氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和氮利用效率的影響研究進(jìn)展

趙燦 劉光明 戴其根 許軻 高輝 霍中洋

（揚(yáng)州大學(xué)/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江流域稻作技術(shù)創(chuàng)新中心/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009；#共同第一作者；*通訊作者：huozy69@163.com）

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一，2021年種植面積達(dá)2 992.12萬(wàn)hm2，占糧食播種面積的25.44%，稻谷總產(chǎn)21 284.30萬(wàn)t，占糧食總產(chǎn)的31.17%[1]。糧食安全問(wèn)題一直是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的頭等大事。有人估算，到2030年，我國(guó)人口將突破14.5億，糧食需求將持續(xù)剛性增長(zhǎng)[2]。在過(guò)去50 多年中，在耕地面積沒(méi)有擴(kuò)大的情況下，我國(guó)水稻產(chǎn)量增長(zhǎng)了近3 倍，其中50%歸功于化學(xué)肥料的使用，其中又以氮肥的貢獻(xiàn)最為顯著[3-4]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)氮肥運(yùn)籌進(jìn)行了大量的研究，本文結(jié)合前人及課題組的研究情況，概述了以下幾個(gè)方面的研究進(jìn)展：氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響、不同基因型水稻氮效率的差異、氮肥代謝相關(guān)的生理及分子機(jī)理。提出并討論存在的問(wèn)題，并對(duì)下一步研究重點(diǎn)進(jìn)行展望，以為更好更合理利用氮肥提供理論依據(jù)。

1 氮肥運(yùn)籌與水稻產(chǎn)量

1.1 我國(guó)氮肥使用情況

氮肥是水稻生產(chǎn)中最重要的肥料，是保障水稻產(chǎn)量的前提。我國(guó)氮肥生產(chǎn)量和使用量目前在世界上排名第一，目前用量占全球用量的38.3%（圖1）。目前我國(guó)稻田單季氮肥（純氮）用量平均為180 kg/hm2，比世界平均水平高出75%[5]，而江蘇省的單季氮肥（純氮）用量平均為272.24 kg/hm2，蘇南地區(qū)甚至達(dá)到300 kg/hm2，比世界平均水平高出191.26%[4]。過(guò)多使用氮肥不僅增加生產(chǎn)成本，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[6]。氮肥運(yùn)籌是影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要栽培技術(shù)措施之一，合理的氮肥配比能保證水稻更好進(jìn)行各種生理代謝，在水稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成過(guò)程中起著決定性作用[7-8]。氮肥運(yùn)籌中，基蘗肥與穗肥的比例是精確定量施氮的核心內(nèi)容。如何更精確施用氮肥、提高氮肥利用效率是我國(guó)目前亟需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

圖1 1961—2019年中國(guó)和世界氮肥消費(fèi)量變化（數(shù)據(jù)來(lái)自聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計(jì)資料）

1.2 氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

氮肥施用量與水稻產(chǎn)量呈開(kāi)口向下的拋物線關(guān)系，且基蘗肥運(yùn)籌比例對(duì)產(chǎn)量的影響因地力水平的差異而不同?？梢?jiàn)，確定最適氮肥用量對(duì)于水稻高產(chǎn)至關(guān)重要[9]。凌啟鴻等[10]研究認(rèn)為，水稻中小苗移栽，基蘗肥氮與穗肥氮比例以6∶4 或5∶5 利于獲得高產(chǎn)。以此為理論依據(jù)，農(nóng)學(xué)家們對(duì)氮肥運(yùn)籌最佳比例進(jìn)行了更細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)基蘗肥氮與穗肥氮比例為6∶4，穗肥在倒4 葉和倒2 葉期追施可使水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效得到較好的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，且氮素水平與產(chǎn)量、每穗粒數(shù)均呈顯著或者極顯著正相關(guān)[11]。ZHU等[12]研究發(fā)現(xiàn)，基肥氮、分蘗肥氮、穗肥氮比例為4∶2∶4，且總氮量為300 kg/hm2時(shí)可獲得高產(chǎn)。不同水稻品種的最佳氮肥運(yùn)籌比例不盡相同。在基肥氮、分蘗肥氮、穗肥氮比例為4∶3∶3 時(shí)，甬優(yōu)538和揚(yáng)產(chǎn)1601 稻曲病發(fā)生率較小，病穗率降低，進(jìn)而形成高產(chǎn)[13]。同時(shí)，秸稈是一種重要的可再生有機(jī)資源，已有大量研究表明，秸稈還田能提高水稻產(chǎn)量5%～10%，適當(dāng)?shù)牡蔬\(yùn)籌比例與秸稈還田相結(jié)合不僅可以提高水稻產(chǎn)量，還能保護(hù)生態(tài)環(huán)境[14]。在秸稈全量還田下，基蘗肥氮與穗肥氮比例為7∶3 時(shí)，可提高群體干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)系數(shù)也最高[15－16]。大田生產(chǎn)中，氮肥后移可提高水稻產(chǎn)量，增加穗粒肥比例能促進(jìn)葉片灌漿期生理代謝，防止葉片早衰，使水稻保持較高的源、庫(kù)活性[17]。還有研究表明，緩釋肥與速效肥混施能有效增加水稻產(chǎn)量[18]。近年來(lái)，實(shí)地氮肥管理技術(shù)在水稻生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，該技術(shù)以氮肥管理為中心，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中使用葉綠素測(cè)定儀（SPAD）和葉色卡（LCC）觀測(cè)葉片氮素情況并依此指導(dǎo)施肥，從而協(xié)調(diào)水稻高產(chǎn)[19]。

2 氮肥運(yùn)籌與氮效率

2.1 水稻氮效率相關(guān)概念

國(guó)外通用的氮效率（Fertilizer N use efficiency，F(xiàn)NUE）的定量指標(biāo)有：氮肥吸收利用率（Recovery efficiency 或uptake efficiency，RE，是植株氮積累量占氮投入量的百分比）、氮肥生理利用率（Physiological efficiency，PE，稻谷生產(chǎn)量與投入氮的吸收量的比值）、氮肥農(nóng)學(xué)利用率（Agronomic efficiency，AE，稻谷生產(chǎn)量與氮投入量的比值）、氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity of applied N，PFP，稻谷產(chǎn)量與施氮量的比值）、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率（Nitrogen dry matter production efficiency，NDMPE，水稻干物質(zhì)量與吸氮量之比）、氮素籽粒生產(chǎn)效率（Nitrogen grain production efficiency，NGPE，水稻的谷物產(chǎn)量與吸氮量之比）、氮收獲指數(shù)（Nitrogen harvest index，NHI，成熟期籽粒含氮量與成熟期植株總吸氮量之比）、氮轉(zhuǎn)運(yùn)率（Nitrogen translocation rate，NTR，抽穗期水稻莖葉吸氮量和成熟期水稻莖葉吸氮量之差與抽穗期水稻莖葉吸氮量之比）[20]。

我國(guó)氮素平均吸收利用效率僅為28.3%～35.0%，遠(yuǎn)低于世界平均水平（40.0%～60.0%）[21－22]。氮肥利用效率低不僅會(huì)制約水稻獲得高產(chǎn)，造成肥料浪費(fèi)，還會(huì)破壞環(huán)境，有效利用氮肥提高產(chǎn)量是保證我國(guó)糧食安全的關(guān)鍵[23]。2016年“中央一號(hào)文件”（中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于落實(shí)發(fā)展新理念加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化）就提出了“農(nóng)藥化肥零增長(zhǎng)”戰(zhàn)略[24]?？梢?jiàn)，如何合理施氮，提高水稻氮肥利用效率至關(guān)重要。

2.2 氮肥運(yùn)籌比例對(duì)氮肥利用效率的影響

不同水稻品種氮利用效率存在顯著差異[25]。選育氮肥利用率高的水稻品種是提高水稻氮肥利用效率行之有效的措施[26]。一般而言，高產(chǎn)型水稻品種需氮量較高，秈稻對(duì)氮的敏感程度比粳稻高，且其具有更高的氮利用效率[27]。單玉華等[28]研究發(fā)現(xiàn)，粳稻品種氮的干物質(zhì)生產(chǎn)效率高于秈稻，而氮的籽粒生產(chǎn)效率低于秈稻。在常氮、高氮處理下，氮高效品種氮肥利用率大于氮中效、氮低效品種[29]。劉永強(qiáng)等[30]對(duì)來(lái)自全球不同地理區(qū)域的110 份水稻核心種質(zhì)材料進(jìn)行氮響應(yīng)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)分蘗氮響應(yīng)與水稻氮素利用率存在高度關(guān)聯(lián)性。吳子帥等[31]以廣西單季稻區(qū)有代表性的104 份優(yōu)質(zhì)粳稻品種為研究對(duì)象，篩選出了16 種氮素利用高效型水稻品種。我國(guó)水稻資源豐富，為氮素利用高效型水稻品種的選育提供了豐富的材料。

近年來(lái)，隨氮肥施用量增加，氮肥的吸收利用率持續(xù)下降[32]。在確保水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)前提下，如何提高水稻氮肥利用效率已成為科技工作者亟需解決的問(wèn)題。在不同地力水平下，氮肥運(yùn)籌對(duì)氮素利用效率影響不同，適宜氮肥運(yùn)籌比例可以提高水稻氮肥利用效率[6，15]。通過(guò)適當(dāng)提高基肥比例（基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3），可提高水稻氮積累量和氮肥利用效率。李曉峰等[15]發(fā)現(xiàn)，隨基蘗肥氮占總施氮量比例的下降，氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率及氮肥偏生產(chǎn)力均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，當(dāng)基蘗肥氮與穗肥氮比例為7∶3 時(shí)最高。最新研究發(fā)現(xiàn)，根區(qū)一次施氮是一種節(jié)肥高效的施肥方式，可以顯著增加肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時(shí)間，降低肥料養(yǎng)分損失風(fēng)險(xiǎn)，提高水稻氮肥利用效率[33－34]。不同栽培方式可影響水稻氮肥利用效率，科學(xué)選擇種植方式并配套適宜的品種對(duì)提高水稻氮素利用效率具有重要意義。彭廷等[35]發(fā)現(xiàn)，最佳氮素配比存在著明顯的種植方式差異，機(jī)插和手插氮肥利用效率最佳的莖蘗肥氮∶穗肥氮分別是7∶3和6∶4。胡雅杰等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻生長(zhǎng)發(fā)育中、后期缽苗機(jī)插較毯苗機(jī)插氮肥吸收能力強(qiáng)，植株總氮素積累量和氮肥利用率顯著提高。水稻有序擺拋栽，尤其是二連孔有序擺拋，可提高水稻氮肥利用效率[36]。前人研究指出，緩控釋肥配比施用不僅能減少氮量投入，同時(shí)有利于提高氮肥利用效率[37-38]。

2.3 氮代謝生理及分子機(jī)理

一般情況下，氮肥利用效率可分為氮吸收與同化、氮轉(zhuǎn)運(yùn)與再利用兩部分[4]，充分理解此生物學(xué)過(guò)程的調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)提高水稻氮肥利用效率至關(guān)重要。植物吸收土壤中的無(wú)機(jī)氮元素主要以NO3-和NH4+形式，其中NO3-的吸收與利用主要在有氧的土壤中，而NH4+則在水田或酸性土壤中被吸收與利用[39]。然而，由于水稻具有通氣組織，可以將氧氣從葉片運(yùn)輸?shù)礁抵車(chē)?，使得根系表面發(fā)生快速的硝化作用，根系周?chē)鶱O3-可被根尖細(xì)胞立刻吸收并利用，研究發(fā)現(xiàn)，NO3-和NH4+被水稻吸收利用率大致相同[40]。水稻通過(guò)硝酸鹽和銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收土壤中的氮。目前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，水稻中有2個(gè)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族：nitrate transporter 1/peptide transporter family（NPF，也被稱為NRT1/PTR家族）和nitrate transporter 2家族（NRT2）[41]。水稻中NPF 基因多達(dá)90種，其中研究較多的是OsNPF8.9、OsNPF2.2和Os－NPF2.4, 主要在根部表皮細(xì)胞、根毛等組織中表達(dá)[42-43]。王威等[44]研究表明，OsNRT1.1A 是解決水稻高氮下“貪青晚熟”的關(guān)鍵基因，同時(shí)對(duì)提高氮肥利用率和增產(chǎn)的協(xié)同具有重要指導(dǎo)意義。目前水稻中NRT2 基因研究較多的有OsNRT2.1/2.2/2.3a/2.3b/2.4，主要在根表皮細(xì)胞、根尖、莖等組織中表達(dá)，主要負(fù)責(zé)硝酸鹽的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[39，45]。GAUDINIER等[46]針對(duì)擬南芥根中表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子（TFs），篩選了98個(gè)與氮代謝相關(guān)基因的啟動(dòng)子（包括氮信號(hào)、氮同化、激素反應(yīng)等），發(fā)現(xiàn)高通量網(wǎng)絡(luò)分析具有較高的可靠性。NH4+的吸收與利用主要通過(guò)銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ammonia transport protein，AMT）。目前在水稻中至少有10個(gè)與AMT 合成相關(guān)的基因[47]，其中，ATM1家族（ATM1;1～ATM1;5）有4個(gè)在根中表達(dá)量高，負(fù)責(zé)吸收根中的銨鹽。OsAMT1（OsAMT1;1～Os－AMT1;3）在根中特異表達(dá)，受銨鹽誘導(dǎo)；OsAMT2.1 在根和地上部組成型表達(dá)，且不受氮源調(diào)控[48]。

土壤中的氮元素經(jīng)過(guò)水稻根吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)以后，硝酸鹽一部分主要在根中同化，另一部分運(yùn)輸?shù)角o中，在莖的細(xì)胞質(zhì)中硝酸鹽經(jīng)硝酸還原酶形成亞硝酸鹽，在質(zhì)體中進(jìn)一步被亞硝酸還原酶作用形成NH4+[4]。由硝酸鹽形成的銨和水稻銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白得到的銨最終經(jīng)過(guò)GS/GOGAT 循環(huán)合成氨基酸。谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）是水稻氨同化的主要酶系。水稻中細(xì)胞質(zhì)谷氨酰胺合成酶（GS）基因由OsGS1;1、OsGS1;2、OsGS1;3 編碼，OsGS1;1和OsGS1;2 為高親和型谷氨酰胺合成酶，而低親和型合成酶（GS1;2和GS1;3）在水稻根系中還沒(méi)有檢測(cè)到[48]。Os－GS1;1 在水稻中組成型表達(dá)，在劍葉中表達(dá)較高，與水稻生長(zhǎng)發(fā)育和灌漿有關(guān)，且對(duì)水稻自然衰老過(guò)程中氮素再利用至關(guān)重要。OsGS1;2 主要在根表皮細(xì)胞中組成型表達(dá)，主要負(fù)責(zé)銨的初級(jí)利用。OsGS1;3 只在小穗中特應(yīng)性表達(dá)，對(duì)籽粒成熟或萌發(fā)至關(guān)重要[48-49]。負(fù)責(zé)編碼谷氨酸合成酶（GOGAT）的基因有OsFd－GOGAT、OsNADH－GOGAT1、OsNADH－GOGAT2。其中，OsFd－GOGAT 在葉肉細(xì)胞或富含葉綠體的細(xì)胞內(nèi)表達(dá)較高。ZHANG等[50]發(fā)現(xiàn)，增加氮同化產(chǎn)物谷氨酰胺，可以上調(diào)Nhd1 的表達(dá)，進(jìn)而下調(diào)OsFd－GOGAT 的表達(dá)和OsFd－GOGAT 的活性，表明這是一種由Nhd1 控制的氮同化負(fù)反饋調(diào)節(jié)途徑。OsNADH－GOGAT1 在根系表皮細(xì)胞表達(dá)較高，主要負(fù)責(zé)根中銨的同化和分蘗的發(fā)育；OsNADH－GOGAT2 主要在成熟葉片的維管組織中表達(dá)，與成熟葉片韌皮部到小穗過(guò)程中氮的再活化息息相關(guān)[51-52]。不同基因型水稻的氮素利用效率以及氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育影響的分子機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3 氮肥運(yùn)籌與稻米品質(zhì)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求也越來(lái)越高。產(chǎn)量和品質(zhì)同步提升已成為我國(guó)水稻生產(chǎn)發(fā)展的重要方向。前人在氮肥運(yùn)籌對(duì)稻米品質(zhì)的影響方面已進(jìn)行了大量研究。施用氮肥能改變籽粒淀粉和蛋白組分含量，顯著或極顯著提高籽粒蔗糖合成酶（SuSy）、蔗糖酸性轉(zhuǎn)化酶（AI）、谷氨酰胺合酶（GS）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（GOT）和谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）活性，且還能夠改變淀粉和蛋白合成相關(guān)基因表達(dá)量，最終改變稻米黏滯特性和食味品質(zhì)[53-54]。穗肥用量對(duì)稻米加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)影響巨大，合理穗肥比例不僅能提高整精米率，還可以影響關(guān)鍵酶來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成和積累，從而改善稻米外觀品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)[16，55]。幼穗分化Ⅱ期之前施用穗肥，可獲得較好的稻米加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)、較高的直鏈淀粉含量、適宜的膠稠度和蛋白質(zhì)含量[56]。胡群等[12]認(rèn)為，隨著基蘗肥與穗肥比例的降低，稻米的糙米率、精米率和整精米率增加，直鏈淀粉含量和膠稠度減小，堊白粒率和堊白度呈先增加后減小的趨勢(shì)。在秸稈全量還田和毯苗機(jī)插栽培條件下，增施氮肥、磷肥和鉀肥有利于提高軟米粳稻加工品質(zhì)，而減少氮肥、穩(wěn)施磷肥、增加鉀肥利于改善稻米食味品質(zhì)[9，57]。

有研究表明，隨著施氮量的增加，碾磨品質(zhì)和蛋白質(zhì)含量增加，外觀品質(zhì)、直鏈淀粉含量、膠稠度以及蒸煮品質(zhì)下降[58-59]。而從夕漢等[60]研究表明，氮肥能夠增加各品種的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量，使膠稠度變長(zhǎng)，堊白粒率、堊白度和堿消值降低；隨施氮量增加，熱漿黏度、峰值黏度、回復(fù)值和崩解值遞減，而消減值遞增。朱鎮(zhèn)等[61]則認(rèn)為，多數(shù)品種稻米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而上升，食味品質(zhì)下降。殷春淵等[62]研究表明，隨施氮量提高，稻米品質(zhì)呈先增后降的趨勢(shì)，在最適氮水平（255 kg/hm2）下精米率提高、堊白降低?？梢?jiàn)，氮肥運(yùn)籌對(duì)稻米品質(zhì)的影響因品種而異，此方面的生理及分子機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

4 研究展望

水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)條件下如何達(dá)到與氮高效協(xié)同統(tǒng)一是困擾農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者的一個(gè)難題，也是急需解決的重大問(wèn)題，而培育高氮肥利用效率的作物新品種是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，是未來(lái)主要的研究方向。由于各稻作區(qū)地力水平差別較大，明確各稻作區(qū)地力水平，并針對(duì)性的進(jìn)行肥料綜合運(yùn)籌，將是下一步研究的重點(diǎn)。水稻側(cè)深施肥不僅能提高氮肥利用率，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益。研究不同氮肥配比側(cè)深施與水稻高產(chǎn)高效的關(guān)系及其內(nèi)在機(jī)理將是今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。植物體內(nèi)碳/氮代謝緊密相連，氮素的吸收需要光合作用、呼吸作用過(guò)程提供能量（ATP）、還原劑等物質(zhì)；而氮代謝為光合作用、呼吸作用提供氮元素，進(jìn)而合成相應(yīng)的酶[63]。因此，需對(duì)碳/氮代謝過(guò)程中相關(guān)基因加以開(kāi)發(fā)并利用，以提高氮肥利用效率。如利用Os－NRT1.1A 基因縮短水稻成熟時(shí)間的同時(shí)，增產(chǎn)和提高氮肥利用率該如何協(xié)同？該基因在不同水稻類型中的表現(xiàn)又如何？也是今后研究的一個(gè)方向。揭示不同氮肥利用效率基因型水稻的根系生長(zhǎng)發(fā)育特性的內(nèi)在機(jī)制已迫在眉睫。氮肥運(yùn)籌比例對(duì)水稻源庫(kù)特征影響的分子機(jī)制也有待探究，尤其是源庫(kù)協(xié)同衰老方面。

一般認(rèn)為，產(chǎn)量高與品質(zhì)優(yōu)是矛盾的，如何通過(guò)氮肥的合理運(yùn)籌使優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)協(xié)調(diào)一致，是今后需要解決的重要問(wèn)題。淀粉是胚乳中最主要的儲(chǔ)藏物質(zhì)，灌漿期是稻米品質(zhì)的形成期。灌漿過(guò)程中淀粉合成相關(guān)基因表達(dá)量的高低直接影響著稻米品質(zhì)。明確胚乳發(fā)育和儲(chǔ)藏蛋白合成過(guò)程中的關(guān)鍵基因?qū)Φ久灼焚|(zhì)的提升至關(guān)重要。特別是要重點(diǎn)研究低溫、高溫、低氮、高氮等條件對(duì)淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)、籽粒灌漿特性和稻米品質(zhì)的影響，這在全球氣候變化的大趨勢(shì)下尤為重要。稻米品質(zhì)性狀具有表型可塑性，可分別從激素水平、酶學(xué)機(jī)制、表觀遺傳學(xué)等方面進(jìn)行研究。