西南麦区小麦苗期氮高效品种筛选及指标体系构建

张 恒，陈艳琦，任杰莹，杨洪坤，樊高琼

（四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130）

氮素是小麦生长发育的主要元素之一，在小麦产量和品质形成中起着重要作用[1-2]。氮肥合理施用有利于提高小麦产量[3-4]，但氮肥过量施用则会导致氮利用率下降。目前，中国的氮肥利用率只有30%～35%，作为消费氮肥量最高的国家，其氮肥利用率低于40%～60%的世界平均水平[5]，氮肥的低效使用，不仅会提高资源损耗和环境污染的概率[6]，还会造成生产成本的增加。因此，基于经济和生态因素考虑，提高氮素利用率成为当前农业可持续发展所面临的问题。前人研究表明，小麦对氮素的吸收和利用受到环境因素和遗传因素的共同影响，不同小麦品种在吸取和利用氮素方面差别较大[7-9]且有明显的遗传特征[10]。在相同氮素处理下，环境对氮素的吸收效率作用较小，但基因型影响明显[11-12]。因此，筛选和栽培氮高效型小麦品种是提高氮肥利用效率的重要农艺措施[13]。

目前，有关其他地区氮高效型小麦品种的筛选以及相关研究较多，而对于西南地区氮高效型小麦的筛选研究报道较少。基于此，本研究采用水培法试验，对34个供试小麦品种在低氮（2.5 mmol/L）和高氮（15 mmol/L）处理下的苗期氮效率相关性状指标进行考察，运用隶属函数法对评价指标进行规范化整理，通过系统聚类分析，对运算得到的氮素效率综合值鉴定分析，筛选出氮高效型小麦品种，为西南地区氮高效利用提供品种参考，同时期望建立简单快捷的小麦苗期氮高效能力评价指标体系，为氮高效型品种选育提供评价的指标体系。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试品种为西南地区有代表性的34个小麦品种，品种名称和编号信息见表1。

表1 小麦品种及编号Table 1 Wheat cultivars and number

1.2 试验设计

试验在四川农业大学农学院的大棚内进行，采用两因素完全随机设计试验，34个小麦品种为因素A，低氮和高氮两种氮处理为因素B。水培试验参考Hoagland营养液配方配置低氮（2.5 mmol/L）和高氮（15 mmol/L）营养液，模拟大田土壤中铵态氮和硝态氮的比例，硝态氮源使用硝酸钙，铵态氮源使用氯化铵。

挑选饱满完整的种子，经1%NaClO浸泡5 min使种子表面灭菌，后用蒸馏水冲洗干净，置于培养箱中25℃暗中催芽，出芽后每品种40株。转移至光照培养室内培养，两叶一心时将去掉胚乳的幼苗定植于泡沫板上，每孔定植1株，定植后转至黑塑料盆中培养，开始前先用纯水培养1 d，后根据设置的固定氮梯度进行正式培养，培养时加入营养液5 L，每7 d更换一次营养液，并用0.1 mol/L的HCl或NaOH调节营养液的pH为6.2左右，每天用氧气泵持续通氧4 h。

1.3 项目测定与方法

植株在低氮和高氮的营养液中培养30 d左右，在表型出现明显差异时，取样测定，每2株为一个重复，每个处理中的品种各取3个重复。

1.3.1 地上部形态指标测定

叶面积（leaf area，LA）是叶片中间最大宽度、小麦叶片长与修正系数（0.76）之间的乘积，测量小麦植株所有有效展开叶的叶面积。株高（plant height，PH）是植株根颈部到顶部展开叶叶尖的距离；用根系扫描仪测定根系构型，扫描后得到的根系扫描图经根系图像分析软件分析，得到根系面积（scanning root area，SRA）。

1.3.2 干物质测定

测定完株高、叶面积的植株，分根、叶和茎，于105℃杀青15 min，75℃干燥至稳定重量后，用千分位电子天平称量茎叶干重（shoot dry weight，SDW）和根部干重（root dry weight，RDW）；根冠比（root shoot ratio，RSR）=根部干重/茎叶干重；

1.3.3 植株全氮含量测定

将测定完形态指标的样品，粉碎后测定植株全氮含量（total nitrogen content，TNC），经浓硫酸在催化剂（高效凯氏定氮片）的作用下420℃加热消毒至溶液澄清状态，冷却后用全自动凯氏定氮仪测定全氮含量；全株氮素积累（total nitrogen accumulation，TNA）为全株干重和全株氮含量的乘积；氮素干物质生 产 率（nitrogen dry matter productivity ratio，NDMPR）是植株干物质重量和全株氮积累量的比值。

1.3.4 叶绿素含量（soil and plant analyzer develop⁃ment，SPAD）测定

对每个品种取样，样品选用顶部全展叶，称取0.5 g，采用丙酮-乙醇浸提法测定叶绿素含量[14]。

1.4 氮效率综合值计算公式

将筛选出的评价指标运用隶属函数法计算氮效率综合值[15]。用氮效率综合值来反应不同氮处理下小麦品种的氮效率状况。

公式为：Uij=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）

式中：Uij表示某氮水平下第i品种第j评价指标的氮效率隶属函数值；Xij表示某氮水平下第i品种第j评价指标的测定值；Xjmin、Xjmax表示某氮水平下所有品种第j评价指标的最小值和最大值。

式中：Wj表示某氮水平下j评价指标的权重；Vj表示某氮水平下第j评价指标的变异系数。P表示氮效率综合值。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010处理数据，SPSS19.0软件进行方差分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 两种氮水平下小麦苗期相关氮效率指标差异

两种氮处理下小麦品种间苗期生理形态性状指标均存在极显著差异，且表现出一定的变异性（表2）。其中根部干重、根冠比和根系面积的均值随着施氮量的增加而降低，而茎叶干重、叶面积和全氮含量等7个性状指标的均值随着施氮量的增加而增加。

表2 低氮和高氮条件下小麦苗期的性状指标变化Table 2 changes of wheat traits at seedling stage under low nitrogen and high nitrogen conditions

在低氮处理下，各小麦性状指标变异系数的变幅在7.56%～29.90%之间，变异系数最小的是株高，最大的是叶绿素含量。在高氮处理下，各小麦性状变异系数的变幅在6.80%～28.39%之间，其中变异系数最小的是全氮含量，最大的是根部干重。根冠比、叶面积、全氮积累量、叶绿素含量、根系面积、根部干重和茎叶干重以上7个指标在低氮和高氮处理下的变异系数均大于20.5%，表明在两种氮处理下这些性状指标的变异程度更大，可以更好地解释不同小麦品种间的差异；但全氮含量、株高和氮素干物质生产率的变异系数均小于15%，说明在两种氮处理下这3个性状变异程度较小，在不同小麦品种之间差异小。除此之外，根冠比、叶面积、株高和根部干重这4个性状指标在低氮处理下的变异系数均低于高氮处理，其余6个小麦性状指标的变异系数在低氮处理下均高于高氮处理，表明所测性状指标在两种氮处理差异性不同。

2.2 两种氮水平下小麦苗期筛选指标权重和氮效率综合值

鉴于根冠比、叶面积、全氮积累量、叶绿素含量等7个指标在低氮和高氮处理下的变异系数均大于20.5%，故选用以上7个指标作为筛选指标，后采用归一化法计算出7个筛选指标的权重值（表3）。在低氮处理水平下，各筛选指标权重范围在0.119～0.174之间，其中叶绿素含量权重最高，根冠比的权重最低；在高氮处理水平下，各筛选指标权重范围在0.127～0.171之间，其中根部干重权重最高，根冠比权重最低。其中7个筛选指标的权重值在两种氮处理下均在0.110以上，根部干重、氮素积累量、叶绿素含量和根系面积4个筛选指标的权重在两种氮水平下均大于0.140。

表3 低氮和高氮水平下小麦苗期各评价指标权重Table 3 Weight of each evaluation index at the seedling stage of wheat under two nitrogen levels

基于以上权重，34个小麦品种在低氮处理下的氮效率综合值变幅在0.191～0.695之间（表4），34个小麦品种的在高氮处理下氮效率综合值变幅在0.111～0.723之间。根据氮效率综合值的大小将供试小麦品种在两种氮处理下都分为3个种类。氮效率综合值低于0.5的是第一个种类：在低氮下和高氮处理下分别有22个和28个小麦品种；氮效率综合值在0.5～0.6之间的是第二种类：在低氮和高氮处理下分别有8个和5个小麦品种；氮效率综合值大于0.6的是第三种类：在低氮和高氮处理下分别有4个和1个小麦品种。在高氮处理下的氮效率综合值最小的是“云53”，最大的是“绵麦1419”；“川麦39”“川麦1247”和“西科麦8号”3个品种在两种氮素处理下的氮效率综合值均大于0.5，说明以上3个品种在低氮和高氮处理下均具有较高的氮利用效率，在缺氮和高氮的土壤中均可正常生长发育。其中“云麦53”的氮效率综合值在低氮处理下是最大值，而在高氮处理下却是最小值，说明“云麦53”更偏向于低氮高效型。

表4 低氮和高氮水平下小麦苗期氮效率综合值Table 4 Integrated value of nitrogen efficiency at seedling stage of wheat under low and high nitrogen levels

2.3 基于氮效率综合值对不同氮效率的小麦品种进行分类

以小麦苗期氮效率综合值进行系统聚类分析，采用欧氏距离中最远邻元素法对供试品种进行分析，从而把34个小麦品种在两种氮处理下都分为3个种类（图1、图2），同时按照系统聚类分析结果将以上3个种类划分为不同氮效率的小麦品种。在低氮处理下：第一种类有“云麦53”“川麦104”等4个小麦品种，其氮效率综合值范围为60.8%～69.5%，属低氮高效品种；第二种类有“川麦107”“川育42”等8个小麦品种，氮效率综合值的变幅为50.6%～58.3%之间，属低氮中效品种；第三种类有“渝7”“繁6”等22个小麦品种，其氮效率综合值范围19.1%～48%之间，属低氮低效品种。

图1 低氮条件下小麦苗期氮效率综合值的系统聚类分析Figure 1 Cluster analysis of the comprehensive value of nitrogen efficiency at seedling stage of wheat under low nitrogen condition

图2 高氮条件下小麦苗期氮效率综合值的系统聚类分析Figure 2 Cluster analysis of the comprehensive value of nitrogen efficiency at seedling stage of wheat under high nitrogen condition

在高氮处理下：第一种类氮高效品种有“绵麦1419”“川麦39”“西科麦8号”等6个小麦品种，氮效率综合值范围在54.3%～72.3%，属于高氮高效型品种；第二种类氮中效品种有“川育12”“襄麦D31”等21个小麦品种，氮效率综合值变幅在28.3%～47.8%之间，属于高氮中效型品种；第三种类氮低效品种有“绵阳26”“云麦53”等7个小麦品种，氮效率综合值的变幅在11.1%～25.3%之间，属于高氮低效型品种。在低氮处理条件下氮高效型、氮中效型、氮低效型小麦品种分别占所有品种的比例分别是11.76%、23.53%和64.71%，在高氮处理条件下分别占所有品种的比例是17.65%、56.76%和20.59%。

2.4 两种氮处理下不同氮效率品种筛选指标差异

根据以上筛选结果和隶属函数法综合评价计算出的规范值(氮效率隶属函数值Uij)，在两种氮处理下分别以3种氮效率类型小麦品种规范值的均值作图4，列出了在低氮和高氮处理下3种氮效率类型小麦品种7个筛选指标规范值的均值变化。在低氮处理下，除叶绿素含量和根冠比外其余5个筛选指标在3种氮效率小麦品种间存在显著差异，其规范值均值大小表现为氮高效>氮中效>氮低效。在高氮处理下，除根冠比外其余6个筛选指标在3种氮效率小麦品种间存在显著差异，其规范值均值大小表现为氮高效>氮中效>氮低效。表明在低氮处理下氮高效小麦品种具有较高的全氮积累量、茎叶干重、根系面积、根部干重和叶面积，在低氮胁迫下，以上5个指标可作为氮高效品种的筛选指标。而在高氮处理下氮高效小麦品种在高氮下具有较高的根部干重、茎叶干重、全氮积累量、叶绿素含量、叶面积和根系面积，以上6个筛选指标在高氮处理下可作为氮高效品种的筛选指标。

同时说明在低氮胁迫或高氮处理下，氮高效小麦品种比氮低效小麦品种能够形成更强大的根系系统和健壮的地上部，使其具有强大的吸收能力，促使其具有更多的氮素以保持植株正常生长，从而使氮高效小麦品种苗期表现出更强的生长势。

3 讨论

3.1 小麦苗期氮高效试验与评价方法探讨

目前，评价筛选氮高效型小麦品种的时期包括苗期或全生育期，较多学者对氮高效型小麦品种的筛选采用的大田试验[16-18]或盆栽方式[19]，在特定的栽培环境中对供试小麦品种整个生育期相应的氮效率评价指标进行分析鉴定，筛选结果受大田栽培下外界环境的影响较大。也有一部分学者采用水培的方式进行氮高效型小麦品种的筛选[20-22]，通过对供试小麦品种苗期相关的氮效率指标进行筛选鉴定。两者相比较，苗期筛选鉴定具有受外界环境干扰小、占用资源少、可重复较多等优势，且小麦苗期对氮素的高效吸收利用对小麦后期生长发育有着重要作用。因此本试验采用水培法对小麦苗期氮高效能力进行筛选评价，以更好地控制环境条件，可充分展示不同小麦基因型间的遗传学特性差异。

图3 两种氮处理下不同氮效率品种筛选指标差异Figure 3 Differences in main indexes of cultivars with different nitrogen efficiency under two N treatments

近年来，较多学者通过产量[16-17]或单一氮效率相关性状[18]对氮高效小麦品种进行评价筛选，但氮素对小麦生长发育的影响是多方面的，不同性状指标在表现小麦对氮素吸收和利用的响应度不一样，因此选用较少的指标很难准确反映小麦对氮素的吸收利用本领，对氮高效的评价应该选用多个指标进行综合评价。被广泛应用的综合评价方法有系统聚类分析法[23-24]和隶属函数法[25-26]。运用隶属函数法综合评价需要先选择合适的评价指标后计算其评价指标的权重值，而评价指标的筛选则是根据变异系数的大小。变异系数可以用来衡量小麦品种间单个指标的变异水平，是决定能否成为氮高效筛选指标的重要依据，简而言之一个指标的变异系数越大，则该指标计算出的权重就会越高。

据此，本研究选用隶属函数法和系统聚类分析法相结合的综合评价方法，选择在两种氮处理下变异系数最大的7个生理形态性状作为筛选指标，采用归一化法计算出7个筛选指标的权重值，而后将筛选指标测定值经隶属函数法规范化，与对应指标权重相乘计算出氮效率综合值，以氮效率综合值进行系统聚类分析筛选出氮高效小麦品种。这种隶属函数法和系统聚类分析2种综合评价方法相结合的筛选方法，在棉花[27]、水稻[28]和玉米[29]等农作物氮高效品种筛选的研究中广泛应用，科学合理，适合于本研究中多指标的筛选。

3.2 小麦苗期氮高效评价指标体系构建

关于氮高效品种和耐低氮品种的筛选研究较多，到目前为止在水稻[30]、玉米[31]、棉花[32]以及大豆[33]等农作物中均有相关研究报道。但不同研究者对氮高效品种的筛选仍没有统一的标准，没有一套直观、简单和快速筛选氮高效品种的指标体系，单一性状研究较多，指标体系构建较少。如前人研究表明可以通过小麦的一些形态和生理指标，直观简单快速的筛选出氮高效品种。以往研究表明小麦苗期根系地主要形态数量可作为评价氮高效的指标[34]，和氮低效型品种相比，氮高效型品种生长潜力更强，根系发达，根系总吸收面积较大[35-36]。氮高效小麦品种往往吸收更多的氮素，因为氮高效小麦品种的株高较矮[37]。田间栽培下的籽粒产量越高，水培条件下小麦的苗期干重则会越大，两者呈显著正相关关系[38]。与此同时，氮高效型小麦品种的干物质重量和氮素积累量较高[39]。且氮含量、SPAD和叶面积指数较高[40]。

本研究选取根部干重、茎叶干重、根冠比、叶面积、全氮积累量、叶绿素含量和根系面积7个在低氮和高氮条件下变异系数均大于20.5%的指标作为氮高效的评价指标。根系面积和根干重可判断其对氮素的吸收能力大小，氮素积累量是结果；叶面积和叶绿素含量可判断其光合能力大小，以上筛选指标共同决定了植株的生长发育的好坏和干物质的多少。且本研究选用7个筛选指标中的6个筛选指标与李强等[28]对耐低氮玉米品种筛选所选用的评价指标相同，4个筛选指标与杜保见等[21]对氮高效小麦品种筛选所选用的评价指标相同，可见所选用的评价指标具有科学性和代表性。

以筛选出不同氮效率类型小麦品种在7个筛选指标中规范值均值的变化来反证隶属函数法和系统聚类分析法的科学性。结果表明，7个筛选指标中除叶绿素含量和根冠比外的5个指标均可作为低氮胁迫下氮高效品种的评价指标，除根冠比其余6个筛选指标可作为高氮处理下氮高效品种的评价指标，由此可见本研究采用的隶属函数法和系统聚类分析法筛选出的结果与验证结果大部分相同，进一步反证了本试验所选用评价方法的可行性，证明了所选用筛选指标可作为氮高效小麦品种的评价指标体系。

3.3 供试小麦品种氮高效能力评价

本研究中，不同小麦品种在吸收利用氮素方面有明显的基因型差异，所测性状指标在不同小麦品种间均存在显著差异，这与前人的研究结果相同[40-42]。采用隶属函数法和系统聚类分析相结合的综合评价方法筛选出“云麦53”“川麦104”“西科麦8号”和“川麦81”是低氮高效型品种，“绵麦1419”“西科麦8号”等6个是高氮高效型品种。在低氮处理下氮高效型小麦品种“云麦53”等4个品种和高氮处理下氮低效型品种“云麦53”等7个品种，在农业生产中可种植在土壤贫瘠含氮量低的地区，也可合理减少氮肥的施用；而在低氮处理下氮低效型小麦品种“渝7”“繁6”等22个小麦品种和高氮处理下氮高效型小麦品种“绵麦1419”等6个品种，在农业生产中可种植在土壤含氮量高肥沃的地区，也可适量施用氮肥，以提高其氮效率。

在低氮处理下，根部干重和根系面积的均值随施氮量的增加而降低，表明在低氮胁迫下不同小麦品种为维持其正常生长发育，会优先发育根系，造成植株正常生长受阻，导致在低氮处理下根冠比的均值大于高氮处理，株高和叶面积的变异程度低于高氮处理。和氮低效小麦品种相比，氮高效小麦品种不管在低氮胁迫还是高氮处理下的均具有发达的根系系统和较高的地上部干重，使其具有强大的吸收能力和较高的氮素积累量，从而使氮高效小麦品种苗期表现出更强的生长势。小麦苗期健壮的幼苗和发达的根系是小麦高产的基础，氮高效小麦品种较氮低效品种苗期更加健壮为后期小麦的生长和优质高产打下了坚实基础，当然不同氮效率类型小麦品种后期的生长发育情况尚需进一步的大田研究。

4 结论

在低氮和高氮条件下，34个供试小麦品种所测10个性状指标均达到了极显著水平；除根部干重、根冠比和根系扫描面积的均值随施氮量的增加而降低外，其余7个指标的均值随施氮量的增加而提高。根部干重、茎叶干重、根冠比、叶面积、全氮积累量、叶绿素含量和扫描根系面积以上7个指标的变异系数均大于20.5%，存在较大差异，可选用以上7个指标作为筛选指标，同时建立了隶属函数法和系统聚类分析相结合的综合评价方法，筛选出“云麦53”“川麦104”“西科麦8号”和“川麦81”是低氮高效型品种，适合在次优氮环境种植，“绵麦1419”“西科麦8号”等6个是高氮高效型品种，适合在氮充裕环境种植。后以筛选出不同氮效率类型品种在7个筛选指标中规范值均值的变化和上述七个筛选指标相互验证，确定了叶面积、扫描根系面积、茎叶干重、全氮积累量和根部干重可作为低氮处理下氮高效小麦品种苗期筛选指标，茎叶干重、根部干重、扫描根系面积、叶面积、全氮积累量和叶绿素含量可作为高氮处理下氮高效小麦品种苗期筛选指标。