黄淮麦区不同小麦品种氮素利用差异分析

樊继伟 王康君 张广旭 谭一罗 李筠 谭维娜 代丹丹 陈凤 郭明明

摘要：为明确氮素对不同小麦品种产量结构、群体质量及氮素利用的影响，筛选黄淮麦区氮高效小麦品种，以黄淮麦区42个小麦品种为供试材料，设置正常施氮和不施氮2种氮素水平，分析不同处理下小麦产量结构、叶面积、株高、穗长、茎蘖动态、干物质积累、旗叶SPAD值、氮素积累及氮素利用效率的差异。结果表明，2个氮素水平下，42个小麦品种产量结构均存在一定差异，并且在不施氮条件下，品种间产量、穗数、穗粒数变异系数较大，分别达到21.8%、9.2%、17.4%，依据2个氮素水平下各小麦品种产量表现，将42个小麦品种划分为氮素双高效型、高氮高效型、低氮高效型和氮素双低效型4个不同氮效率类型，同时对4个不同氮效率类型小麦农艺性状、群体质量及氮素积累等进行分析，发现小麦农艺性状主要与品种遗传特性有关，在特定氮素水平下，氮高效小麦品种的群体质量、旗叶SPAD值及氮素积累量和氮素利用率均高于氮低效品种，说明小麦产量和群体质量均与氮效率存在正相关关系。通过分析小麦品种间综合性状差异，筛选出瑞丰1号、连麦2号、山农28、山农22、济麦44、陕农981、西农511等7个氮素双高效小麦品种，可为小麦绿色高效生产提供技术支撑。

关键词：小麦;产量;农艺性状;群体质量;氮素利用

中图分类号：S512.106 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）04-0043-09

收稿日期：2021-11-05

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（21）2001];江苏现代农业（小麦）产业技术体系建设专项[编号：JATS（2021）169]。

作者简介：樊继伟（1982—），男，江苏连云港人，副研究员，主要从事小麦高产抗病育种研究。E-mail：fantrta@163.com。

通信作者：郭明明，硕士，助理研究员，主要从事小麦绿色优质育种研究。E-mail：gmm30277@163.com。

小麦在我国粮食安全中占据重要的地位[1-2]。近年来，我国小麦产量取得不断突破。但在小麦生产中对化肥的投入，尤其是氮肥的投入也呈明显的增加趋势[3]，造成资源浪费，同时对环境带来了极大威胁，严重威胁人类的生命健康。氮肥的大量投入导致的肥料利用率降低，成为一个普遍存在的问题。目前，我国小麦氮肥利用率仅为21.2%～35.9%，远远低于其他国家和地区40%～60%的氮肥利用率[4]。基于以上背景，提高氮素利用效率成为当前农业发展所面临问题。因此，挖掘氮高效品种氮素吸收和利用的潜力，成为提高小麦氮效率的主要研究方向[5]。筛选氮高效小麦品种对实现农业可持续发展具有重要意义。谢巧云等研究认为，小麦品种间氮素吸收利用存在一定差异[6]。本试验拟在2种氮素水平下，分析不同小麦品种的氮效率差异，进行氮效率类型分类，研究不同氮效率类型小麦的农艺性状、群体质量等指标与氮效率的相关性，筛选出适宜黄淮地区生产的氮高效小麦种质资源，并进行育种利用，以期为实现小麦绿色高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

试验于2020—2021年在江苏省连云港市稻麦综合示范基地进行，试验田前茬为玉米，土壤类型为潮盐土，0～20 cm土层有机质含量为15.8 g/kg，全氮含量为1.4 g/kg，碱解氮含量为64.47 mg/kg，速效磷含量为54.9 mg/kg，速效钾含量为313.7 mg/kg，土壤pH值为7.56。供试品种为黄淮麦区42个小麦品种（表1）。

1.1 材料与设计

试验为2因素裂区设计，采用土培盆栽方法。以供试品种为主区;以氮素水平为裂区，设置不施氮（N0）、正常施氮（N1）2个水平。每盆播种15 粒，肥料种类分别为尿素（氮含量46%）、复合肥（氮含量15%，P2O5含量15%，K2O含量15%），播种前基施复合肥540 kg/hm2（磷钾肥作为底肥一次性施入），追施肥料为尿素，在拔节期施用，氮肥运筹基肥 ∶拔节肥为3 ∶7。盆口内径28 cm、高32 cm，盆栽土壤风干后过筛，每盆装土18 kg，播后覆土2 cm。

出苗后每盆间苗至10株，每个处理8盆，其中3盆用于产量测定，5盆用于生育期取样，出苗后调查各生育期，其他管理措施同小麦高产大田。

1.2 测定项目和方法

成熟期调查各处理小麦穗数，进行室内考种，调查株高、穗长、每穗总小穗数、穗粒数、千粒质量，每盆10株全部收割计产。各处理主要生育时期调查每盆植株茎蘖数，同时取植株样5株，分别于80℃烘干至恒质量，并称质量。待各处理小麦开花后，采用日本产SPAD-502叶绿素计每7 d对小麦旗叶进行SPAD值测定，重复10次，花后35 d结束。于成熟期取植株5株，进行脱粒，采用 FS-Ⅱ型实验室旋风式粉碎磨将籽粒磨成粉状，用K1302自动定氮仪测定籽粒含氮量[7]。小麦氮素指标计算方法如下：

植株氮素积累量（g/10株）=器官质量（g/10株）×氮素含量（%）;

氮素利用效率（g/g）=籽粒产量（g/10株）/植株氮素积累量（g/10株）。

1.3 数据分析

数据采用Excel 2003、SPSS 18.0和DPS 6.55等软件进行计算、绘图及统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平下不同小麦品种产量结构

从表2可以看出，黄淮麦区42个小麦品种籽粒产量和产量构成因子在正常氮素（N1）、不施氮（N0）水平下均存在明显差异。在N0水平下，各小麦品种穗数、穗粒数和籽粒产量均明显减少，其中穗数和产量降低幅度较大，而千粒质量在2个氮素处理下差异较小。在N0水平下，小麦品种间穗数变化范围为19.92～58.94穗/10株，其中扬麦22穗数最少，陕农981穗数最多;穗粒数变化范围为24.37～37.96粒/穗，最小值和最大值对应品种分别为陕农981和西农511;千粒质量以漯麦33最高，瑞丰1号最低;产量变化范围为24.32～56.70 g/10株，以皖麦47产量最低，西农529最高。穗数、穗粒数和产量的变异系数（CV）分别达到21.78%、9.16%和17.41%，均高于N1水平（17.96%、8.81%和13.95%）。在N1处理条件下，皖麦47穗数最少，陕农981最多，达到67.88穗/10株，但陜农981穗粒数最少，仅为26.63粒/穗;千粒质量变化范围为32.75～46.00 g，以漯麦163最高;产量以驻麦328最高，达到64.58 g/10株，藁优2018产量最低，仅为 39.36 g/10株。结果表明，在不同氮素水平处理下，不同小麦品种的穗数、穗粒数、千粒质量和籽粒产量表现不尽一致，小麦品种间氮素吸收利用存在一定差异。

2.2 不同小麦品种氮效率类型划分

在2个氮素水平下，对黄淮麦区42个小麦品种进行氮效率类型划分，结果（图1）表明，有7个品种在N0和N1处理下，产量均高于各水平的平均值，表现为氮素双高效，分别为瑞丰1号、连麦2号、山农28、山农22、济麦44、陕农981和西农511;有12个品种在N1水平下产量高于平均值（AVG为51.71），而N0水平下产量低于平均值（AVG为38.79），表现为高氮高效，分别为西农529、淮麦20、良星66、同舟麦916、济麦22、周麦33、华成859、百农207、连麦7号、临优145、郑育麦0519和驻麦328;6个小麦品种在N0水平下产量高于平均值，而在N1水平下低于平均值，表现为低氮高效，分别为藁优9415、泰农18、师栾02-1、阜麦936、优麦3号和漯麦163;其余17个小麦品种在2个氮素水平下，籽粒产量均维持在较低水平，表现为氮素双低效。以上结果说明，不同小麦品种在不同氮素水平下产量表现存在差异，将所有品种划分为4个不同氮效率类型，筛选出双高效型和低氮高效型小麦品种，从而为小麦绿色生产奠定良好基础。

2.3 不同氮效率类型小麦农艺性状

根据以上结果，将黄淮麦区42个小麦品种划分成氮素双高效型、高氮高效型、低氮高效型和氮素双低效型4个氮效率类型，并从每个氮效率类型中选择2个代表品种，其中济麦44、山农28为氮素双高效型品种，周麦33、连麦7号为高氮高效型品种，泰农18、漯麦163为低氮高效型品种，扬麦22、轮选989为双低效型品种，分析不同氮效率类型小麦分别在2种氮素水平下小麦旗叶叶面积、株高及穗长等指标的差异。从表3可以看出，氮素双低效小麦叶面积、株高和穗长均显著高于其他3个氮效率类型小麦，以上3个农艺性状指标与氮效率存在负相关关系，分析可能与小麦品种本身特性有关。在N1处理下，不同氮效率类型小麦叶面积和穗长均高于N0处理，而株高表现不一，具体表现为双高效型和低氮高效型小麦在N1水平下较高，高氮高效型和双低效型小麦在N0水平下较高;高氮高效型小麦叶面积和双低效型小麦穗长在2个氮素水平下均存在显著差异，而双高效型小麦和低氮高效型小麦在叶面积、株高和穗长方面差异未达到显著差异。以上结果表明，小麦旗叶叶面积，株高和穗长与氮效率间存在一定的相关性。

2.4 不同氮效率类型小麦茎蘖动态

从表4可以看出，不同氮素处理下，随着生育进程推进，各小麦群体茎蘖数均呈先升高后降低的趋势，在拔节期达到最高值。在N1氮素水平下，不同氮效率类型小麦主要生育时期茎蘖数均显著高于N0水平，其中以N1水平下氮素双高效型小麦各时期茎蘖数最高，以N0水平下高氮高效型小麦茎蘖数最低;2个氮素处理下，不同氮效率类型小麦主要生育期茎蘖数变异系数存在一定差异，以低氮高效型小麦茎蘖数变异系数最小，不同生育期分别为7.76%、15.74%、15.24%和21.35%，以高氮高效型小麦茎蘖数变异系数最大，不同生育期分别达到22.33%、30.88%、37.93%和36.81%。不同氮效率类型小麦茎蘖成穗率也存在一定差异，其中以氮素双高效型小麦在N1水平下最高，茎蘖成穗率达到41.80%±0.18%，显著高于其他氮效率类型小麦。结果表明，不同氮肥水平下，氮素高效型小麦茎蘖数和茎蘖成穗率均较高，而氮素低效型小麦茎蘖数和茎蘖成穗率均维持在较低水平。

2.5 不同氮效率类型小麦干物质积累量

从表5可以看出，随着小麦生育时期的推进，不同氮效率小麦干物质积累量逐渐增加，开花期以后增加幅度较大，在成熟期达到最高。4个不同氮效率类型小麦均表现为在N1水平下各时期干物质积累量显著高于N0水平，其中以氮素双高效型和高氮高效型小麦在N1条件下最高，成熟期干物质积累量分别达到（89.85±0.87） g/10株、（91.49±1.48） g/10株，以氮素双低效小麦在N0条件下最低，成熟期干物质积累量仅为（63.49±0.06） g/10株。不同氮效率类型小麦在N0和N1这2种氮素水平下，干物质积累量的变异系数也存在较大差异，成熟期变异系数具体表现为高氮高效型>氮素双低效型>低氮高效型>氮素双高效型。结果表明，低氮条件下氮效率较高的小麦品种干物质积累量在不同氮素水平下的变异系数相对较小。

2.6 不同氮效率类型小麦旗叶SPAD值变化

从图2可以看出，不同小麦品种随着花后时间的增加，旗叶SPAD值均呈先升高后降低的趋势，不同氮效率类型小麦旗叶SPAD值存在一定差异，各类型小麦在N1水平下，花后不同时期旗叶SPAD值均高于N0水平。在N0水平下，山农28、周麦33、漯麦163和扬麦22旗叶SPAD值在花后7 d达到最大值，而济麦44、连麦7号、泰农18和轮选989旗叶SPAD值在花后14 d达到最大值，之后逐渐下降，花后28 d以后下降幅度较大;在N1水平下，济麦44、山农28、周麦33、漯麥163和扬麦22旗叶SPAD值在花后7 d达到最大值，连麦7号、泰农18和轮选989旗叶SPAD值在花后14 d达到最大值，之后逐渐下降。氮素双高效小麦在2个氮素水平下均有较高的SPAD值，而氮素双低效小麦花后不同时期SPAD值均维持在较低水平。以上结果表明，增加氮肥投入可以提高小麦旗叶SPAD值，氮效率高的小麦品种也具有较高的SPAD值。

2.7 不同氮效率类型小麦氮素利用效率

从表6可以看出，小麦籽粒产量、氮素积累量和氮素利用效率在小麦品种间和氮素水平间均存在显著差异，4种氮效率类型小麦中，籽粒产量依次表现为：氮素双高效型>高氮高效型>低氮高效型>氮素双低效型;各类型小麦在N1水平下，籽粒产量、氮素积累量和利用率均高于N0水平，其中氮素双高效型、高氮高效型和氮素双低效型小麦在2个氮素水平下上述指标差异达到显著水平。在N1水平下，氮素双高效型小麦氮素积累量和氮素利用效率最高，分别达到（1.88±0.06） g/10株、（31.13±0.21） g/g，高氮高效型小麦籽粒产量表现最高，达到（60.04±1.79） g/10株;在N0水平下，氮素双低效型小麦籽粒产量最小，仅为（35.20±1.36） g/10株，氮素双低效型小麦氮素积累量、利用率最低，分别为（1.42±0.07） g/10株、（24.33±0.07） g/g。

3 讨论与结论

氮素是小麦生产发育过程中不可或缺的营养元素之一[8]。在小麦绿色生产中，主要通过降低施氮量和提高单位施氮量条件下产量[9]。大量研究表明，小麦籽粒产量随着氮肥施入量的增加呈先升高后降低的趋势，即在一定施氮量范围内，适当增加氮肥，有利于小麦产量的提高，但是过量施入氮肥会导致小麦产量下降，造成小麦氮肥利用率低。因此需要对小麦进行精准氮肥调控，从而达到氮素高效利用的目的[10-12]。李升东等研究认为，通过氮肥的精准管理，能够有效降低氮肥用量30.2%以上，增加小麦籽粒产量7.9%以上，提高氮素表观利用率30.7%以上[13]。此外，挖掘作物氮素利用效率的潜力，筛选氮素高效利用小麦种质资源对提高作物产量也具有重要意义。张国平等通过调查58个小麦品种的产量和生长性状，并对氮素营养和氮素利用效率进行分析，结果表明，品种间每生产 100 kg 籽粒需氮量变化范围为218～400 g，氮收获指数变化范围为59.35%～82.89%[14]。同时也有大量研究表明，不同小麦品种对特定氮素水平下的氮效率响应存在一定差异，品种间存在较大的遗传多样性[15-19]。氮高效小麦品种在氮素水平较低条件下，氮素吸收和氮素利用方面具有明显优势[20]。沈善敏等研究发现，通过品种选择可以提高小麦氮素利用率20%以上[21]。本研究中，分别在不同氮素水平下对黄淮麦区42个小麦品种产量结构进行分析，发现相较于不施氮条件，正常施氮能够有效降低小麦品种间籽粒产量的变异系数，这与前人研究结果[22]基本一致。同时通过分析各小麦品种群体质量及氮素利用效率等指标，认为在正常施氮水平下，各小麦籽粒产量、穗数、穗粒数、各生育期茎蘖数和干物质积累量、氮素积累量均高于不施氮水平，因此氮素利用效率也相对较高。张敏敏研究表明，通过增加施氮量，能够提高小麦籽粒产量，增加有效穗数和地上部生物量[23]。

本研究将小麦籽粒产量作为氮效率筛选和分类的依据，初步将小麦氮效率类型划分为氮素双高效型、高氮高效型、低氮高效型和氮素双低效型4种类型。其中瑞丰1号、连麦2号、山农28、山农22、济麦44、陕农981和西农511属于氮素双高效小麦品种，即在高氮和低氮水平下均有较高产量;藁优9415、泰农18、师栾02-1、阜麦936、优麦3号和漯麦163属于低氮高效型小麦品种，即在低氮条件下能够发挥较高的氮肥利用效率，增加氮肥使用，利用效率提高幅度较小，这类小麦品种适宜在土壤肥力较差的环境种植。以上2种氮效率类型小麦均有利于小麦生产中的的减肥增效，提高小麦籽粒产量，而另外2种氮效率类型的29个小麦品种在低氮条件下均不利于产量的形成，不适宜在生产中推广应用。此外，张旭等研究认为，小麦粒质量、叶面积、叶绿素含量、氮含量与氮效率均呈显著正相关关系[24]。本研究中也发现，氮素高效的小麦品种具有较高的籽粒产量、穗数、茎蘖数、干物质积累量和SPAD值，初步认为上述指标可以作为小麦氮高效的评价指标。本研究主要采用盆栽试验方法，未开展大田试验，具有一定的局限性，此外，本试验中未分析小麦氮素吸收能力的分析。下一步拟开展与盆栽试验相同处理的大田试验，对以上结果进一步验证，同时开展植株不同器官吸氮效率的分析，从而有效指导小麦绿色高效育种和生产。

本试验通过分析小麦氮素利用效率及产量相关指标，将黄淮麦区42个小麦品种划分为氮素双高效型、高氮高效型、低氮高效型和氮素双低效型等4个不同类型。筛选出氮素双高效小麦品种7个，分别为瑞丰1号、连麦2号、山农28、山农22、济麦44、陕农981和西农511，以上7个小麦品种在高氮和低氮水平下均有较好的产量结构和群体质量，能够发挥氮素高效利用的潜能，可作为氮高效小麦种质资源进行育种利用，为小麦绿色高效生产提供技术支撑。

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