不同氮水平下功能葉片數(shù)量和位置對水稻產(chǎn)量性狀的影響

田廣麗，孔亞麗，張瑞卿，周新國，郭世偉*

（1 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇南京 210095；2 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；3 江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司新曹分公司，江蘇東臺 224246）

由于水稻穗粒體積的變化很小，水稻的庫容量主要是由穗粒數(shù)決定的[1-2]。水稻產(chǎn)量主要取決于單位面積總穗數(shù)和穗粒數(shù)[3-4]。通常氮肥用量、土壤水分、光照等因素顯著影響穗粒數(shù)、籽粒的充實度[4-6]。當前生產(chǎn)系統(tǒng)中伴隨著新品種的選育，弱勢粒灌漿程度差的問題日趨嚴重[7-8]，通過改善籽粒灌漿特性以提升單穗重量將面臨更大的挑戰(zhàn)[9-10]。相關研究表明，籽粒干物質(zhì)約有30%來自于花前莖稈、葉鞘儲存的光合產(chǎn)物，另外部分來自花后葉片新合成的光合產(chǎn)物[11-12]，兩者的貢獻受環(huán)境條件、栽培措施等因素的影響，其中氮肥用量就是影響不同穗位籽粒灌漿特性的主要栽培因素之一[13]。因此采取適當?shù)墓芾泶胧υ黾铀咀蚜．a(chǎn)量至關重要。

本研究以不同氮水平處理下成熟期的水稻為研究對象，系統(tǒng)的研究和分析成熟期水稻單穗重、穗長度、穗梗數(shù)、每穗粒數(shù)等具體的穗部性狀；通過花后修剪葉片的方法即控制花后干物質(zhì)的合成[14]，從一定程度上辨別強、弱勢粒物質(zhì)的主要來源及來源比例隨氮水平的變化趨勢，旨在為氮肥的合理使用及產(chǎn)量的提高提供更加有力的理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況和試驗材料

田間試驗于2014年在江蘇省如皋市農(nóng)業(yè)科學研究所 (120.49°E、32.44°N) 進行，南京農(nóng)業(yè)大學已在此試驗點已開展了6年的長期定位試驗，供試土壤為由江淮沖積物發(fā)育而成的薄層高砂土。試驗田地力均勻，種植制度為稻麥輪作。耕層0—20 cm土壤的基本理化性狀如下：土壤有機質(zhì)12.0 g/kg、全氮1.02 g/kg、有效磷24.0 mg/kg、速效鉀83.5 mg/kg、pH 7.07。供試水稻品種為適宜在江蘇省沿江及蘇南地區(qū)種植的早熟晚粳稻‘鎮(zhèn)稻11號’，分別于每年5月中播種育秧，6月25日前后移栽，10月底收獲。

1.2 試驗設計

以氮肥用量為主區(qū)，設置5個氮肥水平：0、90、180、270和 360 kg/hm2，分別記為 N0、N90、N180、N270和N360。以種植密度為副區(qū)，設置2 個密度水平：高密度 (32.47 × 104穴/hm2，HD)，行株距為 22 cm × 14 cm；低密度 (25.51 × 104穴/hm2，LD)，行株距為28 cm × 14 cm。共10個處理，每個處理3個重復，隨機排列，共30個小區(qū)，小區(qū)面積50 m2。每個小區(qū)均單設進、排水口，小區(qū)間田埂用防水布覆蓋隔離防滲，且每個小區(qū)四周均設保護行。

1.3 試驗實施方法

田間試驗水分管理方式：薄水移栽，寸水活棵；苗期淺水勤灌，在分蘗數(shù)達到約300萬/公頃時進行烤田；孕穗期保持淺水層，深水抽穗揚花、抽穗1周后干濕交替灌溉，水稻成熟前7～10天斷水。氮肥、磷肥和鉀肥分別以尿素 (含N 46%)、過磷酸鈣 (含P2O514%) 和氯化鉀 (含K2O 60%) 的形式施用。其中，氮肥分4次施用，即基肥∶分蘗肥∶促花肥∶?；ǚ?= 4∶2∶2∶2；磷肥在移栽前以基肥一次性施入；鉀肥分2次施用，基肥∶促花肥為2∶1的比例施用。磷肥 (P2O5) 總用量為75 kg/hm2；鉀肥 (K2O) 總用量為90 kg/hm2。在移栽的前1天施基肥，插秧后7～10天施分蘗肥，促花肥在倒四葉時施入，?；ǚ试诘苟~時施入。病蟲草害管理根據(jù)當?shù)厮静∠x害防治常規(guī)方法進行。

1.4 測定項目與方法

水稻于10月26—30日成熟，每小區(qū)隨機調(diào)查20穴植株的穗數(shù)，選取3穴具代表性的植株用于測定穗長、穗梗數(shù)、每梗穗粒數(shù)、總穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率。

采用葉片修剪法和產(chǎn)量差法測定不同葉片對產(chǎn)量的貢獻。于水稻開花齊穗期 (9月4日)，在每個小區(qū)選擇單莖株高、穗長、穗抽出長度等長勢基本一致的單莖穗200個，掛上標簽，分別從葉基部整體修剪掉倒1葉 (-T1)、倒2葉 (-T2)、倒3葉 (-T3)、倒1+2葉 (-T1 + 2)、倒1+3葉 (-T1 + 3)、倒2 + 3葉(-T2 + 3)、倒1 + 2 + 3葉 (-T1 + 2 + 3) 和不修剪(-T0，對照) 各20株，組成8個葉位修剪處理。于10月28日 (收獲期) 將每小區(qū)各葉位修剪處理穗子分別取下，放置烘箱，測定穗重，分別記錄千粒重。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SigmaPlot 12.5、SPSS 16.0、Microsoft Office Excel 2010、R 2.15.1等軟件進行統(tǒng)計分析并作圖，所有數(shù)據(jù)運用LSD法進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮水平對水稻穗部性狀的影響

單穗重隨氮水平的增加呈增加趨勢，但是5個氮水平間均無顯著差異 (圖1A)；N0時穗長17.2 cm與其它氮水平下穗長19.8 cm有顯著差異之外，其它四個氮水平下的穗長均無顯著差異 (圖1B)，同時，隨氮水平的增加，穗梗數(shù)的變化趨勢與穗長的變化具有相似現(xiàn)象 (圖1C)，在N0與其它四個氮水平下的平均穗梗數(shù)分別為11.8、12.2個/穗。通過對低 (N90)、中 (N180)、高 (N270) 三個氮水平下不同穗梗穗粒數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果 (圖2) 表明，從穗頂端至穗基部隨梗位的增加，梗粒數(shù)均呈先增加后下降的趨勢。并且在試驗中的兩個移栽密度下上述穗部性狀隨氮水平的變化趨勢均表現(xiàn)一致，且相同氮水平下同一性狀在兩個密度間無顯著差異，因而表明氮水平對穗部性狀影響的穩(wěn)定性。

圖 1 氮水平對水稻成熟期單穗重、穗長、穗梗數(shù)的影響Fig. 1 The effect of N level on the weight per panicle, panicle length, and panicle branche number at maturity stage of rice

圖 2 氮水平對水稻不同梗位粒數(shù)的影響Fig. 2 The effect of N level on rice kernel number at different branches

2.2 不同氮水平下水稻穗粒產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)

氮水平對水稻穗粒產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)的影響表現(xiàn)為水稻單位面積的穗數(shù)對氮水平的響應最大，在不同氮水平間的平均變異系數(shù)為90.7%，然后是穗粒數(shù)和千粒重，它們在不同氮水平間的變異系數(shù)分別為22.5%、20.0%。此外，氮水平響應最小的是結(jié)實率，其在不同氮水平間的變異系數(shù)為1.3%。多重比較分析結(jié)果表明，氮水平對所有產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)影響顯著，且氮水平對所有的產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)的影響在兩種栽培密度下表現(xiàn)基本一致(表1)。

2.3 不同葉位葉片對單穗重的影響

圖3A表明, 單獨剪去倒1、倒2、倒3葉中任意一片葉時對單穗重沒有顯著影響；剪去倒1、倒2、倒3葉中任意兩片葉時單穗重顯著下降，當剪去倒1、2葉時單穗重比正常單穗重下降5.5%、當剪去倒1、3葉時單穗重下降10.3%、當剪去倒2、3葉時單穗重下降8.3%；剪去倒1、2、3三片葉時，單穗重下降24.6%。不同修剪葉片處理對單穗重的影響在兩個栽培密度下呈現(xiàn)一致趨勢。

將不同氮水平、栽培密度、不同葉位葉片對單穗重的影響進行統(tǒng)一分析 (圖3B) 表明，當剪去一片葉時，N90、N180、N270氮水平下單穗重下降比例依次為0.4%、1.6%、5.8%；當剪去兩片葉時下降比例依次為4.7%、8.1%、14.5%；當上三片葉都剪去時下降比例依次為19.0%、26.5%、28.2%。

2.4 不同葉位葉片對結(jié)實率和千粒重的影響

圖4A、4B、4C均表明，各剪葉片處理對穗粒參數(shù)的影響在兩種栽培密度下呈現(xiàn)一致的趨勢。因此以下分析均以兩栽培密度下的均值進行。由圖4A可知，各氮水平下單獨剪去倒1、倒2、倒3葉中1片葉時，結(jié)實率下降6.9%，剪去倒1、倒2、倒3當中任意兩片葉時，下降18.4%，將倒1、倒2、倒3葉三片葉全剪去時，下降27.3%。圖4D表明，各種葉片修剪方法對結(jié)實率的影響均隨氮水平的增加而增加，在N90、N180、N270氮水平下，單獨減去1片葉，結(jié)實率分別下降5.3%、6.3%、9.2%；剪去任意兩片葉，分別下降14.7%、16.9%、23.7%；三片葉全剪去時，結(jié)實率分別下降26.0%、26.1%、29.8%。

表 1 不同氮水平下水稻穗粒產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)Table 1 The components of rice grain yield under different N levels

圖 3 不同葉位葉片對水稻成熟期單穗重的影響Fig. 3 Effect of different position leaves on weight per panicle of rice at maturity stage

由于水稻強、弱勢粒灌漿的異步性，因此其物質(zhì)來源可能不同，可能來源于抽穗前營養(yǎng)器官儲存的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物或者抽穗后有效綠色葉片新合成的光合產(chǎn)物，因而葉片的修剪會對強、弱勢粒的影響程度存在差異。圖4B表明，各氮水平下單獨剪去1片葉時，強勢粒千粒重下降比例平均2.2%，剪去任意兩片葉時下降比例為7.3%，三片葉全剪去時下降比例為12.5%；圖4C表明，各氮水平下單獨剪去1片葉時弱勢粒千粒重下降比例的平均值為7.8%，剪去任意兩片葉時千粒重下降比例的平均值為47.5%，三片葉全剪去時千粒重下降比例的平均值為73.5%。同時，圖4E、F表明，各種葉片修剪方法對強、弱勢粒千粒重的影響均隨氮水平的增加而增加，且各種葉片修剪處理下強、弱勢粒千粒重的下降比例差異顯著，在N90、N180、N270氮水平下具體表現(xiàn)為：單獨剪去1片葉時，強勢粒千粒重分別下降0.7%、4.5%、1.4%，弱勢粒千粒重分別下降5.3%、9.4%、10.2%；剪去任意兩片葉時，強勢粒千粒重分別下降3.0%、11.2%、7.7%，弱勢粒千粒重分別下降49.5%、53.7%、31.7%；三片葉全剪去時，強勢粒千粒重分別下降5.4%、15.8%、16.6%，弱勢粒千粒重分別下降73.6%、78.2%、64.5%。

2.5 穗粒參數(shù)對單穗重變化的解釋

在所有解釋單穗重變化的廣義線性模型 (表2)中，結(jié)實率 (SP) 的模型性能優(yōu)于其他穗粒參數(shù)模型，可單獨解釋大于78%的單穗重變異率；隨后的模型性能依次為SP和強勢粒千粒重 (S) 組合模型 ＞ SP和弱勢粒千粒重 (I) 組合模型 ＞ SP、S、I三者組合模型 ＞I、S組合模型。而I在逐步分析中已經(jīng)被默認不是最好的解釋變量而未單獨出現(xiàn)在分析結(jié)果中。

3 討論

水稻作為全世界人們主要的糧食作物之一[15-16]，其產(chǎn)量備受關注。稻穗作為最大的庫器官，是水稻育種和提高產(chǎn)量的首要考慮對象，在大多數(shù)谷類作物中，庫容一般由每株穗數(shù)、每穗粒數(shù)、灌漿效率三方面決定[17]。對于某特定水稻品種，其每株穗數(shù)即個體的分蘗能力由氮水平、種植方式、栽培密度等外界因素決定[18-20]。而每穗粒數(shù)與稻穗的次生枝梗、次生枝梗上幼穗的分化有密切的關系[21]；此外，當穗粒數(shù)一定時，穗粒的重量、結(jié)實率均是影響穗部產(chǎn)量的主要因素。

3.1 氮水平對水稻穗部性狀和產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)的影響

圖 4 不同葉位葉片對水稻結(jié)實率和強、弱勢粒千粒重的影響Fig. 4 The effect of different position leaves on seed setting percentage, and 1000-grain weight of superior and inferior spikelets of rice

本研究表明，隨氮水平增加，兩栽培密度下的稻穗長度均呈先增加然后趨于平穩(wěn)甚至降低的趨勢。因為穗分化的同時，莖稈處于伸長階段，即穗與莖稈間存在同伸的關系，因此在莖稈節(jié)間的生長隨氮水平增加而增加的同時，稻穗長度也在增加[22]；穗梗數(shù)隨氮水平的變化呈類似趨勢，一方面，因為氮水平影響著控制稻穗長的數(shù)量性狀基因的表達[23]，氮肥的施用增加了稻穗一次支梗的分化數(shù)，因而在此基礎上增加了后期的二次支梗數(shù)，但稻穗穎花的成活率與單莖干物質(zhì)的積累成正相關關系[22]。相關研究表明，水稻單莖干物質(zhì)形成穎花的能力隨氮水平的增加而下降[24]，同時，過多氮肥的施用在增加水稻穎花分化數(shù)的同時也導致了一次枝梗穎花退化量的增加，而氮濃度過低會引起二次枝梗穎花的退化，這是由于幼穗發(fā)育的同時還伴隨著節(jié)間伸長及新生葉片的生長；且植株氮濃度過高或過低時，植株碳氮代謝紊亂，莖、葉過度生長造成群體密閉、光合源減弱[23,25-27]。然而有效穗粒數(shù)是穎花分化數(shù)與退化數(shù)之差，因此，隨氮水平的增加穗粒數(shù)的增加有一定限度，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。

同時，本研究結(jié)果表明，各施氮水平下成熟期單穗重無顯著差異。原因在于，隨氮水平的增加，水稻粒葉比下降，源庫比失調(diào)，單位葉面積所承受的穎花數(shù)、實粒數(shù)、粒重減少[28]，最終造成水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的矛盾逐漸增加。表現(xiàn)為隨氮水平增加，結(jié)實率和千粒重下降程度對單穗重的貢獻大于穗粒數(shù)增加程度對單穗重的貢獻。

3.2 不同葉位葉片對穗粒參數(shù)的影響

花后葉片的剪除結(jié)果表明，隨剪除葉片數(shù)的增加，單穗重及穗粒結(jié)構(gòu)參數(shù)降幅增加，且降幅隨氮水平的增加而增大。因為在穗分化期穗、莖同步迅速生長，穗與莖的相對庫強度受源的限制。隨氮水平增加，源的限制減小，穗莖比增加，即在穗分化后期較多光合產(chǎn)物輸送到了穗部，而分配到莖稈的干物質(zhì)比例減少。這導致花前儲存于營養(yǎng)器官的物質(zhì)相對減少，明顯降低穗粒的貢獻率[22]，進而使得稻穗在灌漿期更大程度的依賴花后新合成的物質(zhì)，因而造成花前營養(yǎng)器官儲存的干物質(zhì)和花后新合成的干物質(zhì)對穗粒充實過程的貢獻程度因氮水平不同而不同。因此，隨氮水平的提高，伴隨葉片剪除數(shù)量的增加，稻穗成熟率、粒重均降低[27,29-30]。

表 2 穗粒參數(shù)對單穗重變化的解釋Table 2 The interpretation of kernels parameters to the change of weight per panicle

單獨修剪倒1、倒2、倒3葉時，單穗重無明顯變化，與郭九信[14]的研究結(jié)果相似。從一定程度上說明上三片功能葉對穗粒的貢獻基本一致，同時也說明上三葉中，任一片葉的缺失不會影響灌漿期穗粒干物質(zhì)的供給，表明花后剪去部分功能葉后，其余葉片通風透光條件得到改善，可利用的光輻射增加，彌補因葉面積減少而造成的損失，降低了功能葉缺失而致的負面效應。這一現(xiàn)象與王勤等[31]的研究結(jié)果相矛盾，比較表明主要是因為葉片修剪時間的不同，王勤等的研究是在孕穗期旗葉剛完全長出時便進行修剪，使得上三片功能葉對穗粒的貢獻依次為倒1 ＞ 倒2 ＞ 倒3；此外，試驗所用品種、肥料的施用量與方式的不同，均可導致功能葉對穗粒的貢獻程度差異。

當修剪任意兩片功能葉時，結(jié)實率和弱勢粒千粒重均顯著下降，造成單穗重明顯下降，且任意兩片葉對單穗重的貢獻相似，說明當兩片功能葉被剪除時，有效葉面積的缺失不能被第三片葉光能利用效率的增加所彌補。當上三葉全被剪除時，結(jié)實率和千粒重的下降幅度顯著大于剪除兩片葉時的下降幅度，且大于單獨剪除一片功能葉和任意兩片功能葉的下降總和。說明上三片功能葉對穗粒的貢獻之間具有一定的相互依賴關系，而不是完全獨立的。當上三片功能葉全部剪除時，源庫比嚴重失調(diào)，嚴重影響穗粒的灌漿過程，癟粒增多且粒重下降，最終造成單穗重顯著下降[32]。

此外，由于試驗品種屬于強、弱勢粒異步灌漿型，其弱勢粒中啟動籽粒灌漿的內(nèi)源激素IAA、Z+ZR及ATP含量顯著低于強勢粒[3]，因此各處理下弱勢粒的灌漿均在其強勢粒灌漿基本結(jié)束時才開始，弱勢粒進入活躍灌漿期時已經(jīng)是灌漿后期，葉片光合機能開始下降，光合產(chǎn)物對弱勢粒的供應逐漸減少，因此弱勢粒參數(shù)受花后有效綠葉面積的影響大于強勢粒。

4 結(jié)論

1) 與不施氮相比，隨氮水平增加稻穗長度與穗梗數(shù)均呈增加趨勢，但兩者在氮水平間的差異不顯著；梗粒數(shù)隨梗位的增加呈先增加后降低趨勢，基本不受氮水平的影響；結(jié)實率和千粒重逐步下降。因而，單穗重在各氮水平間無顯著差異。

2) 隨花后葉片剪除數(shù)量的增加，粒重的下降比例增加，其中弱勢粒粒重的下降比例大于強勢粒，且下降比例隨氮水平的增加而增加，即隨氮水平增加花后新合成光合產(chǎn)物對籽粒的貢獻率增加，且弱勢粒物質(zhì)更多來源于花后新合成的光合產(chǎn)物。

3) 當剪除葉片數(shù)量一定時，剪除葉片的位置對單穗重的影響程度無明顯差異，并且花后上三片功能葉依次通過影響SP、SP和S、SP和I、I和S來影響稻穗的重量。