施氮量对籼粳杂交稻甬优1540产量和氮肥利用效率的影响及其机制
2023-04-12徐春梅刘元辉章秀福王丹英
徐 冉 陈 松 徐春梅 刘元辉 章秀福 王丹英 褚 光
施氮量对籼粳杂交稻甬优1540产量和氮肥利用效率的影响及其机制
徐 冉 陈 松 徐春梅 刘元辉 章秀福 王丹英 褚 光*
中国水稻研究所/ 水稻生物学国家重点实验室, 浙江杭州 311400
旨在探讨施氮量对籼粳杂交稻甬优1540产量和氮肥利用效率的影响及其相关生理基础。本研究以浙江省大面积推广应用的籼粳杂交稻品种甬优1540为材料, 设置4个施氮量, 即全生育期不施用氮肥(N0)、全生育期施用纯氮80 kg hm–2(N1)、160 kg hm–2(N2)以及240 kg hm–2(N3)。研究结果表明, (1) 施氮量对水稻产量与氮肥利用效率影响显著。在0～160 kg hm–2范围内, 水稻产量随施氮量的增加而增加, 产量的增加主要得益于总颖花量的增加; 超过此范围产量则不再增加, 主要是由于结实率降低, 且氮收获指数与氮肥利用效率(氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力以及产谷利用率)也显著降低。(2) 施氮量对水稻地上部生长发育影响显著。在0～240 kg hm–2范围内, 随着施氮量的增加, 拔节期、齐穗期以及成熟期水稻地上部干物重显著增加, 但收获指数则显著降低; 在0～160 kg hm–2范围内, 灌浆中、后期水稻剑叶净光合速率、剑叶中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性随施氮量的增加而增加, 超过此范围则不再增加, 甚至会有所降低。(3) 施氮量对水稻根系形态生理特征影响显著。在0～160 kg hm–2范围内, 拔节期、齐穗期以及成熟期水稻根干重、0～10 cm土层根干重、10～20 cm土层根干重、总根长、根长密度、比根长以及灌浆中、后期水稻根系氧化力、根系与根系伤流液中Z+ZR浓度水平等根系形态与生理指标均随施氮量的增加而增加, 但进一步将施氮量提高至240 kg hm–2时, 上述指标中仅根干重、0～10 cm土层根干重、总根长以及根长密度有所增加。(4) 相关分析表明, 灌浆期水稻根系氧化力、根系中Z+ZR含量以及根系伤流液中Z+ZR浓度与剑叶净光合速率、剑叶中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性呈极显著正相关关系。以上结果表明, 适宜的施氮量可以优化甬优1540的根系形态与生理特征, 促进地上部生长发育, 提高灌浆中、后期植株生理活性, 进而实现高产与氮肥高效利用。
籼粳杂交稻; 施氮量; 产量; 氮肥利用率; 根系形态生理
水稻是我国最重要的粮食作物, 确保水稻高产稳产对于保障我国粮食安全具有十分重要的战略意义[1]。一般认为, 选育具有强大增产潜力的水稻新品种, 并采用与之相匹配的氮肥高效利用管理模式, 是协同提升水稻产量与氮肥利用效率的重要途径[2-3]。然而, 以氮肥大量投入为主要手段的氮肥管理模式, 已成为当前我国水稻增产的主要途径[4]。过高的氮肥投入, 不仅提高了生产成本, 而且还给生态环境带来了巨大的威胁[5-7]。因此, 如何同步提升水稻产量与氮肥利用效率, 已成为当前水稻栽培学研究的一个热点和难点。
近年来, 育种家们成功选育了一批具有强大增产潜力的籼粳杂交稻品种[8-9]。这些品种目前已在我国长江下游稻区大面积推广应用, 并涌现出一大批高产典型[10-12]。然而, 现有籼粳杂交稻的栽培管理模式大多是基于氮肥大量投入的传统杂交稻管理模式, 在一定程度上限制了其强大增产潜力的充分发挥, 并导致氮肥利用效率相对较低。因此, 何种氮肥管理模式更有利于籼粳杂交稻产量与氮肥利用效率协同提升, 目前仍不明确。
水稻根系不仅具有固定植株、从土壤中吸收水、氮资源等功能, 还可以合成多种内源调控物质来影响地上部生长发育[13]。水稻对氮素的吸收与利用, 不仅与土壤中氮素含量的多寡有关, 更与根系的吸氮能力密切相关[13-15]。通过调控水稻根系的生长发育, 促进其对氮素的吸收与利用, 是协同提升水稻产量与氮肥利用效率的一个重要途径[16]。本研究以浙江省大规模推广应用的籼粳杂交稻品种甬优1540为材料, 比较了该品种根系形态生理特征对不同施氮量的响应特点。本研究旨在从根系的角度揭示籼粳杂交稻高产与氮肥高效利用的生理机制。
1 材料与方法
1.1 材料与试验地基本情况
于2020—2021年在中国水稻研究所富阳试验基地(浙江富阳)进行。试验小区耕层土壤(0～20 cm)为黏壤土, 部分理化特性指标如表1所示。供试品种为甬优1540 (三系籼粳杂交稻), 由宁波市种子有限公司选育。2020年试验为5月15日播种, 6月10日移栽, 8月25日至8月28日齐穗, 10月28日收获; 2021年试验为5月16日播种, 6月11日移栽, 8月27日至8月30日齐穗, 10月29日收获。2年试验均为人工移栽, 移栽株行距为16.5 cm × 25.0 cm, 每穴2株苗。水稻移栽至成熟期的气象数据如表2所示。
1.2 试验设计
共设置4个施氮量处理, 即全生育期不施氮肥(N0)、施用纯氮80 kg hm–2(N1)、160 kg hm–2(N2)以及240 kg hm–2(N3)。其中, N3处理的施氮量是参照当地农户种植甬优1540的习惯施氮量而设置。所施氮肥为尿素, 按含氮率46.7%折合成纯氮。按基肥(移栽前1 d)∶分蘖肥(移栽后10 d)∶穗肥(叶龄余数2.0) = 5∶3∶2施用。基施过磷酸钙(含P2O513.5%)300 kg hm–2。移栽前1 d和穗分化始期分别施用氯化钾(含K2O 52%) 120 kg hm–2和90 kg hm–2。每个处理均重复3次, 完全随机区组排列, 小区面积为8.0 m × 6.0 m。全生育期严格防治病虫草害。灌溉模式为长淹灌溉, 除中期搁田1周外, 其余时间田间均保持2～3 cm浅水层, 收获前10 d断水。
表1 试验地耕层土壤理化性状
表2 水稻生长期降雨量、日照时长以及平均气温的变化
6月份降雨量、日照时长以及平均气温从6月10日开始计算。
Precipitation, sunshine hours, and averages temperature in June were recorded from June 10.
1.3 取样与测定
1.3.1 根系形态与生理指标测定 分别于拔节期、齐穗期与成熟期, 考察各小区100穴水稻茎蘖数并计算平均茎蘖数。随后按照平均茎蘖数选取3穴水稻, 用于测定水稻根系形态指标。具体方法如下: 以1穴稻株为中心, 用取根器(长 × 宽 × 高 = 25 cm × 16 cm × 20 cm)取出带根土块, 随后每个土块被一分为二, 切割成上下两部分, 每部分土块为25 cm × 16 cm × 10 cm, 分别装入70目的筛网袋中, 先用流水冲洗, 然后用农用压缩喷雾器将根冲洗干净备用。将冲洗后的根系有序放入装有一薄层去离子水的长方形有机玻璃器皿中(30 cm × 20 cm), 放置过程中避免根系交叉重叠, 再用扫描仪(Epson Expression 1680 Scanner, Seiko Epson Corp. 日本)对其进行扫描, 最后用WinRHIZO根系分析系统(Regent Instruments Inc. 加拿大)对扫描图像进行分析, 计算出根长。随后将根系取出放置于牛皮纸袋中, 置于80℃烘箱烘干72 h并测干重, 计算不同土层中的根干重。深根比采用以下公式计算: 深根比(%) = 10～20 cm土层中根干重/0～20 cm土层中根干重×100。
分别在灌浆早期、中期以及后期(对应取样日期为齐穗后12、24和36 d), 测定根系氧化力、根系中Z+ZR含量以及根系伤流液中Z+ZR浓度等根系生理指标。采用α-萘胺法测定根系氧化力[17], 具体操作如下: 取充分洗净的根系1 g, 用滤纸吸干所附着水分后, 放入100 mL三角瓶中。随后往三角瓶中加入50 μg L–1α-萘胺溶液与0.1 mol L–1磷酸缓冲液(pH 7.0)各25 mL。轻轻振荡三角瓶10 min后取2 mL培养液加10 mL水混匀, 再依次加入1 mL的1%对氨基苯磺酸溶液与1 mL的100 μg mL–1亚硝酸钠溶液, 混匀后再定容至25 mL, 室温静置5 min后于510 nm处测定吸光度。随后塞好瓶塞, 在25℃条件下振荡4 h, 再取2 mL测定重复上述操作。随后用镊子将根系从三角瓶中取出, 放入牛皮纸袋中, 80℃烘干72 h并称重, 最后计算根系氧化力, 单位用μg α-NA g–1DW h–1表示。根系伤流液的收集与提取的方法参照Li等[18]方法并略作改进, 具体如下: 于采样当天傍晚18:00, 将事先经消毒处理并烘干的脱脂棉球放置于玻璃管内部(玻璃管与棉球分别称重)。在离水面10 cm处, 用剪刀快速剪去稻株的地上部分, 随后立即用脱脂棉球轻轻擦拭稻茎剪口处2～3次, 以防污染。然后再在剪口处套上装有脱脂棉球的玻璃管, 并用黑色塑料薄膜遮盖过夜。次日06:00 (12 h后), 收取带有伤流液的脱脂棉球以及玻璃管, 放入事先准备好的冰盒内带回室内称重, 用无水乙醇提取脱脂棉球中的根系伤流液, 后将提取液置于超低温冰箱(–70℃)内保存待测。根系中Z+ZR含量以及根系伤流液中Z+ZR浓度采用高效液相色谱-质谱联机法(HPLC-MS)测定, 参照Pan等[19]方法进行测定, HPLC反相-C18柱(RP-C18), 采用安捷伦6460三重四级杆液质联用仪测定。
1.3.2 地上部干物质重、剑叶净光合速率以及叶片Z+ZR含量 分别于拔节期、齐穗期与成熟期, 按照平均茎蘖数取3穴稻株, 分解为茎、叶、穗(齐穗期与成熟期), 后将其放入牛皮纸袋中, 置于80℃烘箱烘干72 h后, 测定植株不同部位重量。分别于齐穗后12、24和36 d, 09:00测定剑叶净光合速率(LI-6800便携式光合测定仪, 美国LI-COR公司), 期间天气晴朗无风, 各处理重复测定6张叶片。剑叶中Z+ZR含量同样也参照Pan等[19]方法进行测定。
1.3.3 籽粒中酶活性测定 分别于齐穗后12、24和36 d, 取50粒籽粒, 加3～5 mL 100 mmol L–1Tricine- NAOH提取液(pH 8.0, 含有10 mmol L–1MgCl2, 2 mmol L–1EDTA, 50 mmol L–12-mercaptoethanol, 12% (v/v) glycerol, 5% (w/v) PVP 40)于研钵中研磨(温度保持在0℃), 12,000转 min–1离心5 min (4℃), 取上清液(粗酶液)用于各酶活性测定。酶活性测定方法参照Yang等[20-21]方法, 并略作改进。各酶活性单位用μmol g–1FW min–1表示。
1.3.4 氮肥利用效率 成熟时采集每个小区3株植株样品, 先用H2SO4-H2O2消煮, 再用凯氏定氮法测定全氮含量。氮收获指数与氮肥利用效率的计算公式如下: 氮收获指数 = 成熟期单位面积植株穗部氮积累量/植株氮素积累总量; 氮农学利用率(kg 稻谷 kg–1N) = (施氮区产量－氮空白区产量)/施氮量; 氮肥偏生产力(kg 稻谷 kg–1N) = 稻谷产量/施氮量; 氮吸收利用率(%) = (施氮区作物吸氮量－氮空白区作物吸氮量)/施氮量; 产谷利用效率(kg 稻谷kg–1)= 稻谷产量/植株氮素积累总量。
1.3.5 考种 于成熟期, 各小区按照平均茎蘖数取10穴稻株的穗子考种, 测定每穗粒数、实粒数、千粒重等, 并在此基础上计算结实率。
1.4 数据处理与统计方法
采用Microsoft Excel 2017和SPSS 22.0统计软件分析试验数据, 采用Duncan (<0.05)多重检验进行均值比较, 用SigmaPlot 10.0绘图。
2 结果与分析
2.1 产量及其构成因素
由表3可知, 本研究4个施氮量下甬优1540的产量及其构成要素在年度间差异均不显著, 说明施氮量对水稻产量及其构成要素的影响在年度间具有较好的重演性。4个施氮量下, 水稻2年的平均产量分别为7.2、10.0、12.4和12.5 t hm–2(表3)。进一步分析可知, 当施氮量在0～160 kg N hm–2之间时, 水稻产量是随着施氮量的增加而增加, 但当施氮量提升至240 kg N hm–2时, 产量则不再增加。就产量构成要素而言, 随着施氮量的提升, 水稻总颖花量显著增加, 表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平, 总颖花量的增加, 主要得益于单位面积穗数与每穗粒数的同步提升(2020年度N3处理的单位面积穗数与N2无显著性差异); 但结实率的变化趋势则相反, 表现为N3 由表4可知, 随着施氮量的增加, 水稻吸氮量也随之增加, 表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平; 与之相反的是氮肥偏生产力与氮肥吸收利用率, 均表现为随施氮量的增加而降低, 即N1>N2>N3, 且各处理间均达到极显著差异。氮收获指数与产谷利用率在不同施氮量间的差异表现为: N0最高, N1与N2次之, N3最低, 且N1与N2之间无显著性差异; 与之相似的是氮肥农学利用率(表4)。上述结果说明, 过高的氮肥投入(N3处理)虽然能够促进植株对土壤中氮素的吸收, 但吸收的氮素并不能够转化为经济产量, 而是更多的贮存在稻草中, 造成了水稻的奢侈吸氮; 而适宜的施氮量(本试验为160 kg hm–2)不仅可以促进水稻从土壤中吸收相对较高的氮素, 还可以将吸收的氮素更好的转化为经济产量。 随着生育期的推进, 水稻地上部干物质不断积累, 峰值出现在成熟期(图1-A, B)。就不同施氮量而言, 水稻地上部干物质重表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平(图1-A, B)。根干重在整个生育期的变化趋势则表现为先增加后降低, 峰值出现在齐穗期; 根干重在处理间变化趋势与地上部干物重较为一致, 即N3>N2>N1>N0, 且处理间差异也均达到极显著水平(图1-C, D)。根-冠比随生育进程的推进不断降低; 在拔节期与齐穗期, N0根冠比最高, N1、N2、N3这3个处理间的差异并不显著, 成熟期4个处理间根-冠比均不存在显著性差异(图1-E, F)。 表3 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540产量及其构成因素的影响 不同字母表示0.05水平差异显著, 同栏同年内比较。NS表示在0.05概率水平互作不显著; *、**分别表示在0.05和0.01概率水平互作显著。 Different lowercase letters within the same column and the same year mean significant difference at the 0.05 probability level. NS means non-significant at0.05. *:< 0.05; **:< 0.01. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 表4 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540氮肥利用效率的影响 不同字母表示0.05水平差异显著, 同栏同年内比较。NS表示在0.05概率水平互作不显著; *、**分别表示在0.05和0.01概率水平互作显著。 Different lowercase letters within the same column and the same year mean significant difference at the 0.05 probability level. NS means non-significant at0.05l. *:< 0.05; **:< 0.01. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 图1 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540地上部干物重(A, B)、根干重(C, D)以及根冠比(E, F)的影响 JT: 拔节期; HD: 抽穗期; MA: 成熟期。 JT: jointing stage; HD: heading stage; MA: maturity stage. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 进一步研究发现, 不同施氮量下, 水稻根系在0～10cm土层内的生物量的变化趋势与总根干重的变化趋势相一致, 均为随着施氮量的提高而增加, 表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平(图2-A, B); 10～20 cm土层内的根干重则表现N2>N3>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平(图2-C, D); 深根比则随着施氮量的增加而降低, 表现为N3 与根干重的变化趋势相一致, 总根长与根长密度在整个生育期也表现为先增加后降低的趋势, 峰值出现在齐穗期(图3-A～D)。就不同施氮量而言, 总根长与根长密度表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平(图3-A～D)。随着生育期的推进, 比根长表现为降低的趋势, 峰值出现在拔节期, 成熟期最低。不同施氮量间表现为N3与N2最高, N1次之, N0最低, 且N3与N2之间并没有显著差异(图3-E, F)。 随着灌浆进程的推进, 水稻根系氧化力呈逐步下降的趋势(图4-A, B)。就不同施氮量而言, 在灌浆早期水稻根系氧化力表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平; 在灌浆中期, 则表现为N3与N2处理最高, N1次之, N0最低, 且N3与N2之间并没有显著差异; 在灌浆末期, 则表现为N2高于或显著高于N3, N1次之, N0最低(图4-A, B)。根系伤流液中Z+ZR浓度(图4-C, D)与根系中Z+ZR含量(图4-E, F)的变化趋势与根系氧化力较为一致。 图2 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540在0～10 cm土层根干重(A, B)、10～20 cm土层根干重(C, D)以及深根比(E, F)的影响 JT: 拔节期; HD: 抽穗期; MA: 成熟期。 JT: jointing stage; HD: heading stage; MA: maturity stage. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. (图3) JT: 拔节期; HD: 抽穗期; MA: 成熟期。 JT: jointing stage; HD: heading stage; MA: maturity stage. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 图4 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540根系氧化力(A, B)、根系伤流液中Z+ZR浓度(C, D)以及根系Z+ZR浓度(E, F)的影响 EF: 灌浆早期; MF: 灌浆中期; LF: 灌浆末期。 EF: the early grain filling stage; MF: the middle grain filling stage; LF: the late grain filling stage. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 随着灌浆进程的推进, 水稻剑叶净光合速率呈逐步下降的趋势(图5-A, B)。就不同施氮量而言, 在灌浆早期剑叶净光合速率表现为N3>N2>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平, 但在灌浆中期和灌浆末期, 则表现为N3与N2最高, N1次之, N0最低, 且N3与N2之间并没有显著差异(图5-A, B)。剑叶中Z+ZR浓度水平的变化趋势与剑叶净光合速率相一致(图5-C, D)。 随着灌浆进程的推进, 籽粒中蔗糖合酶以及腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的活性呈下降的趋势(表5)。就不同施氮量而言, 籽粒中2种蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性在灌浆早期与灌浆中期表现为N3与N2最高, N1次之, N0最低, 且N3与N2之间并没有显著差异; 在灌浆末期则表现为N2>N3> N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平(表5)。 相关分析表明, 在不同施氮量下, 灌浆期水稻根系氧化力、根系及其伤流液中Z+ZR浓度水平与剑叶净光合速率、剑叶中Z+ZR浓度水平以及籽粒中SuSase和AGPase活性均呈极显著正相关关系(= 0.69**～0.88**) (表6)。 近年来, 我国水稻育种与栽培科研工作者开展了大量有关籼粳杂交稻高产与氮肥高效利用形成机制的研究, 结果表明, 相较于籼型或粳型杂交稻, 籼粳杂交稻往往具备单位面积颖花数高、群体冠层结构合理、光合特性优势明显、物质生产能力强、同化物转运率高、收获指数高、抗倒能力强等生物学优势[22-26]。根系作为水稻从土壤中吸收氮素的主要器官, 其功能的发挥与根系形态和生理特征关系密切, 并受到遗传基因和栽培措施的双重调控[13]。但截至目前, 有关籼粳杂交稻根系形态生理特征对氮肥施用水平响应特点的研究, 鲜有报道。 前人较多研究指出, 施氮量与作物产量之间大多为开口向下的抛物线关系[27-29]。本研究中, 我们观察到在施氮量为0～160 kg hm–2范围内, 甬优1540的产量随施氮量的增加而增加, 且处理间差异均达到极显著水平; 当施氮量提升至240 kg hm–2时, 产量则不再增加, 且氮收获指数与氮肥利用效率显著降低。进一步研究发现, 尽管N3处理(施氮量为240 kg hm–2)显著提高了水稻地上部干物重、根干重、根长以及根长密度等指标, 但其10～20 cm土层根干重、比根长、根系氧化力、根系以及根系伤流液中Z+ZR浓度水平、剑叶净光合速率、剑叶中Z+ZR浓度水平以及籽粒中蔗糖-淀粉代谢关键酶活性等根-冠形态生理指标却与N2处理(施氮量为160 kg hm–2)无显著差异或显著降低。据此, 我们认为适宜的施氮量(本试验为160 kg hm–2)可以优化甬优1540根-冠形态与生理指标, 进而协同提高其产量与氮肥利用效率。 图5 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540剑叶净光合速率(A, B)以及剑叶中Z+ZR浓度水平(C, D)的影响 EF: 灌浆早期; MF: 灌浆中期; LF: 灌浆末期。 EF: the early grain filling stage; MF: the middle grain filling stage; LF: the late grain filling stage. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 表5 施氮量对籼粳杂交稻甬优1540籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性的影响 EG: 灌浆早期; MG: 灌浆中期; LG: 灌浆末期; 不同字母表示0.05水平差异显著, 同栏同年内比较; NS表示在0.05概率水平互作不显著; *、**分别表示在0.05和0.01概率水平互作显著。 EG: the early grain filling stage; MG: the mid-grain filling stage; LG: late grain filling stage. Different letters within the same column and the same year mean significant difference at the 0.05 probability level. NS means non-significant at< 0.05. *:< 0.05; **:< 0.01. N0: 0 kg hm–2; N1: 80 kg hm–2;N2: 160 kg hm–2;N3: 240 kg hm–2. 表6 水稻根-冠部分生理指标的相关性 ROA表示根系氧化力; Z+ZR表示玉米素+玉米素核苷; SuSase表示蔗糖合酶; AGPase表示腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶;**表示在0.01概率水平差异显著。 ROA: root oxidation activity; Z+ZR: zeatin + zeatin riboside; SuSase: sucrose synthase; AGPase: ADP-glucose pyrophosphorylase;**:< 0.01. 前人研究指出, 高产与氮肥高效利用的水稻往往具备根系生物量大、根系分布广、下扎能力强等形态学特点[30-32]。但也有研究者持相反的观点, 他们认为维持较大的根系会消耗大量的光合产物, 导致根系与地上部之间产生竞争, 不利于高产形成以及肥水资源的高效利用[33-35]。我们前期的研究发现, 与农户习惯栽培相比, 优化栽培处理尽管降低了水稻根系生物量, 但却显著提高产量, 说明优化栽培可减少根系的无效生长, 将更多的肥水资源集中至地上部, 进而获得高产与肥水高效利用[36]。本研究中, 我们观察到N3处理较N2处理显著提高了总根干重、0～10 cm土层根干重、根长、根长密度等根系形态学指标, 但其产量并没有显著增加。据此, 我们推测过高的施氮量可能会导致水稻根系出现冗余生长的问题, 而适宜施氮量则可在保证水稻获得较高产量水平的前提下, 避免根系的冗余生长, 将更多的氮素输送至地上部, 进而获得高产与氮肥高效利用。 高产与氮肥高效利用水稻的根系, 在土壤中是如何分布的, 其结构特征又是什么, 向来是水稻栽培学研究的热点。一般认为, 发达的深层根系有利于水稻对深层土壤中肥水资源的吸收与利用[15,17]。Ju等[15]研究指出, 高产氮高效水稻品种淮稻5号与连粳7号的深层根系生物量, 在中、低氮肥施用水平下要显著高于高产氮低效品种宁粳1号与扬粳4038。此外, 水稻根系在土壤中分布特征, 不仅与品种遗传特性有关, 更受栽培措施的调控。例如, 轻度干湿交替灌溉技术可以大幅提高水稻深根比, 显著增加深层根系的生物量, 驱动根系从深层土壤中汲取更多的水分与养分, 从而实现高产高效[24,37]。本研究中,我们观察到甬优1540的深根比, 随着施氮量的增加而降低, 且差异均达到极显著水平, 说明施氮量增加并不利于提高深根比。但值得注意的是, 10～20 cm土层根干重却表现为N2>N3>N1>N0, 且处理间差异均达到极显著水平。据此, 我们推测适宜的施氮量可以将甬优1540的深层根系生物量维持在一个相对较高的水平, 进而促进植株从深层土壤中汲取养分, 从而实现高产与氮肥高效利用。 水稻对土壤中肥水资源的汲取, 是其根系形态和生理特性共同作用的结果[13]。一般认为, 根系氧化力是最重要的根系生理指标, 该指标的高低直接反应了根系对土壤中养分同化能力的强弱[13,38]。此外, 根系也可以合成多种内源激素来调控地上部生长发育, 通过分析根源激素与地上部生长发育的关系, 可以揭示根系调控地上部生长发育的生理机制[13]。反式玉米素型细胞分裂素(Z+ZR)是一类主要由根系合成的细胞分裂素, Z+ZR由根系合成后, 经木质部随着蒸腾流向地上部运输, 对地上部的生长发育起着重要的调控作用[39]。籼粳杂交稻根系中较高的Z+ZR水平与其大穗形成密切相关[40]; 早期选育的大穗型杂交籼稻品种两优培九弱势粒充实差、功能叶衰老快与其灌浆中后期根系或根系伤流液中Z+ZR水平迅速衰减有关[41]; 通过采用适当的栽培措施, 可显著提高大穗型杂交粳稻品种常优5号根系中Z+ZR含量, 有效改善其籽粒灌浆, 提高籽粒充实度与粒重[42]。本研究中, 我们观察到随着施氮量的增加, 在灌浆早期水稻根系氧化力、根系Z+ZR含量以及根系伤流液中Z+ZR浓度呈上升趋势, 但在灌浆中后期, 上述根系生理指标在N2与N3处理之间并无显著差异。说明增加施氮量并不会显著提高灌浆中后期水稻根系生理活性, 而适宜的施氮量可以在灌浆中后期将水稻根系生理活性维持在一个相对较高的水平, 从而促进地上部生长发育。 根系与地上部之间存在相互作用的关系, 根-冠协调发展一方面可以加强根系对土壤中肥水资源的吸收, 另一方面也可以提高地上部植株的生理活性, 防止植株早衰, 进而确保水稻高产形成[13,38]。本研究中, 我们观察到灌浆期水稻根系氧化力、根系Z+ZR含量以及根系伤流液中Z+ZR浓度与剑叶净光合速率、剑叶中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖合酶与腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性均呈极显著正相关关系。一方面说明根-冠之间存在明显的互作关系, 另一方面则说明适宜的施氮量不仅有利于甬优1540根系生理活性的提高, 同时也有利于地上部的一些生理过程。 适宜的施氮量可协同提升籼粳杂交稻甬优1540的产量及其氮肥利用效率。较好的根系形态(根干重、10～20 cm土层根干重、总根长、根长密度、比根长)与生理(根系氧化力、根系与根系伤流液中Z+ZR浓度水平)特征以及地上部植株较强的生理活性(灌浆期较高的剑叶净光合速率和剑叶中Z+ZR浓度水平、籽粒中较高的SuSase和AGPase活性)是其在适宜施氮量下获得高产与氮肥高效利用的重要生理基础。 [1] 章秀福, 王丹英, 方福平, 曾衍坤, 廖西元. 中国粮食安全和水稻生产. 农业现代化研究, 2005, 26(2): 85–88. 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Effects of nitrogen fertilizer rates on grain yield and nitrogen use efficiency ofhybrid rice cultivar Yongyou 1540 and its physiological bases XU Ran, CHEN Song, XU Chun-Mei, LIU Yuan-Hui, ZHANG Xiu-Fu, WANG Dan-Ying, and CHU Guang* State Key Laboratory of Rice Biology / China National Rice Research Institute, Hangzhou 311400, Zhejiang, China The objective of this study is to understand how nitrogen (N) application rates affected on grain yield and N use efficiency (NUE) ofhybrid rice cultivar Yongyou-1540 and its physiological bases. In the present study, a-hybrid rice cultivar Yongyou 1540, which was widely planted in Zhejiang province was field grown in 2020 and 2021, and four N application rates [0 kg hm–2(N0), 80 kg hm–2(N1), 160 kg hm–2(N2), and 240 kg hm–2(N3)] were applied during rice growing season. The results indicated that, (1) N application rate had significant effects on grain yield and NUE of rice. Grain yield was significantly increased with the increase of N application rate from 0 kg hm–2to 160 kg hm–2, and the increase in grain yield was mainly attributed to the increase in total spikelets per unit area. However, there were no significantly difference in grain yield between N2 and N3 treatments, which was mainly due to the reduce in grain filling percentage in N3 treatment. When compared with N2 treatment, N3 treatment significantly reduced N harvest index and NUE, including agronomic N use efficiency (AEN), N recovery efficiency (REN), N partial factor productivity (PFPN), and internal N use efficiency (IEN). (2) N application rate had significant effects on shoot growth and development. Shoot dry weight was significantly increased at jointing, heading, and maturity stages and harvest index was significantly decreased with the increase of N application rate from 0 kg hm–2to 240 kg hm–2. The net photosynthetic rate of flag leaf, the concentration of zeatin plus zeatin riboside (Z+ZR) in flag leaves, and the activities of key enzymes involved in sucrose-to-starch conversion in grains were significantly increased with the increase of N application rate from 0 kg hm–2to 160 kg hm–2, however, N3 treatment could not increase or even reduce the above indicators compared with N2 treatment. (3) N application rate had significant effects on rice root morphological and physiological traits. Root dry weight, root dry weight in both 0–10 cm and 10–20 cm soil layers, total root length, root length density, specific root length at jointing, heading, and maturity stages, and root oxidation activity (ROA) and concentration of Z+ZR in both roots and root-bleeding sap at mid- and late grain filling stages were significantly increased with the increase of N application rate from 0 kg hm–2to 160 kg hm–2. However, when compared with N2 treatment, N3 treatment significantly increased root dry weight, and root dry weight in 0–10 cm soil layer, total root length and root length density. (4) The results of the correlation analysis showed that ROA, and concentration of Z+ZR in roots or in root-bleeding sap, were significantly positively correlated with net photosynthetic rate of flag leaves, the concentration of Z+ZR in flag leaves, and activities of key enzymes involved in sucrose-to-starch conversion in grains. Generally, the appropriate N application rate could improve rice root morphological and physiological traits and promote shoot growth and development, and then improved plant physiological performances during the mid- and late grain filling stages, and finally achieved the due goal of increase both grain yield and NUE. hybrid rice; nitrogen application rate; grain yield; nitrogen use efficiency; root morphological and physiological traits 10.3724/SP.J.1006.2023.22040 本研究由浙江省重点研发计划项目(2021C02023, 2022C02034), 国家自然科学基金项目(32101825)和财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(水稻, CARS-01)资助。 This study was supported by the Key Research and Development Program of Zhejiang Province (2021C02023, 2022C02034), the National Natural Science Foundation of China (32101825), and the China Agriculture Research System of MOF and MARA (Rice, CARS-01). 褚光, E-mail: chuguang@caas.cn E-mail: 1037152516@qq.com 2022-06-29; 2022-10-10; 2022-10-26. URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20221026.1109.004.html This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).2.2 植株吸氮量、氮收获指数以及氮肥利用效率
2.3 地上部干物重、根干重与根-冠比
2.4 不同土层根干重与深根比
2.5 总根长、根长密度以及比根长
2.6 根系氧化力、根系及其伤流液中Z+ZR浓度水平
2.7 剑叶净光合速率及剑叶中Z+ZR浓度水平
2.8 籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性
2.9 相关分析
3 讨论
3.1 施氮量对甬优1540产量和氮肥利用率的影响
3.2 施氮量影响甬优1540产量和氮肥利用效率的生理机制
4 结论
