“油-稻-稻”三熟制氮高效早稻品种的筛选

钱银飞 ，邱才飞，姚易根，裴润根，刘根如，杨文孙，彭春瑞*

（1.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，江西南昌 330200；2.江西省新干县农业技术推广中心，江西新干 331300）

【研究意义】氮是水稻生长过程中非常重要的大量营养元素之一，也是提高水稻产量的重要元素。为了提高水稻产量，人们常常增施氮肥，导致氮肥用量大幅增加、而氮肥利用率不断减少。目前我国氮肥施用量约占世界氮肥总施用量的24%，而氮肥利用率仅为28%～40%，大部分氮素主要通过氨挥发、硝化和反硝化、淋洗和径流等途径损失[1]，导致地下水污染、江河湖泊的富营养化、温室效应等不利影响[2]。如何降低氮肥施用量，提高水稻氮肥利用效率，是我国农业生产上亟待解决的一个重要问题。Clark 等[3]的研究指出，人类在‘施用化肥改变土壤环境满足植物需要方面取得了巨大成绩’，但这‘并不是最实用和经济的办法’，可以‘运用遗传学方法提高植物对土壤环境逆境的适应性’，既可以‘降低生产成本’，又可以‘减少大量施用化肥所造成的环境污染’。即通过应用氮高效的品种可提高氮肥利用率，减少环境污染。【前人研究进展】大量的研究[4-8]表明，植物无论在不同种属间还是在同一种植物不同品种（品系）间均存在着氮效率品种间的差异。培育和选用氮高效品种是协调作物产量，提高氮素利用率、减少环境污染和资源浪费的重要解决途径之一[9]。【本研究切入点】江西是我国典型的双季稻主产区，其中“油-稻-稻”三熟制是一种典型的双季稻种植制度，在南部吉泰盆地等地区应用较多。该制度复种指数高，更大程度的利用了温、光、水、土等资源，提高了土地生产效率，是缓解我国粮食安全压力的重要途径之一[10-11]，但存在着受温光资源等的限制，三熟作物重茬矛盾突出、品种搭配难度大的问题。经笔者长期研究，在温光条件较好的长江中游地区以中早熟早稻（生育期110 d 以内）搭配中熟晚稻（120 d 以内）和早熟油菜（185 d 以内）这种模式实现三熟制满负荷运转，最终实现高产稳产。但这种满负荷运转下的种植模式势必带来氮磷等投入品的增加，增大了氮磷向环境流失引发农业面源污染的风险。因此，筛选出适合“油-稻-稻”三熟制的氮高效水稻品种，对促进“油-稻-稻”三熟制的发展和减轻农业面源污染具有十分重要意义。前人对水稻的氮素吸收利用开展了不少研究，但针对适宜“油-稻-稻”三熟制的水稻的不同氮效率品种的研究较为缺乏。对“油-稻-稻”三熟制的水稻的品种的筛选多以产量为主[12-13]，少有涉及氮素吸收利用问题[14]。【拟解决的关键问题】本研究针对长江中游“油-稻-稻”三熟制生产现状，筛选出适合本区域内“油-稻-稻”三熟制的氮高效早稻品种，为保障“油-稻-稻”三熟作物周年高产高效，减少面源污染，具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验地基础地力

试验于2019年在江西省吉安市新干县沂江乡东湖村（115°23′E、27°43′N）进行。该区属于亚热带湿润气候，海拔高度54 m，平均气温17.5℃，无霜期长达260～300 d，年均降水量1 604 mm。2019年早稻试验的前茬作物为冬油菜、供试土壤为第四纪红粘土发育的潮砂泥田，土壤质地为壤土，0～20 cm土壤pH 6.13，有机质15.22 g/kg，全氮1.52 mg/kg，全磷0.81 mg/kg，全钾16.6 mg/kg，碱解氮128.4 mg/kg，有效磷11.7 mg/kg，速效钾72.3 mg/kg。

1.2 试验材料及设计

1.2.1 试验设计 试验为裂区设计，以施氮量处理为主区，品种为副区，选用15个生育期适合（均在110 d以下）“油-稻-稻”三熟制的早熟主栽品种，其编号及选育单位见表1。施氮量处理设置施氮（N1）和不施氮（N0）2 个处理，施氮处理施N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，其中P 肥为基肥一次性施入，N、K 肥早稻按m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）=5∶2∶3 分3 次施入，基肥结合翻耕施下，分蘖肥在移栽后5～7 d施下，穗肥在倒二叶露尖期（幼穗1～2 mm）施。不施氮处理不施氮肥，其余肥料与施氮处理施肥一致。每个处理设3个重复，每小区4 m×5 m，小区四周做埂并用薄膜覆盖。试验于3月25日播种，软盘育秧，4月25日点抛，抛栽密度20 穴/m2，每穴2本。其余栽培措施同当地高产栽培措施。

表1 供试早稻品种及类型来源Tab.1 Early rice varieties typesand sources

1.3 测定内容与方法

1.3.1 主要生育期 参照胡立勇等[15]的方法考察早稻关键生育期（播种期、移栽期、拔节期、最高茎蘖期、穗分化期、抽穗期、齐穗期和成熟期）。

1.3.2 茎蘖动态 点抛时，在小区中连续定10个单株，每7～10 d记载叶龄1 次；每处理定点2 个，每点连续定10穴，记载茎蘖数，拔节前每5 d查1次，拔节至抽穗期每7 d查1次。

1.3.3 干物质量 在茎蘖动态调查和普查的基础上，根据茎蘖苗的平均结果于拔节期、最高茎蘖期、抽穗期、成熟期取样调查，每小区取5穴代表性植株分成叶、茎鞘、穗3部分，装入牛皮纸质样品袋，105 ℃杀青30 min后80 ℃烘至恒质量，分别测量其干物质量。

1.3.4 叶片剑叶SPAD值 采用日本产SPAD502仪进行测定，测定剑叶除叶脉的叶片中间部位。

1.3.5 植株氮测定 将1.3.3烘干至恒质量的样品，经粉碎、过筛与再烘干，采用H2SO4-H2O2联合消煮—蒸馏法测定氮含量。

1.3.6 产量及构成 成熟期每小区有效穗按普查结果，每小区取10穴未受取样影响单株，其中5穴自然风干后考察每株的株高、穗长、每穗粒数；用水漂法去除空瘪粒，求取结实率；以1 000实粒样本（干种子）称量，重复3 次（误差不超过0.05 g）求取千粒质量。并全区实收，换算成标准含水量后的产量为实际产量。

1.3.7 有关计算依据 氮肥表观利用率（apparent recovery efficiency of applied nitrogen，REN，%），反映作物对施入土壤中的肥料氮的回收效率。

式（1）中，U为施氮后作物收获时地上部的吸氮总量，U0为未施氮时作物收获期地上部的吸氮总量，F代表施氮量。

1.4 数据分析方法

数据处理和统计分析采用Excel 2013和DPS7.05完成。

2 结果与分析

2.1 不同品种早稻氮素表观利用率分类

以不同品种的氮素表观利用率（REN）进行系统聚类，按照欧式距离长短将其划分为3类（图1）：第1 类高氮素表观利用率品种V14（REN=38.71%，下面简称氮高效品种）。第2 类中氮素表观利用率品种包括：V2、V3、V7、V8、V9、V10、V11、V12、V13、V15（REN 为22.2%～33.92%，平均REN 28.86%，下面简称氮中效品种）。第3类低氮素表观利用率品种，包括：V1、V4、V5、V6（REN 为12.297%～18.56%，平均REN15.73%，下面简称氮低效品种）。

2.2 不同施氮水平下不同早稻品种主要农艺性状的表型差异

分析不同氮水平下不同品种早稻成熟期主要农艺性状的表型差异（表2）可见，正常施氮（N1）处理下主要农艺性状的表型值和变异系数基本表现为大于未施氮（N0）处理。不同品种早稻成熟期主要农艺性状的变异系数在N0水平下变化范围为4.48%～28.2%，在N1水平下为4.93%～32.3%，这表明主要农艺性状在施氮处理下不同品种间的差异程度要大于未施氮处理，说明正常施氮处理下更容易鉴别不同水稻品种间差异。N1水平不同农艺性状的变异程度由大到小依次为：成熟期剑叶SPAD 值、穗数、单茎叶干质量、每穗粒数、株高、单茎穗干质量、单茎茎鞘干质量、穗长、生育期、结实率、千粒质量和经济系数HI。N0水平不同农艺性状的变异程度由大到小依次为：成熟期剑叶SPAD 值、穗数、每穗粒数、单茎叶干质量、株高、单茎穗干质量、穗长、单茎茎鞘干质量、生育期、结实率、千粒质量和经济系数HI；表明在不同氮水平下，不同农艺性状的变异幅度不同。不同品种的成熟期剑叶SPAD 值与穗数等变化幅度较大，而千粒质量和HI 则变化幅度较小。

图1 不同品种早稻的氮素表观利用率（REN）聚类分析Fig.1 Cluster tree map of apparent recovery efficiency of applied nitrogen（REN）of early rice with different varieties

表2 不同氮水平条件下不同早稻品种成熟期主要农艺性状的表型差异Tab.2 Phenotypic differences of main agronomic traits of the early rice varietiesat the Maturity under different nitrogen levels

2.3 不同施氮水平下成熟期剑叶SPAD值与REN的相关性

以N0和N1水平下，变异程度均最大的成熟期剑叶SPAD 值为例，分析不同氮水平下成熟期剑叶SPAD 值与REN 的相关性（图2），可见，2 种氮水平下的成熟期剑叶SPAD 值均与REN 呈较好的线性正相关（虚线表示N0水平下，剑叶SPAD 值与REN 的相关性，实线表示N1水平下，剑叶SPAD 值与REN 的相关性），其相关系数分别为rN0=0.806，rN1=0.939，用N1水平下的成熟期SPAD 值比N0水平的下SPAD 值，更容易鉴别不同水稻品种间REN 的差异。同时也表明成熟期高的剑叶SPAD 值的水稻品种具有较高的REN。

2.4 不同品种早稻正常施氮的产量表现及其产量结构特征

鉴于正常施氮处理下更容易鉴别不同水稻品种间差异，因此在正常施氮条件下比较不同氮效率品种的差异。3种氮效率品种早稻在正常施氮条件下的产量表现如表3，不同氮效率品种的产量由低到高表现为氮低效型、氮中效型和氮中效型。氮高效型品种V14，产量为9 278.2 kg/hm2；氮中效型品种籽粒产量7 201.6～8 784.9 kg/hm2，平均产量为8 159.1 kg/hm2，氮低效型品种籽粒产量6 081.7～7 109.9 kg/hm2，平均为6 468.3 kg/hm2。经方差分析，其差异达显著水平。

图2 不同施氮水平下成熟期剑叶SPAD值与REN的相关性Fig.2 Relevance of SPAD value of flag leaf at the maturity and REN under different nitrogen application levels

经相关分析，产量与REN 成极显著的正相关，其相关系数达到0.96。产量构成因素中，以千粒质量与REN 的相关性最强，相关系数达到0.58，其次为穗数，相关系数达到0.5，两者均达到显著相关。结实率为负相关，相关系数为0.27，每穗粒数为正相关，相关系数为0.21，均未达到显著相关。因此穗数多，千粒质量大可能是判断REN高的一个简便快捷的方法。

表3 不同氮效率品种早稻正常施氮条件下的产量表现Tab.3 Yield performance of early rice with different nitrogen efficiency varietiesunder normal nitrogen application conditions

2.5 不同品种早稻正常施氮条件下的茎蘖成穗规律

如表4所示，不同氮效率品种早稻的最高茎蘖数由低到高表现为氮高效型（569.18个/hm2）和氮中效型（平均599.1 个/hm2）和氮低效型（平均606.75 个/hm2）。高峰苗期3 叶蘖及3 叶蘖以下的分蘖所占总分蘖数比例由低到高表现为氮高效型、氮中效型和氮低效型，而3 叶蘖以上的分蘖所占总分蘖数比例则反之。成穗率由低到高表现为氮低效型（平均49.18%）、氮中效型（平均51.64%）和氮高效型（58.4%）。相关分析表明，成穗率和REN 的相关系数最大，达0.54，成显著相关。其次是3 叶以上分蘖占总分蘖的比例，相关系数为0.51，也成显著相关。最高茎蘖数、3叶蘖及3叶蘖以下的分蘖所占总分蘖数比例与REN成负相关，其中以小于3叶蘖以下的分蘖所占总分蘖数比例与REN 相关系数最高，达0.53，达显著水平。最高茎蘖数和3叶蘖所占总分蘖数比例与REN 相关程度较弱，相关系数分别为0.1和0.29，相关不显著。这表明分蘖数量多不是氮高效品种的优势所在，只有分蘖质量高（高效分蘖比例大、成穗率高）才是氮高效品种高REN的关键之所在。

2.6 不同品种早稻正常施氮条件下的氮素吸收利用

如表5 所示，不同氮效率品种早稻的氮素积累量和吸氮量由低到高均表现为氮低效型、氮中效型和氮高效型，均达显著水平。这表明不同品种氮效率越高、从周围环境吸收氮素的能力越强。氮收获指数NHI表征着籽粒中氮积累量占整个稻株的比例，由低到高均表现为氮低效型（平均0.73）、氮中效型（平均0.78）和氮高效型（0.85），均达显著水平。这表明氮效率越高的品种具有更好的促进稻株体内氮素向籽粒转运的能力。

表4 不同氮效率品种早稻正常施氮条件下的茎蘖及成穗表现Tab.4 Stem tiller and ear formation under normal nitrogen application in early rice with same nitrogen efficiencyvarieties

表5 不同氮效率品种早稻正常施氮条件下的氮素吸收利用表现Tab.5 Nitrogen uptake and utilization under normal nitrogen application in early rice with different nitrogen efficiency varieties

3 结论与讨论

水稻不同品种间氮素利用效率存在显著的差异。Broadbent 等[4]比较了24 个水稻品种的氮素利用率，发现存在显著的品种差异，而且在不同年份间表现出相当稳定的次序。随后De Detta 等[5]研究也证明了这一点，氮素利用效率在不同水稻品种存在显著差异，并因年份、季节、栽培条件而表现出相当稳定的大小排序。这表明，水稻品种本身确实存在着氮效率的品种差异，而且是可以遗传的。因此，利用水稻不同品种存在氮效率差异的遗传特性，选用氮高效的水稻品种来减少稻田氮肥的施用量，从而减少对环境的污染，这种方式不仅经济有效，而且对环保安全。本研究供试的15个早稻品种的氮素表观吸收效率存在着显著差异，说明从现有的水稻资源中选择氮素利用效率较高的水稻品种完全有可能。本研究供试的适合“油-稻-稻”三熟制15 个早稻品种中株两优35（V14）的氮肥表观利用率最高，属于氮高效品种，它既表现出高的氮肥表观利用率，同时也具有高产和耐贫瘠的能力（在无氮的情况下产量也最高），显著高于氮中效和氮低效品种。这和张亚丽等[8]、樊剑波等[16]的研究结果在低氮和高氮水平下均能获得较高产量的水稻品种就是氮高效品种结论比较一致。本研究中氮效率越高的品种具有更高的氮素积累量、吸氮量和NHI，显示出更好的氮素吸收和向籽粒转运的能力。这也和大多数的研究结论[17-21]相同。

本研究还表明，在不同氮水平条件下，正常施氮水平下早稻品种成熟期主要农艺性状的变异程度大于不施氮水平下早稻品种成熟期主要农艺性状的变异程度。因此，可通过观察正常施氮条件下不同品种成熟期的相关农艺性状进行不同氮效率品种的筛选。这与朴钟泽等[9]、黄永兰等[21]提出的在低氮条件下进行氮效率品种筛选的观点不同。这主要是因为养分的遗传变异可归因于2个因素共同作用：一是植物利用养分生产产量的效率（利用效率），二是它们从土壤吸收养分的效率（吸收效率）[22]。低氮水平条件下，氮素造成的主要农艺性状的变化主要是由于氮素吸收效率的差异所致。而在高氮水平条件下，氮素造成的主要农艺性状的变化则由氮素吸收效率和氮素利用效率共同决定，且氮素利用效率的差异显得更为重要[23]。本研究同时也表明成熟期高剑叶SPAD 值、多穗、高成穗率、高千粒质量及较高的稻谷产量可作为氮高效品种的简单筛选指标。这也启示在“油-稻-稻”三熟制中，可选择分蘖发生早、分蘖力强的早稻品种建立一个高的群体起点，从而克服三熟制早稻插期迟，不利于迅速在本田期创立并维持较高的叶面积指数，建立足穗高产群体的弊端。同时研究结果也启示在早稻有效分蘖临界叶龄期通过早搁田、化控等[24]方式减少无效分蘖，从而优化群体，最后形成高成穗率，足穗高产。在早稻生育后期也可通过一定措施，减缓叶片等的衰老，也能提高对氮的吸收利用，最后增产增收。