陳 琛 唐東南 舒小偉 徐杰皎 高英博 黃建曄 王余龍 董桂春,*

(1 揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/農業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點 開放實驗室/糧食作物現(xiàn)代產業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 揚州 225009；2 江蘇丘陵 地區(qū)鎮(zhèn)江農業(yè)科學研究所, 江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

磷(P)是植物生長發(fā)育必需的三大營養(yǎng)元素之一，參與蛋白質合成、細胞生長、細胞分裂等一系列生理生化過程[1]。我國有三分之二的土地有效磷偏低，增施磷肥已成為提高作物產量的重要手段，但磷肥利用率較低，大量磷肥在土壤中積累或流失，加劇了農田環(huán)境污染[2-3]。前人對磷肥(素)高效利用進行了大量研究，從篩選耐低磷品種發(fā)展到篩選磷高效利用品種，并對不同基因型水稻磷的吸收、分配和利用進行分析[4-6]。Veneklaas等[7]認為，處于營養(yǎng)生長階段的植物體內磷轉運效率較低，其生長所需的磷主要依賴外源肥料的補充，表明植株吸磷能力決定了其能否高效吸收與利用土壤中的磷素和施用的磷肥。研究發(fā)現(xiàn)磷高效吸收水稻苗期地上部的全磷含量較對照平均增加36%～50%[8-9]，這種優(yōu)勢可一直延續(xù)到成熟期，其莖、葉、穗各器官的磷素利用效率也分別較對照增加277%、92%、37%[10]。

近年來，養(yǎng)分高效利用已成為稻作科學領域研究的熱點，特別是對氮高效方面的研究。目前，已篩選出一些氮高效水稻品種[11]，然而，其磷素吸收利用有何表現(xiàn)，氮與磷之間是否存在內在的聯(lián)系尚鮮見報道。揚州大學水稻根系生長生理課題組前期利用染色體單片斷代換系114個水稻株系，研究了氮高效水稻源庫、根系、氮素吸收利用的基本特征[12-14]，而該群體氮高效水稻磷素吸收利用的基本特點、成因及其與氮素吸收利用之間的關系尚不明確，且以遺傳背景相似的代換系水稻為材料研究磷素吸收利用的報道較少。本試驗在前期研究[12-14]的基礎上，探究氮高效水稻磷素吸收利用的基本特點、成因及其與氮素吸收利用之間的關系，以期為氮高效水稻高效栽培提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗場地及材料

試驗于2012-2013年在揚州大學試驗田進行。試驗地為沙壤土，前茬作物為小麥，0～20 cm耕層土壤(風干樣)基本理化性質為有機質15.4 g·kg-1、堿解氮71.7 mg·kg-1、速效磷20.7 mg·kg-1、速效鉀22.5 mg·kg-1。

供試材料：選用揚稻6號和日本晴的雜交F1與揚稻6號不斷回交構建的染色體單片段代換系遺傳群體114個株系[12-15]，由揚州大學農學院梁國華教授課題組提供。

1.2 材料培育與管理

5月15日播種，大田濕潤育秧，6月15日人工移栽，大田栽培。株、行距分別為13.33 cm×26.67 cm，每小區(qū)面積為7.2 m2，密度為28.2萬穴·hm-2。一次性基施磷肥150 kg·hm-2；氮肥為純氮 240 kg·hm-2，其中基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶3∶4。每株系重復3次，隨機分布。適當時期進行病蟲害防治，水稻生長狀況良好[12-15]。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 生育期 全田50%抽穗記載抽穗日期，收獲日期記載成熟日期。

1.3.2 各部位干物質量的測定 抽穗期、成熟期取樣均以普查穗數(shù)為基礎，3次重復，每重復10株，共30株代表性植株。按穗、葉、莖鞘分樣，105℃殺青30 min，80℃烘干72 h至恒重后稱取干物質量。

1.3.3 產量及其構成因素的測定 按照1.3.2方法進行調查取樣，考種分離飽粒數(shù)和癟粒數(shù)，按照公式計算每穗粒數(shù)：

每穗粒數(shù)=飽粒數(shù)+癟粒數(shù)

(1)

采用水漂法分離飽粒與癟粒，按照公式計算飽粒率：

飽粒率=飽粒數(shù)/總粒數(shù)×100%

(2)

測定千粒重(飽粒)、計算產量(理論)[12]。

1.3.4 植株各器官全氮和全磷含量的測定 將各器官樣品烘干后粉碎，采用MARS5微波消解系統(tǒng)(美國CEM公司)進行消煮，iCAP6300全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma，ICP，美國Thermo公司)測定各器官含磷率；采用凱氏定氮儀(丹麥FOSS公司)測定各器官含氮率[14]。

1.4 數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計分析

成熟期吸磷量=抽穗期吸磷量+結實期吸磷量

(3)

成熟期吸磷量=莖鞘葉吸磷量+穗吸磷量

(4)

成熟期吸磷量=植株含磷率×干物質生產量

(5)

成熟期吸磷量=單位面積穗數(shù)×單莖吸磷量

(6)

成熟期吸磷量=生育期天數(shù)×吸磷強度

(7)

吸磷強度=吸磷量/吸收磷素的日數(shù)

(8)

式中，吸磷強度表示單位時間內水稻植株吸收磷素的量。

每百公斤產量需磷量=吸磷量/100 kg產量

(9)

按照公式計算吸磷增量籽粒生產效率，以B 類為例：

吸磷增量籽粒生產效率=(B類產量-A類產量)/(B類吸磷量-A類吸磷量)

(10)

2年數(shù)據(jù)趨勢一致，合并分析，采用揚州大學顧世梁等[16]的聚類方法，以成熟期吸氮量和產量2個指標進行聚類，將114個株系分成6種氮效率類型，分別記作A、B、C、D、E、F(吸氮量逐漸上升)，并將吸氮量、產量均值分別聚三類后組合，得到氮低吸低產型(A類，12個)、氮低吸中產型(B類，17個)、氮中吸中產型(C類40個、D類12個)、氮中吸高產型(E類，25個)和氮高吸高產型(F類，即本研究所指氮高效類型，8個)。

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制；SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮效率類型水稻成熟期群體吸磷量

按照前人報道的不同氮效率類型水稻成熟期吸氮量和產量的聚類分析及其相互關系的結果[14]。不同氮效率類型水稻成熟期群體吸磷量的變幅為2.54～5.46 g·m-2。隨著氮效率的上升，不同氮效率類型水稻成熟期群體吸磷量總體呈上升趨勢，差異達極顯著水平(F=13.057**，n=114，F(xiàn)檢驗)，且與成熟期吸氮量關系密切(rN=0.557**，圖1)。本研究主要從影響成熟期吸磷量的5個角度進行分析(相關指標計算公式詳見1.4)。

2.2 不同氮效率類型水稻磷素吸收影響因子的差異

2.2.1 抽穗期和結實期群體吸磷量的差異 由表1可知，不同氮效率類型水稻間抽穗期群體吸磷量變化不大(F=1.978)，而結實期群體吸磷量差異達極顯著水平(F=14.872**)，并隨著氮效率的上升呈逐漸增加的趨勢，二者與成熟期吸磷量均呈極顯著線性正相關(rP抽穗期=0.293**，rP結實期=0.690**)。此外，不同氮效率水稻結實期吸磷比例隨著氮效率的上升而逐漸增大，不同氮效率類型間差異亦達到極顯著水平(F=13.484**)，與成熟期吸磷量亦呈極顯著線性正相關(rP=0.422**)。結果表明，氮高效水稻結實期磷素吸收量及其比例優(yōu)勢明顯，且與成熟期吸磷量的關系密切。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；rN：指標與成熟期吸氮量的相關系數(shù)；**表示呈極顯著線性相關(r)或不同類型間該指標差異達極顯著水平(F)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. rNmeans correlation index of this character with N absorption per unit area in mature stage. ** means significant linear positive correlation (r), or the difference of this index among different types is extremely significant (F). The same as following.圖1 不同氮效率類型水稻成熟期吸磷量Fig.1 Trend of P absorption per unit area of different N-efficiency types

2.2.2 主要生育時期水稻各器官磷素積累量及結實期磷素運轉的差異 由表2可知，不同氮效率類型水稻抽穗期群體莖鞘葉吸磷量差異不大(F=2.009)，但與抽穗期吸磷量關系(rP=0.320**)極顯著；不同氮效率類型水稻成熟期群體莖鞘葉吸磷量的變幅為0.60～2.33 g·m-2，最大株系是最小株系的3.88倍。隨著氮效率的上升，成熟期群體莖鞘葉吸磷量總體呈上升趨勢，不同氮效率類型間差異達極顯著水平(F=4.971**)且與成熟期吸磷量關系(rP=0.633**)極顯著；不同氮效率類型水稻間結實期群體莖鞘葉磷素轉運量差異未達到顯著水平(F=1.790)，與成熟期吸磷量(rP=-0.054)呈負相關。

不同氮效率類型水稻抽穗期穗吸磷量類型間差異未達到顯著水平(F=0.164)，與成熟期吸磷量呈負相關(rP=-0.079)；不同氮效率類型水稻成熟期穗吸磷量的變幅為1.46～3.73 g·m-2，隨著氮效率的上升，成熟期穗吸磷量總體呈上升趨勢，類型間差異達極顯著水平(F=9.796**)，與成熟期吸磷量呈極顯著正相關(rP=0.880**)；不同氮效率類型水稻結實期群體穗磷素增加量的變幅為0.73～3.23 g·m-2，隨著氮效率的上升，結實期群體穗磷素增加量總體呈上升趨勢，類型間差異達極顯著水平(F=8.447**)，與成熟期吸磷量呈極顯著線性正相關關系(rP=0.880**)。

表1 不同氮效率類型水稻不同生育時期群體吸磷量及結實期吸磷比例的差異Table 1 The difference of P absorption per unit area in different growth stages and its P absorption proportion in grain-filling stage of different N-efficiency types of rice

注：rP：該指標與成熟期吸磷量的相關系數(shù)。下同。

Note:rP: Correlation index of this character with P absorption per unit area in mature stage. The same as following.

2.2.3 成熟期全株含磷率和干物質生產量的差異 由圖2可知，不同氮效率類型水稻成熟期全株含磷率類型間差異未達到顯著水平(F左=2.232)，而成熟期干物質量類型間差異達到極顯著水平(F右=35.872**)，且隨著氮效率的上升成熟期干物質量呈增加的趨勢。二者與成熟期吸磷量均呈極顯著線性正相關關系(rP左=0.796**，rP右=0.569**)，植株含磷率與成熟期吸磷量密切相關。

表2 不同氮效率類型水稻主要生育時期各器官吸磷量及結實期磷素運轉(增加)的差異Table 2 The differences of P absorption of each organs in main growth stage and P translocation (addition) in grain-filling stage of different N-efficiency types of rice

圖2 不同氮效率類型水稻全株含磷率和 成熟期干物質量的趨勢Fig.2 Trend of whole plant P content and dry matter production per unit area in mature stage of different N-efficiency types of rice

2.2.4 單莖吸磷量和單位面積穗數(shù)的差異 由圖3可知，不同氮效率類型水稻成熟期單莖吸磷量與單位面積穗數(shù)類型間差異均達到極顯著水平(F左=3.532**，F(xiàn)右=5.824**)，隨著氮效率的上升，成熟期單莖吸磷量呈先增加后降低再增加的趨勢，而單位面積穗數(shù)呈逐漸增加的趨勢，成熟期單莖吸磷量與成熟期吸磷量呈極顯著線性正相關(rP左=0.837**)。

圖3 不同氮效率類型水稻成熟期單莖吸 磷量和單位面積穗數(shù)的趨勢圖Fig.3 Trend of P absorption per tiller and spike number per unit area in mature stage of different N-efficiency types f roce

2.2.5 吸磷強度和全生育期天數(shù)的差異 由表3可知，不同氮效率類型水稻成熟期群體吸磷強度類型間差異達到極顯著水平(F=11.656**)，而全生育期天數(shù)類型間差異未達到顯著水平(F=0.670)，成熟期吸磷強度與成熟期吸磷量呈極顯著線性正相關(rP=0.977**)，而全生育期天數(shù)與成熟期吸磷量呈極顯著線性負相關(rP=-0.303**)。

表3 不同類型成熟期吸磷強度和全生育期天數(shù)的差異Table 3 The differences of P absorption intensity per unit area and per tiller in mature stage, growth duration of different N-efficiency types of rice

2.2.6 影響水稻磷素吸收的五組因子對成熟期吸磷量的通徑分析 通徑分析表明，對成熟期吸磷量的影響：結實期吸磷量(1.097)>抽穗期吸磷量(0.831)，成熟期穗吸磷量(0.788)>成熟期莖鞘葉吸磷量(0.484)，成熟期全株含磷率(0.791)>成熟期干物質生產量(0.561)，成熟期單穗吸磷量(1.038)>單位面積穗數(shù)(0.572)，成熟期吸磷強度(1.081)>全生育期天數(shù)(0.217)。

2.3 不同氮效率類型水稻磷素利用的差異

由表4可知，不同氮效率類型水稻的氮素籽粒生產效率、磷素籽粒生產效率和磷素收獲指數(shù)差異均未達到顯著水平，而氮素收獲指數(shù)差異達到顯著水平，隨著氮效率的上升四者變化趨勢均不明顯，但氮高效類型水稻的上述4個指標均處于中等或較低水平。除磷素收獲指數(shù)與成熟期吸氮量呈負相關，其他指標均與成熟期吸氮量呈極顯著線性負相關。此外，不同氮效率類型水稻的氮素吸收增量籽粒生產效率呈先下降后上升再下降的趨勢，而磷素吸收增量籽粒生產效率則呈先下降后上升的趨勢，氮高效水稻每多吸收1 g磷素形成的產量顯著高于其他類型，而氮素增量籽粒生產效率較小。

表4 不同類型成熟期氮素利用效率與磷素利用效率的差異Table 4 The differences of P utilization efficiency and N utilization efficiency in mature stage of different N-efficiency types of rice

注：*表示不同類型間差異達顯著水平(P<0.05)。

Note:*indicates significant difference at 0.05 level among different types.

2.4 不同氮效率水稻成熟期氮磷比的差異

由圖4可知，不同氮效率類型水稻成熟期氮磷比(N∶P2O5)變幅為1∶0.49～1∶0.54，類型間差異未達到顯著水平(F=1.431)，且其與成熟期吸氮量呈極顯著線性負相關關系(rN=-0.232**)。

2.5 磷素吸收與氮素吸收主要指標間和產量的相互關系

由表5可知，成熟期吸磷量(r=0.543**)和成熟期吸氮量(r=0.785**)與產量均呈極顯著線性正相關關系，其中產量與成熟期吸氮量關系更為密切。成熟期吸磷量與成熟期吸氮量(r=0.557**)、抽穗期吸磷量和抽穗期吸氮量(r=0.557**)、結實期吸磷量與結實期吸氮量(r=0.730**)、成熟期全株含磷率與成熟期全株含氮率(r=0.253**)、結實期莖鞘葉磷轉運量與結實期莖鞘葉氮轉運量(r=0.695**)、結實期穗磷增加量與結實期穗氮增加量(r=0.630**)均呈極顯著線性正相關。

圖4 不同氮效率類型水稻成熟期氮磷比的趨勢圖Fig.4 Trend of N/P ratio of different N-efficiency types of rice

3 討論

3.1 氮高效水稻磷素吸收的特點及其影響因子的分析

不同基因型水稻養(yǎng)分元素吸收存在差異，這一遺傳性的差異直接影響了營養(yǎng)元素吸收和利用的規(guī)律。不同亞種間[17]、秈稻與粳稻間[18]、同一亞種內的不同品種間養(yǎng)分吸收利用參數(shù)均存在顯著差異。在磷素吸收方面，李云春[19]研究常規(guī)稻、兩系稻、三系稻和轉基因稻，發(fā)現(xiàn)高吸氮量類型A類和B類磷素吸收量分別較C類高30.23%、47.63%，較D類高32.93%、50.69%。在滿足氮肥群體生產力的條件下，處于氮肥群體生產力頂層水平的水稻，成熟期全株吸磷量最大值較最小值高12.42%[20]。此外，超高產品種[21]和超高產群體[22]在群體吸磷量上也存在優(yōu)勢，且群體上超高產群體更明顯[22]。這與本研究結論相似。磷素吸收主要時期方面，拔節(jié)至抽穗期和抽穗至成熟期是水稻植株磷素積累的關鍵階段[23-24]，但不同研究中也有差異，主要表現(xiàn)為拔節(jié)(或穗分化)至抽穗高[25-26]，各品種磷素積累速率亦是如此[25]。而李鴻偉等[27]則認為，超高產栽培水稻拔節(jié)至抽穗期、抽穗至成熟期磷素吸收和積累較常規(guī)栽培高，但拔節(jié)前低[22]。本研究表明，氮高效水稻群體磷素吸收顯著高于其他類型，且優(yōu)勢主要集中在結實期。

表5 不同氮效率類型水稻磷素吸收與氮素吸收主要指標間的相關系數(shù)Table 5 The correlation index of main characters of P absorption with N absorption of different N-efficiency types of rice

目前，影響水稻氮素吸收的主要性狀方面的研究已有大量報道[13,28-30]，而磷素方面較少，因此本試驗對影響磷素吸收的五組因子進行了研究。前人研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)分吸收量差異主要由干物質生產量不同引起，對吸磷量影響干物質積累量大于含磷率[22]。這與本研究不同。本研究中，成熟期全棟含磷率對成熟期吸磷量的影響大于干物質積累量。具體原因還有待進一步研究。本研究表明，氮高效水稻除抽穗期吸磷量、成熟期全株含磷率較大外，其他吸磷量影響因子均顯著高于其他類型。可見，氮高效水稻以磷素利用率中等為前提，通過提高單日吸磷量(吸磷強度)來實現(xiàn)群體吸磷優(yōu)勢，且在結實期更為明顯。此外，抽穗后吸磷量、成熟期單穗吸磷量、成熟期穗吸磷量、成熟期全株含磷率、成熟期群體吸磷強度對成熟期吸磷量貢獻較同組因子大。前期研究發(fā)現(xiàn)根系對植株吸收養(yǎng)分影響顯著，根系形態(tài)性狀對氮高效水稻株系氮素吸收影響顯著[12]，可見，其對磷素吸收亦有促進作用。此外，水稻籽粒多數(shù)物質為碳水化合物，而葉片中的磷酸化在碳水化合物代謝之前[22,31]。本研究中，氮高效水稻在抽穗后的磷素吸收能力依然優(yōu)勢明顯，因而能在保證維持基本物質代謝的情況下使多余的磷素向籽粒運輸，既保證了籽粒的形成，又不影響其光合作用。

3.2 氮高效水稻磷素分配、運轉與利用的特點

不同基因型水稻間磷素分配也存在較大差異，且與磷素利用間關系密切，Hammond 等[32]認為，磷素利用效率中磷素籽粒生產效率較磷素干物質生產效率更能表征磷素利用率，且對糧食作物而言更能立足于現(xiàn)實。韋還和等[22]與王偉妮[33]研究表明，磷含量以穗部最多，稻草次之，這與本研究結果相似。但不同時期磷素分配存在一定差異，氮肥群體生產力高的水稻，抽穗期磷素主要集中在莖鞘中，抽穗后主要集中在穗部，成熟期穗部磷素所占比例為60.59%～63.77%，且抽穗期葉片、成熟期葉片和穗中的磷素含量隨氮肥生產力等級降低而減少[20]。

本研究表明，氮高效水稻抽穗期莖鞘葉和穗吸磷量較其他類型均中等，而成熟期這2個指標均顯著高于其他類型，這主要是由于結實期莖鞘葉的磷素增加量較小，而穗部增加量較大，表明氮高效類型水稻生育后期具有較強的磷素吸收能力，結實期吸磷量占全生育期吸磷量的比例優(yōu)于其他類型也證實了這一點。但其磷素利用效率相關指標均處于中等或較低水平，每百公斤產量需磷量較高，而吸磷增量籽粒生產效率顯著高于其他類型，結合群體吸磷總量高的特點，可見氮高效類型水稻在磷素吸收能力及吸磷增量轉化為產量的能力均顯著高于其他類型。

3.3 氮高效水稻磷素吸收與氮素吸收及產量的相互關系

前人研究水稻磷、氮素吸收利用間關系，發(fā)現(xiàn)水稻對氮素和磷素的吸收間存在互作，當土壤缺氮時，水稻光合作用及呼吸作用均有所減弱，蛋白質、核酸、磷脂等物質合成受阻，植株矮小、產量降低[34]，而根區(qū)施氮則有助于水稻各器官磷含量和磷積累量的提高[35]。同樣，磷素的吸收利用也受到氮素的影響，可見，協(xié)同研究水稻氮素和磷素的吸收利用，或在氮高效水稻研究基礎上深入探索氮高效水稻的磷素吸收利用情況存在理論可行性[11]。盡管水稻對氮和磷的吸收受不同基因位點控制，但前人[11]篩選出了氮磷雙高效的品種，可見，氮高效吸收與磷高效吸收能夠有機統(tǒng)一起來。本研究發(fā)現(xiàn)氮高效水稻抽穗期、結實期和成熟期群體氮吸收與磷吸收關系均密切，全株含氮率與含磷率亦是如此，而磷素利用效率與吸氮量關系不大。氮磷吸收趨勢方面，抽穗期吸磷量大、抽穗后吸磷量小，但氮高效水稻抽穗后吸磷比例優(yōu)勢明顯，且抽穗期以莖鞘葉吸磷量較高，而成熟期以穗部吸磷量較高，對氮素的吸收亦是如此，可見水稻對氮與磷的吸收規(guī)律存在相似性[36]，但成熟期吸氮量與產量關系較成熟期吸磷量更為密切。

4 結論

本研究表明，供試遺傳群體水稻株系成熟期吸磷量差異較大，氮高效水稻吸磷量優(yōu)勢明顯，特別是在結實期，這與其單莖吸磷量和吸磷強度高有密切的關系，但磷素利用能力中等；氮高效水稻吸磷量與吸氮量關系密切，二者對產量均有顯著影響，但吸磷量的作用略小于吸氮量。