孫志廣，王寶祥，劇成欣，楊 波，邢運(yùn)高，徐 波，劉 艷，代慧敏，李景芳，遲 銘，劉金波，李 健，陳庭木，盧百關(guān)，方兆偉，徐大勇*

(1 江蘇徐淮地區(qū)連云港農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，連云港 222006；2 揚(yáng)州大學(xué)，江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇揚(yáng)州 225009)

水稻作為一種非常重要的禾谷類(lèi)作物，是世界上最重要的糧食作物之一，為30多億人提供日常所需約50%的卡路里[1，2]。隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)，確保糧食安全已是本世紀(jì)全人類(lèi)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。Godfray等人預(yù)測(cè)到2050年，世界的總?cè)丝趯⑦_(dá)到史無(wú)前例的90億[3，4]。因此，利用有限的土地資源生產(chǎn)更多的稻谷，將關(guān)系到我國(guó)乃至全球的糧食安全。

氮素作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的限制性營(yíng)養(yǎng)因子，對(duì)維持作物產(chǎn)量、提高糧食品質(zhì)具有重要意義[5]。在我國(guó)，從1980年的14 000萬(wàn)噸到2017年21 200萬(wàn)噸，稻谷產(chǎn)量增加了51%，但與此同時(shí)，農(nóng)用化肥施用折純量(從1269萬(wàn)噸到5859萬(wàn)噸)也增加了3.6倍多(國(guó)家統(tǒng)計(jì)局http：//data.stats.gov.cn)。然而，在施入的氮肥總量中，水稻能有效利用的只有30%～40%，其余氮肥通過(guò)各種物理化學(xué)過(guò)程流失到大氣、地下水和河流中，最終導(dǎo)致水體和土壤的破壞以及氧化亞氮等溫室氣體濃度上升[6，7]。因此，作物生產(chǎn)必須同時(shí)兼顧環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素，以確保氮肥的有效利用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生產(chǎn)。

黃淮稻區(qū)(黃河以南淮河以北，不包括京津浙)是我國(guó)第二大優(yōu)質(zhì)粳稻生產(chǎn)區(qū)，常年種植面積達(dá)100多萬(wàn)公頃，每年生產(chǎn)約100億公斤水稻。當(dāng)?shù)囟鄶?shù)農(nóng)民根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)施用追肥，忽視追肥的適宜用量和施用時(shí)期，大量氮肥施入稻田。過(guò)量氮肥的施用不僅沒(méi)有提高水稻產(chǎn)量，還導(dǎo)致氮肥利用效率顯著降低。提高作物施氮效率，不僅可以提高作物產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入，還可以減輕化肥過(guò)量施用帶來(lái)的環(huán)境污染。本研究以18個(gè)適合黃淮稻區(qū)種植的粳稻品種為研究對(duì)象，設(shè)置4種施氮量處理，觀察不同施氮條件下各品種主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)利用率等的變化，以期明確適宜黃淮稻區(qū)的水稻品種對(duì)氮肥響應(yīng)的特點(diǎn)，為培育和利用氮高效品種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料共18份，分別來(lái)源于天津、北京、江蘇、河南、山東、浙江和安徽的中熟中粳品種(表1)，各品種均能在連云港正常抽穗結(jié)實(shí)。

試驗(yàn)于2018年在連云港市農(nóng)業(yè)科學(xué)院東辛農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地(119°9′E，34°35′N(xiāo))進(jìn)行。前茬作物為小麥，耕作層有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀的含量分別為25.3 g/kg、1.51 g/kg、35.1 mg/kg、350.2 mg/kg和336.2 mg/kg。小區(qū)地勢(shì)平坦，肥力均勻，排灌方便。各品種于5月14日播種，6月21日移栽，10月10日收獲。行株距20.0 cm×16.7 cm，雙本栽插。

表1 參試水稻品種及其來(lái)源

試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，以N0(不施氮)、N225(N225 kg/hm2)、N300(N300 kg/hm2)和N375(N375 kg/hm2)為主區(qū)，品種為副區(qū)。小區(qū)面積8 m2，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每裂區(qū)2次重復(fù)。將氮肥折合成純氮按基肥、分蘗肥和穗肥分次施入，比例為4∶2∶4。于移栽前3 d，按照360 kg/hm2和240 kg/hm2的施用量分施磷肥(P2O512%)和鉀肥(K2O 60%)。按照常規(guī)高產(chǎn)栽培措施進(jìn)行大田管理。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在水稻成熟期，按照水稻種質(zhì)資源描述規(guī)范，每小區(qū)取代表性植株5株，測(cè)定株高、有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、千粒重、單株谷重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、聚類(lèi)分析、主成分分析和綜合評(píng)價(jià)。

計(jì)算公式如下：

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-氮空白區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg) = 籽粒產(chǎn)量/施氮量；

隸屬函數(shù)分析：R(Xi，j)=(Xi，j-Xi，min)/(Xi，max-Xi，min)，i=1，2，…，n；

D值為第i個(gè)水稻品種在不同氮水平下的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要性狀統(tǒng)計(jì)與分析

性狀變異系數(shù)是衡量觀測(cè)值變異程度的統(tǒng)計(jì)量，可以為育種家進(jìn)行品種目標(biāo)性狀改良時(shí)提供參考[8]。對(duì)18個(gè)品種在不同施氮水平下的主要性狀變異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)，可以看出在4種施氮水平下，各品種間氮肥農(nóng)學(xué)利用率存在較大差異，變異系數(shù)為23.77%～27.89%；結(jié)實(shí)率和生育期變異水平較小，均在2.5%以下。與對(duì)照相比，3種施氮處理下各品種的結(jié)實(shí)率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著下降，其余農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)為顯著升高。穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、單株谷重等農(nóng)藝性狀隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

根據(jù)偏度和峰度判斷數(shù)據(jù)的正態(tài)性，結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，各個(gè)農(nóng)藝性狀多呈現(xiàn)偏態(tài)分布。

續(xù)表2

統(tǒng)計(jì)量施氮量/(kg/hm2)平均值最小值最大值偏斜度峰度標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)/%氮肥偏生產(chǎn)力225.0041.5736.1947.450.11-0.953.438.26300.0034.0828.1438.93-0.30-0.913.409.97375.0025.1621.2531.901.030.752.8611.38氮肥農(nóng)學(xué)利用率225.0012.375.5318.76-0.480.733.2626.33300.0014.627.1919.93-0.69-0.243.4823.77375.0010.567.0117.981.311.612.9527.89

2.2 氮素利用效率與其他性狀的關(guān)系

通過(guò)分析氮肥農(nóng)學(xué)利用率與主要農(nóng)藝性狀的關(guān)系可以看出(表3)，各品種在不同氮處理?xiàng)l件下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率與有效穗數(shù)(r=0.315*)、結(jié)實(shí)率(r=0.282*)、單株谷重(r=0.544**)和氮肥偏生產(chǎn)力(r=0.442**)呈顯著正相關(guān)。氮肥偏生產(chǎn)力與結(jié)實(shí)率(r=0.475**)呈顯著正相關(guān)，與株高(r=-0.310*)、全生育期(r=-0.332*)呈顯著負(fù)相關(guān)。單株谷重與株高(r=0.690**)、有效穗數(shù)(r=0.692**)、每穗粒數(shù)(r=0.368**)、穗長(zhǎng)(r=0.344**)呈極顯著正相關(guān)，與結(jié)實(shí)率(r=-0.472**)呈顯著負(fù)相關(guān)；每穗粒數(shù)與株高(r=0.459**)、穗長(zhǎng)(r=0.723**)、單株谷重(r=0.344**)呈顯著正相關(guān)，與結(jié)實(shí)率(r=-0.459**)和千粒重(r=-0.348**)呈顯著負(fù)相關(guān)；有效穗數(shù)與株高(r=0.396**)、全生育期(r=0.293**)、單株谷重(r=0.692**)呈顯著正相關(guān)，與結(jié)實(shí)率(r=-0.394**)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 不同施氮量下水稻種質(zhì)各性狀的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0.05水平上相關(guān)性顯著，**表示在0.01水平上相關(guān)性顯著。上三角數(shù)字表示相關(guān)系數(shù)r值，下三角數(shù)字表示P值。

2.3 K-均值聚類(lèi)分析

采用K-均值聚類(lèi)法，以氮肥農(nóng)學(xué)利用率為變量對(duì)各品種進(jìn)行聚類(lèi)，并對(duì)分組結(jié)果進(jìn)行性狀特征分析。參試的18個(gè)品種被分為3組(表4)，利用SPSS 22.0軟件對(duì)分組結(jié)果進(jìn)行方差與多重比較分析，結(jié)果表明：組內(nèi)各性狀差異不顯著，組間差異明顯，多性狀差異達(dá)顯著水平。其中在N225條件下，第1組有2個(gè)品種，第2組有15個(gè)品種，第3組有1個(gè)品種(中作1401)，表明在低氮肥水平條件下，大部分品種氮肥農(nóng)學(xué)利用率差異較小；在N300條件下，每組分別有4、11和3個(gè)品種，在N375條件下，第1組有8個(gè)品種，第2組有8個(gè)品種，第3組有2個(gè)品種(連粳7號(hào)和連粳16117)，表明在高氮肥水平條件下，各品種間氮肥農(nóng)學(xué)利用率出現(xiàn)了分化。通過(guò)比較分析，在3種施氮處理?xiàng)l件下，連粳16117的氮肥農(nóng)學(xué)利用率均處于較高的水平，表明該品種對(duì)氮肥的耐受性較好，在各種氮肥條件下，均能顯著增加產(chǎn)量。

表4 不同施氮量下水稻種質(zhì)氮素利用效率性狀聚類(lèi)分析

2.4 主成分分析

主成分分析是一種研究變量關(guān)系的方法，各變量對(duì)主成分的影響程度可以通過(guò)變量對(duì)主成分的得分進(jìn)行判斷，貢獻(xiàn)率大的變量對(duì)主成分的影響也大[9]。本研究以各品種氮肥農(nóng)學(xué)利用率以及其他農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件，以主成分特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)[10]，計(jì)算出各主成分的特征向量和貢獻(xiàn)率(表5)。從表5可知，本研究抽提的3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)70.88%，能夠代表原始變量的絕大部分信息。在主成分1中，有效穗數(shù)的特征向量值最大，其次是氮肥農(nóng)學(xué)利用率和結(jié)實(shí)率，而穗長(zhǎng)的特征向量值為負(fù)；在主成分2中，單株谷重的特征向量最大，其次是氮肥偏生產(chǎn)力，而千粒重的特征向量為負(fù)且絕對(duì)值較大；在主成分3中，全生育期擁有最大的特征向量值，而結(jié)實(shí)率有較高的負(fù)值。

表5 水稻種質(zhì)各性狀主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率

2.5 品種綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)參試的18份種質(zhì)對(duì)應(yīng)的特征向量，利用隸屬度函數(shù)進(jìn)行歸一化處理[11]，各主成分的隸屬函數(shù)值如表6所示。經(jīng)計(jì)算，第一、二和三主成分的權(quán)重分別為43.64%、37.40%、18.97%(表5)。根據(jù)綜合指數(shù)D值大小對(duì)其氮肥利用效率進(jìn)行強(qiáng)弱排序(表6)。由表6可見(jiàn)，連粳16117、連粳15號(hào)和新糧12號(hào)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(D值)較高(0.87、0.75、0.75)，評(píng)價(jià)為綜合氮肥利用效率較高。而隆運(yùn)7100和精華153綜合指數(shù)(D值)較低(0.18，0.20)，評(píng)價(jià)為綜合氮肥利用效率較弱。

表6 各水稻種質(zhì)的主成分值、隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值(D值)

3 討論

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要元素，施用氮肥可以顯著提高水稻的產(chǎn)量。我國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)氮肥高投入的國(guó)家[12，13]。我國(guó)單季稻每公頃用氮量約為180 kg，在有些地區(qū)甚至超過(guò)300 kg[14，15]。由于氮肥的過(guò)量施用，大多數(shù)水稻產(chǎn)區(qū)的水稻產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢或停滯不前，氮肥利用率極低，對(duì)環(huán)境的破壞十分明顯。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)追求更高的產(chǎn)量、更高的氮肥利用率和最小的環(huán)境污染，因此，提高糧食產(chǎn)量必須通過(guò)更有效地使用氮肥而不是依靠增加氮肥的投入來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，培育氮肥利用率更高的品種是減少水稻生產(chǎn)中氮肥投入的有效途徑[16]。

前人研究表明，相對(duì)于普通施氮或高氮水平，水稻在施低氮情況下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率以及氮肥偏生產(chǎn)力與株高、每穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和單株谷重的相關(guān)性更為密切[17]。隨著施氮水平的提高，水稻植株氮素積累量迅速增加，但施氮超過(guò)225 kg/hm2后，多數(shù)水稻品種氮素吸收量不再增加[18]。如果仍繼續(xù)過(guò)量施用氮肥則會(huì)導(dǎo)致無(wú)效分蘗的增加、千粒重的下降，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量及多種農(nóng)藝性狀呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。本研究利用適宜黃淮稻區(qū)的18個(gè)品種為材料，研究了這些品種在田間4個(gè)氮肥處理?xiàng)l件下的農(nóng)藝性狀差異，發(fā)現(xiàn)株高、有效穗數(shù)和全生育期與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，結(jié)實(shí)率和氮肥偏生產(chǎn)力與施氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、千粒重、單株谷重、氮肥農(nóng)學(xué)利用率等性狀多表現(xiàn)為N300>N375>N225>N0，這些結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致[19]。同時(shí)利用K-均值聚類(lèi)分析，并結(jié)合隸屬度函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)不同品種進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同品種間物質(zhì)生產(chǎn)和積累方式各不相同，氮素利用率存在明顯差異。具體表現(xiàn)為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)連粳16117最高，其次為連粳15號(hào)和新糧12號(hào)。

前人研究表明，在華中地區(qū)的試驗(yàn)中，低氮處理下，氮效率表現(xiàn)較好的品種多是有效穗數(shù)較多的品種，穗粒數(shù)適中；在高氮下產(chǎn)量表現(xiàn)較好的品種多是大穗型品種，即穗粒數(shù)多，穗數(shù)適中[20，21]。本研究中綜合表現(xiàn)最好的3個(gè)品種中，連粳16117、新糧12號(hào)和連粳15號(hào)的有效穗數(shù)在所有品種中位列前三，連粳16117相比連粳15號(hào)和新糧12號(hào)擁有較高的每穗粒數(shù)。同時(shí)本研究利用主成分分析發(fā)現(xiàn)：有效穗數(shù)的特征值為第1主成分中的最大值，這也突出顯示了有效穗數(shù)在不同氮肥條件下對(duì)水稻品種的重要影響。同時(shí)，本研究利用相關(guān)分析證明：在不同施氮水平下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別與有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和單株谷重呈極顯著正相關(guān)，氮肥偏生產(chǎn)力分別與株高、結(jié)實(shí)率和全生育期呈極顯著的正相關(guān)。

開(kāi)展水稻氮高效利用研究對(duì)于氮高效品種的選育和利用具有重要的指導(dǎo)意義。本研究發(fā)現(xiàn)，在未施氮或低氮水平下，單株谷重與有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)的相關(guān)性比高氮水平更為密切，說(shuō)明未施氮或低氮水平更適合于耐低氮種質(zhì)的選擇，同時(shí)也說(shuō)明未施氮或施低氮條件下有效穗數(shù)和穗粒數(shù)較多的材料，一般產(chǎn)量較高。因此，應(yīng)在低氮條件下開(kāi)展高氮肥利用率水稻品種選育，注重選擇有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)并重、單株谷重較高的株系。通過(guò)多重比較分析，本研究發(fā)現(xiàn)，在不同氮肥處理?xiàng)l件下，不同品種的氮肥利用率的變化差異顯著，比如寧7618在不施氮和低氮(N0和N225)條件下，單株谷重、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率較高，而有些品種如連粳15號(hào)則在普通施氮(N300和N375)條件下?lián)碛休^高的單株谷重、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率。因此，在利用氮高效品種時(shí)，首先要掌握品種在氮素吸收利用方面的特征特性，有針對(duì)性地指導(dǎo)種植者合理施肥，確保在提高氮肥利用效率的同時(shí)達(dá)到增產(chǎn)的效果。