增密减氮对不同类型水稻品种颖花形成的影响

种浩天 尚 程 张运波,2 黄礼英,2

（1长江大学农学院，434025，湖北荆州；
2长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，434025，湖北荆州）

水稻的每穗颖花数对产量形成十分重要，每穗颖花数取决于抽穗期的颖花现存数，而抽穗期颖花现存数主要取决于幼穗分化期的颖花分化数和退化数[1]。

氮肥和种植密度是影响水稻颖花分化和退化的重要农艺管理措施。施用氮肥能促进植株分蘖和颖花分化，从而增加分蘖数和每穗颖花数，使产量上升[2]。种植密度是调控水稻群体大小的主要措施，随着种植密度的增加，水稻茎蘖数和有效穗数增加，而每穗颖花数下降[3]，下降幅度在不同品种间存在差异。因此调节氮肥水平与种植密度以协调水稻个体与群体之间的关系，将有利于实现水稻高产，提升氮肥利用效率。增密减氮栽培也是目前水稻生产上被广泛利用的、能有效降低氮肥施用量、提高氮素利用效率和产量的栽培方式[2-4]。

目前对增密减氮栽培下不同类型水稻品种颖花分化与退化的影响以及品种颖花分化和退化差异形成的原因研究的较少。本研究以大面积种植的籼粳杂交稻（甬优4949）、超级杂交稻（扬两优6号）和常规籼稻（黄华占）为材料，研究增密减氮栽培对其颖花分化与退化的影响，通过测定一次和二次枝梗数、每穗颖花分化数和退化数、干物质积累量等指标，研究不同品种颖花差异形成的原因，探讨颖花发育状况与产量之间的关系，为增密减氮管理措施的优化提供理论依据。

1.1 试验地概况

试验于2020年在湖北省荆州市长江大学农业科技园进行，试验地土壤为灰潮土，土壤pH 6.5、有机质20.7g/kg、全氮1.8g/kg、有效磷29.7mg/kg、有效钾128.9mg/kg。试验地每年仅种植一季中稻，冬季空闲。2020年试验地水稻生育期的日平均最高气温和日平均最低气温分别为28.2℃和21.5℃，日平均辐射量为 13.3MJ/(m2·d)（图 1）。

图1 水稻移栽到成熟期日平均最高温、最低温和辐射量的变化Fig.1 Daily maximum and minimum temperature,and solar radiation during rice growing season from transplanting to maturity

1.2 试验材料

以甬优4949、扬两优6号和黄华占为试验材料。甬优4949由宁波市种子有限公司和武汉佳禾生物科技有限责任公司利用高光效育种培育的三系籼粳杂交中稻品种，目前在湖北地区的种植面积已达到1万hm2以上。扬两优6号和黄华占分别是当地大面积种植、生长和产量表现较好的杂交稻和常规籼稻品种，具体信息见表1。

表1 供试品种信息Table 1 Information about varieties used in the experiment

1.3 试验设计

采取裂―裂区设计，氮肥处理为主区，设置减氮（90kg/hm2）和正常氮（180kg/hm2）2个氮肥处理；
移栽密度为副区，设置正常密度（30cm×15cm）和增密（20cm×15cm）2个移栽密度处理；
3个品种为副副区，3个重复，每个小区约20m2。施氮处理小区基肥、分蘖肥和穗肥比为4:3:3。所有处理磷、钾肥一致，磷肥用量为40kg/hm2，采用过磷酸钙作肥源，作为基肥一次性施入；
钾肥用量为100kg/hm2，采用氯化钾作肥源，基肥和穗肥等比例施入。预发芽的种子播种在苗床上，采用水育秧管理方式，31d的秧龄于6月8日进行手插秧移栽，每蔸栽插2株秧苗。按照高产栽培的方式进行田间精细管理，及时控防病虫。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 生长分析 在水稻幼穗分化期取样进行农艺性状的测定。幼穗分化期判定标准为肉眼看到幼茎生长点顶端出现白色绒毛，依据此标准，甬优4949、扬两优6号和黄华占的幼穗分化期分别为7月5日-6日、7月14日-15日和7月7日-8日。在每个小区随机选取生长一致的12蔸植株，测定株高和分蘖数，将植株分为叶片和茎秆放入80℃烘箱烘至恒重，然后测定各部分干重，并计算干物质总重。

1.4.2 颖花分化和退化的统计 在水稻分蘖早期标记主茎，并在水稻抽穗期每小区选取大小一致且抽出1/2～3/4的主茎穗10个，用于调查单茎颖花分化和退化。方法为肉眼观察计数一次和二次枝梗数、每穗颖花现存数和每穗颖花退化数。

每穗颖花分化数=每穗颖花现存数+每穗颖花退化数。结合成熟期的总颖花数和成熟期的干物质积累、总氮素吸收、从移栽至成熟期的总有效积温（≥10℃的日积温之和）和总累计辐射，计算干物质颖花生产效率、氮素颖花生产效率、积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率。计算公式如下：

干物质颖花生产效率（No./g）=成熟期的总颖花数/成熟期的干物质；
氮素颖花生产效率[No./(mg·N)]=成熟期的总颖花数/成熟期的总氮素积累量；
积温颖花生产效率[No./(m2·℃)]=成熟期总颖花数/移栽至成熟期的有效积温；
辐射颖花生产效率（No./MJ）=成熟期总颖花数/移栽至成熟期累计的太阳辐射。

1.4.3 产量及其构成因素 在水稻成熟期，从每个小区中央选取5m2进行人工收割并记载蔸数，将测产小区的稻穗脱粒，并置于自然条件下风干，去掉杂质和空秕粒。风选后称量测产小区的稻谷总重，然后利用谷物水分仪（DMC-700，美国）测定稻谷的含水量，换算成含水量为14%的产量。另外，在成熟期的邻近测产区四周取样12蔸，记录每蔸穗数和株高后将植株分成叶片、茎秆和穗子。然后将叶片和茎秆放入80℃烘箱烘至恒重后称干重。穗样手工脱粒，枝梗样置于80℃烘箱烘干至恒重后称重。籽粒脱粒后自然风干，而后水选将实粒和空秕粒分开，晒干后置于室内至吸湿平衡，再用风选机（FJ-1，中国）将空粒和半饱粒分开。分别称量实粒、半饱粒和空粒的风干总重量，然后从实粒中称取3份30g小样，从空粒中称取3份2g的小样，记录每份小样的粒数，半饱粒全数。将所有小样置于烘箱中烘至恒重后称干重。计算单位面积穗数、每穗颖花数、单位面积颖花数、结实率（实粒数/总粒数×100）和千粒重等产量构成因素。成熟期的总干重为成熟期各器官干重的总和。

1.4.4 成熟期氮素积累 将成熟期植株分为叶片、茎秆、饱粒、半饱粒+空粒+枝梗4个部分进行氮素浓度的测定。各部分样品烘干称重后粉碎，过1mm筛后用碳/氮元素分析仪（Elementar Trading Co.，Ltd，德国）测定各组织氮素浓度，再根据各部分生物量计算各器官的氮素含量。成熟期的总氮素积累量即为各器官氮素积累量之和。

1.5 数据处理

采用Excel 2010整理试验数据，采用Statistix 9进行方差分析，LSD0.05水平上进行多重比较，采用SigmaPlot 12.5进行作图。

2.1 不同氮肥和密度下不同类型水稻的产量及其构成因素

由表2可知，品种、氮肥和种植密度对水稻产量均有显著影响。正常氮肥和减氮处理的产量分别为8.64和7.89t/hm2，减氮处理产量降低8.7%，有效穗数降低6.0%，总颖花数降低10.1%；
增密和正常密度处理的产量分别为8.79和7.74t/hm2，增密处理产量增加13.6%，有效穗数增加24.4%，总颖花数增加8.0%。甬优4949、扬两优6号和黄华占在减氮条件下增密处理产量分别增加17.8%、22.2%和10.2%，而3个品种在正常氮肥条件下增密处理产量分别增加10.5%、16.6%和4.2%。由此可见，增加种植密度在减氮条件下的增产幅度大于在正常氮肥条件下的增产幅度。结实率和千粒重均不是增密减氮条件下导致产量变化的主要因子。

表2 不同氮肥和密度处理下不同类型水稻的产量及其构成因素Table 2 Yield and its components under different N level and planting density treatments

2.2 不同氮肥和密度下不同类型水稻的颖花分化和退化

由表3可知，减氮对一次枝梗数、二次枝梗数、颖花分化数、退化数和现存数影响较小，而增加种植密度显著降低了供试品种的颖花分化数和颖花现存数，下降幅度分别为11.1%和11.6%。颖花分化数与退化数存在显著的品种间差异，甬优4949颖花形成优势明显，其一次枝梗数、二次枝梗数、颖花分化数和颖花现存数分别比扬两优6号高30.9%、13.7%、27.5%和23.4%；
而与黄华占相比，其一次枝梗数、二次枝梗数、颖花分化数和颖花现存数分别高24.7%、24.7%、43.6%和40.4%。甬优4949较高的每穗颖花现存数增加了成熟期的每穗颖花数，因而扩大了库容，提高了产量。

表3 不同氮肥和密度处理下不同品种水稻的颖花分化和退化数Table 3 Spikelet differentiation and degeneration under different N levels and planting density treatments in different rice varieties

2.3 每穗颖花现存数与成熟期每穗颖花数的关系

由图2可知，幼穗分化期每穗颖花现存数与成熟期每穗颖花数呈显著的正相关关系，这表明成熟期的每穗颖花数取决于幼穗分化期的颖花现存数，提高颖花分化形成期的颖花分化数并减少颖花退化数有利于形成大的库容和高的产量。

图2 每穗颖花现存数与成熟期每穗颖花数之间的关系Fig.2 The relationship between the number of surviving spikelets per panicle and the number of spikelets per panicle at maturity

2.4 颖花的形成

由图3可知，每穗颖花分化数与一次枝梗数和二次枝梗数均呈显著的正相关关系，因此从穗部结构上看，一次枝梗数和二次枝梗数尤其是二次枝梗数对颖花分化数以及成熟期每穗颖花数的影响最大。

图3 一次枝梗数、二次枝梗数与每穗颖花分化数之间的关系Fig.3 The relationships between the number of differentiated spikelets per panicle with the number of primary branches and secondary branches

从物质生产上看，颖花分化数与幼穗分化期的干物质积累呈极显著的正相关关系（图4），表明幼穗分化期充足的干物质生产对颖花分化数的形成起着至关重要的作用。

图4 幼穗分化期干物质积累与每穗颖花分化数之间的关系Fig.4 The relationship between dry matter weight at panicle initiation stage and the number of differentiated spikelets per panicle

2.5 干物质、氮素、积温和积累的太阳辐射的颖花生产效率

由表4可知，氮肥、密度、品种以及氮肥和密度的交互作用对水稻的总干物质积累量、积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率有显著影响。不同氮肥和密度下干物质颖花生产效率没有显著性差异，但不同品种间差异显著。水稻的积温颖花生产效率、辐射颖花生产效率和总干物质积累量在减氮处理下显著降低，降幅分别为8.9%、8.7%和9.4%；
而在增密处理下积温颖花生产效率、辐射颖花生产效率和总干物质积累量分别增加7.4%、7.3%和10.5%。增加种植密度在提高总干物质积累的同时并未显著降低干物质颖花生产效率，且增密显著提高了积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率，这表明增加种植密度有利于提高水稻群体对光温资源的利用，从而提高单位面积颖花数、扩大库容，而增加的干物质积累又为大库容提供了充足的物质保障，进而提高了产量。甬优4949的积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率显著高于扬两优6号和黄华占，分别比扬两优6号高45.2%和43.9%，分别比黄华占高14.4%和13.5%，同时甬优4949相比于扬两优6号有显著较高的干物质颖花生产效率。

表4 干物质、有效积温、积累辐射量和全氮吸收的颖花生产效率Table 4 Spikelet production efficiency based on total dry matter weight,effectively accumulated temperature,accumulated radiation from transplanting to maturity and total N uptake at maturity

3.1 增密减氮对不同类型水稻品种产量的影响

水稻产量是由4个产量构成因素综合作用的结果。前人的研究表明，在产量构成因素中，水稻籽粒重相对稳定[5-6]，因此水稻产量的提高主要归因于库容的不断增加，尤其是颖花数的增加[7]。本研究在不同的氮肥和密度处理下，3个供试品种的水稻产量都与总颖花数相关，这表明颖花数直接影响水稻产量。

本研究中，甬优4949、扬两优6号和黄华占在增加种植密度后每穗颖花数降低，但有效穗数增加，单位面积总颖花数增加。在所有氮肥和密度处理下，甬优4949和扬两优6号的产量均显著高于黄华占。甬优4949产量最高的原因是其具有显著较高的每穗颖花数和总颖花数，这与Wei等[8]的研究结果一致。

在减氮处理下，增密后甬优4949、扬两优6号和黄华占的产量相较于正常密度下显著增加，且扬两优6号的产量增幅最大，与王之旭等[9]认为水稻产量的提高主要归因于库容不断增加，尤其是颖花数的增加不一致，这可能与水稻生育期内低温多雨的特殊天气有关。甬优4949有效穗数和每穗颖花数显著下降，从而导致总颖花数严重降低，未能发挥其高产潜力。而扬两优6号由于其生育期晚，在其颖花分化退化时未受特殊天气的不利影响。氮肥和密度处理影响干物质积累、一次和二次枝梗数，进而影响颖花分化与退化，导致成熟期颖花数发生改变，从而对水稻库容产生影响，最终引起水稻产量的变化。

3.2 增密减氮对不同类型水稻品种颖花分化与退化的影响

在本试验中发现每穗颖花分化数与一次枝梗数、二次枝梗数及幼穗分化期干物质积累均有显著的正相关关系。这与戚昌瀚[10]认为干物质积累与颖花分化有关相一致。且本试验研究发现，二次枝梗数对颖花分化数以及成熟期每穗颖花数的影响最大。然而，在研究不同氮肥和密度处理对颖花分化和退化的影响时发现，在减氮处理下增加种植密度显著降低甬优4949幼穗分化期的颖花现存数和颖花分化数，但显著增加了单位面积有效穗数，提高了单位面积颖花数，由此增大了库容，导致产量增加。单玉华等[11]研究表明，大库容品种具有较高的产量、氮素籽粒生产效率和氮素收获指数。因此增密能显著补偿减氮对甬优4949单位面积颖花数和库容的不利影响。因此培育幼穗分化期高干物质积累的品种或采用合理的栽培管理措施增加幼穗分化期颖花现存数有利于进一步增加产量。

3.3 增密减氮对不同类型水稻品种颖花生产效率的影响

本研究发现，随着氮肥的减施，氮素颖花生产效率随之提升。前人[12-13]研究发现，干物质颖花生产效率和氮素颖花生产效率也影响颖花的形成。Yoshinaga等[14]研究表明，高的氮素颖花生产效率是水稻形成大库容的主要原因。本研究发现，减施氮肥降低了颖花干物质生产效率、辐射颖花生产效率、积温颖花生产效率和成熟期的总干物质积累量，但增加密度对于以上指标均有显著的增加效应。王亚梁等[15]研究发现，穗分化期间有效积温和总辐射量增加能有效增加颖花分化数，Ansari等[16]指出，每穗颖花分化数主要与幼穗形成期单茎干物质和氮素积累有关。氮肥与密度的互作研究发现，增加种植密度能够有效补偿减施氮肥带来的颖花生产效率的减损，尤其是增加积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率，提高植株对光温资源的利用，从而提高成熟期的总颖花数，扩大库容，提高产量。这一效应在甬优4949品种上更加显著。Huang等[17]研究发现，甬优4949相比于扬两优6号和黄华占具有显著较高的积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率。因此，增密对于大穗型品种在减氮条件下的库容有更好的补偿效应，更适合于增密减氮栽培。

增加密度可以增加有效穗数，从而使总颖花数增加，产量提高。增密能显著补偿减氮对甬优4949单位面积颖花数和库容的不利影响，从而提高库容，最终实现增产。一次枝梗数、二次枝梗数和干物质积累量对颖花分化数贡献较大。干物质积累量越多，水稻增产潜力越高。从颖花生产效率来看，减氮显著降低了积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率，但显著增加了氮素颖花生产效率，而对干物质颖花生产效率无显著影响；
增密显著增加了积温颖花生产效率和辐射颖花生产效率，因此在同等光温条件下，有利于每穗颖花数最终的形成，进而提高产量。