覆膜滴灌下氮素供应通过优化光合氮分配策略与促进生物量积累提高水稻产量

本研究针对传统淹灌水稻耗水高、氮素利用效率低的问题，探讨了覆膜滴灌水肥一体化模式下氮肥供应对水稻光合氮分配策略及产量形成的影响。通过两年田间试验发现，在滴灌条件下施用300 kg·ha?1氮肥可提高抗旱品种T-43的比叶重、叶绿素含量及光合氮向羧化系统(Pc)和光捕获组分(PL)的分配比例，进而提升光合氮利用效率(PNUE)和穗生物量，在保证产量的同时显著提高灌溉水生产率。该研究为干旱区水稻节水高产栽培提供了理论依据和技术途径。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，农业水资源短缺问题日益严峻。预计到2050年，全球约10%的稻田将面临不同程度的水资源短缺，而水稻作为养活全球半数人口的主粮作物，其需求还将增长30%。传统淹水灌溉方式虽然能保证水稻高产，但存在耗水量大、水分利用效率低、氮素流失严重等突出问题，在干旱半干旱地区尤为显著。如何突破水稻生产中的"水-粮"矛盾，实现节水增产协同提升，成为当前农业水资源管理面临的重要挑战。

覆膜滴灌水肥一体化技术作为干旱地区作物高产的重要技术保障，通过将地膜覆盖与滴灌系统相结合，实现了水肥同步精准管理。与传统淹灌相比，该技术可节约灌溉用水65%，减少化肥用量20，降低生产成本17.2%，且已在全球80多个国家和地区的小麦、玉米、棉花等作物中得到广泛应用。然而，关于覆膜滴灌条件下氮肥供应如何调控水稻叶片光合氮分配策略，进而影响光合氮利用效率(PNUE)和产量形成的内在机制尚不明确。

针对这一科学问题，研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了最新研究成果，通过两年田间试验系统探讨了不同灌溉方式和氮肥水平对水稻光合氮分配策略及产量形成的影响。研究采用裂区设计，以两个抗旱性不同的水稻品种(T-43抗旱高产型、LX-3优质抗旱敏感型)为主区，两种灌溉方式(传统淹灌FI、覆膜滴灌DI)为裂区，四个氮肥水平(0、150、300、450 kg·ha^?1)为再裂区。通过测定旗叶性状、氮素分配、光合氮利用效率和产量等指标，结合边界线分析和偏最小二乘路径模型，揭示了覆膜滴灌下氮肥调控水稻光合性能的生理机制。

研究主要采用了以下关键技术方法：使用便携式光合仪(LI-6400XT)测定光响应和CO₂响应曲线，通过生化模型拟合最大羧化速率(V_cmax)和最大电子传输速率(J_max)；采用分光光度法测定叶绿素含量，通过烘干称重法计算比叶重(LMA)，运用凯氏定氮法测定单位质量氮含量(N_m)并计算单位面积氮含量(N_a)；基于Niinemets和Tenhunen模型计算光合机构各组分氮分配比例；采用边界线分析方法量化各因素对PNUE的贡献率；利用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析氮分配、PNUE与产量形成的因果关系。

3.1. 单叶面积和比叶重

研究发现，随着施氮量增加，两个水稻品种的单叶面积呈增加趋势，但滴灌与淹灌处理间无显著差异。比叶重对灌溉方式的响应更为敏感，滴灌条件下T-43和LX-3的平均比叶重分别比淹灌高17.3%和9.2%。这表明在水分相对有限的滴灌条件下，水稻倾向于采取保守策略，将氮素优先用于增加叶片厚度以维持物质生产能力。

3.2. 叶绿素含量

叶绿素含量测定结果显示，滴灌处理下两个水稻品种的总叶绿素含量显著低于淹灌处理，但T-43的叶绿素a/b比滴灌处理比淹灌高28.8%。在不同灌溉方式下，T-43的总叶绿素含量峰值均出现在N₃₀₀处理，表明适宜氮供应能有效促进叶绿素生物合成。

3.3. 叶片氮含量

单位质量氮含量(N_m)和单位面积氮含量(N_a)分析表明，滴灌处理下T-43和LX-3的N_m分别比淹灌高7.6%和24.5%，N_a分别高32.7%和45.1%。这表明灌溉方式转变导致水稻叶片氮积累特征发生显著变化。

3.4. 光合机构氮分配

氮分配比例结果显示，滴灌处理下T-43和LX-3羧化系统(P_c)和光捕获组分(P_L)的氮分配比例分别比淹灌低32.3-109.1%和18.9-69.6%。两种灌溉方式下，T-43的P_L峰值均出现在N₃₀₀处理，表明适宜氮供应能优化光合组分氮分配。

3.5. 最大羧化速率和最大电子传输速率

光合参数测定发现，滴灌处理下两个品种的V_cmax和J_max分别比淹灌低42.0%、22.7%和16.4%、9.9%。两种灌溉方式下，T-43的J_max峰值均出现在N₃₀₀处理，表明适宜氮供应能改善光合电子传输能力。

3.6. 最大光合速率和光合氮利用效率

最大净光合速率(P_max)和PNUE分析显示，滴灌处理下两个品种的PNUE显著低于淹灌35.1-93.7%，但T-43的P_max在两种灌溉方式间无显著差异。两种灌溉方式下，T-43的P_max和PNUE峰值均出现在N₃₀₀处理，表明适宜氮供应能协同提升光合能力和氮利用效率。

3.7. 生物量积累

干物质积累测定表明，滴灌处理下两个品种的穗生物量比淹灌低22.7-152.7%。两种灌溉方式下，T-43的穗生物量峰值均出现在N₃₀₀处理，表明适宜氮供应能促进光合产物向籽粒分配。

3.8. 产量和灌溉水生产率

产量和水分生产率分析显示，滴灌处理下两个品种的产量与淹灌无显著差异，但灌溉水生产率显著提高41.1-57.8%。T-43在N₃₀₀处理下产量最高，比其它氮肥处理高2.6-49.4%，表明适宜氮供应能实现节水增产协同提升。

3.9. 氮分配与光合氮利用效率的关系

偏最小二乘路径模型分析表明，滴灌条件下单位质量氮含量(N_m)直接调控叶片各组分氮分配比例(-0.91)和光合速率(1.06)，进而影响PNUE(-0.44和0.72)，最终显著影响产量形成(1.23)。边界线分析进一步揭示，羧化系统氮分配比例(P_c)是滴灌水稻PNUE的主要限制因子，贡献率达11.5%。

研究结论表明，从传统淹灌转变为覆膜滴灌降低了水稻穗生物量和PNUE，但提高了比叶重、叶绿素a/b比、单位质量和单位面积氮含量，且抗旱品种T-43的P_max和产量未显著降低。增施氮肥提高了T-43的比叶重、J_max、P_max、P_C、P_L、穗生物量和产量，其中N₃₀₀处理效果最佳。

讨论部分深入分析了水分-氮素互作调控水稻光合性能的生理机制。研究表明，覆膜滴灌条件下近60%的氮被分配至非光合组分，这一比例远高于淹灌条件，这可能是由于灌溉方式转变导致水稻氮分配向防御(细胞壁)倾斜，与叶片厚度的显著增加一致。适宜氮供应(300 kg·ha^?1)通过优化光合组分氮分配，提高了羧化效率和光捕获能力，在保证抗逆性的同时促进了碳水化合物积累和光合氮利用效率提升。抗旱品种T-43在水分受限条件下采取资源优化策略：一方面优先将氮分配至关键光合组分(羧化系统)维持较高净光合速率保障碳供应；另一方面优先将同化物分配至籽粒而非营养器官，在减少营养生长的同时保证产量。

该研究的重要意义在于揭示了覆膜滴灌条件下氮肥调控水稻光合氮分配策略及产量形成的生理机制，明确了适宜氮供应(300 kg·ha^?1)通过提高比叶重和叶绿素含量，促进氮向光合系统的羧化和光捕获组分分配，进而提升PNUE和干物质积累，最终实现节水增产。该研究为干旱区水稻节水高产栽培提供了理论依据和技术途径，对促进农业生产可持续发展和保障粮食安全具有重要实践价值。