阮新民,從夕漢,施伏芝,羅志祥

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所,安徽省水稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家水稻改良中心合肥分中心,合肥230031)

氮是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素,也是葉綠體、核酸、蛋白質(zhì)以及很多次生代謝產(chǎn)物的重要組成成分[1]。 我國(guó)水稻氮肥利用率在28%—40%,呈現(xiàn)高肥低效現(xiàn)象。 過量施用氮肥不僅降低了氮素的利用效率,造成能源的巨大浪費(fèi),而且提高了作物的生產(chǎn)成本,挫傷了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性[2]。 因此,篩選培育氮肥高效利用的農(nóng)作物新品種是解決我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境與資源間矛盾的關(guān)鍵[1]。

水稻氮素吸收利用存在遺傳差異,這為通過遺傳改良培育氮高效利用水稻品種提供了可能[3-5]。 馮洋等[6]對(duì)我國(guó)34 份南方主推水稻品種進(jìn)行篩選,發(fā)現(xiàn)氮高產(chǎn)品種氮利用效率是氮低效品種的2 倍左右。水稻品種對(duì)氮肥回收利用率、千粒重,以及總穎花數(shù)的影響均不同程度的高于施肥水平的調(diào)控效應(yīng)[7]。氮高效品種在主要生育時(shí)期氮素累積量、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、氮素稻谷生產(chǎn)效率及氮素收獲指數(shù)等均顯著高于氮低效品種[7]。 不同品種對(duì)氮肥的響應(yīng)不同,一些品種在低氮量條件下產(chǎn)量和氮肥利用效率較高,還有些品種則在高氮量條件下產(chǎn)量和氮肥利用效率較高[8]。 近年來(lái),面對(duì)水稻品種井噴式增長(zhǎng),不斷篩選氮高效品種對(duì)指導(dǎo)水稻生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。 本研究以生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻品種為材料,通過大田篩選評(píng)價(jià)試驗(yàn),分析不同基因水稻品種氮素吸收利用特性,篩選氮高效利用品種,并對(duì)大田篩選方法進(jìn)行探討,以期為水稻高產(chǎn)高效栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018 年在安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所合肥基地進(jìn)行。 供試品種有自主選育及市場(chǎng)上大面積應(yīng)用的中秈型雜交水稻品種:‘兩優(yōu)391’(LY391)、‘兩優(yōu)671’(LY671)、‘兩優(yōu)631’(LY631)、‘協(xié)優(yōu)52’(XY52)、‘II 優(yōu)52’(IIY52)、‘岡優(yōu)52’(GY52)與‘隆兩優(yōu)華占’(LLYHZ)、‘晶兩優(yōu)華占’(JLYHZ)、‘豐兩優(yōu)一號(hào)’(FLY1)、‘豐兩優(yōu)四號(hào)’(FLY4)。 常規(guī)秈型品種:‘黃華占’(HHZ)、‘華占’(HZ)、‘9311’、‘揚(yáng)稻6 號(hào)選’(H6)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土質(zhì)為水稻土,肥力中等, 前茬空閑田。 土壤有機(jī)質(zhì)含量16.5 g∕kg、全氮含量1.23 g∕kg、堿解氮80.75 mg∕kg、速效磷30.1 mg∕kg、速效鉀78.2 mg∕kg。 試驗(yàn)設(shè)不施氮(N0)、低氮(N1,90 kg∕hm2)、正常施氮(N2,180 kg∕hm2)3 個(gè)處理。 采用裂區(qū)設(shè)計(jì),肥料水平為主區(qū),品種為裂區(qū),小區(qū)面積13.3 m2,重復(fù)3 次,主區(qū)間作埂隔離,并用塑料薄膜覆蓋埂體。 試驗(yàn)于5 月20 日播種, 6 月15 日移栽,栽插規(guī)格為16.7 cm×26.4 cm,雜交稻單本栽插,常規(guī)稻雙本栽插。 磷、鉀肥施用量分別為P2O590 kg∕hm2、K2O 150 kg∕hm2,一次性基施。 氮肥所用肥料為尿素,按基∶蘗∶穗為5∶2∶3的比例施用。 其他田間栽培管理措施按照實(shí)際大田生產(chǎn)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀

水稻成熟期各小區(qū)取代表性樣品5 株,調(diào)查有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率及單株產(chǎn)量等。 各小區(qū)單收單打,曬干后稱量實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 植株全氮含量

樣品于105 ℃烘箱殺青30 min,85 ℃烘至恒重后稱重,粉碎,用半微量凱氏定氮法測(cè)定植株全氮。

植株氮素吸收總量(g∕plant) = 成熟期地上部植株干物重×含氮率;

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率[N dry matter production efficiency,簡(jiǎn)稱NUEdry(kg∕kg N)] =地上部干物質(zhì)總量∕氮素吸收總量×100%;

氮素籽粒生產(chǎn)效率[N grain production efficiency,簡(jiǎn)稱NUEgrain(kg∕kg N)] =籽粒產(chǎn)量∕氮素吸收總量×100%;

氮肥偏生產(chǎn)力[Partial factor productivity of applied N,簡(jiǎn)稱PE(kg∕kg N)] =籽粒產(chǎn)量∕施氮量。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用origin 2017 軟件和SPSS 19.0 軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平下品種主要經(jīng)濟(jì)性狀表型與產(chǎn)量差異

由表1 可見,正常施氮處理的表型均值除千粒重外均明顯大于低氮處理。 在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加施氮量有利于有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及產(chǎn)量的提高。 不施氮處理主要經(jīng)濟(jì)性狀的變異系數(shù)為5.44%—17.32%,低氮水平下為20.89%—121.37%,正常施氮水平為14.61%—70.17%。 不同氮水平下結(jié)實(shí)率與千粒重品種間差異較小,單株有效穗數(shù)及每穗總粒數(shù)品種間差異較大。 水稻品種單株產(chǎn)量隨施氮量的增加而提高,正常施氮水平下,‘HHZ’單株產(chǎn)量最低,為21. 7 g,‘IIY52’單株產(chǎn)量最高,為41.0 g。

表1 品種單株產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)性狀參數(shù)Table 1 Grain weight per plant and related parameters of economical character of spikein of rice varieties

2.2 高產(chǎn)高效型水稻品種篩選

由圖1 可知,在不施氮及正常施氮水平下,第I 象限(雙高效型)品種產(chǎn)量均高于平均值,表現(xiàn)出高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性,該類型品種包括‘XY52’‘IIY52’‘9311’‘JLYHZ’‘LY391’;在低氮條件下,第II 象限(低氮高效、高氮低效型)品種表現(xiàn)出相對(duì)高產(chǎn),而正常施氮下,其產(chǎn)量低于平均值,為耐低氮型品種,該類型品種包括‘GY52’‘LY671’‘LY631’,其中‘GY52’耐低氮特性尤為明顯;在正常施氮與不施氮條件下,第III 象限(雙低效型)品種產(chǎn)量均低于平均值,該類型品種包括‘LLYHZ’‘FLY4’‘HZ’‘HHZ’;第IV 象限(高氮高效、低氮低效型)品種低氮耐性較弱,但正常施氮下產(chǎn)量較高,包括‘H6’‘FLY1’。 選擇雙高效型和低氮高效型品種即第I 象限和第II 象限的品種有利于提高收益。

2.3 不同水稻品種產(chǎn)量對(duì)施氮量的響應(yīng)及氮肥偏生產(chǎn)力差異

水稻產(chǎn)量對(duì)施氮量的響應(yīng)存在明顯的基因型差異(圖2)。 當(dāng)施氮量從0 kg∕hm2增加至90 kg∕hm2和180 kg∕hm2時(shí),‘IIY52’‘9311’‘JLYHZ’‘LY391’‘XY52’ 的產(chǎn)量迅速提高。 但‘GY52’‘XY52’在低氮下的產(chǎn)量明顯高于其他品種。 對(duì)位于第I 象限雙高效型品種進(jìn)一步進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)品種產(chǎn)量(y)與施氮量(x)間均呈二次函數(shù)關(guān)系,二者擬合一元二次方程見表2。 ‘IIY52’理論產(chǎn)量最高,在施氮量為216 kg∕hm2時(shí)達(dá)到10 420.5 kg∕hm2。 其次是‘JLYHZ’,在施氮量為294 kg∕hm2時(shí)達(dá)到9 924 kg∕hm2?！甔Y52’在僅施氮156 kg∕hm2時(shí)就能達(dá)到9 559.5 kg∕hm2。 在經(jīng)濟(jì)效益最高時(shí)氮肥偏生產(chǎn)力以‘XY52’最高,達(dá)到63.74 kg∕kg N,其次是‘IIY52’為50.20 kg∕kg N,‘JLYHZ’相對(duì)較低,為35.60 kg∕kg N,分別比‘FLY4’增加84.27%、45.13%、2.92%。

表2 氮肥偏生產(chǎn)力及及線性方程相關(guān)參數(shù)Table 2 PE and related parameters of linear equation

2.4 不同高產(chǎn)水稻品種氮效率的差異

高產(chǎn)水稻品種間干物質(zhì)重、氮吸收量、葉氮含量、莖鞘氮含量、穗氮含量、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、氮素籽粒生產(chǎn)效率均存在顯著性差異。 由表3 可知,氮水平對(duì)干物質(zhì)重、氮吸收量、葉氮含量和氮素籽粒生產(chǎn)效率影響顯著。 氮吸收量存在品種與氮水平間互作效應(yīng)。 氮高效品種不僅要考慮產(chǎn)量,還要考慮其氮的利用效率,對(duì)位于第I 象限雙高效型品種進(jìn)行氮素籽粒生產(chǎn)效率篩選,發(fā)現(xiàn)除‘IIY52’與‘LY391’差異不顯著外,其余品種間氮素籽粒生產(chǎn)效率差異達(dá)顯著水平(圖3)。 ‘XY52’‘IIY52’‘LY391’ 3 個(gè)品種可視為高產(chǎn)氮高效品種。

表3 高產(chǎn)水稻品種氮效率及相關(guān)參數(shù)方差分析Table 3 Analysis of variance of F values of nitrogen use efficiency and related parameters in the high yielding varieties of rice

3 討論與結(jié)論

3.1 水稻氮利用效率的評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)

水稻氮利用效率是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀,受多種因素影響[9]。 氮利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)也很多,諸如,氮農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、氮素籽粒(稻谷)生產(chǎn)效率、氮生理利用率、氮素運(yùn)轉(zhuǎn)效率、氮收獲指數(shù)等[10-11]。 目前,水稻氮利用效率大田評(píng)價(jià)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),同一品種在不同試驗(yàn)中的表現(xiàn)也不一樣。 因此,探索水稻氮利用效率大田評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為必要。 氮效率研究是以產(chǎn)量為終極目標(biāo)[12],離開水稻產(chǎn)量而談氮的利用效率沒有現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義。 因此,氮高效品種應(yīng)是同一產(chǎn)量水平具有較低的需氮量和同一施氮水平具有較高產(chǎn)量的品種,也是高效吸收與高效利用協(xié)同的品種。

本研究初步構(gòu)建了水稻氮高效品種大田評(píng)價(jià)方法:①建立長(zhǎng)期定位肥料試驗(yàn)田(除氮含量外,在耕層或犁底層無(wú)土壤障礙因子);②設(shè)置不同梯度的施氮水平(0、120 kg∕hm2、180 kg∕hm2、210 kg∕hm2、240 kg∕hm2、300 kg∕hm2);③設(shè)置氮高效對(duì)照品種(‘協(xié)優(yōu)52’)和大田一般對(duì)照品種(‘豐兩優(yōu)四號(hào)’);④水稻成熟期取樣考種并測(cè)定植株全氮含量,收獲小區(qū)產(chǎn)量;⑤象限劃分篩選高產(chǎn)高效型品種,并與對(duì)照比較經(jīng)濟(jì)效益最高時(shí)氮肥偏生產(chǎn)力及氮素籽粒生產(chǎn)效率;⑥評(píng)價(jià)產(chǎn)量潛力及節(jié)氮能力。

3.2 氮高效水稻品種篩選

本研究篩選出‘XY52’‘IIY52’‘LY391’共3 個(gè)高產(chǎn)氮高效水稻品種。 ‘IIY52’的產(chǎn)量潛力最高,其次為‘JLYHZ’, ‘XY52’節(jié)氮能力最強(qiáng)。 這些品種在保持產(chǎn)量的同時(shí),能節(jié)約化學(xué)氮肥的使用量。