不同施氮水平下6个优质常规稻品种的氮肥利用率分析

刘广林，吴子帅，罗群昌，李 虎，朱其南，李秋雯，陈传华

(广西农业科学院水稻研究所/广西水稻遗传育种重点实验室/广西水稻优质化育种研究人才小高地，广西 南宁 530007)

【研究意义】我国是世界上最大的水稻生产国和消费国，同时也是氮肥投入量较大的国家之一，但目前我国稻田氮肥利用率不足40 %[1-2]。稻田过量施氮不仅增加农业生产投入成本，还会造成肥料利用率降低、环境污染和病虫害加剧等一系列问题[3-4]。“十三五”以来，农业农村部提出到2020年我国农业生产化肥农药零增长的目标，迫切需要通过转变农业生产方式来实现。水稻是广西重要的粮食作物之一，常年播种面积约占全区粮食总播种面积60 %[5]；随着种植结构的进一步调整及消费市场需求的变化，外观品质与食味品质俱佳的优质常规水稻品种在广西的种植面积逐步扩大，广西也育成了一批产量高、品质优的常规稻品种[6]。因此，开展广西主栽或新育成优质常规稻品种氮肥利用率研究，对优质稻生产中有效选用氮高效利用品种及促进广西优质稻产业提质增效具有重要意义。【前人研究进展】迄今，关于提高稻田氮肥利用率的研究重点集中在如何降低田间氮素损失、实施新的施肥方法以改变氮肥形态、探索最适施肥时期及最佳施肥量等方面[1]。水稻氮肥的吸收与利用存在显著基因型差异[3，7-8]，越来越多的研究者试图通过育种手段提高氮肥利用率，其中在水稻氮高效种质资源筛选及评价方面国内已有较多报道[9-13]，南京农业大学和安徽农业科学院水稻研究所等多家科研单位已开展从高世代育种材料中进行氮高效品种选育的研究[14-15]，国际水稻研究所在20世纪90年代初期已开始筛选耐低氮种质资源并将其用于育种[16-18]。氮肥高效利用同时受环境因素、试验材料及试验方法等影响，国际上对氮高效水稻品种评价的常用指标包括氮肥生理利用率(PE)、氮肥农学利用率(AE)、氮肥吸收利用率(RE)和氮肥偏生产力(PFP)[2]，但国内在氮高效水稻品种评价方面未形成统一标准[2，19]。【本研究切入点】目前，针对广西主栽或新育成优质常规稻品种不同施氮水平下氮肥利用率的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】分析评价6个优质常规稻品种在不同施氮水平下的氮肥生理利用率、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率及氮肥偏生产力，并比较不同施氮水平下各品种的产量差异，为优质稻生产上选用氮高效利用品种及合理减施氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年晚造在广西农业科学院试验田进行，试验田块多年来一直种植水稻，其基本理化性质为：有机质34.7 g/kg，全氮1.67 g/kg，水解性氮79.0 mg/kg，有效磷7.2 mg/kg，速效钾185.0 mg/kg，pH 6.0。供试水稻品种为本课题组前期在土壤较贫瘠、低肥条件下筛选获得且产量表现较高的6个优质常规稻品种及1个对照(CK)品种。其中，桂香18(V1)为香型高产品种，桂育12(V2)为小粒高产品种，桂育9号(V3)、桂育11号(V4)、桂育18(V5)和桂育8号(V6)为长粒高产品种，柳沙油占202(V7)为广西区试对照品种。供试氮肥为尿素(总N含量以46.2 %计，四川天华股份有限公司生产)，磷肥为过磷酸钙(有效P含量以16.0 % 计，云南金星化工有限公司生产)，钾肥为氯化钾(K2O含量以60.0 %计，中化化肥有限公司生产)。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验采用裂区设计，主区为施氮水平，裂区为品种。主区11.2 m×3.2 m，用塑胶挡板插入泥土中并用塑料薄膜包裹作分隔防止串水串肥，主区间间隔0.4 m；裂区内以行区设置，每个品种种植10行，每行15株，株距20.0 cm×13.0 cm，单苗插秧，3次重复，共设12个主区。设4个施氮水平：不施氮(施纯氮0 kg/hm2)、施中低氮(施纯氮112.5 kg/hm2)、施常氮(施纯氮150.0 kg/hm2)和施高氮(施纯氮187.5 kg/hm2)，依次为N0、N7.5、N10.0和N12.5处理，各处理磷肥施用量均为P2O567.5 kg/hm2，钾肥施用量均为K2O 157.5 kg/hm2。磷肥作基肥一次性施入，钾肥于移栽后12和40 d分别按60 %和40 %施入，氮肥于移栽后第5、12和40天分别按30 %、45 %和25 %施入，其他田间管理措施同一般大田。

1.2.2 测定项目及方法 产量测定：各小区除去非正常植株后按实际收获株数计小区产量，换算成公顷产量(按3.75×105株/hm2计，下同)；考种：水稻成熟后按五点取样法从各小区取5株代表性植株作为考种材料，调查每穗粒数、结实率和千粒重，有效穗数按10株的平均数计；氮含量测定：以五点取样法获取稻株，先每株抽取1个主穗作为测氮样品，将茎秆与穗分开，分别装入信封后置于烘箱105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，粉碎过筛，样品经H2SO4-H2O2消化后，采用全自动凯氏定氮仪(KJELTEC 8420)测定植株和谷物的全氮含量(委托广西大学农学院进行测定)；其他植株的茎秆与穗分开，分别装入信封后置于烘箱105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，用于测定单株谷物干重和单株茎秆干重?参考张福锁等[20]的方法计算氮肥生理利用率、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力。

谷物产量(kg/hm2)=单株产量(kg)×3.75×105株/hm2

植株总氮含量(kg/hm2)=谷物总氮含量(kg/hm2)+茎秆总氮含量(kg/hm2)

氮肥生理利用率(PE，kg/kg)=(施氮区作物产量-无氮区作物产量)/(施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量)

氮肥农学利用率(AE，kg/kg)=(施氮区作物产量-无氮区作物产量)/氮肥施用量

氮肥吸收利用率(RE， %)=(施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量)/氮肥施用量×100

氮肥偏生产力(PFP，kg/kg)=施氮区作物产量/氮肥施用量

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行整理，以DPS v9.01进行统计分析，采用LSD 法检测差异显著性。

2 结果与分析

2.1 各优质常规稻品种的氮肥生理利用率、农学利用率、吸收利用率和偏生产力

由表1可知，除CK外，各供试优质常规稻品种的氮肥生理利用率均以N7.5处理最高，且随着施氮量的增加而逐渐降低；各供试优质常规稻品种的氮肥农学利用率均以N7.5处理最高，且均显著高于N12.5处理(P<0.05，下同)。V2、V4和V5的氮肥吸收利用率在各施氮处理下均无显著差异(P>0.05，下同)，V1的氮肥吸收利用率在N10.0处理下最高，且显著高于N12.5处理；V3的氮肥吸收利用率在N7.5处理下最高，显著高于N10.0处理；V6的氮肥吸收利用率在N12.5处理下最高，显著高于N7.5处理，但与N10.0处理差异不显著，N10.0处理下6个优质常规稻品种中氮肥吸收利用率最低的是V3(34.19 %)。值得注意的是，各施氮处理下V7(CK)的氮肥吸收利用率均大于40.00 %。各供试品种的氮肥偏生产力均随着施氮量的增加而显著降低。说明在本研究土壤背景下，通过增施氮肥对水稻产量的增加作用逐渐降低，但各品种即使在高氮处理(N12.5)下也能保持较高的氮肥偏生产力水平，其中N12.5处理V6的偏生产力最低(38.06 kg/kg)。

表1 不同施氮处理下各优质常规稻品种的氮肥生理利用率(PE)、氮肥农学利用率(AE)、氮肥吸收利用率(RE)和氮肥偏生产力(PFP)

2.2 不同氮肥利用效率评价指标下各优质常规稻品种的排序表现

以生产上常用的氮肥施用量(纯氮150.0 kg/hm2)处理(N10.0)为研究对象，分析该施氮处理下供试优质常规稻品种在各氮肥利用效率评价指标下的排序情况。从图1可看出，供试优质常规稻品种的氮肥生理利用率排序为V2>V4>V5>V3>V1>V7>V6(图1-A)，氮肥农学利用率排序V2>V4>V5>V1>V7>V3>V6(图1-B)，氮肥吸收利用率排序为V1>V7>V4>V6>V2>V5>V3(图1-C)，氮肥偏生产力排序为V5>V4>V3>V1>V2>V6>V7(图1-D)，表明各优质常规稻品种在不同氮肥利用率评价指标间的排序不一致，不同指标仅能反映氮素吸收与利用的不同侧面。

2.3 不同施氮处理下各优质常规稻品种的产量表现

由表2可知，各供试优质常规稻品种的产量均以施氮处理显著高于不施氮处理(N12.5处理的V6除外)；V1、V2、V3和V4的产量在N7.5、N10.0和N12.5处理间无显著差异；V5的产量在N10.0处理下最高，且显著高于N12.5处理，但与N7.5处理差异不显著；V6的产量在N7.5处理下最高，与N10.0处理差异不显著，但显著高于N12.5处理。可见，供试优质常规稻品种在施用中低氮时已具有较高的产量潜力，在施氮112.5 kg/hm2时产量已达或超过施氮150.0和187.5 kg/hm2时的产量。进一步分析可知，6个优质常规稻品种在N7.5处理下的产量均显著高于V7(CK)在N7.5处理的产量，且明显高于V7(CK)在N10.0和N12.5处理下的产量，说明这6个优质常规稻品种在氮肥施用量减少25 %以上时，仍可获得较高产量，符合化肥减施增效目标要求。

A：氮肥生理利用率值的排序；B：氮肥农学利用率值的排序；C：氮肥吸收利用率值的排序；D：氮肥偏生产力值的排序；图柱上数字1～7表示供试品种在各氮肥利用率评价指标下的排序 A：Ranking under physiological efficiency；B：Ranking under agronomic efficiency；C：Ranking under recovery efficiency；D：Ranking under partial factor productivity. The numbers 1-7 on the bar indicate ranking of each variety under different evaluation indexes of nitrogen efficiency图1 各优质常规稻品种在不同氮肥利用效率评价指标下的排序情况Fig.1 Ranking of tested high-quality conventional rice varieties under different evaluation indexes ranking of nitrogen efficiency (N10.0)

表2 不同施氮处理下各优质常规稻品种的产量表现

表3 不同施氮处理下各优质常规稻品种的产量构成因子

2.4 不同施氮处理下各优质常规稻品种的产量构成因子表现

由表3可知，供试优质常规稻品种的有效穗数均以施氮处理高于不施氮处理，除N7.5处理下的V3外，其差异均达显著水平；各施氮处理下各优质常规稻品种的每穗粒数差异不显著；施氮处理的结实率除V2显著高于不施氮处理外，其他优质常规稻品种与不施氮处理均无显著差异；施氮处理的千粒重除V4显著高于不施氮处理外，其他优质常规稻品种与不施氮处理均无显著差异。可见，在本研究土壤背景下，施氮和不施氮处理下各优质常规稻品种的产量差异主要由有效穗数不同而引起。从表3还可看出，V1、V2、V4和V6的有效穗数在N7.5、N10.0和N12.5处理下均无差异显著，V3的有效穗数在N7.5处理和N10.0处理下差异不显著，V5的有效穗数在N7.5处理和N12.5处理下差异不显著，而V7(CK)的有效穗数随着施氮量的增加而显著增加，表明本研究中的6个优质常规稻品种在施中低氮时的有效穗数与多数施常氮或高氮时差异不显著，即这6个优质常规稻品种在施用中低氮(N7.5)条件下能保持较高的有效穗数，是其在中低氮水平下仍保持高产的主要原因。

3 讨 论

水稻氮肥利用率由遗传因素决定，同时也受土壤、气候等环境因子和田间肥水管理的影响[21]。已有研究表明，适宜的氮肥施用量、施肥时间及施肥方法，能有效提高氮肥利用率[22]，但仅以此为研究目标不能充分发挥作物本身利用氮肥的潜能，筛选氮高效利用水稻品种并研究其适宜的氮肥施用量，才是提高氮肥利用率最经济有效的方式，但在利用氮高效水稻种质资源并成功获得生产上的氮高效水稻品种方面至今未见大面积应用的研究报道，可能与尚未形成统一的水稻氮高效品种评价指标有关。本研究在上述背景下开展6个广西主栽或新育成优质常规稻品种的氮肥利用率及产量表现分析，旨在为优质常规稻生产上选用氮高效利用品种及合理减施氮肥提供科学依据。

张福锁等[20]研究认为，21世纪初期我国一方面化肥资源短缺，另一方面土壤肥力普遍低下，粮食作物增施氮肥的增产效果明显，氮肥吸收利用率能很好地反映作物对氮肥的吸收状况，但当前上述两方面均已发生明显变化，不能再单纯利用氮肥吸收利用率评价作物对氮肥的利用效果。本研究发现，各施氮处理下柳沙油占202的氮肥吸收利用率均大于40.00 %，但以柳沙油占202的产量进行分析，该品种并不属于氮高效利用品种。通过综合分析国内外评价氮肥利用率的10个指标，将其分为七类，并认为各类指标都只能反映氮肥吸收与利用的不同侧面，同一品种在不同评价指标间的排序不完全一致，本研究结果与其相似。氮肥生理利用率、氮肥农学利用率和氮肥吸收利用率受供试土壤基础肥力和施氮水平影响较大，氮肥偏生产力则未考虑土壤地力对试验品种产量的影响[19]，因此，单纯利用某个或个别指标评价氮肥利用率存在片面性。张亚丽等[23]、黄农荣等[24]研究认为，在低氮和高氮水平下均获得高产的水稻品种与平均产量高的水稻品种相比，属于氮高效品种，但这些氮高效品种仅是相对于同一批试验材料而言。张福锁等[20]研究表明，在全国粮食主产区平均施纯氮150.0 kg/hm2条件下，179个试验样本中氮肥吸收利用率平均值为28.3 %。武良等[25]对我国主要农作物施氮(化肥氮)量、产量和氮效率(氮肥偏生产力)的研究结果表明，华南地区水稻在高氮水平(大于180.0 kg/hm2)下，氮肥偏生产力从2000-2003年的33.8 kg/kg下降到2008-2009年的32.2 kg/kg，呈增氮减效的变化趋势。本研究中的6个优质常规稻品种在施氮150.0 kg/hm2条件下氮肥吸收利用率均在34.19 %以上，高于张福锁等[20]报道的同一施氮水平下的全国平均值；在高氮条件下，6个优质常规稻品种的氮肥偏生产力均大于38.06 kg/kg，高于武良等[25]报道的华南地区平均值。此外，这6个优质常规稻品种在施用中低氮时的产量能达到或超过其在施常氮或高氮时的产量，显著高于广西区试同熟组CK品种柳沙油占202在施常氮试的产量，符合水稻生产的减肥增效需求。本研究还发现，不施氮肥和施氮肥水稻产量的差异，主要因有效穗数不同而引起，但不施氮处理条件下桂育12的结实率和桂育11号的千粒重显著降低，是否因这2个品种对氮素的响应与其他品种存在差异，尚有待进一步探究。

本研究综合分析6个优质常规稻品种的4项氮肥利用率指标，并以产量作为评价氮高效利用品种的重要评价标准，将氮肥利用率反映到稻谷产量上，符合水稻育种及生产推广实际。氮在作物体内从源到库的吸收、重组、同化利用是个复杂的生物学过程[26]，广西各地的地域环境、土壤条件等各不相同，在本研究土壤背景下的研究结果是否普遍适用广西其他水稻种植区域，还需在现有研究基础上进行多年多点试验予以证实。

4 结 论

优质常规稻品种桂香18、桂育12、桂育9号、桂育11号、桂育18和桂育8号的氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力较高，在施中低氮(112.5 kg/hm2)时的产量能达到或超过施常氮(150.0 kg/hm2)和高氮(187.5 kg/hm2)时的产量，且显著高于广西区试同熟组CK品种在施常氮时的产量，属于氮高效利用型品种，符合生产上推广的氮高效品种产量要求，在生产上推广种植这些品种时可适当减施氮肥。