黃淮稻區水稻品種氮肥利用效率比較分析

孫志廣，王寶祥，劇成欣，楊 波，邢運高，徐 波，劉 艷，代慧敏，李景芳，遲 銘，劉金波，李 健，陳庭木，盧百關，方兆偉，徐大勇*

(1 江蘇徐淮地區連云港農業科學研究所/江蘇省現代作物生產協同創新中心，連云港 222006；2 揚州大學，江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室，江蘇揚州 225009)

水稻作為一種非常重要的禾谷類作物，是世界上最重要的糧食作物之一，為30多億人提供日常所需約50%的卡路里[1，2]。隨著世界人口的不斷增長，確保糧食安全已是本世紀全人類面臨的最大挑戰之一。Godfray等人預測到2050年，世界的總人口將達到史無前例的90億[3，4]。因此，利用有限的土地資源生產更多的稻谷，將關系到我國乃至全球的糧食安全。

氮素作為農業生產中主要的限制性營養因子，對維持作物產量、提高糧食品質具有重要意義[5]。在我國，從1980年的14 000萬噸到2017年21 200萬噸，稻谷產量增加了51%，但與此同時，農用化肥施用折純量(從1269萬噸到5859萬噸)也增加了3.6倍多(國家統計局http：//data.stats.gov.cn)。然而，在施入的氮肥總量中，水稻能有效利用的只有30%～40%，其余氮肥通過各種物理化學過程流失到大氣、地下水和河流中，最終導致水體和土壤的破壞以及氧化亞氮等溫室氣體濃度上升[6，7]。因此，作物生產必須同時兼顧環境和經濟因素，以確保氮肥的有效利用，實現可持續的生產。

黃淮稻區(黃河以南淮河以北，不包括京津浙)是我國第二大優質粳稻生產區，常年種植面積達100多萬公頃，每年生產約100億公斤水稻。當地多數農民根據自己的經驗施用追肥，忽視追肥的適宜用量和施用時期，大量氮肥施入稻田。過量氮肥的施用不僅沒有提高水稻產量，還導致氮肥利用效率顯著降低。提高作物施氮效率，不僅可以提高作物產量，增加農民收入，還可以減輕化肥過量施用帶來的環境污染。本研究以18個適合黃淮稻區種植的粳稻品種為研究對象，設置4種施氮量處理，觀察不同施氮條件下各品種主要農藝性狀、產量及氮肥農學利用率等的變化，以期明確適宜黃淮稻區的水稻品種對氮肥響應的特點，為培育和利用氮高效品種提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

試驗材料共18份，分別來源于天津、北京、江蘇、河南、山東、浙江和安徽的中熟中粳品種(表1)，各品種均能在連云港正常抽穗結實。

試驗于2018年在連云港市農業科學院東辛農場試驗基地(119°9′E，34°35′N)進行。前茬作物為小麥，耕作層有機質、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀的含量分別為25.3 g/kg、1.51 g/kg、35.1 mg/kg、350.2 mg/kg和336.2 mg/kg。小區地勢平坦，肥力均勻，排灌方便。各品種于5月14日播種，6月21日移栽，10月10日收獲。行株距20.0 cm×16.7 cm，雙本栽插。

表1 參試水稻品種及其來源

試驗采用雙因素裂區設計，以N0(不施氮)、N225(N225 kg/hm2)、N300(N300 kg/hm2)和N375(N375 kg/hm2)為主區，品種為副區。小區面積8 m2，完全隨機區組設計，每裂區2次重復。將氮肥折合成純氮按基肥、分蘗肥和穗肥分次施入，比例為4∶2∶4。于移栽前3 d，按照360 kg/hm2和240 kg/hm2的施用量分施磷肥(P2O512%)和鉀肥(K2O 60%)。按照常規高產栽培措施進行大田管理。

1.2 測定項目及方法

在水稻成熟期，按照水稻種質資源描述規范，每小區取代表性植株5株，測定株高、有效穗數、穗長、每穗粒數、穗實粒數、千粒重、單株谷重。

1.3 數據分析

利用Excel 2010進行數據整理，SPSS 22.0軟件進行描述性統計、相關分析、聚類分析、主成分分析和綜合評價。

計算公式如下：

氮肥農學利用率(kg/kg) = (施氮區籽粒產量-氮空白區籽粒產量)/施氮量；

氮肥偏生產力(kg/kg) = 籽粒產量/施氮量；

隸屬函數分析：R(Xi，j)=(Xi，j-Xi，min)/(Xi，max-Xi，min)，i=1，2，…，n；

D值為第i個水稻品種在不同氮水平下的綜合評價指數。

2 結果與分析

2.1 主要性狀統計與分析

性狀變異系數是衡量觀測值變異程度的統計量，可以為育種家進行品種目標性狀改良時提供參考[8]。對18個品種在不同施氮水平下的主要性狀變異進行統計(表2)，可以看出在4種施氮水平下，各品種間氮肥農學利用率存在較大差異，變異系數為23.77%～27.89%；結實率和生育期變異水平較小，均在2.5%以下。與對照相比，3種施氮處理下各品種的結實率和氮肥偏生產力顯著下降，其余農藝性狀均表現為顯著升高。穗長、每穗粒數、單株谷重等農藝性狀隨著施氮量的增加呈現先增加后降低的趨勢。

根據偏度和峰度判斷數據的正態性，結果表明，隨著施氮量的增加，各個農藝性狀多呈現偏態分布。

續表2

統計量施氮量/(kg/hm2)平均值最小值最大值偏斜度峰度標準差變異系數/%氮肥偏生產力225.0041.5736.1947.450.11-0.953.438.26300.0034.0828.1438.93-0.30-0.913.409.97375.0025.1621.2531.901.030.752.8611.38氮肥農學利用率225.0012.375.5318.76-0.480.733.2626.33300.0014.627.1919.93-0.69-0.243.4823.77375.0010.567.0117.981.311.612.9527.89

2.2 氮素利用效率與其他性狀的關系

通過分析氮肥農學利用率與主要農藝性狀的關系可以看出(表3)，各品種在不同氮處理條件下，氮肥農學利用率與有效穗數(r=0.315*)、結實率(r=0.282*)、單株谷重(r=0.544**)和氮肥偏生產力(r=0.442**)呈顯著正相關。氮肥偏生產力與結實率(r=0.475**)呈顯著正相關，與株高(r=-0.310*)、全生育期(r=-0.332*)呈顯著負相關。單株谷重與株高(r=0.690**)、有效穗數(r=0.692**)、每穗粒數(r=0.368**)、穗長(r=0.344**)呈極顯著正相關，與結實率(r=-0.472**)呈顯著負相關；每穗粒數與株高(r=0.459**)、穗長(r=0.723**)、單株谷重(r=0.344**)呈顯著正相關，與結實率(r=-0.459**)和千粒重(r=-0.348**)呈顯著負相關；有效穗數與株高(r=0.396**)、全生育期(r=0.293**)、單株谷重(r=0.692**)呈顯著正相關，與結實率(r=-0.394**)呈顯著負相關。

表3 不同施氮量下水稻種質各性狀的相關系數

注：*表示在0.05水平上相關性顯著，**表示在0.01水平上相關性顯著。上三角數字表示相關系數r值，下三角數字表示P值。

2.3 K-均值聚類分析

采用K-均值聚類法，以氮肥農學利用率為變量對各品種進行聚類，并對分組結果進行性狀特征分析。參試的18個品種被分為3組(表4)，利用SPSS 22.0軟件對分組結果進行方差與多重比較分析，結果表明：組內各性狀差異不顯著，組間差異明顯，多性狀差異達顯著水平。其中在N225條件下，第1組有2個品種，第2組有15個品種，第3組有1個品種(中作1401)，表明在低氮肥水平條件下，大部分品種氮肥農學利用率差異較小；在N300條件下，每組分別有4、11和3個品種，在N375條件下，第1組有8個品種，第2組有8個品種，第3組有2個品種(連粳7號和連粳16117)，表明在高氮肥水平條件下，各品種間氮肥農學利用率出現了分化。通過比較分析，在3種施氮處理條件下，連粳16117的氮肥農學利用率均處于較高的水平，表明該品種對氮肥的耐受性較好，在各種氮肥條件下，均能顯著增加產量。

表4 不同施氮量下水稻種質氮素利用效率性狀聚類分析

2.4 主成分分析

主成分分析是一種研究變量關系的方法，各變量對主成分的影響程度可以通過變量對主成分的得分進行判斷，貢獻率大的變量對主成分的影響也大[9]。本研究以各品種氮肥農學利用率以及其他農藝性狀數據為基礎，利用SPSS 22.0統計軟件，以主成分特征值大于1為標準[10]，計算出各主成分的特征向量和貢獻率(表5)。從表5可知，本研究抽提的3個主成分的累計貢獻率高達70.88%，能夠代表原始變量的絕大部分信息。在主成分1中，有效穗數的特征向量值最大，其次是氮肥農學利用率和結實率，而穗長的特征向量值為負；在主成分2中，單株谷重的特征向量最大，其次是氮肥偏生產力，而千粒重的特征向量為負且絕對值較大；在主成分3中，全生育期擁有最大的特征向量值，而結實率有較高的負值。

表5 水稻種質各性狀主成分的特征向量及貢獻率

2.5 品種綜合評價

根據參試的18份種質對應的特征向量，利用隸屬度函數進行歸一化處理[11]，各主成分的隸屬函數值如表6所示。經計算，第一、二和三主成分的權重分別為43.64%、37.40%、18.97%(表5)。根據綜合指數D值大小對其氮肥利用效率進行強弱排序(表6)。由表6可見，連粳16117、連粳15號和新糧12號綜合評價指數(D值)較高(0.87、0.75、0.75)，評價為綜合氮肥利用效率較高。而隆運7100和精華153綜合指數(D值)較低(0.18，0.20)，評價為綜合氮肥利用效率較弱。

表6 各水稻種質的主成分值、隸屬函數值及綜合評價值(D值)

3 討論

氮素是植物生長發育的重要元素，施用氮肥可以顯著提高水稻的產量。我國是世界上最大的水稻生產國和消費國，同時也是一個氮肥高投入的國家[12，13]。我國單季稻每公頃用氮量約為180 kg，在有些地區甚至超過300 kg[14，15]。由于氮肥的過量施用，大多數水稻產區的水稻產量增長緩慢或停滯不前，氮肥利用率極低，對環境的破壞十分明顯。現代農業追求更高的產量、更高的氮肥利用率和最小的環境污染，因此，提高糧食產量必須通過更有效地使用氮肥而不是依靠增加氮肥的投入來實現。實踐證明，培育氮肥利用率更高的品種是減少水稻生產中氮肥投入的有效途徑[16]。

前人研究表明，相對于普通施氮或高氮水平，水稻在施低氮情況下，氮肥農學利用率以及氮肥偏生產力與株高、每穗粒數、有效穗數和單株谷重的相關性更為密切[17]。隨著施氮水平的提高，水稻植株氮素積累量迅速增加，但施氮超過225 kg/hm2后，多數水稻品種氮素吸收量不再增加[18]。如果仍繼續過量施用氮肥則會導致無效分蘗的增加、千粒重的下降，進而導致產量及多種農藝性狀呈現下降的趨勢。本研究利用適宜黃淮稻區的18個品種為材料，研究了這些品種在田間4個氮肥處理條件下的農藝性狀差異，發現株高、有效穗數和全生育期與施氮量呈正相關關系，結實率和氮肥偏生產力與施氮量呈負相關關系，穗長、每穗粒數、千粒重、單株谷重、氮肥農學利用率等性狀多表現為N300>N375>N225>N0，這些結果與前人研究結果基本一致[19]。同時利用K-均值聚類分析，并結合隸屬度函數進行歸一化處理，對不同品種進行比較，結果發現不同品種間物質生產和積累方式各不相同，氮素利用率存在明顯差異。具體表現為綜合評價指數連粳16117最高，其次為連粳15號和新糧12號。

前人研究表明，在華中地區的試驗中，低氮處理下，氮效率表現較好的品種多是有效穗數較多的品種，穗粒數適中；在高氮下產量表現較好的品種多是大穗型品種，即穗粒數多，穗數適中[20，21]。本研究中綜合表現最好的3個品種中，連粳16117、新糧12號和連粳15號的有效穗數在所有品種中位列前三，連粳16117相比連粳15號和新糧12號擁有較高的每穗粒數。同時本研究利用主成分分析發現：有效穗數的特征值為第1主成分中的最大值，這也突出顯示了有效穗數在不同氮肥條件下對水稻品種的重要影響。同時，本研究利用相關分析證明：在不同施氮水平下，氮肥農學利用率分別與有效穗數、結實率和單株谷重呈極顯著正相關，氮肥偏生產力分別與株高、結實率和全生育期呈極顯著的正相關。

開展水稻氮高效利用研究對于氮高效品種的選育和利用具有重要的指導意義。本研究發現，在未施氮或低氮水平下，單株谷重與有效穗數、每穗粒數的相關性比高氮水平更為密切，說明未施氮或低氮水平更適合于耐低氮種質的選擇，同時也說明未施氮或施低氮條件下有效穗數和穗粒數較多的材料，一般產量較高。因此，應在低氮條件下開展高氮肥利用率水稻品種選育，注重選擇有效穗數和每穗粒數并重、單株谷重較高的株系。通過多重比較分析，本研究發現，在不同氮肥處理條件下，不同品種的氮肥利用率的變化差異顯著，比如寧7618在不施氮和低氮(N0和N225)條件下，單株谷重、氮肥偏生產力和氮肥農學利用率較高，而有些品種如連粳15號則在普通施氮(N300和N375)條件下擁有較高的單株谷重、氮肥偏生產力和氮肥農學利用率。因此，在利用氮高效品種時，首先要掌握品種在氮素吸收利用方面的特征特性，有針對性地指導種植者合理施肥，確保在提高氮肥利用效率的同時達到增產的效果。