黄淮稻区水稻品种氮肥利用效率比较分析

孙志广，王宝祥，剧成欣，杨 波，邢运高，徐 波，刘 艳，代慧敏，李景芳，迟 铭，刘金波，李 健，陈庭木，卢百关，方兆伟，徐大勇*

(1 江苏徐淮地区连云港农业科学研究所/江苏省现代作物生产协同创新中心，连云港 222006；2 扬州大学，江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室，江苏扬州 225009)

水稻作为一种非常重要的禾谷类作物，是世界上最重要的粮食作物之一，为30多亿人提供日常所需约50%的卡路里[1，2]。随着世界人口的不断增长，确保粮食安全已是本世纪全人类面临的最大挑战之一。Godfray等人预测到2050年，世界的总人口将达到史无前例的90亿[3，4]。因此，利用有限的土地资源生产更多的稻谷，将关系到我国乃至全球的粮食安全。

氮素作为农业生产中主要的限制性营养因子，对维持作物产量、提高粮食品质具有重要意义[5]。在我国，从1980年的14 000万吨到2017年21 200万吨，稻谷产量增加了51%，但与此同时，农用化肥施用折纯量(从1269万吨到5859万吨)也增加了3.6倍多(国家统计局http：//data.stats.gov.cn)。然而，在施入的氮肥总量中，水稻能有效利用的只有30%～40%，其余氮肥通过各种物理化学过程流失到大气、地下水和河流中，最终导致水体和土壤的破坏以及氧化亚氮等温室气体浓度上升[6，7]。因此，作物生产必须同时兼顾环境和经济因素，以确保氮肥的有效利用，实现可持续的生产。

黄淮稻区(黄河以南淮河以北，不包括京津浙)是我国第二大优质粳稻生产区，常年种植面积达100多万公顷，每年生产约100亿公斤水稻。当地多数农民根据自己的经验施用追肥，忽视追肥的适宜用量和施用时期，大量氮肥施入稻田。过量氮肥的施用不仅没有提高水稻产量，还导致氮肥利用效率显著降低。提高作物施氮效率，不仅可以提高作物产量，增加农民收入，还可以减轻化肥过量施用带来的环境污染。本研究以18个适合黄淮稻区种植的粳稻品种为研究对象，设置4种施氮量处理，观察不同施氮条件下各品种主要农艺性状、产量及氮肥农学利用率等的变化，以期明确适宜黄淮稻区的水稻品种对氮肥响应的特点，为培育和利用氮高效品种提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

试验材料共18份，分别来源于天津、北京、江苏、河南、山东、浙江和安徽的中熟中粳品种(表1)，各品种均能在连云港正常抽穗结实。

试验于2018年在连云港市农业科学院东辛农场试验基地(119°9′E，34°35′N)进行。前茬作物为小麦，耕作层有机质、全氮、有效磷、速效钾和缓效钾的含量分别为25.3 g/kg、1.51 g/kg、35.1 mg/kg、350.2 mg/kg和336.2 mg/kg。小区地势平坦，肥力均匀，排灌方便。各品种于5月14日播种，6月21日移栽，10月10日收获。行株距20.0 cm×16.7 cm，双本栽插。

表1 参试水稻品种及其来源

试验采用双因素裂区设计，以N0(不施氮)、N225(N225 kg/hm2)、N300(N300 kg/hm2)和N375(N375 kg/hm2)为主区，品种为副区。小区面积8 m2，完全随机区组设计，每裂区2次重复。将氮肥折合成纯氮按基肥、分蘖肥和穗肥分次施入，比例为4∶2∶4。于移栽前3 d，按照360 kg/hm2和240 kg/hm2的施用量分施磷肥(P2O512%)和钾肥(K2O 60%)。按照常规高产栽培措施进行大田管理。

1.2 测定项目及方法

在水稻成熟期，按照水稻种质资源描述规范，每小区取代表性植株5株，测定株高、有效穗数、穗长、每穗粒数、穗实粒数、千粒重、单株谷重。

1.3 数据分析

利用Excel 2010进行数据整理，SPSS 22.0软件进行描述性统计、相关分析、聚类分析、主成分分析和综合评价。

计算公式如下：

氮肥农学利用率(kg/kg) = (施氮区籽粒产量-氮空白区籽粒产量)/施氮量；

氮肥偏生产力(kg/kg) = 籽粒产量/施氮量；

隶属函数分析：R(Xi，j)=(Xi，j-Xi，min)/(Xi，max-Xi，min)，i=1，2，…，n；

D值为第i个水稻品种在不同氮水平下的综合评价指数。

2 结果与分析

2.1 主要性状统计与分析

性状变异系数是衡量观测值变异程度的统计量，可以为育种家进行品种目标性状改良时提供参考[8]。对18个品种在不同施氮水平下的主要性状变异进行统计(表2)，可以看出在4种施氮水平下，各品种间氮肥农学利用率存在较大差异，变异系数为23.77%～27.89%；结实率和生育期变异水平较小，均在2.5%以下。与对照相比，3种施氮处理下各品种的结实率和氮肥偏生产力显著下降，其余农艺性状均表现为显著升高。穗长、每穗粒数、单株谷重等农艺性状随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势。

根据偏度和峰度判断数据的正态性，结果表明，随着施氮量的增加，各个农艺性状多呈现偏态分布。

续表2

统计量施氮量/(kg/hm2)平均值最小值最大值偏斜度峰度标准差变异系数/%氮肥偏生产力225.0041.5736.1947.450.11-0.953.438.26300.0034.0828.1438.93-0.30-0.913.409.97375.0025.1621.2531.901.030.752.8611.38氮肥农学利用率225.0012.375.5318.76-0.480.733.2626.33300.0014.627.1919.93-0.69-0.243.4823.77375.0010.567.0117.981.311.612.9527.89

2.2 氮素利用效率与其他性状的关系

通过分析氮肥农学利用率与主要农艺性状的关系可以看出(表3)，各品种在不同氮处理条件下，氮肥农学利用率与有效穗数(r=0.315*)、结实率(r=0.282*)、单株谷重(r=0.544**)和氮肥偏生产力(r=0.442**)呈显著正相关。氮肥偏生产力与结实率(r=0.475**)呈显著正相关，与株高(r=-0.310*)、全生育期(r=-0.332*)呈显著负相关。单株谷重与株高(r=0.690**)、有效穗数(r=0.692**)、每穗粒数(r=0.368**)、穗长(r=0.344**)呈极显著正相关，与结实率(r=-0.472**)呈显著负相关；每穗粒数与株高(r=0.459**)、穗长(r=0.723**)、单株谷重(r=0.344**)呈显著正相关，与结实率(r=-0.459**)和千粒重(r=-0.348**)呈显著负相关；有效穗数与株高(r=0.396**)、全生育期(r=0.293**)、单株谷重(r=0.692**)呈显著正相关，与结实率(r=-0.394**)呈显著负相关。

表3 不同施氮量下水稻种质各性状的相关系数

注：*表示在0.05水平上相关性显著，**表示在0.01水平上相关性显著。上三角数字表示相关系数r值，下三角数字表示P值。

2.3 K-均值聚类分析

采用K-均值聚类法，以氮肥农学利用率为变量对各品种进行聚类，并对分组结果进行性状特征分析。参试的18个品种被分为3组(表4)，利用SPSS 22.0软件对分组结果进行方差与多重比较分析，结果表明：组内各性状差异不显著，组间差异明显，多性状差异达显著水平。其中在N225条件下，第1组有2个品种，第2组有15个品种，第3组有1个品种(中作1401)，表明在低氮肥水平条件下，大部分品种氮肥农学利用率差异较小；在N300条件下，每组分别有4、11和3个品种，在N375条件下，第1组有8个品种，第2组有8个品种，第3组有2个品种(连粳7号和连粳16117)，表明在高氮肥水平条件下，各品种间氮肥农学利用率出现了分化。通过比较分析，在3种施氮处理条件下，连粳16117的氮肥农学利用率均处于较高的水平，表明该品种对氮肥的耐受性较好，在各种氮肥条件下，均能显著增加产量。

表4 不同施氮量下水稻种质氮素利用效率性状聚类分析

2.4 主成分分析

主成分分析是一种研究变量关系的方法，各变量对主成分的影响程度可以通过变量对主成分的得分进行判断，贡献率大的变量对主成分的影响也大[9]。本研究以各品种氮肥农学利用率以及其他农艺性状数据为基础，利用SPSS 22.0统计软件，以主成分特征值大于1为标准[10]，计算出各主成分的特征向量和贡献率(表5)。从表5可知，本研究抽提的3个主成分的累计贡献率高达70.88%，能够代表原始变量的绝大部分信息。在主成分1中，有效穗数的特征向量值最大，其次是氮肥农学利用率和结实率，而穗长的特征向量值为负；在主成分2中，单株谷重的特征向量最大，其次是氮肥偏生产力，而千粒重的特征向量为负且绝对值较大；在主成分3中，全生育期拥有最大的特征向量值，而结实率有较高的负值。

表5 水稻种质各性状主成分的特征向量及贡献率

2.5 品种综合评价

根据参试的18份种质对应的特征向量，利用隶属度函数进行归一化处理[11]，各主成分的隶属函数值如表6所示。经计算，第一、二和三主成分的权重分别为43.64%、37.40%、18.97%(表5)。根据综合指数D值大小对其氮肥利用效率进行强弱排序(表6)。由表6可见，连粳16117、连粳15号和新粮12号综合评价指数(D值)较高(0.87、0.75、0.75)，评价为综合氮肥利用效率较高。而隆运7100和精华153综合指数(D值)较低(0.18，0.20)，评价为综合氮肥利用效率较弱。

表6 各水稻种质的主成分值、隶属函数值及综合评价值(D值)

3 讨论

氮素是植物生长发育的重要元素，施用氮肥可以显著提高水稻的产量。我国是世界上最大的水稻生产国和消费国，同时也是一个氮肥高投入的国家[12，13]。我国单季稻每公顷用氮量约为180 kg，在有些地区甚至超过300 kg[14，15]。由于氮肥的过量施用，大多数水稻产区的水稻产量增长缓慢或停滞不前，氮肥利用率极低，对环境的破坏十分明显。现代农业追求更高的产量、更高的氮肥利用率和最小的环境污染，因此，提高粮食产量必须通过更有效地使用氮肥而不是依靠增加氮肥的投入来实现。实践证明，培育氮肥利用率更高的品种是减少水稻生产中氮肥投入的有效途径[16]。

前人研究表明，相对于普通施氮或高氮水平，水稻在施低氮情况下，氮肥农学利用率以及氮肥偏生产力与株高、每穗粒数、有效穗数和单株谷重的相关性更为密切[17]。随着施氮水平的提高，水稻植株氮素积累量迅速增加，但施氮超过225 kg/hm2后，多数水稻品种氮素吸收量不再增加[18]。如果仍继续过量施用氮肥则会导致无效分蘖的增加、千粒重的下降，进而导致产量及多种农艺性状呈现下降的趋势。本研究利用适宜黄淮稻区的18个品种为材料，研究了这些品种在田间4个氮肥处理条件下的农艺性状差异，发现株高、有效穗数和全生育期与施氮量呈正相关关系，结实率和氮肥偏生产力与施氮量呈负相关关系，穗长、每穗粒数、千粒重、单株谷重、氮肥农学利用率等性状多表现为N300>N375>N225>N0，这些结果与前人研究结果基本一致[19]。同时利用K-均值聚类分析，并结合隶属度函数进行归一化处理，对不同品种进行比较，结果发现不同品种间物质生产和积累方式各不相同，氮素利用率存在明显差异。具体表现为综合评价指数连粳16117最高，其次为连粳15号和新粮12号。

前人研究表明，在华中地区的试验中，低氮处理下，氮效率表现较好的品种多是有效穗数较多的品种，穗粒数适中；在高氮下产量表现较好的品种多是大穗型品种，即穗粒数多，穗数适中[20，21]。本研究中综合表现最好的3个品种中，连粳16117、新粮12号和连粳15号的有效穗数在所有品种中位列前三，连粳16117相比连粳15号和新粮12号拥有较高的每穗粒数。同时本研究利用主成分分析发现：有效穗数的特征值为第1主成分中的最大值，这也突出显示了有效穗数在不同氮肥条件下对水稻品种的重要影响。同时，本研究利用相关分析证明：在不同施氮水平下，氮肥农学利用率分别与有效穗数、结实率和单株谷重呈极显著正相关，氮肥偏生产力分别与株高、结实率和全生育期呈极显著的正相关。

开展水稻氮高效利用研究对于氮高效品种的选育和利用具有重要的指导意义。本研究发现，在未施氮或低氮水平下，单株谷重与有效穗数、每穗粒数的相关性比高氮水平更为密切，说明未施氮或低氮水平更适合于耐低氮种质的选择，同时也说明未施氮或施低氮条件下有效穗数和穗粒数较多的材料，一般产量较高。因此，应在低氮条件下开展高氮肥利用率水稻品种选育，注重选择有效穗数和每穗粒数并重、单株谷重较高的株系。通过多重比较分析，本研究发现，在不同氮肥处理条件下，不同品种的氮肥利用率的变化差异显著，比如宁7618在不施氮和低氮(N0和N225)条件下，单株谷重、氮肥偏生产力和氮肥农学利用率较高，而有些品种如连粳15号则在普通施氮(N300和N375)条件下拥有较高的单株谷重、氮肥偏生产力和氮肥农学利用率。因此，在利用氮高效品种时，首先要掌握品种在氮素吸收利用方面的特征特性，有针对性地指导种植者合理施肥，确保在提高氮肥利用效率的同时达到增产的效果。