砂姜黑土区花生氮高效种质资源筛选研究

姜 涛倪皖莉*朱晓峰王 嵩夏利娟谢明惠任学祥

(1.安徽省农业科学院作物研究所/安徽省农作物品质改良重点实验室,安徽 合肥 230031;2.安徽省临泉县城关街道办农业综合服务站,安徽 临泉 236400;3.安徽省农业科学院植物保护与农产品质量安全研究所,安徽 合肥 230031)

氮作为植物生长发育所必需的大量元素,是植物组织中蛋白质、核酸、叶绿素等有机大分子的组成成分[1],也是花生生长发育所必需大量营养元素之一,与花生生理代谢、产量和品质等密切相关[2]。中国是世界上氮肥施用量最高的国家之一,农民为提高作物产量而过量增加氮肥施用量[3-4]。据统计,世界上氮肥使用占每年肥料消耗的60%左右,而我国每年氮肥施用量超过0.26亿t,但是氮肥当季利用率仅为35%左右,远低于世界平均水平[5-6]。氮肥施入过量,不仅造成资源浪费,增加农业生产成本,而且氮素的流失和淋溶导致地下水体污染和湖泊富营养化,对生态环境和农业可持续发展构成一定的威胁[7-9]。因此,提高作物氮肥利用率对中国农业可持续发展具有重要意义[10]。筛选和培育氮高效品种是提高氮肥利用率的有效途径之一[11-13]。对作物而言,氮效率是以产量为终极目标的[14],氮高效品种可在特定施氮水平下获得高产[15]。

花生是我国重要的油料作物和经济作物之一,安徽省花生常年种植面积约20万hm2,是全国重要的花生生产区域之一[16],其中70%以上的花生种植在淮北平原砂姜黑土中低产田地区[17],目前有关砂姜黑土区花生氮高效品种的相关研究鲜有报道。本试验以春播花生为研究对象,通过田间试验,从花生种质资源中筛选适应砂姜黑土区的氮高效利用基因型花生品种,以期为花生氮肥减施增效、氮高效育种及遗传改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在安徽省固镇县良种繁殖场进行。项目区位于淮北平原,地处亚热带和暖温带的过渡地带,暖温带半湿润气候,兼有南北方过渡类型的气候特点。年平均气温14.9℃,多年平均降水量为872.7 mm,雨量年际变化大,降水年内分配不均。年平均无霜期215 d,日照2 170 h。

供试土壤为砂姜黑土,耕层0～20 cm 基础养分含量:有机质16.74 g/kg,p H 6.44,全氮1.12 g/kg,碱解氮53.8 mg/kg,速效钾(K)166.5 mg/kg,速效磷(P)19.7 mg/kg。春播地块。

1.2 试验设计

供试品种见表1,采用大田试验,设高氮(high nitrogen,HN:300 kg/hm2)、中氮(medium nitrogen,MN:150 kg/hm2)、低氮(low nitrogen,LN:60 kg/hm2)三个施氮水平,裂区设计,氮肥为主处理,不同基因型花生品种为副处理。磷、钾肥(P2O5、K2O)施用量分别为105 kg/hm2、105 kg/hm2。氮、磷、钾肥分别使用尿素(46%N)、过磷酸钙(12%P2O5)、氯化钾(60%K2O),所有肥料于整地前作为基肥一次性施入。小区面积为10.2 m2(4.0 m×2.55 m),2次重复。4月26日机械起垄,人工播种,垄距85 cm,垄上播2行,行距25 cm,播种密度15万穴·hm-2,每穴播种2粒。播种前1 d用30%辛硫磷微胶囊悬浮剂及多菌灵拌种,播种后即打封闭(乙草胺)。5月10日出苗,9月3日收获。生育期按常规大田管理。

表1 供试花生种质资源Table 1 Peanut germplasm resources used for the experiment

1.3 性状测定

于9月3日每小区选取5个典型穴,每穴2株,进行株高、侧枝长、分枝数、结果枝数、单株饱果数、单株总果数性状的调查,晒干后进行百果质量、百仁质量的考察,并称量5穴干果质量,计算单株生产力。9月3日各小区实收测产,记录测产株数,晒干后称量测产区域的荚果质量,折合单产。氮肥偏生产力(PFPN,kg/kg),指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量,即PFPN=Y/F(Y 为施氮后所获得的籽粒产量,F代表氮肥的投入量)。

1.4 数据分析

运用Excel进行数据计算及作图,SPSS数据处理系统进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下花生主要农艺性状的表型差异

不同花生品种对氮素的吸收利用过程不尽相同,在氮素的吸收利用过程中每个品种都具有一定的优势性状。表2可见,高氮处理下参试花生主要农艺性状的表型值大于中氮处理和低氮处理。参试品种的主要农艺性状的变异系数在高氮水平下变化范围为4.82%～25.09%,其大小顺序依次为:单株饱果数＞单株生产力＞单株分枝数＞侧枝长＞百果质量＞主茎高＞百仁质量＞出仁率;在中氮水平下变异系数为5.49%～24.92%,其大小顺序依次为:单株生产力＞单株饱果数＞单株分枝数＞百仁质量＞百果质量＞侧枝长＞主茎高＞出仁率;在低氮水平下变异系数为4.93%～32.70%,其大小顺序依次为:单株饱果数＞单株生产力＞单株分枝数＞百仁质量＞主茎高＞侧枝长＞百果质量＞出仁率。在三个施氮水平中,单株生产力和单株饱果数两个性状表型值的变异系数相对于其他性状的变异系数都是较高的。变异程度是衡量筛选指标是否适宜的重要依据,变异程度越大,说明该性状指标越有利于基因型差异的显示[18]。

表2 三个施氮水平下参试品种主要农艺性状的表型差异Table 2 Variance of the main agronomical characters of the tested varieties under three levels of N supply

2.2 不同施氮水平下花生产量差异性变化

养分效率的定义为单位养分投入量条件下的作物产量,而养分高效品种是指在特定的养分供应条件下产量较高的品种[19]。

花生氮高效种质资源是在施用同样数量的氮肥条件下,能获得较高生物产量或经济产量的品种。参照张亚丽[20]的方法,本试验以所有参试品种产量的平均值为评价标准,参试品种产量高于平均值的则认为是氮高效品种。由表3可知,在低氮水平下的氮高效品种编号有:PZ-002、PZ-007、PZ-008、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-015、PZ-018、PZ-019、PZ-020、PZ-022共11个品种;在中氮水平下的氮高效品种编号有:PZ-002、PZ-006、PZ-007、PZ-008、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-014、PZ-017、PZ-018、PZ-020、PZ-022共12个品种;在高氮水平下的氮高效品种编号有:PZ-002、PZ-003、PZ-007、PZ-008、PZ-009、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-017、PZ-018、PZ-019、PZ-020、PZ-022共13个品种。不同氮肥处理条件下参试品种间产量差异显著。

表3 三个施氮水平下参试品种产量情况Table 3 Yield of the tested varieties under three levels of N supply

三组不同施氮水平下,品种产量以中氮处理的平均产量最高,大小顺序为中氮处理＞高氮处理＞低氮处理。在不同氮水平处理下,品种产量较各组产量平均值增幅10%以上的品种编号分别为:低氮水平处理中有PZ-008 增幅10.90%、PZ-010增幅16.90%和PZ-013增幅16.05%;中氮水平处理中有PZ-010增幅22.15%、PZ-011增幅10.40%、PZ-013增幅17.77%、PZ-020增幅14.50%和PZ-022增幅12.58%;高氮水平处理中有PZ-003增幅10.10%、PZ-008增幅10.93%、PZ-017增幅16.18%、PZ-020增幅23.93%和PZ-022增幅27.25%。

2.3 不同施氮水平下花生氮肥偏生产力差异性变化

肥料偏生产力(partial fertilizer productivity,PFP)指单位投入的肥料所能生产作物的产量,是反应土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的指标,在一定程度反映了生产一定产品需要付出的化肥代价,对施肥的宏观决策有一定指导意义[21]。

表4可见,不同施氮水平下,高氮处理所有参试品种氮肥偏生产力(partial factor productivity of nitrogen,PFPN)均值23.64,中氮处理PFPN 均值47.86,低氮处理PFPN 均值114.39,PFPN 大小顺序为:低氮处理＞中氮处理＞高氮处理,不同氮肥处理条件下参试品种间PFPN差异显著。

表4 三个施氮水平下参试品种氮肥偏生产力情况Table 4 PFPN of the tested varieties under three levels of N supply

2.4 氮高效花生品种资源筛选鉴定

根据以上分析,以所有参试品种荚果产量平均值作为氮效率分类基准,将参试的所有氮高效品种划分为三种类型:(一)三高效型:这类品种在高、中、低氮水平下的荚果产量均高于供试品种的荚果产量平均值,主要品种编号有PZ-002、PZ-007、PZ-008、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-018、PZ-020、PZ-022;(二)高氮、中氮双高效型,这类品种在高、中水平下的荚果产量均高于供试品种的荚果产量平均值,主要品种编号有PZ-017;(三)单高效型:①高氮高效型,这类品种仅在高氮水平下的荚果产量高于供试品种的荚果产量平均值,主要品种编号有PZ-003、PZ-009、PZ-019;②中氮高效型,这类品种仅在中氮水平下的荚果产量高于供试品种的荚果产量平均值,主要品种编号有PZ-014;③低氮高效型,这类品种仅在低氮水平下的荚果产量高于供试品种的荚果产量平均值,主要品种编号有PZ-015。

3 结论与讨论

氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素及某些维生素和生长激素的重要组分,对最终产量的贡献达到40%～50%[22-23],是作物生长代谢的关键影响因子[24]。生产实践中,作物高产与氮肥高效利用的矛盾仍然未能得到很好协调,而提高作物氮肥利用率,筛选和培育氮高效品种是解决问题的有效途径之一[11-13]。氮肥利用率常用氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力来表示,他们从不同的侧面描述了作物对氮肥的利用效率[25]。有研究表明氮肥偏生产力随氮肥施用量的增加呈降低趋势[26-27],本试验也得到同样结论,随着氮肥用量的增加氮肥偏生产力逐渐降低,其中高氮水平下氮肥偏生产力最高值是最低值的2.04倍,中氮水平下最高值是最低值的1.70倍,而低氮水平下为1.69倍,说明各施氮水平下不同品种间氮肥偏生产力差异显著,有利于氮高效品种的筛选。

作物养分效率的实质是单位养分供应条件下的作物产量[19],而籽粒作物通常以成熟期的生物量或产量作为筛选氮高效的指标[28]。前人做了很多关于小麦[29]、水稻[30-31]、玉米[32]、油菜[33]等作物氮高效品种筛选方面的研究,本试验总结前人的研究经验,以所有参试花生品种在同一氮肥水平下的产量平均值作为氮高效筛选指标,在相同氮肥水平下产量超过平均值的品种被认为是氮高效品种,进而筛选出了三高效、双高效及单高效三种类型的氮高效花生品种共12个。

作物产量和氮肥利用效率受到品种特性、栽培管理、环境条件等多方面因素的影响。本试验是对砂姜黑土区花生氮高效品种的初步筛选,下一步将增加筛选品种数量,并用前期筛选出的氮高效利用花生品种研究其氮素积累、吸收利用等生理生化特性,解析氮肥髙效利用机理,提出可行的协同提高花生产量和氮肥利用效率的品种筛选及调控措施,为花生育种、合理施用氮肥及提高氮肥利用效率提供理论依据。