孫志廣,王寶祥,楊 波,徐 波,邢運高,劉 艷,Bello Babatunde Kazeem,徐大勇

(江蘇徐淮地區(qū)連云港農(nóng)業(yè)科學研究所/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心 水稻研究室,江蘇 連云港 222006)

氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素,是構(gòu)成許多植物大分子的主要成分,合理有效地施用氮肥可以顯著提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國和消費國,同時也是一個氮肥投入高的國家[12]。在我國,從1980年至2017年,稻谷產(chǎn)量增加了50%以上,但與此同時,農(nóng)用化肥施用折純量也增加了接近4倍(從1269萬t到5859萬t),氮肥施用量比全球平均水平高出70%(國家統(tǒng)計局http://data.stats.gov.cn)。然而,在施入的氮肥總量中,水稻能有效利用的不到40%,其余氮肥通過各種物理化學過程流失到大氣、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的上升[34]。因此,必須同時兼顧環(huán)境和經(jīng)濟因素,以確保氮肥的有效利用,實現(xiàn)可持續(xù)的作物生產(chǎn)。

黃淮稻區(qū)是我國第二大優(yōu)質(zhì)粳稻生產(chǎn)區(qū),每年生產(chǎn)約100億千克水稻。當?shù)囟鄶?shù)農(nóng)民根據(jù)自己的經(jīng)驗施用追肥,忽視追肥的最佳時機和適宜用量,為了保證產(chǎn)量,施用大量氮肥入農(nóng)田。然而,過量氮肥的施用不僅沒有提高水稻產(chǎn)量,還導(dǎo)致氮肥利用效率顯著降低。因此,提高作物氮肥利用效率,不僅可以在有限的氮供應(yīng)條件下提高作物產(chǎn)量,通過提高凈利潤惠及農(nóng)民,還可以減輕化肥過量施用帶來的環(huán)境污染。

本研究以18個適合黃淮稻區(qū)種植的粳稻品種為研究對象,設(shè)置4種施氮量處理,觀察了不同施氮量條件下不同品種的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學利用率等的變化,以期明確適宜黃淮稻區(qū)的水稻品種對氮肥響應(yīng)的特點,為培育和利用氮高效品種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

試驗材料共計18份,分別來源于天津、北京、江蘇、河南、山東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。

表1 參試材料的名稱和來源

試驗于2018年在連云港市農(nóng)業(yè)科學院東辛農(nóng)場試驗基地(東經(jīng)119°9′，北緯34°35′)進行。前茬作物為小麥；耕作層有機質(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。各小區(qū)地勢平坦,肥力均勻,排灌方便。各品種均于5月中旬播種,6月下旬移栽,10月上旬收獲。行株距20.0 cm×16.7 cm,所有品種均雙本栽插。

試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計,以N0(不施氮)、N225(施用純氮225 kg/hm2)、N300(施用純氮300 kg/hm2)和N375(施用純氮375 kg/hm2)為主區(qū),品種為副區(qū)。小區(qū)面積為8 m2,完全隨機區(qū)組設(shè)計,每裂區(qū)兩次重復(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,分別施用磷肥(含P2O512%)360 kg/hm2和鉀肥(含K2O 60%)240 kg/hm2；按照常規(guī)高產(chǎn)栽培措施進行稻田管理。

1.2 測定項目及方法

在水稻成熟期,按照水稻種質(zhì)資源描述規(guī)范,每小區(qū)取代表性水稻植株5株,考察水稻的主要農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀，包括株高、有效穗數(shù)、穗長、每穗粒數(shù)、每穗實粒數(shù)、千粒重、全生育期、單株谷重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010進行試驗數(shù)據(jù)的錄入、整理,利用SPSS 22.0軟件進行各品種性狀的描述性統(tǒng)計、相關(guān)分析、聚類分析、主成分分析和綜合評價。

相關(guān)指標的計算公式如下:

氮肥農(nóng)學利用率(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(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin),i=1,2,…,n;

上式中D值為第i個水稻品種在不同氮水平下的綜合評價指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要性狀統(tǒng)計與分析

變異系數(shù)是衡量觀測值變異程度的統(tǒng)計量,可以為育種家進行品種目標性狀改良時提供參考[5]。對來源于黃淮稻區(qū)的18個品種在不同施氮水平下的主要性狀變異進行統(tǒng)計(表2),可以看出在4種施氮水平下,各品種間氮肥農(nóng)學利用率存在較大差異,變異系數(shù)為22.08%～34.88%;結(jié)實率和生育期的變異范圍較小,變異系數(shù)處于1.37%～3.13%。在3種施氮處理下氮肥偏生產(chǎn)力和結(jié)實率與不施氮對照相比出現(xiàn)顯著下降;相反,其余農(nóng)藝性狀則表現(xiàn)為顯著增加。值得注意的是,穗長、每穗粒數(shù)、單株谷重等多個性狀隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

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,各個性狀多呈現(xiàn)偏態(tài)分布。

2.2 氮素利用效率與其他性狀的關(guān)系

通過分析氮肥農(nóng)學利用率與主要農(nóng)藝性狀的關(guān)系可以看出(表3),各品種在不同氮處理條件下,氮肥農(nóng)學利用率與單株谷重(r=0.442**)和氮肥偏生產(chǎn)力(r=0.480**)呈極顯著正相關(guān)；氮肥偏生產(chǎn)力與結(jié)實率(r=0.619**)呈極顯著正相關(guān)；單株谷重與株高(r=0.647**)、有效穗數(shù)(r=0.736**)、每穗粒數(shù)(r=0.364**)、穗長(r=0.431**)、千粒重(r=0.256*)呈極顯著或顯著正相關(guān),與結(jié)實率(r=-0.510**)呈極顯著負相關(guān);每穗粒數(shù)與穗長(r=0.625**)、株高(r=0.621**)、單株谷重(r=0.364**)呈極顯著正相關(guān);有效穗數(shù)與株高(r=0.380**)、單株谷重(r=0.736**)、千粒重(r=0.260*)呈極顯著或顯著正相關(guān),與結(jié)實率(r=-0.567**)呈極顯著負相關(guān)。

表2 不同施氮量下水稻種質(zhì)農(nóng)藝性狀的描述性統(tǒng)計

2.3 K-均值聚類分析

采用K-均值聚類法,以氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力為變量，對各品種進行聚類分析,并對分組結(jié)果進行性狀特征分析。參試的18個品種被分為3組(表4)。利用SPSS 22.0軟件對分組結(jié)果進行方差分析與多重比較,結(jié)果表明:組內(nèi)各性狀差異不顯著,組間差異明顯,多性狀差異達顯著水平。其中在N225條件下,第1組有12個品種,第2組有5個品種,第3組有1個品種(鹽稻15198),表明在低氮肥水平條件下,大部分品種的氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力處于較低的水平,僅有鹽稻15198表現(xiàn)出較高的氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力;在N300條件下,第1組有6個品種,第2組有9個品種,第3組有3個品種(鹽稻15198、連粳15號和科粳188)；在N375條件下,第1、2和3組分別有4、11和3個品種,第3組的3個品種分別為鹽稻15198、連粳16117和連粳7號,表明在高氮肥水平條件下,各品種的氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力出現(xiàn)了整體增加的趨勢,推測是由育種家的人工選擇引起的。通過比較分析,在3種施氮處理條件下,鹽稻15198的氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力均處于較高的水平,表明該品種對氮肥的耐受性較好,在各種氮肥條件下均能顯著增加產(chǎn)量。

表3 不同施氮量下水稻種質(zhì)各性狀間的相關(guān)分析結(jié)果

注：“*”表示在0.05水平上相關(guān)顯著；“**”表示在0.01水平上相關(guān)顯著。

表4 不同施氮量下水稻種質(zhì)氮素利用效率性狀的聚類分析

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,各變量對主成分的影響程度可以通過變量對主成分的得分來進行判斷,貢獻率大的變量對主成分的影響也大[6]。本研究以各品種氮肥農(nóng)學利用率以及其他農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件,以主成分特征值大于1為標準[7],計算出各主成分的特征向量和貢獻率(表5)。從表5可知,本研究抽提的4個主成分的累計貢獻率高達85.96%,能夠代表原始變量的絕大部分信息。在主成分1中,株高的特征向量值最大,其次是穗長和單株粒重,而全生育期的特征向量值為負;在主成分2中,氮肥農(nóng)學利用率的特征向量最大,其次是氮肥偏生產(chǎn)力,而有效穗數(shù)的特征向量為負且絕對值較大;在主成分3中,全生育期擁有最大的特征向量值,結(jié)實率和每穗粒數(shù)緊隨其后,而有效穗數(shù)有較高的負值;在主成分4中,千粒重擁有最大的特征向量值,全生育期緊隨其后,而每穗粒數(shù)有較高的負值。

2.5 品種綜合評價

根據(jù)參試的18份種質(zhì)對應(yīng)的特征向量,利用隸屬度函數(shù)進行歸一化處理[8],各主成分的隸屬函數(shù)值如表6所示。經(jīng)計算,4個主成分的權(quán)重分別為36.14%、27.87%、20.73%、15.27%(表5)。根據(jù)綜合指數(shù)D值的大小對各品種的氮肥利用效率進行強弱排序(表6)。由表6可見：鹽稻15198、連粳7號和津粳優(yōu)2186的綜合評價指數(shù)較高，分別為0.77、0.68、0.64,評價為綜合氮肥利用效率較高；科粳188和連粳17308的綜合指數(shù)較低，分別為0.30、0.34,評價為綜合氮肥利用效率較低。

表5 水稻種質(zhì)各性狀主成分的特征向量及貢獻率

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

3 討論

氮素作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的限制性營養(yǎng)因子,對維持作物產(chǎn)量、提高糧食品質(zhì)具有重要意義[9-11]。我國單季稻用氮量約為180 kg/hm2，在有些地區(qū)甚至超過300 kg/hm2[1213]。由于氮肥的過量施用,大多數(shù)水稻產(chǎn)區(qū)的水稻產(chǎn)量增長緩慢或停滯不前,氮肥利用率極低,對環(huán)境的破壞十分明顯。對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)來說,更高的產(chǎn)量、更高的氮肥利用率和最小的環(huán)境污染是必需的,因此,提高糧食產(chǎn)量必須通過更有效地使用氮肥而不是依靠增加氮肥的投入來實現(xiàn)。實踐證明,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[14]。

前人研究表明,相對于普通施氮或高氮水平,水稻在施低氮情況下,氮肥農(nóng)學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[15]。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225 kg/hm2后,多數(shù)水稻品種的氮素吸收量不再增加[16]。本文利用適宜黃淮稻區(qū)的18個品種為材料,研究了這些品種在田間4個氮肥處理條件下的農(nóng)藝性狀差異,具體表現(xiàn)為株高、有效穗數(shù)、全生育期和單株谷重隨著施氮量的提高而增加,結(jié)實率和氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥的增加而降低,穗長、每穗粒數(shù)、千粒重和氮肥農(nóng)學利用率等性狀多表現(xiàn)為N375>N300>N225>N0,這些結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。同時我們利用隸屬度函數(shù)進行歸一化處理,對不同品種進行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同品種的物質(zhì)生產(chǎn)和積累方式各不相同,氮素利用率存在明顯差異,結(jié)合K-均值聚類分析的結(jié)果,我們認為鹽稻15198在所有品種中表現(xiàn)最好,其次為連粳7號和津粳優(yōu)2186。

在華中地區(qū)的試驗中,在低氮處理下氮利用效率表現(xiàn)較好的品種多是有效穗數(shù)較多、穗粒數(shù)適中的品種；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[17-18]。在本研究中，綜合表現(xiàn)居前3位的3個品種中,津粳優(yōu)2186為大穗型品種,每穗粒數(shù)和株高在所有品種中位列第一;連粳7號和鹽稻15198擁有較高的結(jié)實率,其余農(nóng)藝性狀均適中,沒有顯著的短板,綜合表現(xiàn)較好。

本研究結(jié)果表明,在不同施氮水平下氮肥農(nóng)學利用率與單株谷重和氮肥偏生產(chǎn)力均呈極顯著正相關(guān),氮肥偏生產(chǎn)力與結(jié)實率呈極顯著的正相關(guān)。與高施氮相比,不施氮或低氮水平下的單株谷重與有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)的相關(guān)性更為緊密,說明不施氮或施低氮的稻田更適于耐低氮的水稻種質(zhì),同時也說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,一般表現(xiàn)較高的產(chǎn)量。因此,育種家們在選育氮肥利用率高的品種時要注重在低氮條件下選擇有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)并重、單株谷重較高的株系。因此,開展水稻氮高效利用研究對于氮高效品種的選育和利用具有重要的指導(dǎo)意義。