穗肥施用时期对优质稻产量、氮素积累及品质的影响

吴嘉乐 戚文乐 武晶晶 阙仁伟 曾勇军 潘晓华 谢小兵

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

近年来，随着人们生活水平的不断提高和农业供给侧结构性改革的大力推进，优质稻种植面积和种植比例增长迅速［1-3］。但由于氮肥的不合理施用，导致优质稻产量和品质稳定性差、抗倒伏能力弱、氮肥利用率低等问题日益凸显，制约了水稻产业高质量发展［4］。氮素是调控水稻产量和稻米品质形成最重要的营养元素之一，适当增施氮肥有利于提高产量并改善稻米品质［5-7］，而氮肥过量施用则会显著降低稻米蒸煮食味品质［7-9］、增加后期倒伏风险［10］、加重病虫危害［11］、降低氮肥利用率并造成系列环境问题［12-13］。Peng等［12］研究指出水稻在幼穗分化阶段的氮素吸收速率最大，合理施用穗肥是提高水稻氮肥利用率最直接有效的措施。同时，合理施用穗肥还有利于塑造高光效株型，改善群体质量，增加花后物质积累与转运，从而使产量和品质协同提高［14-16］。

前人研究表明，穗肥施用时期对穗肥在水稻产量、品质、氮素利用率等方面的调控效应具有显著影响［17-19］。适时施用穗肥既能提高水稻分蘖成穗率、高效叶面积指数及其叶绿素含量和光合生产力，又能促进花后干物质积累、改善群体质量，增加每穗粒数、总颖花量、结实率和千粒重等，从而获得高产并提高氮肥利用率［20-22］。增施穗肥虽可改善稻米的加工品质和营养品质，但降低了外观品质和蒸煮食味品质［23-24］。而适时施用穗肥有利于协同提高稻米的加工品质、外观品质及蒸煮食味品质［19，21］。过早施用穗肥易造成高峰苗过多、群体质量恶化、成穗率下降，而过迟施用则导致每穗粒数和高效叶面积指数减少、籽粒蛋白质积累量增加，最终均不利于水稻高产和优质的形成［22］。但穗肥最佳施用时期因品种类型、生育期长短、生产目标以及施用次数而异。丁艳锋等［17］以越光和武香粳9号为材料进行研究，发现穗肥一次性施用以倒2.5叶期施肥的增产效果最佳，其中生育期较长的品种武香粳9号在该穗肥施用时期下的的产量显著高于倒1.5叶和倒0.5叶期一次性施肥下的产量；也有研究认为，穗肥一次性施用条件下粳稻和籼稻品种均以倒3叶期施肥下的产量最高［20-21，25］，而倒4叶期施肥有利于兼顾高产和优质［19，21］。与穗肥一次性施用相比，穗肥分次施用（倒3.5～倒4叶期、倒1.5～倒2叶期）可以进一步提高水稻产量和氮肥利用率［17-18］。然而，前人关于穗肥施用时期对优质晚籼稻籽粒氮素积累及来源、氮素回收利用率和品质影响的研究较少。因此，本研究以生产上广泛种植的优质晚籼稻（Oryza sativa L.subsp.xian）品种Y两优911和野香优莉丝为材料，在大田微区试验条件下，采用15N同位素示踪技术研究穗肥施用时期对水稻产量及其构成因素、籽粒氮素积累及来源、氮素利用率以及食味品质的影响，旨在探明不同穗肥施用时期下优质晚籼稻籽粒氮素积累及食味品质的变异特征，为优质稻的丰产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年在江西省上高县泗溪镇曾家村江西上高水稻科技小院基地（115°09'E，28°23'N）进行。试验地平均海拔38 m，前茬作物为早稻，土壤质地为砂质黏壤土，0～20 cm土层土壤的理化性质为pH值5.7、有机质含量38.7 g·kg-1、全氮含量2.5 g·kg-1、碱解氮含量187.7 mg·kg-1、速效磷含量18.9 mg·kg-1、速效钾含量122.8 mg·kg-1。供试品种为优质稻Y两优911（YLY 911）和野香优莉丝（YXYLS），分别由湖南袁创超级稻技术有限公司和江西天稻粮安种业有限公司提供。Y两优911主茎总叶片数为14片，于9月14日齐穗，10月21日成熟；野香优莉丝主茎总叶片数为14片，于9月12日齐穗，10月20日成熟。

1.2 试验设计

采用二因素随机区组试验设计，设置倒4叶期（D1）、倒3叶期（D2）、倒2叶期（D3）3个穗肥施用时期处理。移栽前预先埋设无底PVC桶（内径30 cm、高30 cm）于大田中，埋设深度约20 cm，重复4次。于6月25日播种，7月20日移栽。移栽时选取生长均匀一致的秧苗，沿聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）桶直径方向栽插2穴，穴距为25 cm，每穴双本苗。为了降低边际效益，在每个PVC桶四周按相同栽插规格栽插3行保护行。全生育期氮肥施用总量为16.5 g N·m-2，按基肥︰分蘖肥︰穗肥=5︰3︰2施用；钾肥施用量为15.0 g K2O·m-2，按基肥︰穗肥=5︰5施用；磷肥施用量为8.25 g P2O5·m-2，全部作基肥施用，基肥、分蘖肥分别在移栽前1 d、移栽后7 d施用。根据PVC桶的内径截面积（0.070 65 m2）计算每个PVC桶的施肥量。全生育期每个PVC桶的尿素施用总量为2.54 g，其中基肥、分蘖肥分别为1.27和0.76 g，均为普通尿素；穗肥为0.51 g，采用15N-尿素（原子丰度20%，购自上海化工研究院有限公司）；过磷酸钙施用总量为4.86 g，全部为基肥；氯化钾施用总量为1.76 g，基肥、穗肥各0.88 g。水分、病虫害、杂草按当地丰产栽培要求管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素于成熟期单独收割各PVC桶的水稻植株，手工脱粒，用水漂法分离实粒和秕粒，自然晒干后采用DC系列多功能全自动数粒仪（郑州德辰电子科技有限公司）分别计数，计算有效穗数、每穗粒数和结实率。然后将各处理的稻草、实粒和秕粒转至70℃烘箱烘干至恒重，测定各部分干物质重、千粒重等指标。

1.3.2 籽粒及稻草氮素含量实粒（糙米）和稻草（含秕粒）经微型粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）粉碎后过100目筛，采用Isoprime 100稳定同位素质谱仪（英国Isoprime公司）测定实粒和稻草的15N丰度和全氮含量。

1.3.3 稻米品质及RVA谱特性将自然晒干、去除空秕粒和杂质的稻谷混匀，避光干燥贮存3个月。采用碘蓝比色法测定稻米的直链淀粉含量。精米经粉碎后过100目筛，采用全自动凯氏定氮仪（丹麦FOSS公司）测定稻米粗蛋白含量，粗蛋白含量（%）=稻米全氮含量×5.95×100%。称取3.00 g淀粉样品放入铝罐，添加25.00 g蒸馏水，搅匀后放入RVA-TecMaster型黏度速测仪（rapid visco-analyzer，RVA，瑞典Perten公司）测定稻米淀粉的黏滞性谱（RVA谱）。根据美国谷物化学家协会（American Association of Cereal Chemists，AACC）操作规程（1995 61-02），含水量为14.0%时，水稻米粉的样品量为3.00 g，加蒸馏水25.00 mL。测定过程中罐内温度变化如下：50℃保持1 min，以12℃·min-1升 至95℃（3.8 min），95℃下 保 持2.5 min，再 以12℃·min-1降至50℃（3.8 min），在50℃下保持1.4 min。搅拌器在起始10 s内转动速率为960 r·min-1，之后保持在160 r·min-1。RVA谱特征值主要以峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值（=峰值黏度-热浆黏度）、消减值（=最终黏度-峰值黏度）、峰值时间和糊化温度表示。RVA黏度单位用黏滞值（rapid visco unit，RVU）表示。

1.3.4 氮素利用率相关指标计算

籽粒中总氮累积量（g·m-2）=单位面积样品干重×样品中氮素百分含量；

籽粒中来自15N-尿素的氮素累积量（g·m-2）=单位面积样品干重×（样品中15N丰度-尿素中15N自然丰度）/（标记尿素15N丰度-尿素中15N自然丰度）；

15N-尿素的氮素回收利用率=（植株中15N丰度-尿素中15N自然丰度）/（标记尿素15N丰度-尿素中15N自然丰度）×100%；

15N-尿素的氮素收获指数=（籽粒中来自15N-尿素的氮素积累量/整株中来自15N-尿素的氮素积累量）×100%；

样品来自15N-尿素的氮素积累占比=（样品中来自标15N-尿素的氮素积累量/样品中总氮积累量）×100%。

其中，15N自然丰度为0.365%。

1.4 数据分析

采用Excel 2010整理数据、绘制表格，采用Statistix 8.0统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 穗肥施用时期对优质稻产量及产量构成的影响

由表1可知，穗肥施用时期对优质稻结实率、千粒重和产量有显著影响，品种对产量及其构成因素有显著或极显著影响，而穗肥施用时期与品种的互作对产量及其构成因素均无显著影响。Y两优911和野香优莉丝的产量均随穗肥施用时期的推迟呈先增加后减少趋势，在倒3叶期（D2）达到最高，分别为1 082.61和983.54 g·m-2，较倒4叶期（D1）、倒2叶期（D3）显著增产4.30%～6.39%。随着穗肥施用时期的推迟，两个优质稻品种的结实率不断提高，而千粒重呈先升高后降低趋势。不同穗肥施用时期下，Y两优911的产量、每穗粒数和千粒重显著高于野香优莉丝；有效穗数显著低于野香优莉丝；而两品种间的结实率整体无显著差异。由此可知，倒3叶期施用穗肥有利于提高优质稻的千粒重和结实率，从而使优质稻获得较高产量。

表1 穗肥施用时期对优质稻籽粒产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of panicle fertilizer application periods on grain yield and its components for high-quality rice varieties

2.2 穗肥施用时期对优质稻籽粒氮素积累及其来源的影响

由表2可知，随着穗肥施用时期的推迟，两个优质稻品种的籽粒氮素含量显著增加；籽粒总氮积累量、15N标记肥料氮素积累量表现为D2、D3显著高于D1，而D2和D3之间无显著差异；15N标记肥料氮素积累量占比也呈整体显著增加趋势。与D1相比，D2下两个优质稻品种籽粒的氮素含量、总氮积累量和15N标记肥料氮素积累量及其占比分别提高0.16～0.18个百分点、20.15%～21.26%、32.54%～41.04%、0.91～1.72个百分点，D3下分别提高0.23个百分点、19.16%～20.75%、34.13%～50.75%、1.29～2.49个百分点。可见，穗肥施用时期的延后提高了两优质稻品种籽粒的氮素含量、总氮积累量、15N标记肥料氮素积累量及其占比。

表2 穗肥施用时期对优质稻籽粒氮素积累的影响Table 2 Effects of panicle fertilizer application periods on grain nitrogen accumulation in high-quality rice

不同穗肥施用时期下，两优质稻品种的籽粒氮素含量无显著差异，而Y两优911的籽粒总氮积累量和15N标记肥料氮素积累量显著高于野香优莉丝，增幅分别为7.33%～9.77%、6.35%～19.52%。两优质稻品种的15N标记肥料氮素积累量占比为9.99%～12.48%，其中D1下Y两优911的15N标记肥料氮素积累量占比低于野香优莉丝，D2和D3下则比野香优莉丝高0.59～0.98个百分点。

2.3 穗肥施用时期对优质稻植株氮素积累及利用率的影响

由表3可知，随着穗肥施用时期的推迟，两优质稻品种的整株15N标记肥料氮素积累量及其占比、15N标记肥料氮素回收利用率及15N标记肥料氮素收获指数均不断提高。与D1相比，D2下两品种的整株15N标记肥料氮素积累量及其占比、15N标记肥料氮素回收利用率及15N标记肥料氮素收获指数分别显著提高18.55%～29.73%、0.51～1.71、12.42～20.00、5.18～6.59个百分点，D3下分别显著提高23.53%～34.68%、0.71～2.33、15.76～23.34、7.25～8.31个百分点；Y两优911的上述指标在D3下显著高于D2，而野香优莉丝则在D2与D3之间无显著差异。

表3 穗肥施用时期对优质稻整株氮素积累利用的影响Table 3 Effects of panicle fertilizer application periods on the whole plant nitrogen accumulation and nitrogen use efficiency in high-quality rice

从品种间来看，除D1下两优质稻品种整株15N标记肥料氮素积累量及15N标记肥料氮素回收利用率差异不显著外，其余穗肥施用时期下，Y两优911的整株15N标记肥料积累量及其占比、15N标记肥料氮素回收利用率及15N标记肥料收获指数均显著高于野香优莉 丝，分 别 提 高9.52%～9.92%、0.56～0.98、7.88、1.81～2.16个百分点。由此可知，适当推迟穗肥施用时期有利于提高优质稻品种整株15N标记肥料氮素积累量及其占比、15N标记肥料氮素回收利用率及15N标记肥料收获指数。

2.4 穗肥施用时期对优质稻直链淀粉和蛋白质含量及胶稠度的影响

由表4可知，两优质稻品种在不同穗肥施用时期下的蛋白质含量、胶稠度整体差异显著，而直链淀粉含量基本无显著差异。随着穗肥施用时期的推迟，两品种优质稻蛋白质含量不断增加，胶稠度则不断减小。不同穗肥施用时期下两品种间的直链淀粉含量、蛋白质含量和胶稠度整体差异显著。除了D1处理下两优质稻品种的蛋白质含量和直链淀粉含量无显著差异外，D2、D3处理下野香优莉丝的蛋白质含量和直链淀粉含量较Y两优911显著增加0.39～1.65、0.46～2.42个百分点；野香优莉丝的胶稠度较Y两优911显著增加7.37%～8.62%。

表4 穗肥施用时期对优质稻蛋白质和直链淀粉含量及胶稠度的影响Table 4 Effects of panicle fertilizer application periods on amylose content，protein content and gel consistency in high-quality rice

2.5 穗肥施用时期对优质稻淀粉RVA谱特征值的影响

由表5可知，两优质稻品种在不同穗肥施用时期下的峰值黏度、崩解值、消减值整体差异显著，而其他指标基本无显著差异，其中峰值黏度、崩解值随穗肥施用时期的推迟而降低，消减值则随之升高。除了最终黏度和糊化温度外，不同穗肥施用时期下品种间的其他RVA谱特征值整体差异显著，其中Y两优911的峰值黏度、热浆黏度、崩解值整体显著高于野香优莉丝，而消减值和峰值时间低于后者。此外，野香优莉丝在D1和D2下的崩解值和消减值无显著差异，但分别显著高于和低于D3处理，而Y两优911在不同穗肥施用时期下的崩解值和消减值均有显著差异。

表5 穗肥施用时期对优质稻籽粒淀粉RVA谱特征值的影响Table 5 Effect of panicle fertilizer application periods on characteristic value of starch RVA spectrum in grain of high-quality rice

3 讨论

3.1 穗肥施用时期对优质稻产量的影响

水稻幼穗分化阶段是氮素吸收速率最快的时期，此时施用穗肥既可以改善群体质量，也能起到保花和促花的效果，从而促进干物质积累与转运，增加每穗粒数、结实率和千粒重，进而提高产量和氮肥利用率［12，17-18］。前人研究表明，在一次性施用穗肥条件下，倒2.5叶期施用穗肥分别较倒1.5叶期和倒0.5叶期增产1.07%～9.09%、2.68%～10.39%，其中长生育期品种的增产幅度达到显著水平［17］。也有研究认为在倒3叶期施用穗肥可获得最高产量，较倒4叶期、倒2叶期、倒1叶期分别增产4.26%～19.22%、1.22%～14.88%、2.17%～25.31%，且增产幅度因品种而异［18，20-21，25］。本研究结果表明，穗肥施用时期对优质晚籼稻品种的籽粒产量有显著影响，随着穗肥施用时期的推迟，两个品种的产量先增加后减少，以倒3叶期（D2）施用穗肥下的产量最高，较倒4叶期（D1）、倒2叶期（D3）分别显著增产6.38%、4.30%，主要归因于D2下具有较高的结实率和最高的千粒重，这与前人研究结果一致［20］。

3.2 穗肥施用时期对优质稻籽粒氮素积累的影响

丁艳锋等［17］研究表明，倒2.5叶期施用穗肥下的穗肥利用率和穗肥生产力均明显高于倒1.5叶期和倒0.5叶期。而付立东等［18］研究发现，倒3叶期施用穗肥下水稻齐穗期和成熟期植株氮素吸收量及氮素利用率与倒2叶期无显著差异，但显著高于倒4叶和倒1叶期，与一次性施用穗肥相比，两次施用穗肥（倒3.5～倒4叶期、倒1.5～倒2叶期）可以进一步提高水稻产量和氮肥利用率。本研究结果表明，两个优质稻品种的籽粒氮素含量、总氮积累量（包括土壤氮和肥料氮）、15N标记肥料氮素积累量及其占总氮积累量的比值、15N标记肥料氮素回收利用率、15N标记肥料氮素收获指数均随穗肥施用时期的推迟而增加。与D1相比，D2下两个优质稻品种的籽粒15N标记肥料氮素积累量及其占总氮积累量的比例分别提高32.54%～41.04%、0.91～1.72个百分点，15N标记肥料氮素回收利用率及15N标记肥料氮素收获指数分别提高12.42～20.00、5.18～6.59个百分点；与D2相比，D3下两个优质稻品种的上述指标仅在Y两优911中达到显著差异。此外，前人研究表明，穗肥氮素回收利用率因水稻品种、穗肥施用量及施用时期、水分管理而异，最低为54.0%，最高可达93.8%［26-29］。本研究中Y两优911在D2、D3处理下的15N标记肥料氮素回收利用率为87.27%～90.61%，显著高于野香优莉丝（79.39%～82.73%），这可能与Y两优911的产量和成熟期干物质量显著高于野香优莉丝有关。由此可见，一次性施用穗肥条件下，倒3叶期施用穗肥既可获得高产又可提高氮肥利用率。

3.3 穗肥施用时期对优质稻食味品质的影响

本试验结果表明，穗肥施用时期对稻米品质及淀粉RVA谱特征值有一定影响。有研究表明，穗肥施用时期的推迟导致杂交籼稻的蛋白质含量增加，在倒4叶期施用穗肥具有较优的稻米品质［19］。周乾聪等［30］研究也认为，与倒4叶期相比，倒2叶期施用穗肥显著降低了杂交晚粳稻的胶稠度、崩解值、食味值，同时提高了直链淀粉和蛋白质含量、消减值。张庆等［21］研究表明，随着穗肥施用时期的推迟，软米粳稻的蛋白质含量随之增加，胶稠度、直链淀粉含量和食味值随之降低。本研究结果显示，两优质稻品种的蛋白质含量随穗肥施用时期的推迟而增加，而直链淀粉含量（Y两优911）、胶稠度随之降低，这与前人的研究结果较为一致［21，30］。直链淀粉含量和胶稠度是评价稻米蒸煮与食味品质的主要指标，直链淀粉含量和胶稠度较低的品种具有较好的食味品质［31-33］。此外，稻米淀粉RVA谱特征值与食味品质也密切相关，其中崩解值和消减值是评价稻米食味品质最重要的指标［34］。一般而言，食味品质较好的水稻品种崩解值较大（大于100 RVU），而消减值较小（小于25 RVU或为负值）［35-36］。本研究结果表明，两优质稻品种崩解值随穗肥施用时期的推迟而降低，消减值则随之升高，但野香优莉丝在D1和D2之间差异较小。由此说明，推迟穗肥施用时期不利于优质稻食味品质的提升，两优质稻品种在倒3和倒4叶期施用穗肥可以获得较高的食味品质

4 结论

随着穗肥施用时期的推迟，两优质晚籼稻品种的产量先升高后降低，在倒3叶期（D2）达到最高，较倒4叶期（D1）、倒2叶期（D3）显著增产4.30%～6.39%；籽粒氮素含量、总氮积累量、15N标记肥料氮素积累量及其占比、15N标记肥料氮素回收利用率、15N标记肥料氮素收获指数表现为增加趋势，D2和D3显著高于D1；籽粒蛋白质含量、消减值随之升高，而直链淀粉含量（Y两优911）、胶稠度、峰值黏度和崩解值随之降低，表现为食味品质变差，但野香优莉丝D1与D2的崩解值和消减值无显著差异。因此，在倒3叶期施用穗肥有利于优质晚籼稻的产量、品质和氮肥利用率协同提升。