减氮对华南早晚兼用型水稻产量、品质及氮吸收利用的影响

莫钊文，李 武，段美洋，潘圣刚，田 华，唐湘如

(1 华南农业大学 农学院，广东 广州 510642；2 农业部 华南地区作物栽培科学观测实验站，广东 广州 510642；3 广东省农业科学院 作物研究所，广东 广州 510640)

水稻是我国最主要的粮食作物，其播种面积约占我国粮食作物总面积的27%，稻谷产量占全国谷物总产量的40%以上，水稻产量水平的提高对粮食安全和社会稳定具有重要的意义；然而，过去几十年间，随着水稻产量的提高，化肥特别是氮肥的施用量不断增加，中国氮肥消费量占世界氮肥总量的30%，生产水稻所消耗的氮肥占世界水稻氮肥总消耗量的37%[1]。氮肥使用量逐年增加，但水稻氮素利用率却明显下降，氮肥利用效率的低下和氮素的大量投入，导致了一系列的环境问题[2-3]。更重要的是在化肥用量持续增加的同时，农作物产量却没有相应地持续提高，使农业生产成本急剧上升[4-5]。因此，如何提高稻田氮肥利用率，少施氮肥且保证水稻稳产，已成为人们关注的焦点。

广东省气候条件优越，光温水资源丰富，是中国重要的双季稻区，水稻生产具有较大的生产潜力。广东省农业厅在2008年公布的水稻早、晚季纯氮平均施用量约为187.5 kg/hm2，属于较高的施氮水平。研究表明，对华南早晚兼用型水稻实行减氮栽培可以增产或稳产[6-12]；中国作物生产减氮30%～60%是可行的[13]。本课题组经过多年的大田试验，也证明水稻减氮栽培是可行的[14-16]。但有关减氮栽培对水稻品质影响的研究仍较少，且在不同环境条件下减氮栽培增产的表现不一致。为此，本研究在大田试验条件下，观测了减氮对不同华南早晚兼用型水稻品种产量、品质及剑叶碳氮代谢酶活性和氮吸收利用的影响，探讨减氮的增产、稳产及优米效应，旨在为水稻生产实现资源高效利用及可持续发展提供实践依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试的华南早晚兼用型水稻品种为常规香稻“桂香占”、常规优质稻“粤晶丝苗2号”和超级杂交稻“天优998”，其均在生产上作为主推品种，有较大的种植面积。

1.2 试验设计

试验于2009年早季在华南农业大学农学院教学实验农场进行。试验田前茬为水稻，土壤为砂壤土，耕层土壤理化性质为：有机质22.60 g/kg，全氮1.620 g/kg，全磷0.393 2 g/kg，全钾 31.75 g/kg，碱解氮 85.2 mg/kg，速效磷84.9 mg/kg，速效钾86.9 mg/kg，pH 6.68。土壤全氮和全钾含量较丰富，全磷含量较低，其余养分含量中等。

试验设3个施氮处理：常规施氮(N2)，施尿素407.6 kg/hm2(即纯氮187.5 kg/hm2)； 减氮28%(N1)，施尿素293.5 kg/hm2(即纯氮135.0 kg/hm2)；不施氮(N0)， 施尿素0 kg/hm2(即纯氮0 kg/hm2)。每处理施过磷酸钙450.0 kg/hm2(即五氧化二磷54 kg/hm2)、氯化钾225.0 kg/hm2(即氧化钾135 kg/hm2)，所有肥料皆作为基肥一次性施用。每处理重复3次，小区面积24 m2。其他栽培措施基本一致，2本移栽，插置规格为20 cm×20 cm。水稻于2009-03-09播种，04-01移栽，“天优998”于07-08收割，“粤晶丝苗2号”和“桂香占”均于07-15收割。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及其构成因素 水稻成熟后，每小区取具代表性水稻植株30株调查有效穗数，根据有效穗数选取代表性植株3株，测定每穗总粒数、结实率和千粒质量，同时，测定100穴水稻产量并根据密度换算成单位面积实际产量。

1.3.2 稻米品质性状 稻米收获干燥后储藏3个月，测定品质性状。糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量和胶稠度的测定参照部颁标准《NY 147-88米质测定方法》[17]进行。

1.3.3 水稻剑叶酶活性 分别于水稻齐穗期、齐穗后7 d、齐穗后14 d和齐穗后21 d，根据群体的平均茎蘖数选取5株代表性植株的剑叶，液氮固定后保存于-80 ℃冰箱用于酶活性测定。蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性参照文献[18]的方法测定。

1.3.4 氮肥吸收与利用 于成熟期根据群体的平均茎蘖数选取代表性植株5株，用去离子水清洗后于105 ℃下杀青30 min，转至80 ℃烘干至质量恒定后称量。称取磨碎(过孔径0.25 mm筛)的植物样品0.5 g于100 mL消煮管中，采用H2SO4-HClO4法进行消煮，用全自动凯氏定氮仪进行全氮含量的测定。吸氮量及氮素利用效率(氮素产谷率、吸氮利用率和生理氮转化率)计算参考文献[19]的方法进行。

1.4 数据处理与分析

数据分析采用Excel 2003进行，使用SPSS 17.0进行数据方差分析和相关性分析，并采用LSD法检测同一品种不同处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 减氮对水稻产量及其构成因素的影响

减氮对水稻产量及其构成因素的影响如表1所示。方差分析结果表明，施氮量与品种互作对水稻产量无显著影响。

表 1 减氮对水稻产量及其构成因素的影响

由表1可以看出，与N2处理相比，N1处理显著提高了“粤晶丝苗2号”的实际产量(P<0.05)，增幅为11.99%，N1处理对“桂香占”和“天优998”的实际产量均无显著影响(P>0.05)；N0处理显著降低了“粤晶丝苗2号”、“桂香占”和“天优998”的实际产量(P<0.05)，降幅分别为15.88%，14.11%和21.50%。可见，适度减氮可以增产或稳产，不施氮将导致产量显著下降。

由表1还可知，与N2处理相比，N1和N0处理均显著降低了“粤晶丝苗2号”和“桂香占”的有效穗数，N0处理还显著降低了“天优998”的有效穗数(P<0.05)，而N1处理对“天优998”的有效穗数无显著影响(P>0.05)。可见，减氮对“粤晶丝苗2号”和“桂香占”的有效穗数影响显著，但适度减氮不会显著降低“天优998”的有效穗数。与N2处理相比，N1和N0处理显著提高了“桂香占”的每穗总粒数(P<0.05)，对“粤晶丝苗2号”和“天优998”的每穗总粒数无显著影响(P>0.05)。与N2处理相比，N1处理显著提高了“桂香占”的结实率(P<0.05)，N0处理显著降低了“桂香占”的结实率(P<0.05)，N1和N0处理对“粤晶丝苗2号”和“天优998”的结实率无显著影响(P>0.05)。与N2处理相比，N1和N0处理对3个水稻品种的千粒质量均无显著影响(P>0.05)。

可见，适度减氮条件下，“粤晶丝苗2号”和“桂香占”较高的每穗总粒数、结实率和千粒质量弥补了其由于减氮导致的有效穗数不足的制约，适度减氮对“天优998”的各产量构成因素均无显著影响，这可能是早晚兼用型水稻实施减氮栽培增产或稳产的直接原因。

2.2 减氮对水稻稻米品质的影响

从表2可以看出，与N2处理相比，N1和N0处理对“粤晶丝苗2号”和“桂香占”的稻米碾磨品质(糙米率、精米率和整精米率)均无显著影响(P>0.05)；N1处理对“天优998”的稻米碾磨品质(糙米率、精米率和整精米率)无显著影响(P>0.05)，N0处理显著提高了“天优998”的精米率(P<0.05)，而对“天优998”的糙米率和整精米率均无显著影响(P>0.05)。

从表2还可知，与N2处理相比，N1和N0处理对“粤晶丝苗2号”的稻米外观品质(垩白粒率和垩白度)无显著影响(P>0.05)；N1处理对“桂香占”的稻米外观品质(垩白粒率和垩白度)无显著影响(P>0.05)，但显著降低了“天优998”的垩白粒率和垩白度(P<0.05)；N0处理显著提高了“桂香占”的稻米垩白粒率(P<0.05)，对“桂香占”的稻米垩白度和“天优998”的稻米外观品质均无显著影响(P>0.05)。

表 2 减氮对水稻稻米品质的影响

表2显示，与N2处理相比，N1和N0处理对“粤晶丝苗2号”的稻米蒸煮品质(直链淀粉含量和胶稠度)均无显著影响(P>0.05)；N1处理对“桂香占”和“天优998”的稻米蒸煮品质(直链淀粉含量和胶稠度)均无显著影响(P>0.05)；N0处理显著提高了“桂香占”的稻米直链淀粉含量和“天优998”的稻米胶稠度，对“桂香占”的稻米胶稠度和“天优998”的稻米直链淀粉含量均无显著影响。

可见，适度减氮对稻米的碾磨品质(糙米率、精米率和整精米率)和蒸煮品质(直链淀粉含量和胶稠度)均无显著影响；对“粤晶丝苗2号”和“桂香占”的稻米外观品质(垩白粒率和垩白度)无显著影响；可以提高“天优998”的稻米外观品质(垩白粒率和垩白度均降低)。

2.3 减氮对水稻剑叶代谢关键酶活性的影响

2.3.1 蔗糖磷酸合成酶 蔗糖磷酸合成酶(SPS)是植物体内控制蔗糖合成的关键酶。植物体内蔗糖的积累与SPS活性呈正相关，SPS还参与植物的生长和产量形成，并在植物的抗逆过程中起重要作用。减氮对水稻剑叶蔗糖磷酸合成酶活性的影响如表3所示。

表 3 减氮对水稻剑叶蔗糖磷酸合成酶活性的影响

从表3可以看出，与N2处理相比，N1处理显著提高了“粤晶丝苗2号”和“天优998”齐穗期的剑叶SPS活性(P<0.05)；显著提高了“粤晶丝苗2号”和“桂香占”齐穗后7 d的剑叶SPS活性(P<0.05)；对“粤晶丝苗2号”齐穗后14和21 d的剑叶SPS活性，“桂香占”齐穗期、齐穗后14和21 d的剑叶SPS活性及“天优998”齐穗后7，14和21 d的剑叶SPS活性均无显著影响(P>0.05)。与N2处理相比，N0处理显著提高了“粤晶丝苗2号”齐穗期剑叶SPS活性，显著降低了齐穗后7 d剑叶SPS活性，对齐穗后14和21 d的剑叶SPS活性均无显著影响；N0处理对“桂香占”和“天优998”剑叶的SPS活性无显著影响。可见，适度减氮有利于提高“粤晶丝苗2号”和“桂香占”灌浆期剑叶SPS活性，对“天优998”影响不显著。

2.3.2 蔗糖合成酶 蔗糖合成酶(SS)是植物蔗糖代谢的关键酶，在植物生长发育过程中起重要作用。从表4可以看出，与N2处理相比，N1处理显著提高了“粤晶丝苗2号”和“桂香占”齐穗后7和14 d的剑叶SS活性，显著降低了“天优998” 齐穗后14 d的剑叶SS活性(P<0.05)；对3个品种其他时期的剑叶SS活性无显著影响(P>0.05)。与N2处理相比，N0处理显著降低了“桂香占”齐穗期剑叶SS活性(P<0.05)，对其他品种各时期的剑叶SS活性均无显著影响(P>0.05)。可见，适度减氮总体有利于提高“粤晶丝苗2号”、“桂香占”和“天优998”灌浆期剑叶SS活性。

表 4 减氮对水稻剑叶蔗糖合成酶活性的影响

2.4 减氮对水稻氮素利用效率的影响

从表5可以看出，与N2处理相比，N1处理对3个水稻品种的吸氮量无显著影响(P>0.05)，N0处理显著降低了3个水稻品种的吸氮量(P<0.05)。相对于N2处理，N1处理显著提高了“粤晶丝苗2号”的氮素产谷率和生理氮转化率(P<0.05)，对其吸氮利用率无显著影响(P>0.05)；N1处理显著提高了“桂香占”的氮素产谷率和吸氮利用率(P<0.05)，也提高了生理氮转化率，但未达显著水平(P>0.05)；N1处理对“天优998”的氮素产谷率、吸氮利用率及生理氮转化率均无显著影响(P>0.05)。可见，适度减氮条件下，“粤晶丝苗2号”的群体吸氮量减少，但氮素利用效率随之提高；“桂香占”仍具有较大吸氮量，且提高了氮素利用效率；“天优998”的群体吸氮量减少，对氮素利用效率无显著影响。

表 5 减氮对水稻氮素利用效率的影响

2.5 水稻产量及其构成因素与氮吸收的相关性

从表6可以看出，有效穗数与实际产量及吸氮量分别呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关关系，吸氮量与产量呈极显著正相关关系(P<0.01)，产量和吸氮量均与每穗总粒数、结实率和千粒质量无显著相关关系(P>0.05)。

表 6 水稻产量及其构成因素与氮吸收的相关性

3 讨 论

氮肥是影响水稻产量的重要因子之一，前人对于合适的水稻施氮量进行了大量研究，认为适量的氮肥及其在各时期进行合理的分配可以获得较高的产量和氮肥利用率[14,20]。中国稻田氮肥吸收利用率大多在 30%～40%[21]，其主要原因可能与氮肥施用量较高有关。刘怀珍等[22]研究表明，减氮后会导致水稻减产，但差异不显著；另有研究认为，减氮能增产稳产[6-12]。本研究结果表明，对华南早晚兼用型水稻减氮28%(施尿素293.5 kg/hm2)能有效增产或稳产。原因在于：减氮28%条件下，“粤晶丝苗2号”和“桂香占”较高的穗粒数、结实率和千粒质量，能弥补减氮对有效穗数的制约，亦能保持“天优998”各产量构成因子的稳定性。同时，减氮28%处理对3个华南早晚兼用型水稻品种吸氮量均无显著影响，却有利于提高“粤晶丝苗2号”和“桂香占”的氮素利用效率，对“天优998”的氮素利用效率亦无显著负面影响。同时，实施减氮栽培后，水稻生育后期蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)的活性亦较高。因此，减氮最终表现为有利于华南早晚兼用型水稻增产或稳产。通过进一步的相关性分析发现，有效穗数与产量及吸氮量呈显著或极显著正相关关系，吸氮量与产量呈极显著正相关关系。因此，减氮栽培后产量提高的关键是因为提高了吸氮量和增加了有效穗数。

施用氮肥是当前水稻生产中稻米品质的重要调控手段之一[23-25]，对不同品种于不同时期合理地施用氮肥，可以协调水稻的优质和高产[26-27]。谢黎虹等[28]以籼粳杂交水稻“甬优6号”为材料，研究发现施氮处理稻米的糙米率、精米率、整精米率、垩白度、胶稠度、蛋白质含量等品质指标均明显高于不施氮处理，但施氮处理间差异不显著。本试验结果表明，适度减氮处理能保持或改善华南早晚兼用型水稻稻米品质。适度减氮对“粤晶丝苗2号”和“桂香占”稻米品质性状均无显著影响，这可能是由于适度减氮提高了“粤晶丝苗2号”和“桂香占”灌浆期剑叶蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)的活性，协调了水稻品种的碳氮代谢。即适度减氮处理能使常规优质稻保持稻米品质性状的稳定性；能改善“天优998”的外观品质(降低垩白粒率和垩白度)，进而表现出一定的优米效果，说明适度减氮对杂交水稻稻米品质具有良好的改善效果。

4 结 论

与常规施氮相比，适度减氮有利于华南早晚兼用型水稻增产或稳产，并保持或改善稻米品质。因为适度减氮下协调了“粤晶丝苗2号”和“桂香占”的产量构成，而对“天优998”产量构成无显著影响；且适度减氮对于剑叶关键酶无显著负面影响，对氮吸收影响不显著，且有利于保持较高的氮素利用效率。

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