我國南方主推水稻品種氮效率篩選及評價

馮 洋， 陳海飛， 胡孝明， 周 衛， 徐芳森， 蔡紅梅*

(1 華中農業大學， 農業部長江中下游耕地保育重點實驗室， 湖北武漢 430070；2 黃岡師范學院化學與生命科學學院， 湖北黃岡 438000； 3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大田試驗土壤為水稻土，盆栽試驗土壤為黃棕壤。由兩種土壤的基礎理化性質(表2)可以看出，2012年大田土壤與2011年相比，有機質、全氮、速效磷、堿解氮和CEC都有所增加。盆栽試驗所用土壤的各項指標低于大田水稻土。

1.2 試驗設計

2011年大田試驗的34個水稻品種，按一季中稻種植。試驗設2個處理，低氮(N 60 kg/hm2，LN)和正常氮(N 180 kg/hm2，NN)，小區以行區設置，每品種每小區種植8行，每行10株，栽插密度26 cm × 13 cm，每處理3個重復。2012年大田試驗，以2011年大田試驗篩選出來的2個氮高效品種(廣兩優35和徽兩優6號)和3個氮低效品種(秀水134、五豐優7025和富稻2號)為研究材料，按一季中稻種植，試驗設2個處理，低氮(N 45 kg/hm2，LN)和正常氮(N 225 kg/hm2，NN)，小區以行區設置，每品種每小區種植12行，每行12株，栽插密度26 cm × 13 cm，每處理3個重復。磷、鉀肥用量相同，分別為P2O590 kg/hm2、 K2O 120 kg/hm2。氮肥所用肥料為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。磷、鉀肥均作基肥一次施入，氮肥按基 ∶蘗 ∶穗為40 ∶30 ∶30的比例施用。

表1 供試水稻品種

表2 試驗地土壤的理化性狀

2012年盆栽試驗，水稻品種為2011大田試驗篩選出來的2個氮高效品種(廣兩優35和徽兩優6號)和2個氮低效品種(秀水134和五豐優7025)。每個品種種植5盆(5個重復)，每盆種植5株，每盆裝土10 kg。試驗設低氮(N 0.05 g/kg土， LN)和正常氮(N 0.25 g/kg土，NN)兩個處理。磷肥用量為 P2O50.20 g/kg土，鉀肥用量為 K2O 0.20 g/kg土。磷、鉀肥均作基肥一次施入，氮肥40%作基施、 30%分蘗肥、 30%穗肥。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測產與考種 水稻成熟期從每個小區隨機取5株水稻作為考種材料，調查單株產量、穗數，每穗粒數、結實率和千粒重。然后將每個小區單打單收，田間直接測定產量； 取1 kg水稻籽粒樣品，烘干后計算含水量，再通過含水量折算出實際產量。盆栽試驗取每盆所有水稻進行考種，脫粒后直接稱重測產，再通過含水量折算出實際產量。

1.3.2 氮含量測定 植株樣品整株取樣裝網袋放入烘箱中于105℃殺青后，降溫至75℃烘干至恒重，粉碎，過20目篩。樣品經H2SO4-H2O2消煮后，定容，過濾，采用流動注射分析儀(FIAstar5000, Sweden)測定植株全氮含量。

1.3.4 數據處理 試驗數據采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 17.0數據處理系統進行統計分析。

計算公式為：

氮效率=低氮處理產量/正常氮處理產量

氮累積量=干物質量×含氮率×100%

理論產量=穗數×穗粒數×千粒重×結實率

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種不同氮處理下的產量及其氮效率

表3結果表明，不同水稻品種在低氮和正常氮條件下的籽粒產量和氮效率存在顯著性差異。在2011年大田試驗中，34個品種正常氮處理產量大多高于低氮處理的產量。通過對氮效率的分析發現，徽兩優6號、廣兩優35和天優華占3個品種具有較高的氮效率，分別達到1.11、1.02和1.00，因此選擇這三個品種作為氮高效品種進行后續試驗。而秀水134、富稻2號和五豐優7025的氮效率較低，分別為0.55、0.61和 0.61，選擇其作為氮低效品種作為后續試驗。 2012年大田和盆栽試驗獲得的結果一致(表4、表5)，由表4可知，實際產量和理論產量均表現出徽兩優6號和廣兩優35的產量和氮效率較高，秀水134、五豐優7025和富稻2號的氮效率較低。由表5可知，2012年盆栽與大田試驗呈現出一致的結果，但由于盆栽試驗土壤養分含量較低，總體產量和氮效率值偏低。經過兩年大田和盆栽試驗篩選，確定廣兩優35和秀水134分別作為氮高效材料和氮低效材料。

表3 2011年大田篩選各品種產量及其氮效率

2.2 不同水稻品種不同氮處理下產量構成因子

不同水稻品種產量構成因子有很大差異(表6、表7)，正常氮處理下，各構成因子大多高于低氮處理。表6顯示，不同品種干物質量在正常氮處理下，徽兩優6號和廣兩優35兩個品種較高，均達到120 g/plant；而在低氮處理下，同樣具有較高的干物質量，與產量法計算的氮效率結果一致。通過對氮高效品種和低效品種產量構成因子的分析發現，在低氮條件下，氮高效品種的穗數和穗粒數以及千粒重均較高。2012年的盆栽試驗(表7)中，正常氮條件下，氮高效品種廣兩優35在穗數，穗粒數和千粒重上均顯著高于其它3個品種，而高效品種徽兩優6號與另外兩個低效品種并無顯著差異；在低氮脅迫下，高效品種的每穗粒數和千粒重顯著高于其它兩個低效品種，廣兩優35在穗數上也高于低效品種。高效品種的結實率沒有顯著性差異。在2012年大田試驗中，在正常氮條件下，高效品種廣兩優35的穗數、千粒重均顯著高于低效品種，其它品種差異不顯著，甚至氮低效品種的穗粒數顯著高于高效品種；在低氮條件下，高效品種的產量構成因子均普遍高于低效品種，其中廣兩優35的穗數、穗粒數、千粒重以及結實率均高于或顯著高于其它3個品種。這也說明，氮高效品種在低氮條件下具有較高的氮素吸收利用效率，從而獲得較多的穗數，增加谷殼庫容量，并獲得較高的產量。

表4 2012年大田試驗水稻各品種產量及其氮效率

表5 2012年盆栽試驗水稻各品種產量及其氮效率

表6 2011年大田試驗各品種干物質量與產量構成因子

2.3 不同水稻品種各生育時期葉片的SPAD值

表8和表9結果表明，不同品種正常氮處理的葉片SPAD值均顯著高于低氮處理。而葉片SPAD值隨著水稻生育期的推進呈現先升高后降低的趨勢。表8顯示，2012年大田試驗中，低氮處理下氮高效品種在同一生育時期其SPAD值普遍高于或者顯著高于低效品種。在正常氮條件下，徽兩優6號的SPAD值顯著高于低效品種，高效品種廣兩優35與低效品種秀水134并無顯著性差異。2012年盆栽試驗中，正常氮處理下，高效品種葉片SPAD值略高于低效品種；表8中，在低氮處理下，廣兩優35和徽兩優6號兩個高效品種的SPAD值高于或顯著高于五豐優7025和秀水134兩個低效品種。由表9可以看出，2012年盆栽試驗與大田試驗的結果基本一致，盆栽試驗同一時期，同一處理的SPAD值低于大田試驗。

表7 2012年大田與盆栽試驗各品種產量構成因子

表8 2012年大田實驗篩選不同水稻品種各生育時期葉片SPAD值

表9 2012年盆栽實驗篩選不同水稻品種各生育時期葉片SPAD值

2.4 不同水稻品種各時期地上部氮累積量

表10結果表明，同一水稻品種，相同處理的不同時期的氮素累積量隨著水稻生育期的推進不斷增加。在正常氮處理下，不同生育期，高效品種與低效品種間，普遍沒有顯著性差異，僅低效品種秀水134，顯著低于其它幾個品種；而在低氮處理下，在分蘗期，高效品種與低效品種并無顯著性差異，甚至高效品種徽兩優6號氮素累積量還要低于低效品種；但在灌漿期和成熟期，兩個高效品種的氮素累積量高于或顯著高于低效品種。這表明在低氮處理下，在水稻生育期前期，氮高效品種與氮低效品種相比并沒有顯著的氮素吸收利用優勢；但是在水稻生育期后期，氮高效品種表現出較高的氮素累積優勢。

表10 2012年大田試驗不同水稻品種地上部氮累積量(mg/plant)

3 討論與結論

水稻利用氮素的效率包括氮吸收效率(N uptake efficiency)和氮利用效率(N utilization efficiency)[12]。其中，植物氮吸收量 與供氮量之比為氮吸收效率；而谷粒產量與氮吸收量之比為氮素利用效率[13]。根據現有的研究，氮素利用效率的篩選宜采用苗期和全生育期相結合的方法。苗期水稻氮高效的篩選應將缺氮和正常氮下的比值，即相對指標，如相對干物重、相對SPAD值和相對分蘗數3個指標結合起來考慮，以減少單一指標鑒定可能帶來的誤差。全生育期水稻氮高效以谷粒產量、地上部干物質量和單株分蘗數作為篩選指標是可行的[14]。曾健敏等研究表明，全生育期鑒定是在篩選的基礎上對氮高效基因型做出準確判斷(未發表)。在水稻分蘗期，以相對分蘗率作為指標，并結合SPAD值，相對簡單，但是有時候不是很可靠。例如本試驗中低效品種秀水134雖然在各生育期SPAD值均高于或顯著高于氮高效品種，但是氮效率值很低，干物質量和產量也不高。雖然干物重也能區分不同基因型的差異，但由于其受不同材料和生育期以及其它因素的影響，而且種植水稻最終的目標是產量，因此，同樣考慮和產量構成因素有關的指標比較可靠。在收獲期，經濟產量能綜合反映不同水稻品種對氮的吸收、利用和轉運效率的差異，且生產中操作簡單，同時可以避免不同材料本身遺傳背景的差異。綜上所述，本試驗以產量作為篩選指標，對各水稻品種進行了全生育期篩選。

SPAD測定儀是近年來歐美一些國家在田間施用氮肥中推薦使用的一種新型便攜式測定儀器, 可快速、簡便、無損地測定植物葉片的葉綠素相對含量，進而反映作物的氮營養狀況[22]。由于葉片氮素含量與光合速率及干物質生長密切相關，因此在一個生長季內，葉片氮素含量可以較靈敏地反映作物對氮的需求動態，葉片氮含量對生物產量的貢獻很大，葉片氮含量和水稻單葉光合速率呈正相關[23]。葉片氮通過葉面積大小影響群體光合作用效率。植物氮含量高可延緩葉片衰老，延長光合作用時間[24]。本試驗通過測定水稻高效品種和低效品種不同時期的SPAD值(表8、表9)，發現在水稻生育前期，低氮條件下，高效品種并沒有太大的葉片氮積累優勢。但是在穗分化期之后，高效品種的氮積累優勢才顯示出來，兩個高效品種的葉片SPAD值要顯著高于低效品種。由表10可看出，不同時期氮素累積量也呈現與葉片SPAD值相同的結果。在低氮脅迫下，高效品種在分蘗期和穗分化期的氮素累積量與低效品種并無顯著性差異，甚至高效品種徽兩優6號在分蘗期還要低于低效品種(表10)。但是灌漿期后，高效品種氮素累積量顯著高于低效品種，這也表明不同水稻品種在水稻生育前期吸收利用效率差異不顯著，但是在后期高效品種具有更強的利用效率，從而能夠促進氮素向籽粒的轉移，增大庫容量，促進灌漿，進而提高產量。

本研究中34個供試水稻品種均為我國南方的主推水稻品種，篩選的目的是篩選在南方中、低產田下種植氮效率較高的品種。不同品種的生育期有長有短，適宜栽培環境也不盡相同，這都不影響對適宜于中、低產水稻田的水稻品種氮效率的評價。但如果推廣應用，應該在該品種的主推地區做進一步驗證。在施肥設計上，2011年試驗的正常氮處理是根據對試驗地農民往年施肥量的調查而設置的，而低氮處理按照低氮和正常氮的比例為1 ∶3設定的。試驗結果中出現個別品種氮效率大于1，可能的原因有兩個：一方面是因為低氮處理的水稻田靠近保護行，在施肥的時候可能出現竄水竄肥，導致其實際氮素投入量增多；另一方面可能是因為氮高效品種本身有較高的氮素吸收利用能力。2012年的試驗，根據2011年的試驗結果(表3)，天優華占、巴利拉以及皖稻153雖然氮效率均高于Q優6號，但籽粒產量卻遠低于后者。所以我們考慮到是否是有些品種需要的適宜施氮量較高，而低氮脅迫的程度較低？另外一方面是在2012年的方案中，增加了正常氮處理，設定為N 225 kg/hm2，并且以正常氮 ∶低氮為5 ∶1，降低低氮施氮量，加強氮素脅迫，從而繼續進行篩選。此外，與2011年相比，2012年試驗地基礎土壤理化性質中有機質等部分指標含量有所提高，可能是由于在水稻收割后，留在水稻田中的秸稈以及部分收獲秸稈留在田間腐熟所致。

通過對大田與盆栽試驗高、低效品種產量及其構成因子、地上部氮素累積量的分析發現，高效品種比低效品種具有較高的氮素利用效率。從表6和表7可以看出，與低效品種相比，高效品種具有較高的穗數和穗粒數。穗數與穗粒數的乘積就是總穎花數，而水稻群體質量和產量均與總穎花數密切相關。高效品種地上部氮素累積量顯著高于低效品種(表10)，是因為高效品種具有更強的氮素吸收能力，可促進其自身的營養生長和發育。綜上所述，高效品種不僅具有較強的氮素吸收能力，同時也具有較高的氮素利用效率，這也是高效品種在產量上明顯優于低效品種的主要原因。

本研究通過對南方主推品種進行氮效率篩選，通過在低氮條件下不同水稻品種產量及其產量構成因素等指標，篩選出氮高效品種和低效品種各一個，并將繼續開展試驗，探索高、低效品種的基因型差異，從而為水稻氮高效品種的育種打好基礎。氮素吸收和利用是十分復雜的生物學過程，盡管前人做了很多研究，但需要解決的問題還有很多，如氮素利用效率的遺傳規律，高效利用氮素的生理機制等等。我們將在現有的基礎上進一步探索。

參考文獻:

[1] 申建波, 張福鎖, 水稻養分資源綜合管理理論與實踐[M]. 北京:中國農業大學出版社, 2006. 236-263.

Shen J B, Zhang F S. Theory and practice of nutrient resources management in rice[M]. Beijing:China Agricultural University Press, 2006. 236-263.

[2] 彭少兵, 黃見良, Roland Buresh, 等. 提高中國稻田氮肥利用率的研究策略[J]. 中國農業科學, 2002, 35(9):1095-1103.

Peng S B, Huang J L, Buresh Retal. Research strategy in improving fertilizer-nitrogen efficiency of irrigated rice in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(9):1095-1103.

[3] 樸鐘澤, 韓龍植, 高熙宗. 水稻不同基因型氮素利用效率差異[J]. 中國水稻科學, 2003, 17(3):233-238.

Piao Z Z, Han L Z, Gao X Z. Variations of nitrogen use efficiency by rice genotype[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2003, 17(3):233-238.

[4] Bohlool B B, Ladha J K, Garrity D Petal. Biological nitrogen fixation for sustainable agriculture:A perspective[J]. Plant and Soil, 1992, 141:1-11.

[5] Broadbent F E, De Datta S K, Laureles E V. Measurement of nitrogen efficiency in rice genotypes[J]. Agronomy Journal, 1987, 79:786-791.

[6] De Datta S K, Brodbent F E. Methodology for evaluating nitrogen efficiency by rice genotypes[J]. Agronomy Journal, 1988, 80:793-798.

[7] Guindo D, Wells B R, Norman R J. Cultivars and nitrogen rate influence on nitrogen uptake and partitioning in rice[J]. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58(3):840-849.

[8] Wu P, Tao Q N. Genotype response and selection pressure on nitrogen efficiency in rice under different nitrogen regimes[J]. Journal of Plant Nutrition, 1995, 18(3):487-500.

[9] 江立庚, 戴廷波, 韋善清, 等. 南方水稻氮素吸收與利用效率的基因型差異及評價[J]. 植物生態學報, 2003, 27(4):466-471.

Jiang L G, Dai T B, Wei S Qetal. Genotypic differences and evaluation in nitrogen uptake and utilization efficiency in rice[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2003, 27(4):466-471.

[10] Ladha J K, Kirk G J D, Bennett Jetal. Opportunities for increased nitrogen-efficiency from improved lowland rice germplasm[J]. Field Crops Research, 1988, 56:41-71.

[11] 阮新民, 施伏芝, 羅志祥, 等. 水稻苗期氮高效品種評價和篩選的初步研究[J]. 中國稻米, 2010, 16(2):22-25.

Ruan X M, Shi F Z, Luo Z Xetal. A preliminary study on the evaluation and screening of rice varieties with high nitrogen efficiency at seedling stage[J]. Chinese Rice, 2010, 16(2):22-25.

[12] 崔士友, 繆亞梅, 史傳懷, 等. 氮高效水稻育種研究與展望[J]. 中國農業科技導報, 2006, 8(6):47-51.

Cui S Y, Miao Y M, Shi C Hetal. Research and prospects of breeding for nitrogen efficiency in rice[J]. Review of China Agricultural Science and Technology, 2006, 8(6):47-51.

[13] 鄭家奎, 文春陽, 張濤, 等. 耐低氮水稻材料篩選及篩選指標研究[J]. 安徽農業科學, 2009, 37(16):7361-7363, 7377.

Zheng J K, Wen C Y, Zhang Tetal. Studies on the screening index for low nitrogen tolerant rice and its selection[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2009, 37(16):7361-7363, 7377.

[14] Ying J, Peng S, Yang Getal. Comparison of high yield rice in tropical and subtropical environments:II. Nitrogen accumulation and utilization efficiency[J]. Field Crops Research, 1998, 57:85-93.

[15] 李熙英, 呂龍石, 李桂花, 等. 氮磷鉀不同施肥量對水稻產量構成因素的影響[J]. 延邊大學農學學報, 1996, 25(3):260-265.

Li X Y, Lv L S, Li G Hetal. Effect of different amount of NPK fertilizer on component of rice yield[J]. Journal of Agricultural Science of Yanbian University, 1996, 25(3):260-265.

[16] 楊惠杰, 李義珍, 楊仁崔, 等. 超高產水稻的干物質生產特性研究[J]. 中國水稻科學, 2001, 15(4):265-270.

Yang H J, Li Y Z, Yang R Cetal. Dry matter production characteristics of super high yielding rice[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2001，15(4):265-270.

[17] 張岳芳, 王余龍, 陳培峰, 等. 不同氮素累積量類型的秈稻品種物質生產與分配特點[J]. 江蘇農業學報, 2007, 23(5):385-390.

Zhang Y F, Wang Y L, Chen P Fetal. Dry matter accumulation and distribution in different nitrogen accumulation types ofIndicarice[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2007, 23(5):385-390.

[18] 石慶華, 徐益群, 張佩蓮, 等.秈粳雜交稻的氮素吸收特性及其對庫源特征的影響[J]. 江西農業大學學報, 1994, 16(4):333-339.

Shi Q H, Xu Y Q, Zhang P Letal. Effect of N uptake on sink and source ofIndica-JaponicaF1hybrid rice[J]. Acta Agricultural Universities Jiangxiensis, 1994, 16(4):333-339.

[19] 李木英, 石慶華, 譚雪明. 水稻根系營養吸收特性及其與干物質生產和稻米品種關系的研究[J]. 江西農業大學學報, 1996, 18(4):376-382.

Li M Y, Shi Q H, Tan X M. Studies on the relationship between the characteristics of nutrition uptake of rice roots and the dry matter production, grain yield and grain quality[J]. Acta Agricultural Universities Jiangxiensis, 1996, 18(4):376-382.

[20] 黃見良, 李合松, 李建輝, 等. 不同雜交水稻吸氮特性與物質生產的關系[J]. 核農學報, 1998, 12(2):89-94.

Huang J L, Li H S, Li J Hetal. Relation between N absorption characteristic and dry matter production for various hybrid rice[J]. Acta Agricultural Nucleatae Sinica, 1998, 12(2):89-94.

[21] Ntanos D A, Koutroub S D. Dry matter and N accumulation and translocation forIndicaandJaponicarice under mediterranean conditions[J]. Field Crops Research, 2002, 74:93-100.

[22] 劉志軍, 桑大志, 劉翠蓮, 等. 實時實地氮肥管理對水稻產量和氮素利用率的影響[J]. 中國農業科學, 2003, 36 (12):1456-1461.

Liu Z J, Sang D Z, Liu C Letal. Effects of real-time and site-specific nitrogen managements on rice yield and nitrogen efficiency[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(12):1456-1461.

[23] Peng S B, Cassman K G, Kropff M J. Relationship between leaf photosynthesis and nitrogen content of field-grown rice in the tropics[J]. Crop Science, 1995, 35:1627-1630.

[24] Makino A, Mae T, Ohira K. Changes in photosynthetic capacity in rice leaves from emergence through senescence. Analysis from ribulose-1, 5-biphosphate carboxylase and leaf conductance[J]. Plant and Cell Physiology, 1984, 25:511-521.