小麦苗期氮素吸收利用效率差异及聚类分析

杜保见， 郜红建， 常 江， 章力干

(安徽农业大学资源与环境学院, 安徽合肥 230036)

小麦是我国三大粮食作物之一，其产量的高低对我国粮食安全有重要影响。氮素是限制小麦生长和品质的重要因子[1]。受“施肥越多，产量越高”观念的影响，小麦氮肥过量施用的现象较普遍。我国小麦氮肥的平均投入量为187 kg/hm2，平均利用率仅为28.2%[2-3]，氮肥损失增加了农业成本和生态环境风险。品种改良、 氮肥配方施肥和农艺技术的应用是提高小麦氮肥利用效率的有效途径，而选育氮高效作物品种是关键[4-5]。

不同基因型小麦对氮素的吸收、 积累和利用存在显著差异性[6-7]，主要表现在氮素累积量和氮素转移率[8]；不同水分条件下小麦的产量、 氮素生产效率、 氮素利用效率和收获指数[9]，以及不同生育期内氮素干物质生产率和干物质积累[10]。筛选较高氮肥水平下，仍有产量增长潜力的“高氮高效”型作物品种，是提高小麦养分利用效率，减少氮肥损失的重要途径[11]。

有关小麦耐低氮基因型的特性方面已有一些研究[5,12]，而对于高氮水平下小麦的基因和表型特征研究较少。小麦的高氮优良特性，对小麦在高氮水平下的产量和氮利用率有重要影响。研究小麦在高氮和超高氮水平下的品种特性对于选育高产高效小麦品种具有重要意义。

本试验采用循环营养液培养法，研究了安徽省44个小麦品种(系)苗期氮素吸收与积累的差异性，分析了在正常(5 mmol/L)和高氮(45 mmol/L)供应水平下，不同小麦品种苗期茎叶干重、 氮含量及氮素累积量等参数指标，计算氮效率综合值并以此进行聚类分析，划分不同氮营养效率小麦品种，为研究小麦氮素高效吸收利用机理提供基础材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

安徽省地区44个小麦品种 (表1)由安徽农业大学种子科学与工程实验室提供。

采用循环营养液培养法培养小麦。采用Hoagland-Arnon营养液配方配制正常(5 mmol/L)和高氮(45 mmol/L)营养液。具体配方调整如下：正常氮和高氮相同的营养液组分(微量元素)为MgSO4·7H2O 493 mg/L，NaFe-EDTA 40 mg/L，H3BO32.86 mg/L，MnSO4·4H2O 2.13 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L，CuSO4·5H2O 0.08 mg/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02 mg/L；正常氮的大量元素组分为KNO3505 mg/L，KH2PO4138 mg/L，CaCl2444 mg/L；高氮的大量元素组分组分为Ca(NO3)2·4H2O 945 mg/L，KNO3607 mg/L，NH4H2PO4115 mg/L，NH4NO31200 mg/L。

表1 小麦品种(系)及编号

挑选大小一致、 籽粒饱满的小麦种子，经3% H2O2消毒30 min，纯水冲洗3次后，置于饱和CaSO4溶液中浸种6 h，于25 ℃培养箱黑暗中催芽24 h。种子露白后移至洗净的湿润沙床上培养，长至2叶1心时，挑选长势一致的幼苗，除尽胚乳后，移入盛有标准浓度的Hoagland-Arnon营养液的培养容器(47cm×35 cm×11 cm)中培养5 d，再分别以常氮和高氮营养液处理，用0.1 mol/L的HCl或NaOH溶液调节营养液pH至6.5[13]，电动气泵通气10 h/d，至六叶期测定。

1.2 样品处理及测定方法

培养到六叶期时，将小麦植株分为茎叶和根部两部分分别收获，于110℃下杀青30 min后，置70℃下烘干至恒重，称量茎叶干重(Shoot dry weight, SDW)与根部干重(Root dry weight, RDW)；计算根冠比(Ratio of root and shoot, RSR)。小麦植株茎叶氮含量(Shoot nitrogen content, SNC)和根部氮含量(Root nitrogen content, RNC)经浓硫酸-过氧化氢消煮，凯氏定氮法测定。茎叶氮累积量(Shoot nitrogen accumulation, SNA)和根部氮累积量(Root nitrogen accumulation, RNA)分别为茎叶和根干重与其含氮量之积；氮素干物质生产率(Nitrogen dry matter productivity ratio, NDMPR)为植株干物质重与整株氮累积量比值；株高(Plant height, PH)为小麦植株根基部到其最上端的高度。叶片面积(Leaf area, LA)=小麦叶片长×叶片宽度×修正系数(0.75)，测量小麦植株顶端起第一片完全展开叶。

1.3 氮效率综合值计算方法

采用隶属函数法(Subordinate Function Method, SFM)综合分析氮效率综合值[14-15]。用隶属函数法将小麦氮高效评价指标扩展为闭区间[0,1]上进行综合评价。公式为：

Yij=(Xij-Xj min)/(Xj max-Xj min)

式中：Yij表示第i品种第j评价指标的氮高效隶属函数值；Xij表示第i品种第j评价指标的测定值；Xj min表示所有品种第j评价指标的最小值；Xj max表示所有品种第j评价指标最大值；i表示某个品种；j表示某项评价指标。

权重采用客观赋权法计算，公式为：

Ej=Cj/∑Cj

式中：Ej表示j评价指标的权重；Cj表示第j评价指标的变异系数[16]。

氮效率综合值P=[∑(Yij×Ej)]。

1.4 数据分析方法

数据采用Excel 2003和SPSS 19.0软件进行统计分析，采用F检验分析显著(P<0.05)和极显著水平(P<0.01),根据隶属函数法计算出的氮效率综合值采用最短距离法(Nearest neighbor)、 欧氏距离平方(Squared Euclidean distance)聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平下小麦苗期性状特征

表2 小麦苗期不同性状在正常氮和高氮条件下的变化幅度

2.2 不同氮水平下小麦苗期指标权重及氮效率综合值

表3 不同供氮水平下小麦苗期各评价指标权重

图1 正常氮水平下不同小麦品种苗期氮效率综合值聚类分析Fig.1 Cluster analysis of integrated values of nitrogen use efficiencies of different wheat cultivars at the seedling stage under normal nitrogen levels

图2 高氮水平下不同小麦品种苗期氮效率综合值聚类分析Fig.2 Cluster analysis of integrated values of nitrogen use efficiencies of different wheat cultivars at the seedling stage under high nitrogen levels

2.3 基于氮效率综合值的小麦苗期氮累积差异性聚类分析

根据氮效率综合值和聚类分析结果，将聚类分析中的第一类群判定为氮高效型小麦品种；第二类群判定为氮中效型品种；第三和第四类群判定为氮低效型品种。氮高效型、 氮中效型、 氮低效型小麦品种在正常供氮和高氮条件下分别占供试品种总数的4.54%、 54.55%、 40.91%和13.63%、 38.64%、 47.73%。

3 讨论

本研究结果表明，不同小麦品种性状指标之间存在显著差异性，这与其他研究者的研究结果一致[5-9]。由于小麦氮高效评价指标体系尚不统一，对氮高效评价指标的选用也不尽相同，这使得评价结果缺乏可比性和重现性。李梁等[17]选择相对分蘖数、 相对茎叶干重和相对整株干重作为大麦苗期氮高效评价指标；王西志等[18]认为生物量、 吸钾量和钾利用指数可以作为玉米苗期钾高效评价指标。由于不同指标在表征小麦吸收利用氮素的重要性不同，采用单一指标难以准确衡量小麦吸收利用氮素的真实能力。本文选择茎叶氮累积量、 茎叶干重、 根部氮累积量、 根部干重和叶面积作为小麦苗期氮效率评价指标体系，通过隶属函数法对评价指标进行标准化，利用客观赋权法确定各评价指标权重，克服了不同量纲带来的影响。通过聚类分析初步获得6个氮高效小麦品种，其中 “扬麦16” 和“鉴76”在正常氮和高氮条件下为氮高效品种，而“皖麦68”、 “F60501-4”、 “鉴62”和“安农1026”只在高氮条件下为氮高效品种。

赵满兴[8]等指出氮高效品种应同时具有较高的氮素吸收能力、 较强的氮素转运能力和再转移能力。小麦在苗期对氮素的高吸收率虽不能等同于小麦在整个生育期的氮高利用率，却能说明其具有潜在的氮高效利用能力。李淑文等[7]等研究指出，较强的氮素吸收能力和较好的植株生长特性是氮高效小麦品种获得高氮效率的生物学基础。裴雪霞等[19]研究结果表明，小麦生长发育前期氮素吸收量对小麦生长发育起关键作用。因此小麦苗期的氮素吸收对成熟期籽粒产量的形成有重要影响。裴雪霞等[5]研究发现，水培条件下小麦苗期相对植株干重与大田条件下相对籽粒产量之间呈极显著的正相关。赵学强等[20]指出，可以用苗期生物指标代替经济指标，达到缩短筛选周期的目的。由于作物氮素利用率受到基因和环境等因素的影响[21]，本文初选的小麦苗期氮高效小麦品种材料，尚需田间试验验证，以提高筛选结果的准确性，为后续研究提供材料。

表4 小麦苗期常氮和高氮条件下氮效率综合值

4 结论

在正常供氮和高氮条件下，44个供试小麦品种的茎叶氮累积量、 茎叶干重、 根部氮累积量、 根部干重、 叶面积、 根冠比、 茎叶氮含量、 根部氮含量和氮素干物质生产率等指标均存在显著性差异；通过变异系数分析，确立以茎叶氮累积量、 茎叶干重、 根部氮累积量、 根部干重和叶面积作为小麦苗期氮效率评价指标；通过不同小麦品种氮效率综合值的聚类分析，初步确定“扬麦16”和“鉴76”为正常供氮和高氮条件下的氮高效型品种，“皖麦68”、 “F60501-4”、 “鉴62”和“安农1026” 为高氮条件下的氮高效型品种。

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