减氮配施牡蛎壳粉对优质晚籼稻抗倒性能的影响

2022-09-21黄玉珍高凯歌吕茹洁曾勇军商庆银

核农学报 2022年9期

黄玉珍高凯歌吕茹洁占静潘霞曾勇军商庆银

(江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西南昌 330045)

水稻(OryzasativaL.)是我国主要的粮食作物之一，约有60%以上人口以稻米为主食[1]。随着我国商品经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，消费者饮食结构发生了明显变化，普通稻米已难以满足人们的要求[2]。近年来，我国稻农对种植优质品种的积极性不断增强，优质籼稻生产面积快速增加[3]。然而，多数优质籼稻品种抗倒能力较弱，尤其在生长中后期优质稻品种极易发生倒伏。倒伏问题已成为发展优质籼稻生产的关键限制因素之一[4-5]。水稻倒伏后，群体冠层结构遭到破坏，光合速率和物质生产能力急剧下降[6]，水分、矿质元素及光合产物的运输受阻[7-8]，最终对产量和品质造成负面影响。同时，倒伏也导致机械收获困难，使收获成本增高[9]。因此，提高植株抗倒性能对发展优质籼稻生产具有重要意义。

在大田生产中增加肥料投入等是提高产量的主要技术措施[10]。然而，过量的氮肥导致群体过大，群体结构变劣，影响个体发育。一方面，茎秆基部因通风透光差、个体间养分竞争等导致茎秆细弱、机械强度降低[11]。另一方面，随着氮肥用量增加，复种指数的不断提高，中微量元素随作物收获不断地被携出农田，导致土壤养分元素不平衡[12]。钙是构成植物细胞壁的必需物质，具有加固细胞壁的作用，同时能调控茎秆的生长，进而影响茎秆的强度，增强植株的坚挺性[13]。在缺钙时，植物生长受阻，节间较短，因而一般较正常生长的植株矮小，且组织柔软[14]，易倒伏。生产上，施用石灰类物质可有效提高土壤钙含量，改良并修复土壤[15-16]，而且可以提高植株抗倒伏能力。邓文等[17]发现，施钙(特别是中、高量)对提高准两优527生育后期的抗倒伏能力作用明显。邓小华等[18]发现，施用石灰可以提高土壤pH值，改善土壤理化特性，有利于烤烟的生长发育，进而提高其品质。但石灰修复效果不稳定，修复作用持久性弱，长期施用会导致土壤板结和养分流失，不能实现对土壤的可持续改良[19]。因此，迫切需要采用低成本且环境友好型生物质材料来替代工业产品以修复土壤缺钙问题。

牡蛎壳属于一种废弃的生物质材料，来源丰富，主要成分为碳酸钙，经高温煅烧后主要成分转变为氧化钙[20]。施用牡蛎壳粉土壤调理剂可有效改良土壤，提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙含量[21]。目前，一些国家已开始对牡蛎壳作为土壤改良剂、修复剂进行相关研究，尤其是韩国与西班牙[22-23]。国内也有研究证实，牡蛎壳粉末可以改良土壤酸化问题，显著降低土壤有效态重金属的含量，同时为土壤补充中微量营养元素[24-26]。但目前尚不清楚牡蛎壳粉能否缓解减量施用氮肥对水稻产量的负面影响并提高植株抗倒伏能力。基于此，本研究以优质晚籼稻泰优871为材料，探究减氮配施牡蛎壳粉调理剂对水稻抗倒性能和产量的影响，以期为优质稻推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2020年在江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村试验田(115°09′ E，28°31′ N)进行。耕层土壤(0～20 cm)理化性质如下：有机质含量32.4 g·kg-1，全氮含量2.67 g·kg-1，碱解氮含量98.8 mg·kg-1，速效磷含量12.3 mg·kg-1，速效钾含量71.5 mg·kg-1，pH值 5.5。供试材料为优质晚籼稻泰优871(购自广东省农业科学院水稻研究所)，6月26日播种，7月20日移栽，秧龄17 d。氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)，分别以N、P2O5和K2O计。牡蛎壳粉土壤调理剂(64份牡蛎壳粉，3份草木灰，31份生石灰，2份膨润土)，含CaO≥45%，K2O 1.2%，SiO21.8%，pH值8.5～10.0，粉剂。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设置3个处理，每个处理3次重复。小区面积30 m2。人工移栽株、行距分别为16.5、23 cm，每穴栽插3～4株，每小区约857穴。处理方式分别为：T1:常规施肥(180 kg N·hm-2)；T2:减氮施肥(135 kg N·hm-2)；T3:减氮配施牡蛎壳粉调理剂(T2基础上增施3 t·hm-2牡蛎壳粉调理剂)。氮肥分别按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶2∶4比例施用；磷肥和钾肥全部作为基肥施用，其中P2O5施用量为70 kg·hm-2， K2O施用量为120 kg·hm-2，牡蛎壳粉调理剂与基肥混施，其他田间管理按一般高产田进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 茎秆形态指标于水稻抽穗后20 d选取长势一致的10根主茎，去除根系，用天平测定单株鲜重，测定每根株高、穗颈长、重心高度、节间长度、穗长、茎粗和茎秆壁厚。其中，株高是指从地上部第1节间至穗顶端的长度；穗颈长是指从剑叶颈部到穗颈节的长度；重心高度是指从水稻茎秆基部到平衡支点(用食指支撑带穗植株达到平衡时的点)的长度；节间长度是指基部第2节间长度；穗长是指从穗颈节到穗顶端的长度；用精确度为0.001 mm的游标卡尺测量茎秆基部第2节间(伸长程度超过1 cm计为第1节，以此往上为第2、第3、第4……节)的直径和壁厚；将节间从中部截断，用数显游标卡尺测量茎秆长轴和短轴与茎壁4个交点处的茎壁厚度，取平均值作为茎秆壁厚，取节间外径平均值作为茎粗。

1.3.2 茎秆生物力学参数于水稻抽穗后20 d取样，从茎秆节点处剪断，将茎秆分成若干节间。计算所有茎秆基部第2节间样品的生物力学参数：

弯曲强度(bending strength，SS)：用YYD-1茎秆强度测量仪(浙江托普仪器有限公司)测定。固定基部节间两支点的间隔为5 cm，将节间水平地放置在两支点上，在节间中点施力使其折断，力的大小即为该节间抗折力，若节间长度小于5 cm则不测。茎秆单位横截面积下的抗折力即为茎秆弯曲强度。

抗弯刚度(flexural rigidity，EI)：用茎秆强度测量仪测定。将节间两端水平放置在两个支点上，两支点间距离为L(即节间长度)，在L/2处垂直施加力F使节间适当弯曲但不折断，然后测量L/2处垂直位移δ，按公式(1)计算弹性模量，弹性模量和截面惯性矩的乘积即为茎秆抗弯刚度。

E=FL3/48δI

(1)

折断弯矩(breaking resistance，M，N·cm-1)、弯曲力矩(bending moment，WP，N·cm-1)和倒伏指数(lodging index，LI)分别按以下公式计算：

M=F×L/4

(2)

式中，F为使基部被测节段折断时所施加的力(N)；L为两支点间的距离(cm)。

WP=SL×FW/100

(3)

式中，SL为基部节间折断部位到主茎顶端的距离(cm)；FW为基部节间折断部位到主茎顶端的鲜重(g)。

LI=WP/M×100%

(4)

1.3.3 基部第2节间碳水化合物及茎秆钙积累量于水稻抽穗后20 d以及齐穗期和成熟期取样，将基部第2节间茎秆洗净置于105℃杀青30 min，75℃烘干至恒重称重，然后用高速万能粉碎机(浙江红景天工贸有限公司)粉碎，用于抽穗后20 d淀粉、蔗糖、木质素、纤维素含量以及齐穗期和成熟期钙含量的测定。其中，纤维素和木质素含量采用重铬酸盐碘量法；淀粉含量测定采用斐林-碘量法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；钙含量测定采用原子吸收法。茎杆钙积累量按公式(5)进行计算。

茎秆钙积累量(g·m-2)=茎秆钙含量(%)×茎干重(g·m-2)。

(5)

1.3.4 基部第2节间碳代谢相关酶活性于水稻抽穗后20 d取样，取其基部第2节间茎秆，液氮处理后置于-80℃冰箱保存，用于淀粉酶、蔗糖磷酸合成酶、纤维素代谢酶以及木质素合成相关酶活性的测定。其中，淀粉酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；蔗糖磷酸合成酶活性采用间苯二酚比色法测定；蔗糖磷酸合酶(sucrose phosphate synthase, SPS)和蔗糖合酶(sucrose synthase, SS)活性测定参照《现代植物生理学实验指南》[27]，采用果糖和UDPG比色法；采用上海酶联生物公司生产的试剂盒及酶标仪测定酪氨酸解氨酶(tyrosine ammonia-lyase, TAL)、肉桂醇脱氢酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)和4-香豆酸: CoA连接酶(4-coumarate:CoA ligase, 4CL)活性；采用北京索莱宝公司生产的试剂盒及紫外分光光度法测定苯丙氨酸转氨酶(phenylalnine ammonialyase, PAL)活性。

1.3.5 干物质于水稻齐穗期和成熟期从每个小区随机选取代表性植株6穴(边三行除外)，分别按根、茎鞘、叶、穗分类。将分类样品在105℃烘箱内杀青30 min，再转至70℃烘干至恒重，冷却至室温后称重。茎鞘物质输出率按公式(6)进行计算。

茎鞘物质输出率=(齐穗期茎干重-成熟期茎干重)/齐穗期茎干重×100%。

(6)

1.3.6 成熟期产量测定于成熟期调查每个小区20穴，计算单位面积有效穗数；按对角线取样法，从小区中间选取代表性植株10穴，脱粒后用水选法分离实粒和秕粒，烘干后考察结实率和千粒重。从每小区中心收割5 m2用于测产，折算成14%含水量的实收产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2010、JMP 10以及IBM SPSS Statistics 22软件进行数据整理和方差分析，采用Tukey HSD法进行多重比较，相关性分析采用Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 减氮和牡蛎壳粉调理剂对茎秆形态的影响

与T1处理相比，T2处理下穗颈长、穗长和茎粗、茎壁厚均无显著变化，单株鲜重、株高、重心高和基部第2节间长度分别显著下降9.87%、2.79%、2.39%和20.41%。与T2处理相比，除重心高外，T3处理下茎秆各形态指标均无显著变化(表1)。

表1 减氮和牡蛎壳粉调理剂对泰优871茎秆形态的影响Table 1 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on stem morphology of Taiyou 871

2.2 减氮和牡蛎壳粉调理剂对基部第2节间茎秆生物力学参数的影响

与T1处理相比，T2处理下折断部位至穗顶长度和倒伏指数分别显著下降2.42%和17.5个百分点，基部第2节间抗折力、弯曲强度、抗弯刚度、折断弯矩、弯曲力矩、折断部位至穗顶鲜重均无显著变化。与T2处理相比，T3处理下倒伏指数显著下降7.1个百分点，其他力学参数均无显著变化(表2)。

2.3 减氮和牡蛎壳粉调理剂对基部第2节间碳水化合物含量的影响

与T1处理相比，T2处理淀粉、蔗糖、木质素和纤维素的含量变化均不显著。与T2处理相比，T3处理纤维素含量显著增加，淀粉、蔗糖和木质素变化均不显著(表3)。

2.4 减氮和牡蛎壳粉调理剂对基部第2节间碳代谢相关酶活性的影响

与T1处理相比，T2处理SS-Ⅱ活性显著提高75.4%，CL活性显著降低15.6%，SPS、β-AL、PAL、4CL、C4H活性均无显著变化。与T2处理相比，T3处理PAL活性显著降低26.0%，C4H活性显著提高61.2%，SPS、SS-Ⅱ、β-AL、CL、4CL活性均无显著变化(表4)。

表2 减氮和牡蛎壳粉调理剂对基部第2节间茎秆生物力学参数的影响Table 2 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on biomechanical parameters of basal second internode stem

表3 减氮和牡蛎壳粉调理剂对基部第2节间碳水化合物含量的影响Table 3 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on carbohydrate content of basal second internode

表4 减氮和牡蛎壳粉调理剂对基部第2节间碳代谢相关酶活性的影响Table 4 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on activities of carbon metabolism related enzymes in basal second internode

2.5 减氮和牡蛎壳粉调理剂对茎秆钙积累量的影响

T3处理在齐穗期和成熟期的茎秆钙积累量均显著高于T1、T2处理，而T1和T2处理之间茎秆钙积累量无显著差异(图1)。

2.6 减氮和牡蛎壳粉调理剂对泰优871干物质量的影响

分析减氮和牡蛎壳粉调理剂对泰优871齐穗期和成熟期茎、叶、穗干物质量的影响，结果表明，T3处理齐穗期茎秆干物质量显著高于T1、T2处理，其余各处理间干物质量均无显著差异(图2-A)。叶片、穗、总干物质量各处理间均无显著差异(图2-B～D)。由图3可知，T3处理茎鞘物质输出率显著高于T1、T2处理。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.图1 减氮和牡蛎壳粉调理剂对茎秆钙积累量的影响Fig.1 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on calcium accumulation in stem

图2 减氮和牡蛎壳粉调理剂对泰优871茎干物质量(A)、叶干物质量(B)、穗干物质量(C)、总干物质量(D)的影响Fig.2 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on stem dry matter accumulation(A), leaf dry matter accumulation(B), spike dry matter accumulation(C), total dry matter accumulation(D) of Taiyou 871

图3 减氮和牡蛎壳粉调理剂对泰优871茎鞘物质输出率的影响Fig.3 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on stem sheath material output rate of Taiyou 871

2.7 产量及产量构成要素

由表5可知，T3处理下的产量显著高于T1、T2处理，从产量构成要素看，主因是有效穗数和结实率的影响。与T1处理相比，T2处理有效穗数显著减少3.17%；而与T2处理相比，T3处理有效穗数显著增加3.72%，说明减氮配施牡蛎壳粉调理剂有利于水稻有效穗数的维持，加之T3处理下结实率增加，最终促使产量增加。

2.8 相关性分析

由表6可知，倒伏指数与形态指标单株鲜重、基部第2节间长度呈显著正相关，与重心高呈极显著正相关；与茎秆生物力学指标基部第2节间抗折力、抗弯刚度呈极显著负相关，与折断部位至穗顶长呈显著正相关；与蔗糖合成酶活性呈极显著负相关，与纤维素酶活性呈极显著正相关；与淀粉、木质素、纤维素含量及成熟期茎秆钙含量呈显著负相关。

3 讨论

3.1 减氮配施牡蛎壳粉调理剂对水稻茎秆抗倒伏性状的影响

水稻倒伏一般分为根倒伏和茎倒伏[28]。根倒伏主要是由于根系入土浅、根系营养不良引起的。健壮的根系源于良好的土壤环境，也是地上部旺盛生长的信息反馈[29]。同时，地上部的生长也能一定程度地反映地下部的生长情况。南方稻区茎倒伏较为普遍，主要是由于茎秆基部较细，机械组织不发达所致[30]，因此，本研究主要探讨的是茎倒伏。有研究表明，减氮有利于提高植株抗倒伏能力[30]。本研究也表明，T2处理显著降低倒伏指数，有利于植株抗倒伏。前人研究发现，基部节间长度与水稻倒伏密切相关[31-32]。本研究结果显示，T2处理较T1显著降低株高、重心高，这与节间长度显著降低有关。节间长度降低导致折断部位至穗顶长降低，从而导致倒伏指数显著减小。相关分析表明，倒伏指数与基部第2节间长度呈正相关，说明较短的基部第2节间有利于植株抗倒伏，这与Zhong等[33]的研究结果基本一致。前人研究发现，茎秆中贮藏物质的含量及组成成分决定了作物的抗倒能力，水稻茎秆中充实的物质主要是可溶性糖、淀粉、纤维素、木质素等碳水化合物，这些物质的积累可以增强茎秆的强度，从而增强其抗倒性[34]。郭玉华等[35]发现，减少氮肥施用量引起茎基节纤维素和木质素含量增加。但本研究发现，T2处理下，淀粉、蔗糖、木质素、纤维素含量较T1均有所增加但差异并不显著，可能是因为其碳代谢相关酶SPS、β-AL、PAL、4CL、C4H活性均无显著变化。

表5 减氮和牡蛎壳粉调理剂对泰优871产量及产量构成要素的影响Table 5 Effects of nitrogen reduction and oyster shell powder conditioner on yield and yield components of Taiyou 871

表6 各指标与倒伏指数的相关系数(n=9)Table 6 Correlation coefficient between each index and lodging index(n=9)

本研究发现，T3处理显著降低倒伏指数，首先，可能是因为牡蛎壳中含有丰富的钙元素，而钙是植物体细胞壁和细胞间层的主要组成成分，能使植株具有一定的机械强度，增强茎秆的抗倒伏能力[36]。加之T3处理齐穗期及成熟期茎秆钙积累量均显著增加，倒伏指数与成熟期茎秆钙含量呈显著负相关，说明水稻成熟期茎秆钙含量在一定程度上与水稻抗倒伏能力的强弱有关，这与杨艳华等[36]的研究结果基本一致。其次，本研究使用的牡蛎壳粉调理剂中含有草木灰和膨润土。草木灰主要成分为K2CO3，膨润土主要矿物成分为蒙脱石，含有大量硅元素。而硅、钾有利于相关组织细胞的木质化和硅质化，可增加茎秆机械强度，进而增强水稻抗倒伏性[37]。此外，T3处理显著增加了纤维素含量。而纤维素是构成细胞壁的主要成分，其含量与植物组织的机械强度也有密切的关系[38]，从而提高茎秆的抗倒伏能力。

3.2 减氮配施牡蛎壳粉调理剂对水稻产量的影响

有研究表明，适当减氮可以实现水稻稳产，过量减氮则会造成产量大幅度降低[39-40]。本研究发现，减氮后有效穗数显著降低，但对产量未造成显著影响。这与徐文波等[39]的研究结果基本一致。同时，本研究发现，T3处理产量显著高于T1、T2处理，从产量构成要素上看，主因是有效穗数和结实率的增加。牡蛎壳粉主要矿物组成为CaCO3，CaCO3晶体交叉迭层，堆砌成较为有序的多重微层结构，这种孔隙结构使其具有一定的吸附性能，可改良土壤[41]。将牡蛎壳粉施入土壤后，可以使土壤pH值上升，有机质、速效氮、速效磷等含量下降，并可减少土壤养分流失，提高土壤保肥能力[42]。因此，在本研究中，T3处理下有效穗数提高可能是由于牡蛎壳粉调理剂与基肥混施改良了土壤，提高了氮肥利用率与苗期质量，从而达到促分蘖早发快长的效果。前人研究表明，添加贝壳粉调理剂使植物株高和叶片叶绿素相对含量增加[43]，提高了叶片光合速率，从而有利于籽粒中光合物质的积累。这与本研究结果基本一致，T3处理茎鞘物质输出率显著高于T1、T2处理，也说明添加牡蛎壳粉调理剂有利于灌浆期籽粒充实，进而提高籽粒的结实率，最终促使产量的增加。