不同小麥品種產(chǎn)量和氮素吸收利用的差異

王曉婧，代興龍，馬 鑫，董述鑫，張 秀，初金鵬，賀明榮

(作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018)

不同小麥品種產(chǎn)量和氮素吸收利用的差異

王曉婧，代興龍，馬 鑫，董述鑫，張 秀，初金鵬，賀明榮

(作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018)

為明確不同氮肥水平下不同小麥品種產(chǎn)量、氮素吸收和利用的差異，在大田條件下，以山東省主推的21個(gè)小麥品種為材料，研究了0、120、180、240和300 kg·hm-2共5個(gè)氮肥水平下不同小麥品種的產(chǎn)量、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素利用效率等指標(biāo)。結(jié)果表明，氮肥、品種及兩者的互作效應(yīng)顯著影響冬小麥籽粒產(chǎn)量、氮素利用率、氮素吸收效率和利用效率；氮肥水平不同則品種間的氮效率差異程度不同。大部分供試品種的氮效率類型在不同氮肥水平下的聚類結(jié)果不一致，僅臨麥4號(hào)、魯原502、泰山28和山農(nóng)25在各氮肥水平下的產(chǎn)量、氮素利用率均較高，可劃為氮高效品種。氮高效品種達(dá)到高氮效率的途徑不同，臨麥4號(hào)通過(guò)高氮素吸收效率、泰山28通過(guò)高氮素利用效率、魯原502和山農(nóng)25通過(guò)氮素吸收效率和利用效率共同作用實(shí)現(xiàn)氮高效。由此可知，應(yīng)在不同氮肥水平下對(duì)冬小麥品種進(jìn)行產(chǎn)量和氮素利用率的綜合評(píng)價(jià)，以篩選出適應(yīng)不同地力環(huán)境的品種和與品種特性相適應(yīng)的施肥技術(shù)；在氮高效品種的選育和推廣中，應(yīng)針對(duì)不同小麥品種的氮素吸收和利用特性進(jìn)行鑒別和調(diào)控，才能最大程度挖掘和利用其高產(chǎn)、高效潛力，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效。

小麥；氮素利用率；產(chǎn)量；氮素吸收效率；氮素利用效率

氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的重要營(yíng)養(yǎng)元素，合理施用氮肥對(duì)小麥獲得高產(chǎn)至關(guān)重要[1-2]。我國(guó)小麥生產(chǎn)面臨著氮肥施用過(guò)量、增肥不增產(chǎn)、氮素利用率低等問(wèn)題[3-5]。這不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，也容易因?yàn)榈乇韽搅鞫鴮?dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤硝態(tài)氮含量超標(biāo)等環(huán)境問(wèn)題[6-7]。合理施肥、提高氮素利用率對(duì)冬小麥生產(chǎn)具有重要意義。

不同小麥品種的產(chǎn)量和氮素利用率存在著顯著的基因型差異[8-9]。篩選和培育氮高效型小麥品種，挖掘氮高效品種的氮素吸收和利用潛力，是提高小麥氮效率的主要研究方向[10-11]。孫傳范等[12]研究表明，在相同氮肥水平下，不同小麥品種的氮吸收效率受環(huán)境影響較小，而品種間差異較大，即基因型效應(yīng)顯著。李淑文等[13]研究表明，在缺氮條件下，供試小麥品種可劃分為氮高效、中效和低效三種類型，不同氮效率品種在缺氮條件下的氮效率參數(shù)具有顯著差異，氮高效小麥品種具有相對(duì)較高的籽粒產(chǎn)量形成能力和氮效率。前人雖對(duì)不同品種的氮效率進(jìn)行了比較與篩選，但多僅限于同一氮肥水平或缺氮、豐氮肥水平，較少在多個(gè)氮肥水平下，從氮素的吸收和利用兩個(gè)方面分析不同冬小麥品種的氮素利用特性。本試驗(yàn)以山東省主推的21個(gè)小麥品種為供試材料，在大田條件下，研究不同小麥品種在5個(gè)氮肥水平下的產(chǎn)量及氮素吸收、利用的差異，以期明確不同小麥品種的產(chǎn)量和氮素吸收利用特性，為小麥氮高效品種的選育、推廣和栽培技術(shù)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015-2016年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。供試材料為山東省主推的21個(gè)小麥品種，其中，大穗型品種9個(gè)(汶農(nóng)5號(hào)、泰農(nóng)18、臨麥4號(hào)、汶農(nóng)6號(hào)、山農(nóng)23、煙農(nóng)999、泰山24、魯原502、洲元9369)，中穗型品種12個(gè)(泰山28、濟(jì)麥22、山農(nóng)29、山農(nóng)28、山農(nóng)22、良星99、1275品系、山農(nóng)25、煙農(nóng)19、濟(jì)麥20、濟(jì)南17、藁城8901)。設(shè)0、120、180、240、300 kg·hm-2共5個(gè)氮肥水平，分別用N0、N120、N180、N240、N300表示，試驗(yàn)處理共計(jì)105個(gè)。大田試驗(yàn)采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，以氮肥水平為主因素，品種為副因素，三次重復(fù)，小區(qū)面積21 m2。播種方式同本課題組前期研究[14]，大穗型、中穗型品種種植密度分別為375、225萬(wàn)株·hm-2，行距為25 cm。所用氮、磷、鉀肥分別為尿素(含氮46%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O510%)、氯化鉀(含K2O 60%)。各小區(qū)磷、鉀肥施用量均為120 kg·hm-2，作為基肥施用。氮肥基追比為4:6，追肥時(shí)期為拔節(jié)期。播前土壤0～1.00 m無(wú)機(jī)態(tài)氮積累量為107.63 kg·hm-2，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為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。其他田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)麥田。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮含量的測(cè)定

播前按20 cm為一層分5層取0～1.00 m土層土樣，置于自封袋中，于-20 ℃冰凍保存。測(cè)定時(shí)將土壤樣品解凍、混勻，稱12 g，加入50 mL 1 mol·L-1的KCl溶液，振蕩30 min，過(guò)濾取浸提液。采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定提取液硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，并計(jì)算土壤供氮量。

1.2.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測(cè)定

每小區(qū)于成熟期取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致區(qū)域1.5 m2進(jìn)行單位面積穗數(shù)調(diào)查，同時(shí)取30個(gè)單穗進(jìn)行穗粒數(shù)調(diào)查。成熟期在長(zhǎng)勢(shì)均勻的區(qū)域劃定3 m2進(jìn)行人工收割、脫粒，自然風(fēng)干后稱重。計(jì)算單位面積籽粒產(chǎn)量，并進(jìn)行千粒重調(diào)查。

1.2.3 植株氮積累量的測(cè)定

每小區(qū)于成熟期取30個(gè)單莖，分為莖、葉、籽粒、穎殼+穗軸共4個(gè)器官，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干后稱重。不同器官樣品用微型植物粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目篩，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定各器官含氮量，并計(jì)算地上部氮素積累量。

1.2.4 指標(biāo)計(jì)算方法

供氮量=施氮量+播前0～1.00 m土層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮積累量

氮素利用率(nitrogen use efficiency,NUE)= 籽粒產(chǎn)量/供氮量

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

氮素利用效率(nitrogen utilization efficiency,UTE)= 籽粒產(chǎn)量/地上部氮素積累量

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2007和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，運(yùn)用離差平方和法，分別對(duì)不同氮肥水平下供試小麥品種的籽粒產(chǎn)量等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析；采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1不同氮肥水平下供試品種籽粒產(chǎn)量和氮效率相關(guān)指標(biāo)的方差分析

方差分析結(jié)果(表1)表明，品種、氮肥水平及兩者的互作效應(yīng)對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、氮素利用率、氮素吸收效率和氮素利用效率的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，表明氮肥水平和品種顯著影響冬小麥籽粒產(chǎn)量和氮素的吸收、利用，且在不同氮肥水平下品種間的表現(xiàn)不一致。

表1 品種和氮肥水平對(duì)籽粒產(chǎn)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麥品種的籽粒產(chǎn)量及聚類分析結(jié)果

數(shù)據(jù)后H、M和L分別表示高產(chǎn)、中產(chǎn)和低產(chǎn)類型。下同。

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

2.2不同氮肥水平下供試品種的籽粒產(chǎn)量及聚類分析

由表2可見(jiàn)，不同氮肥水平下，不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量均存在差異，在N0條件下，21個(gè)小麥品種籽粒產(chǎn)量的變異系數(shù)為12.2%，極差為2 687.7 kg·hm-2，隨氮肥水平的提高品種間變異系數(shù)與極差呈下降趨勢(shì)，在N300處理下達(dá)到最小，變異系數(shù)和極差分別為6.6%和1 587.3 kg·hm-2。

采用離差平方和法對(duì)不同氮肥水平下供試品種的籽粒產(chǎn)量進(jìn)行聚類分析(圖1)，可將供試小麥品種劃分為高產(chǎn)、中產(chǎn)、低產(chǎn)三類，分別用H、M、L表示。結(jié)果(表2)表明，大部分供試品種的籽粒產(chǎn)量在不同氮肥水平下的類型不同。臨麥4號(hào)(H1)、魯原502(H2)、泰山28(H3)、山農(nóng)25(H4)四個(gè)品種在各氮肥水平下產(chǎn)量均較高，可劃為氮高效品種(H)；汶農(nóng)5號(hào)(L1)、煙農(nóng)19(L2)、濟(jì)麥20(L3)、藁城8901(L4)四個(gè)品種，在各氮肥水平下產(chǎn)量均較低，可劃為氮低效品種(L)，其余品種劃分為氮中效品種(M)。本研究將主要對(duì)4個(gè)氮高效品種和4個(gè)氮低效品種進(jìn)行深入分析，以明確不同氮效率品種氮素吸收及利用效率的差異。

圖1 不同氮肥水平下供試小麥品種籽粒產(chǎn)量的聚類分析

2.3不同品種在各氮肥水平下的氮素利用率(NUE)及聚類分析

采用離差平方和法，依據(jù)供試品種在不同氮肥水平下的NUE，以歐式距離作為相似性尺度進(jìn)行聚類分析，結(jié)果(表3)表明，臨麥4號(hào)(H1)、魯原502(H2)、泰山28(H3)、山農(nóng)25(H4)四個(gè)品種在各氮肥水平下的NUE均表現(xiàn)較高水平；汶農(nóng)5號(hào)(L1)、煙農(nóng)19(L2)、濟(jì)麥20(L3)、藁城8901(L4)四個(gè)品種在各氮肥水平下的NUE均表現(xiàn)較低水平，其他品種在不同氮肥水平下的NUE分類不盡相同，與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)一致。

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

對(duì)供試品種的氮素吸收效率、氮素利用效率在不同氮肥水平下分別進(jìn)行聚類分析。結(jié)果(表4)表明，不同品種的氮素吸收效率和氮素利用效率在各氮肥下的表現(xiàn)與氮素利用率并不一致。4個(gè)高氮素利用率品種獲得高氮素利用率的途徑不盡不同，H1在各氮肥水平下的氮素吸收效率均高于其他品種，但其氮素利用效率均歸為低水平類型(L)，表明H1的高氮素利用率來(lái)自其較高氮素吸收能力，可劃分為吸收高效型品種。H3在各氮肥水平下的氮素吸收效率均歸為中(M)甚至低水平類型，但其氮素利用效率均為高(H)水平類型，表明H3的高氮素利用率來(lái)自其較高氮素利用效率，可劃分為利用高效型品種。而H2和H4在各氮肥水平下的氮素吸收效率和利用效率均處于高或中等水平，雖大于氮低效品種，但在氮高效品種中并無(wú)突出表現(xiàn)，說(shuō)明H2和H4的高氮利用率來(lái)自較高氮素吸收效率和氮素利用效率的共同作用。在4個(gè)低氮素利用率品種中，L1在N0、N120條件下主要是氮素吸收效率低導(dǎo)致氮素利用率偏低，而在N180、N240、N300條件下是氮素吸收和利用效率均低，導(dǎo)致的氮素利用率偏低；L2、L3、L4的氮素利用效率在5個(gè)氮水平下均較低，說(shuō)明氮素利用效率是限制L1、L2、L3獲得高氮素利用率的主要因素。

表3 不同品種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 不同氮效率品種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 討 論

選用氮高效小麥品種并加強(qiáng)氮肥管理是提高小麥氮素利用率的有效措施[15-16]。有關(guān)小麥氮高效品種的篩選已有大量研究。何文壽等[17]在施氮和不施氮兩個(gè)水平下，依據(jù)籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、地上部氮素積累量、籽粒氮素積累量等指標(biāo)，將小麥品種劃分為高速高效類、低速中效類和中速低效類3類。張錫州等[9]在66 mg·kg-1土的氮肥水平下，把供試材料按成熟期植株單位氮素積累量所能生產(chǎn)的干物質(zhì)或籽粒產(chǎn)量從低到高依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5 種類型，不同生育時(shí)期氮素生產(chǎn)效率在類型間的差異均達(dá)顯著水平。以往在篩選和分析氮高效品種的研究中，通常僅針對(duì)同一氮素水平或只設(shè)置缺氮和豐氮兩種氮素水平，對(duì)不同小麥品種在多個(gè)氮肥水平下氮效率的研究較少，且前人研究多以氮素整體利用或已吸收氮素的利用能力進(jìn)行分類，較少關(guān)注氮素的吸收和再利用兩個(gè)過(guò)程。

本研究表明，供試小麥品種在不同氮肥水平下籽粒產(chǎn)量、氮素利用率具有明顯差異，大部分供試品種在不同氮肥水平下的籽粒產(chǎn)量和氮素利用率聚類不同，表明供試品種產(chǎn)量潛力和氮效率發(fā)揮受供氮水平的影響較大?？梢?jiàn)，不能僅在某一特定氮肥水平來(lái)評(píng)價(jià)小麥產(chǎn)量和氮效率，應(yīng)該在不同氮肥水平下進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以篩選出適應(yīng)不同地力環(huán)境的品種和與之相適應(yīng)的施肥技術(shù)，這與Gaju等[18]的研究結(jié)果基本一致。臨麥4號(hào)、魯原502、泰山28、山農(nóng)25在各氮肥水平下均具有較高的籽粒產(chǎn)量和氮素利用率，此類品種的選育，更有利于不同地力水平下配套簡(jiǎn)化栽培技術(shù)的集成與推廣。不同小麥品種間不僅存在顯著的氮效率差異，也存在顯著地氮素吸收和利用效率的差異[19-20]，同一氮效率類型的冬小麥品種，達(dá)到高氮效率的途徑亦不盡相同[21-22]。王樹(shù)亮等[23]在高、低兩種地力下根據(jù)氮素利用效率，將30個(gè)供試小麥品種劃分為5類，并對(duì)氮高效品種進(jìn)行了篩選。童依平等[24]對(duì)12個(gè)冬小麥品種的研究表明，低氮條件下吸收效率和利用效率的共同影響導(dǎo)致品種間產(chǎn)量存在差異，在高氮條件下主要受吸收效率影響。本研究根據(jù)籽粒產(chǎn)量所篩選的4個(gè)氮高效品種在各氮肥水平下均具有較高的氮素利用率，但各氮肥水平下，高氮素利用率的實(shí)現(xiàn)途徑不同，臨麥4號(hào)主要是依賴于較高的氮素吸收效率實(shí)現(xiàn)的高氮素利用率，而泰山28則主要是依賴較高的氮素利用效率實(shí)現(xiàn)氮高效，其他兩個(gè)品種的氮素吸收效率和利用效率在各品種間均處于中等水平。因此，對(duì)不同小麥品種氮效率差異進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)對(duì)氮素吸收效率與氮素利用效率進(jìn)行綜合分析，在氮高效品種的選育和推廣中，應(yīng)針對(duì)不同小麥品種氮素的吸收和利用特性進(jìn)行鑒別和調(diào)控，才能最大程度挖掘其高產(chǎn)、高效潛力，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)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

時(shí)間：2017-08-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170808.0911.020.html

2017-01-20

2017-02-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300400); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB150404)

E-mail：sdwangxiaojing@126.com

賀明榮(E-mail:mrhe@sdau.edu.cn)

S512.1；S311

： A

：1009-1041(2017)08-1065-07