氮肥對超級雜交稻穗頸節間維管束結構的影響

王留行，彭 廷，熊加豹，王海彬，劉 曄，張 靜，王代長，滕永忠，趙全志

(1.河南農業大學 農學院，河南 鄭州 450002; 2.河南農業大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450002；3.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所，河南 鄭州 450002)

水稻是全球三大糧食作物之一，中國有65%以上的人口以稻米為主食[1]。超級雜交稻的培育在很大程度上保證了我國糧食安全。超級雜交稻的生長發育和產量的提高離不開氮肥的投入[2]。然而，實際生產中人們為了不斷提高水稻產量盲目大量施用氮肥，不僅使農業生產成本提高，還造成氮肥利用效率大幅下降，并引起水稻倒伏頻發，生育后期貪青晚熟，易受病蟲侵害。另外，氮肥的大量施用還引起農業面源污染，并反饋調節全球氣溫和生態系統的碳循環[3]，從而直接或間接地導致一系列環境問題[4]。

研究表明，和不施氮肥處理相比，施用150～300 kg/hm2氮肥能顯著提高水稻群體總穎花數、有效穗數和穗粒數，水稻產量提高77.7%～103.5%[5]。霍中洋等[6]研究也發現，增加氮素供應可以促使穎花數顯著增加。但過量施氮則會影響氮素吸收，降低水稻千粒質量，進而導致產量下降[7-8]。即水稻產量隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢[9]。不同施氮量引起的水稻產量的差異主要由結實率和穗數決定，施氮量在135 kg/hm2以下，隨施氮量的增加有效穗數顯著增加，而結實率有所下降，產量變化趨勢與有效穗數變化趨勢一致；當施氮量超過135 kg/hm2后，增加施氮量，產量繼續上升，有效穗數雖然增加但不明顯，結實率隨著施氮量的增加而下降[10]。水稻莖稈是聯系“源”和“庫”的重要樞紐。水稻莖稈中的維管束結構由木質部和韌皮部構成，在水稻生長過程中起“流”的作用，是作物進行水分、礦物質運輸的通道，也是水稻根、莖、葉等“源”中同化產物及養分等向籽粒(“庫”)轉運的主要通道[11-12]。穗頸節間是穗部與莖稈的關鍵部位。潘俊峰等[13]研究表明，穗頸節間小維管束能促進莖鞘中非結構性碳水化合物的轉運。李國輝等[14]研究發現，水稻大維管束和小維管束數量、總橫截面積與結實率、千粒質量、產量均呈顯著正相關。周紅英等[15]研究發現，水稻莖壁越厚，籽粒充實越好，單穗質量越高。前人對維管束結構的研究主要包括2個方面，一是維管束結構對作物穗部性狀的影響[16]，二是維管束結構與植株抗倒伏的關系[17]。超級雜交稻產量提升過程中，改善上部莖節間小維管束結構及基部節間大維管束結構，可以促進超級雜交稻穗增大、粒增多[18]。綜上，關于氮肥施用量與產量構成因素穗粒數和結實率的研究很多，但關于施氮量對超級雜交稻穗頸節間維管束結構的影響及其與產量和產量構成要素的關系研究還未見報道。為此，分析4個超級雜交稻品種在不同施氮量下穗頸節間維管束結構變化，從生理上揭示氮肥對水稻穗數和結實率的影響機制，為深化超級雜交稻增產的生理機制研究奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 供試品種

供試超級雜交稻品種為兩優培九、Y兩優1號、Y兩優900和湘兩優900。

1.2 試驗設計

試驗于2017年4—10月在信陽市平橋區二郎村河南農業大學水稻生產基地進行。供試土壤含有機質29.29 g/kg、全氮1.00 g/kg、堿解氮36.74 mg/kg、速效磷16.51 mg/kg、速效鉀139.3 mg/kg，pH值為6.41。采用塑料軟盤育苗，4月12—15日播種，5月13日移栽，秧齡30 d，每穴2株，行距30 cm，穴距20 cm，小區面積為4.5 m×7.0 m。設置6個氮肥水平：0(N0)、150(N10)、210(N14)、300(N20)、390(N26)、450(N30)kg/hm2。每個氮肥水平設3次重復，每個小區采用聚乙烯塑料硬板隔離，防止串水串肥。氮肥(尿素)分4次施入，移栽前1 d作為基肥施用，移栽后7 d作為分蘗肥施用，倒四葉時作為第一次穗肥施用，倒二葉時作為最后一次穗肥施用，施用比例為4∶2∶2∶2。P2O5(過磷酸鈣)施用量為138.38 kg/hm2，作為基肥一次施入；K2O(硫酸鉀)施用量為276.75 kg/hm2，50%作為基肥施入，50%于倒二葉時作為穗肥施入。其他田間管理按照高產田標準進行[19]。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產量及其構成因素 在抽穗期，統計各小區有效穗數。于成熟期，根據平均有效穗數取植株樣品，每個小區取5株，用信封裝稻穗，然后帶回室內考種，考種指標包括實粒數、癟粒數、千粒質量，根據統計結果計算穗粒數、結實率；在每個小區選取4 m2具有代表性的水稻植株，割完后帶至田邊打谷，隨后稱質量，并測定含水量，計算實際產量。

1.3.2 穗頸節間維管束數目和面積 于灌漿中期，各小區選取主莖，參照彭廷等[18]的方法將莖稈從節間處剪斷，取穗頸節整理好放入FAA固定液中保存，徒手切片，番紅染色，選取優質切片在OLYMPUS-BX43顯微鏡下觀察計數并拍照，用MIAS-1型顯微圖像分析軟件分析維管束結構：大維管束數目、小維管束數目以及它們的面積。

1.4 數據整理和統計分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0進行數據的整理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間小維管束結構的影響

2.1.1 小維管束數目 由圖1可知，兩優培九施氮處理穗頸節間小維管束數目均顯著多于不施氮的N0處理，較N0處理增加了30.44%～46.74%，施氮處理間無顯著差異；Y兩優1號穗頸節間小維管束數目隨著施氮量的增加先增加后降低，小維管束數目在N20處理最多，與N14處理差異不顯著，顯著多于其他處理，其中較N0處理顯著增加19.51%，N26、N30、N0、N10處理間無顯著差異；Y兩優900穗頸節間小維管束數目隨施氮量的增加總體上也呈先增加后降低的趨勢，N26處理最多，N14、N20處理依次次之，三者之間差異不顯著，前2個處理顯著多于N0處理，其他處理均與N0處理無顯著差異，N30處理最少；湘兩優900穗頸節間小維管束數目隨著施氮量的增加先增加后降低，N14處理最多，顯著多于其他處理，其中較N0處理顯著增加43.70%，N20處理次之，顯著多于N0處理，其他處理與N0處理間差異均不顯著。總體來講，在N14、N20處理下，超級雜交稻穗頸節間小維管束數目較多。

A為兩優培九，B為Y兩優1號，C為Y兩優900，D為湘兩優900；不同小寫字母表示處理間差異達到0.05顯著水平。下同A is Liangyoupei 9，B is Y Liangyou No.1,C is Y Liangyou 900,D is Xiangliangyou 900.The different lowercase letters indicate significant differences among differents treatments(P<0.05).The same below圖1 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間小維管束數目的影響Fig.1 Effect of different nitrogen application rates on the number of small vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.1.2 小維管束面積 由圖2可知，兩優培九穗頸節間小維管束面積隨著施氮量的增加先增大后減小，N14處理最大，顯著高于除N10處理外的其他處理，其中較N0處理顯著增加23.70%，而N10、N20、N26、N30、N0處理間差異均不顯著；Y兩優1號穗頸節間小維管束面積在各處理之間的差異均不顯著，也以N14處理最大，且N20、N26、N30處理都小于N0處理；隨著施氮量的增加，Y兩優900穗頸節間小維管束面積總體呈逐漸減小趨勢，N26處理最小，顯著小于其他處理，其中較N0處理顯著減小25.91%，與N30處理差異不顯著，N10、N14、N20、N0處理間均無顯著差異；湘兩優900穗頸節間小維管束面積隨著施氮量的增加總體上先增大后減小，N14處理最大，顯著大于其他處理，其中較N0處理顯著增加34.13%，除N14處理外的其余幾個處理間差異均不顯著。總體來看，超級雜交稻穗頸節間小維管束面積在N14處理下最大。

圖2 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間小維管束面積的影響Fig.2 Effect of different nitrogen application rates on the area of small vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.1.3 小維管束總面積 由圖3可知，兩優培九穗頸節間小維管束總面積總體上隨著施氮量的增加先增加后降低，以N14處理最大，顯著大于N0、N20、N30處理，與其他處理均無顯著差異，其中較N0處理顯著增加68.17%，N20、N26、N30處理間差異均不顯著；施氮對Y兩優1號穗頸節間小維管束總面積的影響未達到顯著水平，穗頸節間小維管束總面積表現為N14>N20>N10>N0>N30>N26，N26處理較N0處理減少14.38%；從N14處理開始，隨著施氮量的增加，Y兩優900的穗頸節間小維管束總面積逐漸減少，N30處理最小，顯著小于除N26處理外的其他處理，其中較N0處理顯著減少27.15%，N0、N10、N14、N20處理間均無顯著差異；湘兩優900穗頸節間小維管束總面積隨著施氮量的增加總體上先增加后降低，N14處理最大，顯著大于其他處理，其中較N0處理顯著增加93.87%，其他處理均與N0處理無顯著差異，N30處理最小。綜上，超級雜交稻穗頸節間小維管束總面積在N14處理下最大。

2.2 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間大維管束結構的影響

2.2.1 大維管束數目 由圖4可知，兩優培九穗頸節間大維管束數目隨著施氮量的增加總體呈先增加后減少的趨勢，N20處理最多，與N10、N14處理間差異均不顯著，顯著大于其余處理，其中較N0處理顯著增加21.54%，N26處理最少，N0、N10、N26、N30處理間差異均不顯著；Y兩優1號穗頸節間大維管束數目受施氮量的影響未達到顯著水平，維管束數目表現為N20>N26>N14>N0>N10>N30；Y兩優900穗頸節間大維管束數目隨著施氮量的增加呈先增加后減少再增加的趨勢，N30處理最多，顯著大于N0、N14、N20處理，其中較N0處理顯著增加32.09%，除N20處理外，其余處理均顯著大于N0處理；湘兩優900穗頸節間大維管束數目隨著施氮量的增加總體呈先增加后減小的趨勢，N14處理最多，顯著大于其他處理，其中較N0處理顯著增加83.05%，其余施氮肥處理均與N0處理無顯著差異。除Y兩優900外，其他超級雜交稻穗頸節間大維管束數目總體上在N14、N20處理下較多。

圖3 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間小維管束總面積的影響 Fig.3 Effect of different nitrogen application rates on the total area of small vascular bundle in first internode of super hybrid rice

圖4 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間大維管束數目的影響Fig.4 Effect of different nitrogen application rates on the number of large vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.2.2 大維管束面積 由圖5可知，兩優培九、Y兩優1號和湘兩優900的穗頸節間大維管束面積總體上均隨著施氮量的增加先增加后減小。兩優培九穗頸節間大維管束面積以N10處理最大，其與N20處理差異不顯著，顯著高于其余處理，其余施氮處理均與N0處理無顯著差異；Y兩優1號穗頸節間大維管束面積以N14處理最大，其次為N10處理，二者與N0、N20處理均無顯著差異，N30處理最小，N30、N0、N20、N26處理間均無顯著差異；Y兩優900穗頸節間大維管束面積隨著施氮量的增加逐漸減小，N30處理最小，比N0處理顯著減小12.68%，其余施氮肥處理均與N0處理無顯著差異，且N20、N26、N30三者之間差異也不顯著；湘兩優900穗頸節間大維管束面積以N14處理最大，顯著大于除N26處理外的其余處理，其中較N0處理顯著增加21.84%，其次為N26處理，N30處理最小，除N14處理外，其余處理間均無顯著差異。總體來講，在N10、N14處理下，超級雜交稻穗頸節間大維管束面積較大。

圖5 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間大維管束面積的影響Fig.5 Effect of different nitrogen application rates on the area of large vascular bundle in first internode of super hybrid rice

2.2.3 大維管束總面積 由圖6可知，兩優培九、Y兩優1號和湘兩優900的穗頸節間大維管束總面積總體上均隨著施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢。兩優培九穗頸節間大維管束總面積以N20處理最大，顯著大于N0、N26、N30處理，其中較N0處理顯著增加27.23%，與N10、N14處理之間均無顯著差異，N26、N30、N0處理之間也均無顯著差異；Y兩優1號的穗頸節間大維管束總面積以N14處理最大，N20、N10處理依次次之，三者之間差異均不顯著，N14處理顯著大于N0處理，其余施氮肥處理均與N0處理無顯著差異，N30處理最小；Y兩優900的穗頸節間大維管束總面積以N10處理最大，其次為N26處理，二者均顯著大于N0處理，其余處理均與N0處理無顯著差異；湘兩優900的穗頸節間大維管束總面積以N14處理最大，顯著大于其余處理，其中較N0處理顯著增加122.56%，N26處理次之，其余施氮肥處理均與N0處理無顯著差異。總體來講，在N10、N14處理下，超級雜交稻穗頸節間大維管束總面積較大。

2.3 不同施氮量下超級雜交稻穗頸節間維管束結構與產量及其構成因素的相關性分析

由表1可知，超級雜交稻穗頸節間小維管束和大維管束面積、總面積均與有效穗數呈極顯著負相關；大維管束和小維管束數目、面積、總面積均與千粒質量呈顯著或極顯著負相關，與穗粒數呈極顯著正相關；小維管束總面積及大維管束數目、面積、總面積均與結實率呈極顯著正相關；小維管束面積與產量的相關性不顯著，大維管束和小維管束數目、總面積及大維管束面積均與產量呈極顯著正相關。

圖6 不同施氮量對超級雜交稻穗頸節間大維管束總面積的影響 Fig.6 Effect of different nitrogen application rates on the total area of large vascular bundle in first internode of super hybrid rice

指標Index有效穗數EffectivePaniclenumber穗粒數Grainnumberperpanicle千粒質量1000-grainweight結實率Seedsettingrate產量Yield小維管束數目Smallvascularbundlenumber-0.2180.652??-0.571??0.2310.428??小維管束面積Smallvascularbundlearea-0.551??0.606??-0.321??0.2100.209小維管束總面積Totalareaofsmallvascularbundle-0.429??0.696??-0.478??0.236?0.336??大維管束數目Largevascularbundlenumber-0.1770.521??-0.424??0.302??0.474??大維管束面積Largevascularbundlearea-0.459??0.566??-0.276?0.370??0.392??大維管束總面積Totalareaoflargevascularbundle-0.314??0.615??-0.418??0.353??0.492??

注：*、**分別表示相關性顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。

Note:* and **represent significant correlations at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 結論與討論

大量研究表明，水稻穗頸節間維管束作為光合產物由源到庫運輸的主要途徑，與物質轉運效率、光合速率以及倒伏性密切相關，其生長發育狀況直接影響水稻產量水平[20]。孫玉友[21]研究秈粳稻穗莖維管束性狀發現，秈稻穗莖維管束數目顯著多于粳稻。廖色梅等[22]研究認為，亞種間雜交稻與品種間雜交稻的大、小維管束數目有明顯差異。彭廷等[18]研究超級雜交稻的莖稈維管束結構也發現，品種間莖稈維管束結構差異顯著。因此，水稻穗頸節間維管束性狀差異主要由水稻品種決定，同時，也受環境影響[23]。

本研究發現，4個超級雜交稻品種穗頸節間小維管束數目、面積、總面積總體上均隨著施氮量的增加呈現先增加后減少的趨勢。進一步分析發現，當施氮量≤210 kg/hm2時，增施氮肥可以促進兩優培九、Y兩優900和湘兩優900穗頸節間小維管束數目增加，可以促進兩優培九、湘兩優900小維管束面積及總面積增大；而當施氮量>210 kg/hm2時，增施氮肥會導致4個超級雜交稻品種小維管束面積、總面積以及湘兩優900小維管束數目總體上減少。氮素對兩優培九、Y兩優1號以及湘兩優900大維管束結構的調控與小維管束基本一致。當施氮量≤210 kg/hm2時，增施氮肥明顯促進了兩優培九和湘兩優900穗頸節間大維管束數目、湘兩優900大維管束面積及總面積、Y兩優1號大維管束面積及總面積增加。當施氮量>210 kg/hm2時，增施氮肥4個超級雜交稻品種大維管束面積(兩優培九除外)、湘兩優900大維管束數目及總面積、Y兩優1號大維管束總面積總體上逐漸減少。殷春淵[24]研究發現，施肥可以顯著增加水稻籽粒灌漿期大維管束面積，且施氮量在0～180 kg/hm2時，大維管束面積會隨著施氮量的增加而增加。張俊等[25]研究發現，施用氮肥顯著增加了水稻大、小維管束數量。這與本試驗研究結果一致。

徐正進等[26]研究發現，穗頸節間大、小維管束數目均與穗粒數呈顯著或極顯著正相關。陳書強等[27]研究表明，倒一節和倒二節莖稈大、小維管束數目均與穗粒數及單株產量存在極顯著正相關關系。本研究也發現，超級雜交稻穗頸節間大維管束和小維管束數目、面積及總面積均與穗粒數呈極顯著正相關，與千粒質量呈顯著或極顯著負相關，同前人[26-27]研究結果相似。

程慧煌等[28]研究發現，超級雜交稻的穗粒數、粒葉比和收獲指數均隨著施肥量的增加呈先增后降的趨勢，且增加中后期的氮肥供應，可以保證超級雜交稻的物質積累量。LIU等[29]研究發現，在適宜的氮肥條件下，增加施氮量可以增加10～20 cm土層的根系比例，進而提高超級雜交稻產量。程慧煌等[30]研究發現，隨著施氮量增加，超級雜交稻莖粗、壁厚均表現出先升高后降低的趨勢；施氮量超過300 kg/hm2時，中低產品種的產量和抗倒伏能力都有所下降。龍瑞平等[31]認為，這主要是由于在合理范圍內，增施氮肥可以促進水稻群體生長發育，而超出適宜施氮量時則會導致群體生長過盛，水稻個體之間競爭激烈。李偉娟等[32]研究發現，插秧密度可顯著影響水稻大、小維管束的生長。結合前人[28-32]的研究可以得出，施氮可以改善超級雜交稻穗頸節間大、小維管束結構，而過量施氮使水稻分蘗數增加，導致單莖質量下降，進而導致維管束結構惡化。

綜上所述，合理施肥通過改變大、小維管束結構，進而影響“流”的運轉能力。在增施氮肥過程中，“暢流”可以保證水稻體內營養物質及水分等的運輸數量、速率，是其高產生理機制中非常重要的一環。另外，不同水稻品種在不同的生態條件下對最適宜氮肥用量的要求可能存在差異。