不同施氮水平下6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥利用率分析

劉廣林，吳子帥，羅群昌，李 虎，朱其南，李秋雯，陳傳華

(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣西水稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西水稻優(yōu)質(zhì)化育種研究人才小高地，廣西 南寧 530007)

【研究意義】我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國和消費(fèi)國，同時(shí)也是氮肥投入量較大的國家之一，但目前我國稻田氮肥利用率不足40 %[1-2]。稻田過量施氮不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本，還會(huì)造成肥料利用率降低、環(huán)境污染和病蟲害加劇等一系列問題[3-4]。“十三五”以來，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出到2020年我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥農(nóng)藥零增長的目標(biāo)，迫切需要通過轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式來實(shí)現(xiàn)。水稻是廣西重要的糧食作物之一，常年播種面積約占全區(qū)糧食總播種面積60 %[5]；隨著種植結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)整及消費(fèi)市場需求的變化，外觀品質(zhì)與食味品質(zhì)俱佳的優(yōu)質(zhì)常規(guī)水稻品種在廣西的種植面積逐步擴(kuò)大，廣西也育成了一批產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)的常規(guī)稻品種[6]。因此，開展廣西主栽或新育成優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種氮肥利用率研究，對優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)中有效選用氮高效利用品種及促進(jìn)廣西優(yōu)質(zhì)稻產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】迄今，關(guān)于提高稻田氮肥利用率的研究重點(diǎn)集中在如何降低田間氮素?fù)p失、實(shí)施新的施肥方法以改變氮肥形態(tài)、探索最適施肥時(shí)期及最佳施肥量等方面[1]。水稻氮肥的吸收與利用存在顯著基因型差異[3，7-8]，越來越多的研究者試圖通過育種手段提高氮肥利用率，其中在水稻氮高效種質(zhì)資源篩選及評價(jià)方面國內(nèi)已有較多報(bào)道[9-13]，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所等多家科研單位已開展從高世代育種材料中進(jìn)行氮高效品種選育的研究[14-15]，國際水稻研究所在20世紀(jì)90年代初期已開始篩選耐低氮種質(zhì)資源并將其用于育種[16-18]。氮肥高效利用同時(shí)受環(huán)境因素、試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法等影響，國際上對氮高效水稻品種評價(jià)的常用指標(biāo)包括氮肥生理利用率(PE)、氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AE)、氮肥吸收利用率(RE)和氮肥偏生產(chǎn)力(PFP)[2]，但國內(nèi)在氮高效水稻品種評價(jià)方面未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[2，19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，針對廣西主栽或新育成優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種不同施氮水平下氮肥利用率的研究鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析評價(jià)6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在不同施氮水平下的氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率及氮肥偏生產(chǎn)力，并比較不同施氮水平下各品種的產(chǎn)量差異，為優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)上選用氮高效利用品種及合理減施氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年晚造在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)田塊多年來一直種植水稻，其基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)34.7 g/kg，全氮1.67 g/kg，水解性氮79.0 mg/kg，有效磷7.2 mg/kg，速效鉀185.0 mg/kg，pH 6.0。供試水稻品種為本課題組前期在土壤較貧瘠、低肥條件下篩選獲得且產(chǎn)量表現(xiàn)較高的6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種及1個(gè)對照(CK)品種。其中，桂香18(V1)為香型高產(chǎn)品種，桂育12(V2)為小粒高產(chǎn)品種，桂育9號(V3)、桂育11號(V4)、桂育18(V5)和桂育8號(V6)為長粒高產(chǎn)品種，柳沙油占202(V7)為廣西區(qū)試對照品種。供試氮肥為尿素(總N含量以46.2 %計(jì)，四川天華股份有限公司生產(chǎn))，磷肥為過磷酸鈣(有效P含量以16.0 % 計(jì)，云南金星化工有限公司生產(chǎn))，鉀肥為氯化鉀(K2O含量以60.0 %計(jì)，中化化肥有限公司生產(chǎn))。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為施氮水平，裂區(qū)為品種。主區(qū)11.2 m×3.2 m，用塑膠擋板插入泥土中并用塑料薄膜包裹作分隔防止串水串肥，主區(qū)間間隔0.4 m；裂區(qū)內(nèi)以行區(qū)設(shè)置，每個(gè)品種種植10行，每行15株，株距20.0 cm×13.0 cm，單苗插秧，3次重復(fù)，共設(shè)12個(gè)主區(qū)。設(shè)4個(gè)施氮水平：不施氮(施純氮0 kg/hm2)、施中低氮(施純氮112.5 kg/hm2)、施常氮(施純氮150.0 kg/hm2)和施高氮(施純氮187.5 kg/hm2)，依次為N0、N7.5、N10.0和N12.5處理，各處理磷肥施用量均為P2O567.5 kg/hm2，鉀肥施用量均為K2O 157.5 kg/hm2。磷肥作基肥一次性施入，鉀肥于移栽后12和40 d分別按60 %和40 %施入，氮肥于移栽后第5、12和40天分別按30 %、45 %和25 %施入，其他田間管理措施同一般大田。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法 產(chǎn)量測定：各小區(qū)除去非正常植株后按實(shí)際收獲株數(shù)計(jì)小區(qū)產(chǎn)量，換算成公頃產(chǎn)量(按3.75×105株/hm2計(jì)，下同)；考種：水稻成熟后按五點(diǎn)取樣法從各小區(qū)取5株代表性植株作為考種材料，調(diào)查每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重，有效穗數(shù)按10株的平均數(shù)計(jì)；氮含量測定：以五點(diǎn)取樣法獲取稻株，先每株抽取1個(gè)主穗作為測氮樣品，將莖稈與穗分開，分別裝入信封后置于烘箱105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，粉碎過篩，樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消化后，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(KJELTEC 8420)測定植株和谷物的全氮含量(委托廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院進(jìn)行測定)；其他植株的莖稈與穗分開，分別裝入信封后置于烘箱105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，用于測定單株谷物干重和單株莖稈干重?參考張福鎖等[20]的方法計(jì)算氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。

谷物產(chǎn)量(kg/hm2)=單株產(chǎn)量(kg)×3.75×105株/hm2

植株總氮含量(kg/hm2)=谷物總氮含量(kg/hm2)+莖稈總氮含量(kg/hm2)

氮肥生理利用率(PE，kg/kg)=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-無氮區(qū)作物產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株總吸氮量-無氮區(qū)植株總吸氮量)

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AE，kg/kg)=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-無氮區(qū)作物產(chǎn)量)/氮肥施用量

氮肥吸收利用率(RE， %)=(施氮區(qū)植株總吸氮量-無氮區(qū)植株總吸氮量)/氮肥施用量×100

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP，kg/kg)=施氮區(qū)作物產(chǎn)量/氮肥施用量

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，以DPS v9.01進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 法檢測差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率、吸收利用率和偏生產(chǎn)力

由表1可知，除CK外，各供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥生理利用率均以N7.5處理最高，且隨著施氮量的增加而逐漸降低；各供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥農(nóng)學(xué)利用率均以N7.5處理最高，且均顯著高于N12.5處理(P<0.05，下同)。V2、V4和V5的氮肥吸收利用率在各施氮處理下均無顯著差異(P>0.05，下同)，V1的氮肥吸收利用率在N10.0處理下最高，且顯著高于N12.5處理；V3的氮肥吸收利用率在N7.5處理下最高，顯著高于N10.0處理；V6的氮肥吸收利用率在N12.5處理下最高，顯著高于N7.5處理，但與N10.0處理差異不顯著，N10.0處理下6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種中氮肥吸收利用率最低的是V3(34.19 %)。值得注意的是，各施氮處理下V7(CK)的氮肥吸收利用率均大于40.00 %。各供試品種的氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的增加而顯著降低。說明在本研究土壤背景下，通過增施氮肥對水稻產(chǎn)量的增加作用逐漸降低，但各品種即使在高氮處理(N12.5)下也能保持較高的氮肥偏生產(chǎn)力水平，其中N12.5處理V6的偏生產(chǎn)力最低(38.06 kg/kg)。

表1 不同施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥生理利用率(PE)、氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AE)、氮肥吸收利用率(RE)和氮肥偏生產(chǎn)力(PFP)

2.2 不同氮肥利用效率評價(jià)指標(biāo)下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的排序表現(xiàn)

以生產(chǎn)上常用的氮肥施用量(純氮150.0 kg/hm2)處理(N10.0)為研究對象，分析該施氮處理下供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在各氮肥利用效率評價(jià)指標(biāo)下的排序情況。從圖1可看出，供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥生理利用率排序?yàn)閂2>V4>V5>V3>V1>V7>V6(圖1-A)，氮肥農(nóng)學(xué)利用率排序V2>V4>V5>V1>V7>V3>V6(圖1-B)，氮肥吸收利用率排序?yàn)閂1>V7>V4>V6>V2>V5>V3(圖1-C)，氮肥偏生產(chǎn)力排序?yàn)閂5>V4>V3>V1>V2>V6>V7(圖1-D)，表明各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在不同氮肥利用率評價(jià)指標(biāo)間的排序不一致，不同指標(biāo)僅能反映氮素吸收與利用的不同側(cè)面。

2.3 不同施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的產(chǎn)量表現(xiàn)

由表2可知，各供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的產(chǎn)量均以施氮處理顯著高于不施氮處理(N12.5處理的V6除外)；V1、V2、V3和V4的產(chǎn)量在N7.5、N10.0和N12.5處理間無顯著差異；V5的產(chǎn)量在N10.0處理下最高，且顯著高于N12.5處理，但與N7.5處理差異不顯著；V6的產(chǎn)量在N7.5處理下最高，與N10.0處理差異不顯著，但顯著高于N12.5處理?？梢?，供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在施用中低氮時(shí)已具有較高的產(chǎn)量潛力，在施氮112.5 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量已達(dá)或超過施氮150.0和187.5 kg/hm2時(shí)的產(chǎn)量。進(jìn)一步分析可知，6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在N7.5處理下的產(chǎn)量均顯著高于V7(CK)在N7.5處理的產(chǎn)量，且明顯高于V7(CK)在N10.0和N12.5處理下的產(chǎn)量，說明這6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在氮肥施用量減少25 %以上時(shí)，仍可獲得較高產(chǎn)量，符合化肥減施增效目標(biāo)要求。

A：氮肥生理利用率值的排序；B：氮肥農(nóng)學(xué)利用率值的排序；C：氮肥吸收利用率值的排序；D：氮肥偏生產(chǎn)力值的排序；圖柱上數(shù)字1～7表示供試品種在各氮肥利用率評價(jià)指標(biāo)下的排序 A：Ranking under physiological efficiency；B：Ranking under agronomic efficiency；C：Ranking under recovery efficiency；D：Ranking under partial factor productivity. The numbers 1-7 on the bar indicate ranking of each variety under different evaluation indexes of nitrogen efficiency圖1 各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在不同氮肥利用效率評價(jià)指標(biāo)下的排序情況Fig.1 Ranking of tested high-quality conventional rice varieties under different evaluation indexes ranking of nitrogen efficiency (N10.0)

表2 不同施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的產(chǎn)量表現(xiàn)

表3 不同施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的產(chǎn)量構(gòu)成因子

2.4 不同施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的產(chǎn)量構(gòu)成因子表現(xiàn)

由表3可知，供試優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的有效穗數(shù)均以施氮處理高于不施氮處理，除N7.5處理下的V3外，其差異均達(dá)顯著水平；各施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的每穗粒數(shù)差異不顯著；施氮處理的結(jié)實(shí)率除V2顯著高于不施氮處理外，其他優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種與不施氮處理均無顯著差異；施氮處理的千粒重除V4顯著高于不施氮處理外，其他優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種與不施氮處理均無顯著差異?？梢?，在本研究土壤背景下，施氮和不施氮處理下各優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的產(chǎn)量差異主要由有效穗數(shù)不同而引起。從表3還可看出，V1、V2、V4和V6的有效穗數(shù)在N7.5、N10.0和N12.5處理下均無差異顯著，V3的有效穗數(shù)在N7.5處理和N10.0處理下差異不顯著，V5的有效穗數(shù)在N7.5處理和N12.5處理下差異不顯著，而V7(CK)的有效穗數(shù)隨著施氮量的增加而顯著增加，表明本研究中的6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在施中低氮時(shí)的有效穗數(shù)與多數(shù)施常氮或高氮時(shí)差異不顯著，即這6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在施用中低氮(N7.5)條件下能保持較高的有效穗數(shù)，是其在中低氮水平下仍保持高產(chǎn)的主要原因。

3 討 論

水稻氮肥利用率由遺傳因素決定，同時(shí)也受土壤、氣候等環(huán)境因子和田間肥水管理的影響[21]。已有研究表明，適宜的氮肥施用量、施肥時(shí)間及施肥方法，能有效提高氮肥利用率[22]，但僅以此為研究目標(biāo)不能充分發(fā)揮作物本身利用氮肥的潛能，篩選氮高效利用水稻品種并研究其適宜的氮肥施用量，才是提高氮肥利用率最經(jīng)濟(jì)有效的方式，但在利用氮高效水稻種質(zhì)資源并成功獲得生產(chǎn)上的氮高效水稻品種方面至今未見大面積應(yīng)用的研究報(bào)道，可能與尚未形成統(tǒng)一的水稻氮高效品種評價(jià)指標(biāo)有關(guān)。本研究在上述背景下開展6個(gè)廣西主栽或新育成優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥利用率及產(chǎn)量表現(xiàn)分析，旨在為優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻生產(chǎn)上選用氮高效利用品種及合理減施氮肥提供科學(xué)依據(jù)。

張福鎖等[20]研究認(rèn)為，21世紀(jì)初期我國一方面化肥資源短缺，另一方面土壤肥力普遍低下，糧食作物增施氮肥的增產(chǎn)效果明顯，氮肥吸收利用率能很好地反映作物對氮肥的吸收狀況，但當(dāng)前上述兩方面均已發(fā)生明顯變化，不能再單純利用氮肥吸收利用率評價(jià)作物對氮肥的利用效果。本研究發(fā)現(xiàn)，各施氮處理下柳沙油占202的氮肥吸收利用率均大于40.00 %，但以柳沙油占202的產(chǎn)量進(jìn)行分析，該品種并不屬于氮高效利用品種。通過綜合分析國內(nèi)外評價(jià)氮肥利用率的10個(gè)指標(biāo)，將其分為七類，并認(rèn)為各類指標(biāo)都只能反映氮肥吸收與利用的不同側(cè)面，同一品種在不同評價(jià)指標(biāo)間的排序不完全一致，本研究結(jié)果與其相似。氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥吸收利用率受供試土壤基礎(chǔ)肥力和施氮水平影響較大，氮肥偏生產(chǎn)力則未考慮土壤地力對試驗(yàn)品種產(chǎn)量的影響[19]，因此，單純利用某個(gè)或個(gè)別指標(biāo)評價(jià)氮肥利用率存在片面性。張亞麗等[23]、黃農(nóng)榮等[24]研究認(rèn)為，在低氮和高氮水平下均獲得高產(chǎn)的水稻品種與平均產(chǎn)量高的水稻品種相比，屬于氮高效品種，但這些氮高效品種僅是相對于同一批試驗(yàn)材料而言。張福鎖等[20]研究表明，在全國糧食主產(chǎn)區(qū)平均施純氮150.0 kg/hm2條件下，179個(gè)試驗(yàn)樣本中氮肥吸收利用率平均值為28.3 %。武良等[25]對我國主要農(nóng)作物施氮(化肥氮)量、產(chǎn)量和氮效率(氮肥偏生產(chǎn)力)的研究結(jié)果表明，華南地區(qū)水稻在高氮水平(大于180.0 kg/hm2)下，氮肥偏生產(chǎn)力從2000-2003年的33.8 kg/kg下降到2008-2009年的32.2 kg/kg，呈增氮減效的變化趨勢。本研究中的6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在施氮150.0 kg/hm2條件下氮肥吸收利用率均在34.19 %以上，高于張福鎖等[20]報(bào)道的同一施氮水平下的全國平均值；在高氮條件下，6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的氮肥偏生產(chǎn)力均大于38.06 kg/kg，高于武良等[25]報(bào)道的華南地區(qū)平均值。此外，這6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種在施用中低氮時(shí)的產(chǎn)量能達(dá)到或超過其在施常氮或高氮時(shí)的產(chǎn)量，顯著高于廣西區(qū)試同熟組CK品種柳沙油占202在施常氮試的產(chǎn)量，符合水稻生產(chǎn)的減肥增效需求。本研究還發(fā)現(xiàn)，不施氮肥和施氮肥水稻產(chǎn)量的差異，主要因有效穗數(shù)不同而引起，但不施氮處理?xiàng)l件下桂育12的結(jié)實(shí)率和桂育11號的千粒重顯著降低，是否因這2個(gè)品種對氮素的響應(yīng)與其他品種存在差異，尚有待進(jìn)一步探究。

本研究綜合分析6個(gè)優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種的4項(xiàng)氮肥利用率指標(biāo)，并以產(chǎn)量作為評價(jià)氮高效利用品種的重要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將氮肥利用率反映到稻谷產(chǎn)量上，符合水稻育種及生產(chǎn)推廣實(shí)際。氮在作物體內(nèi)從源到庫的吸收、重組、同化利用是個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程[26]，廣西各地的地域環(huán)境、土壤條件等各不相同，在本研究土壤背景下的研究結(jié)果是否普遍適用廣西其他水稻種植區(qū)域，還需在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上進(jìn)行多年多點(diǎn)試驗(yàn)予以證實(shí)。

4 結(jié) 論

優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻品種桂香18、桂育12、桂育9號、桂育11號、桂育18和桂育8號的氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力較高，在施中低氮(112.5 kg/hm2)時(shí)的產(chǎn)量能達(dá)到或超過施常氮(150.0 kg/hm2)和高氮(187.5 kg/hm2)時(shí)的產(chǎn)量，且顯著高于廣西區(qū)試同熟組CK品種在施常氮時(shí)的產(chǎn)量，屬于氮高效利用型品種，符合生產(chǎn)上推廣的氮高效品種產(chǎn)量要求，在生產(chǎn)上推廣種植這些品種時(shí)可適當(dāng)減施氮肥。