氮素高效利用水稻新品种筛选与评价

阮新民,从夕汉,施伏芝,罗志祥

(安徽省农业科学院水稻研究所,安徽省水稻遗传育种重点实验室,国家水稻改良中心合肥分中心,合肥230031)

氮是影响植物生长发育的重要矿质营养元素,也是叶绿体、核酸、蛋白质以及很多次生代谢产物的重要组成成分[1]。 我国水稻氮肥利用率在28%—40%,呈现高肥低效现象。 过量施用氮肥不仅降低了氮素的利用效率,造成能源的巨大浪费,而且提高了作物的生产成本,挫伤了农民的生产积极性[2]。 因此,筛选培育氮肥高效利用的农作物新品种是解决我国农业生产中环境与资源间矛盾的关键[1]。

水稻氮素吸收利用存在遗传差异,这为通过遗传改良培育氮高效利用水稻品种提供了可能[3-5]。 冯洋等[6]对我国34 份南方主推水稻品种进行筛选,发现氮高产品种氮利用效率是氮低效品种的2 倍左右。水稻品种对氮肥回收利用率、千粒重,以及总颖花数的影响均不同程度的高于施肥水平的调控效应[7]。氮高效品种在主要生育时期氮素累积量、氮素干物质生产效率、氮素稻谷生产效率及氮素收获指数等均显著高于氮低效品种[7]。 不同品种对氮肥的响应不同,一些品种在低氮量条件下产量和氮肥利用效率较高,还有些品种则在高氮量条件下产量和氮肥利用效率较高[8]。 近年来,面对水稻品种井喷式增长,不断筛选氮高效品种对指导水稻生产具有现实意义。 本研究以生产上大面积应用的优质高产水稻品种为材料,通过大田筛选评价试验,分析不同基因水稻品种氮素吸收利用特性,筛选氮高效利用品种,并对大田筛选方法进行探讨,以期为水稻高产高效栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018 年在安徽省农业科学院水稻研究所合肥基地进行。 供试品种有自主选育及市场上大面积应用的中籼型杂交水稻品种:‘两优391’(LY391)、‘两优671’(LY671)、‘两优631’(LY631)、‘协优52’(XY52)、‘II 优52’(IIY52)、‘冈优52’(GY52)与‘隆两优华占’(LLYHZ)、‘晶两优华占’(JLYHZ)、‘丰两优一号’(FLY1)、‘丰两优四号’(FLY4)。 常规籼型品种:‘黄华占’(HHZ)、‘华占’(HZ)、‘9311’、‘扬稻6 号选’(H6)。

1.2 试验设计

土质为水稻土,肥力中等, 前茬空闲田。 土壤有机质含量16.5 g∕kg、全氮含量1.23 g∕kg、碱解氮80.75 mg∕kg、速效磷30.1 mg∕kg、速效钾78.2 mg∕kg。 试验设不施氮(N0)、低氮(N1,90 kg∕hm2)、正常施氮(N2,180 kg∕hm2)3 个处理。 采用裂区设计,肥料水平为主区,品种为裂区,小区面积13.3 m2,重复3 次,主区间作埂隔离,并用塑料薄膜覆盖埂体。 试验于5 月20 日播种, 6 月15 日移栽,栽插规格为16.7 cm×26.4 cm,杂交稻单本栽插,常规稻双本栽插。 磷、钾肥施用量分别为P2O590 kg∕hm2、K2O 150 kg∕hm2,一次性基施。 氮肥所用肥料为尿素,按基∶蘖∶穗为5∶2∶3的比例施用。 其他田间栽培管理措施按照实际大田生产进行。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 农艺性状

水稻成熟期各小区取代表性样品5 株,调查有效穗数、每穗粒数、千粒重、结实率及单株产量等。 各小区单收单打,晒干后称量实际产量。

1.3.2 植株全氮含量

样品于105 ℃烘箱杀青30 min,85 ℃烘至恒重后称重,粉碎,用半微量凯氏定氮法测定植株全氮。

植株氮素吸收总量(g∕plant) = 成熟期地上部植株干物重×含氮率;

氮素干物质生产效率[N dry matter production efficiency,简称NUEdry(kg∕kg N)] =地上部干物质总量∕氮素吸收总量×100%;

氮素籽粒生产效率[N grain production efficiency,简称NUEgrain(kg∕kg N)] =籽粒产量∕氮素吸收总量×100%;

氮肥偏生产力[Partial factor productivity of applied N,简称PE(kg∕kg N)] =籽粒产量∕施氮量。

1.3.3 数据处理

试验数据采用origin 2017 软件和SPSS 19.0 软件数据处理系统进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平下品种主要经济性状表型与产量差异

由表1 可见,正常施氮处理的表型均值除千粒重外均明显大于低氮处理。 在一定范围内适当增加施氮量有利于有效穗数、每穗总粒数、结实率以及产量的提高。 不施氮处理主要经济性状的变异系数为5.44%—17.32%,低氮水平下为20.89%—121.37%,正常施氮水平为14.61%—70.17%。 不同氮水平下结实率与千粒重品种间差异较小,单株有效穗数及每穗总粒数品种间差异较大。 水稻品种单株产量随施氮量的增加而提高,正常施氮水平下,‘HHZ’单株产量最低,为21. 7 g,‘IIY52’单株产量最高,为41.0 g。

表1 品种单株产量及经济性状参数Table 1 Grain weight per plant and related parameters of economical character of spikein of rice varieties

2.2 高产高效型水稻品种筛选

由图1 可知,在不施氮及正常施氮水平下,第I 象限(双高效型)品种产量均高于平均值,表现出高产稳产性,该类型品种包括‘XY52’‘IIY52’‘9311’‘JLYHZ’‘LY391’;在低氮条件下,第II 象限(低氮高效、高氮低效型)品种表现出相对高产,而正常施氮下,其产量低于平均值,为耐低氮型品种,该类型品种包括‘GY52’‘LY671’‘LY631’,其中‘GY52’耐低氮特性尤为明显;在正常施氮与不施氮条件下,第III 象限(双低效型)品种产量均低于平均值,该类型品种包括‘LLYHZ’‘FLY4’‘HZ’‘HHZ’;第IV 象限(高氮高效、低氮低效型)品种低氮耐性较弱,但正常施氮下产量较高,包括‘H6’‘FLY1’。 选择双高效型和低氮高效型品种即第I 象限和第II 象限的品种有利于提高收益。

2.3 不同水稻品种产量对施氮量的响应及氮肥偏生产力差异

水稻产量对施氮量的响应存在明显的基因型差异(图2)。 当施氮量从0 kg∕hm2增加至90 kg∕hm2和180 kg∕hm2时,‘IIY52’‘9311’‘JLYHZ’‘LY391’‘XY52’ 的产量迅速提高。 但‘GY52’‘XY52’在低氮下的产量明显高于其他品种。 对位于第I 象限双高效型品种进一步进行回归分析,发现品种产量(y)与施氮量(x)间均呈二次函数关系,二者拟合一元二次方程见表2。 ‘IIY52’理论产量最高,在施氮量为216 kg∕hm2时达到10 420.5 kg∕hm2。 其次是‘JLYHZ’,在施氮量为294 kg∕hm2时达到9 924 kg∕hm2。‘XY52’在仅施氮156 kg∕hm2时就能达到9 559.5 kg∕hm2。 在经济效益最高时氮肥偏生产力以‘XY52’最高,达到63.74 kg∕kg N,其次是‘IIY52’为50.20 kg∕kg N,‘JLYHZ’相对较低,为35.60 kg∕kg N,分别比‘FLY4’增加84.27%、45.13%、2.92%。

表2 氮肥偏生产力及及线性方程相关参数Table 2 PE and related parameters of linear equation

2.4 不同高产水稻品种氮效率的差异

高产水稻品种间干物质重、氮吸收量、叶氮含量、茎鞘氮含量、穗氮含量、氮素干物质生产效率、氮素籽粒生产效率均存在显著性差异。 由表3 可知,氮水平对干物质重、氮吸收量、叶氮含量和氮素籽粒生产效率影响显著。 氮吸收量存在品种与氮水平间互作效应。 氮高效品种不仅要考虑产量,还要考虑其氮的利用效率,对位于第I 象限双高效型品种进行氮素籽粒生产效率筛选,发现除‘IIY52’与‘LY391’差异不显著外,其余品种间氮素籽粒生产效率差异达显著水平(图3)。 ‘XY52’‘IIY52’‘LY391’ 3 个品种可视为高产氮高效品种。

表3 高产水稻品种氮效率及相关参数方差分析Table 3 Analysis of variance of F values of nitrogen use efficiency and related parameters in the high yielding varieties of rice

3 讨论与结论

3.1 水稻氮利用效率的评价方法与指标

水稻氮利用效率是一个复杂的综合性状,受多种因素影响[9]。 氮利用效率评价指标也很多,诸如,氮农学利用率、氮肥偏生产力、氮素干物质生产效率、氮素籽粒(稻谷)生产效率、氮生理利用率、氮素运转效率、氮收获指数等[10-11]。 目前,水稻氮利用效率大田评价没有统一标准,同一品种在不同试验中的表现也不一样。 因此,探索水稻氮利用效率大田评价标准显得尤为必要。 氮效率研究是以产量为终极目标[12],离开水稻产量而谈氮的利用效率没有现实生产意义。 因此,氮高效品种应是同一产量水平具有较低的需氮量和同一施氮水平具有较高产量的品种,也是高效吸收与高效利用协同的品种。

本研究初步构建了水稻氮高效品种大田评价方法:①建立长期定位肥料试验田(除氮含量外,在耕层或犁底层无土壤障碍因子);②设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设置氮高效对照品种(‘协优52’)和大田一般对照品种(‘丰两优四号’);④水稻成熟期取样考种并测定植株全氮含量,收获小区产量;⑤象限划分筛选高产高效型品种,并与对照比较经济效益最高时氮肥偏生产力及氮素籽粒生产效率;⑥评价产量潜力及节氮能力。

3.2 氮高效水稻品种筛选

本研究筛选出‘XY52’‘IIY52’‘LY391’共3 个高产氮高效水稻品种。 ‘IIY52’的产量潜力最高,其次为‘JLYHZ’, ‘XY52’节氮能力最强。 这些品种在保持产量的同时,能节约化学氮肥的使用量。