不同氮效率粳稻品种的冠层特征

申 勇 谢 昊 潘竹栋 朱宽宇 王志琴 杨建昌

（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/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农学院，225009，江苏扬州）

水稻是世界上主要的粮食作物之一，我国60%以上的人口以水稻为主食[1]。近年来，随着我国城市化进程的加快，可用耕地资源变少，以及全球气候变暖和水资源短缺等问题，使提高单位耕地面积产量显得尤为紧迫。在过去几十年里，水稻产量的提高主要依赖于选用半矮秆基因型品种、耐肥和抗倒伏品种以及大量水肥资源的投入，其中，化学肥料的投入（尤其是氮肥）是提高水稻产量的最快途径，这种高投入低效益产出模式的氮肥利用率低，并会造成环境污染[2]。这些问题在氮肥施用量大的稻区如江苏省尤为严重，因此选用和培育氮高效水稻品种是解决以上问题的重要策略[3]。有研究表明，选用氮高效水稻品种可以少施氮肥30kg/hm2，而不造成产量损失[2-3]。氮高效水稻品种可以在较低施氮量下获得较高产量和氮肥利用率，主要得益于较高的根长、根系氧化力、叶片光合氮素利用率、花前氮素积累量、花后干物质积累量以及非结构性碳水化合物转运效率[3-4]，但有关氮高效水稻品种的冠层特征报道较少，以及冠层特征与产量和氮肥利用率的关系还未明确，需要进一步阐明。

作物的冠层光合速率是决定产量的一个重要因素，而冠层光合速率又受制于其本身的株型结构[5-7]。叶片形态是影响株型结构的重要冠层特征[6-7]，叶片是光吸收和利用的重要场所，也是制造光合同化物、促进干物质积累的源，叶片的物理结构及化学成分是影响作物光合生产的重要因素[8]。袁隆平[4]认为，高产水稻株型的上三叶呈现叶厚、叶直和叶面积大的特点，水稻具有较高的高效叶面积也有利于冠层的光截获[5]。孙旭初[6]研究表明，当水稻顶部叶片叶基角小于15°，顶部叶片呈最佳直立状态，有利于光在冠层中的分布。水稻叶片的比叶重与叶片光合速率呈显著正相关关系，较高的叶片厚度和比叶重有利于水稻群体冠层光合速率的提高[9-10]。比叶重和叶片中的氮含量密切相关，比叶重高，则叶片包含更多的叶肉细胞，而叶肉细胞中的叶绿体是氮的合成产物[11-12]。除叶片形态特征外，水稻冠层中茎鞘重、茎鞘含氮量及光氮分布等特征都对水稻群体光合作用有着重要的影响[8，13]，但目前对上述冠层特征在氮高效品种与氮低效品种之间的差异缺乏比较分析。本研究旨在探明氮高效水稻品种的冠层特征及其与产量和氮肥利用率的关系，为水稻高产与氮肥高效利用品种的选育和群体的构建提供诊断指标和调控目标。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种为2个氮高效品种武运粳30号和连粳7号、2个氮低效品种扬粳4038和宁粳1号，前者在施氮量180或200kg/hm2（全国平均施氮水平）时，产量≥9t/hm2，后者在施氮量180或200kg/hm2时，产量＜9t/hm2[14]。

1.2 试验设计

试验于2019年在扬州大学农学院江都试验基地进行（119.55°E，32.35°N）。前茬作物为小麦，土壤全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为0.96g/kg、88.2mg/kg、34.7mg/kg和 87.9g/kg。 于 5月28日进行大田育秧，6月25日移栽，株行距为25cm×15cm，双本栽插，10月31日至11月4日收割计产，各品种的主要生育期列于表1。

表1 供试品种的生育期天数Table 1 The growth period of tested varieties d

试验采用随机区组设计，设置同一施氮量处理，全生育期施纯氮180kg N/hm2。每个品种重复3次，共计12个小区，每个小区面积为30m2，小区之间用田埂分隔并覆盖塑料薄膜，以防杂草生长，氮肥分为基肥（移栽前1d）、分蘖肥（移栽后7d）、促花肥（叶龄余数3.5）和保花肥（叶龄余数1.5）4次施用，施用比例为4∶2∶2∶2。试验田全部小区施过磷酸钙（含P2O513%）300kg/hm2，于移栽前作基肥一次性施入；氯化钾（含K2O 63%）195kg/hm2，分基肥和拔节肥2次施用，各次比例均为6∶4。小区具有独立的灌溉和排水系统。在水稻的全生育期进行轻干湿交替灌溉，严格控制病虫草害。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片光合速率和群体透光率 分别在每个品种的穗分化始期、抽穗期和灌浆中期（即移栽后40～43、61～65和91～95d），于晴天的上午9∶00-11∶00选取长势一致的植株，使用美国LI-COR 6400光合仪，光量子通量密度（PFD）为1 200～1 500μmol/(m2·s)， 叶 室 CO2浓 度 为 380μmol/mol，叶室夹住叶片中部，每个处理每个叶位的叶片测定6片为1个重复。用米尺将植株冠层从顶部至离地面10cm处，将冠层平均等分为4层，自上而下分别为L1、L2、L3和L4，采用美国METER公司生产的冠层光截获仪Lp-80在抽穗期测定植株冠层的透射率和反射率。于晴天11∶00-14∶00测定各小区每个高度的光透射率It，将仪器感应杆180°翻转记录1次数据则为反射率Ir，冠层顶部光量子通量为I0，重复3次，用于计算冠层光截获率In，In（%）=（1-It-Ir）/I0×100，并测定对应冠层内叶片叶面积和氮含量，用于冠层衰减系数KL和氮消减系数KN的计算。其中，KL（m2/m2）=ln（I0/I）/LAIF，I为冠层自上而下对应深度为F时的光量子通量，LAIF为对应累积的叶面积指数，KL值越小，表示光在冠层中分布越均匀；KN（m2/m2）={ln[（N0-Nb）/（SLNi-Nb）]}/LAIF，其中，N0为冠层顶部比叶氮含量，Nb为植株进行光合作用叶片所需氮含量的临界值，一般为0.3g/m2[14]；SLNi为冠层自上而下对应深度叶片的比叶氮含量；KN值越大，则冠层顶部含氮量越高，光氮匹配度为KN与KL的比值[5]。

于抽穗期，每个品种每个小区随机选取5穴，用Li-3000A型自动叶面积仪测量水稻上三叶各叶位的叶面积，用DTG03数字测量仪（数字测微计）在叶片的中间位置（避免叶脉）测量上三叶的厚度和宽度，每片叶测量10个点，取平均值，用量角器测量上三叶与茎的夹角，以10穴的平均值为1个重复，共计3个重复，最后取下各叶位叶片于烘箱杀青并烘干至恒重，称重，计算对应叶位的比叶重（叶片干重/叶片面积）。

1.3.2 植株干物重和氮含量 在抽穗期和成熟期取样，每个重复随机取5穴水稻植株，按茎、叶、穗（抽穗及抽穗后）分样，用Li-3000A型自动叶面积仪测量水稻叶面积，然后将茎、叶、穗分别用纸袋分装，置于烘箱105℃杀青30min，再将温度调至75℃烘干至恒重，并称重，记录干物重数据，比叶面积为各生育期叶面积与叶片干重的比值，保留所有干样，粉碎过100目筛，称取2～5mg，并用银盅包裹压缩成约2mm×3mm体积大小的方块，用Vario EL cube元素分析仪微量法测氮含量，比叶氮含量为各生育期的叶片氮积累量与叶面积的比值，光合氮素利用率为对应各生育期叶片光合速率与比叶氮含量的比值。

1.3.3 产量及其构成因素 于水稻收割前1d，每个小区按照各个品种统计的平均穗数取2个10穴植株用于考察每穗粒数、结实率和千粒重。取样时避免边缘效应，在各试验小区四周的两排后取样。各小区实收5m2计产。

1.4 数据处理

氮肥偏生产力（partial factor productivity，PFPN，kg/kg）=籽粒产量/施氮量，籽粒氮素利用率（internal N use efficiency，IEN，kg/kg）=籽粒产量/成熟期水稻植株吸氮量，氮收获指数（N harvest index，HIN，%）=成熟期水稻籽粒吸氮量/成熟期水稻植株吸氮量×100，氮转移量（nitrogen transport amount，NT，kg/hm2）=抽穗期地上部氮积累量-成熟期叶和茎鞘氮积累量，氮转移效率（nitrogen transport efficiency，NTE，%）=氮素转移量/抽穗期地上部氮积累量×100。

利用SPSS 23.0统计软件进行方差分析，用Sigmaplot 10.0绘图。

2 结果与分析

2.1 植株叶片形态特征

与氮低效品种相比，氮高效品种剑叶和倒二叶具有较高的叶片厚度，其中剑叶的叶片厚度优势较为显著，两类品种的倒三叶的叶厚无显著差异。与氮低效品种相比，氮高效品种具有较小的剑叶叶角，两类品种的倒二叶和倒三叶的叶角无显著差异（表 2）。

表2 不同氮利用率水稻品种的叶厚、叶宽和叶角Table 2 Leaf thickness, leaf width and leaf angle of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency

2.2 干物质在冠层不同器官中的分配及比叶面积

在抽穗期，与氮低效品种相比，氮高效品种具有较高的茎鞘干重，但叶和穗干重在两类品种间无显著差异（表3）。在成熟期，氮高效品种较氮低效品种具有较高的茎鞘和穗干重，而叶干重在两类品种间无显著差异（表3）。

表3 不同氮利用率水稻品种各器官干重Table 3 Dry matter weight of various organs of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency g/m2

氮高效品种武运粳30号和连粳7号在成熟期的比叶面积与氮低效品种扬粳4038和宁粳1号无显著差异，在穗分化始期和抽穗期显著低于氮低效品种（图1），与氮低效品种相比，氮高效品种具有较高的单茎茎鞘重和单茎叶面积（图2）。

图1 不同氮利用率水稻品种不同生育期比叶面积和抽穗期顶三叶比叶重Fig.1 Specific leaf area at different growth stages and specific leaf weight at the heading stage of top three leaves of rice varieties differing in nitrogen use efficiency

图2 抽穗期不同氮利用率水稻品种单茎茎鞘重和单茎叶面积Fig.2 Stem-sheath weight and leaf area per tiller of rice varieties differing in nitrogen use efficiency at heading stage

2.3 氮在冠层不同器官中的分配

在抽穗期，与氮低效品种相比，氮高效品种冠层内各器官（叶、茎鞘、穗）的含氮量及氮积累量差异较小，在两类品种间互有高低；在成熟期，氮高效品种冠层内叶、茎鞘、穗的含氮量显著低于氮低效品种；与氮低效品种相比，氮高效品种具有较高的穗部氮积累量，而叶和茎的氮积累量在两类品种间无显著差异（表4，表5）。

表4 不同氮利用率水稻品种各器官的含氮量Table 4 Nitrogen contents in various organs of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency %

表5 不同氮利用率水稻品种各器官的氮积累量Table 5 Nitrogen accumulation amounts in various organs of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency kg/hm2

2.4 光合速率和光合氮素利用率

与氮低效品种相比，氮高效品种在穗分化始期至灌浆中期具有较高的光合速率以及光合氮素利用率，两类品种的比叶氮含量只在抽穗期差异不显著，在穗分化始期和灌浆中期，氮高效品种的比叶氮含量均显著高于氮低效品种（图3）。

图3 不同氮利用率水稻品种的叶片光合速率、比叶氮含量和光合氮素利用率Fig.3 Leaf photosynthetic rate, specific leaf N content,and photosynthetic NUE of rice varieties differing in nitrogen use efficiency

2.5 植株冠层内的光氮分布

氮高效品种的整个冠层的中层（L2）和上层（L1）光截获率均显著高于氮低效品种，下层（L3）和基层（L4）的光截获率都略低于氮低效品种，但差异不显著（图4）。两类品种冠层内的比叶氮含量与光的分布趋势一致（图4）。

图4 抽穗期不同氮利用率水稻品种冠层光截获率和比叶氮含量Fig.4 Light interception rate and specific leaf N content in the canopy of rice varieties differing in nitrogen use efficiency at heading stage

与氮低效品种相比，氮高效品种氮消减系数（KN）、光氮匹配度（KN/KL）、顶层比叶氮含量（N0）及光合氮素利用率均较高，氮高效品种的光消减系数KL较低，但与氮低效品种差异不显著（表6）。

表6 抽穗期不同氮利用率水稻品种光氮匹配度和光合氮素利用率Table 6 Light and nitrogen matching degree of the rice varieties differing nitrogen use efficiency at heading stage

2.6 产量和氮肥利用率

氮高效水稻品种的总吸氮量、氮肥利用率（氮肥偏生产力和籽粒氮素利用率）、氮收获指数、氮素转移量和氮素转移效率都显著高于氮低效品种（表 7）。

表7 不同水稻品种的氮素利用率和氮的转运Table 7 Nitrogen use efficiency and nitrogen transfer of the tested rice varieties

与氮肥利用率结果相似，相比于氮低效品种，氮高效品种具有较高的产量，主要得益于较高的总颖花数和结实率，两类品种的千粒重无显著差异（表 8）。

表8 不同氮利用率水稻品种的产量及其构成因素Table 8 Grain yield and its components of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency

2.7 冠层特征性状与产量和氮肥利用率间的相关性分析

相关性分析表明，水稻成熟期的茎鞘、叶和穗含氮率以及抽穗期剑叶叶角和比叶面积与产量和氮素籽粒生产效率呈显著或极显著负相关；抽穗期光合氮素利用率、剑叶厚度、比叶重、冠层顶部比叶氮含量、氮消减系数和光氮匹配度与产量和氮素籽粒生产效率呈显著或极显著正相关（表9）。

表9 抽穗和成熟期植株主要冠层性状与产量和氮肥利用率的相关Table 9 Correlation coefficients of main canopy traits with the grain yield and IEN at the stages of heading and maturity

3 讨论

以往研究指出，氮高效水稻品种的产量潜力主要在于较大的库容量，较高的物质转运、氮素吸收和利用效率[3，8，15]。本研究表明，氮高效水稻品种的产量和氮肥利用率均显著高于氮低效品种，氮高效水稻品种较高的产量主要得益于较高的总颖花量和结实率，其原因有如下两点：第一，氮高效品种穗分化始期有较高的光合速率、光合氮素利用率及较低的比叶面积，有利于冠层光合同化物积累，为促进水稻大库容的形成提供了重要的物质基础[16-17]；第二，氮高效品种在抽穗至成熟期有较高的光合速率、氮素转运量、氮素转运率和氮收获指数，成熟期具有较低的叶、茎和穗的含氮量以及较高的穗部氮积累量，表明其抽穗后氮素从营养器官向穗部转运效率高，氮代谢水平高，有利于光合生产，促进碳代谢水平，协同增加光合同化物向籽粒中运转，促进穗部籽粒灌浆，提高结实率[17-21]。

水稻的叶片形态是影响冠层株型结构的一个重要因素[22-23]，其中比叶重、叶片厚度、叶宽和叶角等都是影响植株光合速率的重要叶片形态指标[24-27]。有研究表明，较高的叶片厚度和比叶重有利于减缓叶片的衰老程度，抽穗后维持较高的光合速率，促进干物质的积累[14]。本研究观察到，氮高效水稻品种抽穗期具有较高的剑叶叶片厚度、比叶重和光合速率，这些结果表明，叶片厚度和比叶重与光合速率关系密切，同时也证实了前人的观点[12，15]；因此，我们认为叶片厚度和比叶重是氮高效品种抽穗后具有较高光合速率和干物质积累量的重要叶片形态特征指标，但关于较高的叶片厚度及比叶重利于植株光合速率提高的深层机理需进一步研究。

我们还观察到，氮高效品种抽穗期有较低的比叶面积和剑叶着生角，这有利于减少冠层内部遮阴，增加透光率，提高冠层群体光合效率[28-29]，增加干物质的积累。我们认为较低的比叶面积和剑叶着生角也是氮高效品种重要的叶片形态特征。值得注意的是，氮高效品种抽穗期的单茎茎鞘重和单茎叶面积均显著高于氮低效品种，这一结果表明，在灌浆过程中，氮高效品种源库关系更协调，抽穗后干物质生产效率高，促进光合同化物向籽粒运输，最终提高产量；同时，氮高效品种具有较高的单茎茎鞘干重也是形成较高比叶重的重要原因[22]。

Gu等[5]研究表明，冠层叶片含氮量及冠层光的分布均呈现顶部高、基部低的梯度分布。本研究观察到，两类品种的整体冠层光截获率无显著差异，但氮高效品种冠层的中上层具有较高的光截获率和比叶氮含量，可能是氮高效品种较高的叶面积增加了光截获量，促进了氮素向上部叶片转移[20]，促使冠层氮含量相对于氮低效品种在垂直分布上更加陡峭，最终形成较高的氮消减系数KN。光氮匹配度KN/KL是一个指示光与氮素在冠层中分布梯度的参数[30-31]，KN/KL越大，说明冠层自上而下各高度叶片含量与入射光强度匹配度越好。本研究表明，氮高效品种的KN/KL显著高于氮低效品种，说明氮高效品种具有较好的冠层结构，光氮匹配更加契合，有利冠层群体光合生产[5，32-36]。氮高效品种具有较高的光合氮素利用率，不仅可以提高产量和氮肥利用率[3]，也是形成较高地上部生物量的重要生理原因，相关分析表明，上述指标与产量和氮肥利用率呈显著或极显著正相关，据此，建议上述冠层性状可作为选育氮高效品种及培育高产高效群体的重要指标。关于两类品种间的光合氮素利用率的差异机理需要今后深入研究。

4 结论

与氮低效品种相比，氮高效品种具有较高的产量和氮肥利用率。较高的总颖花数和结实率是氮高效品种高产与氮高效利用的重要原因。穗分化始期较高的光合速率、光合氮素利用率和较低的比叶面积，抽穗期较高的单茎茎鞘重、剑叶厚度、比叶重、中上层冠层光截获量及冠层顶部比叶氮含量、氮消减系数、光氮匹配度以及较小的剑叶着生角度，抽穗后较高的氮转运量、转运率和氮收获指数，成熟期较低的茎叶含氮率和穗部氮积累量是氮高效品种高产与氮高效利用的重要形态生理基础。上述冠层特征可作为选育氮高效品种及培育高产高效群体的重要指标。