納米鎂對水稻產量形成和氮素吸收利用的影響

陳志青 劉夢竹 王銳 崔培媛 盧豪 魏海燕 張洪程 張海鵬

納米鎂對水稻產量形成和氮素吸收利用的影響

陳志青 劉夢竹 王銳 崔培媛 盧豪 魏海燕 張洪程 張海鵬*

(農業(yè)農村部長江流域稻作技術創(chuàng)新中心/ 江蘇省作物栽培生理重點實驗室/ 江蘇省糧食作物現代產業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心，揚州大學水稻產業(yè)工程技術研究院，江蘇 揚州 225009；*通信聯(lián)系人，E-mail: hpzhang@yzu.edu.cn)

【】探明納米鎂和離子鎂對水稻產量、產量形成和氮素吸收利用的影響?！尽恳阅暇?108為試驗對象，設置了3個氮水平(0、180、270 kg/hm2)下不施鎂肥和施用納米鎂或離子鎂的盆栽試驗?！尽肯嗤适┯盟较?，施用納米鎂和離子鎂處理的水稻籽粒產量較不施鎂處理均有所提高，且施用納米鎂處理的籽粒產量均高于施用離子鎂處理，其原因在于施用納米鎂能夠提高水稻生育后期葉面積指數、劍葉SPAD值、光合勢和凈光合速率，促進水稻生育后期光合物質的積累，獲得更高的每穗粒數、結實率以及千粒重。相同氮肥施用水平下，與不施外源鎂處理相比，離子鎂和納米鎂的施用均提高了水稻各器官的氮濃度和氮積累量，并促進了氮肥偏生產力、氮素農學利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率的提高。【】納米鎂較離子鎂更有利于提高水稻灌漿期間的光合物質積累，促進水稻生產力和氮肥利用率的提高，可作為水稻綠色高效栽培的施肥措施。

水稻；納米鎂；干物質積累；產量構成；氮素利用

水稻是我國主要的糧食作物，其產量與水、肥(尤其是氮肥)等資源的投入密切相關。我國稻田單季水稻氮肥的平均用量已高達200 kg/hm2，而氮肥吸收利用率僅為30%～35%[1]，更多的氮則通過淋溶、徑流、氨揮發(fā)及硝化-反硝化等多種途徑損失，由此帶來了如大氣溫室效應、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[2-4]。研究如何提高水稻的氮肥利用率、減少氮的環(huán)境污染，對實現農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。水稻對氮肥的吸收利用受各種因素的影響，如施入肥料類型[5]、施肥方式[6]、土壤理化性質[7]和田間管理[8]等。過去40年來，研究人員提高水稻氮肥利用的研究重點主要聚焦于如何減少氮肥用量、改變肥料性質及改善施肥方法等，但是如何通過施肥手段挖掘水稻氮素高效利用的潛力少有研究。

水稻氮素同化主要借助硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶等的催化功能[9]，主要發(fā)生在葉綠體中[10]，因此水稻葉片葉綠體的數量和活性在很大程度上決定著植物對氮素的利用。水稻葉綠素的實際光合效率與供氮水平密切相關，增加水稻葉片(特別是底層葉片)的光吸收，有利于群體光合作用，提高水稻氮素利用效率[11]，及孕穗后的氮素利用及抵御鹽害能力[12]。鎂是作物生長發(fā)育過程中所必需的微量元素之一，是形成葉綠素的重要成分，對植物的光合作用、能量代謝、核酸和蛋白質的合成也有重要的影響，且與稻米的食味品質也有著密切關系[13]。施用鎂肥能夠顯著降低稻米最終黏度、回復值和消減值，顯著提高最高黏度、熱漿黏度和崩解值，并最終提高稻米食味品質[14-15]。在當前水稻生產中，為追求高產，不斷增加氮磷鉀肥的施用更易造成土壤鎂元素的相對缺乏，導致水稻鎂營養(yǎng)不足，不利于水稻產量和稻米品質的可持續(xù)提升。因此，通過施用鎂肥可能是一個提高水稻產量和氮肥利用率的有效途徑。

水稻鎂肥的施用主要包括土壤施用和葉面噴施。土壤施用鎂肥的效果受土壤條件影響很大，土壤高pH值、低有機質含量等都會增加鎂肥被土壤固定的程度，降低其有效性[16]；而葉面噴施又難以被葉片固定吸收，且無法滿足根系對鎂的需求，增產和促進氮素利用的效果差[17]。近年來，已有研究報道，納米鎂可以被作物吸收利用，并可提高作物葉綠體的數量和活性，顯著促進作物產量和氮素利用率的提高[18]。納米鎂為納米級顆粒，其理化性質穩(wěn)定，比表面積大，易吸附在根系表面而被吸收，受土壤質地、結構、有機質、膠體等影響較小[19]。然而，到目前為止，水稻產量形成及氮素利用對納米鎂的響應仍不明確。因此，本研究選取納米鎂和離子鎂兩種鎂肥基施作比較研究，探究納米鎂和離子鎂(硫酸鎂)對水稻產量及氮素利用影響的差異，以期為通過現代農藝措施提高稻米產量和氮素利用率提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年和2020年5月－12月在江蘇省揚州市揚州大學校內試驗田(東經119.42°，北緯32.39°)進行。

1.2 試驗材料

供試水稻品種選用江蘇省農業(yè)科學院糧食作物研究所培育的遲熟中粳品種南粳9108。

供試土壤類型為砂質壤土。土壤基礎養(yǎng)分狀況如下：有機質24.4 g/kg，全氮1.32 g/kg，堿解氮104.2 mg/kg，速效磷35.4 mg/kg，速效鉀72.5 mg/kg，速效鎂43.41 mg/kg，土壤pH 6.03。

供試肥料分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(KCl 60%)；離子鎂(Ionic-Mg)為國藥集團化學試劑有限公司購買的硫酸鎂(MgSO4·7H2O)；納米鎂(Nano-Mg)為實驗室制備的納米氧化鎂，具體制備方法如下：將一定質量的硫酸鎂(MgSO4·7H2O)溶解在200 mL聚乙二醇溶液中，邊快速攪拌邊逐滴加入1 mol/L氫氧化鈉溶液，得到白色懸濁液后轉入250 mL內襯為聚四氟乙烯的高壓水熱反應釜中，移入程控加熱爐后升溫至180 ℃反應6 h，待自然冷卻后用蒸餾水洗滌多次并于105 ℃下烘干12 h，得到氫氧化鎂，將氫氧化鎂在500 ℃下焙燒5 h，得到納米氧化鎂(圖1)。

圖1 納米氧化鎂透射電鏡觀察

Fig. 1. TEM images of nano-magnesium.

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗，試驗所用盆的長×寬×高為0.8 m×0.5 m×0.75 m，每盆面積計0.4 m2。共設9個處理，分別為1)不施鎂+不施氮肥(Non-Mg-0N)；2)不施鎂+氮肥減量1/3(Non-Mg-12N)；3)不施鎂+氮肥常規(guī)用量(Non-Mg-18N)；4)離子鎂+不施氮肥(Ionic-Mg-0N)；5) 離子鎂+氮肥減量1/3 (Ionic-Mg- 12N)；6) 離子鎂+氮肥常規(guī)用量(Ionic- Mg-18N)；7)納米鎂+不施氮肥(Nano-Mg-0N)；8) 納米鎂+氮肥減量1/3(Nano-Mg-12N)；9) 納米鎂+氮肥常規(guī)用量(Nano-Mg-18N)。氮肥常規(guī)施用量為270 kg/hm2，基肥、分蘗肥和穗肥的施用比例為4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度為10 cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量為135 kg/hm2，全部做基肥施用，鉀肥施用量為270 kg/hm2，基肥和穗肥比例為1∶1；離子鎂和納米鎂的用量為12 kg/hm2；各處理施肥量和施肥方法2年保持一致。每個試驗處理設置10次重復。

水稻育秧于每年5月15日播種，濕潤育秧，30 d秧齡后，挑選發(fā)育進程與長勢一致的秧苗，于6月15日移栽。每穴定植4苗，每盆16穴，栽植密度為12.5 cm×20 cm(40×104穴/hm2)。2019年試驗結束后，各試驗盆土壤于2020年5月10日前更換新土。試驗期間水分與病蟲害防治等管理措施按高產栽培要求統(tǒng)一實施。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 產量測定

各處理成熟期分別選取20穴，計算有效穗數，按各處理的平均穗數取有代表性的植株3穴，測定每穗粒數、結實率和千粒重等，計算理論產量，并實收計產。

1.4.2 各器官干物質量的測定

分別于拔節(jié)期、抽穗期、成熟期按各處理莖蘗數的平均值取有代表性的植株3穴，采用長寬法測定植株葉面積，計算葉面積指數；將所取植株分為莖鞘、葉片和穗3個部分，105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘至恒重后測定各器官干物質量。

1.4.3 葉片SPAD值的測定

各處理分別選定10穴，齊穗后5 d和齊穗后25 d測定植株劍葉SPAD值。SPAD值的測定使用日本Minolta生產的SPAD-502型葉綠素計。

1.4.4 葉片凈光合速率的測定

采用美國LI-6400便攜式光合儀測定水稻葉片凈光合速率。測定條件為開放系統(tǒng)，葉室CO2濃度380 μmol/mol，使用紅藍光源測定，光量子通量密度(PFD)1200 μmol/(m2s)。齊穗后5 d和齊穗后25 d測定，取葉片取向或著生角度一致的劍葉中部，測定過程中盡量選擇劍葉原來狀態(tài)，包括位置、角度等，各處理重復測定6葉，每葉測定10次，求平均值[20]。

1.4.5 各器官含氮率的測定

將成熟期植株的莖鞘、葉片和穗烘干粉碎，采用H2SO4-H2O2消化，半微量凱氏定氮法測定氮濃度，計算各器官含氮率。

1.5 數據計算與統(tǒng)計分析

水稻植株不同生育期氮素積累量和氮素利用效率采用以下方法計算：

葉面積指數衰減速率(LAI, d?1)＝(抽穗期LAI－成熟期LAI)/抽穗至成熟期間隔天數；

光合勢(m2d/m2)＝(LAI1＋LAI2)×(2－1)/2，式中，LAI1和LAI2為前后2次測定的葉面積指數，1和2為前后2次測定間隔的時間；

氮素積累量(kg/hm2)＝干物質積累量×植株氮含量；

氮素總積累量(kg/hm2)＝莖鞘氮素積累量＋葉片氮素積累量＋穗氮素積累量；

氮肥偏生產力(kg/kg)＝施氮肥區(qū)產量/氮肥用量；

氮肥農學效率(kg/kg)＝(施氮肥區(qū)產量－不施氮肥產量)/氮肥用量；

氮素籽粒生產效率(kg/kg)＝籽粒產量/氮素總積累量；

氮肥吸收利用率(%)＝(施氮肥區(qū)水稻氮素總積累量－不施氮肥區(qū)水稻氮素總積累量)/氮肥用量×100%；

氮素相對生理利用率(kg/kg)＝(施氮肥區(qū)水稻產量－不施氮肥區(qū)水稻產量)/(施氮肥區(qū)水稻氮素總積累量－不施氮肥區(qū)水稻氮素總積累量)；

兩年試驗數據基本一致，合并數據進行分析。本研究所有數據均以Microsoft Excel 2016進行數據處理和圖表繪制，以SPSS 25.0進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析和最小顯著差異法比較不同處理的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 外源鎂對水稻產量及其構成因子的影響

表1表明，相同氮肥施用水平下，2019年和2020年外源鎂施用各處理水稻籽粒產量較不施鎂處理均有所提高，其中在氮肥用量為180 kg/hm2水平下達顯著性差異，不施氮和氮肥用量為270 kg/hm2時差異不顯著。施用納米鎂處理水稻產量均高于施用離子鎂處理，這表明納米鎂對水稻籽粒的增產效果優(yōu)于離子鎂。隨著氮肥施用量的增加，離子鎂和納米鎂施用對2年水稻籽粒產量的影響均呈現先增加后降低的趨勢。當不施氮以及氮肥用量為180 kg/hm2和270 kg/hm2時，施用離子鎂籽粒產量較不施鎂分別增加了1.89%、15.43%、1.60%，施用納米鎂的籽粒產量較不施鎂分別增加了2.95%、17.14%、2.67%。外源鎂對水稻籽粒的增產效果受氮肥施用水平的影響。不施氮肥時，水稻的生長發(fā)育受到影響，此時鎂元素并非影響水稻籽粒產量的主要因素，而在高氮肥施用水平時，鎂元素對水稻籽粒產量形成的影響受高氮效應的掩蓋而不顯著。從水稻產量構成因素來看，施用外源鎂處理的2年有效穗數和每穗粒數均隨氮肥施用水平的增加而增加，均以氮肥用量為270 kg/hm2水平下最高。與不施鎂處理相比，施離子鎂和納米鎂，有效穗數和每穗粒數均有增加。在不施氮處理下，施用鎂肥顯著增加了水稻有效穗數，每穗粒數、結實率和千粒重也有所增加，但產量增加并不顯著。施離子鎂和納米鎂對結實率和千粒重均無顯著影響。方差分析表明，年份僅對有效穗數影響達顯著水平，對籽粒產量及其他產量構成因素影響不顯著。鎂肥處理、氮肥用量均對有效穗數、每穗粒數和籽粒產量影響達極顯著水平，對結實率和千粒重影響不顯著。鎂肥處理和氮肥用量互作對籽粒產量影響達極顯著水平，對每穗粒數影響達顯著水平，對其他產量構成因素影響不顯著。

表1 納米鎂和離子鎂施用對水稻產量及其構成因子的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference.

2.2 外源鎂對水稻干物質積累量及比例的影響

水稻較高的干物質積累是獲得高產的關鍵。由表2可知，與不施鎂各處理相比，各個生育階段下施離子鎂和施納米鎂均提高了水稻的干物質積累量，其中在氮肥用量為180 kg/hm2水平下達顯著性差異，在氮肥用量為0 kg/hm2和270 kg/hm2水平下差異不顯著。鎂肥施用對水稻干物質積累量的提高主要體現在抽穗至成熟階段。相較于不施鎂處理，播種至拔節(jié)階段施離子鎂和施納米鎂的干物質積累量分別平均增加3.99%、4.77%，拔節(jié)至抽穗階段施離子鎂和施納米鎂的干物質積累量分別平均增加3.93%、4.52%，抽穗至成熟階段施離子鎂和施納米鎂的干物質積累量分別平均增加9.54%、12.18%。由此可見，施用外源鎂有利于提高水稻生育后期的物質積累，抽穗至成熟階段施用外源鎂對水稻干物質積累量的增加效果遠高于前兩個生育階段，且施納米鎂處理對水稻干物質積累量的增加效果要高于施離子鎂。鎂肥處理和氮肥用量互作對播種至拔節(jié)階段水稻的干物質積累量影響不顯著，對拔節(jié)至抽穗階段水稻的干物質積累量影響達顯著水平，對抽穗至成熟階段水稻的干物質積累量影響達極顯著水平。

表2 納米鎂和離子鎂施用對水稻不同時期干物質積累量及比例的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference.

2.3 外源鎂對水稻葉面積指數的影響

由表3可知，在相同氮肥施用水平下，各生育時期施離子鎂處理和施納米鎂處理的葉面積指數(LAI)較不施鎂處理均有所增加。拔節(jié)期和抽穗期時鎂肥施用各處理的葉面積指數相較于不施鎂處理差異不顯著，而成熟期時鎂肥施用各處理的葉面積指數相較于不施鎂處理差異達顯著水平。與不施鎂處理相比，拔節(jié)期時鎂肥施用各處理的葉面積指數增加0.79%～3.99%，抽穗期時鎂肥施用各處理的葉面積指數增加1.58%～6.33%，成熟期時鎂肥施用各處理的葉面積指數增加5.78%～22.16%，可見成熟期施用外源鎂對水稻葉面積指數的增加效果高于前兩個生育時期，其中施納米鎂的葉面積指數要高于施離子鎂。從葉面積衰減速率來看，相較于不施鎂處理，施用外源鎂顯著降低結實期水稻葉面積的衰減速率，其中施納米鎂處理的葉面積衰減速率低于施離子鎂處理，可見施用納米鎂能更有效地延緩水稻生育后期的葉片衰減。鎂肥處理和氮肥用量互作對拔節(jié)期和抽穗期的葉面積指數影響不顯著，對成熟期的葉面積指數影響達極顯著水平，對葉面積指數衰減速率影響達顯著水平。

表3 納米鎂和離子鎂施用對水稻葉面積指數的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference.

2.4 外源鎂對水稻光合勢的影響

表4表明，在相同氮肥施用水平下，相較于不施鎂處理，各個生育階段下施用離子鎂和施用納米鎂均提高了水稻光合勢，其中播種至拔節(jié)、拔節(jié)至抽穗階段施離子鎂和納米鎂對水稻光合勢的影響不顯著，而抽穗至成熟階段施離子鎂和納米鎂對光合勢的影響達到顯著水平。與不施鎂處理相比，播種至拔節(jié)階段鎂肥施用各處理的光合勢增加0.79%～3.99%，拔節(jié)至抽穗階段鎂肥施用各處理的光合勢增加1.28%～4.83%，抽穗至成熟階段鎂肥施用各處理的光合勢增加3.86%～11.24%，由此可見抽穗至成熟階段施用鎂肥對水稻光合勢的增加效果高于前兩個生育階段。而在相同氮肥用量條件下，施納米鎂各處理的光合勢均高于施離子鎂，所以相較于離子鎂，施用納米鎂能更有效地提高水稻后期光合勢。

表4 納米鎂和離子鎂施用對水稻光合勢的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference.

2.5 外源鎂對水稻SPAD值和凈光合速率的影響

表5表明，與不施鎂肥處理相比，施離子鎂和施納米鎂均提高水稻齊穗后的葉片SPAD值和凈光合速率，并降低其衰減率。在相同氮肥施用水平下，齊穗后5d以及齊穗后25 d施納米鎂各處理的葉片SPAD值和凈光合速率均高于離子鎂處理，可見施納米鎂對水稻齊穗后葉片SPAD值和凈光合速率的增加效果優(yōu)于施離子鎂。相較于不施鎂處理，齊穗后施離子鎂處理的葉片SPAD值衰減率降低6.92%～8.94%，施納米鎂處理的葉片SPAD值衰減率降低8.67%～9.93%；齊穗后施離子鎂處理的葉片凈光合速率衰減率降低2.85%～6.94%，施納米鎂處理的葉片凈光合速率衰減率降低2.63%～11.14%。由此可見，相較于施離子鎂處理，施用納米鎂更能提高水稻生育后期的SPAD值和凈光合速率，在保障水稻后期仍具有較好光合反應方面更具有優(yōu)勢。

表5 納米鎂和離子鎂施用對水稻SPAD值和凈光合速率的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference.

2.6 外源鎂對成熟期水稻各部位氮濃度和氮積累量的影響

由表6可知，在相同氮肥施用水平下，相較于不施鎂處理，離子鎂和納米鎂的施用均提高了水稻各器官的氮濃度和氮積累量。與不施鎂處理相比，施離子鎂和施納米鎂處理的莖鞘氮積累量分別提高7.41%～13.79%和7.41%～17.67%，施離子鎂和施納米鎂處理的葉片氮積累量分別提高3.41%～9.36%和3.10%～16.67%，施離子鎂和施納米鎂處理的籽粒氮積累量分別提高5.81%～8.04%和9.47%～ 12.10%，施離子鎂和施納米鎂處理的植株總氮積累量分別提高5.88%～9.03%和8.46%～12.31%。可見，施納米鎂處理的水稻各器官氮積累量及植株總氮積累量均高于施離子鎂處理，相較于施離子鎂，施納米鎂更能提高成熟期水稻對氮素的吸收利用。鎂肥處理和氮肥用量互作對成熟期水稻各器官氮積累量及植株總氮積累量影響均達顯著水平。

表6 納米鎂和離子鎂施用對水稻氮素積累的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference.

2.7 外源鎂對水稻氮素利用的影響

由表7可知，在氮肥用量為180 kg/hm2的處理下，與不施鎂處理相比，施用離子鎂和納米鎂處理的氮肥偏生產力、氮素籽粒生產效率、氮素農學利用率、氮素生理利用率均有顯著提高；而在氮肥用量為270 kg/hm2的處理下，與不施鎂處理相比，施用離子鎂和納米鎂處理的氮肥偏生產力和氮素農學利用率均無顯著差異，施用離子鎂和納米鎂處理的氮素籽粒生產效率和氮素生理利用率相較于不施鎂處理均顯著降低。而在不同的氮肥用量上，施用離子鎂和納米鎂各處理的氮素吸收利用率相較于不施鎂處理均顯著提高，分別提高4.71%～11.54%和5.97%～13.77%，可見，施用納米鎂處理的氮素吸收利用率高于離子鎂處理，因此施用外源鎂尤其是施納米鎂，能顯著提高水稻的氮素吸收利用，從而促進水稻產量的增加。鎂肥處理和氮肥用量互作對氮肥偏生產力、氮素農學利用率、氮素生理利用率影響達極顯著水平，對氮素籽粒生產效率和氮素吸收利用率影響不顯著。

表7 納米鎂和離子鎂施用對水稻氮素利用的影響

同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，*和**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著，ns表示不顯著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference. PFP, Partial factor productivity of applied N; NUEG, Nitrogen use efficiency for grain production; AE, Agronomic nitrogen use efficiency; PNUE, Physiological nitrogen use efficiency; NRE, Nitrogen recovery use efficiency.

3 討論

3.1 外源鎂對水稻產量的影響

在水稻的生長發(fā)育過程中，物質積累是水稻產量形成的基礎，水稻產量的形成實際上就是干物質生產與分配的過程[21]。要獲得高產，就必須以提高水稻的物質生產力為前提，獲得較高的干物質積累量[22]。本研究發(fā)現，相同氮肥水平下，與不施鎂的處理相比，播種至拔節(jié)、拔節(jié)至抽穗、抽穗至成熟這三個階段下施用鎂肥均提高了水稻的干物質積累量，其中主要體現在抽穗至成熟階段，該階段下施用鎂肥對水稻干物質積累量的增幅遠大于前兩個生育階段。本研究中施用鎂肥主要提高了抽穗至成熟階段的干物質積累量，保證了水稻后期的籽粒灌漿，進而獲得高產，而前人研究表明抽穗至成熟期的光合物質生產決定了產量，這與本研究結果一致[23]。有研究也表明了水稻的產量主要來源于光合物質的生產，約60%～80%的產量來源于抽穗期后光合作用的產物[24]。在相同氮肥水平下，施用納米鎂對水稻干物質積累量的增加效果要高于施用離子鎂。由于離子態(tài)的鎂容易被吸附和固定，而納米鎂為納米級固體顆粒，理化性質穩(wěn)定，不易損失，所以納米鎂更易被水稻吸收。有研究表明施用納米鎂在各個生育階段下水稻的干物質積累量均高于施用鎂酸鈉，納米顆粒微肥在促進水稻干物質積累方面相較于離子態(tài)的微肥更具有優(yōu)勢[25]。

水稻的物質生產與光合條件密切相關。本研究發(fā)現，相同氮肥水平下條件，施用鎂肥顯著提高了水稻齊穗后的SPAD值，延緩了葉片的衰減，保證水稻在生育后期仍具有較高的光合反應速率。前人研究也表明鎂肥對水稻拔節(jié)時期后的葉綠素含量有明顯提高[18]。施用鎂肥還顯著增加了水稻成熟期的葉面積指數，降低了結實期的葉面積衰減速率，從而提高了水稻抽穗至成熟階段的光合勢，保障水稻在生育后期較好的光合能力和物質積累。其中施用納米鎂的葉片葉綠素含量、光合速率、葉面積指數、光合勢均高于施用離子鎂，說明施用納米鎂在保障水稻生育后期較好的光合能力方面更具有優(yōu)勢。水稻生育后期較好的光合能力保障了水稻更高的干物質積累量，最終提高了水稻籽粒產量。與不施鎂處理相比，施離子鎂和納米鎂的水稻籽粒產量均有所提高。各相同氮肥施用量條件下，納米鎂各處理的水稻產量均高于離子鎂各處理，這表明納米鎂對水稻的增產效果優(yōu)于離子鎂。外源鎂對水稻籽粒的增產效果受氮肥施用水平的影響。不施氮肥時，水稻的生長發(fā)育受到影響，此時鎂元素并非影響水稻籽粒產量的主要因素，而在高氮肥施用水平時，鎂元素對水稻籽粒產量形成的影響受高氮效應的掩蓋而不顯著。因此本研究中，在不施氮和氮肥用量為270 kg/hm2時，施離子鎂和納米鎂的籽粒產量與不施鎂處理的差異不顯著，而氮肥施用量為180 kg/hm2時，施離子鎂和納米鎂的籽粒產量有顯著增加，在該氮肥施用量時外源鎂對水稻籽粒的增產效果最高，遠高于另外兩個氮肥水平。因此，施用鎂肥以促進水稻籽粒產量時也應保證一定的氮肥施用。

3.2 外源鎂對水稻氮素利用的影響

有研究表明在水稻生長過程中，氮素對水稻干物質積累與生產有較顯著的影響[26]。氮素是影響水稻生長發(fā)育和產量形成最敏感的因素[27]。與氮素積累少的品種相比, 氮素積累量大的水稻品種其植株含氮率較低[28-29], 或者沒有明顯規(guī)律[30], 但其干物質積累量都明顯偏高[31-32]。鎂作為作物生長發(fā)育所必需的元素，適宜的Mg2+濃度有利于水稻生長發(fā)育，促進氮素的吸收和利用[33]。丁玉川等[34]研究發(fā)現施用鎂肥對水稻植株的氮素吸收有促進作用。本研究與前人研究結果一致，在相同氮肥施用水平下，與不施鎂的處理相比，鎂肥施用均提高了成熟期水稻莖、葉、籽粒中的氮濃度和氮積累量。相同氮肥水平下，施用納米鎂處理下水稻各器官的氮濃度和氮積累量高于施離子鎂，可見施用納米鎂比施用離子鎂更能提高成熟期水稻的氮素吸收利用。同時，在相同氮肥水平下，與不施鎂肥處理相比，離子鎂和納米鎂各處理的氮肥偏生產力、氮素農學利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率均有顯著提高。值得注意的是，本研究中納米鎂對水稻氮素里用的提高效果要優(yōu)于離子鎂。氮素吸收量主要由干物質積累量和含氮率兩個因素決定, 因此, 提高干物質積累量或含氮率或二者同時提高, 理論上都能有效提高植株的氮素吸收量。在水稻生育后期，促進莖、葉中的氮素更多地向穗轉移，提高穗的吸氮量，可進一步提高水稻品種物質生產效率，有效增加產量和氮素利用效率[35-37]。本研究中，各個氮肥施用水平下，納米鎂均能有效提高水稻抽穗至成熟的干物質積累和穗部氮素含量，而這正是納米鎂有效提高水稻產量和氮素利用的主要原因。由此可見，通過施用一定量的納米鎂，促進水稻生育后期干物質和氮素向籽粒轉運，以較高的地上部生物量，同時保證較多的穗粒數和較高的莖、葉氮素轉運效率，能夠實現產量與氮效率的協(xié)同提升。

4 結論

本研究發(fā)現，施用納米鎂和離子鎂均能夠有效提高水稻產量。相同施氮水平下，施用納米鎂處理的水稻產量均高于施用離子鎂處理。水稻生育后期葉面積指數和干物質的積累量均高于施用離子鎂處理。施用納米鎂能夠改善水稻生育后期干物質形成，提高抽穗后劍葉SPAD值、光合勢和凈光合速率，促進水稻干物質合成及在籽粒中的積累，最終實現促進水稻增產的目的。相同氮肥施用水平下，離子鎂和納米鎂的施用均提高了水稻各器官的氮濃度和氮積累量，并促進了氮素利用率的提高，其中施用納米鎂處理的氮素利用率更高。綜上所述，在水稻栽培中適量施用納米鎂，可以有效提高水稻的產量及氮素利用。

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Effects of Nano-magnesium on Rice Yield Formation and Nitrogen Utilization

CHEN Zhiqing, LIU Mengzhu, WANG Rui, CUI Peiyuan, LU Hao, WEI Haiyan, ZHANG Hongcheng, ZHANG Haipeng*

()

【】To investigate the effects of nano- and ion-magnesium on rice grain yield, yield formation and nitrogen uptake and utilization.【】A pot experiment was conducted to study the effects of nano-magnesium and ion-magnesium on rice yield formation and nitrogen accumulation and utilization under nitrogen application rates of 0 kg/hm2, 180 kg/hm2and 270 kg/hm2, respectively.【】Application of nano-magnesium and ion-magnesium can effectively increase rice yield at the same N application level. The yield of rice treated with nano-magnesium were significantly higher than that treated with sodium magnesium. Moreover, the same trend was also observed in LAI and the accumulation of dry matter in the late stage of rice growth. The application of nano-magnesium could improve the dry matter formation in the late stage of rice growth, increased the SPAD value, photosynthetic potential and net photosynthetic rate of the flag leaf after heading, promoted the synthesis of rice dry matter and the accumulation in grains, and finally achieved the goal of increasing rice production. At the same level of nitrogen fertilizer application, the application of nano-magnesium and ionic-magnesium increased the nitrogen concentration and nitrogen accumulation in rice stems, leaves, and grains, and promoted the partial productivity of nitrogen fertilizer, nitrogen agronomic utilization rate, nitrogen physiological utilization rate and nitrogen absorption and utilization. These promotion effects of nano-magnesium were better than that of ionic-magnesium in this study.【】In summary, nano-magnesium can be used as a fertilization measure for green and high-efficiency rice cultivation.

rice; nano-magnesium; dry matter accumulation; yield composition; nitrogen utilization

10.16819/j.1001-7216.2022.210608

2021-06-23；

2021-09-14。

國家自然科學基金資助項目(41701329，31901447)；國家現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項(CARS-01-27)；江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新項目[CX(20)1012]；江蘇省“雙創(chuàng)博士”項目(JSSCBS20211062)；揚州市“綠揚金鳳計劃”優(yōu)秀博士項目(YZLYJFJH2021YXBS155)。