水稻氮高效栽培技术、品种改良和生理机制研究进展

杨德生，黄冠军，李勇，黄见良，王飞

作物遗传改良国家重点实验室/华中农业大学植物科学技术学院，武汉 430070

现阶段我国农业生产正面临转型时期新的挑战和机遇，如何将粮食高产、资源高效和环境安全并重，创建高产、优质、高效、生态和安全的作物生产体系，是我国作物栽培学科未来长期的研究方向[1-3]。水稻品种矮秆化、杂种优势利用和理想株型建立大幅提高了水稻品种的产量潜力，而配套栽培措施的优化与推广则保证了品种的产量潜力在生产中转变为实际产量。一般认为，品种改良和栽培管理技术提高各占以往水稻增产贡献的一半。然而，当前水稻育种已经发展到了较高水平，新品种的产量潜力优势并不明显。因此，实现水稻产量和资源利用效率的协同提高，减少水稻生产对环境的负面影响将主要依靠栽培管理技术的优化[4]。

氮素是作物生产中需求量最大的矿质元素，全球粮食增产的40%～60%可归因于化肥施用，可见氮肥对于全球粮食安全至关重要[5]。“绿色革命”通过引入水稻和小麦的半矮杆基因sd1(semi-dwarf 1)和Rht-1(reduced height-1)培育了矮秆、抗倒和耐肥的高产品种，大幅提高了收获指数和籽粒产量，但也同时降低了作物的氮素响应和氮素利用效率(nitrogen use efficien，NUE)[6]。在我国，受“高投入等于高产出”等观念驱使，农民不合理和盲目过量施肥现象相当普遍[7]。我国氮肥消费量居全球首位，约占全球氮肥消费总量的30%，而农田NUE仅为40%[6]。虽然我国主要粮食作物(水稻、玉米和小麦)的单产呈逐年增长趋势，保证了我国的粮食安全，但肥料尤其是氮肥投入量的年增幅更为明显(图1)。我国水稻生产消耗了近1/4的氮肥资源，但稻田NUE仅为30%～35%。我国一季水稻的平均氮肥施用量为180 kg/hm2，高出全球稻田平均用量75%以上，而在江苏省可高达300 kg/hm2[7]。合理的氮肥施用有利于水稻高产，但施肥过量会造成水稻倒伏、贪青晚熟、病虫害压力增加和稻米品质降低。稻田NUE低的另一原因是氮素损失，包括氨挥发、硝化和反硝化作用，而氮素损失与氮肥的施用时期和施用方法、氮肥种类、管理措施如水分管理以及环境因素如土壤性质等有关。NUE低和氮素损失带来了一系列环境问题，如土壤酸化、水体污染和温室气体排放等[1, 7]。从2013年开始，我国政府部门开始重视控肥减肥，推进农业绿色发展[8]。因此，我国用于农业生产的肥料投入量，尤其是氮肥投入量开始呈逐年下降趋势(图1B)。

农学家们关于提高水稻NUE进行了长期不懈的努力，早期的研究主要以最大限度地减少氮素损失为主，包括研制脲酶抑制剂和硝化抑制剂以及改变氮肥形态等方式；之后开展了优化施肥时期和施肥量的大量研究，以促进作物对氮肥的高效吸收；关于氮高效品种的选育也取得了较大进展。大量研究表明通过优化氮肥管理可以协同提高作物产量和NUE[9-10]，而基于实时实地氮肥管理的基本原理，国内形成了多项氮肥高效施肥模式[11-15]。此外，多项研究发现水稻NUE存在显著的基因型差异，并在水稻氮高效生理和分子机制方面也取得了重要进展[16]。本文介绍了国内外典型氮肥管理策略的基本原理与施肥技术；总结了氮高效水稻品种尤其是绿色超级稻的氮高效相关农艺性状；综述了水稻高效利用氮素的生理和分子机制，尤其是氮素对叶片结构及光合生理的影响和近期发现的重要氮高效基因，并对未来水稻高效利用氮素的研究方向进行了展望。

数据来源：FAO (http://apps.fao.org)。Data source:FAO (http://apps.fao.org).图1 1960-2020年间我国水稻、玉米和小麦的年平均产量(A)、化肥和氮肥年投入量(B)Fig.1 The average annual yield of rice,maize and wheat (A),and annual input of total fertilizer and N (B) from 1960 to 2020 in China

1 高产高效氮肥运筹模式

提高水稻NUE是21世纪以来中国水稻栽培研究的重要课题。早在21世纪初，彭少兵教授已经指出了中国水稻生产中氮肥施用量过高和NUE低的问题，详细介绍了国内外提高NUE的研究进展，并分析了中国水稻生产中NUE低的原因[7]。为了减少氮肥用量，增加水稻生产的NUE，科学家们开发了一系列优化的作物施肥管理模式，如实时氮肥管理[11]、实地氮肥管理[17]、“三定”栽培技术[12]、“三控”施肥技术[13]、测土配方施肥技术[14]和土壤-作物系统综合管理[15]。这些氮肥管理模式在我国水稻主产区得到广泛应用，在增产增效上取得了显著成效。

1.1 实时实地氮肥管理模式

水稻实时实地氮肥管理技术是一项精确变量施肥技术，其核心是“因需施肥”，基本原理包括以下内容:首先,根据品种特性和气候条件确定品种的产量潜力，并以产量潜力的85%作为目标产量；其次，根据不施氮肥处理(空白区)的产量来确定土壤背景氮情况；根据空白区产量与目标产量确定氮肥增产量(N response)；最后根据氮肥增产量与氮肥农学利用效率(agronomy N use efficiency,AEN)计算氮肥施用量[18]。利用叶绿素仪(SPAD)快速无损测定叶片氮素含量，从而对植株氮素营养状况进行诊断[19]。实时氮肥管理模式 (real-time nitrogen management,RTNM)的技术要点是在水稻开花前每周测定最上片完全展开叶的SPAD值，当其低于设定的阈值时追施氮肥30～45 kg/hm2[20]。Dobermann等[17]提出了只在水稻重要生长时期用SPAD仪诊断植株氮素需求，综合考虑土壤、作物和气候因素决定施肥量的实地施肥管理模式(site-specific nutrient management,SSNM)。许多研究结果表明，采用实时实地氮肥管理技术能显著提高水稻产量和NUE[17-18,21-23]。国际水稻研究所(IRRI)联合浙江大学、扬州大学、湖南农业大学和广东省农科院等国内多家单位开展联合试验，比较研究了SSNM与当地习惯施肥法对NUE及水稻产量的影响，并将该技术在6个省份进行示范推广。通过调研6个省份107户农民田块的数据发现，SSNM模式降低氮肥用量38%，增加产量5%，提高AEN61%[11,24]。

1.2 “三定”栽培技术

湖南农业大学农学院邹应斌教授团队为规范不同稻作生态区的高产栽培方法，通过开展多年多点试验，提出了超级稻“三定”栽培技术，即“因地定产、依产定苗和测苗定氮”[12]。其中区域尺度的实际氮肥用量根据区域平均法则确定，即通过确定种植区域的目标产量、基础地力产量和AEN来计算区域氮肥施用量。一般基肥占施氮总量的50%，分蘖肥占15%～25%，穗肥占25%～35%。通常在追肥前1 d，用叶色卡(LCC)测定水稻倒2叶叶色，根据水稻长势确定田间尺度的分蘖肥和穗肥用量。试验证明相比于传统栽培方式，双季超级稻生产采用“三定”栽培技术平均增产9.6%，氮肥偏生产力(partial factor productivity of fertilizer N, PFPN)、氮素吸收利用率(N recovery efficiency，REN)和AEN平均分别提高29.0%、88.9%和46.7%[25-26]。超级稻“三定”栽培技术于2009年通过了湖南省技术成果鉴定，并于2011-2016年连续多年被列为农业(农村)部水稻生产主推技术。

1.3 “三控”施肥技术

广东省农业科学院水稻研究所结合我国水稻生产氮肥投入过多、基蘖肥比重过大的问题，与国际水稻所合作研发了水稻“三控”施肥技术，即“控肥、控苗和控病虫”[13,27]。其主要生物学基础在于控制总施氮量和基蘖肥施氮量，控制最高苗数和提高成穗率，优化群体结构和控制病虫害发生[13]。总施氮量根据目标产量、基础地力产量、氮素养分消耗量和氮肥利用率计算得到。确定总施氮量后，按照基肥35%～40%、分蘖肥20%左右、穗肥35%～40%和粒肥5%～10%的比例确定各阶段施用量，具体追肥量可通过LCC进行氮素营养诊断之后确定[27]。水稻“三控”施肥技术已于2007年通过了广东省科技成果鉴定，随后入选了农业农村部及广东、海南、江西等省份的水稻生产主推技术。胡香玉等[28]通过汇总2008年以来广东、广西、江西、浙江、江苏、福建等省区公开发表的47篇水稻“三控”施肥技术的试验示范论文数据，综合分析其应用效果，发现与农民习惯栽培方式相比，水稻“三控”施肥技术的氮肥用量平均减少16.0%，氮磷钾总施肥量平均减少11.6%，水稻产量平均提高8.8%，PFPN平均提高27.3%。

1.4 测土配方施肥技术

测土配方施肥技术的核心是根据土壤养分含量测试和田间肥料试验结果，实现作物需肥和土壤供肥之间的平衡，从而提高肥料利用率[29]。我国的测土施肥体系始于20世纪80年代，其工作可分为“土壤测定”和“建议施肥量”两部分[30]。周鸣铮[30]总结了我国早期的测土施肥工作及效益，第一阶段工作在于确定不同土壤类型适用的氮磷钾速效养分提取方法，根据提取值和相对产量将测定土壤的地力划分为“高、中、低和极低”4级；第二阶段工作重点为确定适宜施肥量，并进行多点示范试验。结果表明测土施肥技术的增产和经济效益明显，对于施肥较多的地区，平均省肥14%，增产17%。1995年前后，全国建立起了涵盖20余种土壤类型、分布于16省70余县的土壤肥料监测点4 000余个[31]。2005年起，我国开展了全国范围的测土配方施肥工作，为建立推荐施肥指标体系，全国农业技术推广中心推行“3414”试验作为主要田间试验方案。“3414”分别指氮磷钾 3个因素、4个施肥水平和14个施肥处理，陈新平等[14]详细介绍了“3414”试验的实施步骤和注意事项。至2015年，通过测土配方施肥技术使我国主要粮食作物氮磷钾肥的利用率分别提高至33%、24%和42%[29]。孙洪仁等[32]系统总结了我国开展的水稻、玉米、小麦和马铃薯等主要作物的土壤碱解氮、有效磷和速效钾的丰缺指标和适宜施肥量，以水稻土壤为例，结果显示30年来水稻土壤有效磷丰缺指标呈上升趋势，但碱解氮和速效钾丰缺指标出现下降趋势，且不同区域差异较大。当氮磷钾的当季利用率分别为40%、20%和50%，目标产量为4.5～15.0 t/hm2时，氮磷钾的适宜施用量范围分别为0～450、0～405和0～432 kg/hm2[32-33]。

1.5 土壤-作物系统综合管理

中国农业大学资源与环境学院张福锁教授团队围绕作物生产力和养分利用效率的协同提高开展了多年研究，建立了涵盖养分、土壤、作物和环境等因素的土壤-作物系统综合管理(integrated soil-crop system management,ISSM)技术[15,34]。该技术的关键在于综合考虑各种可能的土壤改良措施，充分利用光温和养分资源，结合作物高产栽培管理技术，使土壤养分供应与作物需求相匹配[15]。在ISSM中，氮、磷和钾肥用量根据测定根层土壤的养分含量来确定。其中，根层土壤氮素实时监控技术是根据作物的氮素吸收规律将作物生育期划分为不同阶段，在不同阶段内根据作物氮素需求和土壤无机氮含量确定施肥量[34]。另外通过长期定位的肥料试验结果给出磷、钾肥建议施用量。Chen等[35]在全国153个试验点的结果表明，在不增加氮肥用量的前提下，ISSM技术将水稻、小麦和玉米的平均产量分别提高了1.3、1.7和3.7 t/hm2，PFPN分别提高了13、16和16 kg/kg。

ISSM模式技术环节的研究在2010年已基本完成，而2010-2020年的研究重点转变为如何将ISSM模式推广到千千万万的农户中去[36]，即“科技小院”模式的创建与推广。该模式使得玉米、水稻和小麦三大粮食作物的氮肥用量降低了14.7%～18.1%，产量增加了10.8%～11.5%，大幅度减少了土壤肥料氮残留和温室气体排放[37]。“科技小院”提高了当地农民获取高产高效技术的能力，同时促进了多方资源的整合利用[38]。与邻近或对照村庄相比，“科技小院”所在村农民的农事管理水平明显提高(例如能/不能计算作物养分需求量的农民比例，35% vs 11%)，接受和学习新技术的能力明显增强(例如新技术的采用率，54% vs 31%)，最终产量提高5.5%～8.5%，养分和水分利用效率提高12.5%～47.0%，经济收入提高2.9%～47.0%[37]。目前，全国已在21个省市建立了81个科技小院，但要满足我国广大农民的需求，还需政府、企业、科研机构等多方努力以推动“科技小院”的发展，并进一步完善其功能[38]。

2 影响水稻NUE的其他农艺措施

在影响水稻生长的诸多因素中，灌溉方式和种植密度是决定水稻产量形成且易于人为调控的重要因素。前人通过调控灌溉方式和种植密度在提高水稻产量和NUE上进行了大量研究，并形成了配套的高产高效栽培模式，本节对其进行简要介绍。

2.1 灌溉方式

水分是决定作物产量的重要因素。然而，我国的淡水资源十分紧缺，人均拥有量仅为全球平均水平的1/4[39]。农业用水占到全国总耗水量的70%，而水稻作为耗水最多的主粮作物，其耗水量约占我国农业用水的65%[40]。与美国相比，我国稻田灌溉水量高30%～40%，但灌溉水利用效率低40%～50%[41]。为节约淡水资源和提高水分利用效率(water use efficiency,WUE)，国内外学者根据水稻需水规律，创建了多种节水灌溉技术，如中期晒田、干湿交替灌溉(alternate wetting and drying,AWD)、间歇湿润灌溉和畦沟灌溉等[42]，并大力发展节水抗旱水稻品种[43]。在众多节水技术中，AWD的研究与应用更为广泛[42]。扬州大学农学院杨建昌教授团队通过系统研究，认为轻干湿交替灌溉(落干复水时的土壤水势不低于-15 kPa)不仅能大幅提高水稻WUE，还能显著提高产量和改善米质[44-46]。

在作物生长发育过程中，水分和氮素之间具有耦合效应，共同影响作物的产量和品质形成[47]。一般认为，在土壤轻度干旱时，增施氮肥可以达到“以肥调水”的作用，而水分则能影响肥效的发挥以及土壤氮循环过程。因此，在一定范围内，氮肥和水分对作物产量和品质具有协同促进作用[42,48]。近年来，相关研究主要集中在不同灌溉和施肥模式对水稻产量和品质的互作效应上。邵士梅等[48]总结了水氮互作对水稻产量形成的影响，研究者一致认为在AWD和适宜施氮量下，水稻氮磷钾积累量、叶片光合速率、根系活性和叶片氮代谢酶活性均有显著提高，从而达到增产目的。孙永健等[49]通过设置不同灌溉方式和施氮量处理，发现在前期湿润灌溉+孕穗期浅水灌溉+灌浆期干湿交替灌溉的水分制度下，施肥量为180 kg/hm2时的水稻产量和NUE最高。Liu等[50]比较了4种灌溉和施肥组合模式，发现相比于传统淹灌+农民习惯施肥模式，轻干湿交替灌溉+实地氮肥管理模式下的水稻产量、PFPN和WUE分别提高了12.4%～14.5%、26.5%～30.7%和22.8%～26.7%。AWD通过改变土壤水气环境，提高土壤养分有效性，促进水稻根系的生长和对养分的吸收，不仅能影响地上部养分同化和转运，提高叶片光合活性，还能影响植物激素变化，而关于AWD如何影响光合作用及植物激素如何调控NUE等生理机制值得深入探究[51]。

2.2 种植密度

合理密植是水稻高产的基础。最初，随着杂交稻品种的推广应用和化肥施用量的增加，研究人员开始提倡稀播少本移栽[52]；随后，超级稻品种的选育要求进一步降低基本苗数，以发挥其大穗优势[53]；近年来随着农村劳动力的流失和种植成本的提高，稀植现象更为普遍，而为了维持高产，农民在稀植的同时往往会投入更多氮肥，这也导致了NUE降低[54]。然而，Huang等[54]以2个杂交稻品种作为试验材料，通过设置不同种植密度和施氮量组合，发现降低种植密度造成的穗数和产量的降低不一定能通过增施氮肥弥补。谢小兵等[55]认为超级稻品种采用低氮密植栽培方式，即100～150 kg/hm2施氮量和40 穴/m2种植密度条件下能同时获得高产和高NUE。在施肥量较少的情况下，通过增加种植密度可以获得更高的产量和NUE[56]。

当前，随着水稻种植方式的转变，机直播和机插秧面积逐渐增加，这为提高播种或移栽密度提供了契机。对于直播稻，吴培等[57]以南粳9108为试验材料，认为225 kg/hm2的施氮量+180粒/m2的播种量组合可作为高产组合推广。罗亢等[58]以柒两优 2012与美香占 2号为试验材料，发现机直播早、晚稻的施氮量和播种量组合分别为150 kg/hm2和143粒/m2、165 kg/hm2和114粒/m2时可同时实现高产和氮高效。对于机插稻，陈佳娜等[59]和Huang等[60]均认为提高栽插密度，能够弥补施氮量降低给产量带来的负面影响，并建议将低氮密植作为长江流域机插双季稻高产高效栽培的关键技术。

3 水稻NUE的基因型差异和氮高效相关农艺性状

水稻NUE在籼粳稻亚种间、常规稻与杂交稻间、相同类型不同基因型间均存在显著差异[61]。在中低氮水平下，籼稻品种的NUE明显高于粳稻品种[62]，而杂交稻品种明显高于常规稻品种[63]。一般将中低氮条件下产量较高的水稻品种称为氮高效品种，将在低氮条件下产量较低的品种称为氮低效品种。种植氮高效品种是减少氮肥施用的有效途径，有研究发现在同一氮水平下，氮高效品种的NUE分别比氮低效和中效品种高37.7%和10.3%[64]。Broadbent等[65]发现不同水稻品种间的氮素籽粒生产效率(N utilization efficiency for grain production,NUEg)存在显著差异。Singh等[66]以10个长生育期和10个中等生育期品种为材料分析了NUE的基因型差异，结果表明基因型间产量、总生物量、总氮吸收量、收获指数、氮素生理利用效率(physiological N use efficiency,PEN)、PFPN和氮素生产力指数(N productivity index,NPI)等指标存在显著差异。Koutroubass等[67]以5个农艺性状差异显著的品种为材料分析了地中海地区水稻NUE的差异，结果发现NUEg和氮素干物质生产效率(N utilization efficiency for biomass production,NUEb)在品种间存在显著差异，而且籼稻品种较粳稻品种有更高的NUEg。Inthapanya等[68]发现雨养条件下水稻的NUEg存在显著的基因型差异，但是品种和地点互作效应不显著。Samonte等[69]发现15个品种的NUEg存在显著差异，且在25～64 kg/kg。Haefele等[70]分析了19个品种在不同的水分管理模式和氮肥处理下的NUE，结果发现，REN、PEN和AEN都存在显著基因型差异，但是这3种NUE都不受水分处理的影响。总之，早期研究确定了不同基因型NUE的差异以及反映NUE差异的相关农艺性状，如WP/TN (穗干质量/总氮吸收量)和 NPI(N productivity index,未施氮处理下籽粒产量与NUEg的乘积)等。

Zhang[71]提出培育绿色超级稻的构想，旨在培育“少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产”的水稻品种，其绿色性状主要包括抗病、抗虫、抗逆、营养高效、高产和优质等。截至2018年，已培育并通过国家或省级审定的绿色超级稻新品种75个，而通过大面积示范试验证明，绿色超级稻平均产量为11.5 t/hm2，相比当地高产栽培方式增产17%，氮肥施用减少10%，PFPN提高30%[72]。许阳东等[73]探究了绿色超级稻的农艺与生理性状表现，发现与超级稻和非超级稻品种相比，绿色超级稻品种的产量和NUEg均较高，并认为高茎蘖成穗率和粒叶比，抽穗期高糖花比，灌浆期高作物生长速率、净同化率和根系氧化力可以作为培育绿色超级稻品种的参考指标。在国家高技术研究发展计划(“863”计划)“绿色超级稻新品种选育”项目的支持下，华中农业大学植物科学技术学院彭少兵教授团队评价了大量绿色超级稻候选品种的NUE，并鉴定了一批氮高效水稻品种[74-76]。这些研究还为选育氮高效水稻品种提供了可供利用的植株性状，例如与抽穗前作物生长速率相关的植株性状可以用来提高成熟期的总氮素吸收量，而生物量积累和大穗是提高NUEg的关键。NUEg与成熟期茎秆和叶片中氮素含量显著负相关，而进一步提高NUEg依赖于灌浆期增加茎秆中氮素的转运以延缓叶片衰老，从而维持叶片的光合能力[74]。对于大库容品种，花后良好的冠层结构可通过提高光照和氮素在冠层内分布的一致性来提高光能利用效率和干物质生产，从而提高NUEg和产量[75]。

4 水稻高效利用氮素的生理和分子机制

水稻高效利用氮素的表现可分为两种：一是吸收氮素能力强，即在有限的养分供应下能吸收更多的氮素，常用氮素吸收效率表示，二是氮素转化效率高，即利用已吸收的氮素能生产更多的干物质，常用氮素利用效率表示[77]。目前相关的NUE评价指标较多，计算方法和侧重点也有所差异(表1)，差减法计算NUE是通过设置不施氮肥的空白对照，进而计算得到施肥后增加的产量和氮吸收量，在大田试验中应用最为广泛。本节主要对水稻氮吸收的生理和分子机制进行概述。

表1 NUE指标及相关性状 Table 1 NUE index and NUE-related traits

4.1 生理机制

水稻生育期、形态特征和氮代谢过程等直接影响植株对氮素的吸收和利用。短生育期水稻品种的氮素吸收量通常低于长生育期品种，而被吸收的氮素能否被植株高效利用转化为籽粒产量则直接影响NUE的高低[78]。张亚丽等[79]研究发现氮吸收量和PEN对产量的贡献率首先受到水稻生育期的影响，对于短生育期品种无论氮水平高低均为PEN起决定作用；而对于长生育期品种，PEN在低氮水平下起主要作用，氮吸收量在高氮水平下起主要作用。氮高效品种定义为在不同氮水平下均有较高NUE和产量，这也说明氮高效品种需具有较高的氮吸收能力和PEN。

水稻地上部生长发育受根系氮素吸收的影响，同时也会通过反馈作用影响根系对氮素的吸收，因此，根系和地上部的协调生长是植株高效吸收利用氮素的基础[80]。水稻分蘖成穗率是诊断水稻群体质量的有效指标，过多的无效分蘖会降低NUE和产量，近年来国内外培育的超级稻品种多为少蘖大穗，充分说明减少无效分蘖是提高水稻产量和NUE的重要途径。氮高效品种的茎秆特性优于氮低效品种，从而提高了茎秆综合抗折力[87]。地上部生物量和库容量也决定着氮素需求量，Huang等[88]认为花后更高的物质生产和氮素积累是大库容品种获得高产和高NUEg的主要原因。叶片本身需要较高的氮素水平以维持光合作用，同时又作为新叶和籽粒的氮素来源，说明氮素的合理分配与干物质生产和NUE有密切关系。陈琛等[89]认为在不同施氮量下，氮高效水稻品种的源库指标均优于其他品种类型，进而提高了产量和NUE。

高光合氮素利用效率(photosynthetic N use efficiency,PNUE)是氮高效水稻品种的重要生理性状。光合作用主要受气孔导度(gs，CO2从叶片表面传输到气孔下腔的能力)、叶肉导度(gm，CO2从气孔下腔传输到叶绿体内Rubisco酶羧化位点的能力)以及叶片生化能力的调控[90-91]。大量研究表明，水稻光合作用会随着叶片氮含量的增加而增加，主要是因为氮肥能够显著提高叶绿体面向细胞间隙的面积以及叶片Rubisco酶含量，从而提高gm和叶片生化能力[92-93]。然而，尽管叶片光合作用随着氮含量的增加而增加，PNUE却随着氮含量的增加而下降[94-95]。前人研究表明，随着施氮量的增加，gm增加的幅度要小于叶片生化能力增加的幅度，最终导致叶绿体内CO2供应相对不足，Rubisco酶活性下降，从而降低水稻PNUE[96-97]。此外，叶片结构也能显著调控水稻PNUE。Ye等[98]发现在121个水稻品种间，比叶重越大，PNUE越低。也有研究表明，增施氮肥后水稻PNUE的下降幅度与比叶重的变化幅度密切相关，比叶重增幅越大，水稻PNUE下降的幅度也就越大[99-100]。因此，随着氮肥施用量的增加，提高水稻CO2传输能力以及降低比叶重是未来提高水稻PNUE的可行途径。

4.2 分子机制

铵转运蛋白(ammonium transporters,AMTs)和硝酸盐转运蛋白(nitrate transporters,NRTs)分别控制着水稻对铵态氮和硝态氮的吸收和转运过程。铵是淹水稻田环境中氮的主要存在形式，是水稻主要的吸收氮源。目前已发现了多个水稻AMTs，分为OsAMT1～OsAMT5等5个亚家族[101]。OsAMT1家族成员属于高亲和力铵转运体，其中OsAMT1;1在根系和地上部组成型表达，能显著提高水稻的铵吸收能力，其表达水平与根部谷氨酰胺含量成正比[102-103]。有研究表明OsAMT1;1在栽培稻驯化过程中受到较强的人工选择，其核苷酸多态性仅为野生稻的2.3%[104]。OsAMT1;2仅在根部表达，可能在铵盐长距离运输上起作用[105]。王威等[101]对水稻AMTs有详细的介绍，本节不再赘述。为避免高浓度铵的毒害作用，根系从土壤中吸收的大部分铵在根部同化，之后以谷氨酸和谷氨酰胺的形式向上运输。谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)是水稻铵同化的主要酶系。铵同化效率高的品种，GS和GOGAT的活性更高[106]。

在厌氧环境下，水稻根际氧能将铵态氮氧化为硝态氮，从而以硝态氮的形式被水稻吸收，而在排水或旱作条件下水稻吸收硝态氮的比例会更多。水稻中的NRTs功能研究相对较少，大致可以分为低亲和力转运体OsNRT1和高亲和力转运体OsNRT2两个亚家族，但不包括OsNPF6.5 (NRT1.1B)和OsNPF6.1[6]。Lin等[107]早期克隆、分离到OsNRT1，但未阐明其功能特性。随后OsPTR9、NRT1.1B(OsNPF6.5)、OsNR2和OsNRT2.3b等陆续被证明显著影响水稻对硝态氮的吸收。Fang等[108]研究发现PTR/NRT1(peptide transporter/nitrate transporter 1)基因家族中的OsPTR9高表达转基因水稻植株表现出了更强的铵吸收能力。Hu等[109]发现硝酸盐转运蛋白基因NRT1.1B在籼稻和粳稻之间存在差异，并通过田间试验证实携带NRT1.1B籼型等位基因的粳稻品种在正常施肥条件下增产15%，NUE提高10%，这进一步揭示了籼稻具有比粳稻更高硝酸盐吸收能力的分子机制。硝酸还原酶(NR)是水稻同化硝态氮的诱导酶，同时也是限速酶，其活性影响硝态氮吸收。而近期的研究发现1个编码NR的基因OsNR2同样是造成籼稻和粳稻硝酸盐利用能力差异的一个重要原因[110]。水稻中OsNRT2.3b的高表达增强了植株的pH缓冲能力，增加了对氮、铁和磷的吸收，田间试验表明增加OsNRT2.3b的表达相比对照可提高籽粒产量和 NUE约40%[111]。

此外，其他类型基因也会影响植株氮代谢过程，如控制水稻株型的关键基因DEP1(dense and erect panicles 1)，研究发现携带有dep1-1等位变异的水稻吸收利用氮素的能力增强，从而提高了收获指数和产量[112]。Wang等[113]发现1个编码叶绿体定位蛋白的基因ARE1，其功能缺失突变体能延缓衰老，提高水稻在低氮条件下的NUE和产量。Wu等[114]发现NGR5通过赤霉素信号途径影响水稻产量和NUE，在9311中同时过表达GRF4和NGR5可协同提高水稻产量和NUE。

5 展 望

针对稻田氮肥施用过量和水稻生产氮素利用效率低的问题，近20年我国科学家从优化氮肥管理模式、氮高效水稻品种培育、氮素高效利用的生理和分子机制等各方面开展了系统研究。基于实时实地氮肥管理的基本原理发展建立了“三定”栽培技术和“三控”施肥技术，并综合考虑土壤营养状况发展了测土配方施肥技术和土壤-作物系统综合管理技术等，氮高效模式的推广创新形成了以“科技小院”为代表的新体系。通过调控灌溉制度和种植密度等农艺措施，进一步协同提高产量和NUE，推动水稻绿色发展。“绿色超级稻”理念的提出与发展促进了氮高效水稻品种的选育，培育了一批在中低氮肥条件下高产高效的水稻品种。近期关于水稻氮素高效利用的生理和分子机制的研究进展，例如氮素光合生理和氮素高效利用相关基因等，将进一步促进水稻氮高效栽培与育种的进步。未来水稻NUE相关研究应重点关注以下内容：

1)21世纪以来，我国不同省份均因地制宜建立起了水稻氮高效栽培技术，然而这些技术如何进行有效推广并得到农民广泛应用，解决“最后一公里”的问题应受到科学家、政府、农技推广部门及相关企业的重视。此外，我国农业生产正向机械化和信息化快速转型，这些技术如何适应未来的农业生产值得进一步系统研究。

2)尽管绿色超级稻研究团队近期认定了一批养分高效利用的水稻品种[115]，但是国家审定品种中仍没有这一品种类型，且当前所培育的品种中氮高效品种比例较低。因此，未来应加强氮高效水稻品种的选育以及相关品种认定的政策支撑。

3)以往的研究表明大穗是协同高产高效的关键性状，然而关于在水稻生长发育过程中如何协调物质分配以形成大穗和合理的冠层结构，氮高效品种如甬优4949花前高效形成大穗的生理机制，以及氮高效与高光效之间的关系等应深入系统研究。