施氮水平對水稻抵御白背飛虱能力的影響機制

李再園， 馬躍坤， 王福蓮， 田小海

(長江大學昆蟲研究所/湖北省主要糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北荊州 434025)

通信作者：王福蓮，碩士，副教授，研究方向為害蟲綜合治理。E-mail：wangfl_hb@163.com。

白背飛虱是目前影響我國水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的主要蟲害之一，其成蟲、若蟲直接刺吸稻株的韌皮部汁液，造成水稻生長緩慢，分蘗延遲，癟粒增加；為害嚴重時，造成稻株枯死，呈“虱燒”狀[1]。同時白背飛虱在取食過程中可傳播其他病害和病毒，如水稻南方黑條矮縮病、水稻齒矮病、云南煙草叢枝癥等[2-3]。氮肥在水稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用，氮肥的過量施用被確認為是誘發(fā)某些飛虱(褐飛虱)種群暴發(fā)的關(guān)鍵因素之一。施氮肥后，水稻體內(nèi)葉綠素[4]、游離氨基酸[5]、可溶性糖[6]、含水量[7]、地上部干物質(zhì)[8]等的含量提高，促進昆蟲對其選擇性，并對昆蟲種群數(shù)量產(chǎn)生影響。

有研究表明，褐飛虱喜歡在施用氮肥的水稻植株上取食和產(chǎn)卵[9]。施用氮肥較多的水稻可以承受高密度的褐飛虱，提高其種群的遷出臨界密度，降低種內(nèi)競爭，從而造成更重的田間危害程度[10]。水稻葉綠素含量與褐飛虱種群發(fā)生量呈正相關(guān)關(guān)系，其可作為監(jiān)測褐飛虱種群的一項指標[11-12]。水稻葉片含水量與其對飛虱的抵御能力呈負相關(guān)性[13]，褐飛虱蟲口密度與抗性品種(協(xié)優(yōu)963)和敏感品種(TN1)葉片水勢均呈正相關(guān)關(guān)系[14]。重度水分脅迫下褐飛虱成蟲(若蟲)取食時間、唾液分泌時間較輕度水分脅迫下顯著增加，蜜露分泌量顯著減少[15]。同時研究發(fā)現(xiàn)，白背飛虱種群數(shù)量隨著氮肥施用量的增加而顯著提高[16]。但施氮水平對水稻抵御白背飛虱能力的影響機制尚不明確。我國是氮肥使用大國，約占世界使用量的30%，水稻合理施用氮肥范圍為150～250 kg/hm2[17]，我國超出合理使用量的上限種植面積占播種面積的20%，施氮量高達350 kg/hm2，且有逐漸增長趨勢[18]。所以，本研究在不同施氮水平下，水稻對白背飛虱的忌避性差異以及這種差異與不同施氮水平水稻的葉綠素含量[土壤、作物分析儀器開發(fā)(soil and plant analyzer development 簡稱SPAD)，以下葉綠素含量簡稱SPAD值]、含水量和地上部干物質(zhì)量等生理物質(zhì)變化的相關(guān)關(guān)系，并分析施氮水平對水稻的白背飛虱抵御能力的影響機制，為提高水稻自身抵御白背飛虱的能力，選擇抗性或耐性品種，合理控制氮肥用量，構(gòu)建白背飛虱長效調(diào)控技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水稻品種

供試水稻品種為感蟲水稻品種TN1，由中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所農(nóng)業(yè)害蟲研究室水稻害蟲研究組提供。

1.2 蟲源

白背飛虱由中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所農(nóng)業(yè)害蟲研究室水稻害蟲研究組提供，在養(yǎng)蟲室[溫度為(26±1) ℃，光―暗周期為12 h―12 h]內(nèi)使用未施氮的感蟲品種TN1(N0)飼養(yǎng)。

1.3 不同施氮水平水稻的獲取

將水稻種子浸種至露白，然后種植于設(shè)有不同施氮水平(0、50、150、200、250、350 kg/hm2)水稻土(7 489.65 cm3)的小水桶(d頂=17 cm，d底=13.5 cm，h=13.5 cm)內(nèi)，正常水分管理，從而得到不同施氮水平水稻，于水稻35日齡時用于試驗。

1.4 不同施氮水平水稻對白背飛虱成蟲的忌避性測定

將35日齡的稻苗單株移栽至一次性杯(直徑d=5 cm，高h=7 cm)中，修剪成1個主莖并去除外層葉鞘。將不同施氮量(0、50、150、200、250、350 kg/hm2)的水稻苗環(huán)形隨機擺入同一塑料盆(長35 cm，寬30 cm，高14 cm)內(nèi)，以籠罩(60目網(wǎng)紗)罩住。在塑料盆中心接入30頭白背飛虱成蟲，盆內(nèi)灌水至一次性杯沿，由白背飛虱自由選擇。接蟲后24、48、72、96 h分別記錄各施氮水平水稻植株上的落蟲量，試驗重復5次。以不同施氮水平水稻上白背飛虱的蟲量占總釋放蟲量的比例(選擇比例)表示不同施氮水平水稻對白背飛虱忌避性的大小。

1.5 不同施氮水平的水稻植株葉綠素含量的測定

于09：00—12：00采用葉綠素含氮測定儀(SPAD-502，日本佳能公司出品)測定不同施氮水平的水稻(35日齡)植株頂端的全展葉(1.5葉齡)的葉綠素含量。在頂葉上部、中部和下部各3 cm處延中脈分別測定1次葉綠素含量，以3處測定平均值表示該葉片的葉綠素含量。每個施氮水平測定10株水稻。

1.6 不同施氮水平稻株主莖含水量的測定

齊泥剪取不同施氮水平水稻(35日齡，單株)主莖，稱其鮮質(zhì)量(W)后，置于80 ℃烘箱內(nèi)干燥24 h，稱其干質(zhì)量(DW1)，重復5次。主莖含水量(WC)=(W-DW1)/W×100%。

1.7 不同施氮水平水稻植株地上部干物質(zhì)量的測定

將不同施氮水平水稻(35 d)齊泥剪取后，將地上部分置于80 ℃烘箱內(nèi)干燥24 h，稱干質(zhì)量(DW2)，重復5次。

1.8 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件分析數(shù)據(jù)。不同施氮水平水稻對白背飛虱的忌避性，不同施氮水平水稻的主莖含水量差異，數(shù)據(jù)經(jīng)反正弦平方根轉(zhuǎn)化后進行單因子方差分析，平均數(shù)差異均采用LSD法多重比較。不同施氮水平水稻的葉綠素含量(SPAD值)，不同施氮水平水稻地上部干物質(zhì)量，數(shù)據(jù)不轉(zhuǎn)換進行單因子方差分析，平均數(shù)差異均采用Tukey法多重比較。不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其生理指標的相關(guān)性在SPSS 17.0中采用雙變量Pearson法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平水稻對白背飛虱的忌避性

從白背飛虱對不同施氮水平35日齡水稻選擇情況來看，不同施氮水平水稻對在水稻上飼養(yǎng)的白背飛虱種群的忌避性表現(xiàn)為白背飛虱選擇定居24～96 h，N0處理的忌避性均最強。選擇定居24 h時，不同施氮水平水稻對白背飛虱的忌避性與N0處理無明顯差異(圖1-A)；選擇定居48 h時，N50處理對白背飛虱忌避性增強，與N0處理無顯著差異(圖1-B)；選擇定居72、96 h時，N150處理對白背飛虱忌避性也有所增強，與N50無顯著差異(圖1-C、圖1-D)；96 h時白背飛虱對N200、N250、N350處理的高選擇性凸顯，即高施氮量對水稻的飛虱忌避性較弱，高氮量對水稻的飛虱忌避性有明顯負面影響。

2.2 不同施氮水平水稻的葉綠素含量

由圖2可知，在不同施氮水平下，N0處理的35日齡水稻的SPAD值最低(25.83)，均顯著低于N150、N200、N250、N350處理。N50處理的水稻SPAD值(28.73)與N0處理差異不顯著，隨著施氮量的增加，SPAD值有增加趨勢，最高施氮量(N350)水稻的SPAD值(37.51)與中低施氮量(N150、N50)水稻的SPAD值差異顯著。

2.3 不同施氮水平水稻的主莖含水量

由圖3可知，在不同施氮水平下，35日齡水稻的主莖含水量以N0處理的最低(77.05%)，且顯著低于其他各處理施氮水稻。施氮水稻中，N50處理的水稻主莖含水量顯著低于其他高氮量(200、250、350 kg/hm2)水稻。高施氮量(200、250、350 kg/hm2)水稻的主莖含水量較高。

2.4 不同施氮水平水稻地上部干物質(zhì)量

由圖4可知，在不同施氮水平下，35日齡水稻的地上部干物質(zhì)量以N0處理最低(311.92 mg)，顯著低于其他各處理施氮水稻。施氮水稻中，N50處理的地上干物質(zhì)含量(1 077.52 mg)顯著低于N150、N200、N350處理，在中高施氮量(150、200、350 kg/hm2)下，水稻地上部干物質(zhì)含量比較高。

2.5 不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其生理指標的相關(guān)性

不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其生理指標的相關(guān)性分析表明，白背飛虱選擇24 h時，不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其SPAD值、主莖含水量和地上部干物質(zhì)量無相關(guān)關(guān)系；白背飛虱選擇至48 h時，不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其SPAD值、主莖含水量、地上部干物質(zhì)量均顯著相關(guān)，而且與其SPAD值、地上部干物質(zhì)量呈極顯著相關(guān)；白背飛虱選擇至72 h時，不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其SPAD值、主莖含水量顯著相關(guān)；選擇至96 h時，不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性僅與其SPAD值顯著相關(guān)。由此可見，不同施氮量時水稻對白背飛虱的忌避性存在差異，而這種差異與不同施氮量下水稻的SPAD值、主莖含水量和地上部干物質(zhì)的變化相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

未施氮的水稻(35日齡，TN1)對白背飛虱的忌避性最強，當白背飛虱選擇定居72、96 h時，施氮量為50、150 kg/hm2的水稻對白背飛虱的忌避性也較強。而96 h時，高氮量水稻(200、250、350 kg/hm2)對白背飛虱的忌避性較50、150 kg/hm2的水稻顯著減弱。有研究表明，褐飛虱不僅喜歡選擇施氮水稻取食和產(chǎn)卵，而且在含高氮量植株上的取食速率加快、蜜露分泌增多、針刺探次數(shù)較少、若蟲存活率更高、生殖力增強[9]。白背飛虱對高氮量水稻的高選擇性與褐飛虱相似。由于褐飛虱在施用氮肥較多的水稻中危害程度更高[10]，由此推測白背飛虱在高氮水平水稻上的發(fā)生嚴重。

表1 不同施氮水平水稻的白背飛虱忌避性與其生理指標的相關(guān)性

注：**、*分別表示在0.01、0.05水平上差異顯著。

施氮不僅提高水稻的產(chǎn)量和品種，也會改變水稻植株體內(nèi)生理生化物質(zhì)。未施氮水稻(35日齡，TN1)的葉綠素含量、主莖含水量和地上干物質(zhì)量最低，低施氮量(50 kg/hm2)時的水稻葉綠素含量與未施氮水稻的葉綠素含量無顯著差異，施用高氮量(350 kg/hm2)的水稻SPAD值最為突出。施用氮(50、150、200、250、350 kg/hm2)后，水稻主莖含水量和地上部干物質(zhì)含量均較未施氮水稻顯著提高。

施氮水平對水稻的白背飛虱忌避性有明顯影響。這種影響與在不同施氮水平下，水稻的葉綠素含量、主莖含水量和地上部干物質(zhì)量的變化有相關(guān)性。也就是說，從生理角度來推測，由于施用不同氮量導致水稻的葉綠素含量、含水量、地上部干物質(zhì)含量等生理物質(zhì)變化，間接影響白背飛虱的對不同施氮量水稻的選擇性，從而影響不同施氮水平水稻對白背飛虱忌避性的強弱。

白背飛虱選擇時間的不同，起關(guān)鍵作用的水稻生理物質(zhì)也不同。如選擇48 h，關(guān)鍵的水稻生理物質(zhì)為葉綠素含量、主莖含水量、地上部干物質(zhì)含量；選擇至72 h時，關(guān)鍵的水稻生理物質(zhì)為葉綠素含量和主莖含水量；選擇至96 h時，僅為葉綠素含量?？傊?，葉綠素在不同施氮水平水稻對白背飛虱的忌避性或抵御能力變化中起著較為重要的作用。白背飛虱前期(24 h)選擇性與水稻生理物質(zhì)(葉綠素含量、含水量、地上部干物質(zhì)含量)變化無相關(guān)性。至48 h后，才與某些水稻生理物質(zhì)變化相關(guān)。可能是由于此時飛虱對寄主的選擇采取試探性原則，至48 h選擇采用營養(yǎng)原則[14，19]；72 h時僅與水稻葉綠素含量和主莖含水量的變化相關(guān)，這可能是由于白背飛虱為害后導致水稻營養(yǎng)物質(zhì)下降，白背飛虱進行了再選擇的緣故；96 h時僅與水稻SPAD值變化相關(guān)，原因可能是水稻在遭受飛虱為害后除營養(yǎng)物質(zhì)外，含水量也下降[7]。

植物組織內(nèi)氮含量與植食性昆蟲體內(nèi)氮含量(7%～14%)存在巨大差異[20]，為了獲取足夠氮素營養(yǎng)，植食性昆蟲必須選擇取食含氮較高的植物，導致寄主植物氮含量成為植食性昆蟲成長發(fā)育、繁殖的重要限制因子之一[21]。植物氮源匱乏時，昆蟲取食量及取食速率下降、存活率下降、發(fā)育速率減慢、卵巢發(fā)育緩慢、產(chǎn)卵量減少[22-23]。目前，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，氮肥在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用[24-25]，為了達到水稻高產(chǎn)的目的，我國稻田使用氮肥嚴重過量。施用氮肥達到高產(chǎn)和控制白背飛虱的雙重目的尤為必要。從產(chǎn)量的角度來看，水稻田施氮140.8～152.9 kg/hm2最好，施用過量時產(chǎn)量有下降趨勢[26]。本研究結(jié)果表明，高施氮量(200、250、350 kg/hm2)水稻對白背飛虱的忌避性較弱。因此，從產(chǎn)量和水稻自身抵御白背飛虱能力的雙重角度來看，田間施用氮量為150 kg/hm2較好。明確不同施氮水平對水稻的白背飛虱抵御機制，可為抗白背飛虱育種和充分發(fā)揮水稻的自身抵御能力提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]沈君輝，尚金梅，劉光杰. 中國的白背飛虱研究概況[J]. 中國水稻科學，2003，17(增刊1)：7-22.

[2]周國輝，張曙光，鄒壽發(fā)，等. 水稻新病害南方水稻黑條矮縮病發(fā)生特點及危害趨勢分析[J]. 植物保護，2010，36(2)：144-146.

[3]孫躍先，李正躍，嚴乃勝，等. 白背飛虱傳播云南煙草叢枝癥的研究[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報，2000，15(2)：112-114.

[4]楊 軍，陳小榮，朱昌蘭，等. 氮肥和孕穗后期高溫對兩個早稻品種產(chǎn)量和生理特性的影響[J]. 中國水稻科學，2014，28(5)：523-533.

[5]Zhao Y L，Xi M，Zhang X C，et al. Nitrogen effect on amino acid composition in leaf and grain of japonica rice during grain filling stage[J]. Journal of Cereal Science，2015，64：29-33.

[6]楊 軍，余秋英，陳小榮，等. 氮肥和高溫對早稻淦鑫203產(chǎn)量、SPAD值及可溶性糖含量的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學學報，2015，37(5)：759-764.

[7]呂仲賢，Sylvia V，俞曉平，等. 氮肥對稻株含水量和傷流液的影響及其與對褐飛虱為害耐性的關(guān)系[J]. 中國水稻科學，2004，18(2)：161-166.

[8]梁國斌，莫億偉，柳 敏，等. 施氮對水稻植株和穎果發(fā)育及稻米品質(zhì)的影響[J]. 西北植物學報，2008，28(9)：1794-1802.

[9]Lu Z X，Heong K L，Yu X P，et al. Effects of plant nitrogen on ecological fitness of the brown planthopper，NilaparvatalugensStal. in rice[J]. Journal of Asia-Pacific Entomology，2004，7(1)：97-104.

[10]呂仲賢，Heong K L，俞曉平，等. 稻株含氮量和密度對褐飛虱存活、發(fā)育和生殖特性的影響[J]. 生態(tài)學報，2005，25(8)：1838-1843.

[11]Huang J R，Sun J Y，Liao H J，et al. Detection of brown planthopper infestation based on SPAD and spectral data from rice under different rates of nitrogen fertilizer[J]. Precision Agriculture，2015，16(2)：148-163.

[12]Ghobadifar F，Aimrun W，Jebur M N. Development of an early warning system for brown planthopper (BPH)(Nilaparvatalugens) in rice farming using multispectral remote sensing[J]. Precision Agriculture，2016，17(4)：377-391.

[13]薜俊杰. 水稻品種抗蟲性與葉片含水率的關(guān)系[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學，1986(7)：6，24.

[14]王 鵬. 褐飛虱侵害對水稻根系營養(yǎng)物質(zhì)吸收和葉片水勢的影響[D]. 揚州：揚州大學，2007：56-64.

[15]譚 椰. 水稻水分脅迫對褐飛虱Nilaparvatalugens取食行為影響及其生理研究[D]. 杭州：中國計量學院，2014：47-54.

[16]周小軍，徐紅星，鄭許松，等. 氮肥施用量對雜交稻田白背飛虱和蜘蛛種群數(shù)量的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報，2012，24(5)：865-869.

[17]張福鎖，陳新平，陳 清，等. 中國主要作物施肥指南[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2009.

[18]巨曉棠，谷保靜. 我國農(nóng)田氮肥施用現(xiàn)狀、問題及趨勢[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2014，20(4)：783-795.

[19]Rashid M M，Jahan M，Islam K S. Impact of nitrogen，phosphorus and potassium on brown planthopper and tolerance of its host rice plants[J]. Rice Science，2016，23(3)：119-131.

[20]Mattson W J. Herbivory in relation to plant nitrogen content[J]. Annual Review of Ecology and Systematics，1980，11：119-161.

[21]呂仲賢，俞曉平，Heong K L，等. 氮肥對植食性昆蟲的影響及其對水稻主要害蟲種群的誘導[J]. 中國水稻科學，2006，20(6)：649-656.

[22]Grüber K，Dixon A F G. The effect of nutrient stress on development and reproduction in an aphid[J]. Entomologia Experimentalis Et Applicata，1988，47(1)：23-30.

[23]徐紅星，張玨鋒，鄭許松，等. 施氮對白背飛虱在水稻上適應(yīng)性的影響[J]. 中國水稻科學，2009，23(2)：219-222.

[24]呂小紅，付立東，王 宇，等. 配比施用緩釋肥與速效氮肥對機插水稻生長和產(chǎn)量的效應(yīng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44(1)：83-85.

[25]崔月峰，孫國才，盧鐵鋼. 施氮量及氮肥運籌對超級粳稻生長發(fā)育和氮素利用特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44(4)：125-128.

[26]劉立軍，桑大志，劉翠蓮，等. 實時實地氮肥管理對水稻產(chǎn)量和氮素利用率的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2003，36(12)：1456-1461.