氮素及栽培密度影響水稻分蘗動態的機制

田廣麗，周 毅，孫 博，張瑞卿，周新國，郭世偉*

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇南京 210095；2 中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉 453002；3 安徽科技學院資源與環境學院，安徽鳳陽 233100；4 江蘇省農墾農業發展股份有限公司新曹分公司，江蘇東臺 224246）

分蘗是水稻個體強壯程度的重要特征[1]，也是決定作物產量的重要農藝性狀[2–3]。水稻分蘗除受自身遺傳因素的作用外,還受營養條件、溫度、光照、水分、種植密度等外界因素的影響。其中，又以氮素對分蘗的影響尤為明顯。氮素不僅是氨基酸、核糖核酸、葉綠體、ATP和植物激素的重要組成部分，同時還參與碳氮代謝、蛋白質合成等生物學過程。因而，缺氮會嚴重影響植株的正常生長，最終導致減產[4–5]。已有研究表明，氮素對水稻群體的生長，特別是分蘗的發生至關重要[6]。

在傳統栽培模式下，人們普遍通過增施氮肥來增強水稻的分蘗能力，致使我國氮肥的施用嚴重過量，利用率顯著低于世界平均水平，且對環境造成了極大的威脅[7–8]。這種現象在江蘇省尤為突出[9–11]，因而進一步探索提高稻苗分蘗能力的其他途徑尤為重要。合適的栽培密度是調控水稻分蘗的關鍵技術之一[12–13]，可促使水稻形成具有高產能力的群體。本試驗通過研究氮水平及移栽密度對水稻分蘗的主效應及其交互效應，將對水稻的實際生產有很好的理論指導和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況和試驗材料

試驗1：田間試驗于2014年5—12月在江蘇省如皋市農業科學研究所 (120.49°E、32.44°N) 的南京農業大學6年長期定位試驗田進行，供試土壤為由江淮沖積物發育而成的薄層高砂土。試驗田的地力均勻，種植制度為稻麥輪作。耕層 (0—20 cm) 土壤的基本理化性狀如下：土壤有機質11.97 g/kg、全氮1.02 g/kg、有效磷 23.96 mg/kg、速效鉀 83.53 mg/kg、pH 7.07。供試水稻品種為適宜在江蘇省沿江及蘇南地區種植的早熟晚粳稻“鎮稻11號”，分別于每年5月中旬播種育秧，6月25日前后移栽，10月底收獲。

試驗2：溶液培養試驗同時在南京農業大學溫室進行。

1.2 試驗設計

田間長期定位試驗為氮肥用量與種植密度的兩因素試驗。設置5個氮肥用量水平：0、90、180、270和 360 kg/hm2，作為主區，分別以 N0、N90、N180、N270和N360 表示。以種植密度為副區，設置2個密度水平：高密度 (High density，HD，32.5 ×104穴/hm2)，行株距為 22 cm× 14 cm；低密度 (Low density，LD，25.5 × 104穴/hm2)，行株距為 28 cm ×14 cm。共10個處理，設3個區組，隨機排列，共30 個小區，小區面積 50 m2(5 m × 10 m)。每個小區均單設進、排水口，小區間田埂用防水布覆蓋隔離防滲，且每個小區四周均設保護行。

營養液培養試驗在容積約 7 L (長 315 mm × 寬216 mm × 高 105 mm) 的周轉箱中進行：設置低、中、高，即，5、40、80 mg/kg 3 個氮濃度和高密度(24 株/箱)、低密度 (12 株/箱) 2 個栽培密度。

1.3 試驗實施方法

1.3.1 田間試驗水分管理方式 薄水移栽，寸水活棵；苗期淺水勤灌，在每公頃分蘗數達到約300萬時，進行烤田；孕穗期保持淺水層，深水抽穗揚花、抽穗1周后干濕交替灌溉，水稻成熟前7～10天斷水。氮肥、磷肥和鉀肥分別以尿素 (含N 46%)、過磷酸鈣 (含 P2O514%) 和氯化鉀 (含 K2O 60%) 的形式施用。其中，氮肥分 4 次施用，即，基肥∶分蘗肥∶促花肥∶?；ǚ?= 4∶2∶2∶2；磷肥 (P2O5) 用量為 75 kg/hm2，于移栽前1天一次性施入；鉀肥 (K2O) 用量為90 kg/hm2，按基肥∶促花肥為2∶1的比例施用。在插秧的前1天施基肥，插秧后7～10天施分蘗肥，促花肥在倒四葉時施入，?；ǚ试诘苟~時施入。病蟲草害管理根據當地水稻病蟲害防治常規方法進行。

1.3.2 營養液培養試驗 水稻種子用 10% H2O2溶液消毒30 min后，9中，培養至兩葉一心，再選取長勢一致的健壯幼苗移栽到周轉箱中，培養30 d后收獲。營養液采用國際水稻所 (IRRI)建議的修正營養液 (pH5.7)[14]，其中 Fe2+用 Fe (EDTANa2) 代替，營養液中 K+、Na+、Ca2+、Mg2+的濃度保持不變。在培養過程中，每3 d更換1次營養液。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 田間試驗 水稻移栽后施分蘗肥的前1天進行第一次取樣，之后每10天取1次樣。每次取樣時，在每個小區選取長勢一致的3穴植株，分葉、莖鞘兩部分，先用自來水將植株沖洗干凈，然后去離子水沖洗，于105℃殺青30 min，75℃烘至恒重。冷卻后，稱重各器官重量，并根據取樣穴數，分別計算每平方米種植面積的水稻各器官的重量，用于計算養分的總累積量。使用高速萬能不銹鋼粉碎機將樣品粉碎，用于養分含量測定。

采用 Vario EL Ⅲ元素分析儀 (德國 Elementar公司) 測定植株全氮、全碳；

采用LAI-2200(美國LI-COR公司) 植物冠層分析儀測定水稻的LAI、PAR。

相對分蘗速率 (tiller/d) = [ln (N2) – ln (N1)] /(T2– T1)式中：N2和N1分別是時間T2和T1時每平方米的分蘗數。

相對生長速率 [g/(g?d)] = [ln (W2) – ln (W1)]/(T2– T1)式中：W2和W1分別是時間T2時和時間T1時的生物量。

1.4.2 溶液培養試驗 移栽后每隔 7 d 取1次樣，每次取樣時，每個處理選取長勢一致的3株植株，用自來水沖洗干凈，將其從根基部剪下，均勻散鋪在掃描盤中，采用根系掃描儀 (Epson Expression 10000XL，USA) 進行掃描，利用圖像分析軟件(WinRHIZO，Canada) 對掃描結果進行定量化分析；同時人工計數每株苗的不定根數。

1.5 數據處理與分析

數據采用 SigmaPlot 12.5、Spss 16.0、Microsoft Office Excel 2010、Photoshop 等軟件進行作圖、分析、統計，所有數據運用LSD法進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 氮水平及栽培密度對水稻分蘗和成穗率的影響

圖1 氮水平及栽培密度對水稻分蘗動態的影響Fig.1 The effect of N level and transplant density on the dynamic of tillering

由圖1可知，隨分蘗的持續，各處理下單位面積的水稻分蘗數均呈先增加后下降的趨勢。水稻在5個氮水平下的最大分蘗數分別達每平方米184個、295個、360個、365個、382個，隨氮水平的增加而增加，但增幅逐漸降低。高栽培密度 (HD) 下單位面積的水稻分蘗數始終明顯大于低栽培密度 (LD)，而HD下單穴水稻分蘗數則始終小于LD (圖1)。5個氮水平下，水稻的有效分蘗數分別為163、257、290、293、285 個/m2，氮水平低于 180 kg/hm2時，各氮水平下有效分蘗數存在顯著差異。且氮水平大于180 kg/hm2時，單位面積的水稻有效分蘗達最高水平。當氮水平低于180 kg/hm2時，在HD下，單位面積的水稻有效分蘗數明顯大于LD，而當氮水平高于180 kg/hm2時，HD和LD下單位面積的水稻有效分蘗數無明顯差異。進一步分析發現，隨氮水平的升高，水稻的成穗率呈下降趨勢，其成穗率分別為88.6%、87.1%、80.6%、80.3%、74.6%。

2.2 水稻鞘氮、碳濃度及碳氮比對水稻相對分蘗速率的影響

水稻植株體內的養分含量是影響其分蘗的主要因素。隨氮水平增加水稻鞘的氮濃度增加 (圖2A)，從N0到N360，氮水平間水稻鞘的氮濃度間均存在顯著的差異，其氮濃度從2.1%升高至3.3%，且分析表明水稻鞘的氮濃度與水稻的相對分蘗速率存在極顯著的正相關關系 (表3)。但是，兩種栽培密度間水稻鞘的氮濃度無顯著差異。

碳素是水稻干物質的主要組成元素之一。然而水稻鞘的碳濃度不受氮水平及栽培密度的影響 (圖2B)，各處理下水稻鞘的碳濃度均無顯著差異，且水稻鞘碳濃度與其相對分蘗速率間無顯著的相關關系 (表3)。但是，由圖2C可知，隨氮水平的增加，水稻鞘的碳氮比從18.1降低至11.8，且兩個栽培密度間無顯著的差異。分析表明，水稻的相對分蘗速率與其鞘的碳氮比呈極顯著的負相關關系 (表3)。由于不同氮水平處理間水稻鞘碳濃度差異不大，碳氮比差異主要是由其氮濃度差異所致，因此，水稻鞘的碳氮比是否確實能影響水稻的相對分蘗速率有待進一步的研究。

圖2 水稻葉鞘氮、碳濃度、葉鞘干物質分配、群體冠層凈光截獲率Fig.2 Sheath nitrogen (N) and carbon (C) concentration, biomass distribution of leaf and sheath, and canopy net light interception rate of rice

2.3 氮水平及栽培密度對水稻相對分蘗速率及干物質生產與分配的影響

進一步分析各處理下的分蘗動態可發現，隨氮水平的升高，水稻達到有效分蘗所需時間變長，且HD下達到有效分蘗的時間總體上少于LD下。由表1可知，隨氮水平的增加，水稻的相對分蘗速率從0.46 tiller/d升高至0.64 tiller/d。在HD下，當氮水平為180 kg/hm2時，水稻的相對分蘗速率達最高水平；而在LD下，當氮水平為90 kg/hm2時，水稻的相對分蘗速率達最高水平。說明在不同的栽培密度下，氮水平對水稻的相對分蘗速率的影響存在一定的差異。由表1可知，水稻葉、鞘的相對生長速率隨氮水平的升高而加快，且以LD下各處理總體高于HD各處理，但兩密度間無顯著差異。具體表現為：在HD和LD下，水稻葉的平均相對生長速率分別為 0.1116、0.1136 g/(g?d)，而鞘的平均相對生長速率分別為 0.1106、0.1134 g/(g?d)。同時，表3表明，在水稻分蘗時，植株葉、鞘的相對生長速率都與其相對分蘗速率呈顯著正相關關系 (P＜0.05)。因此，氮水平通過影響單穴 (個體) 植株的生長速率進而影響了水稻的相對分蘗速率。

此外，水稻的相對分蘗速率與其干物質向葉的分配比例也存在極顯著的正相關關系 (表3)。由圖2D可知，氮水平低于180 kg/hm2時，隨氮水平升高，水稻干物質向葉片的分配比例從0.47升高至0.51；但是，在HD和LD下，相同氮水平處理下的水稻干物質向葉片的分配比例沒有明顯差異。

表1 氮水平及栽培密度對水稻分蘗中期相對分蘗速率及相對生長速率的影響Table1 The effect of N level and transplant density on relative tiller rate at middle-tillering stage

表2 不同氮及栽培密度苗期單株水稻根系形態參數Table2 Root morphology parameters of individual rice seedling affected by N levels and transplant densities

表3 葉片生長及根系特征相關系數 (r)Table3 Correlation coefficients (r) between leaf development and root characteristics of rice

2.4 水稻冠層凈光截獲率對水稻相對分蘗速率的影響

圖2E表明，在分蘗中期，水稻冠層凈光截獲率(PAR) 隨氮水平的增加而增加，且HD凈光截獲率顯著高于LD。在HD下，當氮水平為N180 kg/hm2時，水稻冠層的PAR約為43%，當氮水平大于180 kg/hm2時，水稻冠層的PAR增幅明顯降低；在LD下時，隨氮水平的升高，水稻冠層的PAR持續增加，從15%增加至35%。這說明，栽培密度明顯影響了水稻冠層的PAR。此外，由圖2E和表3可以看出，在HD和LD兩個栽培密度下，水稻冠層的PAR與其相對分蘗速率呈顯著的正相關關系。

2.5 不同氮水平及栽培密度對水稻苗期根系形態的影響

對苗期水稻根系的分析結果表明 (表2)，隨氮濃度的增加，單株的不定根數增加，且在較高氮水平時LD下單株的不定根數顯著大于HD下；并且HD和LD下，單株根系形態特征存在顯著差異，具體表現為：HD和LD處理的平均根總長分別為3539、5254 cm/株，平均根表面積分別為 331、464 cm2/株，平均根直徑分別為0.86 mm、1.07 mm，平均根系總體積分別為2.69、3.87 cm3/株，平均根尖數分別為3.07 × 104/株、5.00 × 104/株；然而，由于單個周轉箱HD下水稻的移栽數是LD下的兩倍，因此從整體來看，HD下群體的根系要明顯優于LD下。

3 討論與結論

分蘗是與水稻群體質量和籽粒產量密切相關的農藝性狀[1,15]，由莖鞘基部的蘗芽發育而成，是一個可以調節的動態過程[16]。氮水平和栽培密度是影響水稻分蘗動態的兩個最主要的因素[17–18]。馮來定等[19]研究表明，水稻的分蘗數與土壤NH4+含量呈顯著的正相關關系，而栽培密度也是協調水稻群體的關鍵生產技術之一，但是，關于氮水平和栽培密度對水稻分蘗產生的研究卻少見。本研究分別從水稻分蘗期的干物質生產、干物質分配、植株體內的養分含量、水稻群體冠層對光的截獲及水稻根系的形態差異，綜合解釋氮水平及栽培密度的交互作用對水稻分蘗能力的影響。

3.1 水稻鞘養分濃度對其分蘗能力的影響

在本試驗中，水稻的相對分蘗速率與其鞘氮濃度、碳濃度、碳氮比之間分別呈極顯著正相關關系、無相關關系、顯著負相關關系。相關研究表明，莖鞘氮濃度的增加，一方面使水稻蘗芽或莖鞘基部的玉米素和植物生長素的含量增加，脫落酸的含量降低，進而促使水稻的蘗芽從休眠狀態中釋放得以生長[20–21]；另一方面，植株體內較高的氮素含量可促進其光合產物的合成，進而為分蘗的生長提供足夠的同化物，因此，植株體內的氮濃度可從激素和干物質生產兩個方面調控分蘗的發生和生長。由于水稻鞘的碳氮比差異是由鞘氮濃度的差異引起的，并且有關水稻植株碳氮比對其分蘗影響的相關報道甚少，因此，鞘碳氮比與水稻相對分蘗速率關聯的生理依據尚有待進一步研究。在相同氮水平下，由于HD的基礎苗較多，因此，可更早更快地達到群體最大葉面積，進而造成水稻基部光強和光質的差異[22–24]；此外，栽培密度能直接影響水稻主莖與其分蘗對養分吸收和空間利用的競爭關系[25]，即莖鞘氮濃度與植株葉面積兩者相互依賴，進而影響著水稻的分蘗動態[17]。此現象在本研究中表現為：在HD下，氮水平大于N180時，水稻單位面積分蘗的增加幅度明顯變小或有下降趨勢，而在LD下，當氮水平大于N270時才明顯降低。

3.2 干物質生產能力對水稻分蘗能力的影響

Lafarge等[26]對高粱的研究表明，同化物供給充足時便會有分蘗的發生和生長，而當同化物的供給不足時分蘗的發生將停止或已發生的分蘗將死亡。在本試驗中，隨氮水平的增加，水稻葉片氮濃度增加，提高了植株的光合速率，加快了干物質的生產速率[27]，葉和鞘的相對生長速率逐漸增加，而水稻分蘗中期的相對分蘗速率與其葉、鞘的相對生長速率均存在顯著的正相關關系。此外，隨氮水平的增加，LD下葉和鞘的相對生長速率普遍大于HD下。氮水平相同時，HD和LD下植株的氮濃度無差異，因此，兩者的光合速率無差異；但LD下單穴水稻對光的截獲大于HD下，因此，LD下單穴水稻的干物質生產能力大于HD下，相對生長速率快，進而具有較大的相對分蘗速率和較強的分蘗能力。另外，隨氮水平的增加，干物質向葉片的分配比例增大，因而，隨氮水平的增加，水稻群體的葉面積指數和光能的利用率增高，干物質的生產速率增加[27–28]，進而使水稻獲得了較充足的干物質供其分蘗的發生和生長。

3.3 凈光截獲率對水稻分蘗能力的影響

光能的利用是影響水稻生長的重要因素，由圖2E、表3可知，HD和LD下的凈光截獲率存在顯著差異，此時HD和LD下的平均PAR分別是39%、26%，說明兩個栽培密度下水稻分蘗期對光能的利用存在顯著差異。這可能是因為群體未完成建立時，植株尚未封行，水稻群體的葉面積指數隨栽培密度的增加而增加[29]，并將進一步從干物質的生產和水稻基部光強、光質兩方面對水稻群體的分蘗產生影響。

3.4 水稻根系特征對其分蘗能力的影響

根系是植物獲取養分、水分、合成各種激素、有機酸、氨基酸及支撐植物的重要部位[30]。根系形態和生理特性與地上部的生長和發育密切相關[31–33]。Li[34]研究表明，水稻的蘗長在主莖上，依賴于屬于自身的不定根總根長。在本試驗中，水稻單株分蘗數與其不定根數呈極顯著正相關關系；且HD下群體不定根數、根長等明顯優于LD下。因此，兩個栽培密度下根系特征的差異可以從一定程度上解釋單穴(個體) 水稻的分蘗能力的差異。

綜上所述，氮水平及栽培密度通過影響水稻干物質的生產能力、干物質的分配比例、植株體內氮素濃度、群體冠層對光能的利用及根系的生長發育，影響水稻的分蘗能力。所有指標均表明，相同氮水平時，低栽培密度下個體生長優于高栽培密度下；但對于群體而言，高栽培密度下更利于高產水稻群體的建立，且需氮水平低于低栽培密度下。