干濕交替灌溉與施氮量對水稻葉片光合性狀的耦合效應

徐國偉，陸大克，王賀正，陳明燦，李友軍

（1 河南科技大學農學院，河南洛陽 471003；2 揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇揚州 225009）

干濕交替灌溉與施氮量對水稻葉片光合性狀的耦合效應

徐國偉1,2，陸大克1，王賀正1，陳明燦1，李友軍1

（1 河南科技大學農學院，河南洛陽 471003；2 揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇揚州 225009）

【目的】探討干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻光合性狀及其效應的影響，從光合源及光合質方面闡明不同水氮組合處理在光合性狀上的差異。【方法】以新稻20為材料進行土培試驗，設置淺水層灌溉 (0 kPa)、輕度干濕交替灌溉 (–20 kPa) 和重度干濕交替灌溉 (–40 kPa) 3種灌溉方式及不施氮 (N0)、中氮 (MN, 240 kg/hm2)和高氮 (HN, 360 kg/hm2) 3種氮水平，研究不同水氮耦合處理對水稻產量、葉片葉綠素含量、葉面積指數、葉片氮含量、凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潛在活性和最大光化學效率的影響。【結果】灌溉方式與施氮量存在顯著的互作效應，輕度干濕交替灌溉增加了主要生育期葉片葉綠素含量、氮含量、凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潛在活性和最大光化學效率，提高抽穗后群體葉面積指數，且與MN耦合后產量最高，為本試驗最佳的水氮耦合運籌模式；重度干濕交替灌溉則顯著降低主要生育期葉片葉綠素含量、葉片氮含量、葉面積指數、凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潛在活性和最大光化學效率；在同一灌溉方式下，中氮處理提高葉片凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潛在活性和最大光化學效率，有利于穗后葉片葉綠素含量及葉面積指數提高，重施氮肥反而降低葉片光合及熒光效率。水稻葉片葉面積指數、光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率與產量均呈顯著或極顯著的正相關關系。水稻主要生育期光合性狀指標的供氮效應均為正效應，輕度干濕交替灌溉下主要生育期葉片葉綠素含量、氮含量、凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潛在活性和最大光化學效率的供水效應及耦合效應均為正效應，而重度干濕交替灌溉的控水及耦合效應則為負效應。【結論】輕度干濕交替灌溉耦合中氮處理水稻葉片凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潛在活性和最大光化學效率提高，有利于穗后葉片葉綠素含量及葉面積指數形成，表明通過適宜的肥水調控發揮水氮耦合效應，可以創造良好的光合性狀，提高水稻光合生產能力，從而促進水稻高產。

水稻；干濕交替；水氮耦合；光合性狀；葉綠素熒光

水稻在中國具有重要的地位，是主要糧食作物[1]。目前以高投入為手段的栽培管理方式已成為提升我國糧食生產能力的重要途徑[2–3]。過高的氮肥投入及不合理的灌溉方式已經給生態環境帶來巨大的風險[3–5]。干濕交替灌溉是目前在生產中應用最為廣泛的節水新技術，在我國和孟加拉國、印度、越南等東亞國家都得到了大面積推廣與應用，取得了顯著的效果[6–8]。水氮耦合是指水分和氮肥這兩個因子融為一體，相互作用、共同影響作物生長發育、產量品質形成過程及氮肥利用效率的現象[9]。前人圍繞水氮耦合對作物生長進行了廣泛而又深入的研究，提出了“以肥調水、以水促肥”的觀點，但較多集中在旱地作物上，而對干濕交替灌溉耦合施氮量下水稻生長缺乏深入研究。

作物產量的90%以上直接或間接來自光合同化物，光合作用是作物經濟產量和生物產量形成的基礎[10–11]。葉片作為光合作用的主要器官對作物產量的形成、作物的生長發育及光能的高效利用等方面起著十分重要的作用[12–13]。葉片的光合性能主要由光合面積大小、光合功能期長短及光合速率的高低決定[14–15]。長期以來，國內外學者就土壤含水量、灌水方式、肥料形態、肥料使用量及施用方法等對作物光合作用的機理及其調控途徑等方面做了大量工作[16–21]，但有關葉片光合性能與作物產量的關系，存在著不同的研究結論[14,22–23]。劇成欣等[14]研究認為，水稻籽粒產量與全生育期總光合勢、最大葉面積指數及抽穗期劍葉光合速率呈極顯著正相關，而唐文邦等[22]研究17份水稻品種 (組合) 的光合速率、功能葉葉面積與產量構成因素的相關關系，認為功能葉的葉面積及光合速率與水稻千粒質量呈負相關，光合速率與單穗質量相關不顯著。同時前人對水稻光合性能的研究較多集中在單因素效應上，有關雙因子效應的研究仍然不夠深入。本試驗通過對水分的動態控制，研究整個生育期不同水氮條件對水稻光合特性的影響及其與產量之間的關系，以此探索水氮耦合機理，為水稻高產提供理論及科學依據。

1 材料和方法

1.1 材料與試驗點概況

試驗于2014～2015年在河南科技大學試驗農場進行，供試品種為新稻20。試驗地氣候屬溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫12.1～14.6℃，年降水量600 mm，年輻射量491.5 kJ/cm2，年日照時數2300～2600 h，無霜期215～219 d。采用防雨棚池栽方式，每個池長9 m、寬2.0 m、深0.4 m。土培池土質為黏壤土，土壤含有機質14.2 g/kg、堿解氮75.3 mg/kg、有效磷4.9 mg/kg、速效鉀120.9 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用灌水方式和氮肥水平兩因素隨機試驗。設置3種土壤水勢處理：全生育期淺水層灌溉 (對照，0 kPa，分蘗末期進行輕度擱田)；輕度水分脅迫 (水層→自然落干至土壤水勢 –20 kPa→淺水層→自然落干至土壤水勢 –20 kPa，活棵后如此循環) ；重度水分脅迫 (水層→自然落干至土壤水勢 –40 kPa→淺水層→自然落干至土壤水勢 –40 kPa，活棵后如此循環)。土培池內安裝真空表式負壓計 (中國科學院南京土壤研究所生產) 監測土壤水勢，將其陶土頭底部置15 cm土層處。氮肥設3個水平，即不施氮肥，中氮 (normal nitrogen, MN, 240 kg/hm2，以N計，下同) 和高氮 (high nitrogen, HN, 360 kg/hm2)，氮肥運籌按照4∶1∶5于移栽前1 d、移栽后7 d和穗分化期施用。各處理一致于移栽前施用過磷酸鈣 (含P2O513.5%) 300 kg/hm2和氯化鉀 (含K2O 52%) 195 kg/hm2。大田育秧，5月10日播種，6月12日移栽至土培池，10月20日收獲，株行距為20 cm × 20 cm，每穴2苗，每個處理均重復3次。全生育期嚴格控制病蟲草害。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻葉片葉綠素含量 分別于分蘗中期、穗分化期、抽穗期和成熟期，選擇生長一致的水稻葉片5片 (抽穗前測定心葉以下1葉，抽穗后測定劍葉)，用丙酮、無水乙醇等量混合液提取法測定[24]。

1.3.2 水稻葉片氮含量 分別于分蘗中期、穗分化期、抽穗期和成熟期，選擇生長一致的水稻葉片5片 (抽穗前測定心葉以下1葉，抽穗后測定劍葉)。采用H2SO4–H2O2消煮，凱氏法測全氮[24]。

1.3.3 水稻葉面積指數 分別于分蘗中期、穗分化期、抽穗期和成熟期，取各處理代表性植株6穴的所有綠葉，用葉面積測定儀測定葉面積，計算葉面積指數。

1.3.4 光合速率測定與光合氮素利用效率計算 分別于分蘗盛期和抽穗期 (抽穗前測定心葉以下1葉，抽穗后測定劍葉)，選取生長一致的葉片于晴天的9：00～11：00時測定凈光合速率，用LI-6400光合測定儀 (美國LI-COR公司) 測定，每處理測定10張葉片，每次測定均為同一葉片的中部。

光合氮素利用效率=光合速率/單位面積葉片氮素含量[14]

1.3.5 熒光動力學參數 分別于分蘗盛期和抽穗期(抽穗前測定心葉以下1葉，抽穗后測定劍葉)，選取生長一致的葉片于晴天的9：00～11：00時用英國Hansatech公司生產的FMS2脈沖調制式熒光儀測定光適應下最大熒光 (Fm)、光適應下的穩態熒光 (Fs) 和暗適應30 min后的最大熒光(Fm)、初始熒光 (Fo)。計算PSⅡ的潛在活性 (Fv/Fo) 和最大光化學效率(Fv/Fm)。計算公式：Fv/Fo= (Fm–Fo)/Fo；Fv/Fm= (Fm–Fo)/Fm

1.3.6 產量及穗部性狀考查 成熟期取各處理2個5穴用于考種，考查單位面積的穗數、每穗粒數、結實率和千粒質量。取2 m2實收計產。

1.3.7 各因素效應的計算公式[25–26]

供氮效應 = [(土壤水分脅迫與氮肥處理 – 土壤水分脅迫與無氮肥處理) + (正常水分與氮肥處理 – 正常水分與無氮肥處理)]/2

控水效應 = [(土壤水分脅迫與氮肥處理 – 正常水分與氮肥處理) + (土壤水分脅迫與無氮肥處理 – 正常水分與無氮肥處理)]/2

耦合效應 = [(土壤水分脅迫與氮肥處理 – 正常水分與無氮肥處理) – (正常水分與氮肥處理 – 正常水分與無氮肥處理) – (土壤水分脅迫與無氮肥處理 – 正常水分與無氮肥處理)]/2

1.4 數據處理與分析

用 SAS/STAT (version 6.12，SAS Institute，Cary，NC，USA) 進行數據方差分析，SigmaPlot 10.0繪制圖表。因兩年的試驗結果趨勢一致，故本文光合性狀主要取兩年的平均值表示。

2 結果與分析

2.1 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻產量及產量構成因素的影響

不同水氮耦合對水稻產量及產量構成的影響不一 (表1)。在同一土壤水分條件下，隨著施氮量的增加，水稻產量顯著增加。中氮條件下新稻20的產量最高，繼續增施氮肥并不能明顯提高水稻產量，特別是重度水分脅迫下HN處理產量降低15.3% (2014年)，說明其加劇土壤干旱程度，抑制“以肥調水”的效果；在同一施氮量下，輕度水分脅迫則增加水稻產量，但與對照保持水層無明顯性差異，而重度水分下水稻產量顯著降低，平均降低29.3% (2014年)。從水氮耦合來看，適量施氮與輕度水分耦合下新稻20產量最高。

從產量構成因子上分析，在同一土壤水分條件下，隨著施氮量的提高，單位面積穗數及每穗粒數(重度水分脅迫除外) 明顯增加，結實率則顯著性降低，千粒重則在中氮下最高；在同一施氮量下，輕度水分脅迫顯著增加結實率與千粒重，結實率增加了3.4～4.4個百分點(2014年)，千粒重平均增加0.7 g(2014年)，雖然輕度水分脅迫后單位面積穗數及粒數有所降低，但結實率、千粒重增加能夠彌補穗粒數減少之失，因而產量有所增加；重度水分脅迫降低單位面積穗數、每穗粒數、結實率及千粒重，因而產量顯著性下降，說明不同水分脅迫對水稻產量影響巨大。

表1 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻產量及產量構成因素的影響Table 1 Rice yield and its components in whole growing period affected by irrigation mode and N rate combination

2.2 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻葉片葉綠素氮含量、氮含量及效應的影響

不同生育時期水稻葉片葉綠素含量明顯不同 (表2)。隨著水稻生長發育的進程，葉綠素含量先增加后降低，成熟期最低。在同一水分處理下，隨著施氮量增加，葉片的葉綠素含量顯著提高，如抽穗期，與不施氮肥對照相比，MN和HN處理分別增加了35.6%和52.5%；在同一氮肥水平下，與保持水層相比較，輕干濕交替灌溉葉綠素含量有所提高，但與對照無明顯差異，而重干濕交替灌溉則顯著降低葉綠素含量，如抽穗期，與對照保持水層相比，重干濕交替灌溉葉綠素含量分別較對照降低13.9%(N0)、12.6% (MN) 及13.2% (HN)；在水氮耦合條件下，HN(–20 kPa) 處理葉片葉綠素含量最高。不同生育期葉片氮含量 (表3) 的變化與葉綠素含量變化趨于一致。

新稻20葉片葉綠素與氮含量的供氮效應均表現為正效應 (表4、表5)，并且隨著施氮量的提高，供氮效應顯著增加，說明增施氮肥有助于水稻葉片氮及葉綠素含量的提高；輕度干濕交替灌溉的控水效應為正效應，說明其促進葉綠素及氮含量的增加，而重度干濕交替灌溉的控水效應則為負效應，說明其抑制葉綠素的形成，降低葉片氮含量，不同的氮肥水平間表現一致；水氮耦合效應方面：輕度干濕交替灌溉表現為正效應，而重度干濕交替灌溉則整體表現為負效應，說明適宜的水氮耦合有利于葉片葉綠素含量的提高及氮含量的增加。

注（Note）：N0—不施氮肥 No nitrogen applied; MN—N 240 kg/hm2; HN—N 360 kg/hm2; 處理項括號內數字代表水分脅迫程度 Digitals inside brackets in the treatment column represent water stress extent; 同列數據不同字母表示處理間在 0.05 水平上差異顯著 Values within the same column followed by different letters are significantly different at P ＜ 0.05.

表3 不同灌溉模式與施氮量耦合水稻生育期葉片氮含量 (mg/kg)Table 3 Chlorophyll content of rice leaves in the growing periods affected by combination of irrigation mode and nitrogen application rate

表4 干濕交替灌溉與施氮量耦合水稻生育期葉片葉綠素效應Table 4 Chlorophyll contents of rice leaves in the whole growing period affected by combination of irrigation mode and nitrogen application rate

表5 干濕交替灌溉與施氮量耦合水稻生育期葉片氮含量效應Table 5 Nitrogen contents of leaves in the whole growing period affected by combination of irrigation mode and nitrogen application rate

2.3 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻葉面積指數（LAI）及耦合效應的影響

LAI在不同生育時期存在一定的差異，由表6可知，總體呈先增加后降低的趨勢，在抽穗期葉面積指數達到峰值，成熟期最小。在同一水分處理下，隨著施氮量增加，水稻葉面積指數明顯增大，如幼穗分化始期，與對照不施氮肥相比，MN和HN處理分別較對照增加117.2%、163.2%；在同一氮肥水平下，與保持水層相比較，輕干濕交替灌溉葉面積指數與對照無明顯差異，而重干濕交替灌溉則顯著降低葉面積指數，如抽穗期，與對照保持水層相比，重干濕交替灌溉LAI分別較對照降低10.1%(N0)、19.4% (MN) 及26.9% (HN)；在水氮耦合條件下，HN (–20 kPa) 處理幼穗分化后LAI最大。

新稻20葉面積指數的供氮效應均表現為正效應(表7)，并且隨著施氮量的增加，供氮效應越明顯，說明增施氮肥有助于地上部葉片的生長，提高地上部葉面積指數；重度干濕交替灌溉的控水效應則為負效應，說明其抑制地上部葉片的生長，不同的氮肥水平間表現一致，而輕度干濕交替灌溉的控水效應在不同氮肥處理間表現不一，在高氮處理下，輕度水分處理控水效應在幼穗分化后為正效應，說明適度水分脅迫能夠塑造良好的株型；耦合效應方面：輕度干濕交替灌溉表現為正效應，而重度干濕交替灌溉則表現為負效應，說明適宜的水氮耦合有利于葉面積指數的提高。

2.4 干濕交替灌溉與施氮量耦合下水稻光合速率變化、光合氮素利用率及耦合效應分析

不同水氮處理對新稻20光合速率大小的影響不一 (圖1)。在同一氮肥水平下，輕度水分脅迫后新稻20光合速率有所增加，而重度水分脅迫則明顯降低光合速率，平均降低11.8% (分蘗盛期) 與14.5%(抽穗期)；在同一灌水方式下，增施氮肥明顯提高葉片光合速率。與MN處理相比，在保持水層及輕度水分脅迫下HN處理光合速率無明顯差異，而在重度水分脅迫下，HN處理葉片光合速率則明顯降低，說明重度水分脅迫下過量施氮會降低葉片光合速率，兩個時期保持一致。在水氮耦合條件下，輕度干濕交替灌溉耦合中氮處理葉片光合速率最高。

不同水氮處理對水稻光合氮素利用效率的影響不一 (圖2)。在同一氮肥水平下，輕度水分脅迫后新稻20光合氮素利用效率有所增加，平均增加12.2%(分蘗盛期) 與11.8% (抽穗期)，而重度水分脅迫后光合氮素利用率則有所降低；在同一灌水方式下，增施氮肥明顯提高葉片光合氮素利用率。與MN處理相比，HN處理葉片光合氮素利用率則有所降低，說明重施氮肥并不能顯著提高光合氮素利用率，兩個時期保持一致。在水氮耦合條件下，輕度干濕交替灌溉耦合中氮處理葉片光合氮素利用率最高。

表6 水稻生育期干濕交替灌溉與施氮量耦合對葉面積指數的影響Table 6 LAI of rice leaves in whole growing period affected by combination of irrigation mode and nitrogen application rate

表7 干濕交替灌溉與施氮量耦合水稻生育期葉面積指數效應Table 7 LAI of rice leaves in whole growing period affected by combination of irrigation mode and N rate

圖1 不同施氮量下干濕交替灌溉對水稻分蘗盛期及抽穗期光合速率的影響Fig. 1 Effect of water and nitrogen coupling on leaf photosynthetic rates at the mid-tillering and heading stages

圖2 不同施氮量下干濕交替灌溉對水稻分蘗中期及抽穗期光合氮素利用效率的影響Fig. 2 Leaf photosynthetic nitrogen utilization efficiencies (PNUE) at mid-tillering and heading stages under different irrigation mode and N rate

由表8分析可知，新稻20光合速率的供氮效應表現為正效應，說明施用氮肥可以提高葉片凈光合，進一步觀察發現：與MN處理相比，HN處理下葉片的光合速率的供氮效應較低，如：抽穗期葉片的光合速率在高氮下的供氮效應僅為中氮處理的77.9% (–20 kPa) 及 72.6% (–40 kPa)，說明重施氮肥并不能顯著的增加葉片的光合速率；輕度干濕交替灌溉控水效應為正效應，說明其促進葉片的光合速率的增加，而重度干濕交替灌溉的控水效應則為負效應，說明其抑制葉片光合速率的提高，不同的氮肥水平間表現一致；耦合效應方面：輕度干濕交替灌溉表現為正效應，而重度干濕交替灌溉則表現為負效應，說明適宜的水氮耦合能夠促進新稻20光合速率的提高。

2.5 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻葉片潛在活力 (Fv/Fo)及最大光學效率 (Fv/Fm)的影響

在同一氮肥水平下 (圖3)，輕度水分脅迫后新稻20葉片PSⅡ潛在活力 (Fv/Fo) 有所增加，而重度水分脅迫則明顯降低葉片潛在活力，平均降低13.3%(分蘗盛期) 與5.2% (抽穗期)；在同一灌水方式下，增施氮肥明顯提高葉片PSⅡ潛在活力。與MN處理相比，在保持水層及輕度水分脅迫下HN處理PSⅡ潛在活力無明顯差異，而在重度水分脅迫下，HN處理葉片潛在活力則明顯降低，分別降低7.7%(分蘗盛期) 與7.5% (抽穗期)，說明重度水分脅迫下過量施氮會降低PSⅡ潛在活力，兩個時期保持一致。在水氮耦合條件下，輕度干濕交替灌溉耦合中氮處理PSⅡ潛在活力最高。

表8 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻光合效應的影響Table 8 Wetting and drying alternative irrigation coupling with nitrogen application on photosynthetic

圖3 不同施氮量下干濕交替灌溉對葉片Fv/Fo、Fv/Fm的影響Fig. 3 Fv/Fo and Fv/Fm affected by irrigation mode and N rate combination

由圖3可知，在同一氮肥水平下，與保持水層灌溉相比，輕度水分脅迫下可以促進最大光化學效率的提高，如在分蘗中期，與保持水層相比，輕度水分脅迫下葉片Fv/Fm升高了2.70%～5.19%，而重度水分脅迫下Fv/Fm降低，高氮條件下降低幅度較大，達到了7.79%，兩個時期表現一致；在同一灌溉方式下，增施氮肥明顯提高葉片最大光化學效率。與MN處理相比，在保持水層及輕度水分脅迫下HN處理最大光化學效率無明顯差異，而在重度水分脅迫下，HN處理葉片最大光化學效率則明顯降低，分別降低6.58% (分蘗中期) 與7.69% (抽穗期)，說明重度水分脅迫下過量施氮會降低葉片最大光化學效率，兩個時期保持一致。在水氮耦合條件下，輕度干濕交替灌溉耦合中氮處理葉片最大光化學效率最高。

由表9可知，新稻20 PSⅡ潛在活力及最大光化學效率的供氮效應均表現為正效應，說明施用氮肥可以提高葉片光化學效率及活力，重施氮肥后葉片的光化學效率的供氮效應反而降低，如抽穗期Fv/F0在高氮下的供氮效應僅為中氮處理的75.0%(–20 kPa) 及 44.9% (–40 kPa)，說明重施氮肥并不能顯著的增加光化學效率及PSⅡ潛在活力。輕度干濕交替灌溉控水效應為正效應，說明其促進葉片光化學效率的增加及PSⅡ潛在活力提高，而重度干濕交替灌溉的控水效應則為負效應，說明其抑制光化學效率的提高及PSⅡ潛在活力的增加，不同的氮肥水平間表現一致。在耦合效應方面，輕度干濕交替灌溉表現為正效應，而重度干濕交替灌溉則表現為負效應，說明適宜的水氮耦合能夠促進新稻20 PSⅡ潛在活力及光化學效率的提高。

2.6 葉片光合性狀與產量的相關性

水稻葉片光合性狀 (葉綠素含量、葉片氮含量、LAI、光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率) 與產量存在一定的相關關系 (表10)。葉片葉面積指數、光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率與產量均呈顯著或極顯著的正相關關系 (r= 0.685*～0.975**)，說明提高葉片光合性能有利于增加水稻產量。

表9 全生育期水氮耦合對水稻葉片葉綠素熒光效應的影響Table 9 Fv/F0 in whole growing period under different irrigation mode and nitrogen rate combination

表10 不同生育期葉片光合性狀與產量的相關關系（r）Table 10 Correlation coefficients of yield with leaf photosynthetic characteristics at different growth stages

3 討論

3.1 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻光合性能的影響

作物光合生產力的大小主要取決于光合功能期長短及光合速率的高低[14–15]，促進光合生產力的提高，有利于光能的高效利用，作物光合性能的高低與地上部生長發育的關系一直是研究的熱點。干濕交替灌溉與施氮量耦合下水稻光合性能有何變化？水氮之間是否耦合及耦合效應怎樣？前人對此研究較少。本研究結果表明，主要生育期輕度干濕交替灌溉下水稻光合源 (葉面積、葉片氮及葉綠素含量等) 與保持水層相比差異較小，但光合質 (葉片光合速率、光合氮素利用率、葉綠素熒光參數等) 得到明顯的改善，提高了花后光合生產能力，最終表現為結實率及千粒重的明顯提高。究其原因可能與土壤含氧量有關。輕度干濕交替灌溉下土壤通透性得到改善，根際氧氣濃度增加，能夠降低還原性有毒物質對根系細胞的傷害程度，有利于根系的生長及功能的改善[27]，輕度干濕交替灌溉能夠促進根系向下層土壤生長，提高根系吸收及同化養分的能力，有利于地上部的生長發育，同時根系合成的細胞分裂素(Z + ZR) 增加，可以促進水稻籽粒胚乳等細胞的分裂，并延緩植株的衰老，提升葉片的光合性能[28]。相關分析也表明，水稻葉片光合速率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率與產量均呈顯著或極顯著的正相關關系，說明產量的提高伴隨著光合質的加強。

本試驗表明，重度干濕交替灌溉后水稻葉片葉綠素含量、群體葉面積指數降低，葉片光合速率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率明顯減弱，說明水稻生長長期處于水分脅迫中，細胞形態及功能受到一定的損傷，影響葉片功能的維持；另外地上部分提供根系生長和建成的光合產物較少，生育后期根系較早衰老，抑制其吸收養分及水分的能力，不利于產量的形成[29]。可見適度的干濕交替灌溉能夠提高光合性能，塑造良好的群體、提升花后物質生產能力，有利于產量的形成，而重度干旱脅迫則降低“以肥調水”的作用，抑制葉片光合生產能力，不利于產量的形成。

本研究表明，輕度水分脅迫下進一步增施氮肥(N 360 kg/hm2)，水稻成熟前葉片葉綠素含量及群體葉面積指數均顯著性增加，但葉片光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率則有所減少 (特別是重度水分脅迫條件下)，說明光合質并沒有得到明顯改善。葉綠素是參與光能吸收、傳遞和轉化的重要色素，葉片的光合速率與葉綠素含量有密切的關系[30]。高氮下水稻吸收的光能遠遠超過了生理代謝的需求，葉片葉綠素含量存在“冗余”現象[31]；同時由于群體較大，光不易透射過下部葉片，抑制底層葉片的光能吸收，PSⅡ潛在活性及光合電子傳遞速率下降，最終群體光合反而降低。中等氮肥下 (N 260 kg/hm2) 葉片葉綠素含量對光吸收少，光更容易透射過葉片，植株中下部透光率增加，群體中下部光合有效輻射空間分布改善，這將增加低層葉片的光吸收，提高PSⅡ潛在活性及光合電子傳遞速率，有利于群體光合。另外適當降低葉片葉綠素含量，將有助于減少葉片氮素在合成葉綠素過程中的消耗，增加影響光合速率的關鍵限制性因子的合成 (如Rubisco酶等)，最終提高葉片光合速率[31]。相關分析也表明，成熟前葉片葉綠素含量與產量無線性相關，說明產量的提高需要適宜的光合源及良好的光合質。

3.2 干濕交替灌溉與施氮量耦合對水稻光合性能的影響

水分和氮素是作物生長發育的兩個重要因素，合理的水氮管理有利于作物高產和資源的高效利用。前人對水肥耦合進行了廣泛而又深入探究，提出了“以肥調水、以水促肥”的觀點，關于耦合效應的分析一般采用回歸旋轉組合及F值方差等方法進行分析，評價各試驗因子效應的有無[32–34]。本研究通過各因素效應公式計算出各因子大小，從直觀上反映各因素效應的有無及效應的高低。本研究表明，葉片葉綠素含量、光合速率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率的供氮效應為正效應，證明了增施氮肥有利于光合源及光合質的改善，但重施氮肥(N 360 kg/hm2) 后葉片凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率的供氮效應反而降低，證明過量施肥并不能顯著提高光合質，這可能是由于根系周圍NH4+濃度較高，使光合磷酸化、氧化磷酸化解偶聯，并能抑制光合作用水的光解，對根系產生一定的毒害作用[35]。輕度干濕交替灌溉葉片葉綠素含量、光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率控水效應為正效應，而重度干濕交替灌溉的控水效應則為負效應，說明適宜的水分控制能夠改善光合質，過度的水分脅迫則降低光合生產力，不利于產量的形成。輕度干濕交替灌溉耦合中氮處理葉片凈光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率耦合效應最佳，說明輕度干濕交替灌溉和中氮相互作用產生正效應，有利于葉片光合能力的提高，進一步觀察發現，重施氮肥后通過輕度干濕交替灌溉能提高光合質，說明氮肥起到部分的“以肥調水”的作用，而重度干濕交替下施用氮肥耦合效應為負值，說明其加劇土壤干旱脅迫程度，降低葉片的光合生產力。這提示我們在生產實踐中，通過輕度干濕交替灌溉耦合中氮 (N 240 kg/hm2) 調控，創造良好的群體生長環境，促進花后光合生產力的提高，將有利于水稻產量的提高及光能的高效利用。

4 結論

水稻產量及光合性狀在不同水氮耦合處理間存在明顯差異。中氮（N 240 kg/hm2）條件下，輕度干濕交替灌溉（–20 kPa）具有適宜的光合源，葉片光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潛在活力及最大光化學效率較高的特點。重度干濕交替灌溉（–40 kPa）則降低光合源及光合質，降低“以肥調水”的效果。水稻籽粒產量與主要生育期水稻光合源呈顯著或極顯著正相關，而成熟前葉片葉綠素含量與水稻產量無線性相關，表明通過適宜的水氮耦合提高葉片光合生產能力，創造適宜的生長群體，將有利于籽粒增產及光能利用。

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Coupling effect of wetting and drying alternative irrigation and nitrogen application rate on photosynthetic characteristics of rice leaves

XU Guo-wei1,2, LU Da-ke1, WANG He-zheng1, CHEN Ming-can1, LI You-jun1
(1 Agricultural College, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471003, China;2 Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China)

【Objectives】Soil water potential and fertilizer nutrients are the two main factors affecting rice growth and development. Elucidation of their coupling effects on grain yield of rice (Oryza sativaL.) has enormous significance for high yielding and high efficiency in production. This study observed photosynthetic characteristics ofjaponicarice under different irrigation and nitrogen supply levels to help understanding the mechanism of suitable irrigation and nitrogen fertilization coupling in yield increase of rice.【Methods】A field experiment was conducted using a mid-seasonjaponicarice cultivar Xindao 20 with three different nitrogen levels, including N0, MN (240 kg/hm2) and HN (360 kg/hm2), and three irrigation regimes, including submergedirrigation (0 kPa), alternate wetting and moderate drying (–20 kPa), and alternate wetting and severe drying(–40 kPa) in 2014 and 2015. The effects of different water and nitrogen managements on rice yield, chlorophyll and nitrogen content in leaves, leaf area index, net photosynthetic rates, photosynthetic nitrogen utilization efficiencies(PNUE), potential activity and maximum photochemical efficiencies of PSⅡ at main growth stages were analyzed.【Results】There was a significant interaction between the irrigation regimes and the nitrogen applications, with a similar result in two years. The grain yield was the highest in the treatment of MN coupling with mild water stress due to improved seed filling rate and grain weight. The grain yield increased with alternate wetting and moderate drying, and decreased under the condition of severe drying significantly. Compared with the MN, the grain yield under the condition of HN treatment was decreased, but the difference was not significant,while water stress was severe, the yield of HN was decreased significantly, the result showed that heavy nitrogen fertilizer aggravated the soil drought, and reduced the effect of fertilizer regulation role. In the same nitrogen level,the chlorophyll contents, nitrogen contents, leaf area index, net photosynthetic rates, PNUE, potential activity and maximum photochemical efficiencies of PSⅡ at main growth stages were higher in the treatment of alternate wetting and moderate drying compared with the treatment of submerged irrigation, meanwhile LAI was also increased after the heading stage. The treatment of mild water stress and MN enhanced rice yield, being the best water-nitrogen coupling management model in this study. The opposite result was observed under the condition of alternate wetting and severe drying. In the same irrigation regime, the net photosynthetic rates, potential activity and maximum photochemical efficiencies of PSⅡ at main growth stages were higher under the condition of MN treatment, when compared with no nitrogen applied, meanwhile the chlorophyll contents and leaf area index were enhanced significantly. The opposite results were observed under the condition of HN treatment, which indicated that heavy nitrogen application decreased photosynthetic characteristic of leaves. The grain yield was positively correlated with leaf area index, net photosynthetic rate, PNUE, potential activity and maximum photochemical efficiency of PSⅡ at main growth stages. Positive effects were observed at nitrogen effect in photosynthetic characteristic at main growth stages, both water stress effect and interaction effect were positive under the condition of alternate wetting and moderate drying, while negative effect was observed under the condition of alternate wetting and severe drying.【Conclusions】The net photosynthetic rate, photosynthetic nitrogen utilization efficiency, potential activity and maximum photochemical efficiency of PSⅡ at main growth stages were higher in treatment of moderate drying and MN, meanwhile the chlorophyll content and leaf area index were also increased after the heading stage. These results suggested that a photosynthetic characteristic, increasing photosynthetic capacity through the appropriate regulation of water coupling with nitrogen application, would be much more beneficial to increasing grain yield of rice.

rice; wetting and drying alternative irrigation; water and nitrogen coupling;photosynthetic characteristic; chlorophyll fluorescence

2017–02–28 接受日期：2017–05–22

國家自然科學基金項目（U1304316）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（13A210266）；江蘇省作物栽培生理重點實驗室開放基金（027388003K11009）；河南科技大學學科提升計劃A（13660002）資助。

徐國偉（1978—），男，江蘇建湖人，博士，副教授，主要從事作物栽培生理研究。E-mail：gwxu2007@163.com