0 引言
水分和氮素是调控作物产量和品质的二大重要因素，也是人为调控最频繁、影响最大的作物生长环境因子[1-3]。随着人口增长和经济的发展，需要加大水肥资源的投入以保证产量，但又面临着水资源匮乏和环境污染加重的问题，这是生产上亟待解决的矛盾，也是国内外水稻栽培领域的研究热点[2,4-5]。已有研究表明，在一定范围内氮素和水分有明显的协同作用，适度增施氮肥可以提高产量和改善稻米品质；结实期重度干湿交替灌溉会降低产量和稻米品质，但轻度干湿交替灌溉既能保证产量又可以改善稻米品质[6-9]。籽粒碳氮代谢终产物淀粉和蛋白质分别占稻米干质量的90%和8%左右，其含量、分布、空间结构及理化特性共同决定了水稻籽粒的品质。水稻籽粒中蔗糖合酶（SS）是催化蔗糖降解的关键酶，ADP焦磷酸化酶（ADPGase）、可溶性淀粉合酶（SSS）和淀粉分支酶（Q酶）活性是碳代谢过程中淀粉合成的3个关键酶，结实期灌溉方式对籽粒中蔗糖合酶、ADP葡萄糖焦磷酸化酶、可溶性淀粉合酶和Q酶活性有明显影响，轻度干-湿交替处理明显提高了上述4种酶的活性，而重度干-湿交替处理则显著降低了上述酶的活性[10]。谷草转氨酶（GOT）和谷丙转氨酶（GPT）是籽粒中氮代谢的关键酶[11]，与籽粒中蛋白质和氨基酸量密切相关。关于水氮互作对水稻籽粒氮代谢酶活性的影响，以及淀粉、蛋白质量等品质指标与氮代谢酶活性关系的研究均较少。
控制灌溉作为国家重点推广的水稻节水灌溉技术之一，其特点是在发挥水稻适应能力和自我调节机能的基础上，根据不同生育期对水分敏感程度调节水稻耗水过程[12-13]。然而，灌溉方式和施氮量对水稻产量与品质的交互影响作用研究相对较少，且大多在盆栽条件下进行，水分处理设置在结实期以后，研究结论也不尽一致[10,14-15]。水稻产量及品质对控制灌溉和氮素交互作用的响应仍需进一步阐明。为此，观察了灌溉方式和施氮量交互作用下水稻产量和品质变化，分析了结实期籽粒碳氮代谢关键酶活性变化与稻米加工、外观品质以及籽粒淀粉、蛋白质等理化组分的关系，以期为水稻的优质高产高效栽培提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2015—2016年在中国农业科学院新乡综合试验基地进行。土质为沙壤土，耕层有效氮质量分数为24.38 mg/kg，速效磷质量分数为53.68 mg/kg，速效钾质量分数为158.62 mg/kg。年平均气温为14.1℃，年平均降水量为600 mm左右，其中7—9月降水较多，占全年降水量的70%以上。多年平均蒸发量为2 000 mm左右。供试品种为沿黄稻区主栽常规粳稻品种新稻22和新稻10号，其生育期基本一致，5月12—13日播种，6月13—14日移栽，8月25日抽穗，10月15日收获。移栽株行距13 cm×30 cm。
试验采用二因素裂区设计，灌溉方式为主区，氮素水平为裂区。设置2种灌溉模式：1）常规灌溉（W），返青期保持5～20 mm的水层，分蘖后期晒田，黄熟期自然落干，其他各生育期建立0～40 mm水层，当田面无水层时进行灌溉；2）控制灌溉（D），除移栽后保持5～20 mm水层返青活棵外，其余生育期均不再建立水层，根层土壤水分控制上限为土壤饱和含水率，下限根据不同生育期分别取土壤饱和含水率的60%～80%，即分蘖期为土壤饱和含水率的60%～70%（前期高，后期低），拔节孕穗期为土壤饱和含水率的70%～75%，抽穗开花期为土壤饱和含水率的75%～80%，乳熟期为土壤饱和含水率的65%～70%。每小区埋设HOBO土壤水分监测探头，埋设深度分别为10、20、30、40、60 cm，当土壤含水率达到控制下限时灌水至饱和（土壤水分控制下限依据前期试验）。氮肥使用尿素（含氮量46%），氮素水平设低肥（LN，90 kg/hm2纯氮）、中肥（MN，180 kg/hm2纯氮）和高肥（HN，270 kg/hm2纯氮）3个处理，以不施肥为对照（CK）。基肥∶蘖肥∶穗肥=1∶1∶2，其中穗肥分别于倒四叶和倒二叶叶龄期等量施入；P、K肥同常规栽培，基施P2O5150 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。小区面积13 m×25 m，3次重复，小区间挖1 m深沟并铺塑料薄膜隔开，然后筑埂以防串水串肥，每小区铺设PVC管进行灌溉，灌水量用水表单独计量。其余管理措施按常规栽培要求实施。控制灌溉返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和乳熟期分别灌水76.7、217.2、226.4、111.0、和254.0 mm，全生育期灌溉885.4 mm；淹水灌溉分别为76.7、339.1、303.3、153.9和378.1 mm，全生育期灌溉1 251.2 mm。
1.2 测定项目与方法
于抽穗期（50%穗抽出剑叶叶鞘）各小区选择穗型大小基本一致的穗子100个并挂牌，分别于抽穗后的10、20、30 d各小区取标记穗15～20个，摘下所有籽粒并剔除空粒和病虫粒，在液氮中冷冻30 s，然后置-70℃冰箱中保存，剥去颖壳后用于酶活性测定。籽粒中蔗糖合酶（SS）、ADPG焦磷酸化酶（ADPGase）、可溶性淀粉合酶（SSS）和淀粉分支酶（Q酶）等碳代谢相关酶活性的测定参照程方民等[16]和赵步洪等[17]的方法。谷草转氨酶（GOT）和谷丙转氨酶（GPT）等氮代谢相关酶的取样方法同上，粗酶液提取后参照吴良欢等[18]的方法测定酶活性。
成熟期去除边行后每小区实收计产。每小区取样30穴用于考种，考察穗数、穗粒数、结实率和千粒质量。稻谷风干3个月后进行米质测定，主要测定项目有：粒长、粒宽、糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、淀粉量（直链淀粉，支链淀粉）和（粗）蛋白质量等。测定方法参照中华人民共和国国家标准《GB/T17891—1999优质稻谷》执行，其中蛋白质量以精米为测试样测定其含氮量，然后乘以换算系数5.95。
1.3 数据处理
利用DPS（Data Processing System，浙江大学昆虫科学研究所）软件对试验数据进行统计分析。产量结果采用2 a数据，其余结果在年度间无显著差异且规律基本一致，仅采用2015年数据进一步分析。
2 结果与分析
2.1 灌溉方式和施氮量对水稻产量及其构成因素的影响
方差分析表明，产量及其构成因素主要受施氮水平的影响（表1、表2），灌溉方式及其与氮肥的互作则主要影响穗数（新稻10号）和千粒质量（表1）。随施氮量的增加，2015年产量表现为MN处理＞HN处理＞LN处理＞CK，各处理间差异未达显著水平；2016年表现为HN处理＞MN处理＞LN处理＞CK，高氮和中氮处理间差异不显著，但显著高于低氮和CK。2015年，增施氮肥虽然增加了穗数，但处理间差异并不显著，且HN处理结实率显著下降，最终产量以MN处理最高；2016年，结实率和千粒质量随施氮量增加而下降，但穗数显著增加，产量提高，处理间差异显著。由此可见，增施氮肥主要影响穗数进而影响产量[21]。与常规灌溉相比，控制灌溉下新稻22号和新稻10号的产量（氮素处理均值）分别下降10.5%和12.6%（2015年）、2.1%和0.8%（2016年）。2015年控制灌溉产量下降较多（未达显著水平），可能与分蘖期土壤水分控制下限偏低有关，加之7月底降雨较多（未能充分晒田控制无效分蘖），导致分蘖成穗率显著下降。因此，在水稻幼穗分化期可适当加大对稻田水分的供应，以降低对水稻有效穗数形成的限制。
表1 2015年灌溉方式和施氮量对水稻产量及其构成因素的影响
注 同栏内同列不同字母表示在P=0.05水平上差异显著。W为常规灌溉；D为控制灌溉；I为灌溉方式；N为氮素水平；I×N为灌溉方式与氮素互作。*、**表示方差分析显著、极显著。下同。
表2 2016年灌溉方式和施氮量对水稻产量及其构成因素的影响
2.2 灌溉方式和施氮量对稻米品质的影响
2.2.1 灌溉方式和施氮量对稻米加工和外观品质的影响
灌溉方式对稻米的加工及外观品质无显著影响，施氮量对2个品种的加工及外观品质影响略有不同，对新稻22号的糙米率、精米率和垩白粒率有极显著的影响，对新稻10号的糙米率和精米率有极显著的影响；施氮量与灌溉方式的互作主要影响稻米的垩白粒率（表3）。随施氮量增加，稻米加工品质和外观品质各指标无显著变化，但在控制灌溉下HN处理整精米率下降，垩白粒率增大，因此，施氮量应以180 kg/hm2纯氮为宜。灌溉方式和施氮量对籽粒长宽比无显著影响。
表3 灌溉方式和施氮量对稻米加工和外观品质的影响
2.2.2 灌溉方式和施氮量对籽粒淀粉和蛋白质量的影响
由表4可知，施氮量对2个品种粗蛋白量有极显著的影响，而灌溉方式及其与施氮量的互作对2个品种的淀粉组分影响不同。对于米质较优的新稻22号，灌溉方式与施氮量的互作影响其直链淀粉、粗蛋白量以及直支比，新稻10号则主要影响其总淀粉和支链淀粉量。灌溉方式对新稻22号的淀粉组分和粗蛋白量无显著影响，而对新稻10号的总淀粉、支链淀粉和直支比有显著影响。粗蛋白量随施氮量的增加而增加，且控制灌溉略高于常规灌溉，未达显著水平。总淀粉、直链淀粉和支链淀粉量随施氮量增加呈先增后降的趋势，各处理间差异不显著。与常规灌溉相比，控制灌溉下新稻10号总淀粉和支链淀粉量显著下降，直支比显著增加；新稻22号各淀粉组分无显著变化。
2.3 灌溉方式和施氮量对籽粒碳氮代谢相关酶活性的影响
表5为不同灌溉方式和施氮量下籽粒碳氮代谢相关酶活性方差分析。籽粒碳代谢相关的ADP葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGase）、蔗糖合酶（SuSase）、可溶性淀粉合酶（SSSase）和淀粉分支酶（Q酶）活性随施氮量的增加呈先增后降的趋势，MN处理下活性最高，籽粒氮代谢相关的谷氨酸草酰乙酸转氨酶（GOT）活性随施氮量的增加而增加，谷氨酸丙酮酸转氨酶（GPT）活性则在HN处理下下降，处理间差异显著。与常规灌溉相比，控制灌溉显著提高了Q酶和GOT活性，ADPGase、SS、SSS和GPT活性则显著降低。新稻22号Q酶和GOT活性提高5.5%和2.9%，ADPGase、SS、SSS和GPT活性分别下降9.1%、1.8%、4.4%和11.6%；新稻10号Q酶和GOT活性提高1.7%和5.0%，ADPGase、SS、SSS和GPT活性分别下降8.5%、15.2%、3.1%和1.6%。；以往研究表明[9-10]，结实期中度干-湿交替处理下籽粒ADPGase、SS、SSS和Q酶活性明显提高，而重度干-湿交替处理下上述4种酶活性显著降低，而本研究中控制灌溉下籽粒ADPGase、SS、和SSS酶活性显著下降，这可能与灌溉方式的不同及氮肥的施用有关。
表4 灌溉方式和施氮量对籽粒淀粉和蛋白质量的影响
表5 灌溉方式和施氮量对籽粒碳氮代谢相关酶活性的影响
注 表中数据为花后10、20和30 d的3次测定的平均值。
将籽粒碳氮代谢相关酶的平均活性与稻米的品质指标进行相关分析。由表6可知，Q酶活性与稻米、糙米率、精米率、整精米率和支链淀粉量显著正相关，与直链淀粉量显著负相关；SS、SSS和GOT活性与糙米率显著或极显著正相关；SSS活性与籽粒垩白度极显著负相关，与总淀粉量极显著正相关；GOT活性与籽粒粗蛋白量糙米率极显著正相关。
表6 籽粒碳氮代谢相关酶与稻米品质相关性
3 结论与讨论
控制灌溉下土壤处于频繁的干湿交替状态，理化性状得到改善，同时植株蒸腾耗水有效减少，促进了水稻的根系生长和叶片的光合作用，有利于产量和品质的提升[12]。本研究中，施氮量为180 kg/hm2纯N时2个品种产量较高，而高施氮量导致水稻植株贪青晚熟，籽粒中碳代谢相关酶活性降低，淀粉积累速率和积累量下降，产量降低；与常规灌溉相比，控制灌溉灌水量减少29.2%，产量有所下降，但差异并不显著。
稻米品质的形成主要由遗传因素控制，但同时又受到栽培措施的影响。在本研究所采用的控制灌溉下，MN处理2个品种的整精米率提高，新稻22号的垩白粒率和垩白度下降，新稻10号的垩白粒率增大，但都未达显著水平，由此可见，灌溉方式和施氮量对稻米的加工及外观品质有一定影响，其对品质的增益或恶化效应与品种密切相关。已有研究[19-21]表明，结实期干湿交替灌溉下稻米的加工品质和外观品质均以土壤轻度落干的处理较高或较优，本研究结果也表现出相近趋势，但由于所采用的灌溉方式、处理时期以及水稻品种不同，结论不尽一致，仍需进一步试验研究。
碳代谢和氮代谢是水稻籽粒灌浆期最主要的2种代谢过程，其终产物淀粉和蛋白质分别占稻米干质量的90%和8%左右，是影响稻米品质形成的主要生化基础。Prakash等[22]的研究结果表明，籽粒中蛋白质积累和淀粉积累存在相互消长的关系。增施氮肥促进籽粒蛋白质积累，抑制籽粒中淀粉量的组成，主要是降低了支链淀粉的积累。本研究中，控制灌溉和增施氮肥提高了籽粒中蛋白质量，总淀粉量和支链淀粉量呈先增后降的趋势，直链淀粉量各施氮处理间差异不显著，这可能与籽粒灌浆过程中碳代谢和氮代谢过程存在相互促进同时又相互制约的互作效应有关。已有研究表明[23-25]，籽粒中SS是催化蔗糖降解的关键酶，其活性的大小与库端同化物的卸载能力密切相关，进而决定着籽粒的库强；而ADPGase为淀粉生物合成的限速酶，该酶活性的大小直接影响淀粉合成的速率和最终合成量；GOT和GPT是GS/GOGAT途径中氨同化和利用（氨基酸合成）的关键酶。本研究中，控制灌溉下Q酶和GOT活性提高，而ADPGase、SS和SSS活性下降；碳氮代谢关键酶活性与籽粒品质性状的相关分析也表明，Q酶、SSS和GOT与籽粒直链淀粉、支链淀粉、总淀粉和蛋白质量存在显著或极显著的相关性。然而，籽粒灌浆过程中的一系列酶促反应是非常复杂的过程，其对稻米品质形成的影响机理仍需深入探索。
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