湖北省小麦氮素高效利用种质的筛选及相关性分析

徐晴 董建辉 许甫超 董静 秦丹丹 王佳维 李梅芳

摘要：以湖北省不同年份主推的26个小麦（Triticum aestivum L.）品种为材料，大田条件下设置低氮（纯氮：62.55 kg/hm2）和正常氮（纯氮：187.5 kg/hm2）2种水平，研究2种氮素水平下的小麦产量性状、各生育期农艺性状及氮素利用相关性状的差异；同时对与小麦氮素利用效率显著相关的性状进行了分析。结果表明，小麦品种苗期、花期、成熟期地上部干重、子粒产量、氮素积累量等性状在2种氮素水平下均呈现出较大差异，各调查性状值随着氮肥施用量的增加而增加（穗粒数和千粒重除外）；各性状低氮条件下变异系数大于正常氮处理；根据不同品种在2种氮素水平下所能形成的子粒产量，筛选出华麦8号、鄂麦006等9个在2种氮素水平下均高效的品种，和仅在低氮和高氮条件下高效的品种各5个；子粒产量与不同性状间相关性分析表明，小麦成熟期地上部干重、茎秆重、穗数、子粒氮素积累量等与子粒产量呈显著正相关。

关键词：小麦（Triticum aestivum L.）；品种；氮素利用效率；评价指标；相关性分析

中图分类号：S512.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）04-0021-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.04.006

Screening and Correlation Analysis of High Nitrogen Use Efficiency Wheat Varieties

in Hubei Province

XU Qing1a，DONG Jian-hui1b，XU Fu-chao1a，DONG Jing1a，QIN Dan-dan1a，WANG Jia-wei2，LI Mei-fang1a

（1a.Institute of Food Crops/Hubei Key Laboratory of Food Crop Germplasm and Genetic Improvement；1b.Division of Human Resources，

Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China；2.College of Agronomy，Yangtze University，Jingzhou 434025，Hubei，China）

Abstract： 26 wheat varieties from Hubei province were grown in the field by setting two nitrogen input（low N：62.55 kg/hm2 pure N；optimal N：187.5 kg/hm2 pure N） conditions. The traits that related to the nitrogen use efficiency（NUE） which includ yield and other agronomic traits in different growing stages were investigated. Meanwhile， the correlation coefficients were analyzed between the main NUE-related traits and the yield. The results showed that big differences of the traits among different wheat varieties under the 2 nitrogen levels（except the kernel number per spike and the thousand kernel weight）. The values of all the investigated traits increased upon the increased input of the nitrogen. According to the yield of each variety under the 2 nitrogen levels， all the varieties were classified into four categories. Correlation analysis indicated that the yield had a significant positive correlation with the traits such as the above-ground mass in harvesting stage， straw weight， spike number，and the nitrogen accumulation in the kernel， which could be used as the index during the high NUE wheat germplasm screening.

Key words： wheat （Triticum aestivum L.）； variety； nitrogen use efficiency； evaluation character； correlation analysis

氮素不僅是植物的必需元素，同时也是粮食作物产量的重要保证。然而，近些年来，随着氮肥施用量的增多，与之相关的问题也日趋凸显。氮肥用量虽然很大，但是被作物吸收的还不到50%[1]。多余的氮素通过淋溶、挥发、反硝化的方式流失，给周围的土壤、水域等都造成了污染。同时，由于资源耗竭等问题使得氮肥的生产成本增高，给农业生产造成了巨大的经济压力。未来需要生产更多的粮食来满足世界人口的持续增加。因此，如何在保证粮食产量的基础上减少氮肥的施用成为目前农业发展面临的重要挑战。改良肥料特性、改进耕作机制虽然可以从一定程度提高氮肥的吸收利用效率，但是培育氮肥高效利用的品种被认为是解决该问题的根本途径。

作物的氮肥利用效率受环境、品种等多种因素的影响[2]。它通常被定义为单位土壤有效氮所能形成的子粒产量[3]。已有研究表明，不同作物甚至同一作物不同品种间氮素利用效率都存在显著的基因型差异[4-7]。因此，开展不同小麦品种（系）的氮素利用效率的评价工作，筛选氮素高效利用的种质类型，是培育氮素高效利用的小麦新品种的前提。

湖北省位于长江中下游地区，有包括江汉平原、鄂北岗地等主要小麦种植区域，近些年来，随着种植模式的改变，小麦（Triticum aestivum L.）的种植面积不断扩大，目前已达近7万hm2[8]。但是，关于本区域小麦品种氮素利用效率的研究工作至今尚未见报道。因此，本研究以历年来湖北省小麦主推品种为材料，大田条件下设置低氮和正常氮两种水平，研究不同条件下小麦品种氮素利用相关性状的差异，筛选出氮素高效利用小麦种质，为湖北省小麦氮素高效育种提供材料；同时对与小麦氮素利用效率显著相关的性状进行分析，为小麦氮素高效利用评价指标的建立提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为湖北省不同年份审定并主推的26个小麦品种，品种名称及审定编号或年份见表1。

1.2 试验田土壤条件

试验田属于黄棕壤土，pH 7.18，有机质含量22.26 g/kg，土壤全氮含量0.18%，全磷0.08%，全钾2.0%，碱解氮137.1 mg/kg，速效磷29.28 mg/kg，速效钾131.8 mg/kg，属中等肥力条件。

1.3 试验设计及方案

试验于2016年11月初在湖北省农业科学院南湖试验基地进行。田间设置低氮（62.55 kg/hm2）和正常氮肥（187.5 kg/hm2）2个条件。氮肥以尿素（N：46%）为肥源：2种条件下，总氮肥量的2/3以基肥形式施入，其余1/3在拔节期作为追肥施入。磷（过磷酸钙P2O5：12%），钾肥（氯化钾K2O：60%）均以112.5 kg/hm2作为基肥全部施入。病虫害及其他按一般田间管理方式进行。田间材料种植，以氮肥为主处理，不同材料随机种植1行，行长1 m，行间距25 cm，每行播种65粒种子。于出苗后20 d进行间苗，使每行苗株数为25株，并保持苗间距均匀，并每5株标记为不同生育期采样。每个处理重复3次（即每个材料共种植3行）。

1.4 指标测定

1）生物学产量。苗期、开花期每行剪取已标记的5株地上部分，混合装入牛皮袋中，105 ℃杀青，80 ℃烘干至恒重，测定干物质量及含氮量；成熟期每个材料混合收获5株，将穗部与茎部分开，茎秆80 ℃烘干至恒重后称重，子粒自然晒干后称重，计算总干物质重并分别测定含氮量。

2）叶绿素SPAD值。采用日产Chlorophyll Meter SPAD-502型叶绿素测定仪对小麦灌浆期旗叶的叶中部SPAD值进行测定。

3）子粒产量及产量相关性状的测定。将成熟期混合取样的5株剪取穗子，进行穗数、穗粒数、穗长和千粒重的测定。

4）植株茎秆及子粒氮浓度测定。采用3A式细胞流动分析仪进行测定。

1.5 相关指标计算方法

子粒吸氮量（g）=子粒氮浓度×子粒重

茎秆吸氮量（g）=茎秆氮浓度×茎秆重

植株氮素积累量（g）=子粒吸氮量+茎秆吸氮量

1.6 数据处理

Excel软件进行数据的统计计算；Graph prism软件进行相关性（Correlation）分析；SPSS软件进行方差和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平下小麦品种产量和农艺性状差异

由表2 可知，供试小麦品种在两种氮素水平下子粒产量、茎秆重、穗数、穗长、穗粒数、千粒重、灌浆期叶绿素含量以及不同生育期地上部干重等性状均存在较大的变异范围。以子粒产量为例，正常氮素水平下，子粒产量最低值为17.9 g，而最大值可达47.6 g；低氮条件下，子粒产量范围值为10.2～37.2 g。变异系数表现为低氮条件大于正常氮肥条件。同时，由表中数值可见，随着氮肥施用量的增加，小麦品种各性状平均值随之增加。低氮条件下，平均子粒产量为20.88 g，正常氮素下则增加到31.85 g；低氮条件下平均穗数为12.36穗，而正常氮素条件下则为17.70穗。相比较于其他性状，穗粒数和千粒重受氮素水平影响较小。方差分析结果显示，除穗粒数和千粒重外，各性状在不同氮素水平间差异均达极显著水平。

2.2 不同氮素水平下小麦品种氮素积累性状差异

对不同小麦品种氮素吸收相关性状的研究结果（表3）显示，小麦品种间子粒和茎秆氮素含量、氮素积累量、花期植株氮素含量和氮素积累量也呈现出较大的差异。两种氮素水平下，子粒氮素含量明显高于茎秆的氮素含量，说明成熟期子粒的氮素大部分都转移并形成了子粒产量。同时，数据显示，花期植株氮素积累总量与成熟期子粒氮素积累量相近，说明形成子粒产量所需的氮素积累基本都在花期形成。方差分析结果表明，与植株氮素积累相关性状在两种氮素水平下差异均达极显著水平。

2.3 不同氮素水平下子粒产量与不同性状的相关性分析

子粒产量与不同性状的相关性分析（表4）表明，两种氮素水平下，子粒产量与成熟期地上部干重、茎秆重、穗数及子粒氮素积累量均呈显著正相关。花期地上部干重、茎秆氮素积累量仅在低氮条件下与子粒产量呈显著正相关。因此，这些与子粒产量呈显著正相关的性状可作为高氮效种质材料的指标，可以为高氮效种质筛选的评价提供参考。

2.4 不同施氮条件下小麦氮素利用效率的评价与划分

植株的氮素利用效率（Nitrogen Use Efficiency， NUE）通常计算为单位土壤供氮量（包括土壤含氮量和供氮量）所能形成的子粒产量。鉴于田间条件下土壤的供氮量难以计算，因此当不同材料处在同一供氮条件下，多以最终形成的子粒产量作为判断氮素利用效率高低的指标，子粒产量高于全部品种产量平均值的为氮素高效品种，反之为低效品种[9]。本研究中，为了体现差异，将以全部品种产量平均值加减产量平均值的10%为界限对所有品种的氮素利用效率進行划分。根据这一标准，可以把它们划分为4种类型：①双高效型。此类型在高氮和低氮条件下均获得高于全部供试品种平均产量的10%以上产量，包括宛麦369、鄂麦006、鄂麦18、襄麦35等4个品种，属于氮素高效利用广适性品种（图1、图2）。②高氮高效型。此类型仅在高氮条件下获得高于全部供试品种平均值10%以上的产量，包括扶麦1228、鄂麦580、鄂麦596、鄂麦170、襄麦25、华1168等6个品种（图1）。③低氮高效型。此类型仅在低氮条件下获得高于全部供试品种平均值10%以上的产量，有华麦8号、鄂麦12、漯6010、鄂麦251、鄂麦55等5个品种（图2）。④其他类型。此类型在高氮和低氮素条件下的产量均低于或者与全部供试品种产量平均值相当，包括鄂恩4号、先麦8号和荆麦103等品种（图1、图2）；不同氮素水平下小麦品种间氮素效率的差异反映了它们迥异的氮素利用特性，在小麦氮素高效育种中可以选择高效的品种作为亲本材料。

3 小结与讨论

小麦氮素吸收利用机制复杂，受环境、品种等条件影响较大。但是，不少研究表明，不同基因型间氮素吸收利用存在较大的差异，因此，根据这种差异性对不同种质的这一性状进行评价，筛选出氮素吸收利用效率高的小麦品种作为优异亲本用于育种可以提高小麦的氮素利用效率，从而减少田间氮肥的施用和流失，是当前可持续农业发展的方向。本研究中，对26份湖北省主要小麦品种在不同氮素水平下产量、农艺性状的分析发现，两种氮素水平下小麦品种子粒产量、茎秆重、穗数、穗长、穗粒数、千粒重、灌浆期叶绿素含量以及不同生育期地上部干重等性状均存在较大的变异范围。随着氮肥施用量的增加，除了穗粒数和千粒重外，其余各性状数值随之升高，说明在一定范围内，多施氮肥可以促进植株的生长和干物质的积累。同时，研究发现，低氮条件下子粒产量、茎秆重、穗数、穗长、灌浆期叶绿素含量、花期和苗期的地上部干物质重变异系数大于正常氮肥条件下数值，说明在氮素匮乏时，植株性状间差异更明显，这与前人研究结果一致[10]。对氮素积累相关性状的分析结果表明，成熟期子粒和茎秆氮素浓度、氮素积累量、花期植株的氮素浓度和氮素积累量在不同品种间也存在较大的变异范围。成熟期植株茎秆的氮素浓度远远低于子粒氮素浓度，说明成熟期氮素由茎秆向子粒运转是产量形成的关键。

对小麦品种氮素利用效率的评价，由于定义和试验操作的不同，采用的指标也不尽不同，主要有子粒产量、氮素吸收利用效率、氮素子粒生产效率等[11]。本研究在大田条件下进行，土壤施氮量难以计量，因此，根据最终形成的子粒产量对不同小麦品种的氮素利用效率进行评价划分。根据两种氮素氮素水平下的子粒产量，将全部品种分为4类：宛麦369、鄂麦006、鄂麦18、襄麦35为双高效型，在低氮和正常氮条件下产量均较高，因此可以作为小麦氮素高效育种的亲本材料；扶麦1228、鄂麦580、鄂麦596、鄂麦170、襄麦25、华1168为高氮高效型，说明此类品种对氮素的需求量较大，较高的氮素条件才能获得高产；漯6010、鄂麦251、鄂麦12、华麦8号和襄麦55属于低氮高效型，说明这类品种具有耐贫瘠的能力，在土壤含氮量较低时，能够获得较高的产量。子粒产量与不同性状的相关性分析表明，其与成熟期地上部干重、茎秆重、穗数及子粒氮素积累量在两种氮素水平下均呈显著正相关，因此，这些性状可作为氮素高效小麦材料评价的参考指标。由于氮素利用效率这一性状受环境条件的影响较大，不同品种氮素利用特性的定义仍需进行多年重复性试验进行验证。

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