丁永剛 李福建 王亞華 湯小慶 杜同慶 朱 敏 李春燕 朱新開 丁錦峰,* 郭文善,*

稻茬小麥氮高效品種產(chǎn)量構(gòu)成和群體質(zhì)量特征

丁永剛1李福建1王亞華1湯小慶1杜同慶2朱 敏1李春燕1朱新開1丁錦峰1,*郭文善1,*

1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 / 江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 / 揚(yáng)州大學(xué)小麥研究中心, 江蘇揚(yáng)州 225009;2睢寧縣植物保護(hù)技術(shù)指導(dǎo)站, 江蘇徐州 221200

在稻麥兩熟條件下, 將2016—2017和2017—2018年江蘇揚(yáng)州參試的24個(gè)和江蘇睢寧參試的23個(gè)小麥品種按氮肥表觀利用率(NUR)劃分為高效(NUR≥50%)、中效(NUR 40%~50%)和低效(NUR≤40%)品種類型, 比較其產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和群體質(zhì)量指標(biāo)的差異, 為稻茬小麥品種選用和大面積高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供參考。結(jié)果表明, 兩年度在揚(yáng)州均表現(xiàn)出高效的品種為揚(yáng)麥25和寧麥21, 在睢寧為淮麥35。揚(yáng)州和睢寧氮高效品種產(chǎn)量分別高于6500 kg hm–2和7000 kg hm–2, 均顯著高于其他類型。與氮中效和氮低效品種相比, 氮高效品種具有較高的穗數(shù), 穗粒數(shù)和千粒重品種類型間差異不顯著。不同品種間產(chǎn)量和穗數(shù)與NUR均呈線性正相關(guān)。氮高效品種具有較高的孕穗期和開花期莖蘗數(shù), 分蘗成穗率, 乳熟期葉面積指數(shù), 孕穗期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量, 花后干物質(zhì)積累量和成熟期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量。不同氮效率品種類型間花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和收獲指數(shù)差異不顯著。相關(guān)性分析表明, 兩地不同品種類型間孕穗期和開花期莖蘗數(shù)、乳熟期LAI、主要生育時(shí)期干物質(zhì)積累量、花后和成熟期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量均與氮肥表觀利用率呈極顯著線性正相關(guān)。表明稻茬小麥氮高效品種生育早期表現(xiàn)出較強(qiáng)分蘗能力, 且生育后期具有較高葉面積指數(shù)和光合生產(chǎn)能力, 可用于灌漿的花后同化物質(zhì)較多。本研究初步提出成熟期干物質(zhì)積累量16,000~20,000 kg hm–2和花后干物質(zhì)積量4100~6700 kg hm–2可作為稻茬小麥高產(chǎn)高效品種的篩選指標(biāo)。

稻茬小麥; 品種; 氮肥表觀利用率; 產(chǎn)量構(gòu)成; 群體質(zhì)量

小麥作為我國主要的糧食作物, 其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)系著國家的糧食安全[1]。施用氮肥對(duì)小麥產(chǎn)量的提高起著重要作用, 適量施用氮肥有利于促進(jìn)小麥生長發(fā)育, 提高產(chǎn)量[2], 但過量施用不僅會(huì)導(dǎo)致氮肥利用率降低, 還會(huì)造成資源浪費(fèi), 甚至環(huán)境污染[3]。前人研究表明, 不同小麥品種間氮素吸收和利用存在明顯差異[4-5], 通過選用和推廣高效利用氮素的品種已成為控制氮肥施用量、穩(wěn)定產(chǎn)量和提高氮肥利用效率的重要途徑[6]。氮肥表觀利用率(nitrogen utilization rate, NUR)作為反映氮肥利用率的關(guān)鍵指標(biāo)之一, 前人對(duì)不同氮肥表觀利用率小麥品種和群體的差異機(jī)制已開展了較多研究[7]。李淑文等[7]研究認(rèn)為旱茬條件下, 氮高效品種的產(chǎn)量、穗數(shù)和群體干物質(zhì)積累量均高于氮中效和氮低效品種。張洋等[8]研究認(rèn)為旱茬小麥氮高效品種具有較高的穗粒數(shù)和千粒重。韓勝芳等[9]研究認(rèn)為在低氮條件下, 旱茬小麥氮高效品種的莖葉干物質(zhì)積累量高于氮中效和氮低效品種。丁錦峰等[10]認(rèn)為稻茬小麥氮高效群體花后和總的干物質(zhì)積累量高于氮中效和氮低效群體, 熊淑萍等[5]分析了稻茬小麥氮高效品種(系)的根系特征, 而對(duì)稻茬小麥氮高效品種產(chǎn)量構(gòu)成和群體質(zhì)量特征報(bào)道較少。本研究在稻茬條件下, 研究不同氮效率品種類型間產(chǎn)量及其構(gòu)成、主要生育時(shí)期莖蘗數(shù)和葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配的差異及其與氮肥表觀利用率的關(guān)系, 明確稻茬小麥氮高效品種的產(chǎn)量構(gòu)成和群體質(zhì)量特征, 以期為稻茬小麥品種選用及其大面積高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)一 于2016—2018年度在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)場(chǎng)農(nóng)場(chǎng)(揚(yáng)州)進(jìn)行。試驗(yàn)田前茬為水稻, 土壤為輕壤土。2016—2017年度小麥播種前0~20 cm土壤含堿解氮77.67 mg kg–1、速效磷76.47 mg kg–1、速效鉀114.5 mg kg–1和有機(jī)質(zhì)21.82 g kg–1; 2017—2018年度小麥播種前0~20 cm土壤含堿解氮77.25 mg kg–1、速效磷98.98 mg kg–1、速效鉀58.26 mg kg–1和有機(jī)質(zhì)18.41 g kg–1。試驗(yàn)?zāi)甓葰夂蛞妶D1。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 兩年度24個(gè)供試品種詳見表1。分別于2016年11月17日和2017年10月30日播種, 兩年基本苗均為225×104株hm–2, 行距25 cm, 于三葉期定苗。施氮量(N)為240 kg hm–2, 設(shè)置基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為5∶1∶2∶2, 基肥于播種前施用, 壯蘗肥于五葉期施用, 拔節(jié)肥于倒三葉期施用, 孕穗肥于劍葉露尖施用。磷肥(P2O5)、鉀(K2O)肥施用量均為144 kg hm–2, 全部基施。小區(qū)面積18 m2, 同時(shí)設(shè)不施氮對(duì)照。重復(fù)3次, 其余栽培措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田。

1.1.2 試驗(yàn)二 于2016—2018年度在江蘇省睢寧縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地(睢寧)進(jìn)行。試驗(yàn)田前茬為水稻, 土壤為沙壤土。2016—2017年度小麥播種前0~20 cm土壤含堿解氮71.09 mg kg–1、速效磷16.03 mg kg–1、速效鉀103 mg kg–1和有機(jī)質(zhì)15.29 g kg–1; 2017—2018年度小麥播種前0~20 cm土壤含堿解氮66.07 mg kg–1、速效磷44.31 mg kg–1、速效鉀69.65 mg kg–1和有機(jī)質(zhì)15.17 g kg–1。試驗(yàn)?zāi)甓葰夂蛞妶D1。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。兩年度23個(gè)供試品種詳見表1。分別于2016年11月18日和2017年11月1日播種。2016—2017年基本苗為270×104株hm–2, 2017—2018年度基本苗為225×104株hm–2, 行距25 cm, 于三葉期定苗。施氮量(N)為240 kg hm–2, 設(shè)置基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為5∶1∶2∶2。磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)施用量均為144 kg hm–2, 肥料施用方法同試驗(yàn)一。小區(qū)面積18 m2, 同時(shí)設(shè)不施氮對(duì)照。重復(fù)3次, 其他栽培措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田。

圖1 小麥不同生育階段的積溫、日照和降雨量

SD: 播種; BW: 越冬始期; EL: 拔節(jié)期; BS: 孕穗期; MS: 成熟期。

SD: seeding; BW: beginning of winter; EL: elongation; BT: booting stage; MS: maturity stage.

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 莖蘗數(shù)、葉面積指數(shù)(LAI)和干物質(zhì)積累量 于拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期選取長勢(shì)均勻的3個(gè)1 m行段調(diào)查田間莖蘗數(shù)。于孕穗期、開花期、乳熟期, 從各小區(qū)取樣20株, 采用臺(tái)式葉面積儀(LI-3100C, 美國)測(cè)定綠葉葉面積, LAI = 樣品葉面積(cm2)/株數(shù)×基本苗(株m–2)。于孕穗期、開花期、成熟期, 從各小區(qū)取樣20株, 按器官分開, 105℃殺青1 h, 80℃烘干至恒重, 測(cè)定干物質(zhì)積累量。

1.2.2 氮素含量和積累量 將開花期和成熟期植株樣品烘干后磨碎, 稱取0.25 g, 用H2SO4-H2O2消解-靛酚藍(lán)比色法[11]測(cè)定樣品含氮率, 計(jì)算植株氮素積累量。

1.2.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu) 于乳熟期連續(xù)取50個(gè)麥穗, 調(diào)查穗粒數(shù)。于成熟期劃定各小區(qū)3個(gè)1 m2區(qū)域, 調(diào)查穗數(shù)。人工收割脫粒, 自然曬干后稱重, 并數(shù)1000粒測(cè)千粒重。測(cè)定籽粒含水率, 折算為13%含水率的每公頃籽粒產(chǎn)量和千粒重。

1.3 計(jì)算方法與統(tǒng)計(jì)方法

氮肥表觀利用率(nitrogen utilization rate, NUR) (%) = (施氮處理植株氮素積累量– 不施氮處理植株氮素積累量)/施氮量×100%。

采用SPSS19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析所有數(shù)據(jù), LSD法檢驗(yàn)差異顯著性。采用線性方程=+擬合不同品種間穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重和主要生育時(shí)期莖蘗數(shù)與氮肥表觀利用率的關(guān)系, 并用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試品種氮肥表觀利用率和籽粒產(chǎn)量的差異

由表1可知, 根據(jù)兩地參試品種的氮肥表觀利用率將品種劃分為氮高效(NUR ≥50%)、氮中效(NUR 40%~50%)和氮低效(NUR ≤40%) 3個(gè)品種類型。由于年際間天氣變化和栽培措施的變化, 兩地參試品種的氮肥表觀利用率年度間表現(xiàn)并不一致,其中揚(yáng)州參試的氮高效品種為揚(yáng)麥25和寧麥21, 氮中效品種為揚(yáng)麥13, 氮低效品種為揚(yáng)輻麥2054、生選6號(hào)、寧麥23、寧麥13和蘇麥10號(hào)。睢寧參試的氮高效品種為淮麥35, 氮中效品種為保麥5號(hào)、淮麥33和山農(nóng)20, 氮低效品種為保麥2號(hào)和鄂麥580, 年度間品種的氮肥表觀利用率表現(xiàn)一致。

由表2可知, 不同品種間氮肥表觀利用率和籽粒產(chǎn)量均存在顯著差異。2017年度, 揚(yáng)州參試的小麥品種籽粒產(chǎn)量變幅為4158~7949 kg hm–2, 平均為6470 kg hm–2; 氮肥表觀利用率變幅為31.4%~55.8%, 平均為43.55%。睢寧參試的小麥品種籽粒產(chǎn)量變幅為6186~9370 kg hm–2, 平均為8252 kg hm–2; 氮肥表觀利用率變幅為33.5%~53.5%, 平均為44.44%。2018年度, 揚(yáng)州參試的小麥品種籽粒產(chǎn)量變幅為4878~7373 kg hm–2, 平均為6070 kg hm–2; 氮肥表觀利用率變幅為38.9%~53.6%, 平均為39.7%。睢寧參試的小麥品種籽粒產(chǎn)量變幅為5237~7860 kg hm–2, 平均為6533 kg hm–2; 氮肥表觀利用率變幅為33.5%~53.5%, 平均為36.27%。

表1 參試的各類型小麥品種

#: 兩年度氮效率類型表現(xiàn)一致的品種。參試品種順序按氮肥表觀利用率由高到低排列。

NUR-H: nitrogen utilization rate with high-efficiency; NUR-M: nitrogen utilization rate with middle-efficiency; NUR-L: nitrogen utilization rate with low-efficiency.#: The cultivars have the same NUR in the two years. The tested varieties were ranked from high to low according to NUR.

表2 不同氮效率品種類型間產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的差異

數(shù)字后不同字母表示不同品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平?？s寫同表1。

Values within a column followed by different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.2 不同氮效率品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

由表2可以看出, 氮高效品種籽粒產(chǎn)量均高于氮中效和氮低效品種。揚(yáng)州和睢寧參試的氮高效品種產(chǎn)量較氮中效品種分別高16%、9% (2017)和13%、1% (2018), 較氮低效品種分別高37%、25% (2017)和21%、15% (2018)。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看, 氮高效品種的穗數(shù)與氮中效品種差異均不顯著, 但顯著高于氮低效品種, 兩年度在揚(yáng)州分別高23%和21%、在睢寧分別高15%和17%。兩地不同品種類型間穗粒數(shù)和千粒重差異均未達(dá)顯著水平。相關(guān)性分析表明, 兩年度揚(yáng)州和睢寧參試品種的產(chǎn)量、穗數(shù)與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān)(圖1和圖2)。綜上, 氮肥表觀利用率高的品種產(chǎn)量高, 且具有穗數(shù)高的特征。

圖2 不同小麥品種產(chǎn)量與氮肥表觀利用率的關(guān)系

*、**分別表示品種類型間差異顯著(< 0.05)和差異極顯著(< 0.01)。

*and**indicate a significant difference between types of cultivars at< 0.05 and< 0.01, respectively.

圖3 不同小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成因素與氮肥表觀利用率關(guān)系

*表示品種類型間差異顯著(< 0.05)。

*indicates a significant difference between types of cultivars at< 0.05.

2.3 不同氮效率品種的莖蘗數(shù)和分蘗成穗率

由圖4可知, 不同氮效率品種類型間拔節(jié)期、孕穗期、開花期和成熟期莖蘗數(shù)均存在差異, 總體表現(xiàn)為氮高效品種>氮中效品種>氮低效品種。除兩地2017年度拔節(jié)期莖蘗數(shù)在不同品種類型間差異不顯著外, 氮高效品種各主要生育時(shí)期莖蘗數(shù)均高于氮中效品種, 顯著高于氮低效品種。相關(guān)性分析表明, 除2017年度拔節(jié)期莖蘗數(shù)與氮肥表觀利用率無顯著相關(guān)性外, 兩年度兩地拔節(jié)期、孕穗期和開花期莖蘗數(shù)與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān)(表3)。根據(jù)圖5可知, 分蘗成穗率在不同品種類型間表現(xiàn)為氮高效品種>氮中效品種>氮低效品種, 僅2017年度揚(yáng)州和2018年度睢寧參試的氮高效品種分蘗成穗率顯著高于氮低效品種。說明氮肥表觀利用率高的品種具有分蘗能力強(qiáng)的特征。

2.4 不同氮效率品種的葉面積指數(shù)

由圖6可知, 各主要生育時(shí)期LAI均表現(xiàn)為氮高效品種>氮中效品種>氮低效品種。除2017年度兩地拔節(jié)期LAI和睢寧孕穗期LAI在氮高效品種與氮低效品種間差異未達(dá)到顯著水平外, 其余主要生育時(shí)期LAI均表現(xiàn)為氮高效品種顯著高于氮低效品種, 但與氮中效品種差異不顯著。相關(guān)性分析表明, 兩年度揚(yáng)州參試品種開花期和乳熟期LAI與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān), 睢寧參試品種乳熟期LAI與氮肥表觀利用率呈顯著線性正相關(guān)(表3)。說明氮肥表觀利用率高的品種在生育中后期具有較高的綠葉面積。

2.5 不同氮效率品種的干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)

兩年度揚(yáng)州和睢寧孕穗期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為氮高效品種>氮中效品種>氮低效品種。兩年度兩地氮高效品種各主要生育時(shí)期干物質(zhì)積累量均顯著高于氮低效品種(表4)。相關(guān)性分析表明, 兩年度揚(yáng)州和睢寧參試品種孕穗期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān)(表3)。

圖4 不同氮效率品種類型間主要生育期莖蘗數(shù)差異

圖中不同小寫字母表示不同氮效率品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平。AS: 開花期; 其他縮寫同圖1和表1。

Bars labelled with different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05. AS: anthesis stage; Other abbreviations are the same as those given in Fig. 1 and Table 1.

圖5 不同氮效率品種類型間分蘗成穗率的差異

圖中不同小寫字母表示不同氮效率品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平。

Bars labelled with different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05.

表3 不同小麥品種間氮肥表觀利用率與群體質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)的相關(guān)性分析

*和**分別表示相關(guān)性顯著(< 0.05)和極顯著(< 0.01)。

EL: elongation; BT: booting stage; AS: anthesis stage; MR: milk-ripe stage; MS: maturity stage; DMA: dry matter accumulation.*and**indicate significant correlation at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

由表5可知, 兩年度兩地花后干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為氮高效品種>氮中效品種>氮低效品種, 兩地氮高效品種花后干物質(zhì)積累量均顯著高于氮低效品種。年度間兩地不同氮效率品種類型間花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和收獲指數(shù)差異均未達(dá)到顯著水平。相關(guān)性分析表明, 揚(yáng)州和睢寧參試品種花后干物質(zhì)積累量與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān)(表3)。說明氮肥表觀利用率高的品種具有較強(qiáng)的干物質(zhì)生產(chǎn)和積累能力。進(jìn)一步分析表明, 兩年度揚(yáng)州和睢寧參試品種成熟期和花后干物質(zhì)積累量與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān)(圖7)。氮肥表觀利用率達(dá)50%以上的小麥品種成熟期和花后干物質(zhì)積累量分別在16,000~20,000 kg hm–2和4100~6700 kg hm–2, 可作為篩選高產(chǎn)高效品種的指標(biāo)。

圖6 不同氮效率品種類型間主要生育時(shí)期LAI的差異

圖中不同字母表示不同氮效率品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平。縮寫同圖1、表1和圖4。

Bars labelled with different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1, Table 1, and Fig. 4.

表4 不同氮效率品種類型間主要生育時(shí)期干物質(zhì)積累量的差異

數(shù)字后不同字母表示不同氮效率品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平。

Values within a column followed by different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05.

表5 不同氮效率品種類型間干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、花后干物質(zhì)積累量和收獲指數(shù)的差異

數(shù)字后不同字母表示不同氮效率品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平?？s寫同表1。

Values within a column followed by different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

圖7 參試品種成熟期和花后干物質(zhì)積累量與氮肥表觀利用率的關(guān)系

*表示相關(guān)性顯著(<0.05)。

*indicate significant correlation at the 0.05 probability level.

2.6 不同氮效率品種的營養(yǎng)器官干物質(zhì)分配

由表6可知, 成熟期莖稈+葉鞘、葉片、穎殼+穗軸的干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為氮高效品種>氮中效品種>氮低效品種。除2016年度揚(yáng)州參試品種間葉片干物質(zhì)積累量和2017年度睢寧參試品種間穎殼+穗軸干物質(zhì)積累量差異不顯著外, 兩地氮高效品種各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量均顯著高于氮低效品種。相關(guān)性分析表明, 除2016年度揚(yáng)州參試品種的葉片干物質(zhì)積累量和2017年度睢寧參試品種穎殼+穗軸干物質(zhì)積累量與氮肥表觀利用率相關(guān)不顯著外, 兩年度揚(yáng)州和睢寧參試品種的成熟期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量與氮肥表觀利用率均呈顯著線性正相關(guān)(表3)。由此說明, 氮肥表觀利用率高的品種成熟期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量均較高。

表6 不同氮效率品種類型間成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量的差異

數(shù)字后不同字母表示不同氮效率品種類型間差異達(dá)0.05顯著水平。縮寫同表1。

Values within a column followed by different letters are significantly different among different NUR groups at< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

3 討論

3.1 稻茬小麥品種產(chǎn)量與氮效率的協(xié)同性分析

目前, 小麥產(chǎn)量的提高主要依賴于氮肥的大量投入[12], 不同品種對(duì)氮肥的吸收和利用能力的差異, 造成不同品種全生育期內(nèi)需氮量的差異。因此根據(jù)不同品種對(duì)氮肥吸收和利用的特點(diǎn), 選擇合適的氮肥施用量, 充分發(fā)揮不同品種的氮肥利用效率[13], 減少氮肥損失, 增加產(chǎn)量[14]。有研究認(rèn)為在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加, 氮肥表觀利用率高的品種產(chǎn)量較高[9,15], 并且氮肥表觀利用率高的品種增產(chǎn)效果更加顯著[9], 超過一定范圍繼續(xù)增施氮肥, 氮高效品種產(chǎn)量增幅高于氮低效品種, 而氮高效品種的氮肥表觀利用率下降速率高于氮低效品種[14]。亦有研究表明, 在適播和晚播條件下, 氮高效品種的產(chǎn)量均高于氮中效和氮低效品種[9,12]。本試驗(yàn)條件下, 兩年度揚(yáng)州和睢寧氮高效品種產(chǎn)量高于氮中效和氮低效品種。表明, 通過篩選氮肥表觀利用率高的品種, 有助于高產(chǎn)高效協(xié)同生產(chǎn)。

3.2 稻茬小麥氮高效品種產(chǎn)量構(gòu)成特征

前人對(duì)不同氮效率小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成因素的研究報(bào)道較多, 但結(jié)果不盡一致。李淑文等[7]研究認(rèn)為旱茬小麥高氮肥表觀利用率的品種具有較高的單位面積穗數(shù), 但穗粒數(shù)和千粒重在品種間差異不顯著。亦有研究表明旱茬小麥高氮肥表觀利用率的品種千粒重顯著高于氮低效品種, 而穗粒數(shù)則相反[16]。而吳金芝等[17]認(rèn)為高氮肥表觀利用率的小麥品種具有較高的千粒重和穩(wěn)定穗粒數(shù)。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 兩地氮高效品種穗數(shù)均高于氮中效和氮低效品種, 穗粒數(shù)和千粒重差異均不顯著。表明在長江中下游稻茬麥區(qū)可以通過相同種植密度條件下選擇穗數(shù)高的品種篩選出高氮肥表觀利用率品種。

3.3 稻茬小麥氮高效品種群體質(zhì)量特征

張旭等[18]研究認(rèn)為小麥氮肥表觀利用率高的品種孕穗期具有較高的LAI。李淑文等[7]認(rèn)為氮肥利用效率高的品種各主要生育時(shí)期均具有較高的莖蘗數(shù)和LAI。丁錦峰等[10]認(rèn)為氮高效利用的小麥群體具有較高的花后光合面積。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 氮高效品種孕穗期和開花期莖蘗數(shù)和乳熟期LAI均高于氮中效和氮低效品種。不同小麥品種間分蘗成穗率存在差異[16], 李淑文等[7]研究表明氮高效品種分蘗成穗率高于氮中效和氮低效品種。

不同氮效率小麥品種的干物質(zhì)積累[8]、分配和運(yùn)轉(zhuǎn)能力[19]存在顯著差異。有研究表明小麥氮肥表觀利用率高的品種各主要生育時(shí)期干物質(zhì)積累量均高于氮中效和氮低效品種[8], 并且氮肥表觀利用率高的群體具有更強(qiáng)的總的和花后干物質(zhì)積累能力[10]。不同氮肥表觀利用率的水稻品種干物質(zhì)積累也有相似結(jié)果[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 氮高效品種各主要生育時(shí)期干物質(zhì)積累量、花后和成熟期各器官干物質(zhì)積累量均高于氮中效和氮低效品種。說明稻茬小麥氮高效品種生育前期具有較高的光合面積和較強(qiáng)的分蘗能力, 孕穗期后具有較強(qiáng)的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力和較高的花后干物質(zhì)積累能力。但不同試驗(yàn)地點(diǎn)和年度間, 氮高效品種在上述指標(biāo)上均存在較大差異, 表明氮高效品種的篩選應(yīng)在特定的生態(tài)區(qū)開展, 且需要重復(fù)驗(yàn)證。

3.4 稻茬小麥氮高效品種的篩選及其指標(biāo)

目前, 對(duì)小麥氮高效品種的篩選指標(biāo)不一。李淑文等[7]、徐晴等[21]和吳金芝等[17]研究不同小麥品種的氮肥吸收與利用效率認(rèn)為氮高效品種具有較高的氮肥生理利用率、氮肥吸收利用效率或氮肥農(nóng)學(xué)效率。另有研究表明高氮肥表觀利用率的小麥或水稻品種具有較高的硝酸還原酶[22]、谷氨酰胺合成酶[23]、谷氨酸合成酶[24]活性。Fuentes等[23]和袁曉磊等[25]研究擬南芥和小麥氮代謝酶基因表達(dá)水平表明, 較高的谷氨酰胺合成酶基因、谷氨酸合成酶基因、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶基因和丙酮酸磷酸雙激酶基因表達(dá)水平可以促進(jìn)作物對(duì)氮肥的吸收和利用。以上研究主要為探索不同氮效率小麥品種對(duì)氮素吸收和利用差異的機(jī)制, 無法直觀、快速地篩選出氮高效品種。亦有研究表明, 小麥氮高效品種具有較高的產(chǎn)量[9,17]、莖蘗數(shù)[8]、LAI[20]和干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)量[21], 可作為篩選氮高效小麥品種的依據(jù)。本研究結(jié)果表明, 不同小麥品種氮肥表觀利用率與產(chǎn)量、穗數(shù)、各主要生育時(shí)期莖蘗數(shù)、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量、花后和成熟期各營養(yǎng)器官的干物質(zhì)積累量均呈極顯著線性正相關(guān)。說明稻茬條件下小麥氮高效品種的篩選可以綜合利用產(chǎn)量、穗數(shù)和各主要生育時(shí)期群體質(zhì)量作為快速有效篩選依據(jù)。雖然本文初步提出成熟期和花后干物質(zhì)積累量16,000~20,000 kg hm–2和4100~6700 kg hm–2可作為稻茬小麥高產(chǎn)高效品種的篩選指標(biāo), 但相關(guān)參數(shù)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證以提出關(guān)鍵篩選指標(biāo), 此外稻茬小麥品種對(duì)氮素高效吸收與利用的形態(tài)、生理和分子機(jī)制還有待明確。

4 結(jié)論

根據(jù)兩年度品種的氮肥表觀利用率, 在揚(yáng)州表現(xiàn)高效的品種為揚(yáng)麥25和寧麥21, 在睢寧為淮麥35。氮肥表觀利用率高的品種也表現(xiàn)高產(chǎn)。高產(chǎn)高效品種表現(xiàn)出生育前期較強(qiáng)的分蘗能力, 生育后期旺盛的物質(zhì)生產(chǎn)能力, 尤其是花后有較多的光合物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。提出了稻茬小麥高產(chǎn)高效品種的篩選指標(biāo)為成熟期干物質(zhì)積累量16,000~20,000 kg hm–2和花后干物質(zhì)積量4100~6700 kg hm–2。

[1] Liu H, Wang Z H, Yu R, Li F C, Li K Y, Cao H B, Yang N, Li M H, Dai J, Zan Y L, Li Q, Xue C, He G, Huang D L, Huang M, Liu J S, Qiu W H, Zhao H B, Mao H. Optimal nitrogen input for higher efficiency and lower environmental impacts of winter wheat production in China., 2016, 224: 1–11.

[2] 王小純, 王曉航, 熊淑萍, 馬新明, 丁世杰, 吳克遠(yuǎn), 郭建彪. 不同供氮水平下小麥品種的氮效率差異及其氮代謝特征. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48: 2569–2579. Wang X C, Wang X H, Xiong S P, Ma X M, Ding S J, Wu K Y, Guo J B. Differences in nitrogen efficiency and nitrogen metabolism of wheat varieties under different nitrogen.,2015, 48: 2569–2579 (in Chinese with English abstract).

[3] 張福鎖, 王激清, 張衛(wèi)峰, 崔振嶺, 馬文奇, 陳新平, 江榮風(fēng). 中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑. 土壤學(xué)報(bào), 2008, 45: 915–924. Zhang F S, Wang J Q, Zhang W F, Cui Z L, Ma W Q, Chen X P, Jiang R F. Current status and improvement of fertilizer utilization rate of main grain crops in China., 2008, 45: 915–924 (in Chinese with English abstract).

[4] 何文壽, 儲(chǔ)燕寧, 王彥才, 楊發(fā). 不同基因型小麥氮營養(yǎng)效率的差異. 寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào), 1997, 18(4): 29–34. He W S, Chu Y N, Wang Y C, Yang F. Differences in nitrogen nutrition efficiency between different genotypes of wheat., 1997, 18(4): 29–34 (in Chinese).

[5] 熊淑萍, 吳克遠(yuǎn), 王小純, 張捷, 杜盼, 吳懿鑫, 馬新明. 不同氮效率基因型小麥根系吸收特性與氮素利用差異的分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49: 2267–2279. Xiong S P, Wu K Y, Wang X C, Zhang J, Du P, Wu Y X, Ma X M. Analysis of root absorption characteristics and nitrogen utilization of wheat genotypes with different N efficiency., 2016, 49: 2267–2279 (in Chinese with English abstract).

[6] 李繼云, 劉秀娣, 周偉, 孫建華, 童依平, 劉文杰, 李振聲, 王培田, 姚樹江. 有效利用土壤營養(yǎng)元素的作物育種新技術(shù)研究. 中國科學(xué)(B輯), 1995, 25: 41–48. Li J Y, Liu X D, Zhou W, Sun J H, Tong Y P, Liu W J, Li Z S, Wang P T, Yao S J. Study on new techniques of crop breeding for effective utilization of soil nutrients.(Ser B), 1995, 25: 41–48 (in Chinese).

[7] 李淑文, 文宏達(dá), 周彥珍, 李雁鳴, 肖凱. 不同氮效率小麥品種氮素吸收和物質(zhì)生產(chǎn)特性. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39: 1992–2000. Li S W, Wen H D, Zhou Y Z, Li Y M, Xiao K. Characterization of nitrogen uptake and dry matter production in wheat varieties with different N efficiency., 2006, 39: 1992–2000 (in Chinese with English abstract).

[8] 張洋, 張繼, 強(qiáng)曉敏, 翟丙年, 王朝輝. 不同氮效率基因型冬小麥生理特征的比較研究. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16: 1319–1324. Zhang Y, Zhang J, Qiang X M, Zhai B N, Wang Z H. Comparative study on physiological characteristics in winter wheat with different nitrogen use efficiency., 2010, 16: 1319–1324 (in Chinese with English abstract).

[9] 韓勝芳, 李淑文, 吳立強(qiáng), 文宏達(dá), 肖凱. 不同小麥品種氮效率與氮吸收對(duì)氮素供應(yīng)的響應(yīng)及生理機(jī)制. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18: 807–812. Han S F, Li S W, Wu L Q, Wen H D, Xiao K. Responses and corresponding physiological mechanisms of different wheat varieties in their nitrogen., 2007, 18: 807–812 (in Chinese with English abstract).

[10] 丁錦峰, 成亞梅, 黃正金, 李春燕, 郭文善, 朱新開. 稻茬小麥不同氮效率群體花后物質(zhì)生產(chǎn)與衰老特性差異分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48: 1063–1073. Ding J F, Cheng Y M, Huang Z J, Li C Y, Guo W S, Zhu X K. Difference analysis of post-anthesis matter production and senescence characteristics among different nitrogen efficiency populations in wheat following rice., 2015, 48: 1063–1073 (in Chinese with English abstract).

[11] 呂偉仙, 葛瀅, 吳建之, 常杰. 植物中硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、總氮測(cè)定方法的比較研究. 光譜學(xué)與光譜分析, 2004, 2: 204–206. Lyu W X, Ge Y, Wu J Z, Chang J. Comparative study on determination methods of nitrate nitrogen, ammonia nitrogen and total nitrogen in plants., 2004, 2: 204–206 (in Chinese).

[12] Zhang M M, Dong B D, Qiao Y Z, Shi C H, Yang H, Wang Y K, Liu M Y. Yield and water use responses of winter wheat to irrigation and nitrogen application in the North China plain., 2018, 17: 1194–1206.

[13] 李朝蘇, 吳曉麗, 湯永祿, 李俊, 馬孝玲, 李式昭, 黃明波, 劉淼. 小麥產(chǎn)量對(duì)中后期氮素脅迫的響應(yīng)及品種間差異. 作物學(xué)報(bào), 2019, 45: 1260–1269. Li C S, Wu X L, Tang Y L, Li J, Ma X L, Li S Z, Huang M B, Liu M. Response of yield and associated physiological characteristics for different wheat cultivars to nitrogen stress at mid-late growth stage.2019, 45: 1260–1269 (in Chinese with English abstract).

[14] Lucie B, Rapha?l C, David S, Sokrat S, Alexandra M, Dario F, Fabio M. Performance of eleven winter wheat varieties in a long term experiment on mineral nitrogen and organic fertilization., 2016, 191: 111–122.

[15] Dai X, Wang Y C, Dong X C, Qian T F, Yin L J, Dong S X, Chu J P, He M G. Delayed sowing can increase lodging resistance while maintaining grain yield and nitrogen use efficiency in winter wheat., 2017, 5: 541–552.

[16] 魏艷麗, 王彬龍, 李瑞國, 蔣會(huì)利, 張平, 王磐, 張安靜. 施氮對(duì)不同小麥品種干物質(zhì)分配、氮素吸收和產(chǎn)量的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2012, 32: 1134–1138. Wei Y L, Wang B L, Li R G, Jiang H L, Zhang P, Wang P, Zhang A J. Effects of nitrogen fertilizer application on distribution of dry material, assimilation of nitrogen and yield of different wheat varieties., 2012, 32: 1134–1138 (in Chinese with English abstract).

[17] 吳金芝, 黃明, 王志敏, 李友軍, 付國占, 陳明燦. 極端晚播對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、氮素吸收利用和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 29: 185–192.Wu J Z, Huang M, Wang Z M, Li Y J, Fu G Z, Chen M C. Effects of extremely-late sowing on the grain yield, nitrogen uptake and utilization and grain protein content in winter wheat., 2018, 29: 185–192 (in Chinese with English abstract).

[18] 張旭, 田中偉, 胡金玲, 修明, 姜東, 戴廷波. 小麥氮素高效利用基因型的農(nóng)藝性狀及生理特性. 麥類作物學(xué)報(bào), 2016, 36: 1315–1322. Zhang X, Tian Z W, Hu J L, Xiu M, Jiang D, Dai T B. Agronomic and physiological characteristics of high efficient nitrogen utilization in wheat., 2016, 36: 1315–1322 (in Chinese with English abstract).

[19] 李法計(jì), 徐學(xué)欣, 肖永貴, 何中虎, 王志敏. 不同氮素處理對(duì)中麥175和京冬17產(chǎn)量相關(guān)性狀和氮素利用效率的影響. 作物學(xué)報(bào), 2016, 42: 1853–1863. Li F J, Xu X X, Xiao Y G, He Z H, Wang Z M. Effect of nitrogen on yield related traits and nitrogen utilization efficiency in Zhongmai 175 and Jingdong 17., 2016, 42: 1853–1863 (in Chinese with English abstract).

[20] Pal R, Mahajan G, Sardana V, Chauhan B S. Impact of sowing date on yield, dry matter and nitrogen accumulation, and nitrogen translocation in dry-seeded rice in North-West India., 2017, 206: 138–148.

[21] 徐晴, 許甫超, 董靜, 董建輝, 秦丹丹, 魯夢(mèng)瑩, 李梅芳. 小麥氮素利用效率的基因型差異及相關(guān)特性分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 2647–2657. Xu Q, Xu F C, Dong J, Dong J H, Qin D D, Lu M Y, Li M F. Genotypic difference of nitrogen use efficiency of wheat and correlation analysis of the related characters., 2017, 50: 2647–2657 (in Chinese with English abstract).

[22] Tian Z W, Li Y, Liang Z H, Guo H, Cai J, Jiang D, Cao W X, Dai T B. Genetic improvement of nitrogen uptake and utilization of winter wheat in the Yangtze River Basin of China., 2016, 196: 251–260.

[23] Fuentes S I, Allen D J, Ortiz‐Lopez A, Hernández G. Over-expression of cytosolic glutamine synthetase increases photosynthesis and growth at low nitrogen concentrations., 2001, 52: 1071–1081.

[24] 葉利庭, 呂華軍, 宋文靜, 圖爾迪, 沈其榮, 張亞麗. 不同氮效率水稻生育后期氮代謝酶活性的變化特征. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48: 132–140. Ye L T, Lyu H J, Song W J, Tu E D, Shen Q R, Zhang Y L. Changes of nitrogen metabolism enzyme activities in late growth stage of rice with different nitrogen efficiency., 2011, 48: 132–140 (in Chinese).

[25] 袁曉磊, 田匯, 高亞軍. 不同氮利用效率小麥氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)特征. 中國土壤與肥料, 2017, (1): 48–55. Yuan X L, Tian H, Gao Y J. Seasonal expression of genes related to nitrogen metabolism in wheat with different nitrogen utilization efficiencies., 2017, (1): 48–55 (in Chinese with English abstract).

Characteristics of yield components and population quality in high-nitrogen- utilization wheat cultivars

DING Yong-Gang1, LI Fu-Jian1, WANG Ya-Hua1, TANG Xiao-Qing1, DU Tong-Qing2, ZHU Min1, LI Chun-Yan1, ZHU Xin-Kai1, DING Jin-Feng1,*, and GUO Wen-Shan1,*

1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology / Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology / Jiangsu Co-innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops / Wheat Research Institute, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China;2Suining Plant Protection Management Station, Xuzhou 221200, Jiangsu, China

In the rice-wheat rotation system, 24 and 23 wheat cultivars were separately planted in Yangzhou and Suining of Jiangsu province in 2016–2017 and 2017–2018. According to nitrogen utilization rate (NUR), these cultivars were clustered into three groups, i.e., NUR-H (NUR ≥ 50%), NUR-M (NUR 40%–50%), and NUR-L (NUR ≤ 40%), to identify the differences in grain yield, yield components, and population quality, which would provide a reference for cultivar selection for high-yield and high-efficiency in wheat production. Yangmai 25 and Ningmai 21 in Yangzhou and Huaimai 35 in Suining showed NUR-H phenotypes in consecutive two years. Grain yield of the NUR-H cultivars was more than 6500 kg hm–2in Yangzhou and 7000 kg hm–2in Suining, which were significantly higher than those of NUR-M and NUR-L groups. NUR-H group had more spikes, and it grains per spike and 1000-grain weight were not significantly different from those of the other groups. Grain yield and spikes number were significantly positively correlated with NUR among different cultivars. More stem and tiller number, higher percentage of fertile tillers and higher leaf area index (LAI) at the milk-ripening stage were shown in the NUR-H group. A higher dry matter accumulation at stages of booting, anthesis, and maturity, after anthesis, and in the vegetative organs at maturity were found in the NUR-H group. However, there were no differences in dry matter remobilization and harvest index among different cultivars. Number of stems and tillers at booting and anthesis, LAI at the milk-ripe stage, and dry matter accumulation at each stage after anthesis, and in the vegetative organs at maturity were significantly positively correlated with NUR in the all cultivar in two sites. A vigorous tillering capacity at the early growing phase and a higher LAI and photosynthetic production at the late growth stages could be observed in NUR-H cultivars, resulting in more photosynthate for grain-filling. Furthermore, the critical parameters of cultivar screening for high-yield and high-efficiency in wheat following rice were proposed, that is 16,000–20,000 kg hm–2dry matter accumulation at maturity and 4100–6700 kg hm–2dry matter accumulation after anthesis.

wheat following rice; varieties; nitrogen utilization rate; yield components; population quality characteristics

): 2019-06-24;

2019-12-26;

(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2020-01-14.

10.3724/SP.J.1006.2020.91041

丁錦峰, E-mail: jfdin@yzu.edu.cn; 郭文善, E-mail: wheat@yzu.edu.cn

E-mail: 2659307381@qq.com

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300405), 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31771711), 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(小麥)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目, 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目, 江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(PPZY2015A060)和揚(yáng)州大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300405), the National Natural Science Foundation of China (31771711), the Technology System of Modern Agriculture Industry (Wheat) in Jiangsu Province, the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, the Top-notch Academic Programs Project of Jiangsu Higher Education Institutions (PPZY2015A060), and the Science and Technology Innovation Team of Yangzhou University.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200113.1718.006.html