砂姜黑土區(qū)花生氮高效種質(zhì)資源篩選研究

姜 濤倪皖莉*朱曉峰王 嵩夏利娟謝明惠任學(xué)祥

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;2.安徽省臨泉縣城關(guān)街道辦農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站,安徽 臨泉 236400;3.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全研究所,安徽 合肥 230031)

氮作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素,是植物組織中蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等有機(jī)大分子的組成成分[1],也是花生生長(zhǎng)發(fā)育所必需大量營(yíng)養(yǎng)元素之一,與花生生理代謝、產(chǎn)量和品質(zhì)等密切相關(guān)[2]。中國(guó)是世界上氮肥施用量最高的國(guó)家之一,農(nóng)民為提高作物產(chǎn)量而過量增加氮肥施用量[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界上氮肥使用占每年肥料消耗的60%左右,而我國(guó)每年氮肥施用量超過0.26億t,但是氮肥當(dāng)季利用率僅為35%左右,遠(yuǎn)低于世界平均水平[5-6]。氮肥施入過量,不僅造成資源浪費(fèi),增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,而且氮素的流失和淋溶導(dǎo)致地下水體污染和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化,對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成一定的威脅[7-9]。因此,提高作物氮肥利用率對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[10]。篩選和培育氮高效品種是提高氮肥利用率的有效途徑之一[11-13]。對(duì)作物而言,氮效率是以產(chǎn)量為終極目標(biāo)的[14],氮高效品種可在特定施氮水平下獲得高產(chǎn)[15]。

花生是我國(guó)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物之一,安徽省花生常年種植面積約20萬(wàn)hm2,是全國(guó)重要的花生生產(chǎn)區(qū)域之一[16],其中70%以上的花生種植在淮北平原砂姜黑土中低產(chǎn)田地區(qū)[17],目前有關(guān)砂姜黑土區(qū)花生氮高效品種的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以春播花生為研究對(duì)象,通過田間試驗(yàn),從花生種質(zhì)資源中篩選適應(yīng)砂姜黑土區(qū)的氮高效利用基因型花生品種,以期為花生氮肥減施增效、氮高效育種及遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在安徽省固鎮(zhèn)縣良種繁殖場(chǎng)進(jìn)行。項(xiàng)目區(qū)位于淮北平原,地處亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶,暖溫帶半濕潤(rùn)氣候,兼有南北方過渡類型的氣候特點(diǎn)。年平均氣溫14.9℃,多年平均降水量為872.7 mm,雨量年際變化大,降水年內(nèi)分配不均。年平均無霜期215 d,日照2 170 h。

供試土壤為砂姜黑土,耕層0～20 cm 基礎(chǔ)養(yǎng)分含量:有機(jī)質(zhì)16.74 g/kg,p H 6.44,全氮1.12 g/kg,堿解氮53.8 mg/kg,速效鉀(K)166.5 mg/kg,速效磷(P)19.7 mg/kg。春播地塊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種見表1,采用大田試驗(yàn),設(shè)高氮(high nitrogen,HN:300 kg/hm2)、中氮(medium nitrogen,MN:150 kg/hm2)、低氮(low nitrogen,LN:60 kg/hm2)三個(gè)施氮水平,裂區(qū)設(shè)計(jì),氮肥為主處理,不同基因型花生品種為副處理。磷、鉀肥(P2O5、K2O)施用量分別為105 kg/hm2、105 kg/hm2。氮、磷、鉀肥分別使用尿素(46%N)、過磷酸鈣(12%P2O5)、氯化鉀(60%K2O),所有肥料于整地前作為基肥一次性施入。小區(qū)面積為10.2 m2(4.0 m×2.55 m),2次重復(fù)。4月26日機(jī)械起壟,人工播種,壟距85 cm,壟上播2行,行距25 cm,播種密度15萬(wàn)穴·hm-2,每穴播種2粒。播種前1 d用30%辛硫磷微膠囊懸浮劑及多菌靈拌種,播種后即打封閉(乙草胺)。5月10日出苗,9月3日收獲。生育期按常規(guī)大田管理。

表1 供試花生種質(zhì)資源Table 1 Peanut germplasm resources used for the experiment

1.3 性狀測(cè)定

于9月3日每小區(qū)選取5個(gè)典型穴,每穴2株,進(jìn)行株高、側(cè)枝長(zhǎng)、分枝數(shù)、結(jié)果枝數(shù)、單株飽果數(shù)、單株總果數(shù)性狀的調(diào)查,曬干后進(jìn)行百果質(zhì)量、百仁質(zhì)量的考察,并稱量5穴干果質(zhì)量,計(jì)算單株生產(chǎn)力。9月3日各小區(qū)實(shí)收測(cè)產(chǎn),記錄測(cè)產(chǎn)株數(shù),曬干后稱量測(cè)產(chǎn)區(qū)域的莢果質(zhì)量,折合單產(chǎn)。氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN,kg/kg),指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量,即PFPN=Y/F(Y 為施氮后所獲得的籽粒產(chǎn)量,F代表氮肥的投入量)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及作圖,SPSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下花生主要農(nóng)藝性狀的表型差異

不同花生品種對(duì)氮素的吸收利用過程不盡相同,在氮素的吸收利用過程中每個(gè)品種都具有一定的優(yōu)勢(shì)性狀。表2可見,高氮處理下參試花生主要農(nóng)藝性狀的表型值大于中氮處理和低氮處理。參試品種的主要農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)在高氮水平下變化范圍為4.82%～25.09%,其大小順序依次為:單株飽果數(shù)＞單株生產(chǎn)力＞單株分枝數(shù)＞側(cè)枝長(zhǎng)＞百果質(zhì)量＞主莖高＞百仁質(zhì)量＞出仁率;在中氮水平下變異系數(shù)為5.49%～24.92%,其大小順序依次為:單株生產(chǎn)力＞單株飽果數(shù)＞單株分枝數(shù)＞百仁質(zhì)量＞百果質(zhì)量＞側(cè)枝長(zhǎng)＞主莖高＞出仁率;在低氮水平下變異系數(shù)為4.93%～32.70%,其大小順序依次為:單株飽果數(shù)＞單株生產(chǎn)力＞單株分枝數(shù)＞百仁質(zhì)量＞主莖高＞側(cè)枝長(zhǎng)＞百果質(zhì)量＞出仁率。在三個(gè)施氮水平中,單株生產(chǎn)力和單株飽果數(shù)兩個(gè)性狀表型值的變異系數(shù)相對(duì)于其他性狀的變異系數(shù)都是較高的。變異程度是衡量篩選指標(biāo)是否適宜的重要依據(jù),變異程度越大,說明該性狀指標(biāo)越有利于基因型差異的顯示[18]。

表2 三個(gè)施氮水平下參試品種主要農(nóng)藝性狀的表型差異Table 2 Variance of the main agronomical characters of the tested varieties under three levels of N supply

2.2 不同施氮水平下花生產(chǎn)量差異性變化

養(yǎng)分效率的定義為單位養(yǎng)分投入量條件下的作物產(chǎn)量,而養(yǎng)分高效品種是指在特定的養(yǎng)分供應(yīng)條件下產(chǎn)量較高的品種[19]。

花生氮高效種質(zhì)資源是在施用同樣數(shù)量的氮肥條件下,能獲得較高生物產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的品種。參照張亞麗[20]的方法,本試驗(yàn)以所有參試品種產(chǎn)量的平均值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),參試品種產(chǎn)量高于平均值的則認(rèn)為是氮高效品種。由表3可知,在低氮水平下的氮高效品種編號(hào)有:PZ-002、PZ-007、PZ-008、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-015、PZ-018、PZ-019、PZ-020、PZ-022共11個(gè)品種;在中氮水平下的氮高效品種編號(hào)有:PZ-002、PZ-006、PZ-007、PZ-008、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-014、PZ-017、PZ-018、PZ-020、PZ-022共12個(gè)品種;在高氮水平下的氮高效品種編號(hào)有:PZ-002、PZ-003、PZ-007、PZ-008、PZ-009、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-017、PZ-018、PZ-019、PZ-020、PZ-022共13個(gè)品種。不同氮肥處理?xiàng)l件下參試品種間產(chǎn)量差異顯著。

表3 三個(gè)施氮水平下參試品種產(chǎn)量情況Table 3 Yield of the tested varieties under three levels of N supply

三組不同施氮水平下,品種產(chǎn)量以中氮處理的平均產(chǎn)量最高,大小順序?yàn)橹械幚恚靖叩幚恚镜偷幚?。在不同氮水平處理?品種產(chǎn)量較各組產(chǎn)量平均值增幅10%以上的品種編號(hào)分別為:低氮水平處理中有PZ-008 增幅10.90%、PZ-010增幅16.90%和PZ-013增幅16.05%;中氮水平處理中有PZ-010增幅22.15%、PZ-011增幅10.40%、PZ-013增幅17.77%、PZ-020增幅14.50%和PZ-022增幅12.58%;高氮水平處理中有PZ-003增幅10.10%、PZ-008增幅10.93%、PZ-017增幅16.18%、PZ-020增幅23.93%和PZ-022增幅27.25%。

2.3 不同施氮水平下花生氮肥偏生產(chǎn)力差異性變化

肥料偏生產(chǎn)力(partial fertilizer productivity,PFP)指單位投入的肥料所能生產(chǎn)作物的產(chǎn)量,是反應(yīng)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應(yīng)的指標(biāo),在一定程度反映了生產(chǎn)一定產(chǎn)品需要付出的化肥代價(jià),對(duì)施肥的宏觀決策有一定指導(dǎo)意義[21]。

表4可見,不同施氮水平下,高氮處理所有參試品種氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of nitrogen,PFPN)均值23.64,中氮處理PFPN 均值47.86,低氮處理PFPN 均值114.39,PFPN 大小順序?yàn)?低氮處理＞中氮處理＞高氮處理,不同氮肥處理?xiàng)l件下參試品種間PFPN差異顯著。

表4 三個(gè)施氮水平下參試品種氮肥偏生產(chǎn)力情況Table 4 PFPN of the tested varieties under three levels of N supply

2.4 氮高效花生品種資源篩選鑒定

根據(jù)以上分析,以所有參試品種莢果產(chǎn)量平均值作為氮效率分類基準(zhǔn),將參試的所有氮高效品種劃分為三種類型:(一)三高效型:這類品種在高、中、低氮水平下的莢果產(chǎn)量均高于供試品種的莢果產(chǎn)量平均值,主要品種編號(hào)有PZ-002、PZ-007、PZ-008、PZ-010、PZ-011、PZ-013、PZ-018、PZ-020、PZ-022;(二)高氮、中氮雙高效型,這類品種在高、中水平下的莢果產(chǎn)量均高于供試品種的莢果產(chǎn)量平均值,主要品種編號(hào)有PZ-017;(三)單高效型:①高氮高效型,這類品種僅在高氮水平下的莢果產(chǎn)量高于供試品種的莢果產(chǎn)量平均值,主要品種編號(hào)有PZ-003、PZ-009、PZ-019;②中氮高效型,這類品種僅在中氮水平下的莢果產(chǎn)量高于供試品種的莢果產(chǎn)量平均值,主要品種編號(hào)有PZ-014;③低氮高效型,這類品種僅在低氮水平下的莢果產(chǎn)量高于供試品種的莢果產(chǎn)量平均值,主要品種編號(hào)有PZ-015。

3 結(jié)論與討論

氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素及某些維生素和生長(zhǎng)激素的重要組分,對(duì)最終產(chǎn)量的貢獻(xiàn)達(dá)到40%～50%[22-23],是作物生長(zhǎng)代謝的關(guān)鍵影響因子[24]。生產(chǎn)實(shí)踐中,作物高產(chǎn)與氮肥高效利用的矛盾仍然未能得到很好協(xié)調(diào),而提高作物氮肥利用率,篩選和培育氮高效品種是解決問題的有效途徑之一[11-13]。氮肥利用率常用氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力來表示,他們從不同的側(cè)面描述了作物對(duì)氮肥的利用效率[25]。有研究表明氮肥偏生產(chǎn)力隨氮肥施用量的增加呈降低趨勢(shì)[26-27],本試驗(yàn)也得到同樣結(jié)論,隨著氮肥用量的增加氮肥偏生產(chǎn)力逐漸降低,其中高氮水平下氮肥偏生產(chǎn)力最高值是最低值的2.04倍,中氮水平下最高值是最低值的1.70倍,而低氮水平下為1.69倍,說明各施氮水平下不同品種間氮肥偏生產(chǎn)力差異顯著,有利于氮高效品種的篩選。

作物養(yǎng)分效率的實(shí)質(zhì)是單位養(yǎng)分供應(yīng)條件下的作物產(chǎn)量[19],而籽粒作物通常以成熟期的生物量或產(chǎn)量作為篩選氮高效的指標(biāo)[28]。前人做了很多關(guān)于小麥[29]、水稻[30-31]、玉米[32]、油菜[33]等作物氮高效品種篩選方面的研究,本試驗(yàn)總結(jié)前人的研究經(jīng)驗(yàn),以所有參試花生品種在同一氮肥水平下的產(chǎn)量平均值作為氮高效篩選指標(biāo),在相同氮肥水平下產(chǎn)量超過平均值的品種被認(rèn)為是氮高效品種,進(jìn)而篩選出了三高效、雙高效及單高效三種類型的氮高效花生品種共12個(gè)。

作物產(chǎn)量和氮肥利用效率受到品種特性、栽培管理、環(huán)境條件等多方面因素的影響。本試驗(yàn)是對(duì)砂姜黑土區(qū)花生氮高效品種的初步篩選,下一步將增加篩選品種數(shù)量,并用前期篩選出的氮高效利用花生品種研究其氮素積累、吸收利用等生理生化特性,解析氮肥髙效利用機(jī)理,提出可行的協(xié)同提高花生產(chǎn)量和氮肥利用效率的品種篩選及調(diào)控措施,為花生育種、合理施用氮肥及提高氮肥利用效率提供理論依據(jù)。