不同氮效率粳稻品種的冠層特征

申 勇 謝 昊 潘竹棟 朱寬宇 王志琴 楊建昌

（江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，225009，江蘇揚(yáng)州）

水稻是世界上主要的糧食作物之一，我國(guó)60%以上的人口以水稻為主食[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，可用耕地資源變少，以及全球氣候變暖和水資源短缺等問(wèn)題，使提高單位耕地面積產(chǎn)量顯得尤為緊迫。在過(guò)去幾十年里，水稻產(chǎn)量的提高主要依賴于選用半矮稈基因型品種、耐肥和抗倒伏品種以及大量水肥資源的投入，其中，化學(xué)肥料的投入（尤其是氮肥）是提高水稻產(chǎn)量的最快途徑，這種高投入低效益產(chǎn)出模式的氮肥利用率低，并會(huì)造成環(huán)境污染[2]。這些問(wèn)題在氮肥施用量大的稻區(qū)如江蘇省尤為嚴(yán)重，因此選用和培育氮高效水稻品種是解決以上問(wèn)題的重要策略[3]。有研究表明，選用氮高效水稻品種可以少施氮肥30kg/hm2，而不造成產(chǎn)量損失[2-3]。氮高效水稻品種可以在較低施氮量下獲得較高產(chǎn)量和氮肥利用率，主要得益于較高的根長(zhǎng)、根系氧化力、葉片光合氮素利用率、花前氮素積累量、花后干物質(zhì)積累量以及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)效率[3-4]，但有關(guān)氮高效水稻品種的冠層特征報(bào)道較少，以及冠層特征與產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系還未明確，需要進(jìn)一步闡明。

作物的冠層光合速率是決定產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，而冠層光合速率又受制于其本身的株型結(jié)構(gòu)[5-7]。葉片形態(tài)是影響株型結(jié)構(gòu)的重要冠層特征[6-7]，葉片是光吸收和利用的重要場(chǎng)所，也是制造光合同化物、促進(jìn)干物質(zhì)積累的源，葉片的物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分是影響作物光合生產(chǎn)的重要因素[8]。袁隆平[4]認(rèn)為，高產(chǎn)水稻株型的上三葉呈現(xiàn)葉厚、葉直和葉面積大的特點(diǎn)，水稻具有較高的高效葉面積也有利于冠層的光截獲[5]。孫旭初[6]研究表明，當(dāng)水稻頂部葉片葉基角小于15°，頂部葉片呈最佳直立狀態(tài)，有利于光在冠層中的分布。水稻葉片的比葉重與葉片光合速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，較高的葉片厚度和比葉重有利于水稻群體冠層光合速率的提高[9-10]。比葉重和葉片中的氮含量密切相關(guān)，比葉重高，則葉片包含更多的葉肉細(xì)胞，而葉肉細(xì)胞中的葉綠體是氮的合成產(chǎn)物[11-12]。除葉片形態(tài)特征外，水稻冠層中莖鞘重、莖鞘含氮量及光氮分布等特征都對(duì)水稻群體光合作用有著重要的影響[8，13]，但目前對(duì)上述冠層特征在氮高效品種與氮低效品種之間的差異缺乏比較分析。本研究旨在探明氮高效水稻品種的冠層特征及其與產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系，為水稻高產(chǎn)與氮肥高效利用品種的選育和群體的構(gòu)建提供診斷指標(biāo)和調(diào)控目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為2個(gè)氮高效品種武運(yùn)粳30號(hào)和連粳7號(hào)、2個(gè)氮低效品種揚(yáng)粳4038和寧粳1號(hào)，前者在施氮量180或200kg/hm2（全國(guó)平均施氮水平）時(shí)，產(chǎn)量≥9t/hm2，后者在施氮量180或200kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量＜9t/hm2[14]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院江都試驗(yàn)基地進(jìn)行（119.55°E，32.35°N）。前茬作物為小麥，土壤全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為0.96g/kg、88.2mg/kg、34.7mg/kg和 87.9g/kg。 于 5月28日進(jìn)行大田育秧，6月25日移栽，株行距為25cm×15cm，雙本栽插，10月31日至11月4日收割計(jì)產(chǎn)，各品種的主要生育期列于表1。

表1 供試品種的生育期天數(shù)Table 1 The growth period of tested varieties d

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置同一施氮量處理，全生育期施純氮180kg N/hm2。每個(gè)品種重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為30m2，小區(qū)之間用田埂分隔并覆蓋塑料薄膜，以防雜草生長(zhǎng)，氮肥分為基肥（移栽前1d）、分蘗肥（移栽后7d）、促花肥（葉齡余數(shù)3.5）和?；ǚ剩ㄈ~齡余數(shù)1.5）4次施用，施用比例為4∶2∶2∶2。試驗(yàn)田全部小區(qū)施過(guò)磷酸鈣（含P2O513%）300kg/hm2，于移栽前作基肥一次性施入；氯化鉀（含K2O 63%）195kg/hm2，分基肥和拔節(jié)肥2次施用，各次比例均為6∶4。小區(qū)具有獨(dú)立的灌溉和排水系統(tǒng)。在水稻的全生育期進(jìn)行輕干濕交替灌溉，嚴(yán)格控制病蟲(chóng)草害。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉片光合速率和群體透光率 分別在每個(gè)品種的穗分化始期、抽穗期和灌漿中期（即移栽后40～43、61～65和91～95d），于晴天的上午9∶00-11∶00選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，使用美國(guó)LI-COR 6400光合儀，光量子通量密度（PFD）為1 200～1 500μmol/(m2·s)， 葉 室 CO2濃 度 為 380μmol/mol，葉室?jiàn)A住葉片中部，每個(gè)處理每個(gè)葉位的葉片測(cè)定6片為1個(gè)重復(fù)。用米尺將植株冠層從頂部至離地面10cm處，將冠層平均等分為4層，自上而下分別為L(zhǎng)1、L2、L3和L4，采用美國(guó)METER公司生產(chǎn)的冠層光截獲儀Lp-80在抽穗期測(cè)定植株冠層的透射率和反射率。于晴天11∶00-14∶00測(cè)定各小區(qū)每個(gè)高度的光透射率It，將儀器感應(yīng)桿180°翻轉(zhuǎn)記錄1次數(shù)據(jù)則為反射率Ir，冠層頂部光量子通量為I0，重復(fù)3次，用于計(jì)算冠層光截獲率In，In（%）=（1-It-Ir）/I0×100，并測(cè)定對(duì)應(yīng)冠層內(nèi)葉片葉面積和氮含量，用于冠層衰減系數(shù)KL和氮消減系數(shù)KN的計(jì)算。其中，KL（m2/m2）=ln（I0/I）/LAIF，I為冠層自上而下對(duì)應(yīng)深度為F時(shí)的光量子通量，LAIF為對(duì)應(yīng)累積的葉面積指數(shù)，KL值越小，表示光在冠層中分布越均勻；KN（m2/m2）={ln[（N0-Nb）/（SLNi-Nb）]}/LAIF，其中，N0為冠層頂部比葉氮含量，Nb為植株進(jìn)行光合作用葉片所需氮含量的臨界值，一般為0.3g/m2[14]；SLNi為冠層自上而下對(duì)應(yīng)深度葉片的比葉氮含量；KN值越大，則冠層頂部含氮量越高，光氮匹配度為KN與KL的比值[5]。

于抽穗期，每個(gè)品種每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5穴，用Li-3000A型自動(dòng)葉面積儀測(cè)量水稻上三葉各葉位的葉面積，用DTG03數(shù)字測(cè)量?jī)x（數(shù)字測(cè)微計(jì)）在葉片的中間位置（避免葉脈）測(cè)量上三葉的厚度和寬度，每片葉測(cè)量10個(gè)點(diǎn)，取平均值，用量角器測(cè)量上三葉與莖的夾角，以10穴的平均值為1個(gè)重復(fù)，共計(jì)3個(gè)重復(fù)，最后取下各葉位葉片于烘箱殺青并烘干至恒重，稱重，計(jì)算對(duì)應(yīng)葉位的比葉重（葉片干重/葉片面積）。

1.3.2 植株干物重和氮含量 在抽穗期和成熟期取樣，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)取5穴水稻植株，按莖、葉、穗（抽穗及抽穗后）分樣，用Li-3000A型自動(dòng)葉面積儀測(cè)量水稻葉面積，然后將莖、葉、穗分別用紙袋分裝，置于烘箱105℃殺青30min，再將溫度調(diào)至75℃烘干至恒重，并稱重，記錄干物重?cái)?shù)據(jù)，比葉面積為各生育期葉面積與葉片干重的比值，保留所有干樣，粉碎過(guò)100目篩，稱取2～5mg，并用銀盅包裹壓縮成約2mm×3mm體積大小的方塊，用Vario EL cube元素分析儀微量法測(cè)氮含量，比葉氮含量為各生育期的葉片氮積累量與葉面積的比值，光合氮素利用率為對(duì)應(yīng)各生育期葉片光合速率與比葉氮含量的比值。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于水稻收割前1d，每個(gè)小區(qū)按照各個(gè)品種統(tǒng)計(jì)的平均穗數(shù)取2個(gè)10穴植株用于考察每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。取樣時(shí)避免邊緣效應(yīng)，在各試驗(yàn)小區(qū)四周的兩排后取樣。各小區(qū)實(shí)收5m2計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氮肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity，PFPN，kg/kg）=籽粒產(chǎn)量/施氮量，籽粒氮素利用率（internal N use efficiency，IEN，kg/kg）=籽粒產(chǎn)量/成熟期水稻植株吸氮量，氮收獲指數(shù)（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，氮轉(zhuǎn)移量（nitrogen transport amount，NT，kg/hm2）=抽穗期地上部氮積累量-成熟期葉和莖鞘氮積累量，氮轉(zhuǎn)移效率（nitrogen transport efficiency，NTE，%）=氮素轉(zhuǎn)移量/抽穗期地上部氮積累量×100。

利用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，用Sigmaplot 10.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株葉片形態(tài)特征

與氮低效品種相比，氮高效品種劍葉和倒二葉具有較高的葉片厚度，其中劍葉的葉片厚度優(yōu)勢(shì)較為顯著，兩類品種的倒三葉的葉厚無(wú)顯著差異。與氮低效品種相比，氮高效品種具有較小的劍葉葉角，兩類品種的倒二葉和倒三葉的葉角無(wú)顯著差異（表 2）。

表2 不同氮利用率水稻品種的葉厚、葉寬和葉角Table 2 Leaf thickness, leaf width and leaf angle of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency

2.2 干物質(zhì)在冠層不同器官中的分配及比葉面積

在抽穗期，與氮低效品種相比，氮高效品種具有較高的莖鞘干重，但葉和穗干重在兩類品種間無(wú)顯著差異（表3）。在成熟期，氮高效品種較氮低效品種具有較高的莖鞘和穗干重，而葉干重在兩類品種間無(wú)顯著差異（表3）。

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

氮高效品種武運(yùn)粳30號(hào)和連粳7號(hào)在成熟期的比葉面積與氮低效品種揚(yáng)粳4038和寧粳1號(hào)無(wú)顯著差異，在穗分化始期和抽穗期顯著低于氮低效品種（圖1），與氮低效品種相比，氮高效品種具有較高的單莖莖鞘重和單莖葉面積（圖2）。

圖1 不同氮利用率水稻品種不同生育期比葉面積和抽穗期頂三葉比葉重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

圖2 抽穗期不同氮利用率水稻品種單莖莖鞘重和單莖葉面積Fig.2 Stem-sheath weight and leaf area per tiller of rice varieties differing in nitrogen use efficiency at heading stage

2.3 氮在冠層不同器官中的分配

在抽穗期，與氮低效品種相比，氮高效品種冠層內(nèi)各器官（葉、莖鞘、穗）的含氮量及氮積累量差異較小，在兩類品種間互有高低；在成熟期，氮高效品種冠層內(nèi)葉、莖鞘、穗的含氮量顯著低于氮低效品種；與氮低效品種相比，氮高效品種具有較高的穗部氮積累量，而葉和莖的氮積累量在兩類品種間無(wú)顯著差異（表4，表5）。

表4 不同氮利用率水稻品種各器官的含氮量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種各器官的氮積累量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

與氮低效品種相比，氮高效品種在穗分化始期至灌漿中期具有較高的光合速率以及光合氮素利用率，兩類品種的比葉氮含量只在抽穗期差異不顯著，在穗分化始期和灌漿中期，氮高效品種的比葉氮含量均顯著高于氮低效品種（圖3）。

圖3 不同氮利用率水稻品種的葉片光合速率、比葉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 植株冠層內(nèi)的光氮分布

氮高效品種的整個(gè)冠層的中層（L2）和上層（L1）光截獲率均顯著高于氮低效品種，下層（L3）和基層（L4）的光截獲率都略低于氮低效品種，但差異不顯著（圖4）。兩類品種冠層內(nèi)的比葉氮含量與光的分布趨勢(shì)一致（圖4）。

圖4 抽穗期不同氮利用率水稻品種冠層光截獲率和比葉氮含量Fig.4 Light interception rate and specific leaf N content in the canopy of rice varieties differing in nitrogen use efficiency at heading stage

與氮低效品種相比，氮高效品種氮消減系數(shù)（KN）、光氮匹配度（KN/KL）、頂層比葉氮含量（N0）及光合氮素利用率均較高，氮高效品種的光消減系數(shù)KL較低，但與氮低效品種差異不顯著（表6）。

表6 抽穗期不同氮利用率水稻品種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 產(chǎn)量和氮肥利用率

氮高效水稻品種的總吸氮量、氮肥利用率（氮肥偏生產(chǎn)力和籽粒氮素利用率）、氮收獲指數(shù)、氮素轉(zhuǎn)移量和氮素轉(zhuǎn)移效率都顯著高于氮低效品種（表 7）。

表7 不同水稻品種的氮素利用率和氮的轉(zhuǎn)運(yùn)Table 7 Nitrogen use efficiency and nitrogen transfer of the tested rice varieties

與氮肥利用率結(jié)果相似，相比于氮低效品種，氮高效品種具有較高的產(chǎn)量，主要得益于較高的總穎花數(shù)和結(jié)實(shí)率，兩類品種的千粒重?zé)o顯著差異（表 8）。

表8 不同氮利用率水稻品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 8 Grain yield and its components of the rice varieties differing in nitrogen use efficiency

2.7 冠層特征性狀與產(chǎn)量和氮肥利用率間的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明，水稻成熟期的莖鞘、葉和穗含氮率以及抽穗期劍葉葉角和比葉面積與產(chǎn)量和氮素籽粒生產(chǎn)效率呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；抽穗期光合氮素利用率、劍葉厚度、比葉重、冠層頂部比葉氮含量、氮消減系數(shù)和光氮匹配度與產(chǎn)量和氮素籽粒生產(chǎn)效率呈顯著或極顯著正相關(guān)（表9）。

表9 抽穗和成熟期植株主要冠層性狀與產(chǎn)量和氮肥利用率的相關(guān)Table 9 Correlation coefficients of main canopy traits with the grain yield and IEN at the stages of heading and maturity

3 討論

以往研究指出，氮高效水稻品種的產(chǎn)量潛力主要在于較大的庫(kù)容量，較高的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、氮素吸收和利用效率[3，8，15]。本研究表明，氮高效水稻品種的產(chǎn)量和氮肥利用率均顯著高于氮低效品種，氮高效水稻品種較高的產(chǎn)量主要得益于較高的總穎花量和結(jié)實(shí)率，其原因有如下兩點(diǎn)：第一，氮高效品種穗分化始期有較高的光合速率、光合氮素利用率及較低的比葉面積，有利于冠層光合同化物積累，為促進(jìn)水稻大庫(kù)容的形成提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[16-17]；第二，氮高效品種在抽穗至成熟期有較高的光合速率、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率和氮收獲指數(shù)，成熟期具有較低的葉、莖和穗的含氮量以及較高的穗部氮積累量，表明其抽穗后氮素從營(yíng)養(yǎng)器官向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)效率高，氮代謝水平高，有利于光合生產(chǎn)，促進(jìn)碳代謝水平，協(xié)同增加光合同化物向籽粒中運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)穗部籽粒灌漿，提高結(jié)實(shí)率[17-21]。

水稻的葉片形態(tài)是影響冠層株型結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素[22-23]，其中比葉重、葉片厚度、葉寬和葉角等都是影響植株光合速率的重要葉片形態(tài)指標(biāo)[24-27]。有研究表明，較高的葉片厚度和比葉重有利于減緩葉片的衰老程度，抽穗后維持較高的光合速率，促進(jìn)干物質(zhì)的積累[14]。本研究觀察到，氮高效水稻品種抽穗期具有較高的劍葉葉片厚度、比葉重和光合速率，這些結(jié)果表明，葉片厚度和比葉重與光合速率關(guān)系密切，同時(shí)也證實(shí)了前人的觀點(diǎn)[12，15]；因此，我們認(rèn)為葉片厚度和比葉重是氮高效品種抽穗后具有較高光合速率和干物質(zhì)積累量的重要葉片形態(tài)特征指標(biāo)，但關(guān)于較高的葉片厚度及比葉重利于植株光合速率提高的深層機(jī)理需進(jìn)一步研究。

我們還觀察到，氮高效品種抽穗期有較低的比葉面積和劍葉著生角，這有利于減少冠層內(nèi)部遮陰，增加透光率，提高冠層群體光合效率[28-29]，增加干物質(zhì)的積累。我們認(rèn)為較低的比葉面積和劍葉著生角也是氮高效品種重要的葉片形態(tài)特征。值得注意的是，氮高效品種抽穗期的單莖莖鞘重和單莖葉面積均顯著高于氮低效品種，這一結(jié)果表明，在灌漿過(guò)程中，氮高效品種源庫(kù)關(guān)系更協(xié)調(diào)，抽穗后干物質(zhì)生產(chǎn)效率高，促進(jìn)光合同化物向籽粒運(yùn)輸，最終提高產(chǎn)量；同時(shí)，氮高效品種具有較高的單莖莖鞘干重也是形成較高比葉重的重要原因[22]。

Gu等[5]研究表明，冠層葉片含氮量及冠層光的分布均呈現(xiàn)頂部高、基部低的梯度分布。本研究觀察到，兩類品種的整體冠層光截獲率無(wú)顯著差異，但氮高效品種冠層的中上層具有較高的光截獲率和比葉氮含量，可能是氮高效品種較高的葉面積增加了光截獲量，促進(jìn)了氮素向上部葉片轉(zhuǎn)移[20]，促使冠層氮含量相對(duì)于氮低效品種在垂直分布上更加陡峭，最終形成較高的氮消減系數(shù)KN。光氮匹配度KN/KL是一個(gè)指示光與氮素在冠層中分布梯度的參數(shù)[30-31]，KN/KL越大，說(shuō)明冠層自上而下各高度葉片含量與入射光強(qiáng)度匹配度越好。本研究表明，氮高效品種的KN/KL顯著高于氮低效品種，說(shuō)明氮高效品種具有較好的冠層結(jié)構(gòu)，光氮匹配更加契合，有利冠層群體光合生產(chǎn)[5，32-36]。氮高效品種具有較高的光合氮素利用率，不僅可以提高產(chǎn)量和氮肥利用率[3]，也是形成較高地上部生物量的重要生理原因，相關(guān)分析表明，上述指標(biāo)與產(chǎn)量和氮肥利用率呈顯著或極顯著正相關(guān)，據(jù)此，建議上述冠層性狀可作為選育氮高效品種及培育高產(chǎn)高效群體的重要指標(biāo)。關(guān)于兩類品種間的光合氮素利用率的差異機(jī)理需要今后深入研究。

4 結(jié)論

與氮低效品種相比，氮高效品種具有較高的產(chǎn)量和氮肥利用率。較高的總穎花數(shù)和結(jié)實(shí)率是氮高效品種高產(chǎn)與氮高效利用的重要原因。穗分化始期較高的光合速率、光合氮素利用率和較低的比葉面積，抽穗期較高的單莖莖鞘重、劍葉厚度、比葉重、中上層冠層光截獲量及冠層頂部比葉氮含量、氮消減系數(shù)、光氮匹配度以及較小的劍葉著生角度，抽穗后較高的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和氮收獲指數(shù)，成熟期較低的莖葉含氮率和穗部氮積累量是氮高效品種高產(chǎn)與氮高效利用的重要形態(tài)生理基礎(chǔ)。上述冠層特征可作為選育氮高效品種及培育高產(chǎn)高效群體的重要指標(biāo)。