李發(fā)橋,戴曉蕭,王倫偉,夏小舟,韋善清,梁 和,江立庚,2
(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 長沙 410128)
【研究意義】 水稻是廣西重要的糧食作物。合理施肥是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)和保障糧食安全的重要技術(shù)手段[1]。然而,過量施肥所帶來的問題也日益受到廣泛的關(guān)注[2]。“十三五”以來,中央提出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上要實行“雙減”政策,要求在2020年我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用藥用肥實現(xiàn)零增長。因此,從現(xiàn)有栽培品種中篩選出耐低肥高效品種,對于降低水稻生產(chǎn)肥料用量和保障糧食安全具有十分重要的意義。挖掘生物自身潛能,篩選高效水稻品種,對于提高肥料利用率和減少肥料使用量具有重要意義?!厩叭搜芯窟M展】 研究表明,現(xiàn)存的水稻品種中存在著對氮磷鉀元素利用效率的差異,部分水稻品種可以在低肥條件下生長發(fā)育受影響較小,甚至表現(xiàn)在產(chǎn)量上的不下降[3]。在氮元素方面利用效率,不同的水稻品種表現(xiàn)出不一致的氮效率,氮利用率高的水稻品種表現(xiàn)為更高的氮素吸收能力、氮素轉(zhuǎn)移效率、氮素生產(chǎn)效率[4]。從群體發(fā)育特征來看,氮高效水稻品種有更高的成穗率,抽穗期后表現(xiàn)為更強的物質(zhì)轉(zhuǎn)移能力和光合作用能力[5]。水稻的產(chǎn)量與其生長發(fā)育時長相關(guān),氮高效品種在低氮時能獲得比敏感品種更長的發(fā)育時長[6]。氮素經(jīng)水稻根系吸收后,氮高效品種憑借更發(fā)達活力更高的根系系統(tǒng)、更強的轉(zhuǎn)運能力、更活躍的生理生化能力將更多氮元素固定[7]。在植株內(nèi)的分配情況,氮高效品種憑借更強的轉(zhuǎn)移能力,能將更多氮元素轉(zhuǎn)移到籽粒中[8]。應(yīng)用于實際生產(chǎn)的大量品種中存在低氮條件下產(chǎn)量下降不明顯的水稻品種[9]。區(qū)別于氮元素從水稻移栽后的整個生長發(fā)育時期都起作用,特別氮高效品種表現(xiàn)為更強的后期生長發(fā)育能力,磷元素在水稻生長的前期作用更大[10]。低磷時,水稻的生長發(fā)育受到限制,主要表現(xiàn)為水稻生長株高受限制,分蘗能力變差,無法形成高產(chǎn)表現(xiàn)的群體質(zhì)量[11]。低磷條件下磷高效品種比低效品種有更多的有效穗數(shù)和更高的千粒重,對比自身正常施肥,千粒重增加,結(jié)實率增加[12]。磷高效品種具有更多的根、更大的根冠比、分蘗早發(fā)、莖蘗成穗率高,高效葉面積率大、光合能作用力強,庫容量大、莖物質(zhì)轉(zhuǎn)運率更高,后期生長發(fā)育能力更強,有更高的抗倒伏能力[13]?,F(xiàn)存的水稻品種中同樣存在大量磷高效品種[14]。這些水稻品種在低磷條件下能保持產(chǎn)量下降不明顯,具有更高的磷利用效率[15]。鉀元素不參與重要有機物的組成,鉀作為多種酶的激活劑參與植物體內(nèi)的重要代謝,鉀元素在水稻的一生中甚至?xí)霈F(xiàn)吸收進入植物體內(nèi)的鉀流失回到環(huán)境中去。水稻產(chǎn)量對鉀肥的敏感性低于氮磷兩種元素[16]。當(dāng)水稻受到鉀脅迫時,水稻根系干重、地上部干重、有效穗數(shù)、籽粒生產(chǎn)效率等有明顯差別,鉀高效品種通常表現(xiàn)為根系更發(fā)達、根冠比更大、地上部相對產(chǎn)量更高,與抗逆性相關(guān)的酶更有利于植株正常發(fā)育[17]。近年來有許多學(xué)者對一定數(shù)量水稻品種的鉀利用效率進行研究,結(jié)果表明有些品種在一定鉀脅迫條件下產(chǎn)量不下降[18]?!颈狙芯壳腥朦c】 前人對單一養(yǎng)分高效品種的篩選及其生理機制進行了較多研究,但還沒有同時對氮、磷、鉀3種元素進行耐低肥能力評價的報道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】 以廣西現(xiàn)有水稻品種為試驗材料,通過大田試驗,對廣西主要水稻品種的耐低氮、耐低磷和耐低鉀能力進行評價,從中篩選出同時具備2種或3種養(yǎng)分高效的品種供生產(chǎn)應(yīng)用。
2017年在廣西大學(xué)農(nóng)科教學(xué)基地進行大田試驗。根據(jù)何燕等[19]的方法,廣西水稻種植區(qū)域可劃分為遲熟雙季稻適宜氣候區(qū)、早中熟雙季稻適宜氣候區(qū)、單季再生稻適宜氣候區(qū)等。通過對玉林、河池、賀州、合浦、南寧等市(縣)農(nóng)業(yè)技術(shù)部門進行問卷調(diào)查,收集各氣候區(qū)種植面積較大的10個水稻品種。同時,在南寧、河池、桂林、賀州等市購買銷量大或者當(dāng)?shù)靥厣酒贩N。上述方法共收集72個水稻品種。播種后,根據(jù)秧苗的生長和試驗田大小情況,最終進行小區(qū)試驗的品種共48個(表1)。
采用雙因素(品種和施肥水平)裂區(qū)試驗設(shè)計,以施肥水平為主區(qū)、品種為裂區(qū),以常規(guī)施肥水平(N 200 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 200 kg/hm2)作對照,設(shè)1/3常規(guī)施氮量(N 66.7 kg/hm2,磷鉀肥水平與對照相同)、不施磷肥(氮鉀肥水平與對照相同)、不施鉀肥(氮磷水平與對照相同)處理,3次重復(fù),共576個小區(qū)。主區(qū)間以PVC板隔開,擋板連接與交角處用薄膜包裹防止串水串肥,主區(qū)內(nèi)品種隨機排列,品種間無隔離;每裂區(qū)1.9 m2,插3行,每行19穴,每穴2苗,行株距為33 cm×10 cm。氮肥分基肥、分蘗肥、穗肥3次施用,其比率為4∶3∶3;磷肥和鉀肥作基肥一次性施用。3月10日播種,4月11日移栽。根據(jù)品種成熟期確定收獲時期。
在水稻成熟期,調(diào)查每個小區(qū)有效穗數(shù),計算平均有效穗數(shù)。每個小區(qū)取3穴代表性植株,然后按小區(qū)實收稻谷測產(chǎn)。
各試驗處理相對產(chǎn)量=低肥處理產(chǎn)量/正常施肥處理產(chǎn)量
試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016統(tǒng)計,使用SPSS 21.0進行聚類分析,選擇系統(tǒng)聚類,使用組間聯(lián)接以Euclidean距離為度量標(biāo)準。
各試驗處理水稻產(chǎn)量結(jié)果見表1。由表1 可知,低氮(1/3N)處理水稻平均產(chǎn)量比對照低11%,但有2個品種的產(chǎn)量比對照略高;不施磷處理水稻平均產(chǎn)量比對照低12%,但有4個品種的產(chǎn)量比對照略高;不施鉀處理水稻平均產(chǎn)量比對照低7%,但有10個品種的產(chǎn)量比對照略高。
表1 不同施肥水平下廣西主要水稻品種產(chǎn)量Table 1 Grain yield of Guangxi main rice varieties under different fertilizer application
(續(xù)表1)
從表1可以看出,低氮處理水稻品種間相對產(chǎn)量的差異達顯著水平。因此,以Euclidean距離為度量標(biāo)準對參試水稻品種的相對產(chǎn)量值進行系統(tǒng)聚類,結(jié)果(圖1)表明,參試水稻品種的耐低氮能力可分為3類,其中耐低氮品種20個,中耐低氮品種24個,氮敏感品種4個。方差分析結(jié)果表明,類間差異極顯著。耐低氮品種還可以進一步劃分3個等級:第一級為耐低氮能力較強品種,包括亞航金占和中廣香1號兩個品種,在低氮條件下相對產(chǎn)量值大于1;第二級耐低氮品種,如豐兩優(yōu)四號等13個品種,相對產(chǎn)量在0.9494~0.9921;第三級耐低氮品種,如特優(yōu)165等5個品種,相對產(chǎn)量為0.9204~0.9406(表2)。
圖1 廣西主要水稻品種低氮條件下相對產(chǎn)量聚類分析結(jié)果Fig.1 Cluster analysis chart of relative yield of Guangxi main rice varieties under low nitrogen condition
表2 參試水稻品種耐低氮能力分類Table 2 Classification of low nitrogen tolerance of the tested rice varieties
從表1可以看出,不施磷肥條件下,水稻品種間相對產(chǎn)量差異達顯著水平。根據(jù)不施磷處理相對產(chǎn)量的系統(tǒng)聚類結(jié)果(圖2),參試水稻品種的耐低磷能力可分為3類,其中耐低磷品種17個,中耐低磷品種19個,不耐低磷品種12個(表3)。方差分析結(jié)果表明,類間差異極顯著。
圖2 廣西主要水稻品種低磷條件下相對產(chǎn)量聚類分析結(jié)果Fig.2 Cluster analysis chart of relative yield of Guangxi main rice varieties under low phosphorus condition
表3 廣西主要水稻品種耐低磷能力分類Table 3 Classification of low phosphorus tolerance of Guangxi main rice varieties
從表1可以看出,不施鉀肥條件下,各水稻品種間的相對產(chǎn)量差異達顯著水平。根據(jù)其相對產(chǎn)量值進行系統(tǒng)聚類,結(jié)果(圖3)表明,參試水稻品種的耐低鉀能力可分為3類,其中耐低鉀品種25個,中耐低鉀品種21個,鉀敏感品種2個。方差分析表明,類間差異極顯著。參試品種耐低鉀能力分類見表4。
圖3 廣西主要水稻品種低鉀條件下相對產(chǎn)量聚類分析結(jié)果Fig.3 Cluster analysis chart of relative yield of Guangxi main rice varieties under low potassium condition
表4 廣西主要水稻品種耐低鉀能力分類Table 4 Classification of low potassium tolerance of Guangxi main rice varieties
參試48個水稻品種的耐低肥能力如圖4所示。由圖4可知,參試48個廣西主要水稻品種中,有能耐低氮的水稻品種20個,耐低磷水稻品種17個,耐低鉀水稻品種25個;同時表現(xiàn)出耐低氮、耐低磷和耐低鉀的品種有10個,分別為廣兩優(yōu)1598、桂兩優(yōu)2號、特優(yōu)5號、特優(yōu)582、桂豐2號、特優(yōu)3813、T優(yōu)6135、科兩優(yōu)889、中廣香1號、亞航金占。
圖4 耐低肥的廣西主要水稻品種Fig.4 Main rice varieties in Guangxi with low fertilizer tolerance
當(dāng)前水稻生產(chǎn)過程中的化肥利用效率普遍較低,通常氮肥利用率在35%左右[20],磷肥利用率為13%[21],鉀肥為25.6%[22]。肥料利用率由作物遺傳因素決定,同時還受到環(huán)境的影響[23]。肥料利用率因不同的土壤條件[24]、氣候條件[25]、種質(zhì)資源條件[26]、施肥習(xí)慣[27]、水分管理情況[28]而變化。
利用高效水稻品種是降低肥料用量、提高肥料利用率的最經(jīng)濟手段,因此,研究者十分重視高效品種的評價與篩選。在氮素方面,江立庚等[4]研究表明,不同水稻品種在氮素吸收能力、氮素生產(chǎn)效率、氮素農(nóng)學(xué)效率方面均存在顯著的差異。在相對產(chǎn)量方面,有研究表明在1/3正常施肥水平條件下水稻相對產(chǎn)量為0.55~1.11[6]。對氮素高效水稻品種生理特征的研究表明,氮高效品種從長勢來看,主要在后期擁有更強的后勁,即氮低效品種與氮高效品種的區(qū)別在于水稻生長的后期[29]。另外,有些氮高效品種在苗期也有多數(shù)指標(biāo)與氮低效品種有著顯著差異[30]。這些優(yōu)勢從苗期一直貫穿水稻整個生育期,氮高效品種在低氮條件時能擁有更發(fā)達的根系,創(chuàng)造的根系環(huán)境更適宜水稻吸收各種營養(yǎng)元素[31]。在磷元素方面,水稻對磷元素的吸收與利用存在著廣泛的差異性。磷高效品種區(qū)別氮高效品種的地方在于,磷高效品種的優(yōu)勢在水稻生長早期表現(xiàn)出來[10]。水稻磷元素的積累主要在生育前期和中期,生育后期磷的積累量較少,生物后期水稻吸收積累磷的多少對產(chǎn)量并不會造成太大影響,磷高效品種在苗期表現(xiàn)更為發(fā)達的根系吸收系統(tǒng)、更高的磷積累速率、更快的物質(zhì)積累速度[32]。磷高效品種在低磷條件下、擁有更多的有效穗數(shù)、更多的每穗粒數(shù),在群體質(zhì)量上都有更好的表現(xiàn)[33],且磷高效品種擁有更為發(fā)達的根系[34]。在鉀元素方面,水稻產(chǎn)量對鉀元素的響應(yīng)相對于氮元素是欠敏感的。鉀元素通常以離子形式存在,不直接參與有機物構(gòu)成。研究表明鉀高效品種具有更高的生物量、收獲指數(shù)和結(jié)實率,但基本農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因子沒有顯著差異[35]。鉀高效水稻品種在低鉀條件下,POD活性變化較大,而CAT活性變化較小,各品種之間差異不一[36]。鉀高效品種的葉片葉綠素含量較其他品種高;鉀高效品種在低鉀條件下,其可溶性糖和可溶性蛋白含量均高于其他品種,但氨酸含量則是鉀高效品種含量低于其他品種,鉀元素影響脯氨酸含量的變化;抗氧化酶的活性與鉀效率的關(guān)系密切;不同化感作用強度的水稻品種對鉀元素吸收不一致,化感作用強的水稻品種對鉀的吸收能力更強[37]。與氮、磷元素一致的是,鉀高效品種同樣擁有更好的根系[38]。
以往研究主要是在單一養(yǎng)分模式下篩選養(yǎng)分高效品種。對比氮、磷、鉀3種元素的高效品種,現(xiàn)存水稻品種中,總能篩選到某種元素的高效品種,且氮磷鉀高效品種在根系方面具有共同點,都擁有更為發(fā)達的根系系統(tǒng)。本研究在氮、磷、鉀3種養(yǎng)分模式下評價和篩選養(yǎng)分高效品種,結(jié)果表明,在低養(yǎng)分供應(yīng)下水稻產(chǎn)量均下降,但下降幅度差異明顯。其中,1/3正常氮水平、不施磷、不施鉀處理下水稻產(chǎn)量分別下降12%、11%和7%。表明正常的養(yǎng)分供應(yīng)是水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ),同時三大營養(yǎng)元素中,氮的正常供應(yīng)對保障水稻產(chǎn)量最重要。本研究結(jié)果還表明,不同品種的耐低養(yǎng)分能力不同,其耐低氮、低磷和低鉀能力的差異均可達顯著水平,這為高效水稻品種的篩選應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。在參試的48個水稻品種中耐低氮品種20個,耐低磷品種17個,耐低鉀品種25個,這些耐低養(yǎng)分能力較強品種可直接供水稻生產(chǎn)應(yīng)用。
本研究對參試水稻品種的耐低氮、低磷和低鉀能力進行了評價,因此可以篩選出同時對兩種或三種養(yǎng)分高效的水稻品種。試驗中同時表現(xiàn)出耐低氮、耐低磷和耐低鉀的品種有10個,分別為廣兩優(yōu)1598、桂兩優(yōu)2號、特優(yōu)5號、特優(yōu)582、桂豐2號、特優(yōu)3813、T優(yōu)6135、科兩優(yōu)889、中廣香1號、亞航金占。