超级杂交稻叶片光合特性、光合氮素利用效率和产量对不同施氮量的响应

彭金凤 刘婷婷 许桂玲 冯跃华,3* 王晓珂 李杰 罗强鑫 PHONENASAY Somsana 韩志丽 卢苇

（1贵州大学农学院，贵阳550025；2黔西南州农业农村局，贵州 兴义562400；3贵州大学/山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室，贵阳550025；第一作者：1498845335@qq.com；*通讯作者：fengyuehua2006@126.com）

光合作用是水稻物质生产的基础，水稻产量的90%来自叶片的光合作用，水稻叶片光合作用强弱对产量起着至关重要的作用[1-3]。氮素是水稻生长发育过程中最重要的元素，也是光合器官组成的关键因子，栽培环境中营养的供应直接关系着作物叶片的光合功能[4]，氮素营养对作物叶片光合性能具有显著的调控作用[5-7]。张忠学等[8]研究表明，随着施氮量的增加，龙庆稻3号的光饱和点（LSP）和LCP明显降低，AQE有所增加；而徐俊增等[9]研究表明，在高氮处理下嘉33的AQE和LSP大都高于低氮处理，LCP低于低氮处理；刘琦峰等[7]在盆栽试验条件下，研究了6个施氮水平下龙粳32号叶片的光合参数，表明叶片Pn与Gs随施氮量增加而升高，而Ci降低，在施氮量达150 kg/hm2之后，Pn降低、Ci增加；而欧达等[5]大田试验结果表明，随着施氮量的增加，C两优华占的Pn在拔节期和孕穗期整体呈上升趋势，Gs在拔节期和孕穗期呈整体上升趋势，Ci在拔节期呈先升后降趋势、在孕穗期呈下降趋势。

另外，PNUE是叶片的固有属性，是描述植物叶片养分利用、生理特性和生存策略的重要特征，单位面积叶片氮含量是影响PNUE的关键因素[10-12]。李勇[10]研究认为，随着施氮量增加，扬稻6号和汕优63的Narea呈上升趋势，PNUE呈下降趋势；而徐国伟等[13]在田间试验条件下，研究了3个供氮水平下新稻20叶片的PNUE，结果表明在同一灌溉方式下，中氮处理能提高主要生育期水稻叶片Narea和PNUE。

综上所述，在有关不同施氮量对水稻叶片光合特性、光合氮素利用效率影响的研究中，存在不同的研究结论，同时前人对水稻光合特性和光合氮素利用效率的研究较多集中在粳稻上，有关籼型超级杂交稻的研究报道不多。为此，笔者于2019年以超级杂交稻Q优6号和宜香优2115为试验材料，探究不同施氮水平对超级杂交稻孕穗期、抽穗期叶片光合特性、光合氮素利用效率和产量的调节作用，旨在为贵州超级杂交稻的高产栽培提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在贵州省黄平县旧州镇寨碧村（26°59′44.59″N，107°43′58.90″E）进行。试验田土壤肥力状况：pH值5.02，有机质18.38 g/kg，碱解氮209.50 mg/kg，速效磷4.56 mg/kg，速效钾65.73 mg/kg，全氮2.62 g/kg，全磷0.29 g/kg，全钾12.31 g/kg。试验水稻品种为Q优6号（重庆市种子公司）、宜香优2115（四川绿丹种业有限公司），前者叶片颜色较深，后者叶片颜色较浅。

1.2 试验设计

试验采用两因素裂区设计。主区处理为品种（V），设2个水平，为Q优6号（V1）、宜香优2115（V2）；副区处理为施氮量（N），设5个水平，为0 kg/hm2（N0）、75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）、300 kg/hm2（N4）。氮肥处理采用分次施肥法，基肥（5月27日施）、分蘖肥（6月6日施）、促花肥（7月6日施）、保花肥（7月23日施）施氮量分别占总施氮量的35%、20%、30%、15%；磷肥和钾肥的用量分别为96 kg/hm2（P2O5）、135 kg/hm2（K2O），磷肥作基肥一次性施入，钾肥作基肥和保花肥各施50%。每个处理3次重复，小区面积25.9 m2，每个小区四周筑高30 cm、宽20 cm的田埂并包膜，包膜压深至地下30 cm，重复间留50 cm走道。4月18日育秧，5月27日移栽，行株距30 cm×20 cm，每丛插1苗。大田返青期保持浅水层，分蘖期湿润灌溉，苗期达到预期穗数的85%时开始自然断水晒田，拔节后灌水并保持浅水层至抽穗期，灌浆成熟期间歇灌溉，收获前10 d断水落干。田间精细管理，及时控制病虫害。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 光合特性参数

孕穗期（7月19日）取心叶为0.5的下1片叶，抽穗期（8月9日）取剑叶，在晴天上午9∶00—11∶00，选择有代表性植株，采用美国LI-COR公司生产的LI-6400型光合作用测定仪测定主茎叶片中部Pn、Gs、Tr、Ci。每个处理选择3个测样点，测定时光强为1 500μmol/m2·s，温度为30℃，CO2浓度为400μmol/mol。

1.3.2 气体交换参数

于孕穗期（7月20日至23日）、抽穗期（8月11日至13日），叶片选择与光合参数测定一样，在晴天9∶00—15∶00采用Li-Cor6400型光合作用测定仪对目标叶片进行光响应及胞间CO2响应曲线的测定。测定时按照由高到低：2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0μmol/m2·s光强梯度测定其光响应曲线，测定时叶室CO2浓度设定为400μmol/mol，每个光强下测定时间为2～3 min，整个程序需要约30 min。以光合速率为纵坐标、光强为横坐标作曲线，曲线的初始斜率（PPFD≤200时）为量子产率。测定光响应曲线后第2 d，设定叶室光照在光饱和点1 500 μmol/m2·s，设定叶室内CO2浓度梯度依次为：400、250、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500μmol/mol测定胞间CO2响应曲线，以光合速率为纵坐标、细胞间隙内CO2浓度为横坐标作曲线，曲线的初始斜率（C＜200时）为羧化效率。每个光强或CO2浓度下测定时间为2～3 min，整个程序需要约30 min。所有气体交换参数测定时叶片温度和叶室内空气湿度分别控制在25℃～28℃和40%～60%。利用光响应曲线计算LSP、LCP和AQE，利用胞间CO2响应曲线计算最大羧化速率（Vcmax）和最大电子传递速率（Jmax）。

1.3.3 最大羧化速率和最大电子传递速率的计算

首先通过胞间CO2响应曲线初始部分（外界CO2浓度在50～200μmol/mol时）胞间CO2浓度（Ci）与净光合速率作拟合直线Pn＝kCi+i，得到斜率k以及i。其中，Ci为Li-6400直接测得；k为羧化效率CE；i等于Ci取值为0时的净光合速率，相当于光呼吸速率[14]。然后通过FARQUHAR改进的方法[15]计算Vcmax；Jmax通过LOUSTAU提出的方法[16]进行计算。

1.3.4 光合氮素利用效率（PNUE）

PNUE＝Pn/Narea，式中，Pn为净光合速率、Narea为单位叶面积氮含量；Narea＝（Nleaf×SLW）/100，式中，Nleaf为叶片氮含量（通过凯氏定氮仪测定）、SLW为比叶重；SLW＝DM/LA，式中，DM为叶片烘干至恒质量后的质量、LA为叶片叶面积。

表1 不同处理对水稻叶片光合特性的影响（孕穗期）

1.3.5 产量及其构成因子

产量测定成熟期每个小区选90丛进行测产，单打单收，晒干后测定稻谷质量和含水量，然后折合含水量13.5%记为实收产量。在测定产量的同时，根据田间调查的平均茎蘖数，选取代表性植株6丛作为每个小区考种样品，考察产量构成因子。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理和计算，并用SAS 9.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对叶片光合特性的影响

由表1可知，在孕穗期，随着施氮量的增加，水稻Vcmax和Jmax均呈上升趋势，而LCP和Ci与之相反，其中Vcmax和Jmax均是N4处理最高，N4处理的Jmax显著高于N1处理，N0处理的LCP显著高于N1处理，N0处理的Ci显著高于N2、N3和N4处理；Tr、AQE和Pn均呈先升后降趋势，其中，N1处理的AQE显著高于N0处理，N2、N3和N4处理的Pn显著高于N0和N1处理。

由表1可知，在孕穗期，对于V1品种，随着施氮量的增加，Vcmax和Jmax呈上升趋势，均为N3处理显著高于N1处理；Ci呈下降趋势，N0处理显著高于N2和N3处理；AQE和Pn呈先升后降趋势，其中，N2处理的AQE显著高于N4处理，N2和N3处理的Pn显著高于N0和N1处理；LSP呈先降后升趋势，其中，N3和N4处理的LSP显著高于N2处理。对于V2品种，随着施氮量的增加，Ci呈下降趋势，N0处理的Ci显著高于N4处理，AQE呈先升后降趋势，N1、N3和N4处理显著高于N0处理。两个品种间，水稻Vcmax、Jmax、LCP、Ci和Tr均为V1高于V2，而Gs、LSP、AQE和Pn与之相反，但差异性均不显著。

由表2可知，在抽穗期，随着施氮量的增加，水稻Gs和LCP呈先升后降趋势。其中N1处理的LCP最高，且显著高于N0、N2和N4处理；N2处理的Gs最高，且显著高于N0和N4处理。由表2可知，在抽穗期，随着施氮量的增加，两个品种的变化趋势相同，对于V1品种，LCP呈先升后降趋势，其中，N1处理显著高于N4处理；对于V2品种，LCP变化趋势与V1品种一致，其中，N1处理显著高于N0和N2处理。两个品种间，水稻Vcmax、Jmax、LSP和AQE均为V1高于V2，而LCP、Gs、Pn、Ci和Tr与之相反，其中，仅V2、V1品种间的Pn差异达显著水平。

表2 不同处理对水稻叶片光合特性的影响（抽穗期）

图1 不同施氮量对水稻叶片Narea、PNUE的影响

方差分析结果（表1和表2）表明，不同超级杂交稻品种光合特性在抽穗期Pn达到显著差异；施氮量对水稻孕穗期Pn和抽穗期LCP有极显著或显著影响；品种与施氮量的互作对水稻孕穗期和抽穗期光合特性影响均不显著。

2.2 不同处理对叶片光合氮素利用效率的影响

从图1中Ⅰ、Ⅱ可看出，在孕穗期，随着施氮量的增加，水稻PNUE（除N0处理外）呈先升后降趋势，而Narea呈上升趋势，其中，N2处理的PNUE显著高于N1处理，N3和N4处理的Narea显著高于N0处理。在抽穗期，随着施氮量的增加，水稻Narea呈上升趋势，而PNUE呈下降趋势，其中，N1、N2、N3和N4处理的Narea显著高于N0处理，N0处理的PNUE显著高于N3处理。

表3 不同处理对水稻产量及其构成因子的影响

由图1中Ⅲ、Ⅳ可看出，两个品种在不同生育时期的变化趋势不同，在孕穗期，随着施氮量的增加，对于V1品种，Narea呈上升趋势，PNUE（除N0处理外）呈先升后降趋势，其中，N3处理的Narea显著高于N0处理。对于V2品种，Narea呈上升趋势，PNUE（除N0处理外）呈先升后降趋势，其中，N4处理的Narea显著高于N0和N1处理。在抽穗期，随着施氮量的增加，V1品种的Narea呈上升趋势，其中，N3和N1处理的Narea显著高于N0处理；V2品种的Narea呈上升趋势，PNUE呈下降趋势，其中，N3和N4处理的Narea显著高于N0处理，N0处理的PNUE显著高于N3和N4处理。

由图1中Ⅴ、Ⅵ可知，两个品种间水稻孕穗期的PNUE、抽穗期的Narea和PNUE，均为V2显著高于V1，而V1孕穗期的Narea高于V2，但未达显著水平。

方差分析结果表明，品种对孕穗期和抽穗期的PNUE、抽穗期的Narea均有极显著影响；施氮量对孕穗期和抽穗期的Narea有显著或极显著影响；品种与施氮量的互作对各指标的影响均不显著。

2.3 不同处理对产量及产量构成因子的影响

由表3可知，随着施氮量的增加，对于V1品种，千粒重和结实率变化呈下降趋势，实际产量呈先升后降趋势，其中，N0处理的千粒重显著高于N2、N3和N4处理，N0处理的结实率显著高于N3处理，实际产量N2处理显著高于N0和N1处理；对于V2品种，千粒重、结实率和实际产量的变化趋势与V1品种变化趋势一致，其中，N0处理的千粒重显著高于其他4个施氮处理，N0处理的结实率显著高于N2和N4处理，实际产量N1处理显著高于N4处理。

两个品种间，有效穗数、每穗粒数和实际产量均为V1高于V2，千粒重和结实率则相反，其中，V1的每穗粒数和实际产量显著高于V2，V2的千粒重和结实率显著高于V1。

方差分析结果（表3）表明，不同品种每穗总粒数、千粒重和实际产量达极显著差异，结实率达显著差异；施氮量对千粒重、结实率和实际产量的影响达显著或极显著水平；品种与施氮量的互作仅对千粒重和实际产量有显著或极显著影响。

在本试验条件下，施氮量和产量之间呈抛物线关系。于V1品种，建立产量与施氮量之间的回归方程：y=－0.0623x2+23.441x+11033，推算出获得最高产量的施氮量为188.13 kg/hm2，水稻产量为13 237.98 kg/hm2；于V2品种，建立产量与施氮量之间的回归方程：y=－0.0202x2+4.3292x+10242，推算出获得最高产量的施氮量为107.16 kg/hm2，水稻产量为10 027.35 kg/hm2。由两个品种产量平均值与施氮量之间的回归方程y=－0.0413x2+13.89x+10637，可推算出获得最高产量的施氮量为168.16 kg/hm2，水稻产量为11 804.87 kg/hm2。

3 讨论与结论

本研究表明，随着施氮量增加，孕穗期水稻叶片Pn呈先升后降趋势、Ci呈下降趋势，抽穗期Gs呈先升后降趋势、Pn呈上升趋势，表明适量增施氮肥，有利于使叶片气孔张开，促进叶片吸收胞间CO2参与光合作用，光合效率提高，而过高的施氮量抑制气孔舒张，降低光合作用，研究结果与黎星等[17]研究相似但有所差异，这可能与试验选用水稻品种和试验地外界条件以及土壤基础肥力不同有关。

本研究表明，随着施氮量增加，孕穗期水稻叶片AQE呈先升后降趋势，而LSP、LCP呈下降趋势，表明适量增施氮肥有利于水稻叶片对强光的吸收利用，氮肥亏缺或过高的施氮处理会导致水稻功能叶片对强光适应能力降低，所得结果与张忠学等[8-9]的研究结果略有不同，这可能与水稻品种和试验地外界条件以及土壤基础肥力不同有关。孕穗期和抽穗期的Vcmax和Jmax总体呈上升趋势，进一步表明适量的增施氮肥有利提高最大羧化速率和电子传递速率，促进在基质中将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程，从而提高叶片光合速率，所得结果与李勇[10]的研究结果一致。

本研究表明，随着施氮量增加，孕穗期和抽穗期水稻叶片Narea大体呈上升趋势，抽穗期PNUE呈降低趋势，这与李勇[10]的研究略有不同，不同之处是在本试验条件下孕穗期PNUE呈先升后降趋势，这可能与水稻品种和试验地外界条件以及土壤基础肥力不同有关。

本试验条件下，Q优6号和宜香优2115，在孕穗期的PNUE，抽穗期的Narea、PNUE和Pn存在显著性差异，这与前人[18-20]的研究结论较为一致。在本研究中，尽管Q优6号的千粒重和结实率显著低于宜香优2115，但Q优6号的有效穗数和每穗粒数高于宜香优2115，最终导致Q优6号的实际产量显著高于宜香优2115，表明实际产量受有效穗数和每穗粒数的影响较大，这一结论与夏冰等[21]研究结果一致。

本研究表明，随着施氮量的增加，每穗粒数和实际产量呈先升后降趋势，说明适量增施氮促进作物产量提高，当施氮量超过一定水平后，对作物产量则产生抑制作用，结果与高伟等[22]的研究结果一致。本研究表明，有效穗数呈上升趋势、千粒重和结实率呈下降趋势，与蒋鹏等[23]的研究结果不同，这可能与试验选用品种以及试验外界条件不同有关。

总的来说，在75~225 kg/hm2的施氮量范围内，增施氮肥能提高光合氮素利用效率，有利于促进气孔导度增大及叶片吸收CO2参与光合作用，提高最大羧化速率和电子传递速率，以此促进在基质中将CO2转化成稳定碳水化合物的过程，从而提高叶片光合速率，有利于实现高效高产。