氮素及栽培密度影響水稻分蘗動(dòng)態(tài)的機(jī)制

田廣麗，周 毅，孫 博，張瑞卿，周新國，郭世偉*

（1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；3 安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽鳳陽 233100；4 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(tái) 224246）

分蘗是水稻個(gè)體強(qiáng)壯程度的重要特征[1]，也是決定作物產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀[2–3]。水稻分蘗除受自身遺傳因素的作用外,還受營養(yǎng)條件、溫度、光照、水分、種植密度等外界因素的影響。其中，又以氮素對(duì)分蘗的影響尤為明顯。氮素不僅是氨基酸、核糖核酸、葉綠體、ATP和植物激素的重要組成部分，同時(shí)還參與碳氮代謝、蛋白質(zhì)合成等生物學(xué)過程。因而，缺氮會(huì)嚴(yán)重影響植株的正常生長，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[4–5]。已有研究表明，氮素對(duì)水稻群體的生長，特別是分蘗的發(fā)生至關(guān)重要[6]。

在傳統(tǒng)栽培模式下，人們普遍通過增施氮肥來增強(qiáng)水稻的分蘗能力，致使我國氮肥的施用嚴(yán)重過量，利用率顯著低于世界平均水平，且對(duì)環(huán)境造成了極大的威脅[7–8]。這種現(xiàn)象在江蘇省尤為突出[9–11]，因而進(jìn)一步探索提高稻苗分蘗能力的其他途徑尤為重要。合適的栽培密度是調(diào)控水稻分蘗的關(guān)鍵技術(shù)之一[12–13]，可促使水稻形成具有高產(chǎn)能力的群體。本試驗(yàn)通過研究氮水平及移栽密度對(duì)水稻分蘗的主效應(yīng)及其交互效應(yīng)，將對(duì)水稻的實(shí)際生產(chǎn)有很好的理論指導(dǎo)和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)1：田間試驗(yàn)于2014年5—12月在江蘇省如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 (120.49°E、32.44°N) 的南京農(nóng)業(yè)大學(xué)6年長期定位試驗(yàn)田進(jìn)行，供試土壤為由江淮沖積物發(fā)育而成的薄層高砂土。試驗(yàn)田的地力均勻，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(jī)質(zhì)11.97 g/kg、全氮1.02 g/kg、有效磷 23.96 mg/kg、速效鉀 83.53 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(hào)”，分別于每年5月中旬播種育秧，6月25日前后移栽，10月底收獲。

試驗(yàn)2：溶液培養(yǎng)試驗(yàn)同時(shí)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間長期定位試驗(yàn)為氮肥用量與種植密度的兩因素試驗(yàn)。設(shè)置5個(gè)氮肥用量水平：0、90、180、270和 360 kg/hm2，作為主區(qū)，分別以 N0、N90、N180、N270和N360 表示。以種植密度為副區(qū)，設(shè)置2個(gè)密度水平：高密度 (High density，HD，32.5 ×104穴/hm2)，行株距為 22 cm× 14 cm；低密度 (Low density，LD，25.5 × 104穴/hm2)，行株距為 28 cm ×14 cm。共10個(gè)處理，設(shè)3個(gè)區(qū)組，隨機(jī)排列，共30 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積 50 m2(5 m × 10 m)。每個(gè)小區(qū)均單設(shè)進(jìn)、排水口，小區(qū)間田埂用防水布覆蓋隔離防滲，且每個(gè)小區(qū)四周均設(shè)保護(hù)行。

營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn)在容積約 7 L (長 315 mm × 寬216 mm × 高 105 mm) 的周轉(zhuǎn)箱中進(jìn)行：設(shè)置低、中、高，即，5、40、80 mg/kg 3 個(gè)氮濃度和高密度(24 株/箱)、低密度 (12 株/箱) 2 個(gè)栽培密度。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施方法

1.3.1 田間試驗(yàn)水分管理方式 薄水移栽，寸水活棵；苗期淺水勤灌，在每公頃分蘗數(shù)達(dá)到約300萬時(shí)，進(jìn)行烤田；孕穗期保持淺水層，深水抽穗揚(yáng)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 (P2O5) 用量為 75 kg/hm2，于移栽前1天一次性施入；鉀肥 (K2O) 用量為90 kg/hm2，按基肥∶促花肥為2∶1的比例施用。在插秧的前1天施基肥，插秧后7～10天施分蘗肥，促花肥在倒四葉時(shí)施入，?；ǚ试诘苟~時(shí)施入。病蟲草害管理根據(jù)當(dāng)?shù)厮静∠x害防治常規(guī)方法進(jìn)行。

1.3.2 營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn) 水稻種子用 10% H2O2溶液消毒30 min后，9中，培養(yǎng)至兩葉一心，再選取長勢(shì)一致的健壯幼苗移栽到周轉(zhuǎn)箱中，培養(yǎng)30 d后收獲。營養(yǎng)液采用國際水稻所 (IRRI)建議的修正營養(yǎng)液 (pH5.7)[14]，其中 Fe2+用 Fe (EDTANa2) 代替，營養(yǎng)液中 K+、Na+、Ca2+、Mg2+的濃度保持不變。在培養(yǎng)過程中，每3 d更換1次營養(yǎng)液。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 田間試驗(yàn) 水稻移栽后施分蘗肥的前1天進(jìn)行第一次取樣，之后每10天取1次樣。每次取樣時(shí)，在每個(gè)小區(qū)選取長勢(shì)一致的3穴植株，分葉、莖鞘兩部分，先用自來水將植株沖洗干凈，然后去離子水沖洗，于105℃殺青30 min，75℃烘至恒重。冷卻后，稱重各器官重量，并根據(jù)取樣穴數(shù)，分別計(jì)算每平方米種植面積的水稻各器官的重量，用于計(jì)算養(yǎng)分的總累積量。使用高速萬能不銹鋼粉碎機(jī)將樣品粉碎，用于養(yǎng)分含量測(cè)定。

采用 Vario EL Ⅲ元素分析儀 (德國 Elementar公司) 測(cè)定植株全氮、全碳；

采用LAI-2200(美國LI-COR公司) 植物冠層分析儀測(cè)定水稻的LAI、PAR。

相對(duì)分蘗速率 (tiller/d) = [ln (N2) – ln (N1)] /(T2– T1)式中：N2和N1分別是時(shí)間T2和T1時(shí)每平方米的分蘗數(shù)。

相對(duì)生長速率 [g/(g?d)] = [ln (W2) – ln (W1)]/(T2– T1)式中：W2和W1分別是時(shí)間T2時(shí)和時(shí)間T1時(shí)的生物量。

1.4.2 溶液培養(yǎng)試驗(yàn) 移栽后每隔 7 d 取1次樣，每次取樣時(shí)，每個(gè)處理選取長勢(shì)一致的3株植株，用自來水沖洗干凈，將其從根基部剪下，均勻散鋪在掃描盤中，采用根系掃描儀 (Epson Expression 10000XL，USA) 進(jìn)行掃描，利用圖像分析軟件(WinRHIZO，Canada) 對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行定量化分析；同時(shí)人工計(jì)數(shù)每株苗的不定根數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用 SigmaPlot 12.5、Spss 16.0、Microsoft Office Excel 2010、Photoshop 等軟件進(jìn)行作圖、分析、統(tǒng)計(jì)，所有數(shù)據(jù)運(yùn)用LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮水平及栽培密度對(duì)水稻分蘗和成穗率的影響

圖1 氮水平及栽培密度對(duì)水稻分蘗動(dòng)態(tài)的影響Fig.1 The effect of N level and transplant density on the dynamic of tillering

由圖1可知，隨分蘗的持續(xù)，各處理下單位面積的水稻分蘗數(shù)均呈先增加后下降的趨勢(shì)。水稻在5個(gè)氮水平下的最大分蘗數(shù)分別達(dá)每平方米184個(gè)、295個(gè)、360個(gè)、365個(gè)、382個(gè)，隨氮水平的增加而增加，但增幅逐漸降低。高栽培密度 (HD) 下單位面積的水稻分蘗數(shù)始終明顯大于低栽培密度 (LD)，而HD下單穴水稻分蘗數(shù)則始終小于LD (圖1)。5個(gè)氮水平下，水稻的有效分蘗數(shù)分別為163、257、290、293、285 個(gè)/m2，氮水平低于 180 kg/hm2時(shí)，各氮水平下有效分蘗數(shù)存在顯著差異。且氮水平大于180 kg/hm2時(shí)，單位面積的水稻有效分蘗達(dá)最高水平。當(dāng)?shù)降陀?80 kg/hm2時(shí)，在HD下，單位面積的水稻有效分蘗數(shù)明顯大于LD，而當(dāng)?shù)礁哂?80 kg/hm2時(shí)，HD和LD下單位面積的水稻有效分蘗數(shù)無明顯差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨氮水平的升高，水稻的成穗率呈下降趨勢(shì)，其成穗率分別為88.6%、87.1%、80.6%、80.3%、74.6%。

2.2 水稻鞘氮、碳濃度及碳氮比對(duì)水稻相對(duì)分蘗速率的影響

水稻植株體內(nèi)的養(yǎng)分含量是影響其分蘗的主要因素。隨氮水平增加水稻鞘的氮濃度增加 (圖2A)，從N0到N360，氮水平間水稻鞘的氮濃度間均存在顯著的差異，其氮濃度從2.1%升高至3.3%，且分析表明水稻鞘的氮濃度與水稻的相對(duì)分蘗速率存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系 (表3)。但是，兩種栽培密度間水稻鞘的氮濃度無顯著差異。

碳素是水稻干物質(zhì)的主要組成元素之一。然而水稻鞘的碳濃度不受氮水平及栽培密度的影響 (圖2B)，各處理下水稻鞘的碳濃度均無顯著差異，且水稻鞘碳濃度與其相對(duì)分蘗速率間無顯著的相關(guān)關(guān)系 (表3)。但是，由圖2C可知，隨氮水平的增加，水稻鞘的碳氮比從18.1降低至11.8，且兩個(gè)栽培密度間無顯著的差異。分析表明，水稻的相對(duì)分蘗速率與其鞘的碳氮比呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系 (表3)。由于不同氮水平處理間水稻鞘碳濃度差異不大，碳氮比差異主要是由其氮濃度差異所致，因此，水稻鞘的碳氮比是否確實(shí)能影響水稻的相對(duì)分蘗速率有待進(jìn)一步的研究。

圖2 水稻葉鞘氮、碳濃度、葉鞘干物質(zhì)分配、群體冠層凈光截獲率Fig.2 Sheath nitrogen (N) and carbon (C) concentration, biomass distribution of leaf and sheath, and canopy net light interception rate of rice

2.3 氮水平及栽培密度對(duì)水稻相對(duì)分蘗速率及干物質(zhì)生產(chǎn)與分配的影響

進(jìn)一步分析各處理下的分蘗動(dòng)態(tài)可發(fā)現(xiàn)，隨氮水平的升高，水稻達(dá)到有效分蘗所需時(shí)間變長，且HD下達(dá)到有效分蘗的時(shí)間總體上少于LD下。由表1可知，隨氮水平的增加，水稻的相對(duì)分蘗速率從0.46 tiller/d升高至0.64 tiller/d。在HD下，當(dāng)?shù)綖?80 kg/hm2時(shí)，水稻的相對(duì)分蘗速率達(dá)最高水平；而在LD下，當(dāng)?shù)綖?0 kg/hm2時(shí)，水稻的相對(duì)分蘗速率達(dá)最高水平。說明在不同的栽培密度下，氮水平對(duì)水稻的相對(duì)分蘗速率的影響存在一定的差異。由表1可知，水稻葉、鞘的相對(duì)生長速率隨氮水平的升高而加快，且以LD下各處理總體高于HD各處理，但兩密度間無顯著差異。具體表現(xiàn)為：在HD和LD下，水稻葉的平均相對(duì)生長速率分別為 0.1116、0.1136 g/(g?d)，而鞘的平均相對(duì)生長速率分別為 0.1106、0.1134 g/(g?d)。同時(shí)，表3表明，在水稻分蘗時(shí)，植株葉、鞘的相對(duì)生長速率都與其相對(duì)分蘗速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P＜0.05)。因此，氮水平通過影響單穴 (個(gè)體) 植株的生長速率進(jìn)而影響了水稻的相對(duì)分蘗速率。

此外，水稻的相對(duì)分蘗速率與其干物質(zhì)向葉的分配比例也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系 (表3)。由圖2D可知，氮水平低于180 kg/hm2時(shí)，隨氮水平升高，水稻干物質(zhì)向葉片的分配比例從0.47升高至0.51；但是，在HD和LD下，相同氮水平處理下的水稻干物質(zhì)向葉片的分配比例沒有明顯差異。

表1 氮水平及栽培密度對(duì)水稻分蘗中期相對(duì)分蘗速率及相對(duì)生長速率的影響Table1 The effect of N level and transplant density on relative tiller rate at middle-tillering stage

表2 不同氮及栽培密度苗期單株水稻根系形態(tài)參數(shù)Table2 Root morphology parameters of individual rice seedling affected by N levels and transplant densities

表3 葉片生長及根系特征相關(guān)系數(shù) (r)Table3 Correlation coefficients (r) between leaf development and root characteristics of rice

2.4 水稻冠層凈光截獲率對(duì)水稻相對(duì)分蘗速率的影響

圖2E表明，在分蘗中期，水稻冠層凈光截獲率(PAR) 隨氮水平的增加而增加，且HD凈光截獲率顯著高于LD。在HD下，當(dāng)?shù)綖镹180 kg/hm2時(shí)，水稻冠層的PAR約為43%，當(dāng)?shù)酱笥?80 kg/hm2時(shí)，水稻冠層的PAR增幅明顯降低；在LD下時(shí)，隨氮水平的升高，水稻冠層的PAR持續(xù)增加，從15%增加至35%。這說明，栽培密度明顯影響了水稻冠層的PAR。此外，由圖2E和表3可以看出，在HD和LD兩個(gè)栽培密度下，水稻冠層的PAR與其相對(duì)分蘗速率呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2.5 不同氮水平及栽培密度對(duì)水稻苗期根系形態(tài)的影響

對(duì)苗期水稻根系的分析結(jié)果表明 (表2)，隨氮濃度的增加，單株的不定根數(shù)增加，且在較高氮水平時(shí)LD下單株的不定根數(shù)顯著大于HD下；并且HD和LD下，單株根系形態(tài)特征存在顯著差異，具體表現(xiàn)為：HD和LD處理的平均根總長分別為3539、5254 cm/株，平均根表面積分別為 331、464 cm2/株，平均根直徑分別為0.86 mm、1.07 mm，平均根系總體積分別為2.69、3.87 cm3/株，平均根尖數(shù)分別為3.07 × 104/株、5.00 × 104/株；然而，由于單個(gè)周轉(zhuǎn)箱HD下水稻的移栽數(shù)是LD下的兩倍，因此從整體來看，HD下群體的根系要明顯優(yōu)于LD下。

3 討論與結(jié)論

分蘗是與水稻群體質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量密切相關(guān)的農(nóng)藝性狀[1,15]，由莖鞘基部的蘗芽發(fā)育而成，是一個(gè)可以調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程[16]。氮水平和栽培密度是影響水稻分蘗動(dòng)態(tài)的兩個(gè)最主要的因素[17–18]。馮來定等[19]研究表明，水稻的分蘗數(shù)與土壤NH4+含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而栽培密度也是協(xié)調(diào)水稻群體的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)之一，但是，關(guān)于氮水平和栽培密度對(duì)水稻分蘗產(chǎn)生的研究卻少見。本研究分別從水稻分蘗期的干物質(zhì)生產(chǎn)、干物質(zhì)分配、植株體內(nèi)的養(yǎng)分含量、水稻群體冠層對(duì)光的截獲及水稻根系的形態(tài)差異，綜合解釋氮水平及栽培密度的交互作用對(duì)水稻分蘗能力的影響。

3.1 水稻鞘養(yǎng)分濃度對(duì)其分蘗能力的影響

在本試驗(yàn)中，水稻的相對(duì)分蘗速率與其鞘氮濃度、碳濃度、碳氮比之間分別呈極顯著正相關(guān)關(guān)系、無相關(guān)關(guān)系、顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。相關(guān)研究表明，莖鞘氮濃度的增加，一方面使水稻蘗芽或莖鞘基部的玉米素和植物生長素的含量增加，脫落酸的含量降低，進(jìn)而促使水稻的蘗芽從休眠狀態(tài)中釋放得以生長[20–21]；另一方面，植株體內(nèi)較高的氮素含量可促進(jìn)其光合產(chǎn)物的合成，進(jìn)而為分蘗的生長提供足夠的同化物，因此，植株體內(nèi)的氮濃度可從激素和干物質(zhì)生產(chǎn)兩個(gè)方面調(diào)控分蘗的發(fā)生和生長。由于水稻鞘的碳氮比差異是由鞘氮濃度的差異引起的，并且有關(guān)水稻植株碳氮比對(duì)其分蘗影響的相關(guān)報(bào)道甚少，因此，鞘碳氮比與水稻相對(duì)分蘗速率關(guān)聯(lián)的生理依據(jù)尚有待進(jìn)一步研究。在相同氮水平下，由于HD的基礎(chǔ)苗較多，因此，可更早更快地達(dá)到群體最大葉面積，進(jìn)而造成水稻基部光強(qiáng)和光質(zhì)的差異[22–24]；此外，栽培密度能直接影響水稻主莖與其分蘗對(duì)養(yǎng)分吸收和空間利用的競爭關(guān)系[25]，即莖鞘氮濃度與植株葉面積兩者相互依賴，進(jìn)而影響著水稻的分蘗動(dòng)態(tài)[17]。此現(xiàn)象在本研究中表現(xiàn)為：在HD下，氮水平大于N180時(shí)，水稻單位面積分蘗的增加幅度明顯變小或有下降趨勢(shì)，而在LD下，當(dāng)?shù)酱笥贜270時(shí)才明顯降低。

3.2 干物質(zhì)生產(chǎn)能力對(duì)水稻分蘗能力的影響

Lafarge等[26]對(duì)高粱的研究表明，同化物供給充足時(shí)便會(huì)有分蘗的發(fā)生和生長，而當(dāng)同化物的供給不足時(shí)分蘗的發(fā)生將停止或已發(fā)生的分蘗將死亡。在本試驗(yàn)中，隨氮水平的增加，水稻葉片氮濃度增加，提高了植株的光合速率，加快了干物質(zhì)的生產(chǎn)速率[27]，葉和鞘的相對(duì)生長速率逐漸增加，而水稻分蘗中期的相對(duì)分蘗速率與其葉、鞘的相對(duì)生長速率均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。此外，隨氮水平的增加，LD下葉和鞘的相對(duì)生長速率普遍大于HD下。氮水平相同時(shí)，HD和LD下植株的氮濃度無差異，因此，兩者的光合速率無差異；但LD下單穴水稻對(duì)光的截獲大于HD下，因此，LD下單穴水稻的干物質(zhì)生產(chǎn)能力大于HD下，相對(duì)生長速率快，進(jìn)而具有較大的相對(duì)分蘗速率和較強(qiáng)的分蘗能力。另外，隨氮水平的增加，干物質(zhì)向葉片的分配比例增大，因而，隨氮水平的增加，水稻群體的葉面積指數(shù)和光能的利用率增高，干物質(zhì)的生產(chǎn)速率增加[27–28]，進(jìn)而使水稻獲得了較充足的干物質(zhì)供其分蘗的發(fā)生和生長。

3.3 凈光截獲率對(duì)水稻分蘗能力的影響

光能的利用是影響水稻生長的重要因素，由圖2E、表3可知，HD和LD下的凈光截獲率存在顯著差異，此時(shí)HD和LD下的平均PAR分別是39%、26%，說明兩個(gè)栽培密度下水稻分蘗期對(duì)光能的利用存在顯著差異。這可能是因?yàn)槿后w未完成建立時(shí)，植株尚未封行，水稻群體的葉面積指數(shù)隨栽培密度的增加而增加[29]，并將進(jìn)一步從干物質(zhì)的生產(chǎn)和水稻基部光強(qiáng)、光質(zhì)兩方面對(duì)水稻群體的分蘗產(chǎn)生影響。

3.4 水稻根系特征對(duì)其分蘗能力的影響

根系是植物獲取養(yǎng)分、水分、合成各種激素、有機(jī)酸、氨基酸及支撐植物的重要部位[30]。根系形態(tài)和生理特性與地上部的生長和發(fā)育密切相關(guān)[31–33]。Li[34]研究表明，水稻的蘗長在主莖上，依賴于屬于自身的不定根總根長。在本試驗(yàn)中，水稻單株分蘗數(shù)與其不定根數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；且HD下群體不定根數(shù)、根長等明顯優(yōu)于LD下。因此，兩個(gè)栽培密度下根系特征的差異可以從一定程度上解釋單穴(個(gè)體) 水稻的分蘗能力的差異。

綜上所述，氮水平及栽培密度通過影響水稻干物質(zhì)的生產(chǎn)能力、干物質(zhì)的分配比例、植株體內(nèi)氮素濃度、群體冠層對(duì)光能的利用及根系的生長發(fā)育，影響水稻的分蘗能力。所有指標(biāo)均表明，相同氮水平時(shí)，低栽培密度下個(gè)體生長優(yōu)于高栽培密度下；但對(duì)于群體而言，高栽培密度下更利于高產(chǎn)水稻群體的建立，且需氮水平低于低栽培密度下。