不同小麦品种产量和氮素吸收利用的差异

王晓婧，代兴龙，马 鑫，董述鑫，张 秀，初金鹏，贺明荣

(作物生物学国家重点实验室/农业部作物生理生态与耕作重点实验室/山东农业大学农学院，山东泰安 271018)

不同小麦品种产量和氮素吸收利用的差异

王晓婧，代兴龙，马 鑫，董述鑫，张 秀，初金鹏，贺明荣

(作物生物学国家重点实验室/农业部作物生理生态与耕作重点实验室/山东农业大学农学院，山东泰安 271018)

为明确不同氮肥水平下不同小麦品种产量、氮素吸收和利用的差异，在大田条件下，以山东省主推的21个小麦品种为材料，研究了0、120、180、240和300 kg·hm-2共5个氮肥水平下不同小麦品种的产量、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素利用效率等指标。结果表明，氮肥、品种及两者的互作效应显著影响冬小麦籽粒产量、氮素利用率、氮素吸收效率和利用效率；氮肥水平不同则品种间的氮效率差异程度不同。大部分供试品种的氮效率类型在不同氮肥水平下的聚类结果不一致，仅临麦4号、鲁原502、泰山28和山农25在各氮肥水平下的产量、氮素利用率均较高，可划为氮高效品种。氮高效品种达到高氮效率的途径不同，临麦4号通过高氮素吸收效率、泰山28通过高氮素利用效率、鲁原502和山农25通过氮素吸收效率和利用效率共同作用实现氮高效。由此可知，应在不同氮肥水平下对冬小麦品种进行产量和氮素利用率的综合评价，以筛选出适应不同地力环境的品种和与品种特性相适应的施肥技术；在氮高效品种的选育和推广中，应针对不同小麦品种的氮素吸收和利用特性进行鉴别和调控，才能最大程度挖掘和利用其高产、高效潜力，实现增产增效。

小麦；氮素利用率；产量；氮素吸收效率；氮素利用效率

氮素是作物生长发育所需的重要营养元素，合理施用氮肥对小麦获得高产至关重要[1-2]。我国小麦生产面临着氮肥施用过量、增肥不增产、氮素利用率低等问题[3-5]。这不仅提高了农业生产成本，也容易因为地表径流而导致水体富营养化、土壤硝态氮含量超标等环境问题[6-7]。合理施肥、提高氮素利用率对冬小麦生产具有重要意义。

不同小麦品种的产量和氮素利用率存在着显著的基因型差异[8-9]。筛选和培育氮高效型小麦品种，挖掘氮高效品种的氮素吸收和利用潜力，是提高小麦氮效率的主要研究方向[10-11]。孙传范等[12]研究表明，在相同氮肥水平下，不同小麦品种的氮吸收效率受环境影响较小，而品种间差异较大，即基因型效应显著。李淑文等[13]研究表明，在缺氮条件下，供试小麦品种可划分为氮高效、中效和低效三种类型，不同氮效率品种在缺氮条件下的氮效率参数具有显著差异，氮高效小麦品种具有相对较高的籽粒产量形成能力和氮效率。前人虽对不同品种的氮效率进行了比较与筛选，但多仅限于同一氮肥水平或缺氮、丰氮肥水平，较少在多个氮肥水平下，从氮素的吸收和利用两个方面分析不同冬小麦品种的氮素利用特性。本试验以山东省主推的21个小麦品种为供试材料，在大田条件下，研究不同小麦品种在5个氮肥水平下的产量及氮素吸收、利用的差异，以期明确不同小麦品种的产量和氮素吸收利用特性，为小麦氮高效品种的选育、推广和栽培技术创新提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2015-2016年在山东农业大学农学实验站进行。供试材料为山东省主推的21个小麦品种，其中，大穗型品种9个(汶农5号、泰农18、临麦4号、汶农6号、山农23、烟农999、泰山24、鲁原502、洲元9369)，中穗型品种12个(泰山28、济麦22、山农29、山农28、山农22、良星99、1275品系、山农25、烟农19、济麦20、济南17、藁城8901)。设0、120、180、240、300 kg·hm-2共5个氮肥水平，分别用N0、N120、N180、N240、N300表示，试验处理共计105个。大田试验采取裂区设计，以氮肥水平为主因素，品种为副因素，三次重复，小区面积21 m2。播种方式同本课题组前期研究[14]，大穗型、中穗型品种种植密度分别为375、225万株·hm-2，行距为25 cm。所用氮、磷、钾肥分别为尿素(含氮46%)、过磷酸钙(含P2O510%)、氯化钾(含K2O 60%)。各小区磷、钾肥施用量均为120 kg·hm-2，作为基肥施用。氮肥基追比为4:6，追肥时期为拔节期。播前土壤0～1.00 m无机态氮积累量为107.63 kg·hm-2，0～20 cm土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为12.07 g·kg-1、1.37 g·kg-1、84.17 mg·kg-1、27.77 mg·kg-1、86.42 mg·kg-1。其他田间管理同当地高产麦田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤无机态氮含量的测定

播前按20 cm为一层分5层取0～1.00 m土层土样，置于自封袋中，于-20 ℃冰冻保存。测定时将土壤样品解冻、混匀，称12 g，加入50 mL 1 mol·L-1的KCl溶液，振荡30 min，过滤取浸提液。采用连续流动分析仪测定提取液硝态氮、铵态氮含量，并计算土壤供氮量。

1.2.2 产量及其构成因素的测定

每小区于成熟期取长势均匀一致区域1.5 m2进行单位面积穗数调查，同时取30个单穗进行穗粒数调查。成熟期在长势均匀的区域划定3 m2进行人工收割、脱粒，自然风干后称重。计算单位面积籽粒产量，并进行千粒重调查。

1.2.3 植株氮积累量的测定

每小区于成熟期取30个单茎，分为茎、叶、籽粒、颖壳+穗轴共4个器官，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干后称重。不同器官样品用微型植物粉碎机粉碎，过100目筛，采用半微量凯氏定氮法测定各器官含氮量，并计算地上部氮素积累量。

1.2.4 指标计算方法

供氮量=施氮量+播前0～1.00 m土层土壤硝态氮和铵态氮积累量

氮素利用率(nitrogen use efficiency,NUE)= 籽粒产量/供氮量

氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency,UPE)= 成熟期地上部氮素积累量/供氮量×100%

氮素利用效率(nitrogen utilization efficiency,UTE)= 籽粒产量/地上部氮素积累量

1.3 数据处理

采用EXCEL 2007和DPS 7.05进行数据统计与分析，运用离差平方和法，分别对不同氮肥水平下供试小麦品种的籽粒产量等相关指标进行聚类分析；采用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1不同氮肥水平下供试品种籽粒产量和氮效率相关指标的方差分析

方差分析结果(表1)表明，品种、氮肥水平及两者的互作效应对小麦籽粒产量、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素利用效率的影响均达到极显著水平(P<0.01)，表明氮肥水平和品种显著影响冬小麦籽粒产量和氮素的吸收、利用，且在不同氮肥水平下品种间的表现不一致。

表1 品种和氮肥水平对籽粒产量、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素利用效率的方差分析Table 1 Variance analysis of grain yield,NUE,UPE and UTE affected by varieties and nitrogen levels

**:P<0.01

表2 各氮肥水平下不同小麦品种的籽粒产量及聚类分析结果

数据后H、M和L分别表示高产、中产和低产类型。下同。

H,M and L following data indicate the high,medium and low type,respectively. The same below.

2.2不同氮肥水平下供试品种的籽粒产量及聚类分析

由表2可见，不同氮肥水平下，不同小麦品种的籽粒产量均存在差异，在N0条件下，21个小麦品种籽粒产量的变异系数为12.2%，极差为2 687.7 kg·hm-2，随氮肥水平的提高品种间变异系数与极差呈下降趋势，在N300处理下达到最小，变异系数和极差分别为6.6%和1 587.3 kg·hm-2。

采用离差平方和法对不同氮肥水平下供试品种的籽粒产量进行聚类分析(图1)，可将供试小麦品种划分为高产、中产、低产三类，分别用H、M、L表示。结果(表2)表明，大部分供试品种的籽粒产量在不同氮肥水平下的类型不同。临麦4号(H1)、鲁原502(H2)、泰山28(H3)、山农25(H4)四个品种在各氮肥水平下产量均较高，可划为氮高效品种(H)；汶农5号(L1)、烟农19(L2)、济麦20(L3)、藁城8901(L4)四个品种，在各氮肥水平下产量均较低，可划为氮低效品种(L)，其余品种划分为氮中效品种(M)。本研究将主要对4个氮高效品种和4个氮低效品种进行深入分析，以明确不同氮效率品种氮素吸收及利用效率的差异。

图1 不同氮肥水平下供试小麦品种籽粒产量的聚类分析

2.3不同品种在各氮肥水平下的氮素利用率(NUE)及聚类分析

采用离差平方和法，依据供试品种在不同氮肥水平下的NUE，以欧式距离作为相似性尺度进行聚类分析，结果(表3)表明，临麦4号(H1)、鲁原502(H2)、泰山28(H3)、山农25(H4)四个品种在各氮肥水平下的NUE均表现较高水平；汶农5号(L1)、烟农19(L2)、济麦20(L3)、藁城8901(L4)四个品种在各氮肥水平下的NUE均表现较低水平，其他品种在不同氮肥水平下的NUE分类不尽相同，与籽粒产量表现一致。

2.4不同品种在各氮肥水平下的氮素吸收效率(UPE)和氮素利用效率(UET)

对供试品种的氮素吸收效率、氮素利用效率在不同氮肥水平下分别进行聚类分析。结果(表4)表明，不同品种的氮素吸收效率和氮素利用效率在各氮肥下的表现与氮素利用率并不一致。4个高氮素利用率品种获得高氮素利用率的途径不尽不同，H1在各氮肥水平下的氮素吸收效率均高于其他品种，但其氮素利用效率均归为低水平类型(L)，表明H1的高氮素利用率来自其较高氮素吸收能力，可划分为吸收高效型品种。H3在各氮肥水平下的氮素吸收效率均归为中(M)甚至低水平类型，但其氮素利用效率均为高(H)水平类型，表明H3的高氮素利用率来自其较高氮素利用效率，可划分为利用高效型品种。而H2和H4在各氮肥水平下的氮素吸收效率和利用效率均处于高或中等水平，虽大于氮低效品种，但在氮高效品种中并无突出表现，说明H2和H4的高氮利用率来自较高氮素吸收效率和氮素利用效率的共同作用。在4个低氮素利用率品种中，L1在N0、N120条件下主要是氮素吸收效率低导致氮素利用率偏低，而在N180、N240、N300条件下是氮素吸收和利用效率均低，导致的氮素利用率偏低；L2、L3、L4的氮素利用效率在5个氮水平下均较低，说明氮素利用效率是限制L1、L2、L3获得高氮素利用率的主要因素。

表3 不同品种在各氮肥水平下的氮素利用率Table 3 NUE of different wheat varieties at different nitrogen levels kg·kg-1

表4 不同氮效率品种在各氮肥水平下的氮素吸收效率和氮素利用效率Table 4 Nitrogen uptake efficiencies(UPE) and nitrogen utilization efficiencies(UTE) of different nitrogen efficiency wheat varieties at different nitrogen levels

3 讨 论

选用氮高效小麦品种并加强氮肥管理是提高小麦氮素利用率的有效措施[15-16]。有关小麦氮高效品种的筛选已有大量研究。何文寿等[17]在施氮和不施氮两个水平下，依据籽粒产量、生物产量、地上部氮素积累量、籽粒氮素积累量等指标，将小麦品种划分为高速高效类、低速中效类和中速低效类3类。张锡州等[9]在66 mg·kg-1土的氮肥水平下，把供试材料按成熟期植株单位氮素积累量所能生产的干物质或籽粒产量从低到高依次分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 种类型，不同生育时期氮素生产效率在类型间的差异均达显著水平。以往在筛选和分析氮高效品种的研究中，通常仅针对同一氮素水平或只设置缺氮和丰氮两种氮素水平，对不同小麦品种在多个氮肥水平下氮效率的研究较少，且前人研究多以氮素整体利用或已吸收氮素的利用能力进行分类，较少关注氮素的吸收和再利用两个过程。

本研究表明，供试小麦品种在不同氮肥水平下籽粒产量、氮素利用率具有明显差异，大部分供试品种在不同氮肥水平下的籽粒产量和氮素利用率聚类不同，表明供试品种产量潜力和氮效率发挥受供氮水平的影响较大。可见，不能仅在某一特定氮肥水平来评价小麦产量和氮效率，应该在不同氮肥水平下进行综合评价，以筛选出适应不同地力环境的品种和与之相适应的施肥技术，这与Gaju等[18]的研究结果基本一致。临麦4号、鲁原502、泰山28、山农25在各氮肥水平下均具有较高的籽粒产量和氮素利用率，此类品种的选育，更有利于不同地力水平下配套简化栽培技术的集成与推广。不同小麦品种间不仅存在显著的氮效率差异，也存在显著地氮素吸收和利用效率的差异[19-20]，同一氮效率类型的冬小麦品种，达到高氮效率的途径亦不尽相同[21-22]。王树亮等[23]在高、低两种地力下根据氮素利用效率，将30个供试小麦品种划分为5类，并对氮高效品种进行了筛选。童依平等[24]对12个冬小麦品种的研究表明，低氮条件下吸收效率和利用效率的共同影响导致品种间产量存在差异，在高氮条件下主要受吸收效率影响。本研究根据籽粒产量所筛选的4个氮高效品种在各氮肥水平下均具有较高的氮素利用率，但各氮肥水平下，高氮素利用率的实现途径不同，临麦4号主要是依赖于较高的氮素吸收效率实现的高氮素利用率，而泰山28则主要是依赖较高的氮素利用效率实现氮高效，其他两个品种的氮素吸收效率和利用效率在各品种间均处于中等水平。因此，对不同小麦品种氮效率差异进行研究时，应对氮素吸收效率与氮素利用效率进行综合分析，在氮高效品种的选育和推广中，应针对不同小麦品种氮素的吸收和利用特性进行鉴别和调控，才能最大程度挖掘其高产、高效潜力，实现增产增效。

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DifferencesofGrainYield,NitrogenUptakeandUtilizationEfficiencyofDifferentWheatVarieties

WANGXiaojing,DAIXinglong,MAXin,DONGShuxin,ZHANGXiu,CHUJinpeng,HEMingrong
(State Key Laboratory of Crop Biology/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System,Ministry of Agriculture/Agronomy College,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China)

This study aimed to clarify the differences of grain yield,nitrogen use efficiency(NUE),nitrogen uptake efficiency(UPE) and utilization efficiency(UTE) of different wheat varieties under different nitrogen levels. The field experiment was conducted at 0,120,180,240 and 300 kg N·hm-2levels using 21 winter wheat varieties,which were mainly implemented in Shandong province. The differences in grain yield,NUE,UPE and UTE of different wheat varieties under different nitrogen levels were analyzed. The results showed that the nitrogen levels,varieties and their interaction had significant effect on the grain yield,NUE,UPE,and UTE. The nitrogen efficiency of most varieties significantly changed on the different nitrogen levels. Most of the tested varieties were different at the different nitrogen levels according to the clustering results. However,the grain yield and NUE of Linmai 4,Luyuan 502,Taishan 28 and Shannong 25 were higher than those of other varieties under each nitrogen level. Therefore,these four varieties can be classified as high NUE varieties. But the pathway to achieve high NUE was different among the four high NUE varieties. The high NUE of Linmai 4 was mainly attributed to the high UPE,while that of Taishan 28 was attributed to the high UTE. Both UPE and UTE of Luyuan 502 and Shannong 25 were at the middle level. In conclusion,the grain yield and NUE of different winter wheat varieties should be evaluated synthetically under different nitrogen levels. In this way,the selected varieties could be able to adapt the different soil environments,and to design the relative fertilization technology. In the selection and popularization of high NUE varieties,it is necessary to identify and regulate the nitrogen uptake and utilization ability,both of which would highly ensure the potential of high yield and NUE for varieties.

Wheat; Nitrogen use efficiency; Grain yield; Nitrogen uptake efficiency; Nitrogen utilization efficiency

时间：2017-08-08

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170808.0911.020.html

2017-01-20

2017-02-16

国家重点研发计划项目(2016YFD0300400); 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB150404)

E-mail：sdwangxiaojing@126.com

贺明荣(E-mail:mrhe@sdau.edu.cn)

S512.1；S311

： A

：1009-1041(2017)08-1065-07