不同時(shí)期超級(jí)雜交稻光合特性及氮素利用效率研究

黎 星 程慧煌 曾勇軍 汪 勇 商慶銀,*

(1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌 330045；2 江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

隨著我國(guó)人口的不斷增加和土地可耕種面積的逐漸減少，提高水稻單產(chǎn)是解決我國(guó)糧食安全問(wèn)題的關(guān)鍵所在[1-2]。由此，為追求高產(chǎn)、更高產(chǎn)的超級(jí)雜交稻應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。自1996年，農(nóng)業(yè)部正式立項(xiàng)中國(guó)超級(jí)稻育種計(jì)劃以來(lái)，為一季中稻相繼設(shè)置了4期產(chǎn)量目標(biāo)：10.5、12.0、13.5和15.0 t·hm-2，且在袁隆平提出雜交水稻“形態(tài)改良與雜種優(yōu)勢(shì)利用相結(jié)合”的超高產(chǎn)育種技術(shù)路線指引下，各個(gè)時(shí)期的超級(jí)雜交稻育種目標(biāo)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)。其中，兩優(yōu)培九于2000年實(shí)現(xiàn)第1期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量目標(biāo)；2004年代表性品種Y兩優(yōu)1號(hào)實(shí)現(xiàn)第2期目標(biāo)；2011年Y兩優(yōu)2號(hào)平均達(dá)13.9 t·hm-2，實(shí)現(xiàn)了第3期超級(jí)雜交稻單產(chǎn)目標(biāo)；2014年，第4期超級(jí)雜交稻代表品種Y兩優(yōu)900創(chuàng)造平均15.4 t·hm-2的高產(chǎn)紀(jì)錄；2015年，正式啟動(dòng)第5期超級(jí)雜交稻育種攻關(guān)[5]。隨著品種的改良和產(chǎn)量的不斷突破，水稻對(duì)氮素的需求也不斷提高。在現(xiàn)有的栽培體系中，部分農(nóng)戶盲目追求高產(chǎn)過(guò)量施用氮肥，不僅造成了資源的浪費(fèi)，而且嚴(yán)重破壞了環(huán)境[6]。因此要確定適宜的施氮量，使其與作物對(duì)氮素需求量相一致，充分提高氮肥的利用效率，以期投入最少的氮肥而實(shí)現(xiàn)水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[7]。

不同水稻品種間氮肥利用效率存在顯著差異[8]。研究表明，水稻葉片的光合速率與氮素吸收有密切的聯(lián)系。魏海燕等[9]認(rèn)為葉片的光合特性與其氮肥利用效率密切相關(guān)，延緩葉片的光合時(shí)期可有效促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收，提高氮肥利用效率；聶軍等[10]研究表明，施氮能夠提高水稻葉綠素含量，增加光合速率，從而加快干物質(zhì)的積累；馬群等[11]指出光合時(shí)期長(zhǎng)的水稻品種，凈光合速率大，對(duì)氮素的需求量也大；裴鵬剛等[12]研究表明，適宜的施氮量可促進(jìn)水稻莖蘗發(fā)生和有效穗形成，增加氮素和光合同化物積累，從而增加稻谷產(chǎn)量。目前，前人研究主要是針對(duì)水稻光合作用和施氮量的關(guān)系，而關(guān)于不同時(shí)期超級(jí)稻品種間光合速率和氮肥利用效率差異的內(nèi)在機(jī)理尚不明確。為此，本試驗(yàn)采用農(nóng)業(yè)部已認(rèn)定的3個(gè)超級(jí)雜交稻品種兩優(yōu)培九、Y兩優(yōu)1號(hào)和Y兩優(yōu)2號(hào)及已達(dá)第4和第5期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量水平的Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900[5]為試驗(yàn)材料，開(kāi)展不同時(shí)期超級(jí)雜交稻氮素利用效率差異機(jī)理的研究，以期為超級(jí)雜交稻的育種及高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試品種

試驗(yàn)于2016-2017年在成新農(nóng)場(chǎng)(116°15′E，28°92′N(xiāo))進(jìn)行，供試土壤類(lèi)型為沙壤土，其理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)24.3 g·kg-1、全氮1.5 g·kg-1、速效氮158.15 mg·kg-1、速效磷12.6 mg·kg-1、速效鉀122.0 mg·kg-1、pH值5.4。供試品種為5個(gè)時(shí)期代表性超級(jí)雜交稻品種，分別為兩優(yōu)培九、Y兩優(yōu)1號(hào)、Y兩優(yōu)2號(hào)、Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，肥料為主區(qū)，設(shè)置4個(gè)施氮水平，即純氮用量分別為0(F0)、210(F1)、300(F2)和390(F3) kg·hm-2；品種為副區(qū)。施入氮肥按含氮率折合成尿素，按照基肥∶蘗肥∶穗肥=4∶2∶4比例施入。基肥于移栽前1 d施入，分蘗肥于移栽后7 d施入，穗肥于幼穗分化四期施入。各小區(qū)磷肥施用量為150 kg·hm-2，磷肥作基肥一次性施用。鉀肥施用量為300 kg ·hm-2，其中50%作為基肥，50%于倒4葉期施用。各小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m)，重復(fù)3次。小區(qū)間采用塑料薄膜包埂，避免竄水竄肥。

由于5個(gè)品種的生育期不同，為確保同時(shí)抽穗，采用分期播種方式。2016年，Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900均于5月19日播種，其他品種于5月24日播種；2017年，Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900均于5月15日播種，其他品種于5月20日播種。移栽日期分別為2016年6月16日和2017年6月13日。收獲日期分別為2016年10月11日和2017年10月9日。栽插密度為20 cm×30 cm，每穴插2苗。其他管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培措施相同。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 光合特性測(cè)定 在水稻灌漿期，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的上午9：00-11:00利用 CI-340型便攜式光合儀(美國(guó)CID公司)測(cè)定具有代表性植株的劍葉凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)和胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)。

1.3.2 比葉重、氮含量及氮素光合利用效率的測(cè)定 將測(cè)定光合特性后的植株取回，用小樣葉面積法測(cè)定單株葉片葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)[13]，然后將葉片于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱量干物質(zhì)重(dry matter weight，DM)，按照公式計(jì)算比葉重(specific leaf weight，SLW)：

SLW=DM/LAI

(1)。

將上述葉片粉碎，采用Foss-8400型全自動(dòng)定氮儀(美國(guó)福斯公司)測(cè)定葉片氮含量(leaf nitrogen content，LNC)。按照公式分別計(jì)算單位葉面積氮含量(nitrogen content per unit leaf area, Na)和氮素光合利用效率(nitrogen photosynthetic utilization efficiency, PNUE)：

Na=(葉片全氮含量×比葉重)/100

(2)

PNUE=Pn/Na

(3)。

1.3.3 氮素利用效率 于成熟期按平均有效穗數(shù)每小區(qū)取水稻植株3穴，將莖鞘、葉片、穗分開(kāi)，105℃殺青30 min，80℃烘至恒重。采用Foss-8400型全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定植株的氮素含量。按照公式分別計(jì)算氮素農(nóng)學(xué)利用率(nitrogen agronomic utilization，AEN)、吸收利用率(absorption utilization，REN)、氮素生理利用率(nitrogen physiological utilization，PEN)、氮素偏生產(chǎn)力(nitrogen partial productivity，PEPN)[14]：

AEN=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

(4)

REN=(施氮區(qū)植株地上部氮累積量-不施氮區(qū)植株地上部氮累積量)/施氮量×100%

(5)

PEN=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)地上部氮累積量-不施氮區(qū)地上部氮累積量)

(6)

PEPN=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

(7)。

1.3.4 實(shí)際產(chǎn)量及生物產(chǎn)量 在水稻成熟期，每個(gè)小區(qū)實(shí)收約4 m2進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。成熟期地上部干物質(zhì)總量即為生物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010、DPS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。產(chǎn)量和地上生物量為 2016和 2017年數(shù)據(jù)，其他各項(xiàng)指標(biāo)為2016年數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量及生物產(chǎn)量的影響

方差分析表明，施氮量(F)和品種(C)對(duì)水稻實(shí)際產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均有極顯著影響(表1)。2016年與2017年趨勢(shì)基本一致，隨著施氮量的增加，2016、2017年兩優(yōu)培九、Y兩優(yōu)1號(hào)和Y兩優(yōu)2號(hào)的實(shí)際產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均呈先增加后降低的趨勢(shì)，且均在施氮量為F2水平時(shí)達(dá)到最高，其中2016年的實(shí)際產(chǎn)量分別為7.40、9.11和10.31 t·hm-2，2017年分別為6.82、8.48和9.14 t·hm-2；Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900的實(shí)際產(chǎn)量和生物產(chǎn)量隨著施氮量的增加均表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì)，且均在施氮量為F3水平時(shí)達(dá)到最高，其中2016年的實(shí)際產(chǎn)量分別為10.83和11.10 t·hm-2，顯著高于F0和F1水平，但與F2水平無(wú)顯著差異，2017年分別為8.19、8.00 t·hm-2。2016年平均實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為湘兩優(yōu)900>Y兩優(yōu)2號(hào)>Y兩優(yōu)900>Y兩優(yōu)1號(hào)>兩優(yōu)培九；2017年平均實(shí)際產(chǎn)量表現(xiàn)為Y兩優(yōu)2號(hào)>Y兩優(yōu)900>Y兩優(yōu)1號(hào)>湘兩優(yōu)900>兩優(yōu)培九。

表1 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量及地上部生物產(chǎn)量的影響Table 1 Effect of nitrogen application rate on yield and aboveground biomass of super hybrid rice in different periods /(t·hm-2)

注:同列不同小寫(xiě)字母表示相同品種的不同施氮量間差異顯著(P<0.05)。*和**分別表示在5%和1%水平影響顯著和極顯著；ns表示影響不顯著；F：施氮量；C：品種；FXC：施肥與品種互作。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level among different nitrogen application amounts of the same variety.*and**indicate significant and positive effects at 0.05 and 0.01 level, respectively. ns indicates that there is no prominent influence. F: The amount of nitrogen application; C: Cultivar. FXC: The amount of nitrogen application and variety interaction. The same as following.

2.2 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻凈光合速率及相關(guān)光合特征的影響

由表2可知，施氮量和品種對(duì)水稻Pn、Tr、Ci和Gs均有顯著影響。各品種Pn均隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，兩優(yōu)培九、Y兩優(yōu)1號(hào)和Y兩優(yōu)2號(hào)均在施氮量F2水平下達(dá)到最高，其中兩優(yōu)培九和Y兩優(yōu)1號(hào)的Pn與其他處理間差異顯著；Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900的Pn在施氮量F1水平下最高。各品種平均Pn表現(xiàn)為Y兩優(yōu)900>Y兩優(yōu)1號(hào)>兩優(yōu)培九>湘兩優(yōu)900>Y兩優(yōu)2號(hào)。各時(shí)期超級(jí)雜交稻品種Ci隨著施氮量的增加均呈先增加后降低的趨勢(shì)。由表3可知，Pn與Tr呈顯著正相關(guān)(r=0.54*)，與Ci呈極顯著正相關(guān)(r=0.67**)，而與Gs相關(guān)性不顯著。

表2 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻凈光合速率及相關(guān)光合特征的影響Table 2 Differences in net photosynthetic rate and related photosynthetic characteristics of super hybrid rice at different stages during nitrogen application rate

表3 不同施肥條件下各品種凈光合速率與相關(guān)光合特征的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation between Pn and related photosynthetic characteristics of different varieties under different fertilization conditions

注：*和**分別表示在5%和1%水平顯著和極顯著相關(guān)。

Note:*and**indicate significant and positive correlation at 0.05 and 0.01 lvel, respectively.

2.3 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻SLW、LNC、Na和PNUE的影響

施氮量和品種對(duì)氮素光合利用效率(PNUE)、葉片氮含量(leaft nitrogen content， LNC)和單位面積氮含量(Na)均存在顯著或極顯著影響，但施氮量整體上對(duì)比葉重(SLW)無(wú)顯著性影響，而品種對(duì)SLW存在極顯著影響(表4)。除兩優(yōu)培九和Y兩優(yōu)2號(hào)的Na呈先增加后減少趨勢(shì)外，各超級(jí)雜交稻品種的LNC和Na均隨著施氮量的增加而增加。除兩優(yōu)培九、Y兩優(yōu)1號(hào)的PNUE無(wú)明顯變化規(guī)律外，其他品種的PNUE均隨著施氮量的增加整體上呈逐漸下降的趨勢(shì)。各超級(jí)雜交稻品種的SLW的平均值依次表現(xiàn)為Y兩優(yōu)900>湘兩優(yōu)900>Y兩優(yōu)1號(hào)=Y兩優(yōu)2號(hào)>兩優(yōu)培九。由線性回歸分析可知，PNUE和Pn與SLW均無(wú)顯著線性相關(guān)關(guān)系，Na與PNUE呈極顯著線性負(fù)相關(guān)，與Pn呈極顯著線性正相關(guān)，Pn與PNUE呈顯著線性負(fù)相關(guān)(圖1)。

圖1 各品種之間SLW、Pn、Na和PNUE的線性關(guān)系Fig.1 The linear relationship between SLW, Pn, Na and PNUE among varieties

表4 不同施肥條件下各時(shí)期超級(jí)稻品種之間SLW、N、Na和PNUE的差異比較Table 4 Comparison of SLW, N, Na and PNUE among different varieties under different fertilization conditions

2.4 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻氮素利用率的影響

由表5可知，施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)稻的氮素農(nóng)學(xué)利用率(AEN)、偏生產(chǎn)力(PEPN)和氮素吸收利用率(REN)有極顯著或顯著影響，但對(duì)氮素生理利用率(PEN)無(wú)顯著影響。兩優(yōu)培九、Y兩優(yōu)1號(hào)和Y兩優(yōu)2號(hào)的AEN均在F1水平下達(dá)到最高，且均隨著施氮量的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)；Y兩優(yōu)900和湘兩優(yōu)900的AEN隨著施氮量的增加均呈先升高后下降的趨勢(shì)，且在F2水平下達(dá)到最高。各時(shí)期超級(jí)雜交稻品種的PEPN隨著施氮量的增加均呈顯著下降的趨勢(shì)，其中湘兩優(yōu)900的平均PEPN最高，而兩優(yōu)培九最低。

對(duì)不同品種而言，Y兩優(yōu)900、湘兩優(yōu)900的平均AEN、REN、PEN和PEPN均高于其他3個(gè)品種，說(shuō)明隨著超級(jí)雜交稻品種的改進(jìn)，超級(jí)雜交稻在肥料利用率上得到了相應(yīng)的改善。

表5 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻氮素利用率的影響Table 5 Effect of nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of super hybrid rice in different periods

3 討論

3.1 施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量的影響

氮肥是水稻生長(zhǎng)發(fā)育的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，施氮量可以直接影響水稻產(chǎn)量[15]。謝小兵等[16]研究表明，施氮量對(duì)超級(jí)稻產(chǎn)量有顯著影響，在華南雙季稻區(qū)施氮量為161～176 kg·hm-2時(shí)水稻干物質(zhì)積累較多，產(chǎn)量和氮肥利用率得到顯著提高。付景等[17]研究發(fā)現(xiàn)超級(jí)稻在低氮和高氮水平下均能獲得較高產(chǎn)量，但在高氮條件下更有利于其發(fā)揮生理和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。李迪秦等[18]指出，當(dāng)施氮量為210 kg·hm-2時(shí)超級(jí)稻葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量、群體光合輻射截獲量和利用率均增加，產(chǎn)量最高。本研究發(fā)現(xiàn)施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)稻產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均具有極顯著影響。前3期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)，在施氮量為300 kg·hm-2水平時(shí)最高；后2期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但施氮量為390 kg·hm-2與300 kg·hm-2產(chǎn)量差異不顯著，這與前人研究[16-18]結(jié)果不盡相同。究其原因，可能是由于栽培品種、措施和生態(tài)區(qū)不同所致。本研究結(jié)果表明，前3期超級(jí)雜交稻品種對(duì)氮肥的耐受性更弱，對(duì)氮肥的敏感性更強(qiáng)，當(dāng)?shù)释度氤^(guò)其耐受值，地上部生物量減少，最終產(chǎn)量不增反減。后2期超級(jí)稻品種對(duì)氮素的耐受性更強(qiáng)，地上生物量和產(chǎn)量均隨施氮量增加而持續(xù)增加，這可能與育種專家選育高耐受性基因品種有關(guān)。因此，后2期超級(jí)雜交稻品種的氮肥臨界濃度還有待于進(jìn)一步探究。

3.2 不同時(shí)期超級(jí)雜交稻氮素利用效率與施氮量的響應(yīng)機(jī)制

氮素是調(diào)節(jié)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子，對(duì)水稻植株生理生化代謝、光合特性等有重要影響[19-21]。楊建昌[22]認(rèn)為，不同水稻品種對(duì)氮肥的響應(yīng)存在一定差異，這與氮素吸收利用率和氮素生理利用效率的共同作用有關(guān)。本研究中，各時(shí)期超級(jí)稻品種的PEPN隨著施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，前3期超級(jí)雜交稻品種AEN隨著施氮量的增加呈降低趨勢(shì)，后2期超級(jí)雜交稻品種則隨著施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明肥料投入超過(guò)一定范圍，各時(shí)期超級(jí)稻品種氮素吸收利用均會(huì)下降。這與前人研究結(jié)果[23-28]相同。與前3期品種相比，后2期超級(jí)雜交稻對(duì)氮肥的吸收利用雖然較高，尤其是在AEN和REN方面，但施氮量超過(guò)F2水平后則表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，結(jié)合產(chǎn)量分析可知，為保證高產(chǎn)高效，超級(jí)雜交稻的施氮量最好控制在F2水平，即300 kg·hm-2。

3.3 不同時(shí)期超級(jí)雜交稻光合特性差異

光合作用是水稻物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，水稻產(chǎn)量的90%來(lái)自葉片的光合作用，水稻葉片光合作用強(qiáng)弱對(duì)產(chǎn)量起著至關(guān)重要的作用[29-32]，因此，育種家們不斷地對(duì)水稻的光合特性進(jìn)行改良[33-36]。劇成欣等[37]研究表明，隨著水稻品種的改良，各品種的Pn、Gs和Tr均顯著提高。本研究中，Y兩優(yōu)900的平均Pn為最高。此外，Pn與Ci呈極顯著正相關(guān)，但與Gs的相關(guān)性不顯著，說(shuō)明Ci對(duì)各時(shí)期超級(jí)雜交稻的Pn影響最為重要，而Gs不是影響各時(shí)期超級(jí)雜交稻品種Pn的關(guān)鍵因素。這可能是由于各時(shí)期超級(jí)雜交稻葉片均具備與外界氣體順利交換的條件，從而限制光合速率的主要因素聚集在胞間CO2濃度上。本研究中，隨著品種的改良，5個(gè)超級(jí)雜交稻葉片LNC、Na和PNUE雖有所變化，但均未達(dá)到顯著水平，而SLW和 PEN卻隨品種的改良呈逐漸增加的趨勢(shì)，說(shuō)明超級(jí)雜交稻在葉片形態(tài)和氮素吸收利用上得到了較大幅度的改良，而本試驗(yàn)中各品種在PNUE和光合生理方面的改善卻不明顯，可能是Ci或其他關(guān)鍵因子限制了各時(shí)期超級(jí)雜交稻光合特性的發(fā)揮，但由于光合作用是復(fù)雜的內(nèi)部生理生化反應(yīng)，而本試驗(yàn)對(duì)這方面的研究尚顯不足，因此關(guān)于各時(shí)期超級(jí)雜交稻生理生化差異仍需更深入的研究。

4 結(jié)論

施氮量對(duì)不同時(shí)期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量和地上生物量有顯著影響。前3期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量和生物產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)，在施氮量為300 kg·hm-2水平時(shí)最高。后2期超級(jí)雜交稻產(chǎn)量和生物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加。隨著施氮量的增加各品種Pn、SLW、REN均呈先增加后下降的趨勢(shì)，而PEPN均呈逐漸降低的趨勢(shì)。隨著品種的演進(jìn)，超級(jí)稻LNC和SLW得到明顯改善，而光合生理特性和氮素光合利用率無(wú)明顯變化。綜上所述，為保證光合速率和氮肥利用效率，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)高效，不同時(shí)期超級(jí)雜交稻的施氮量最好控制在300 kg·hm-2。