減氮對(duì)華南早晚兼用型水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及氮吸收利用的影響

莫釗文，李 武，段美洋，潘圣剛，田 華，唐湘如

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，廣東 廣州 510642；2 農(nóng)業(yè)部 華南地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，廣東 廣州 510642；3 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，廣東 廣州 510640)

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，其播種面積約占我國(guó)糧食作物總面積的27%，稻谷產(chǎn)量占全國(guó)谷物總產(chǎn)量的40%以上，水稻產(chǎn)量水平的提高對(duì)糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定具有重要的意義；然而，過(guò)去幾十年間，隨著水稻產(chǎn)量的提高，化肥特別是氮肥的施用量不斷增加，中國(guó)氮肥消費(fèi)量占世界氮肥總量的30%，生產(chǎn)水稻所消耗的氮肥占世界水稻氮肥總消耗量的37%[1]。氮肥使用量逐年增加，但水稻氮素利用率卻明顯下降，氮肥利用效率的低下和氮素的大量投入，導(dǎo)致了一系列的環(huán)境問(wèn)題[2-3]。更重要的是在化肥用量持續(xù)增加的同時(shí)，農(nóng)作物產(chǎn)量卻沒有相應(yīng)地持續(xù)提高，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本急劇上升[4-5]。因此，如何提高稻田氮肥利用率，少施氮肥且保證水稻穩(wěn)產(chǎn)，已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

廣東省氣候條件優(yōu)越，光溫水資源豐富，是中國(guó)重要的雙季稻區(qū)，水稻生產(chǎn)具有較大的生產(chǎn)潛力。廣東省農(nóng)業(yè)廳在2008年公布的水稻早、晚季純氮平均施用量約為187.5 kg/hm2，屬于較高的施氮水平。研究表明，對(duì)華南早晚兼用型水稻實(shí)行減氮栽培可以增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)[6-12]；中國(guó)作物生產(chǎn)減氮30%～60%是可行的[13]。本課題組經(jīng)過(guò)多年的大田試驗(yàn)，也證明水稻減氮栽培是可行的[14-16]。但有關(guān)減氮栽培對(duì)水稻品質(zhì)影響的研究仍較少，且在不同環(huán)境條件下減氮栽培增產(chǎn)的表現(xiàn)不一致。為此，本研究在大田試驗(yàn)條件下，觀測(cè)了減氮對(duì)不同華南早晚兼用型水稻品種產(chǎn)量、品質(zhì)及劍葉碳氮代謝酶活性和氮吸收利用的影響，探討減氮的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及優(yōu)米效應(yīng)，旨在為水稻生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)資源高效利用及可持續(xù)發(fā)展提供實(shí)踐依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試的華南早晚兼用型水稻品種為常規(guī)香稻“桂香占”、常規(guī)優(yōu)質(zhì)稻“粵晶絲苗2號(hào)”和超級(jí)雜交稻“天優(yōu)998”，其均在生產(chǎn)上作為主推品種，有較大的種植面積。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009年早季在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)田前茬為水稻，土壤為砂壤土，耕層土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)22.60 g/kg，全氮1.620 g/kg，全磷0.393 2 g/kg，全鉀 31.75 g/kg，堿解氮 85.2 mg/kg，速效磷84.9 mg/kg，速效鉀86.9 mg/kg，pH 6.68。土壤全氮和全鉀含量較豐富，全磷含量較低，其余養(yǎng)分含量中等。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)施氮處理：常規(guī)施氮(N2)，施尿素407.6 kg/hm2(即純氮187.5 kg/hm2)； 減氮28%(N1)，施尿素293.5 kg/hm2(即純氮135.0 kg/hm2)；不施氮(N0)， 施尿素0 kg/hm2(即純氮0 kg/hm2)。每處理施過(guò)磷酸鈣450.0 kg/hm2(即五氧化二磷54 kg/hm2)、氯化鉀225.0 kg/hm2(即氧化鉀135 kg/hm2)，所有肥料皆作為基肥一次性施用。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積24 m2。其他栽培措施基本一致，2本移栽，插置規(guī)格為20 cm×20 cm。水稻于2009-03-09播種，04-01移栽，“天優(yōu)998”于07-08收割，“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”均于07-15收割。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 水稻成熟后，每小區(qū)取具代表性水稻植株30株調(diào)查有效穗數(shù)，根據(jù)有效穗數(shù)選取代表性植株3株，測(cè)定每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，同時(shí)，測(cè)定100穴水稻產(chǎn)量并根據(jù)密度換算成單位面積實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 稻米品質(zhì)性狀 稻米收獲干燥后儲(chǔ)藏3個(gè)月，測(cè)定品質(zhì)性狀。糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、直鏈淀粉含量和膠稠度的測(cè)定參照部頒標(biāo)準(zhǔn)《NY 147-88米質(zhì)測(cè)定方法》[17]進(jìn)行。

1.3.3 水稻劍葉酶活性 分別于水稻齊穗期、齊穗后7 d、齊穗后14 d和齊穗后21 d，根據(jù)群體的平均莖蘗數(shù)選取5株代表性植株的劍葉，液氮固定后保存于-80 ℃冰箱用于酶活性測(cè)定。蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性參照文獻(xiàn)[18]的方法測(cè)定。

1.3.4 氮肥吸收與利用 于成熟期根據(jù)群體的平均莖蘗數(shù)選取代表性植株5株，用去離子水清洗后于105 ℃下殺青30 min，轉(zhuǎn)至80 ℃烘干至質(zhì)量恒定后稱量。稱取磨碎(過(guò)孔徑0.25 mm篩)的植物樣品0.5 g于100 mL消煮管中，采用H2SO4-HClO4法進(jìn)行消煮，用全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行全氮含量的測(cè)定。吸氮量及氮素利用效率(氮素產(chǎn)谷率、吸氮利用率和生理氮轉(zhuǎn)化率)計(jì)算參考文獻(xiàn)[19]的方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2003進(jìn)行，使用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析和相關(guān)性分析，并采用LSD法檢測(cè)同一品種不同處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

減氮對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響如表1所示。方差分析結(jié)果表明，施氮量與品種互作對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

表 1 減氮對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可以看出，與N2處理相比，N1處理顯著提高了“粵晶絲苗2號(hào)”的實(shí)際產(chǎn)量(P<0.05)，增幅為11.99%，N1處理對(duì)“桂香占”和“天優(yōu)998”的實(shí)際產(chǎn)量均無(wú)顯著影響(P>0.05)；N0處理顯著降低了“粵晶絲苗2號(hào)”、“桂香占”和“天優(yōu)998”的實(shí)際產(chǎn)量(P<0.05)，降幅分別為15.88%，14.11%和21.50%?？梢?，適度減氮可以增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)，不施氮將導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。

由表1還可知，與N2處理相比，N1和N0處理均顯著降低了“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”的有效穗數(shù)，N0處理還顯著降低了“天優(yōu)998”的有效穗數(shù)(P<0.05)，而N1處理對(duì)“天優(yōu)998”的有效穗數(shù)無(wú)顯著影響(P>0.05)?？梢姡瑴p氮對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”的有效穗數(shù)影響顯著，但適度減氮不會(huì)顯著降低“天優(yōu)998”的有效穗數(shù)。與N2處理相比，N1和N0處理顯著提高了“桂香占”的每穗總粒數(shù)(P<0.05)，對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”和“天優(yōu)998”的每穗總粒數(shù)無(wú)顯著影響(P>0.05)。與N2處理相比，N1處理顯著提高了“桂香占”的結(jié)實(shí)率(P<0.05)，N0處理顯著降低了“桂香占”的結(jié)實(shí)率(P<0.05)，N1和N0處理對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”和“天優(yōu)998”的結(jié)實(shí)率無(wú)顯著影響(P>0.05)。與N2處理相比，N1和N0處理對(duì)3個(gè)水稻品種的千粒質(zhì)量均無(wú)顯著影響(P>0.05)。

可見，適度減氮條件下，“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”較高的每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量彌補(bǔ)了其由于減氮導(dǎo)致的有效穗數(shù)不足的制約，適度減氮對(duì)“天優(yōu)998”的各產(chǎn)量構(gòu)成因素均無(wú)顯著影響，這可能是早晚兼用型水稻實(shí)施減氮栽培增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的直接原因。

2.2 減氮對(duì)水稻稻米品質(zhì)的影響

從表2可以看出，與N2處理相比，N1和N0處理對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”的稻米碾磨品質(zhì)(糙米率、精米率和整精米率)均無(wú)顯著影響(P>0.05)；N1處理對(duì)“天優(yōu)998”的稻米碾磨品質(zhì)(糙米率、精米率和整精米率)無(wú)顯著影響(P>0.05)，N0處理顯著提高了“天優(yōu)998”的精米率(P<0.05)，而對(duì)“天優(yōu)998”的糙米率和整精米率均無(wú)顯著影響(P>0.05)。

從表2還可知，與N2處理相比，N1和N0處理對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”的稻米外觀品質(zhì)(堊白粒率和堊白度)無(wú)顯著影響(P>0.05)；N1處理對(duì)“桂香占”的稻米外觀品質(zhì)(堊白粒率和堊白度)無(wú)顯著影響(P>0.05)，但顯著降低了“天優(yōu)998”的堊白粒率和堊白度(P<0.05)；N0處理顯著提高了“桂香占”的稻米堊白粒率(P<0.05)，對(duì)“桂香占”的稻米堊白度和“天優(yōu)998”的稻米外觀品質(zhì)均無(wú)顯著影響(P>0.05)。

表 2 減氮對(duì)水稻稻米品質(zhì)的影響

表2顯示，與N2處理相比，N1和N0處理對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”的稻米蒸煮品質(zhì)(直鏈淀粉含量和膠稠度)均無(wú)顯著影響(P>0.05)；N1處理對(duì)“桂香占”和“天優(yōu)998”的稻米蒸煮品質(zhì)(直鏈淀粉含量和膠稠度)均無(wú)顯著影響(P>0.05)；N0處理顯著提高了“桂香占”的稻米直鏈淀粉含量和“天優(yōu)998”的稻米膠稠度，對(duì)“桂香占”的稻米膠稠度和“天優(yōu)998”的稻米直鏈淀粉含量均無(wú)顯著影響。

可見，適度減氮對(duì)稻米的碾磨品質(zhì)(糙米率、精米率和整精米率)和蒸煮品質(zhì)(直鏈淀粉含量和膠稠度)均無(wú)顯著影響；對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”的稻米外觀品質(zhì)(堊白粒率和堊白度)無(wú)顯著影響；可以提高“天優(yōu)998”的稻米外觀品質(zhì)(堊白粒率和堊白度均降低)。

2.3 減氮對(duì)水稻劍葉代謝關(guān)鍵酶活性的影響

2.3.1 蔗糖磷酸合成酶 蔗糖磷酸合成酶(SPS)是植物體內(nèi)控制蔗糖合成的關(guān)鍵酶。植物體內(nèi)蔗糖的積累與SPS活性呈正相關(guān)，SPS還參與植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成，并在植物的抗逆過(guò)程中起重要作用。減氮對(duì)水稻劍葉蔗糖磷酸合成酶活性的影響如表3所示。

表 3 減氮對(duì)水稻劍葉蔗糖磷酸合成酶活性的影響

從表3可以看出，與N2處理相比，N1處理顯著提高了“粵晶絲苗2號(hào)”和“天優(yōu)998”齊穗期的劍葉SPS活性(P<0.05)；顯著提高了“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”齊穗后7 d的劍葉SPS活性(P<0.05)；對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”齊穗后14和21 d的劍葉SPS活性，“桂香占”齊穗期、齊穗后14和21 d的劍葉SPS活性及“天優(yōu)998”齊穗后7，14和21 d的劍葉SPS活性均無(wú)顯著影響(P>0.05)。與N2處理相比，N0處理顯著提高了“粵晶絲苗2號(hào)”齊穗期劍葉SPS活性，顯著降低了齊穗后7 d劍葉SPS活性，對(duì)齊穗后14和21 d的劍葉SPS活性均無(wú)顯著影響；N0處理對(duì)“桂香占”和“天優(yōu)998”劍葉的SPS活性無(wú)顯著影響?？梢姡m度減氮有利于提高“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”灌漿期劍葉SPS活性，對(duì)“天優(yōu)998”影響不顯著。

2.3.2 蔗糖合成酶 蔗糖合成酶(SS)是植物蔗糖代謝的關(guān)鍵酶，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用。從表4可以看出，與N2處理相比，N1處理顯著提高了“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”齊穗后7和14 d的劍葉SS活性，顯著降低了“天優(yōu)998” 齊穗后14 d的劍葉SS活性(P<0.05)；對(duì)3個(gè)品種其他時(shí)期的劍葉SS活性無(wú)顯著影響(P>0.05)。與N2處理相比，N0處理顯著降低了“桂香占”齊穗期劍葉SS活性(P<0.05)，對(duì)其他品種各時(shí)期的劍葉SS活性均無(wú)顯著影響(P>0.05)。可見，適度減氮總體有利于提高“粵晶絲苗2號(hào)”、“桂香占”和“天優(yōu)998”灌漿期劍葉SS活性。

表 4 減氮對(duì)水稻劍葉蔗糖合成酶活性的影響

2.4 減氮對(duì)水稻氮素利用效率的影響

從表5可以看出，與N2處理相比，N1處理對(duì)3個(gè)水稻品種的吸氮量無(wú)顯著影響(P>0.05)，N0處理顯著降低了3個(gè)水稻品種的吸氮量(P<0.05)。相對(duì)于N2處理，N1處理顯著提高了“粵晶絲苗2號(hào)”的氮素產(chǎn)谷率和生理氮轉(zhuǎn)化率(P<0.05)，對(duì)其吸氮利用率無(wú)顯著影響(P>0.05)；N1處理顯著提高了“桂香占”的氮素產(chǎn)谷率和吸氮利用率(P<0.05)，也提高了生理氮轉(zhuǎn)化率，但未達(dá)顯著水平(P>0.05)；N1處理對(duì)“天優(yōu)998”的氮素產(chǎn)谷率、吸氮利用率及生理氮轉(zhuǎn)化率均無(wú)顯著影響(P>0.05)?？梢?，適度減氮條件下，“粵晶絲苗2號(hào)”的群體吸氮量減少，但氮素利用效率隨之提高；“桂香占”仍具有較大吸氮量，且提高了氮素利用效率；“天優(yōu)998”的群體吸氮量減少，對(duì)氮素利用效率無(wú)顯著影響。

表 5 減氮對(duì)水稻氮素利用效率的影響

2.5 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素與氮吸收的相關(guān)性

從表6可以看出，有效穗數(shù)與實(shí)際產(chǎn)量及吸氮量分別呈顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系，吸氮量與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，產(chǎn)量和吸氮量均與每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

表 6 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素與氮吸收的相關(guān)性

3 討 論

氮肥是影響水稻產(chǎn)量的重要因子之一，前人對(duì)于合適的水稻施氮量進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為適量的氮肥及其在各時(shí)期進(jìn)行合理的分配可以獲得較高的產(chǎn)量和氮肥利用率[14,20]。中國(guó)稻田氮肥吸收利用率大多在 30%～40%[21]，其主要原因可能與氮肥施用量較高有關(guān)。劉懷珍等[22]研究表明，減氮后會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，但差異不顯著；另有研究認(rèn)為，減氮能增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[6-12]。本研究結(jié)果表明，對(duì)華南早晚兼用型水稻減氮28%(施尿素293.5 kg/hm2)能有效增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)。原因在于：減氮28%條件下，“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”較高的穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，能彌補(bǔ)減氮對(duì)有效穗數(shù)的制約，亦能保持“天優(yōu)998”各產(chǎn)量構(gòu)成因子的穩(wěn)定性。同時(shí)，減氮28%處理對(duì)3個(gè)華南早晚兼用型水稻品種吸氮量均無(wú)顯著影響，卻有利于提高“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”的氮素利用效率，對(duì)“天優(yōu)998”的氮素利用效率亦無(wú)顯著負(fù)面影響。同時(shí)，實(shí)施減氮栽培后，水稻生育后期蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)的活性亦較高。因此，減氮最終表現(xiàn)為有利于華南早晚兼用型水稻增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)。通過(guò)進(jìn)一步的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，有效穗數(shù)與產(chǎn)量及吸氮量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，吸氮量與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，減氮栽培后產(chǎn)量提高的關(guān)鍵是因?yàn)樘岣吡宋亢驮黾恿擞行霐?shù)。

施用氮肥是當(dāng)前水稻生產(chǎn)中稻米品質(zhì)的重要調(diào)控手段之一[23-25]，對(duì)不同品種于不同時(shí)期合理地施用氮肥，可以協(xié)調(diào)水稻的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)[26-27]。謝黎虹等[28]以秈粳雜交水稻“甬優(yōu)6號(hào)”為材料，研究發(fā)現(xiàn)施氮處理稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白度、膠稠度、蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)指標(biāo)均明顯高于不施氮處理，但施氮處理間差異不顯著。本試驗(yàn)結(jié)果表明，適度減氮處理能保持或改善華南早晚兼用型水稻稻米品質(zhì)。適度減氮對(duì)“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”稻米品質(zhì)性狀均無(wú)顯著影響，這可能是由于適度減氮提高了“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”灌漿期劍葉蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)的活性，協(xié)調(diào)了水稻品種的碳氮代謝。即適度減氮處理能使常規(guī)優(yōu)質(zhì)稻保持稻米品質(zhì)性狀的穩(wěn)定性；能改善“天優(yōu)998”的外觀品質(zhì)(降低堊白粒率和堊白度)，進(jìn)而表現(xiàn)出一定的優(yōu)米效果，說(shuō)明適度減氮對(duì)雜交水稻稻米品質(zhì)具有良好的改善效果。

4 結(jié) 論

與常規(guī)施氮相比，適度減氮有利于華南早晚兼用型水稻增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)，并保持或改善稻米品質(zhì)。因?yàn)檫m度減氮下協(xié)調(diào)了“粵晶絲苗2號(hào)”和“桂香占”的產(chǎn)量構(gòu)成，而對(duì)“天優(yōu)998”產(chǎn)量構(gòu)成無(wú)顯著影響；且適度減氮對(duì)于劍葉關(guān)鍵酶無(wú)顯著負(fù)面影響，對(duì)氮吸收影響不顯著，且有利于保持較高的氮素利用效率。

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