盐粳系列水稻氮肥效率差异及氮高效品种筛选

马 畅， 李 旭， 吕小红， 王 宇， 付立东， 任 海， 隋 鑫， 杜 萌， 李振宇， 于亚辉

(辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁盘锦 124010)

长期以来由于我国粮食自给自足的压力，我国水稻育种及栽培策略主要追求高产。氮肥施用是实现水稻高产和稳产的有效手段，是保障粮食安全和缓解耕地资源不足的重要措施，但由于氮肥的不合理施用尤其是过量施用导致氮肥回报率降低以及对农业生态系统和环境造成不良影响。为提高氮肥利用率，促进减氮增产，实现水稻高产高效生产，前人做了大量研究，主要集中在优化氮肥管理、土壤改良、研发新型肥料等。氮肥利用率是一个复杂性状，受种植环境、栽培措施、品种特性等多因素影响。不同基因型水稻品种对氮素的吸收利用效率存在一定的差异，挖掘水稻耐低氮相关基因，培育氮高效水稻新品种，是提高氮素利用率、降低氮肥施用量的有效途径。国内外越来越重视研究水稻氮素利用机理，改良氮素利用率的遗传潜力，从而建立高产高效技术体系，实现农业的高质量可持续发展。本试验以高产盐粳系列水稻品种作为供试材料，设置零氮、低氮、中氮、高氮4种水平氮肥处理，比较不同水稻品种产量、氮肥利用率和田间表现，进一步筛选氮高效品种，探讨氮高效水稻氮素利用率高的机理，为氮高效水稻品种选育提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年在盘锦市大洼区的辽宁省盐碱地利用研究所试验基地(122.19°E、44.04°N)进行。土壤类型为滨海盐滞型水稻土，基本理化性质为：有机质含量25.554 g/kg、全氮含量1.257 g/kg、碱解氮含量114.57 mg/kg、速效磷含量56.533 7 mg/kg、速效钾含量256.594 0 mg/kg，pH值7.5。以高产盐粳系列水稻盐丰47、盐粳456、盐粳218、盐粳22、盐粳933、盐粳939共6个品种作为供试材料。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，施氮水平为主区，品种为副区，3次重复。设零氮(N0，0 kg/hm)、低氮(N1，150 kg/hm)、中氮(N2，195 kg/hm)和高氮(N3，240 kg/hm)4个施氮水平，2018年4月18日播种，5月24日移栽，移栽密度30 cm×18 cm，每穴4～5本株。小区长4 m、宽2.7 m，面积10.8 m。主区四周做高30 cm、宽40 cm田埂，以防水肥渗漏。施肥方式为氮肥分基肥、蘖肥、穗肥按质量比 70 ∶16 ∶14 分施，其中“大地丰”缓混肥(N、PO、KO含量分别为28%、18%、8%)作基肥，尿素作为追肥，蘖肥和穗肥分别在移栽后二叶龄期和倒四叶龄期施入。磷肥、钾肥作为基肥一次性施入，分别采用过磷酸钙和硫酸钾作为肥源，施用量为PO105 kg/hm、KO 45 kg/hm。其他田间管理同一般生产田。

1.3 测定项目

1.3.1 产量及产量构成 在水稻成熟期，每个小区取有代表性的3个测产点，每点取1 m实收稻穗，晒干后脱谷测产，其中籽粒含水量为14.5%。每小区选取均匀5穴，测量每穴穗数、每穗实粒数、每穗秕粒数、千粒质量。

1.3.2 叶绿素SPAD值与氮平衡指数(NBI) 分别在水稻移栽期、分蘖期、拔节期、齐穗期在每个小区选取有代表性植株10穴，利用Dualex4 氮平衡指数测量仪测定水稻最上部功能叶(移栽期、分蘖期、拔节期的倒二叶；齐穗期的剑叶)的叶绿素SPAD值与氮平衡指数(NBI)。

1.3.3 干物质积累量及氮素积累量 分别在水稻的分蘖期、拔节期、齐穗期、成熟期从每个小区采集5穴有代表性植株(地上部)，其中齐穗期和成熟期的植株分成茎叶(营养体)和籽粒2部分，75 ℃下烘干至恒质量，测量干物质积累量。烘干的植物样碾磨粉碎后经浓HSO-HO消化，采用全自动凯氏定氮仪(Foss KjeltecTM8400，Swiss)测定植株全氮含量。

1.4 数据分析

氮肥农学利用效率=(施氮区稻谷产量-未施氮区稻谷产量)/施氮量；

氮肥偏生产力=施氮区稻谷产量/施氮量；

氮吸收利用率=(施氮区植株氮素积累总量-未施氮植株氮积累总量)/施氮量×100%；

氮生理利用率=(施氮区产量-未施氮区产量)/(施氮区氮积累量-未施氮区氮积累量)；

氮素转运效率=(成熟期施氮区地上部植株氮积累总量-齐穗期施氮区地上部植株氮积累总量)/成熟期施氮区地上部植株氮积累总量×100%；

氮收获指数=施氮区籽粒氮积累总量/成熟期植株氮积累总量×100%。

利用Excel 2007及DPS 7.50进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥水平下各品种产量及产量构成情况

由表1可知，随着施氮量的增加，产量增加，施氮处理的产量水平显著高于未施氮处理，品种间表现为盐粳22产量最高，其次为盐丰47，两者差异不显著，显著大于盐粳218，其他品种间差异不显著。施氮处理的穗数显著大于未施氮处理，盐丰47、盐粳939的穗数显著高于盐粳456，其他品种间差异不显著。N0处理的千粒质量显著高于N1处理，盐粳933、盐粳22的千粒质量显著高于盐粳939、盐粳218。各施氮处理下结实率无显著差异，盐粳22的结实率显著高于盐粳939，其他品种间差异不显著。产量、穗数极显著受氮肥水平影响，且超过品种的影响(值大于品种)，实粒数极显著受品种影响，千粒质量受品种影响大于氮肥影响。

表1 不同氮肥水平下的产量及产量构成

2.2 不同氮肥水平下各品种的氮肥利用率

氮肥利用率是描述氮肥吸收利用特性的主要指标，其中氮肥农学利用率是单位施肥量对作物籽粒产量增加的反映，是农业生产的一项重要经济指标；氮肥偏生产力是以产量与施氮量的关系来衡量氮肥利用率的指标，反映的是作物吸收土壤中的氮和施用氮肥后引起的边际效应；氮吸收利用率反映了植株对投入氮素的吸收效果；氮生理利用率表示吸收氮素后转化为稻谷产量的效率；氮素转运效率表示抽穗后植株氮素积累的转化效率。由表2可知，随着施氮量的增加，氮吸收利用率、氮生理利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮素转运效率逐渐降低。其中各施氮水平下氮吸收利用率差异不显著，N3处理下氮生理利用率显著低于N1、N2处理，N3处理下氮肥农学利用效率显著低于N1处理。各施氮水平下氮肥偏生产力表现为N1>N2>N3，处理间差异显著。N3处理下氮素转运效率显著小于N1处理。品种间盐粳218的氮吸收利用率最高，显著高于盐粳456、盐丰47。盐丰47氮生理利用率最高，显著高于其他品种；盐粳218的氮生理利用率最低，显著低于其他品种。品种间氮肥农学利用率和氮肥偏生产力差异不显著。盐丰47的氮素转运效率最高，其次为盐粳933、盐粳22，显著高于其他品种。氮肥和品种对氮吸收利用率和氮素转运效率的影响未达显著水平，氮生理利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力受施氮水平影响达极显著或显著水平，且氮肥的影响大于品种的影响(值大于品种)。氮生理利用率显著受品种影响，因此区分品种间的氮肥利用率可以参考氮生理利用率的差异。

表2 不同氮肥水平下的水稻氮肥利用率

2.3 各生育时期氮素积累量的比较

随着生育进程的推进，不同氮肥水平下各品种的氮素积累总量逐渐增加(表3)，施肥处理下氮积累总量显著高于未施肥处理。随着施氮量的增加，各生育时期氮积累总量总体呈上升趋势。齐穗期N0处理的穗部吸氮比例显著高于其他处理，N1、N2、N3处理间差异不显著。成熟期N0处理氮收获指数显著高于N3处理。各生育时期氮素积累量极显著地受施氮水平影响，同时超过品种因素的影响；品种显著影响拔节期和齐穗期茎叶氮积累总量，极显著影响齐穗期穗部吸氮比例、成熟期茎叶氮积累总量和氮收获指数。品种间盐粳218的拔节期氮积累总量、齐穗期茎叶氮积累量、齐穗期氮积累总量、成熟期茎叶氮积累量、成熟期氮积累总量最高，其中拔节期氮积累总量和成熟期茎叶氮素积累量显著高于其他品种，而各品种间齐穗期和成熟期穗部氮积累量无显著差异，因此盐粳218齐穗期的穗部吸氮比例和成熟期氮收获指数最低。即盐粳218虽然在各生育时期氮积累总量高，但在齐穗后氮素积累主要集中在茎叶部(营养体)，因此氮收获指数低。盐丰47表现为有效分蘖临界期、成熟期氮积累总量较低，拔节期和齐穗期氮积累总量、齐穗期和成熟期茎叶部吸氮量最低，齐穗期穗部吸氮比例较高，成熟期穗部氮素积累量最高，氮收获指数最高，氮收获指数显著高于其他品种。即虽然盐丰47成熟期氮积累总量不高，但穗部氮积累总量最高，氮素积累主要集中在穗部，因此氮收获指数最高。除了盐丰47、盐粳218外，其他品种间氮收获指数无显著差异。

表3 不同品种不同氮肥水平下各生育时期氮素积累量

2.4 各生育时期各品种的叶绿素与氮平衡指数

叶绿素SPAD值与水稻单位面积叶绿素含量、含氮量呈极显著正相关，有研究认为，SPAD值可以作为耐低氮种质的筛选指标。Dualex4氮平衡指数测量仪能快速、准确、无损测定田间作物相对叶绿素含量(SPAD值)、氮平衡指数(NBI)，并以此评估氮肥状况，可及时进行氮肥管理。当植物氮肥状态良好，氮平衡指数越大；当植物营养不平衡，产生的多酚(类黄酮)较多，生产的叶绿素较少，NBI较低。由表4可知，各生育时期施氮处理的SPAD值、NBI显著高于未施氮处理，随着施氮量的增加，拔节期的NBI逐渐增加。品种之间，移栽期各品种的SPAD值、NBI差异不显著。盐粳939分蘖期和拔节期的SPAD值、拔节期和齐穗期的NBI最高。盐粳22分蘖期、拔节期的SPAD值、NBI最低，齐穗期盐丰47的SPAD值、NBI最低。分蘖期、拔节期和齐穗期的SPAD值和NBI极显著受氮肥和品种影响，且氮肥影响大于品种。

表4 不同氮处理下各生育时期SPAD值与NBI

2.5 光合作用的比较

由表5可知，各氮肥水平下，净光合速率、气孔导度、胞间CO浓度、蒸腾速率均表现为N2>N1>N3>N0，其中，N2、N1处理下净光合速率差异不显著，显著高于N0处理；N1、N3处理净光合速率差异不显著。品种之间净光合速率表现为盐粳939>盐丰47>盐粳933>盐粳218>盐粳456=盐粳22，其中盐粳939与盐丰47、 盐粳933与盐粳218、盐粳456与盐粳22间差异不显著。盐粳939的气孔导度、胞间CO浓度、蒸腾速率最大，其次为盐粳218。净光合速率、气孔导度、胞间CO浓度、蒸腾速率极显著受氮肥和品种影响，且受氮肥的影响更大。

表5 不同氮肥处理与品种间光合作用的比较

2.6 氮肥利用率与产量的相关关系

由表6可知，氮吸收利用率与氮肥农学利用率呈极显著正相关关系，与氮肥偏生产力呈显著正相关，与氮生理利用率、氮收获指数呈负相关，相关性不显著。氮收获指数与氮生理利用率呈极显著正相关，与成熟期氮积累总量呈显著负相关，与产量呈显著正相关。氮生理利用率与成熟期氮积累总量呈极显著负相关，氮肥农学利用率与氮肥偏生产力呈极显著正相关。氮转运效率分别与氮肥农学利用率和氮肥偏生产力呈显著、极显著正相关关系，与氮吸收利用率、氮生理利用率、氮收获指数呈正相关关系。

表6 氮肥利用率与产量的相关关系

2.7 各生育时期SPAD值、NBI与氮素积累量的关系

由表7可知，各生育时期的SPAD值、NBI可以较好地反映水稻各生育阶段的氮素积累量，其中分蘖期的SPAD值与拔节期氮积累量呈显著正相关，与氮收获指数呈显著负相关。拔节期的SPAD值、NBI均与分蘖期氮积累量呈极显著正相关，与拔节期氮积累量呈显著正相关。齐穗期NBI与齐穗期茎叶氮积累量、齐穗期总积累量呈显著正相关，齐穗期SPAD值、NBI与分蘖期氮积累总量、拔节期氮积累总量、成熟期茎叶氮积累量、成熟期氮积累总量呈显著或极显著正相关，与氮收获指数呈极显著负相关。

表7 各生育时期SPAD值、NBI与氮素积累量的相关关系

3 结论与讨论

3.1 盐粳系列水稻产量、氮肥利用率及氮素积累特性的差异

本试验结果表明，氮肥的施用对水稻的产量、穗数、氮生理利用率、氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力、各生育时期氮素积累量、光合特性和移栽后叶片的SPAD值与NBI有显著或极显著影响，且超过品种的影响。品种分别对氮收获指数和氮生理利用率有极显著和显著影响。品种间，盐粳22、盐丰47的产量显著大于盐粳218，其他品种间无显著差异。盐丰47各生育时期氮积累总量不高，但成熟期氮素积累主要集中在穗部，氮收获指数最高，显著高于其他品种。盐丰47氮吸收利用率不高，但氮生理利用率、氮素转运效率、氮收获指数最高，氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力较高，说明该品种虽然氮吸收能力较弱，但具有较高的氮素利用能力、氮素转运能力和将吸收的氮素转化为稻谷(产量)的能力。盐粳218氮吸收利用率高，但氮生理利用率和氮收获指数最低，各生育时期氮积累总量较高，但齐穗后氮素积累主要集中在茎叶部，未能将积累的氮素转移至穗部实现增产。

3.2 氮高效水稻品种的筛选指标

氮高效品种具有在低氮、高氮条件下均能吸收利用较多的氮素，具有较高的氮肥利用率，收获较多的产量，高效型品种(系)对解决高产稳产、提高氮肥利用率、减少氮肥过量施用带来的土壤生态环境问题有重要意义。前人关于氮高效品种筛选以产量为主要评价指标，兼顾氮肥利用率。目前筛选氮高效水稻品种在氮肥水平的设置上没有统一的标准，尤其关于低氮水平的设置。零氮处理下，水稻品种的遗传力和品种特性得不到充分表现，同时也不符合生产实际，零氮设置的目的更多是为了计算肥料利用率。高氮的设置可以是各自基因型最适宜的氮肥水平或者是最高生产力水平，而低氮水平的设置更多是依赖研究者对生产实践、生产效益和品质的考量。因此，受氮肥水平影响较小，受品种显著影响的氮收获指数无疑是筛选氮高效水稻品种的重要考量指标。同时，由于氮肥吸收利用率和氮生理利用率的矛盾，氮收获指数可以协调两者的关系，因此生产中应选择高产和高氮收获指数的水稻品种，协调氮高效吸收和高效利用的关系。结合产量、氮肥利用率、氮收获指数，盐丰47为氮高效水稻品种，盐粳218为氮低效品种，盐粳939、盐粳22、盐粳456、盐粳933为中间型品种。另外齐穗期的SPAD值、NBI能够较好反映叶片的营养状态和各生育时期的氮素积累量，但氮高效水稻品种可能将吸收的氮素更多地转移到穗部，相对的叶片含氮量较少，同时又能保持较高的光合速率和光合功能期，因此齐穗期SPAD值、NBI不能直接作为氮高效品种筛选指标，甚至本试验条件下与氮收获指数有极显著负相关关系。这也与前人的研究结论吻合，即高叶绿素含量并不是叶片高光合速率的必需条件，适当降低水稻叶绿素含量有利于提高光合速率和光合氮素利用效率，可以考虑选育叶绿素含量适中的品种从而提高光合效率和光氮利用效率。