水稻氮高效栽培技術(shù)、品種改良和生理機(jī)制研究進(jìn)展

楊德生，黃冠軍，李勇，黃見良，王飛

作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070

現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨轉(zhuǎn)型時期新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，如何將糧食高產(chǎn)、資源高效和環(huán)境安全并重，創(chuàng)建高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的作物生產(chǎn)體系，是我國作物栽培學(xué)科未來長期的研究方向[1-3]。水稻品種矮稈化、雜種優(yōu)勢利用和理想株型建立大幅提高了水稻品種的產(chǎn)量潛力，而配套栽培措施的優(yōu)化與推廣則保證了品種的產(chǎn)量潛力在生產(chǎn)中轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)量。一般認(rèn)為，品種改良和栽培管理技術(shù)提高各占以往水稻增產(chǎn)貢獻(xiàn)的一半。然而，當(dāng)前水稻育種已經(jīng)發(fā)展到了較高水平，新品種的產(chǎn)量潛力優(yōu)勢并不明顯。因此，實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量和資源利用效率的協(xié)同提高，減少水稻生產(chǎn)對環(huán)境的負(fù)面影響將主要依靠栽培管理技術(shù)的優(yōu)化[4]。

氮素是作物生產(chǎn)中需求量最大的礦質(zhì)元素，全球糧食增產(chǎn)的40%～60%可歸因于化肥施用，可見氮肥對于全球糧食安全至關(guān)重要[5]?！熬G色革命”通過引入水稻和小麥的半矮桿基因sd1(semi-dwarf 1)和Rht-1(reduced height-1)培育了矮稈、抗倒和耐肥的高產(chǎn)品種，大幅提高了收獲指數(shù)和籽粒產(chǎn)量，但也同時降低了作物的氮素響應(yīng)和氮素利用效率(nitrogen use efficien，NUE)[6]。在我國，受“高投入等于高產(chǎn)出”等觀念驅(qū)使，農(nóng)民不合理和盲目過量施肥現(xiàn)象相當(dāng)普遍[7]。我國氮肥消費(fèi)量居全球首位，約占全球氮肥消費(fèi)總量的30%，而農(nóng)田NUE僅為40%[6]。雖然我國主要糧食作物(水稻、玉米和小麥)的單產(chǎn)呈逐年增長趨勢，保證了我國的糧食安全，但肥料尤其是氮肥投入量的年增幅更為明顯(圖1)。我國水稻生產(chǎn)消耗了近1/4的氮肥資源，但稻田NUE僅為30%～35%。我國一季水稻的平均氮肥施用量為180 kg/hm2，高出全球稻田平均用量75%以上，而在江蘇省可高達(dá)300 kg/hm2[7]。合理的氮肥施用有利于水稻高產(chǎn)，但施肥過量會造成水稻倒伏、貪青晚熟、病蟲害壓力增加和稻米品質(zhì)降低。稻田NUE低的另一原因是氮素?fù)p失，包括氨揮發(fā)、硝化和反硝化作用，而氮素?fù)p失與氮肥的施用時期和施用方法、氮肥種類、管理措施如水分管理以及環(huán)境因素如土壤性質(zhì)等有關(guān)。NUE低和氮素?fù)p失帶來了一系列環(huán)境問題，如土壤酸化、水體污染和溫室氣體排放等[1, 7]。從2013年開始，我國政府部門開始重視控肥減肥，推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[8]。因此，我國用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的肥料投入量，尤其是氮肥投入量開始呈逐年下降趨勢(圖1B)。

農(nóng)學(xué)家們關(guān)于提高水稻NUE進(jìn)行了長期不懈的努力，早期的研究主要以最大限度地減少氮素?fù)p失為主，包括研制脲酶抑制劑和硝化抑制劑以及改變氮肥形態(tài)等方式；之后開展了優(yōu)化施肥時期和施肥量的大量研究，以促進(jìn)作物對氮肥的高效吸收；關(guān)于氮高效品種的選育也取得了較大進(jìn)展。大量研究表明通過優(yōu)化氮肥管理可以協(xié)同提高作物產(chǎn)量和NUE[9-10]，而基于實(shí)時實(shí)地氮肥管理的基本原理，國內(nèi)形成了多項(xiàng)氮肥高效施肥模式[11-15]。此外，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)水稻NUE存在顯著的基因型差異，并在水稻氮高效生理和分子機(jī)制方面也取得了重要進(jìn)展[16]。本文介紹了國內(nèi)外典型氮肥管理策略的基本原理與施肥技術(shù)；總結(jié)了氮高效水稻品種尤其是綠色超級稻的氮高效相關(guān)農(nóng)藝性狀；綜述了水稻高效利用氮素的生理和分子機(jī)制，尤其是氮素對葉片結(jié)構(gòu)及光合生理的影響和近期發(fā)現(xiàn)的重要氮高效基因，并對未來水稻高效利用氮素的研究方向進(jìn)行了展望。

數(shù)據(jù)來源：FAO (http://apps.fao.org)。Data source:FAO (http://apps.fao.org).圖1 1960-2020年間我國水稻、玉米和小麥的年平均產(chǎn)量(A)、化肥和氮肥年投入量(B)Fig.1 The average annual yield of rice,maize and wheat (A),and annual input of total fertilizer and N (B) from 1960 to 2020 in China

1 高產(chǎn)高效氮肥運(yùn)籌模式

提高水稻NUE是21世紀(jì)以來中國水稻栽培研究的重要課題。早在21世紀(jì)初，彭少兵教授已經(jīng)指出了中國水稻生產(chǎn)中氮肥施用量過高和NUE低的問題，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外提高NUE的研究進(jìn)展，并分析了中國水稻生產(chǎn)中NUE低的原因[7]。為了減少氮肥用量，增加水稻生產(chǎn)的NUE，科學(xué)家們開發(fā)了一系列優(yōu)化的作物施肥管理模式，如實(shí)時氮肥管理[11]、實(shí)地氮肥管理[17]、“三定”栽培技術(shù)[12]、“三控”施肥技術(shù)[13]、測土配方施肥技術(shù)[14]和土壤-作物系統(tǒng)綜合管理[15]。這些氮肥管理模式在我國水稻主產(chǎn)區(qū)得到廣泛應(yīng)用，在增產(chǎn)增效上取得了顯著成效。

1.1 實(shí)時實(shí)地氮肥管理模式

水稻實(shí)時實(shí)地氮肥管理技術(shù)是一項(xiàng)精確變量施肥技術(shù)，其核心是“因需施肥”，基本原理包括以下內(nèi)容:首先,根據(jù)品種特性和氣候條件確定品種的產(chǎn)量潛力，并以產(chǎn)量潛力的85%作為目標(biāo)產(chǎn)量；其次，根據(jù)不施氮肥處理(空白區(qū))的產(chǎn)量來確定土壤背景氮情況；根據(jù)空白區(qū)產(chǎn)量與目標(biāo)產(chǎn)量確定氮肥增產(chǎn)量(N response)；最后根據(jù)氮肥增產(chǎn)量與氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(agronomy N use efficiency,AEN)計算氮肥施用量[18]。利用葉綠素儀(SPAD)快速無損測定葉片氮素含量，從而對植株氮素營養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷[19]。實(shí)時氮肥管理模式 (real-time nitrogen management,RTNM)的技術(shù)要點(diǎn)是在水稻開花前每周測定最上片完全展開葉的SPAD值，當(dāng)其低于設(shè)定的閾值時追施氮肥30～45 kg/hm2[20]。Dobermann等[17]提出了只在水稻重要生長時期用SPAD儀診斷植株氮素需求，綜合考慮土壤、作物和氣候因素決定施肥量的實(shí)地施肥管理模式(site-specific nutrient management,SSNM)。許多研究結(jié)果表明，采用實(shí)時實(shí)地氮肥管理技術(shù)能顯著提高水稻產(chǎn)量和NUE[17-18,21-23]。國際水稻研究所(IRRI)聯(lián)合浙江大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)和廣東省農(nóng)科院等國內(nèi)多家單位開展聯(lián)合試驗(yàn)，比較研究了SSNM與當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥法對NUE及水稻產(chǎn)量的影響，并將該技術(shù)在6個省份進(jìn)行示范推廣。通過調(diào)研6個省份107戶農(nóng)民田塊的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，SSNM模式降低氮肥用量38%，增加產(chǎn)量5%，提高AEN61%[11,24]。

1.2 “三定”栽培技術(shù)

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院鄒應(yīng)斌教授團(tuán)隊(duì)為規(guī)范不同稻作生態(tài)區(qū)的高產(chǎn)栽培方法，通過開展多年多點(diǎn)試驗(yàn)，提出了超級稻“三定”栽培技術(shù)，即“因地定產(chǎn)、依產(chǎn)定苗和測苗定氮”[12]。其中區(qū)域尺度的實(shí)際氮肥用量根據(jù)區(qū)域平均法則確定，即通過確定種植區(qū)域的目標(biāo)產(chǎn)量、基礎(chǔ)地力產(chǎn)量和AEN來計算區(qū)域氮肥施用量。一般基肥占施氮總量的50%，分蘗肥占15%～25%，穗肥占25%～35%。通常在追肥前1 d，用葉色卡(LCC)測定水稻倒2葉葉色，根據(jù)水稻長勢確定田間尺度的分蘗肥和穗肥用量。試驗(yàn)證明相比于傳統(tǒng)栽培方式，雙季超級稻生產(chǎn)采用“三定”栽培技術(shù)平均增產(chǎn)9.6%，氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of fertilizer N, PFPN)、氮素吸收利用率(N recovery efficiency，REN)和AEN平均分別提高29.0%、88.9%和46.7%[25-26]。超級稻“三定”栽培技術(shù)于2009年通過了湖南省技術(shù)成果鑒定，并于2011-2016年連續(xù)多年被列為農(nóng)業(yè)(農(nóng)村)部水稻生產(chǎn)主推技術(shù)。

1.3 “三控”施肥技術(shù)

廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所結(jié)合我國水稻生產(chǎn)氮肥投入過多、基蘗肥比重過大的問題，與國際水稻所合作研發(fā)了水稻“三控”施肥技術(shù)，即“控肥、控苗和控病蟲”[13,27]。其主要生物學(xué)基礎(chǔ)在于控制總施氮量和基蘗肥施氮量，控制最高苗數(shù)和提高成穗率，優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)和控制病蟲害發(fā)生[13]。總施氮量根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量、基礎(chǔ)地力產(chǎn)量、氮素養(yǎng)分消耗量和氮肥利用率計算得到。確定總施氮量后，按照基肥35%～40%、分蘗肥20%左右、穗肥35%～40%和粒肥5%～10%的比例確定各階段施用量，具體追肥量可通過LCC進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷之后確定[27]。水稻“三控”施肥技術(shù)已于2007年通過了廣東省科技成果鑒定，隨后入選了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及廣東、海南、江西等省份的水稻生產(chǎn)主推技術(shù)。胡香玉等[28]通過匯總2008年以來廣東、廣西、江西、浙江、江蘇、福建等省區(qū)公開發(fā)表的47篇水稻“三控”施肥技術(shù)的試驗(yàn)示范論文數(shù)據(jù)，綜合分析其應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)與農(nóng)民習(xí)慣栽培方式相比，水稻“三控”施肥技術(shù)的氮肥用量平均減少16.0%，氮磷鉀總施肥量平均減少11.6%，水稻產(chǎn)量平均提高8.8%，PFPN平均提高27.3%。

1.4 測土配方施肥技術(shù)

測土配方施肥技術(shù)的核心是根據(jù)土壤養(yǎng)分含量測試和田間肥料試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)作物需肥和土壤供肥之間的平衡，從而提高肥料利用率[29]。我國的測土施肥體系始于20世紀(jì)80年代，其工作可分為“土壤測定”和“建議施肥量”兩部分[30]。周鳴錚[30]總結(jié)了我國早期的測土施肥工作及效益，第一階段工作在于確定不同土壤類型適用的氮磷鉀速效養(yǎng)分提取方法，根據(jù)提取值和相對產(chǎn)量將測定土壤的地力劃分為“高、中、低和極低”4級；第二階段工作重點(diǎn)為確定適宜施肥量，并進(jìn)行多點(diǎn)示范試驗(yàn)。結(jié)果表明測土施肥技術(shù)的增產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益明顯，對于施肥較多的地區(qū)，平均省肥14%，增產(chǎn)17%。1995年前后，全國建立起了涵蓋20余種土壤類型、分布于16省70余縣的土壤肥料監(jiān)測點(diǎn)4 000余個[31]。2005年起，我國開展了全國范圍的測土配方施肥工作，為建立推薦施肥指標(biāo)體系，全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心推行“3414”試驗(yàn)作為主要田間試驗(yàn)方案。“3414”分別指氮磷鉀 3個因素、4個施肥水平和14個施肥處理，陳新平等[14]詳細(xì)介紹了“3414”試驗(yàn)的實(shí)施步驟和注意事項(xiàng)。至2015年，通過測土配方施肥技術(shù)使我國主要糧食作物氮磷鉀肥的利用率分別提高至33%、24%和42%[29]。孫洪仁等[32]系統(tǒng)總結(jié)了我國開展的水稻、玉米、小麥和馬鈴薯等主要作物的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的豐缺指標(biāo)和適宜施肥量，以水稻土壤為例，結(jié)果顯示30年來水稻土壤有效磷豐缺指標(biāo)呈上升趨勢，但堿解氮和速效鉀豐缺指標(biāo)出現(xiàn)下降趨勢，且不同區(qū)域差異較大。當(dāng)?shù)租浀漠?dāng)季利用率分別為40%、20%和50%，目標(biāo)產(chǎn)量為4.5～15.0 t/hm2時，氮磷鉀的適宜施用量范圍分別為0～450、0～405和0～432 kg/hm2[32-33]。

1.5 土壤-作物系統(tǒng)綜合管理

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院張福鎖教授團(tuán)隊(duì)圍繞作物生產(chǎn)力和養(yǎng)分利用效率的協(xié)同提高開展了多年研究，建立了涵蓋養(yǎng)分、土壤、作物和環(huán)境等因素的土壤-作物系統(tǒng)綜合管理(integrated soil-crop system management,ISSM)技術(shù)[15,34]。該技術(shù)的關(guān)鍵在于綜合考慮各種可能的土壤改良措施，充分利用光溫和養(yǎng)分資源，結(jié)合作物高產(chǎn)栽培管理技術(shù)，使土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求相匹配[15]。在ISSM中，氮、磷和鉀肥用量根據(jù)測定根層土壤的養(yǎng)分含量來確定。其中，根層土壤氮素實(shí)時監(jiān)控技術(shù)是根據(jù)作物的氮素吸收規(guī)律將作物生育期劃分為不同階段，在不同階段內(nèi)根據(jù)作物氮素需求和土壤無機(jī)氮含量確定施肥量[34]。另外通過長期定位的肥料試驗(yàn)結(jié)果給出磷、鉀肥建議施用量。Chen等[35]在全國153個試驗(yàn)點(diǎn)的結(jié)果表明，在不增加氮肥用量的前提下，ISSM技術(shù)將水稻、小麥和玉米的平均產(chǎn)量分別提高了1.3、1.7和3.7 t/hm2，PFPN分別提高了13、16和16 kg/kg。

ISSM模式技術(shù)環(huán)節(jié)的研究在2010年已基本完成，而2010-2020年的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾螌SSM模式推廣到千千萬萬的農(nóng)戶中去[36]，即“科技小院”模式的創(chuàng)建與推廣。該模式使得玉米、水稻和小麥三大糧食作物的氮肥用量降低了14.7%～18.1%，產(chǎn)量增加了10.8%～11.5%，大幅度減少了土壤肥料氮?dú)埩艉蜏厥覛怏w排放[37]?！翱萍夹≡骸碧岣吡水?dāng)?shù)剞r(nóng)民獲取高產(chǎn)高效技術(shù)的能力，同時促進(jìn)了多方資源的整合利用[38]。與鄰近或?qū)φ沾迩f相比，“科技小院”所在村農(nóng)民的農(nóng)事管理水平明顯提高(例如能/不能計算作物養(yǎng)分需求量的農(nóng)民比例，35% vs 11%)，接受和學(xué)習(xí)新技術(shù)的能力明顯增強(qiáng)(例如新技術(shù)的采用率，54% vs 31%)，最終產(chǎn)量提高5.5%～8.5%，養(yǎng)分和水分利用效率提高12.5%～47.0%，經(jīng)濟(jì)收入提高2.9%～47.0%[37]。目前，全國已在21個省市建立了81個科技小院，但要滿足我國廣大農(nóng)民的需求，還需政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)等多方努力以推動“科技小院”的發(fā)展，并進(jìn)一步完善其功能[38]。

2 影響水稻NUE的其他農(nóng)藝措施

在影響水稻生長的諸多因素中，灌溉方式和種植密度是決定水稻產(chǎn)量形成且易于人為調(diào)控的重要因素。前人通過調(diào)控灌溉方式和種植密度在提高水稻產(chǎn)量和NUE上進(jìn)行了大量研究，并形成了配套的高產(chǎn)高效栽培模式，本節(jié)對其進(jìn)行簡要介紹。

2.1 灌溉方式

水分是決定作物產(chǎn)量的重要因素。然而，我國的淡水資源十分緊缺，人均擁有量僅為全球平均水平的1/4[39]。農(nóng)業(yè)用水占到全國總耗水量的70%，而水稻作為耗水最多的主糧作物，其耗水量約占我國農(nóng)業(yè)用水的65%[40]。與美國相比，我國稻田灌溉水量高30%～40%，但灌溉水利用效率低40%～50%[41]。為節(jié)約淡水資源和提高水分利用效率(water use efficiency,WUE)，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)水稻需水規(guī)律，創(chuàng)建了多種節(jié)水灌溉技術(shù)，如中期曬田、干濕交替灌溉(alternate wetting and drying,AWD)、間歇濕潤灌溉和畦溝灌溉等[42]，并大力發(fā)展節(jié)水抗旱水稻品種[43]。在眾多節(jié)水技術(shù)中，AWD的研究與應(yīng)用更為廣泛[42]。揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院楊建昌教授團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)研究，認(rèn)為輕干濕交替灌溉(落干復(fù)水時的土壤水勢不低于-15 kPa)不僅能大幅提高水稻W(wǎng)UE，還能顯著提高產(chǎn)量和改善米質(zhì)[44-46]。

在作物生長發(fā)育過程中，水分和氮素之間具有耦合效應(yīng)，共同影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)形成[47]。一般認(rèn)為，在土壤輕度干旱時，增施氮肥可以達(dá)到“以肥調(diào)水”的作用，而水分則能影響肥效的發(fā)揮以及土壤氮循環(huán)過程。因此，在一定范圍內(nèi)，氮肥和水分對作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有協(xié)同促進(jìn)作用[42,48]。近年來，相關(guān)研究主要集中在不同灌溉和施肥模式對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的互作效應(yīng)上。邵士梅等[48]總結(jié)了水氮互作對水稻產(chǎn)量形成的影響，研究者一致認(rèn)為在AWD和適宜施氮量下，水稻氮磷鉀積累量、葉片光合速率、根系活性和葉片氮代謝酶活性均有顯著提高，從而達(dá)到增產(chǎn)目的。孫永健等[49]通過設(shè)置不同灌溉方式和施氮量處理，發(fā)現(xiàn)在前期濕潤灌溉+孕穗期淺水灌溉+灌漿期干濕交替灌溉的水分制度下，施肥量為180 kg/hm2時的水稻產(chǎn)量和NUE最高。Liu等[50]比較了4種灌溉和施肥組合模式，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)淹灌+農(nóng)民習(xí)慣施肥模式，輕干濕交替灌溉+實(shí)地氮肥管理模式下的水稻產(chǎn)量、PFPN和WUE分別提高了12.4%～14.5%、26.5%～30.7%和22.8%～26.7%。AWD通過改變土壤水氣環(huán)境，提高土壤養(yǎng)分有效性，促進(jìn)水稻根系的生長和對養(yǎng)分的吸收，不僅能影響地上部養(yǎng)分同化和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高葉片光合活性，還能影響植物激素變化，而關(guān)于AWD如何影響光合作用及植物激素如何調(diào)控NUE等生理機(jī)制值得深入探究[51]。

2.2 種植密度

合理密植是水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ)。最初，隨著雜交稻品種的推廣應(yīng)用和化肥施用量的增加，研究人員開始提倡稀播少本移栽[52]；隨后，超級稻品種的選育要求進(jìn)一步降低基本苗數(shù)，以發(fā)揮其大穗優(yōu)勢[53]；近年來隨著農(nóng)村勞動力的流失和種植成本的提高，稀植現(xiàn)象更為普遍，而為了維持高產(chǎn)，農(nóng)民在稀植的同時往往會投入更多氮肥，這也導(dǎo)致了NUE降低[54]。然而，Huang等[54]以2個雜交稻品種作為試驗(yàn)材料，通過設(shè)置不同種植密度和施氮量組合，發(fā)現(xiàn)降低種植密度造成的穗數(shù)和產(chǎn)量的降低不一定能通過增施氮肥彌補(bǔ)。謝小兵等[55]認(rèn)為超級稻品種采用低氮密植栽培方式，即100～150 kg/hm2施氮量和40 穴/m2種植密度條件下能同時獲得高產(chǎn)和高NUE。在施肥量較少的情況下，通過增加種植密度可以獲得更高的產(chǎn)量和NUE[56]。

當(dāng)前，隨著水稻種植方式的轉(zhuǎn)變，機(jī)直播和機(jī)插秧面積逐漸增加，這為提高播種或移栽密度提供了契機(jī)。對于直播稻，吳培等[57]以南粳9108為試驗(yàn)材料，認(rèn)為225 kg/hm2的施氮量+180粒/m2的播種量組合可作為高產(chǎn)組合推廣。羅亢等[58]以柒兩優(yōu) 2012與美香占 2號為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)機(jī)直播早、晚稻的施氮量和播種量組合分別為150 kg/hm2和143粒/m2、165 kg/hm2和114粒/m2時可同時實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和氮高效。對于機(jī)插稻，陳佳娜等[59]和Huang等[60]均認(rèn)為提高栽插密度，能夠彌補(bǔ)施氮量降低給產(chǎn)量帶來的負(fù)面影響，并建議將低氮密植作為長江流域機(jī)插雙季稻高產(chǎn)高效栽培的關(guān)鍵技術(shù)。

3 水稻NUE的基因型差異和氮高效相關(guān)農(nóng)藝性狀

水稻NUE在秈粳稻亞種間、常規(guī)稻與雜交稻間、相同類型不同基因型間均存在顯著差異[61]。在中低氮水平下，秈稻品種的NUE明顯高于粳稻品種[62]，而雜交稻品種明顯高于常規(guī)稻品種[63]。一般將中低氮條件下產(chǎn)量較高的水稻品種稱為氮高效品種，將在低氮條件下產(chǎn)量較低的品種稱為氮低效品種。種植氮高效品種是減少氮肥施用的有效途徑，有研究發(fā)現(xiàn)在同一氮水平下，氮高效品種的NUE分別比氮低效和中效品種高37.7%和10.3%[64]。Broadbent等[65]發(fā)現(xiàn)不同水稻品種間的氮素籽粒生產(chǎn)效率(N utilization efficiency for grain production,NUEg)存在顯著差異。Singh等[66]以10個長生育期和10個中等生育期品種為材料分析了NUE的基因型差異，結(jié)果表明基因型間產(chǎn)量、總生物量、總氮吸收量、收獲指數(shù)、氮素生理利用效率(physiological N use efficiency,PEN)、PFPN和氮素生產(chǎn)力指數(shù)(N productivity index,NPI)等指標(biāo)存在顯著差異。Koutroubass等[67]以5個農(nóng)藝性狀差異顯著的品種為材料分析了地中海地區(qū)水稻NUE的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NUEg和氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率(N utilization efficiency for biomass production,NUEb)在品種間存在顯著差異，而且秈稻品種較粳稻品種有更高的NUEg。Inthapanya等[68]發(fā)現(xiàn)雨養(yǎng)條件下水稻的NUEg存在顯著的基因型差異，但是品種和地點(diǎn)互作效應(yīng)不顯著。Samonte等[69]發(fā)現(xiàn)15個品種的NUEg存在顯著差異，且在25～64 kg/kg。Haefele等[70]分析了19個品種在不同的水分管理模式和氮肥處理下的NUE，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，REN、PEN和AEN都存在顯著基因型差異，但是這3種NUE都不受水分處理的影響?？傊?，早期研究確定了不同基因型NUE的差異以及反映NUE差異的相關(guān)農(nóng)藝性狀，如WP/TN (穗干質(zhì)量/總氮吸收量)和 NPI(N productivity index,未施氮處理下籽粒產(chǎn)量與NUEg的乘積)等。

Zhang[71]提出培育綠色超級稻的構(gòu)想，旨在培育“少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)”的水稻品種，其綠色性狀主要包括抗病、抗蟲、抗逆、營養(yǎng)高效、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)等。截至2018年，已培育并通過國家或省級審定的綠色超級稻新品種75個，而通過大面積示范試驗(yàn)證明，綠色超級稻平均產(chǎn)量為11.5 t/hm2，相比當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培方式增產(chǎn)17%，氮肥施用減少10%，PFPN提高30%[72]。許陽東等[73]探究了綠色超級稻的農(nóng)藝與生理性狀表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)與超級稻和非超級稻品種相比，綠色超級稻品種的產(chǎn)量和NUEg均較高，并認(rèn)為高莖蘗成穗率和粒葉比，抽穗期高糖花比，灌漿期高作物生長速率、凈同化率和根系氧化力可以作為培育綠色超級稻品種的參考指標(biāo)。在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)“綠色超級稻新品種選育”項(xiàng)目的支持下，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院彭少兵教授團(tuán)隊(duì)評價了大量綠色超級稻候選品種的NUE，并鑒定了一批氮高效水稻品種[74-76]。這些研究還為選育氮高效水稻品種提供了可供利用的植株性狀，例如與抽穗前作物生長速率相關(guān)的植株性狀可以用來提高成熟期的總氮素吸收量，而生物量積累和大穗是提高NUEg的關(guān)鍵。NUEg與成熟期莖稈和葉片中氮素含量顯著負(fù)相關(guān)，而進(jìn)一步提高NUEg依賴于灌漿期增加莖稈中氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)以延緩葉片衰老，從而維持葉片的光合能力[74]。對于大庫容品種，花后良好的冠層結(jié)構(gòu)可通過提高光照和氮素在冠層內(nèi)分布的一致性來提高光能利用效率和干物質(zhì)生產(chǎn)，從而提高NUEg和產(chǎn)量[75]。

4 水稻高效利用氮素的生理和分子機(jī)制

水稻高效利用氮素的表現(xiàn)可分為兩種：一是吸收氮素能力強(qiáng)，即在有限的養(yǎng)分供應(yīng)下能吸收更多的氮素，常用氮素吸收效率表示，二是氮素轉(zhuǎn)化效率高，即利用已吸收的氮素能生產(chǎn)更多的干物質(zhì)，常用氮素利用效率表示[77]。目前相關(guān)的NUE評價指標(biāo)較多，計算方法和側(cè)重點(diǎn)也有所差異(表1)，差減法計算NUE是通過設(shè)置不施氮肥的空白對照，進(jìn)而計算得到施肥后增加的產(chǎn)量和氮吸收量，在大田試驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛。本節(jié)主要對水稻氮吸收的生理和分子機(jī)制進(jìn)行概述。

表1 NUE指標(biāo)及相關(guān)性狀 Table 1 NUE index and NUE-related traits

4.1 生理機(jī)制

水稻生育期、形態(tài)特征和氮代謝過程等直接影響植株對氮素的吸收和利用。短生育期水稻品種的氮素吸收量通常低于長生育期品種，而被吸收的氮素能否被植株高效利用轉(zhuǎn)化為籽粒產(chǎn)量則直接影響NUE的高低[78]。張亞麗等[79]研究發(fā)現(xiàn)氮吸收量和PEN對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率首先受到水稻生育期的影響，對于短生育期品種無論氮水平高低均為PEN起決定作用；而對于長生育期品種，PEN在低氮水平下起主要作用，氮吸收量在高氮水平下起主要作用。氮高效品種定義為在不同氮水平下均有較高NUE和產(chǎn)量，這也說明氮高效品種需具有較高的氮吸收能力和PEN。

水稻地上部生長發(fā)育受根系氮素吸收的影響，同時也會通過反饋?zhàn)饔糜绊懜祵Φ氐奈?，因此，根系和地上部的協(xié)調(diào)生長是植株高效吸收利用氮素的基礎(chǔ)[80]。水稻分蘗成穗率是診斷水稻群體質(zhì)量的有效指標(biāo)，過多的無效分蘗會降低NUE和產(chǎn)量，近年來國內(nèi)外培育的超級稻品種多為少蘗大穗，充分說明減少無效分蘗是提高水稻產(chǎn)量和NUE的重要途徑。氮高效品種的莖稈特性優(yōu)于氮低效品種，從而提高了莖稈綜合抗折力[87]。地上部生物量和庫容量也決定著氮素需求量，Huang等[88]認(rèn)為花后更高的物質(zhì)生產(chǎn)和氮素積累是大庫容品種獲得高產(chǎn)和高NUEg的主要原因。葉片本身需要較高的氮素水平以維持光合作用，同時又作為新葉和籽粒的氮素來源，說明氮素的合理分配與干物質(zhì)生產(chǎn)和NUE有密切關(guān)系。陳琛等[89]認(rèn)為在不同施氮量下，氮高效水稻品種的源庫指標(biāo)均優(yōu)于其他品種類型，進(jìn)而提高了產(chǎn)量和NUE。

高光合氮素利用效率(photosynthetic N use efficiency,PNUE)是氮高效水稻品種的重要生理性狀。光合作用主要受氣孔導(dǎo)度(gs，CO2從葉片表面?zhèn)鬏數(shù)綒饪紫虑坏哪芰?、葉肉導(dǎo)度(gm，CO2從氣孔下腔傳輸?shù)饺~綠體內(nèi)Rubisco酶羧化位點(diǎn)的能力)以及葉片生化能力的調(diào)控[90-91]。大量研究表明，水稻光合作用會隨著葉片氮含量的增加而增加，主要是因?yàn)榈誓軌蝻@著提高葉綠體面向細(xì)胞間隙的面積以及葉片Rubisco酶含量，從而提高gm和葉片生化能力[92-93]。然而，盡管葉片光合作用隨著氮含量的增加而增加，PNUE卻隨著氮含量的增加而下降[94-95]。前人研究表明，隨著施氮量的增加，gm增加的幅度要小于葉片生化能力增加的幅度，最終導(dǎo)致葉綠體內(nèi)CO2供應(yīng)相對不足，Rubisco酶活性下降，從而降低水稻PNUE[96-97]。此外，葉片結(jié)構(gòu)也能顯著調(diào)控水稻PNUE。Ye等[98]發(fā)現(xiàn)在121個水稻品種間，比葉重越大，PNUE越低。也有研究表明，增施氮肥后水稻PNUE的下降幅度與比葉重的變化幅度密切相關(guān)，比葉重增幅越大，水稻PNUE下降的幅度也就越大[99-100]。因此，隨著氮肥施用量的增加，提高水稻CO2傳輸能力以及降低比葉重是未來提高水稻PNUE的可行途徑。

4.2 分子機(jī)制

銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ammonium transporters,AMTs)和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(nitrate transporters,NRTs)分別控制著水稻對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程。銨是淹水稻田環(huán)境中氮的主要存在形式，是水稻主要的吸收氮源。目前已發(fā)現(xiàn)了多個水稻AMTs，分為OsAMT1～OsAMT5等5個亞家族[101]。OsAMT1家族成員屬于高親和力銨轉(zhuǎn)運(yùn)體，其中OsAMT1;1在根系和地上部組成型表達(dá)，能顯著提高水稻的銨吸收能力，其表達(dá)水平與根部谷氨酰胺含量成正比[102-103]。有研究表明OsAMT1;1在栽培稻馴化過程中受到較強(qiáng)的人工選擇，其核苷酸多態(tài)性僅為野生稻的2.3%[104]。OsAMT1;2僅在根部表達(dá)，可能在銨鹽長距離運(yùn)輸上起作用[105]。王威等[101]對水稻AMTs有詳細(xì)的介紹，本節(jié)不再贅述。為避免高濃度銨的毒害作用，根系從土壤中吸收的大部分銨在根部同化，之后以谷氨酸和谷氨酰胺的形式向上運(yùn)輸。谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(GDH)是水稻銨同化的主要酶系。銨同化效率高的品種，GS和GOGAT的活性更高[106]。

在厭氧環(huán)境下，水稻根際氧能將銨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，從而以硝態(tài)氮的形式被水稻吸收，而在排水或旱作條件下水稻吸收硝態(tài)氮的比例會更多。水稻中的NRTs功能研究相對較少，大致可以分為低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體OsNRT1和高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體OsNRT2兩個亞家族，但不包括OsNPF6.5 (NRT1.1B)和OsNPF6.1[6]。Lin等[107]早期克隆、分離到OsNRT1，但未闡明其功能特性。隨后OsPTR9、NRT1.1B(OsNPF6.5)、OsNR2和OsNRT2.3b等陸續(xù)被證明顯著影響水稻對硝態(tài)氮的吸收。Fang等[108]研究發(fā)現(xiàn)PTR/NRT1(peptide transporter/nitrate transporter 1)基因家族中的OsPTR9高表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)出了更強(qiáng)的銨吸收能力。Hu等[109]發(fā)現(xiàn)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因NRT1.1B在秈稻和粳稻之間存在差異，并通過田間試驗(yàn)證實(shí)攜帶NRT1.1B秈型等位基因的粳稻品種在正常施肥條件下增產(chǎn)15%，NUE提高10%，這進(jìn)一步揭示了秈稻具有比粳稻更高硝酸鹽吸收能力的分子機(jī)制。硝酸還原酶(NR)是水稻同化硝態(tài)氮的誘導(dǎo)酶，同時也是限速酶，其活性影響硝態(tài)氮吸收。而近期的研究發(fā)現(xiàn)1個編碼NR的基因OsNR2同樣是造成秈稻和粳稻硝酸鹽利用能力差異的一個重要原因[110]。水稻中OsNRT2.3b的高表達(dá)增強(qiáng)了植株的pH緩沖能力，增加了對氮、鐵和磷的吸收，田間試驗(yàn)表明增加OsNRT2.3b的表達(dá)相比對照可提高籽粒產(chǎn)量和 NUE約40%[111]。

此外，其他類型基因也會影響植株氮代謝過程，如控制水稻株型的關(guān)鍵基因DEP1(dense and erect panicles 1)，研究發(fā)現(xiàn)攜帶有dep1-1等位變異的水稻吸收利用氮素的能力增強(qiáng)，從而提高了收獲指數(shù)和產(chǎn)量[112]。Wang等[113]發(fā)現(xiàn)1個編碼葉綠體定位蛋白的基因ARE1，其功能缺失突變體能延緩衰老，提高水稻在低氮條件下的NUE和產(chǎn)量。Wu等[114]發(fā)現(xiàn)NGR5通過赤霉素信號途徑影響水稻產(chǎn)量和NUE，在9311中同時過表達(dá)GRF4和NGR5可協(xié)同提高水稻產(chǎn)量和NUE。

5 展 望

針對稻田氮肥施用過量和水稻生產(chǎn)氮素利用效率低的問題，近20年我國科學(xué)家從優(yōu)化氮肥管理模式、氮高效水稻品種培育、氮素高效利用的生理和分子機(jī)制等各方面開展了系統(tǒng)研究?；趯?shí)時實(shí)地氮肥管理的基本原理發(fā)展建立了“三定”栽培技術(shù)和“三控”施肥技術(shù)，并綜合考慮土壤營養(yǎng)狀況發(fā)展了測土配方施肥技術(shù)和土壤-作物系統(tǒng)綜合管理技術(shù)等，氮高效模式的推廣創(chuàng)新形成了以“科技小院”為代表的新體系。通過調(diào)控灌溉制度和種植密度等農(nóng)藝措施，進(jìn)一步協(xié)同提高產(chǎn)量和NUE，推動水稻綠色發(fā)展?！熬G色超級稻”理念的提出與發(fā)展促進(jìn)了氮高效水稻品種的選育，培育了一批在中低氮肥條件下高產(chǎn)高效的水稻品種。近期關(guān)于水稻氮素高效利用的生理和分子機(jī)制的研究進(jìn)展，例如氮素光合生理和氮素高效利用相關(guān)基因等，將進(jìn)一步促進(jìn)水稻氮高效栽培與育種的進(jìn)步。未來水稻NUE相關(guān)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：

1)21世紀(jì)以來，我國不同省份均因地制宜建立起了水稻氮高效栽培技術(shù)，然而這些技術(shù)如何進(jìn)行有效推廣并得到農(nóng)民廣泛應(yīng)用，解決“最后一公里”的問題應(yīng)受到科學(xué)家、政府、農(nóng)技推廣部門及相關(guān)企業(yè)的重視。此外，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正向機(jī)械化和信息化快速轉(zhuǎn)型，這些技術(shù)如何適應(yīng)未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值得進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

2)盡管綠色超級稻研究團(tuán)隊(duì)近期認(rèn)定了一批養(yǎng)分高效利用的水稻品種[115]，但是國家審定品種中仍沒有這一品種類型，且當(dāng)前所培育的品種中氮高效品種比例較低。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)氮高效水稻品種的選育以及相關(guān)品種認(rèn)定的政策支撐。

3)以往的研究表明大穗是協(xié)同高產(chǎn)高效的關(guān)鍵性狀，然而關(guān)于在水稻生長發(fā)育過程中如何協(xié)調(diào)物質(zhì)分配以形成大穗和合理的冠層結(jié)構(gòu)，氮高效品種如甬優(yōu)4949花前高效形成大穗的生理機(jī)制，以及氮高效與高光效之間的關(guān)系等應(yīng)深入系統(tǒng)研究。