金 磊，李 霞，劉小龍，柯希歡

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所/江蘇省優(yōu)質(zhì)水稻工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210014)

氮肥是影響水稻(Oryza sativa L.)光合作用的重要營養(yǎng)元素，水稻籽粒產(chǎn)量的高低不僅取決于抽穗后光合產(chǎn)物的多少，而且取決于抽穗后光合同化能力的高低［1］。增施氮肥雖帶來了水稻單產(chǎn)的持續(xù)增加［2］，但過高的氮肥可能增加水稻倒伏的危險［3］。最近 Liu等［4］通過研究，系統(tǒng)揭示了過去 30年(1980—2010)來我國氮沉降動態(tài)及其與人為活性氮排放的關(guān)系，表明:其中農(nóng)田施肥不合理是人為增加活性氮向大氣排放的主要方式，影響了整個生態(tài)系統(tǒng)。因此，在現(xiàn)代水稻生產(chǎn)中如何合理調(diào)控氮營養(yǎng)，發(fā)揮其最大的產(chǎn)量潛力，是現(xiàn)代水稻生產(chǎn)重要的科學(xué)問題。

水稻對氮素利用率都存在極顯著的品種間差異［5］。魏海燕等［6］和李敏等［7］均通過選用不同類型的產(chǎn)量和氮素差異的粳稻品種，研究在各自最適氮素水平下，研究了葉片光合、衰老特性的差異及其與氮效率的關(guān)系，表明維持水稻的凈光合速率和延緩衰老是促進(jìn)水稻高產(chǎn)品種進(jìn)一步提升氮效率的重要途徑［8］。以往的水稻氮效率光合特性研究大多是統(tǒng)一在同一氮素水平，主要是對光合參數(shù)的測定，而不同施氮量對不同光強(qiáng)和CO2濃度的光合作用響應(yīng)則鮮見報道。因此，選擇不同的氮水平，研究不同氮效率水稻基因型的光合作用特征，則是判斷不同光強(qiáng)和CO2條件下葉片光合性能的發(fā)揮以達(dá)到高產(chǎn)與減氮協(xié)同的關(guān)鍵。本研究選取了8個來自江蘇粳稻材料作為研究對象，研究不同施氮量在開花后不同時期對其光強(qiáng)和CO2光合響應(yīng)曲線的影響，解析其在不同氮肥下光合作用參數(shù)與產(chǎn)量表現(xiàn)的關(guān)系，進(jìn)而明確不同施氮量對粳稻光合作用的調(diào)節(jié)作用，旨為水稻生產(chǎn)中氮肥的合理施用和更高產(chǎn)量的形成提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻(Oryza sativa L.)品種為8個，其中遲熟中粳包括南粳45，武育粳3號(中粳對照)，02102，早熟晚粳包括晚粳武運(yùn)粳7號(晚粳對照)，寧74142，南粳44和南粳5055，中熟晚粳包括南粳46，水稻種子來自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食所。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2011—2012在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所網(wǎng)室進(jìn)行，土壤為馬干土(含N 0.083%，P2O50.12%，K 1.00%)，采用盆栽的方法，將田間采集土樣風(fēng)干破碎后過2 mm篩，混勻分別裝于直徑25 cm、高25 cm的塑料桶中(每桶6 kg)。每個品種，每個處理均設(shè)3個桶，每桶栽5株。試驗參照李霞的方法［9］，根據(jù)大田的施氮量(135.0 kg/hm2(LN)、180.0 kg/hm2(MN)、270.0 kg/hm2(HN))、栽培塑料筒的面積以及裝土的質(zhì)量換算，設(shè)3個施氮量處理，在水稻種植前分別按照每千克土壤中0.11 g N(LN處理)、0.15 g N(MN 處理)、0.22 g N(HN 處理)、0.10 g P 和 0.12 g K，氮肥為尿素(有效氮為 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含13%P2O5)，鉀肥為氯化鉀(含鉀為52%)。氮肥作基肥、分蘗肥、?；ǚ实氖┯帽壤謩e占總氮量的60%、30%、10%。磷肥一次性基肥施入，鉀肥作基肥和莖長粗肥施用，各占50%。將水稻種子用藥劑消毒后，浸種72 h后催芽，每年5月16日直接播種于桶中，濕潤育秧。水分管理和農(nóng)藥等按常規(guī)栽培要求實(shí)施。

1.3 測定項目與方法

在開花后不同天數(shù)分別測定植株的各生理和生長指標(biāo)，并在成熟期選擇3株，考查供試材料產(chǎn)量結(jié)構(gòu)。

1.3.1 葉片的光強(qiáng)－光合曲線 按李霞等［10］的方法，采用美國LI－COR公司生產(chǎn)LI－6400便攜式光合測量系統(tǒng)，用6400－02B LED紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行連體葉片瞬時凈光合速率(instantaneous net photosynthetic rate，IAPR)測定。將紅藍(lán)光源LED設(shè)定一系列光合光通量密度(photosynthetic photo flux density，PPFD)梯度，測定 PPFD 分別為 0，50，100，150，200，400，600，800，1 200，1 400 μmol/(m2·s)時葉片的凈光合速率(net photosynthetic rates，Pn)，每點(diǎn)測定4個重復(fù)，繪出光強(qiáng)－凈光合速率響應(yīng)曲線(light intensity－Pn)，計算出光飽和條件下最大凈光合速率(maximum net photosynthetic rate，Pnmax)。表觀量子效率(apparent quantum yield，AQY)在光強(qiáng)為0～200 μmol/(m2·s)，分別記錄凈光合速率，然后用直線回歸求出AQY。

1.3.2 葉片的二氧化碳(CO2)－光合曲線和表觀羧化效率(apparent carboxylation efficiency，ACE)測定按李霞的方法［11］，測定時美國LI－COR公司生產(chǎn)LI－6400便攜式光合測量系統(tǒng)，用6400－02B LED紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行連體葉片瞬時凈光合速率(instantaneous net photosynthetic rate，IAPR)測定。控制PPFD(800±1)μmol/(m2·s)、溫度(32±1)℃，外接鋼瓶供應(yīng) CO2，濃度設(shè)定為:0，20，50，100，150，200，250，300，400，600，800，1 000 μmol/mol，用 SPSS 10.0 軟件將所得數(shù)據(jù)繪出 Pn 對 CO2的響應(yīng)曲線(CO2－Pn)，求得CO2補(bǔ)償點(diǎn)、CO2飽和點(diǎn)以及飽和CO2濃度下的Pnmax，并用CO2濃度低于250 μmol/mol的數(shù)據(jù)繪出響應(yīng)直線，直線的斜率為ACE。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 17.0軟件，通過單因素方差分析Duncan檢驗來分析數(shù)據(jù)的差異顯著性和Pearson系數(shù)分析參數(shù)的相關(guān)性。

圖1 不同施氮下供試水稻的單株產(chǎn)量Fig.1 Grain yield per plant at different N application in different rice varieties

圖2 供試水稻不同氮效率分布Fig.2 Distribution of difference in N use efficiency of the rice cultivars

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量供試材料的產(chǎn)量表現(xiàn)

從圖1看出，隨施氮量的增加，與中氮相比，高氮的單株產(chǎn)量增加不明顯，大多數(shù)表現(xiàn)為產(chǎn)量下降。按照Koutroubasa等［12］的計算方法，進(jìn)一步將本研究中的中粳和晚粳材料進(jìn)行氮素分析見圖2。與對照武育粳3號和武運(yùn)粳7號相比，供試材料在高氮條件下可以獲得較高的產(chǎn)量，其中南京44，南粳5055，南粳45和南粳46在LN處理也可獲得較高產(chǎn)量，是氮素雙高效類型。

2.2 不同氮肥下供試材料開花后14th和35th劍葉凈光合速率對光強(qiáng)響應(yīng)

圖3 不同施氮量下不同水稻品種劍葉開花后14th光合－光強(qiáng)響應(yīng)的變化Fig.3 Changes in photosynthetic rate to PPFD of flag leaves of 8 rice varieties in 14thafter flowering under the different Nitrogen applications

2.2.1 不同氮肥下供試材料開花后14th劍葉凈光合速率對光強(qiáng)響應(yīng) 通過進(jìn)一步測定不同水稻材料在開花后14th劍葉的光合作用對光強(qiáng)的響應(yīng)曲線，從圖3可以看出，高氮提高了武運(yùn)粳7號和武育粳3號高光強(qiáng)下［＞800 μmol/(m2·s)］的Pn，而在中等和低光強(qiáng)下則差異不明顯，而對于其他氮素雙高效類型南粳45，南粳44，南粳5055以及南粳46則在不同氮素施用下，Pnmax差異不大。施氮對表觀量子效率(AQY)影響見表1，同樣施氮可部分提高武運(yùn)粳7號、武育粳3，74142和02102高氮下的AQY，而對于雙高效類型則影響不顯著。

表1 不同施氮量下不同水稻品種劍葉開花后14th表觀量子效率的變化Tab.1 Changes in apparent quantum yield of eight rice varieties in 14th after flowering under the different nitrogen applications

圖4 不同施氮量下不同水稻品種劍葉開花后35th光合－光強(qiáng)響應(yīng)的變化Fig.4 Changes in photosynthetic rate to PPFD of flag leaves of 8 rice varieties in 35thafter flowering under the different Nitrogen applications

2.2.2 不同氮肥下供試材料開花后35th劍葉凈光合速率對光強(qiáng)響應(yīng) 從圖4可以看出，與開花后14th相比，施氮量對開花后35th的光強(qiáng)－光合曲線的影響明顯，高氮處理可維持劍葉Pn下降較少，光合保持相對穩(wěn)定，但是不同類型的水稻，其光強(qiáng)－光合曲線則表現(xiàn)不同。對照材料武運(yùn)粳7號和武育粳3號，隨著施氮量的增加，Pn明顯增加，對于高氮高效型水稻74142和02102，高氮顯著提高其Pn，MN和LN差異不明顯，而對于氮雙高效類型則是隨氮素施用的增加Pn變化不明顯，在3個氮素施用條件下均呈現(xiàn)類似的光－光合響應(yīng)曲線，對氮素的施用不敏感。進(jìn)一步分析其光合參數(shù)(表3)，表觀量子效率(AQY)隨施氮量的增加而增加，Pnmax和光飽和點(diǎn)(LSP)的變化趨勢也是類似。而光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)則隨施氮量的增加不同類型表現(xiàn)有差異，與MN相比，對照材料武運(yùn)粳7號和武育粳3號以及高氮高效型水稻74142和02102均在LN和HN下LCP均較高。而氮雙高效類型則LCP在不同的施氮量下變化不大，可見，在灌漿后期，高氮量對這些氮雙高效類型維持較高的光合能力關(guān)系不大。

表2 不同施氮量下不同水稻品種劍葉開花后35th的光強(qiáng)－光合響應(yīng)曲線特征參數(shù)Tab.2 Parameters of rice flag leaf photosynthetic light response curve of eight rice varieties in 35thafter flowering under the different nitrogen applications

2.3 不同氮肥供試材料劍葉開花后14th劍葉和35thCO2－光合作用響應(yīng)曲線

2.3.1 不同氮肥供試材料劍葉開花后14th劍葉CO2－光合作用響應(yīng)曲線 CO2也是光合作用底物之一，水稻光合作用對CO2濃度的利用也影響著其產(chǎn)量的形成。在一定CO2濃度范圍內(nèi)，植物的Pn隨CO2濃度的增加而增加。圖5給出了在不同施氮量下水稻劍葉開花后14th的光合作用對不同CO2濃度的依賴關(guān)系。從結(jié)果可以看出，與光強(qiáng)－光合曲線相比，施氮對CO2－光合曲線改變比較多，隨著施氮量的增加，不同水稻品種Pn在不同濃度的CO2下均顯著增加。從CO2－光合參數(shù)可進(jìn)一步分析(表2)，表觀羧化效率(ACE)隨著氮素的增加而增加，但是N和HN下，則增加不明顯，表明在低氮下，Rubisco對CO2的羧化能力對氮素的依賴更大，很容易受到影響，CO2的飽和點(diǎn)(CSP)也隨氮素的增加而增加，其中在HN下達(dá)到最大，CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)則是水稻固有的屬性，施氮對其影響不明顯。有趣的是對于氮素雙高效的水稻類型如南粳45，南粳44，南粳5055以及南粳46，它們在高氮的條件下，CCP則顯著低于LN的處理，可見，其在高氮條件下，其光合作用具有較寬的CO2作用范圍，也是其氮高效的重要生理基礎(chǔ)。

圖5 不同施氮量下供試水稻材料劍葉在開花14th時光合－CO2響應(yīng)曲線的變化Fig.5 Changes in photosynthesis－CO2response curves in the flag leaves of different rice varieties in 14thafter flowering under the different nitrogen applications

表3 不同施氮量下不同水稻品種劍葉開花后14th的CO2－光合響應(yīng)曲線特征參數(shù)Tab.3 Parameters of rice flag leaf photosynthetic CO2response curve of eight rice varieties in 14thafter flowering under the different nitrogen applications.

2.3.2 不同氮肥下供試材料開花后35th劍葉凈光合速率對CO響應(yīng) 從圖6可以看出，與開花14th的2CO2－光合曲線相比，開花35th的則表現(xiàn)不同，在HN下Pn的優(yōu)勢均不明顯，而與MN的類似，LN的下降比較多，各品種間表現(xiàn)類似。進(jìn)一步分析光合參數(shù)(表4)，可見，與開花14th的相比，開花后羧化效率下降不多，但是Pnmax、CO2飽和點(diǎn)以及CO2補(bǔ)償點(diǎn)均明顯下降，其中在低氮和高氮下下降顯著，但中氮下，其Pnmax下降不明顯，光合參數(shù)的變化暗示此時植株已遭受逆境，但是提高CO2濃度，可以緩解植物因葉片衰老導(dǎo)致的光合能力下降，表現(xiàn)為高氮和中氮的光合參數(shù)類似，低氮的則較低。

圖6 不同施氮量下供試水稻材料劍葉在開花35th時光合－CO2響應(yīng)曲線的變化Fig.6 Changes in photosynthesis－CO2response curves in the flag leaves of different rice varieties in 35thafter flowering under the different Nitrogen applications

2.4 不同施氮量供試水稻生理參數(shù)與單株產(chǎn)量聚類分析

產(chǎn)量是對整個生育期氮素利用效率的綜合表現(xiàn)的指標(biāo)，因此，本研究結(jié)合單株產(chǎn)量，進(jìn)一步經(jīng)過WARD法聚類分析(度量標(biāo)準(zhǔn)為Euclidean距離)，以閾值為5作為聚類標(biāo)準(zhǔn)，在不同氮素下，可將供試材料分為2個類別(表5)，但未能從供試材料中鑒定出具有高光合效率和高產(chǎn)的氮素高效利用的材料類型，可見供試材料的氮素利用能力還需改良。從產(chǎn)量角度，其中在LN下，類型1為氮素利用效率略好的類型，并表現(xiàn)在開花后14 d對高光強(qiáng)和開花后35 d對高CO2的利用能力較強(qiáng)，但是在開花14 d對高CO2以及開花35 d對高光強(qiáng)利用能力則小于類型2;而在MN下，從產(chǎn)量看，類型2為氮素利用效率略好的類型，并表現(xiàn)在開花后14 d對高光強(qiáng)和開花后35 d對高CO2的利用能力較強(qiáng)，但是其他光合參數(shù)則差異不大;在HN下，從產(chǎn)量的角度，類型2為高效型，其中表現(xiàn)在開花后14 d對高光強(qiáng)和高CO2以及開花后35 d對高光強(qiáng)的利用能力較強(qiáng)，但是在開花35 d對高CO2利用能力則小于類型1，可見不同施氮量下，供試材料對光強(qiáng)的響應(yīng)能力調(diào)節(jié)作用比較明顯，而對CO2的利用能力則調(diào)控有限。值得注意的是，南粳44和南粳5055則是對LN和HN都表現(xiàn)效率較高的材料。

表4 不同施氮量下不同水稻品種劍葉開花后35th的CO2－光合響應(yīng)曲線特征參數(shù)Tab.4 Parameters of rice flag leaf photosynthetic CO2response curve of eight rice varieties in 35thafter flowering under the different Nitrogen applications.

表5 供試水稻對氮素利用能力的聯(lián)合聚類分析Tab.5 Cluster analysis to N use ability in different rice materials

3 結(jié)論與討論

水稻產(chǎn)量形成的關(guān)健時期，氮素是通過與光合作用有關(guān)酶的活化、CO2的活化及光系統(tǒng)單位和電子傳遞鏈構(gòu)成來影響和調(diào)節(jié)光合作用，從而對水稻干物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成的影響［13］。Moll等［14］認(rèn)為在低氮條件下主要是所積累的利用效率不同所致，即營養(yǎng)體氮向籽粒氮再轉(zhuǎn)移的不同;而在高氮條件下，則主要是氮吸收效率起主要作用。水稻劍葉的光合特性與植株的氮肥吸收利用效率關(guān)系密切，當(dāng)籽粒需求大量的光合產(chǎn)物供應(yīng)時，可能會促使莖蘗儲藏的物質(zhì)過早地向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)，植株上部的葉片的光合功能卻在迅速衰退，以至于作物出現(xiàn)減產(chǎn)［15］，可見水稻葉片的衰老，不僅減少光合物質(zhì)的積累，氮素吸收利用效率也隨之下降。提高劍葉水稻光合生產(chǎn)能力主要體現(xiàn)在:1)提高單位面積的光合生產(chǎn)能力(凈光合速率);2)保證葉片高光合能力的持續(xù)，即防止葉片光合功能的早衰，可見水稻的氮素利用效率不僅決定于施氮量，而且與水稻的基因型以及劍葉的發(fā)育時期有關(guān)。本文的研究發(fā)現(xiàn):隨著施氮量的增加，供試材料14th的Pnmax均增強(qiáng)。與中氮相比，在高氮下開花后14thPnmax的增幅不明顯。而與開花后14th相比，供試材料在35th的Pnmax均下降，而且低氮條件下下降更明顯，加劇了不同光強(qiáng)下中氮和高氮處理的Pn差距，而且高氮的則降低較少，可見，增施氮素有利于維持劍葉后期的光合功能穩(wěn)定，可增強(qiáng)對生育后期逆境(寒露風(fēng)等)的抵抗能力，表現(xiàn)保持光合作用穩(wěn)定［16］。但氮雙高效類型則在不同施氮量下Pn差異不大，表現(xiàn)對施氮并不敏感，表現(xiàn)在不同氮素下，表現(xiàn)類似的Pnmax，對氮肥的依賴較小，可見，選擇氮雙高效的水稻類型有利于實(shí)現(xiàn)減氮和高產(chǎn)的目標(biāo)。

CO2也是光合作用的底物之一，隨著全球氣候變暖以及人類作物生產(chǎn)對氮素的依賴，勢必使植物遭遇氮素和CO2濃度互作的影響。本文的研究表明:在開花14th，不同施氮量對供試水稻CO2－光合曲線的影響顯著大于光強(qiáng)－光合曲線，均在高CO2濃度下顯著提高了Pnmax，可進(jìn)一步發(fā)揮其最大的光合潛力;但在開花后35th，與光強(qiáng)－光合曲線相比，CO2－光合曲線則表現(xiàn)不同，雖然在不同施氮量下，雖顯著地降低了Pnmax，但是不同濃度施氮量下，供試水稻光合作用對CO2的響應(yīng)能力則變化不明顯?？紤]到本研究產(chǎn)量的結(jié)果，雖然在中氮和高氮處理下，其單株產(chǎn)量均比低氮的單株產(chǎn)量提高，但與中氮相比，高氮處理對本文的供試粳稻的增產(chǎn)效果不明顯。從不同氮素的光合作用特征曲線進(jìn)一步看出，氮雙高效類型高產(chǎn)粳稻，增施氮肥增加了前期的CO2的利用能力，而后期則增加了光強(qiáng)的利用能力，可見，結(jié)合未來大氣CO2濃度的增加趨勢和氮肥合理施用環(huán)境友好的要求，選取氮雙高效的類型，可適當(dāng)降低氮素的施用，發(fā)揮其對CO2的同化能力，可最大限度地發(fā)揮高產(chǎn)水稻的光合潛力，即可達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，這可能是其高產(chǎn)栽培需要關(guān)注的重要方面。

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