杂交中稻品种产量及其氮素利用效率的比较研究

徐富贤，蒋 鹏，孙永健，张巫军，曹厚明，张 林，冯泊润，杨从党，李 敏，曾正明，郭晓艺*

（1.四川省农业科学院水稻高粱研究所/农业农村部西南水稻生物学与遗传育种重点实验室，四川 德阳 618000；2.四川农业大学水稻研究所，成都 611130；3.重庆市农业科学院，重庆 401329；4.四川省内江市农业科学院，四川 内江 641000；5.四川省农业技术推广总站，成都 610041；6.云南省农业科学院粮食作物研究所，昆明 650200；7.贵州省农业科学院水稻研究所，贵阳 550006）

在我国人地矛盾日益突出的严峻形势下，粮食生产已成为各级政府首要任务，中央政府多次明确省长管米袋子的责任制。通过改良水稻品种、配套先进的栽培技术和加大生产投入，成为过去稳步提高水稻单产、保障粮食安全的关键措施。其中增加肥料特别是氮肥的投入就是有效方法之一[1-4]。据统计，2016年全球氮肥用量是1960年的8倍，平均每年以5%以上的速度递增；而水稻氮肥利用率则随着氮肥用量的增加明显下降[1,5]。氮肥利用率低引发能源浪费、环境污染和生产效益降低等问题[6]。2018年全国水稻种植面积3 018.9万hm2，总产21 213万t、单产7.03 t/hm2[7]，稻谷总产和单产均再创历史新高。我国西南稻区的四川、重庆、云南以及贵州4省（市），现有稻田面积460多万hm2，其中杂交中籼品种（组合）种植面积占85%以上，各地水稻生产高产典型层出不穷，产量普遍超过8.0 t/hm2，各代表性生态区超高产达10.5～15.0 t/hm2[8]，但无一不是通过肥料高投入下获得的。因此，在水稻高产前提下如何减肥增效是当前及今后很长时期内水稻栽培的热点课题之一。其中推广氮肥高效利用率新品种将是一条重要途径，以致各水稻育种单位都非常重视氮高效利用品种的选育工作，但在育种实践中缺乏氮素利用率的简易田间选择方法。为此，四川省农业科学院水稻高粱所、内江农业科学院和重庆农业科学院，先后利用水稻叶片齐穗期至成熟期叶绿素含量（SPAD值）衰减指数[5,9-10]作为鉴评氮素利用效率的方法，选择出的品种参加水稻区试审定了多个氮高效利用的品种。本研究为了验证该方法筛选氮高效利用率品种的可靠性，收集利用该方法审定的相关品种，进一步开展水稻品种产量及其氮素利用效率的比较研究，以期为大面积生产选择氮高效利用率品种提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计实施

试验于2021年在四川省农业科学院水稻高粱研究所泸县基地冬水田进行，稻田土质均匀，中上等肥力(表1)。以利用水稻叶片齐穗期和成熟期叶绿素含量（SPAD值）衰减指数作为鉴评方法初步筛选而审定的20个氮素利用率杂交中稻品种为材料(表2)，分为2个试验组。其中迟熟组品种14个（蓉18优1015、内6优1787、内优616、川绿优105、内6优103、内5优16、内7优317、内香优6478、渝红优8941、渝优8421、渝优965、渝优21、渝红优9、宜香2115），以宜香2115为对照（CK）；中熟组品种8个（德优6699、德优润禾、渝优8203、渝糯653、内香优1025、内香优1001、内香优1092、辐优838），以辐优838为对照（CK）。

表1 试验稻田土壤养分Table 1 Soil nutrients in paddy fields

表2 供试水稻品种与来源Table 2 Varieties and sources of tested rice

3月5日播种，地膜湿润培育中苗秧，4月16日移栽，按30 cm×20 cm规格，每穴栽双株(每个小区栽秧10行，每行25穴)。总施氮量150 kg/hm2，其中底肥70%，促花肥（倒4叶期）30%，磷钾肥按N∶P2O5∶KO2=1∶0.5∶1作为底肥1次性施用。小区面积13.34 m2，小区间和区组间走道分别为35、50 cm，3次重复，随机区组排列。其他田间管理按大面积生产技术实施。

1.2 考查项目

分别于水稻齐穗期和成熟期测各试验小区植株顶1、顶2、顶3和顶4叶的叶绿素含量（SPAD值）[10]，按常规方法成熟期各小区先调查20穴的平均有效穗数，再选择生长整齐一致的稻株按平均有效穗数取样地上部5穴按穗和茎叶分部位烘干，先在智能烘箱105℃高温下杀青30 min，然后在80℃恒温下烘干至恒重，并将样品送四川华标测检测技术有限公司，检测植株茎叶、稻谷含氮率。试验各小区均收小区实产，并按13.5%含水量折合标准干谷产量。按以下公式计算叶片SPAD值衰减指数、收获指数与氮素利用效率[11]：

SPAD值衰减指数=（齐穗期SPAD值-成熟期SPAD值）/齐穗期SPAD值×100%；注：此公式中各时期SPAD值为植株顶1、顶2、顶3和顶4叶测出的SPAD值均值。

收获指数=稻谷产量/地上部干物重；注：此“稻谷产量”为5穴干谷产量，“地上部干物重”为5穴地上部干物重；

氮肥偏生产力（kg/kg）=稻谷产量/施氮量；

氮素干物重生产效率(kg/kg)=地上部干物重/地上部植株吸氮量；注：“地上部植株吸氮量”为地上部植株茎叶和稻谷总含氮量，由四川华标测检测技术有限公司检测。

氮素稻谷生产效率(kg/kg)=稻谷产量/地上部植株吸氮量。

1.3 数据分析

在分别对各品种间的叶片叶绿素SPAD值计算所得的衰减指数、产量、干物重、收获指数、氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率和氮素稻谷生产效率进行方差分析基础上，基于3次重复的平均值数据，以SPAD值衰减指数、收获指数为自变量（X），分别以氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率、氮素稻谷生产效率为因变量（Y）进行回归与相关分析。所有计算由DPS 9.5数据处理系统和Micrisoft Excel 2007软件完成。

2 结果与分析

2.1 品种间叶片的叶绿素含量（SPAD值）及其衰减指数、产量与收获指数比较

试验结果（表3）表明，齐穗期和成熟期叶片的叶绿素含量（SPAD值）及其衰减指数在品种间分别达显著或极显著差异（F值2.87**～43.50**），其中各品种的SPAD值衰减指数均比对照品种显著增加14.22%～54.32%，即各品种的转色较对照好而有利于高产。

表3 品种间叶片叶绿素（SPAD值）及其衰减指数Table 3 Leaf SPAD value and its decay index among cultivars

由表4可见，杂交水稻品种间的产量、地上干物重和收获指数的差异均达极显著水平（迟熟组F值9.10**～42.45**，中熟组F值10.22**～34.81**）。在迟熟组中，产量和收获指数均比对照品种宜香2115显著提高，与宜香2115相比，各品种增产2.58%～8.51%，收获指数提高3.55%～8.40%；地上干物重仅蓉18优1015比宜香2115显著提高，其余品种则与比宜香2115相当或降低；产量表现较高的品种为内6优1787、内6优103，分别比对照增产6.85%和8.59%。在中熟组中，产量、地上干物重和收获指数均比对照品种辐优838显著提高，与辐优838相比，各品种增产5.43%～8.35%，地上干物重增加2.19%～6.55%，收获指数提高5.87%～10.59%；产量表现较高的品种为德优润禾、内香优1025和渝糯653，分别比对照增产8.35%、7.71%和7.52%。

表4 供试水稻品种间稻谷产量、干物重与收获指数比较Table 4 Comparison of yield，dry weight and harvest index among tested rice varieties

以上结果表明，中熟组各品种比对照（辐优838）的增产程度（5.43%～8.35%）高于迟熟组各品种比对照（宜香2115）的增产程度（2.58%～8.51%）。分析其因，可能与迟熟品种主要依靠收获指数的提高，而中熟品种则是与地上干物重和收获指数同时增加有关。

2.2 品种间氮素利用效率比较

从表5可知，品种间氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率和氮素稻谷生产效率分别达显著或极显著差异（迟熟组F值6.02**～50.35**，中熟组F值3.53**～17.40**）。在迟熟组中，各品种的氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率和氮素稻谷生产效率，分别比对照品种（宜香2115）显著提高2.59%～8.51%、6.86%～19.02%和11.10%～25.73%。其中氮素稻谷生产效率表现较高的内5优16、内6优103和内6优1787这3个品种，比对照提高24.85%～25.73%。

表5 供试水稻品种间氮素利用效率比较Table 5 Comparison of nitrogen use efficiency among test rice varieties kg·kg-1

在中熟组中，各品种的氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率和氮素稻谷生产效率，分别比对照品种（辐优838）提高6.42%～7.71%、3.80%～14.93%、5.62%～19.85%，除仅德优6699与对照品种（辐优838）地上干物重差异不显著外，其余均比对照显著提高。其中氮素稻谷生产效率表现较高的德优润禾、渝糯653和内香优1025这3个品种，比对照提高14.09%～19.85%。

2.3 供试水稻品种间氮素利用效率与收获指数的关系

以SPAD值衰减指数和收获指数为自变量（X），氮素利用效率为因变量（Y）回归分析结果（表6）表明，氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率、氮素稻谷生产效率分别与SPAD值衰减指数、收获指数呈显著或极显著正相关关系，以SPAD值衰减指数预测的决定程度为68.60%～88.50%，以收获指数预测的决定程度为50.20%～82.50%。因此，利用SPAD值衰减指数和收获指数进行氮高效利用品种的初步筛选是可行的。

表6 氮素利用率(Y)与SPAD值衰减指数和收获指数(X)间的回归分析Table 6 Regression analysis between nitrogen use efficiency(Y)and SPAD value attenuation index and harvest index(X)

3 讨论与结论

本研究表明，利用水稻叶片齐穗期和成熟期叶绿素含量（SPAD值）衰减指数作为鉴评方法，筛选的氮高效率品种参加区试而审定的20个杂交中稻品种中迟熟品种13个、中熟品种7个，与区试对照品种相比，产量、氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率和氮素稻谷生产效率，分别显著提高2.58%～8.35%、2.59%～8.51%、3.80%～19.02% 和 5.62%～25.73%，氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率、氮素稻谷生产效率分别与SPAD值衰减指数呈极显著正相关（0.828**～0.941**）。进一步证明利用SPAD值衰减指数[5,9-10]鉴评氮素利用率是完全可行的。20个审定品种中产量和氮素利用率较高的迟熟品种有内6优103、内6优1787，中熟品种为德优润禾、渝糯653和内香优1025。可作为大面积重点推广氮高效率品种。

氮高效利用水稻品种的鉴评方法包括传统的通过测植株干物重和含氮率的直接鉴定法[1,4]和通过测植株相关生理指标的间接鉴定方法[12-14]。难点在于必须在实验室分析完成或不能定量，直接应用于田间育种实践的可操作性不强，且在时效上十分滞后。本研究作者进一步创建了SPAD值衰减指数法[5,9-10]，适用于测试成型水稻品种。但育种工作中成百上千的中高代材料或品种的鉴评工作，尚需要更为简便的方法。本研究结果表明，氮肥偏生产力、氮素干物重生产效率、氮素稻谷生产效率分别与收获指数呈显著或极显著正相关关系，决定系数R2为50.20%～82.50%。因此，可将收获指数作为氮高效利用品种的初步筛选方法。