.8 Content of MDA in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图9可看出，各品种受低温影响后的SOD酶活性N3、N4处理下降最为明显且与N1、N2处理差异显著，说明增施氮肥会降低水稻SOD酶的活性。低温后，正常氮处理下以H优518降幅最小，黄华占降幅最大。进一步说明低温对H优518的影响要低于其他2个品种。

图9 水稻各品种不同氮处理下的叶片SOD活性Fig.9 SOD activity in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图10可看出，低温来临后除N1外，不同品种的各个处理POD活性均有不同程度的升高，H优518的POD活性一直保持较高水平。N2条件下，POD活性上升幅度为荣优225最大，黄华占次之，H优518最小。N4处理条件下低温前与低温后H优518变化幅度最小。

图10 水稻各品种不同氮处理下的叶片POD活性Fig.10 POD activity in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

图11表明，低温来临后不同品种和处理间CAT活性下降幅度不同。黄华占N3的CAT活性降幅最大且与其他氮处理差异显著，N4次之；荣优225 N4的CAT降幅最大，N3次之；H优518的N4降幅最大。N2条件下，下降幅度为黄华占>荣优225>H优518。

图11 水稻各品种不同氮处理下的叶片CAT活性Fig.11 CAT activity in leaf of different rice varieties under the different nitrogen treatments

3 讨论和结论

合理施用氮肥有利于水稻提升产量，过高或过低都不利于水稻增值增产[14-15]。同时植物的生长发育需要在适宜的温度范围内，低温会抑制植物的生长发育，甚至死亡[16]。本研究表明，各品种抽穗扬花期低温条件下正常氮处理N2单株产量最高，N1单株产量最低但结实率最高，这与前人研究结果基本一致[17-18]，结实率下降原因可能是由于施氮量过多，导致稻株碳/氮比下降，从而降低了稻株抗性，导致结实率降低。本研究还发现，抽穗扬花期低温寒露风对不同品种稻株后期生蘖成穗影响不同，高量和超高量施氮导致稻株抽穗时间后延，同时受低温影响，导致其生蘖晚无法正常抽穗，造成包颈现象。潘兴书等[17]研究表明，施氮量在合理的范围内时，产量会随着施氮量增加而增加，茎叶鞘、穗部积累的干物质及穗所占的比例均有增加的趋势，尤其在水稻的齐穗期和成熟期。但是本研究中虽然各品种茎、叶干物质量随着施氮量增加均有所增加，但由于受抽穗扬花期低温的影响，正常施氮处理的稻株，其穗部干物质量均比高氮、超高氮处理的有所下降，可能是由于晚稻抽穗扬花期遇低温导致水稻贪青晚熟，空壳增多，穗“库”对茎、叶“源”的压力下降，茎叶光合产物及其贮存的碳水化合物向穗部籽粒调运减少，从而导致穗部干物质量降低。

氮素是光合作用和影响合成叶绿素的重要元素之一。在叶绿素合成和降解过程中，存在一系列的酶促反应，低温会导致酶的活性降低，故温度对叶绿素含量也有很大的影响[19]。本研究表明，抽穗扬花期低温处理后各光合指标均有一定程度下降，这与前人研究结果基本一致[18-21]；特别是低温来临前，高氮处理可一定程度提高各品种的光合速率以及气孔导度，这也与王仁雷等[22]研究一致，但低温来临期间各光合指标均不同程度下降；另外，本研究还发现，低温期结束后，高氮处理的光合速率以及气孔导度高于正常氮处理，这与丁坤元等[23]在对珙桐研究中发现的高氮水平对胁迫具有更好的恢复力的研究结果基本一致。本研究结果还发现，稻株叶绿素随施氮的增加而增加，这与张延丽等[24]和侯云鹏等[25]研究结果基本一致，在遭遇寒露风低温后，各个处理稻株的叶绿素含量均不同程度的下降，这与杨盛昌等[20]和鲁艳红等[21]研究结果基本一致。低温结束后，正常氮处理的水稻叶绿素含量低于高氮处理和超高氮处理的叶绿素含量，可能是因为遇上低温前，高氮处理和超高氮处理的水稻中有较多的氮素以叶绿体中叶绿素的形式存在于稻株中所致。

植物在受到低温胁迫时，会引发或加重膜脂过氧化作用，产生并积累大量的活性氧，各渗透调节物以及内源激素含量均有一定程度变化，从而影响植株的耐胁迫能力[26-29]。有研究表明，当植株受到低温胁迫后游离脯氨酸与对照正常温度相比均呈上升趋势[30]。不同水稻品种在响应低温胁迫时，过氧化物酶(POD)活性在一定程度内均有所升高[31]。本研究结果表明，在抽穗扬花期时遇低温，3个晚稻品种中叶片游离脯氨酸含量、丙二醛含量和过氧化物酶活性都有上升，这与前人研究的结果基本一致[29-30]。本研究结果还显示，在低温结束后，水稻各品种高氮处理下叶片丙二醛相对积累量高于正常氮处理，不同施氮处理可溶性蛋白含量不同程度下降，这与邵怡若等[8]研究结果基本一致；各品种游离脯氨酸含量均不同程度升高，过量施氮处理的晚稻品种的上升幅度均低于正常氮处理的晚稻品种，这是因为过量施氮可能会导致水稻对低温胁迫的适应性降低，并且在低温结束后杂交稻H优518具较低的脯氨酸含量及较高的可溶性蛋白水平，以及较好的保护酶活性和相对积累较少的丙二醛，这样有利于植物的正常生长以及干物质的积累，这与宋广树等[9]的研究结果一致。说明抽穗扬花期低温下杂交稻H优518相对其余品种在正常氮条件下有较高的抗寒性而获得稳定的产量；常规稻黄华占抗寒性相对较弱，产量较低[32]，这也可能由于不同品种本身的差异导致的。

综合各品种晚稻抽穗期低温条件在不同施氮处理下的产量及相关生理指标的分析，得出以下结论：施氮量过低或过高均不利于水稻产量形成，尤其是施氮量过高还遇上低温时，抗性且与抗性有关的生理指标下降严重，稻株包颈加重、结实率及产量均将大幅度降低，因此，生产上应避免氮肥使用不当的情况，晚稻品种在施氮量为180 kg/hm2比较合适。同时3个晚稻品种中，在正常氮条件下，发现超级杂交稻H优518在抵抗寒露风上具有明显优势，说明水稻抽穗期低温抗(耐)性存在明显的基因型差异，将来在选育耐低温品种可以考虑将其作为研究材料，但具体指标及标记鉴定的方法还需要做进一步深入研究。