纳米镁对水稻产量形成和氮素吸收利用的影响

2022-03-17陈志青刘梦竹王锐崔培媛卢豪魏海燕张洪程张海鹏

中国水稻科学 2022年2期

陈志青刘梦竹王锐崔培媛卢豪魏海燕张洪程张海鹏

陈志青刘梦竹王锐崔培媛卢豪魏海燕张洪程张海鹏*

(农业农村部长江流域稻作技术创新中心/ 江苏省作物栽培生理重点实验室/ 江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，扬州大学水稻产业工程技术研究院，江苏扬州 225009；*通信联系人，E-mail: hpzhang@yzu.edu.cn)

【】探明纳米镁和离子镁对水稻产量、产量形成和氮素吸收利用的影响。【】以南粳9108为试验对象，设置了3个氮水平(0、180、270 kg/hm2)下不施镁肥和施用纳米镁或离子镁的盆栽试验。【】相同氮肥施用水平下，施用纳米镁和离子镁处理的水稻籽粒产量较不施镁处理均有所提高，且施用纳米镁处理的籽粒产量均高于施用离子镁处理，其原因在于施用纳米镁能够提高水稻生育后期叶面积指数、剑叶SPAD值、光合势和净光合速率，促进水稻生育后期光合物质的积累，获得更高的每穗粒数、结实率以及千粒重。相同氮肥施用水平下，与不施外源镁处理相比，离子镁和纳米镁的施用均提高了水稻各器官的氮浓度和氮积累量，并促进了氮肥偏生产力、氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率的提高。【】纳米镁较离子镁更有利于提高水稻灌浆期间的光合物质积累，促进水稻生产力和氮肥利用率的提高，可作为水稻绿色高效栽培的施肥措施。

水稻；纳米镁；干物质积累；产量构成；氮素利用

水稻是我国主要的粮食作物，其产量与水、肥(尤其是氮肥)等资源的投入密切相关。我国稻田单季水稻氮肥的平均用量已高达200 kg/hm2，而氮肥吸收利用率仅为30%～35%[1]，更多的氮则通过淋溶、径流、氨挥发及硝化-反硝化等多种途径损失，由此带来了如大气温室效应、水体富营养化等环境问题[2-4]。研究如何提高水稻的氮肥利用率、减少氮的环境污染，对实现农业的可持续发展及生态环境改善具有重要意义。水稻对氮肥的吸收利用受各种因素的影响，如施入肥料类型[5]、施肥方式[6]、土壤理化性质[7]和田间管理[8]等。过去40年来，研究人员提高水稻氮肥利用的研究重点主要聚焦于如何减少氮肥用量、改变肥料性质及改善施肥方法等，但是如何通过施肥手段挖掘水稻氮素高效利用的潜力少有研究。

水稻氮素同化主要借助硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶等的催化功能[9]，主要发生在叶绿体中[10]，因此水稻叶片叶绿体的数量和活性在很大程度上决定着植物对氮素的利用。水稻叶绿素的实际光合效率与供氮水平密切相关，增加水稻叶片(特别是底层叶片)的光吸收，有利于群体光合作用，提高水稻氮素利用效率[11]，及孕穗后的氮素利用及抵御盐害能力[12]。镁是作物生长发育过程中所必需的微量元素之一，是形成叶绿素的重要成分，对植物的光合作用、能量代谢、核酸和蛋白质的合成也有重要的影响，且与稻米的食味品质也有着密切关系[13]。施用镁肥能够显著降低稻米最终黏度、回复值和消减值，显著提高最高黏度、热浆黏度和崩解值，并最终提高稻米食味品质[14-15]。在当前水稻生产中，为追求高产，不断增加氮磷钾肥的施用更易造成土壤镁元素的相对缺乏，导致水稻镁营养不足，不利于水稻产量和稻米品质的可持续提升。因此，通过施用镁肥可能是一个提高水稻产量和氮肥利用率的有效途径。

水稻镁肥的施用主要包括土壤施用和叶面喷施。土壤施用镁肥的效果受土壤条件影响很大，土壤高pH值、低有机质含量等都会增加镁肥被土壤固定的程度，降低其有效性[16]；而叶面喷施又难以被叶片固定吸收，且无法满足根系对镁的需求，增产和促进氮素利用的效果差[17]。近年来，已有研究报道，纳米镁可以被作物吸收利用，并可提高作物叶绿体的数量和活性，显著促进作物产量和氮素利用率的提高[18]。纳米镁为纳米级颗粒，其理化性质稳定，比表面积大，易吸附在根系表面而被吸收，受土壤质地、结构、有机质、胶体等影响较小[19]。然而，到目前为止，水稻产量形成及氮素利用对纳米镁的响应仍不明确。因此，本研究选取纳米镁和离子镁两种镁肥基施作比较研究，探究纳米镁和离子镁(硫酸镁)对水稻产量及氮素利用影响的差异，以期为通过现代农艺措施提高稻米产量和氮素利用率提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年和2020年5月－12月在江苏省扬州市扬州大学校内试验田(东经119.42°，北纬32.39°)进行。

1.2 试验材料

供试水稻品种选用江苏省农业科学院粮食作物研究所培育的迟熟中粳品种南粳9108。

供试土壤类型为砂质壤土。土壤基础养分状况如下：有机质24.4 g/kg，全氮1.32 g/kg，碱解氮104.2 mg/kg，速效磷35.4 mg/kg，速效钾72.5 mg/kg，速效镁43.41 mg/kg，土壤pH 6.03。

供试肥料分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(KCl 60%)；离子镁(Ionic-Mg)为国药集团化学试剂有限公司购买的硫酸镁(MgSO4·7H2O)；纳米镁(Nano-Mg)为实验室制备的纳米氧化镁，具体制备方法如下：将一定质量的硫酸镁(MgSO4·7H2O)溶解在200 mL聚乙二醇溶液中，边快速搅拌边逐滴加入1 mol/L氢氧化钠溶液，得到白色悬浊液后转入250 mL内衬为聚四氟乙烯的高压水热反应釜中，移入程控加热炉后升温至180 ℃反应6 h，待自然冷却后用蒸馏水洗涤多次并于105 ℃下烘干12 h，得到氢氧化镁，将氢氧化镁在500 ℃下焙烧5 h，得到纳米氧化镁(图1)。

图1 纳米氧化镁透射电镜观察

Fig. 1. TEM images of nano-magnesium.

1.3 试验设计

采用盆栽试验，试验所用盆的长×宽×高为0.8 m×0.5 m×0.75 m，每盆面积计0.4 m2。共设9个处理，分别为1)不施镁+不施氮肥(Non-Mg-0N)；2)不施镁+氮肥减量1/3(Non-Mg-12N)；3)不施镁+氮肥常规用量(Non-Mg-18N)；4)离子镁+不施氮肥(Ionic-Mg-0N)；5) 离子镁+氮肥减量1/3 (Ionic-Mg- 12N)；6) 离子镁+氮肥常规用量(Ionic- Mg-18N)；7)纳米镁+不施氮肥(Nano-Mg-0N)；8) 纳米镁+氮肥减量1/3(Nano-Mg-12N)；9) 纳米镁+氮肥常规用量(Nano-Mg-18N)。氮肥常规施用量为270 kg/hm2，基肥、分蘖肥和穗肥的施用比例为4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度为10 cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量为135 kg/hm2，全部做基肥施用，钾肥施用量为270 kg/hm2，基肥和穗肥比例为1∶1；离子镁和纳米镁的用量为12 kg/hm2；各处理施肥量和施肥方法2年保持一致。每个试验处理设置10次重复。

水稻育秧于每年5月15日播种，湿润育秧，30 d秧龄后，挑选发育进程与长势一致的秧苗，于6月15日移栽。每穴定植4苗，每盆16穴，栽植密度为12.5 cm×20 cm(40×104穴/hm2)。2019年试验结束后，各试验盆土壤于2020年5月10日前更换新土。试验期间水分与病虫害防治等管理措施按高产栽培要求统一实施。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量测定

各处理成熟期分别选取20穴，计算有效穗数，按各处理的平均穗数取有代表性的植株3穴，测定每穗粒数、结实率和千粒重等，计算理论产量，并实收计产。

1.4.2 各器官干物质量的测定

分别于拔节期、抽穗期、成熟期按各处理茎蘖数的平均值取有代表性的植株3穴，采用长宽法测定植株叶面积，计算叶面积指数；将所取植株分为茎鞘、叶片和穗3个部分，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘至恒重后测定各器官干物质量。

1.4.3 叶片SPAD值的测定

各处理分别选定10穴，齐穗后5 d和齐穗后25 d测定植株剑叶SPAD值。SPAD值的测定使用日本Minolta生产的SPAD-502型叶绿素计。

1.4.4 叶片净光合速率的测定

采用美国LI-6400便携式光合仪测定水稻叶片净光合速率。测定条件为开放系统，叶室CO2浓度380 μmol/mol，使用红蓝光源测定，光量子通量密度(PFD)1200 μmol/(m2s)。齐穗后5 d和齐穗后25 d测定，取叶片取向或着生角度一致的剑叶中部，测定过程中尽量选择剑叶原来状态，包括位置、角度等，各处理重复测定6叶，每叶测定10次，求平均值[20]。

1.4.5 各器官含氮率的测定

将成熟期植株的茎鞘、叶片和穗烘干粉碎，采用H2SO4-H2O2消化，半微量凯氏定氮法测定氮浓度，计算各器官含氮率。

1.5 数据计算与统计分析

水稻植株不同生育期氮素积累量和氮素利用效率采用以下方法计算：

叶面积指数衰减速率(LAI, d−1)＝(抽穗期LAI－成熟期LAI)/抽穗至成熟期间隔天数；

光合势(m2d/m2)＝(LAI1＋LAI2)×(2－1)/2，式中，LAI1和LAI2为前后2次测定的叶面积指数，1和2为前后2次测定间隔的时间；

氮素积累量(kg/hm2)＝干物质积累量×植株氮含量；

氮素总积累量(kg/hm2)＝茎鞘氮素积累量＋叶片氮素积累量＋穗氮素积累量；

氮肥偏生产力(kg/kg)＝施氮肥区产量/氮肥用量；

氮肥农学效率(kg/kg)＝(施氮肥区产量－不施氮肥产量)/氮肥用量；

氮素籽粒生产效率(kg/kg)＝籽粒产量/氮素总积累量；

氮肥吸收利用率(%)＝(施氮肥区水稻氮素总积累量－不施氮肥区水稻氮素总积累量)/氮肥用量×100%；

氮素相对生理利用率(kg/kg)＝(施氮肥区水稻产量－不施氮肥区水稻产量)/(施氮肥区水稻氮素总积累量－不施氮肥区水稻氮素总积累量)；

两年试验数据基本一致，合并数据进行分析。本研究所有数据均以Microsoft Excel 2016进行数据处理和图表绘制，以SPSS 25.0进行统计分析，采用单因素方差分析和最小显著差异法比较不同处理的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 外源镁对水稻产量及其构成因子的影响

表1表明，相同氮肥施用水平下，2019年和2020年外源镁施用各处理水稻籽粒产量较不施镁处理均有所提高，其中在氮肥用量为180 kg/hm2水平下达显著性差异，不施氮和氮肥用量为270 kg/hm2时差异不显著。施用纳米镁处理水稻产量均高于施用离子镁处理，这表明纳米镁对水稻籽粒的增产效果优于离子镁。随着氮肥施用量的增加，离子镁和纳米镁施用对2年水稻籽粒产量的影响均呈现先增加后降低的趋势。当不施氮以及氮肥用量为180 kg/hm2和270 kg/hm2时，施用离子镁籽粒产量较不施镁分别增加了1.89%、15.43%、1.60%，施用纳米镁的籽粒产量较不施镁分别增加了2.95%、17.14%、2.67%。外源镁对水稻籽粒的增产效果受氮肥施用水平的影响。不施氮肥时，水稻的生长发育受到影响，此时镁元素并非影响水稻籽粒产量的主要因素，而在高氮肥施用水平时，镁元素对水稻籽粒产量形成的影响受高氮效应的掩盖而不显著。从水稻产量构成因素来看，施用外源镁处理的2年有效穗数和每穗粒数均随氮肥施用水平的增加而增加，均以氮肥用量为270 kg/hm2水平下最高。与不施镁处理相比，施离子镁和纳米镁，有效穗数和每穗粒数均有增加。在不施氮处理下，施用镁肥显著增加了水稻有效穗数，每穗粒数、结实率和千粒重也有所增加，但产量增加并不显著。施离子镁和纳米镁对结实率和千粒重均无显著影响。方差分析表明，年份仅对有效穗数影响达显著水平，对籽粒产量及其他产量构成因素影响不显著。镁肥处理、氮肥用量均对有效穗数、每穗粒数和籽粒产量影响达极显著水平，对结实率和千粒重影响不显著。镁肥处理和氮肥用量互作对籽粒产量影响达极显著水平，对每穗粒数影响达显著水平，对其他产量构成因素影响不显著。

表1 纳米镁和离子镁施用对水稻产量及其构成因子的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

2.2 外源镁对水稻干物质积累量及比例的影响

水稻较高的干物质积累是获得高产的关键。由表2可知，与不施镁各处理相比，各个生育阶段下施离子镁和施纳米镁均提高了水稻的干物质积累量，其中在氮肥用量为180 kg/hm2水平下达显著性差异，在氮肥用量为0 kg/hm2和270 kg/hm2水平下差异不显著。镁肥施用对水稻干物质积累量的提高主要体现在抽穗至成熟阶段。相较于不施镁处理，播种至拔节阶段施离子镁和施纳米镁的干物质积累量分别平均增加3.99%、4.77%，拔节至抽穗阶段施离子镁和施纳米镁的干物质积累量分别平均增加3.93%、4.52%，抽穗至成熟阶段施离子镁和施纳米镁的干物质积累量分别平均增加9.54%、12.18%。由此可见，施用外源镁有利于提高水稻生育后期的物质积累，抽穗至成熟阶段施用外源镁对水稻干物质积累量的增加效果远高于前两个生育阶段，且施纳米镁处理对水稻干物质积累量的增加效果要高于施离子镁。镁肥处理和氮肥用量互作对播种至拔节阶段水稻的干物质积累量影响不显著，对拔节至抽穗阶段水稻的干物质积累量影响达显著水平，对抽穗至成熟阶段水稻的干物质积累量影响达极显著水平。

表2 纳米镁和离子镁施用对水稻不同时期干物质积累量及比例的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

2.3 外源镁对水稻叶面积指数的影响

由表3可知，在相同氮肥施用水平下，各生育时期施离子镁处理和施纳米镁处理的叶面积指数(LAI)较不施镁处理均有所增加。拔节期和抽穗期时镁肥施用各处理的叶面积指数相较于不施镁处理差异不显著，而成熟期时镁肥施用各处理的叶面积指数相较于不施镁处理差异达显著水平。与不施镁处理相比，拔节期时镁肥施用各处理的叶面积指数增加0.79%～3.99%，抽穗期时镁肥施用各处理的叶面积指数增加1.58%～6.33%，成熟期时镁肥施用各处理的叶面积指数增加5.78%～22.16%，可见成熟期施用外源镁对水稻叶面积指数的增加效果高于前两个生育时期，其中施纳米镁的叶面积指数要高于施离子镁。从叶面积衰减速率来看，相较于不施镁处理，施用外源镁显著降低结实期水稻叶面积的衰减速率，其中施纳米镁处理的叶面积衰减速率低于施离子镁处理，可见施用纳米镁能更有效地延缓水稻生育后期的叶片衰减。镁肥处理和氮肥用量互作对拔节期和抽穗期的叶面积指数影响不显著，对成熟期的叶面积指数影响达极显著水平，对叶面积指数衰减速率影响达显著水平。

表3 纳米镁和离子镁施用对水稻叶面积指数的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

2.4 外源镁对水稻光合势的影响

表4表明，在相同氮肥施用水平下，相较于不施镁处理，各个生育阶段下施用离子镁和施用纳米镁均提高了水稻光合势，其中播种至拔节、拔节至抽穗阶段施离子镁和纳米镁对水稻光合势的影响不显著，而抽穗至成熟阶段施离子镁和纳米镁对光合势的影响达到显著水平。与不施镁处理相比，播种至拔节阶段镁肥施用各处理的光合势增加0.79%～3.99%，拔节至抽穗阶段镁肥施用各处理的光合势增加1.28%～4.83%，抽穗至成熟阶段镁肥施用各处理的光合势增加3.86%～11.24%，由此可见抽穗至成熟阶段施用镁肥对水稻光合势的增加效果高于前两个生育阶段。而在相同氮肥用量条件下，施纳米镁各处理的光合势均高于施离子镁，所以相较于离子镁，施用纳米镁能更有效地提高水稻后期光合势。

表4 纳米镁和离子镁施用对水稻光合势的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

2.5 外源镁对水稻SPAD值和净光合速率的影响

表5表明，与不施镁肥处理相比，施离子镁和施纳米镁均提高水稻齐穗后的叶片SPAD值和净光合速率，并降低其衰减率。在相同氮肥施用水平下，齐穗后5d以及齐穗后25 d施纳米镁各处理的叶片SPAD值和净光合速率均高于离子镁处理，可见施纳米镁对水稻齐穗后叶片SPAD值和净光合速率的增加效果优于施离子镁。相较于不施镁处理，齐穗后施离子镁处理的叶片SPAD值衰减率降低6.92%～8.94%，施纳米镁处理的叶片SPAD值衰减率降低8.67%～9.93%；齐穗后施离子镁处理的叶片净光合速率衰减率降低2.85%～6.94%，施纳米镁处理的叶片净光合速率衰减率降低2.63%～11.14%。由此可见，相较于施离子镁处理，施用纳米镁更能提高水稻生育后期的SPAD值和净光合速率，在保障水稻后期仍具有较好光合反应方面更具有优势。

表5 纳米镁和离子镁施用对水稻SPAD值和净光合速率的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

2.6 外源镁对成熟期水稻各部位氮浓度和氮积累量的影响

由表6可知，在相同氮肥施用水平下，相较于不施镁处理，离子镁和纳米镁的施用均提高了水稻各器官的氮浓度和氮积累量。与不施镁处理相比，施离子镁和施纳米镁处理的茎鞘氮积累量分别提高7.41%～13.79%和7.41%～17.67%，施离子镁和施纳米镁处理的叶片氮积累量分别提高3.41%～9.36%和3.10%～16.67%，施离子镁和施纳米镁处理的籽粒氮积累量分别提高5.81%～8.04%和9.47%～ 12.10%，施离子镁和施纳米镁处理的植株总氮积累量分别提高5.88%～9.03%和8.46%～12.31%。可见，施纳米镁处理的水稻各器官氮积累量及植株总氮积累量均高于施离子镁处理，相较于施离子镁，施纳米镁更能提高成熟期水稻对氮素的吸收利用。镁肥处理和氮肥用量互作对成熟期水稻各器官氮积累量及植株总氮积累量影响均达显著水平。

表6 纳米镁和离子镁施用对水稻氮素积累的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

2.7 外源镁对水稻氮素利用的影响

由表7可知，在氮肥用量为180 kg/hm2的处理下，与不施镁处理相比，施用离子镁和纳米镁处理的氮肥偏生产力、氮素籽粒生产效率、氮素农学利用率、氮素生理利用率均有显著提高；而在氮肥用量为270 kg/hm2的处理下，与不施镁处理相比，施用离子镁和纳米镁处理的氮肥偏生产力和氮素农学利用率均无显著差异，施用离子镁和纳米镁处理的氮素籽粒生产效率和氮素生理利用率相较于不施镁处理均显著降低。而在不同的氮肥用量上，施用离子镁和纳米镁各处理的氮素吸收利用率相较于不施镁处理均显著提高，分别提高4.71%～11.54%和5.97%～13.77%，可见，施用纳米镁处理的氮素吸收利用率高于离子镁处理，因此施用外源镁尤其是施纳米镁，能显著提高水稻的氮素吸收利用，从而促进水稻产量的增加。镁肥处理和氮肥用量互作对氮肥偏生产力、氮素农学利用率、氮素生理利用率影响达极显著水平，对氮素籽粒生产效率和氮素吸收利用率影响不显著。

表7 纳米镁和离子镁施用对水稻氮素利用的影响

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示不显著。

Values followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference. PFP, Partial factor productivity of applied N; NUEG, Nitrogen use efficiency for grain production; AE, Agronomic nitrogen use efficiency; PNUE, Physiological nitrogen use efficiency; NRE, Nitrogen recovery use efficiency.

3 讨论

3.1 外源镁对水稻产量的影响

在水稻的生长发育过程中，物质积累是水稻产量形成的基础，水稻产量的形成实际上就是干物质生产与分配的过程[21]。要获得高产，就必须以提高水稻的物质生产力为前提，获得较高的干物质积累量[22]。本研究发现，相同氮肥水平下，与不施镁的处理相比，播种至拔节、拔节至抽穗、抽穗至成熟这三个阶段下施用镁肥均提高了水稻的干物质积累量，其中主要体现在抽穗至成熟阶段，该阶段下施用镁肥对水稻干物质积累量的增幅远大于前两个生育阶段。本研究中施用镁肥主要提高了抽穗至成熟阶段的干物质积累量，保证了水稻后期的籽粒灌浆，进而获得高产，而前人研究表明抽穗至成熟期的光合物质生产决定了产量，这与本研究结果一致[23]。有研究也表明了水稻的产量主要来源于光合物质的生产，约60%～80%的产量来源于抽穗期后光合作用的产物[24]。在相同氮肥水平下，施用纳米镁对水稻干物质积累量的增加效果要高于施用离子镁。由于离子态的镁容易被吸附和固定，而纳米镁为纳米级固体颗粒，理化性质稳定，不易损失，所以纳米镁更易被水稻吸收。有研究表明施用纳米镁在各个生育阶段下水稻的干物质积累量均高于施用镁酸钠，纳米颗粒微肥在促进水稻干物质积累方面相较于离子态的微肥更具有优势[25]。

水稻的物质生产与光合条件密切相关。本研究发现，相同氮肥水平下条件，施用镁肥显著提高了水稻齐穗后的SPAD值，延缓了叶片的衰减，保证水稻在生育后期仍具有较高的光合反应速率。前人研究也表明镁肥对水稻拔节时期后的叶绿素含量有明显提高[18]。施用镁肥还显著增加了水稻成熟期的叶面积指数，降低了结实期的叶面积衰减速率，从而提高了水稻抽穗至成熟阶段的光合势，保障水稻在生育后期较好的光合能力和物质积累。其中施用纳米镁的叶片叶绿素含量、光合速率、叶面积指数、光合势均高于施用离子镁，说明施用纳米镁在保障水稻生育后期较好的光合能力方面更具有优势。水稻生育后期较好的光合能力保障了水稻更高的干物质积累量，最终提高了水稻籽粒产量。与不施镁处理相比，施离子镁和纳米镁的水稻籽粒产量均有所提高。各相同氮肥施用量条件下，纳米镁各处理的水稻产量均高于离子镁各处理，这表明纳米镁对水稻的增产效果优于离子镁。外源镁对水稻籽粒的增产效果受氮肥施用水平的影响。不施氮肥时，水稻的生长发育受到影响，此时镁元素并非影响水稻籽粒产量的主要因素，而在高氮肥施用水平时，镁元素对水稻籽粒产量形成的影响受高氮效应的掩盖而不显著。因此本研究中，在不施氮和氮肥用量为270 kg/hm2时，施离子镁和纳米镁的籽粒产量与不施镁处理的差异不显著，而氮肥施用量为180 kg/hm2时，施离子镁和纳米镁的籽粒产量有显著增加，在该氮肥施用量时外源镁对水稻籽粒的增产效果最高，远高于另外两个氮肥水平。因此，施用镁肥以促进水稻籽粒产量时也应保证一定的氮肥施用。

3.2 外源镁对水稻氮素利用的影响

有研究表明在水稻生长过程中，氮素对水稻干物质积累与生产有较显著的影响[26]。氮素是影响水稻生长发育和产量形成最敏感的因素[27]。与氮素积累少的品种相比, 氮素积累量大的水稻品种其植株含氮率较低[28-29], 或者没有明显规律[30], 但其干物质积累量都明显偏高[31-32]。镁作为作物生长发育所必需的元素，适宜的Mg2+浓度有利于水稻生长发育，促进氮素的吸收和利用[33]。丁玉川等[34]研究发现施用镁肥对水稻植株的氮素吸收有促进作用。本研究与前人研究结果一致，在相同氮肥施用水平下，与不施镁的处理相比，镁肥施用均提高了成熟期水稻茎、叶、籽粒中的氮浓度和氮积累量。相同氮肥水平下，施用纳米镁处理下水稻各器官的氮浓度和氮积累量高于施离子镁，可见施用纳米镁比施用离子镁更能提高成熟期水稻的氮素吸收利用。同时，在相同氮肥水平下，与不施镁肥处理相比，离子镁和纳米镁各处理的氮肥偏生产力、氮素农学利用率、氮素生理利用率和氮素吸收利用率均有显著提高。值得注意的是，本研究中纳米镁对水稻氮素里用的提高效果要优于离子镁。氮素吸收量主要由干物质积累量和含氮率两个因素决定, 因此, 提高干物质积累量或含氮率或二者同时提高, 理论上都能有效提高植株的氮素吸收量。在水稻生育后期，促进茎、叶中的氮素更多地向穗转移，提高穗的吸氮量，可进一步提高水稻品种物质生产效率，有效增加产量和氮素利用效率[35-37]。本研究中，各个氮肥施用水平下，纳米镁均能有效提高水稻抽穗至成熟的干物质积累和穗部氮素含量，而这正是纳米镁有效提高水稻产量和氮素利用的主要原因。由此可见，通过施用一定量的纳米镁，促进水稻生育后期干物质和氮素向籽粒转运，以较高的地上部生物量，同时保证较多的穗粒数和较高的茎、叶氮素转运效率，能够实现产量与氮效率的协同提升。

4 结论

本研究发现，施用纳米镁和离子镁均能够有效提高水稻产量。相同施氮水平下，施用纳米镁处理的水稻产量均高于施用离子镁处理。水稻生育后期叶面积指数和干物质的积累量均高于施用离子镁处理。施用纳米镁能够改善水稻生育后期干物质形成，提高抽穗后剑叶SPAD值、光合势和净光合速率，促进水稻干物质合成及在籽粒中的积累，最终实现促进水稻增产的目的。相同氮肥施用水平下，离子镁和纳米镁的施用均提高了水稻各器官的氮浓度和氮积累量，并促进了氮素利用率的提高，其中施用纳米镁处理的氮素利用率更高。综上所述，在水稻栽培中适量施用纳米镁，可以有效提高水稻的产量及氮素利用。

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Effects of Nano-magnesium on Rice Yield Formation and Nitrogen Utilization

CHEN Zhiqing, LIU Mengzhu, WANG Rui, CUI Peiyuan, LU Hao, WEI Haiyan, ZHANG Hongcheng, ZHANG Haipeng*

()

【】To investigate the effects of nano- and ion-magnesium on rice grain yield, yield formation and nitrogen uptake and utilization.【】A pot experiment was conducted to study the effects of nano-magnesium and ion-magnesium on rice yield formation and nitrogen accumulation and utilization under nitrogen application rates of 0 kg/hm2, 180 kg/hm2and 270 kg/hm2, respectively.【】Application of nano-magnesium and ion-magnesium can effectively increase rice yield at the same N application level. The yield of rice treated with nano-magnesium were significantly higher than that treated with sodium magnesium. Moreover, the same trend was also observed in LAI and the accumulation of dry matter in the late stage of rice growth. The application of nano-magnesium could improve the dry matter formation in the late stage of rice growth, increased the SPAD value, photosynthetic potential and net photosynthetic rate of the flag leaf after heading, promoted the synthesis of rice dry matter and the accumulation in grains, and finally achieved the goal of increasing rice production. At the same level of nitrogen fertilizer application, the application of nano-magnesium and ionic-magnesium increased the nitrogen concentration and nitrogen accumulation in rice stems, leaves, and grains, and promoted the partial productivity of nitrogen fertilizer, nitrogen agronomic utilization rate, nitrogen physiological utilization rate and nitrogen absorption and utilization. These promotion effects of nano-magnesium were better than that of ionic-magnesium in this study.【】In summary, nano-magnesium can be used as a fertilization measure for green and high-efficiency rice cultivation.

rice; nano-magnesium; dry matter accumulation; yield composition; nitrogen utilization

10.16819/j.1001-7216.2022.210608

2021-06-23；

2021-09-14。

国家自然科学基金资助项目(41701329，31901447)；国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-01-27)；江苏省农业科技自主创新项目[CX(20)1012]；江苏省“双创博士”项目(JSSCBS20211062)；扬州市“绿扬金凤计划”优秀博士项目(YZLYJFJH2021YXBS155)。