喷施不同化学制剂对高温胁迫水稻干物质积累与碳氮代谢的影响

江晓东 华梦飞 费日超 姜琳琳 杨沈斌 郭建茂

（1南京信息工程大学/江苏省农业气象重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044；2中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州450003；3沂南县气象局，山东沂南276300；第一作者：jiangxd＠126．com）

在全球气候变暖的背景下，近100年来我国气温上升明显，升温幅度约为 0．5℃～0．8℃，高于同期全球平均水平，并表现出极端高温发生频率和强度增加的特点[1]。水稻是我国主要的粮食作物，高温热害是水稻主要的农业气象灾害之一。一般认为，当水稻在孕穗开花期遇到日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃，持续日数大于3 d为就会发生高温热害[2]。高温热害会对水稻生长发育和产量造成显著影响。张桂莲等[3]研究发现，高温胁迫会导致水稻花药开裂率、花粉活力下降；郑建初等[4]研究指出，水稻在抽穗期遭遇持续3 d高于35℃的气温，结实率就会降到70%以下；CRAFTSBRANDNER等[5]研究结果表明，高温胁迫发生时，光合作用关键酶Rubisco活性下降，CO2同化能力降低，光合速率显著下降；杨再强等[6]研究表明，高温胁迫会导致水稻叶片净光合速率、PSⅡ最大光能转化效率和PSⅡ实际量子产量下降；汤日圣等[7－8]研究指出，高温热害使水稻叶片SOD、POD、CAT活性降低，MDA含量增加，叶片衰老加速；谢晓金等[9－11]研究指出，高温会导致水稻每穗粒数、结实率和千粒重下降，稻米品质变劣。喷施外源化学制剂是增强水稻的耐热性、减轻高温危害的有效手段。喷施外源化学制剂可以提高水稻的授粉量，提高结实率[12]，可以提高水稻叶片的抗氧化酶活性，降低MDA含量，减轻叶片的衰老程度[8，13]，提高叶片的光合速率[14]和水稻产量。

长江中下游是我国主要的水稻产区，水稻产量约占我国水稻总产量的50%[15]，受地理位置和副热带高压的影响，该地区每年7—8月容易出现持续高温天气，在气候变暖的背景下，该地区水稻高温热害的发生频率和强度有增加的趋势，对水稻生产产生严重影响[16－18]。目前有关喷施化学制剂提高水稻抗高温能力的研究较多，但大多基于单一化学制剂，对不同种类化学制剂之间的对比研究较少。为此，在本课题组前期的研究基础上[8]，本研究选取KH2PO4和CaCl2两种化学制剂，比较不同化学制剂对高温胁迫下水稻干物质积累与碳氮代谢的影响，以期为长江中下游水稻生产应对高温热害提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

图1 不同处理对水稻叶片干物质积累的影响

图2 不同处理对水稻茎秆干物质积累的影响

试验于2016年在南京信息工程大学农业气象试验站进行，以早稻品种陵两优268为研究对象，进行盆栽试验。4月20日播种，3叶1心期选择均匀一致的壮苗移栽于内直径20 cm、高30 cm的塑料盆中，每盆3株，等边三角形种植，植株离盆沿5 cm。在水稻拔节末期（6月20日）连续3 d每日17∶00对处理植株分别喷施22.04 mmol/L KH2PO4溶液和20.00 mmol/L CaCl2溶液，以喷施蒸馏水为对照（CK），喷施至溶液液滴均匀布满叶片为止。试验共计3个处理，每个处理种植9盆，共计27盆。6月23日9∶00将盆栽水稻放入人工气候箱（TPG1260，Australian）进行连续5 d的高温处理，处理方法为：6∶00—18∶00 温度 40℃±0.5℃，18∶00—次日6∶00温度为 30℃±0.5℃，日平均气温 35℃，光照强度为1 000 μmol/（m·s），空气相对湿度为60%。6月28日9∶00将所有处理水稻移至室外自然生长直至成熟。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 干物质

在高温处理5 d（6月28日）、高温处理结束后5 d（7月3日）和成熟期各取样一次样品，将叶片、茎秆和穗分开装袋，然后置于105℃的烘箱中杀青30 min后，75℃烘干称重。

1.2.2 产量

在成熟期取样，进行室内考种，计数每穗粒数、结实粒数和千粒重，并计算结实率。

1.2.3 剑叶光合速率

在高温处理第5 d（7月9日）和高温处理结束后第5 d（7月14日），采用LI-6400型光合仪（LI-COR，USA）对各处理剑叶进行测定，每个处理重复测定3次。

1.2.4 含氮量

采用“硫酸铜-硫酸钾-硒粉”联合催化剂浓硫酸消煮法测定，使用KDY9820型凯氏定氮仪（KETUO，中国）按半微量凯氏定氮法测定全氮含量[19]。

1.2.5 可溶性糖含量

采用蒽酮比色法测定[19]。

1.3 数据处理

用Excel和DPS软件进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下不同化学制剂对水稻干物质积累的影响

由图1可以看出，在高温处理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片干物质量显著高于CK，其中，KH2PO4溶液处理最大，比CK高0.099 g/茎，也显著高于CaCl2溶液处理，说明KH2PO4溶液处理的水稻叶片的抗高温能力强，光合作用高，干物质积累能力强，而CK的水稻叶片受高温胁迫影响大，干物质生产和积累受到抑制。恢复5 d后，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片干物质量仍显著高于CK，但KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理之间差异不显著，说明CaCl2溶液处理的水稻叶片在高温胁迫后机能恢复较快，CK恢复缓慢。在水稻成熟期，CK的叶片干物质量分别比KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理高0.043 g/茎和0.034 g/茎，差异到达显著水平，表明KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理可促使水稻叶片积累的干物质在成熟期向籽粒中转移，提高水稻产量。

图3 不同处理对水稻茎叶干物质积累的影响

图4 不同处理对水稻剑叶净光合速率（Pn）的影响

图5 不同处理对水稻剑叶蒸腾速率（Tr）的影响

从图2可以看出，在高温处理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻茎秆干物质量比CK高0.105 g/茎和0.082 g/茎，差异显著，表明在高温胁迫下，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理后的水稻茎秆生长受高温影响较CK小，能贮存更多的有机物。高温处理结束恢复5 d后，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻茎秆干物质量仍显著高于CK，分别比CK高0．157 g/茎和 0．107 g/茎，KH2PO4溶液处理也显著高于CaCl2溶液处理，说明KH2PO4处理更能促进恢复期水稻茎秆的生长，有利于茎秆中有机物的运输和存储，茎秆生长健壮。在成熟期，CK的茎秆干物质量显著高于KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理，分别比KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理高 0．375 g/茎和 0．223 g/茎，KH2PO4溶液处理的茎秆质量最低，这表明，喷施外源化学制剂，能够显著促进水稻茎秆积累的干物质再分配到籽粒中，有利于产量的增加。

从图3可见，喷施不同化学制剂对水稻植株茎叶干物质积累影响显著。在高温处理5 d后，水稻茎秆干物质量KH2PO4溶液处理＞CaCl2溶液处理＞CK，处理之间差异显著，表明KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理水稻植株受高温胁迫影响小，KH2PO4处理的水稻植株受影响程度最小。恢复5 d，3个处理茎叶干物质积累量高于高温处理5 d，表明水稻在进行恢复性生长，干物质积累量仍表现为KH2PO4溶液处理＞CaCl2溶液处理＞CK，处理之间差异显著，说明用KH2PO4溶液处理水稻受高温胁迫后恢复速度快，植株生长量大，用CaCl2溶液处理次之。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理水稻植株茎叶干物质积累量分别比CK低0．218 g/茎和 0．116 g/茎，说明用 KH2PO4溶液和 CaCl2溶液处理可以使茎叶积累的干物质更多的转运到籽粒中，KH2PO4溶液处理对茎秆运转量的促进作用大于CaCl2溶液处理。

2.2 高温胁迫下不同化学制剂对水稻光合特性的影响

喷施不同化学制剂对高温胁迫处理下和恢复期的水稻产生了显著的影响。由图4可见，抽穗期高温胁迫处理5 d，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻剑叶净光合速率（Pn）分别比CK高14．00 μmol/（m2·s）和10．58 μmol/（m2·s），说明喷施不同化学制剂后水稻叶片在高温胁迫下仍能保持较高的光合速率。恢复5 d各处理的Pn较高温胁迫处理5 d时有明显提高，KH2PO4溶液处理、CaCl2溶液处理的净光合速率显著高于CK，分别比CK高10．43 μmol/（m2·s）和5．68 μmol/（m2·s），说明喷施不同化学制剂能够促进水稻叶片在遭受高温胁迫伤害后快速恢复光合机能。不同化学制剂之间比较，KH2PO4溶液处理的叶片受高温胁迫的影响小、光合速率高。

从图5可见，高温胁迫处理5 d，KH2PO4溶液处理、CaCl2溶液处理的水稻剑叶蒸腾速率（Tr）显著高于CK，分别比CK高16．99 mmol/（m2·s）和12．45 mmol/（m2·s）；在高温处理结束后恢复5 d，各处理的 Tr皆有提高，KH2PO4溶液处理、CaCl2溶液处理叶片Tr仍显著高于CK，分别比CK高15．45 mmol/（m2·s）和15．91 mmol/（m2·s）。可见，喷施不同化学制剂可以提高高温胁迫时和恢复后叶片的Tr，降低叶片温度，提高水稻叶片的耐高温能力，KH2PO4溶液处理效果更显著。

2.3 高温胁迫下不同化学制剂对水稻植株氮素含量的影响

图6 不同处理对水稻植株氮含量的影响

图7 不同处理对水稻植株可溶性糖含量的影响

氮是植物体内蛋白质、氨基酸、酰胺、核酸、辅酶、叶绿素等的组成元素，其含量可以指征植物的生理代谢活性[20]。高温胁迫显著影响了水稻植株氮代谢过程。从图6可以看出，不管是在高温处理后还是在恢复期，CK叶片和茎秆的氮含量都显著低于KH2PO4溶液处理和CaCl2溶液处理，表明高温胁迫严重抑制了水稻的氮素代谢活性，喷施不同化学制剂可以显著促进水稻植株的氮代谢。在高温处理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片和茎秆的氮含量显著高于CK，叶片氮含量分别比CK高13.59%和11.96%，茎秆氮含量分别比CK高21.11%和14.44%，表明喷施化学制剂可以显著提高高温胁迫条件下水稻的氮素积累，减缓氮素的分解，植株生理活性高。在恢复5 d后，水稻叶片和茎秆的氮含量仍高于CK，说明喷施化学制剂可以促进恢复期水稻植株的氮素吸收与蛋白质的合成，提高植株的氮素代谢能力。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片和茎秆中的氮含量仍显著高于CK，叶片氮素含量分别比CK高58.99%和40.29%，茎秆氮含量分别比CK高44.23%和42.31%，这表明在成熟期CK植株中叶片和茎秆的含氮物质大量分解代谢，植株衰老严重，而KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片和茎秆仍然保持一定的生理活性，保证了稻穗正常的落黄和成熟。总体而言，KH2PO4溶液处理对促进高温胁迫下水稻氮代谢的能力高于CaCl2溶液处理。

2.4 高温胁迫下不同化学制剂对水稻植株可溶性糖含量的影响

植物组织中的可溶性糖主要包括葡萄糖、果糖（单糖）和蔗糖（双糖），是光合作用碳反应的主要产物，还是植物体内碳水化合物转化、运输、储藏和再利用的主要形式[20]。喷施不同化学制剂同样影响了高温胁迫下水稻的碳代谢。由图7可知，在高温处理5 d后，KH2PO4溶液处理显著提高了水稻叶片和茎秆的可溶性糖含量，分别比CK高24.40 μg/g 和 108.51 μg/g，叶片光合性能高，并且转运效率高，茎秆中贮藏的可溶性糖含量高，CaCl2溶液处理与CK处理无显著差异。在恢复5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的叶片可溶性糖含量分别比CK高 191.50 μg/g 和 105.87 μg/g，差异显著，表明这 2 种化学制剂均促进了水稻植株在高温热害后的恢复，叶片光合碳代谢旺盛；KH2PO4溶液处理茎秆可溶性糖含量显著高于CK，而CaCl2溶液处理与CK无显著差异，这表明CaCl2溶液处理叶片输出的光合产物较KH2PO4处理少。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的叶片和茎秆可溶性糖含量显著高于CK，说明KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理水稻叶片在生育末期仍保持较高的光合活性，保证了水稻后期籽粒灌浆的需要。从植株碳代谢的角度分析，KH2PO4溶液处理对提高水稻抗高温能力的促进作用大于CaCl2溶液处理。

2.5 高温胁迫下不同化学制剂对水稻产量的影响

从表1可见，不同处理之间水稻千粒重无显著差异，但穗粒数和结实率处理之间差异显著。KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的穗粒数分别比CK多21.00粒和18.66粒，结实率分别比CK高10.83%和5.90%，差异均显著。穗粒数和结实率的改变影响了水稻的穗粒重，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的穗粒重分别比CK高0.44 g和0.36 g，3个处理间差异达显著水平。这说明，高温胁迫下喷施不同化学制剂，水稻产量的提高主要是因为穗粒数和结实率的提高，KH2PO4溶液处理对产量的促进作用大于CaCl2溶液处理。

3 讨论

大量研究表明，高温胁迫可以抑制水稻的光合作用、加速叶片衰老、降低水稻结实率和千粒重，致使水稻减产[3-13，16-17]。本研究表明，高温胁迫下，水稻叶片Pn和Tr显著降低，植株干物质积累量和向籽粒中的转运量、叶片和茎秆中氮素含量和可溶性糖含量显著减少，穗粒数和结实率显著降低，导致水稻减产显著。喷施外源化学制剂后，水稻植株氮素含量和可溶性糖含量显著上升，表明水稻的碳氮代谢活跃，受高温胁迫抑制作用小。蛋白氮是植物组织氮素的主要来源，叶片中的蛋白质主要由酶蛋白组成，Rubisco是叶片蛋白质的主要组成成分，直接参与光合作用的调控[20]。本试验中，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片氮素含量显著上升，叶片氮素代谢活跃，叶片中参与光合作用的酶类含量高，与2个处理水稻叶片光合速率显著高于CK相互验证。植物的可溶性糖主要来源于光合作用，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的叶片和茎秆可溶性糖含量显著高于CK，也是光合作用增强的直接结果，同时，可溶性糖还是淀粉、纤维素等多糖合成以及呼吸作用的底物，其含量的增加直接促进了植株干物质积累和籽粒千粒重的增加，提高了产量。渗透调节是植物应对逆境的重要生理机制，可溶性糖与蛋白质、游离脯氨酸等是主要的渗透调节物质[20]。本研究结果表明，KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理的水稻叶片氮素和可溶性糖含量高，说明叶片细胞的渗透调节能力强，对高温胁迫的抵抗能力强，同时，高温胁迫下喷外源制剂处理叶片的蒸腾速率显著提高，水分蒸散消耗的热量增加，降低了叶片温度，减轻了高温胁迫对叶片的损伤，也验证了前人的研究结果[7-8，13]。所以，植株碳氮代谢旺盛、光合作用强、受高温胁迫损伤小，是KH2PO4溶液和CaCl2溶液处理水稻干物质积累增加、产量提高的主要原因。

表1 不同处理对水稻产量及产量构成因素的影响

K是植物必需的三大元素之一，直接参与植物的各项生理活动。K既可以调节气孔运动，改变叶片的蒸腾速率和光合速率，又可以参与渗透调节，维护细胞的正常功能，还可以促进光合产物的转化和运输，维持植物良好的库源关系[20-22]。Ca主要以结合态存在于植物的细胞壁和细胞质中，其对植物的调节作用主要通过与受体蛋白CaM形成的钙信使系统进行[20，23]，这可能是本试验中KH2PO4溶液处理调控效果优于CaCl2溶液处理的原因。本试验是在人工控制下采用盆栽试验得出的结果，需要大田试验进一步验证。

4 结论

在高温胁迫下和高温结束后的恢复过程中，喷施22.04 mmol/L KH2PO4溶液和20.00 mmol/L CaCl2溶液均能提高水稻叶片和茎秆的干物质积累量、含氮量和可溶性糖含量、叶片的Pn和Tr，植株受高温胁迫损伤小，光合速率高，碳氮代谢活跃；喷施2种化学制剂均能提高水稻的穗粒数和结实率，提高水稻产量。喷施22.04 mmol/L KH2PO4溶液提高水稻抗高温热害的能力好于20.00 mmol/L CaCl2溶液。