魏湜，曹鑫波，李改玲，左師宇，焦健，李晶，顧萬榮

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

黑龍江玉米主產(chǎn)區(qū)不同基因型玉米氮素利用效率分析

魏湜，曹鑫波，李改玲，左師宇，焦健，李晶，顧萬榮

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

為選育氮高效品種，減少氮肥施用量，試驗(yàn)以黑龍江省24個不同基因型玉米品種為材料，采用盆栽方式，在N200 kg·hm-2氮水平下研究抽雄期玉米品種干物質(zhì)積累、總氮含量、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、氮吸收速率、氮肥利用效率，分析各玉米品種干物質(zhì)積累及氮利用率特性，為黑龍江省氮高效玉米品種選育和栽培提供理論依據(jù)。根據(jù)聚類分析結(jié)果，將24個不同基因型品種分為低氮高效型（Ⅰ）、低氮中效型（Ⅱ）和低氮低效型（Ⅲ），分別占12.5%，37.5%和50.0%。Ⅰ型品種各項(xiàng)指標(biāo)均顯著高于其他品種。相關(guān)分析表明，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重、總氮含量、氮吸收速率呈極顯著正相關(guān)，與氮肥利用效率呈顯著正相關(guān)；通徑分析表明，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重呈顯著相關(guān)，總干重對氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率貢獻(xiàn)較大。

玉米；干物質(zhì)積累；氮素積累；氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率

玉米是我國種植面積最大糧食作物[1]。黑龍江省是最大玉米主產(chǎn)區(qū)，玉米總產(chǎn)增加依賴品種更新和栽培新技術(shù)推廣，其中化肥投入對玉米單產(chǎn)提高貢獻(xiàn)率高達(dá)50%～60%[2-3]。我國化肥施用總量從1980年的1296.4×104t增至2010年的5561.7×104t，年均增長率為5%[4]。過量化肥施用，降低氮肥利用率，增加種植成本，破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[5]。提高氮肥利用效率，減少氮肥施用，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)作物安全高效栽培已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)[6-8]。

隨育種技術(shù)不斷進(jìn)步，大量玉米新品種用于生產(chǎn)種植，相同供氮水平下不同玉米品種對氮素吸收差異較大[9-10]。研究表明，不同基因型玉米在吸收和利用氮素方面差別，表現(xiàn)在對增施氮肥機(jī)理反應(yīng)和植株體內(nèi)氮素分配與利用兩方面[11-13]。米國華等研究表明，在高氮條件下氮吸收效率和利用效率均對氮效率有直接作用，效果相近；但低氮條件下氮素吸收效率大于氮利用效率[14]。生產(chǎn)中選用氮高效品種可在減少氮肥施用條件下，通過提高氮效率，降低生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)選擇黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)24個不同基因型玉米品種，在施氮量200 kg·hm-2氮水平處理下，通過總氮含量、氮吸收速率、氮肥利用效率、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率指標(biāo)確定主要篩選評價指標(biāo)，聚類分析24個品種，探討24個不同基因型品種氮素養(yǎng)分效率差異，為選擇氮高效品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用黑龍江省主產(chǎn)區(qū)24個玉米品種，品種及品種來源如表1所示。

表1 黑龍江玉米主栽品種及品種來源Table 1Main cultivated varieties of maize and variety source in Heilongjiang Province

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選用的24個不同基因型玉米品種，于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽場種植，采用盆栽試驗(yàn)，盆高30 cm，直徑31 cm，按普遍大田種植密度60 000 plant·hm-2種植，每盆裝土20 kg，土壤類型為黑土，有機(jī)質(zhì)含量28.2 g·kg-1，全氮含量1.7 g·kg-1，速效氮24.57 mg·kg-1，速效磷58.79 mg·kg-1，速效鉀213 mg·kg-1，pH 6.8。每盆播3粒種子，三葉期間苗，五葉期定苗，每盆留一株，施用氮肥為尿素（CO（NH2）2），種肥施用3.5 g·plant-1，拔節(jié)期追肥3.5 g·plant-1，重復(fù)3次，磷、鉀肥施用及水分供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)充分滿足玉米生長發(fā)育需要。磷、鉀肥作基肥一次性施入，各處理施用量均相同，P2O5、K2O施入量為150和135 kg·hm-2。各品種均以不施氮（N0）為對照，完全隨機(jī)排列。其他管理同高產(chǎn)田。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

抽雄期（9月5日）取樣，每個品種取3株。分成根、莖、葉三部分，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，取出稱重，計(jì)算根、莖、葉干物質(zhì)積累與分配。再將各部分樣品粉碎，分別取各器官樣品粉末0.1 g，5 mL濃H2SO4消煮，F(xiàn)OSS 8400全自動凱氏定氮儀測定植株各器官全氮含量。

氮積累量（g·plant-1）=植株含氮量×干物重

氮吸收速率（NUR Nitrogen uptake rate，%）=植株總氮含量/供氮量[15]

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率（NDMPE Nitrogen dry matter production efficiency，g·g-1）=整株干物重/植株總氮含量

氮肥利用效率（NUE Nitrogen use efficiency，%）=（N200植株總氮含量-N0植株總氮含量）/施氮量× 100%[16]

圖1 24個玉米品種聚類分析Fig.1Cluster analysis of 24 varieties of maize

1.4 數(shù)據(jù)分析

Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)，DPS 7.05軟件作方差分析、顯著性檢驗(yàn)、聚類分析和相關(guān)性分析。SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 24個不同基因型玉米品種聚類分析

在相同氮水平下，氮素吸收效率差異用植株氮含量表示，由24個不同基因型玉米品種總氮含量、氮吸收速率、氮肥利用效率和氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率聚類供試品種（見圖1），米國華等研究表明，施氮量在N0～260 kg·hm-2時選擇出氮高效品種為低氮高效品種[17]，本試驗(yàn)聚類分析分為3類[18]：低氮高效型（Ⅰ），占全部品種12.5%、低氮中效型（Ⅱ）占全部品種37.5%、低氮低效型（Ⅲ）占全部品種50.0%（見表2）。Ⅰ型品種含氮量比Ⅱ型品種高31.5%，比Ⅲ型品種高47.8%；Ⅰ型品種氮吸收速率比Ⅱ型品種高30.5%，比Ⅲ型品種高48.5%；Ⅰ型品種氮肥利用率比Ⅱ型品種高33.7%，比Ⅲ型品種高45.0%；Ⅱ型品種氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率比Ⅰ型品種高2.3%，比Ⅲ型品種高14.6%。結(jié)果表明，Ⅰ型品種總氮含量、氮吸收速率、氮肥利用效率和氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率高于Ⅱ和Ⅲ型品種。

表2 不同基因型玉米品種聚類分析Table 2Results of cluster analysis of different genotypes of maize

2.2 不同氮效率類型玉米干物質(zhì)積累及分配

由表3可知，Ⅰ型品種莖干重顯著高于Ⅱ型26.9%，顯著高于Ⅲ型62.2%，但Ⅰ型品種莖干物質(zhì)分配比例顯著低于其他兩類品種。Ⅰ型品種葉干重顯著高于Ⅱ型56.1%，顯著高于Ⅲ型103.2%，且Ⅰ型品種葉片干物質(zhì)分配比例顯著高于其他兩類品種。Ⅰ型品種根干重顯著高于Ⅱ型8.9%，顯著高于Ⅲ型34.4%，但Ⅰ型品種根干物質(zhì)分配比例顯著低于其他兩類品種。Ⅰ型品種總干重顯著高于Ⅱ型33.9%，顯著高于Ⅲ型71.3%。由此可見，Ⅰ型品種干物質(zhì)分配至葉片比例較高，而Ⅱ和Ⅲ型品種干物質(zhì)分配至根和莖比例較高。

表3 不同氮效率類型玉米干物質(zhì)量比較及分配Table 3Comparison and distribution of dry matter in maize with different nitrogen efficiency

2.3 不同氮效率類型玉米氮素積累及分配

由表4可知，Ⅰ型品種莖含氮量顯著高于Ⅱ型14.5%，顯著高于Ⅲ型15.1%，但Ⅰ型品種莖含氮量分配比例顯著低于其他兩類品種。Ⅰ型品種葉含氮量顯著高于Ⅱ型48.3%，顯著高于Ⅲ型85.8%，且Ⅰ型品種葉片含氮量分配比例顯著高于其他兩品種。Ⅰ型品種根含氮量顯著高于Ⅲ型16.8%，但Ⅰ型品種根含氮量分配比例顯著低于Ⅲ型。Ⅰ型品種總含氮量顯著高于Ⅱ型32.1%，顯著高于Ⅲ型45.4%。由此可知，Ⅰ型品種氮積累量向葉片分配比例最大，而Ⅱ和Ⅲ型品種的氮積累量向根和莖稈分配比例較多

表4 不同氮效率玉米品種根莖葉含氮量比較Table4Comparisonofnitrogencontentinroot,stemand leaf of maize varieties with different nitrogen efficiency

2.4 24個玉米品種相關(guān)性分析

對24個不同基因型玉米品種氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重、總氮含量、氮吸收速率和氮肥利用效率作相關(guān)性分析見表5所示?？芍?，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重、總氮含量、氮吸收速率均極顯著正相關(guān)，且與氮肥利用效率顯著正相關(guān)；總干重與總氮含量、氮吸收速率、氮肥利用效率均極顯著正相關(guān)；總氮含量與氮吸收速率、氮肥利用效率均極顯著正相關(guān)；氮吸收速率與氮肥利用效率顯著正相關(guān)。

表5 不同基因型玉米氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總氮含量等性狀相關(guān)性分析Table 5Correlation analysis between nitrogen production efficiency and total nitrogen content in different genotypes of maize

2.5 氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重等性狀通徑分析

由表6可知，兩個自變量對氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率y影響中，總干重直接作用最大，氮吸收速率作用小，為負(fù)值。通過分析間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩因素間接作用不大。由通徑系數(shù)可知，自變量x1、x2對y直接作用為P1y=2.809、P2y=-2.180。x1和x2偏回歸系數(shù)顯著性均小于0.05，說明x1、x2與y之間存在顯著性差異，應(yīng)留在方程中，但x2直接作用為負(fù)，刪除，線性回歸方程為y=76.102+2.809x1。說明總干重對氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率貢獻(xiàn)最大。

表6 不同基因型玉米氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重、氮吸收速率通徑分析Table 6Path analysis of nitrogen production efficiency to total dry weight and nitrogen uptake efficiency of different genotypes of maize

3 討論

近年來，玉米生產(chǎn)存在氮肥用量過大、利用效率低等問題。針對當(dāng)前問題，吳得峰等提出減少氮肥施用[19-21]，崔文芳等提出篩選氮高效基因型等方法[22-24]。不同基因型玉米品種在氮效率上差異較大[25-27]。氮效率為氮素吸收、同化、轉(zhuǎn)運(yùn)、利用等生理過程綜合效應(yīng)，維持植株正常生長[28]。對不同玉米品種氮效率研究爭議較多[29-30]，但對氮素高效利用途徑觀點(diǎn)基本一致，即主要取決于氮吸收和氮利用效率。氮吸收效率為在同氮水平下吸收較多氮素，主要受器官吸收氮素過程影響；而氮利用效率為植物體內(nèi)等量氮可產(chǎn)生較多籽粒產(chǎn)量，主要受各器官氮素分配和轉(zhuǎn)移影響，即氮素利用效率越高，玉米產(chǎn)量越高[31]。本試驗(yàn)氮吸收和氮肥利用效率均表現(xiàn)為低氮高效品種>低氮中效品種>低氮低效品種。由此可知，低氮高效品種在同等肥力下較其他品種可吸收較多氮素，籽粒產(chǎn)量更高。

目前國內(nèi)外對于玉米氮吸收利用效率指標(biāo)及評價不一，對不同基因型玉米分類形式不同[32-33]，但受產(chǎn)量和地域影響，當(dāng)前黑龍江高產(chǎn)高效型玉米品種選育存在局限性。本試驗(yàn)選擇黑龍江省主產(chǎn)區(qū)24個不同基因型玉米品種研究其干物質(zhì)積累及氮素利用特性，通過聚類分析可劃分為3類，為低氮高效型（Ⅰ）、低氮中效型（Ⅱ）和低氮低效型（Ⅲ）。其中Ⅰ型品種在總干重、總氮含量、氮吸收速率、氮肥利用效率、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率上均高于其他兩個類型，說明其在低氮條件下可充分利用肥料中氮元素，為玉米生長提供充足供應(yīng)。聚類分析結(jié)果表明，Ⅰ型品種僅占所有品種12.5%，與王曉慧等[32]研究結(jié)果一致，高效型品種占比較小，培育新品種增加氮素利用效率挖掘潛力很大。本研究中，干物質(zhì)積累和氮素積累分配比例不同導(dǎo)致氮效率差異，低氮高效型品種干物質(zhì)和氮素積累均傾向于向葉片積累，葉片為玉米植株光合、蒸騰作用主要營養(yǎng)器官，對氮素積累和轉(zhuǎn)運(yùn)有重要作用，低氮高效型品種光合作用較好，干物質(zhì)積累充分滿足玉米生長發(fā)育，因其具有較高葉片器官分配比例。而低氮中低效品種傾向于根部和莖稈積累，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重、總氮含量、氮吸收速率呈極顯著正相關(guān)，與氮肥利用效率呈顯著正相關(guān)；氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率通徑分析表明，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率與總干重相關(guān)性一致，表明總干重為影響氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率重要指標(biāo)。當(dāng)前黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)氮高效品種選育手段尚需優(yōu)化，培育氮高效品種勢在必行。

4 結(jié)論

施用氮肥可顯著提高玉米干物質(zhì)積累量和氮素積累利用。不同基因型玉米品種對氮素吸收利用差異明顯。本試驗(yàn)從黑龍江省24個不同基因型玉米品種中篩選3個Ⅰ型品種，即鄭單958、先玉335和遼作1號，其干物質(zhì)含量、含氮量、氮吸收速率、氮肥利用效率和氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率均高于其他中低效品種，且葉片干物質(zhì)及氮素積累分配高于其他中低效品種。研究可為黑龍江省主栽區(qū)選擇栽培氮高效品種和氮高效品種育種提供參考。

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Nitrogen use efficiency analysis of different genotypes of maize in main maize producing areas in Heilongjiang

WEI Shi,CAO Xinbo,LI Gailing, ZUO Shiyu,JIAO Jian,LI Jing,GU Wanrong(School of of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In order to choose nitrogen efficient varieties and reduce the application of nitrogen fertilizer,we took of 24 different genotypes of maize as experimental materials in Heilongjiang Province, a pot experiment was carried out in N200 kg·hm-2levels of nitrogen,studied dry matter accumulation, total nitrogen content,nitrogen dry matter production efficiency,nitrogen uptake rate,nitrogen use efficiency of maize at tasseling stage,to analyzedry matter accumulation and nitrogen utilization characteristic of different maize varieties,and provide a theoretical basis for the breeding and efficient cultivation of nitrogen efficiency maize varieties in Heilongjiang Province.According to the results of cluster analysis,24 different genotypes were divided into low nitrogen efficient type(Ⅰ),low nitrogen efficient type(Ⅱ)and low nitrogen inefficient type(Ⅲ),accounting for 12.5%,37.5%and 50.0%, respectively.Type I varieties were significantly higher than the other two varieties in various indices. Correlation analysis showed that nitrogen dry matter production efficiency was extremely significant positive correlation to total dry weight,total nitrogen content and nitrogen uptake efficiency,significantpositive correlation to nitrogen fertilizer use efficiency.Path analysis showed that nitrogen dry matter production efficiency was significantly correlated with total dry weight,and total dry weight contributed significantly to nitrogen dry matter production efficiency.

maize;dry matter accumulation;total nitrogen accumulation;nitrogen uptake and utilization efficiency

S513

A

1005-9369（2017）02-0001-07

2016-10-24

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300103）

魏湜（1956-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樽魑锔弋a(chǎn)栽培生理生態(tài)、宏觀農(nóng)業(yè)。E-mail:weishi5608@163.com

時間2017-3-7 16:12:15[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170307.1612.002.html

魏湜,曹鑫波,李改玲,等.黑龍江玉米主產(chǎn)區(qū)不同基因型玉米氮素利用效率分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,48(2):1-7.

Wei Shi,Cao Xinbo,Li Gailing,et al.Nitrogen use efficiency analysis of different genotypes of maize in main maize producing areas in Heilongjiang[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(2):1-7.(in Chinese with English abstract)