冯 洋， 陈海飞， 胡孝明， 周 卫， 徐芳森， 蔡红梅*

(1 华中农业大学， 农业部长江中下游耕地保育重点实验室， 湖北武汉 430070；2 黄冈师范学院化学与生命科学学院， 湖北黄冈 438000； 3 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081)

1 材料与方法

1.1 试验材料

大田试验土壤为水稻土，盆栽试验土壤为黄棕壤。由两种土壤的基础理化性质(表2)可以看出，2012年大田土壤与2011年相比，有机质、全氮、速效磷、碱解氮和CEC都有所增加。盆栽试验所用土壤的各项指标低于大田水稻土。

1.2 试验设计

2011年大田试验的34个水稻品种，按一季中稻种植。试验设2个处理，低氮(N 60 kg/hm2，LN)和正常氮(N 180 kg/hm2，NN)，小区以行区设置，每品种每小区种植8行，每行10株，栽插密度26 cm × 13 cm，每处理3个重复。2012年大田试验，以2011年大田试验筛选出来的2个氮高效品种(广两优35和徽两优6号)和3个氮低效品种(秀水134、五丰优7025和富稻2号)为研究材料，按一季中稻种植，试验设2个处理，低氮(N 45 kg/hm2，LN)和正常氮(N 225 kg/hm2，NN)，小区以行区设置，每品种每小区种植12行，每行12株，栽插密度26 cm × 13 cm，每处理3个重复。磷、钾肥用量相同，分别为P2O590 kg/hm2、 K2O 120 kg/hm2。氮肥所用肥料为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。磷、钾肥均作基肥一次施入，氮肥按基 ∶蘖 ∶穗为40 ∶30 ∶30的比例施用。

表1 供试水稻品种

表2 试验地土壤的理化性状

2012年盆栽试验，水稻品种为2011大田试验筛选出来的2个氮高效品种(广两优35和徽两优6号)和2个氮低效品种(秀水134和五丰优7025)。每个品种种植5盆(5个重复)，每盆种植5株，每盆装土10 kg。试验设低氮(N 0.05 g/kg土， LN)和正常氮(N 0.25 g/kg土，NN)两个处理。磷肥用量为 P2O50.20 g/kg土，钾肥用量为 K2O 0.20 g/kg土。磷、钾肥均作基肥一次施入，氮肥40%作基施、 30%分蘖肥、 30%穗肥。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 测产与考种 水稻成熟期从每个小区随机取5株水稻作为考种材料，调查单株产量、穗数，每穗粒数、结实率和千粒重。然后将每个小区单打单收，田间直接测定产量； 取1 kg水稻籽粒样品，烘干后计算含水量，再通过含水量折算出实际产量。盆栽试验取每盆所有水稻进行考种，脱粒后直接称重测产，再通过含水量折算出实际产量。

1.3.2 氮含量测定 植株样品整株取样装网袋放入烘箱中于105℃杀青后，降温至75℃烘干至恒重，粉碎，过20目筛。样品经H2SO4-H2O2消煮后，定容，过滤，采用流动注射分析仪(FIAstar5000, Sweden)测定植株全氮含量。

1.3.4 数据处理 试验数据采用Microsoft Excel 2007软件和SPSS 17.0数据处理系统进行统计分析。

计算公式为：

氮效率=低氮处理产量/正常氮处理产量

氮累积量=干物质量×含氮率×100%

理论产量=穗数×穗粒数×千粒重×结实率

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种不同氮处理下的产量及其氮效率

表3结果表明，不同水稻品种在低氮和正常氮条件下的籽粒产量和氮效率存在显著性差异。在2011年大田试验中，34个品种正常氮处理产量大多高于低氮处理的产量。通过对氮效率的分析发现，徽两优6号、广两优35和天优华占3个品种具有较高的氮效率，分别达到1.11、1.02和1.00，因此选择这三个品种作为氮高效品种进行后续试验。而秀水134、富稻2号和五丰优7025的氮效率较低，分别为0.55、0.61和 0.61，选择其作为氮低效品种作为后续试验。 2012年大田和盆栽试验获得的结果一致(表4、表5)，由表4可知，实际产量和理论产量均表现出徽两优6号和广两优35的产量和氮效率较高，秀水134、五丰优7025和富稻2号的氮效率较低。由表5可知，2012年盆栽与大田试验呈现出一致的结果，但由于盆栽试验土壤养分含量较低，总体产量和氮效率值偏低。经过两年大田和盆栽试验筛选，确定广两优35和秀水134分别作为氮高效材料和氮低效材料。

表3 2011年大田筛选各品种产量及其氮效率

2.2 不同水稻品种不同氮处理下产量构成因子

不同水稻品种产量构成因子有很大差异(表6、表7)，正常氮处理下，各构成因子大多高于低氮处理。表6显示，不同品种干物质量在正常氮处理下，徽两优6号和广两优35两个品种较高，均达到120 g/plant；而在低氮处理下，同样具有较高的干物质量，与产量法计算的氮效率结果一致。通过对氮高效品种和低效品种产量构成因子的分析发现，在低氮条件下，氮高效品种的穗数和穗粒数以及千粒重均较高。2012年的盆栽试验(表7)中，正常氮条件下，氮高效品种广两优35在穗数，穗粒数和千粒重上均显著高于其它3个品种，而高效品种徽两优6号与另外两个低效品种并无显著差异；在低氮胁迫下，高效品种的每穗粒数和千粒重显著高于其它两个低效品种，广两优35在穗数上也高于低效品种。高效品种的结实率没有显著性差异。在2012年大田试验中，在正常氮条件下，高效品种广两优35的穗数、千粒重均显著高于低效品种，其它品种差异不显著，甚至氮低效品种的穗粒数显著高于高效品种；在低氮条件下，高效品种的产量构成因子均普遍高于低效品种，其中广两优35的穗数、穗粒数、千粒重以及结实率均高于或显著高于其它3个品种。这也说明，氮高效品种在低氮条件下具有较高的氮素吸收利用效率，从而获得较多的穗数，增加谷壳库容量，并获得较高的产量。

表4 2012年大田试验水稻各品种产量及其氮效率

表5 2012年盆栽试验水稻各品种产量及其氮效率

表6 2011年大田试验各品种干物质量与产量构成因子

2.3 不同水稻品种各生育时期叶片的SPAD值

表8和表9结果表明，不同品种正常氮处理的叶片SPAD值均显著高于低氮处理。而叶片SPAD值随着水稻生育期的推进呈现先升高后降低的趋势。表8显示，2012年大田试验中，低氮处理下氮高效品种在同一生育时期其SPAD值普遍高于或者显著高于低效品种。在正常氮条件下，徽两优6号的SPAD值显著高于低效品种，高效品种广两优35与低效品种秀水134并无显著性差异。2012年盆栽试验中，正常氮处理下，高效品种叶片SPAD值略高于低效品种；表8中，在低氮处理下，广两优35和徽两优6号两个高效品种的SPAD值高于或显著高于五丰优7025和秀水134两个低效品种。由表9可以看出，2012年盆栽试验与大田试验的结果基本一致，盆栽试验同一时期，同一处理的SPAD值低于大田试验。

表7 2012年大田与盆栽试验各品种产量构成因子

表8 2012年大田实验筛选不同水稻品种各生育时期叶片SPAD值

表9 2012年盆栽实验筛选不同水稻品种各生育时期叶片SPAD值

2.4 不同水稻品种各时期地上部氮累积量

表10结果表明，同一水稻品种，相同处理的不同时期的氮素累积量随着水稻生育期的推进不断增加。在正常氮处理下，不同生育期，高效品种与低效品种间，普遍没有显著性差异，仅低效品种秀水134，显著低于其它几个品种；而在低氮处理下，在分蘖期，高效品种与低效品种并无显著性差异，甚至高效品种徽两优6号氮素累积量还要低于低效品种；但在灌浆期和成熟期，两个高效品种的氮素累积量高于或显著高于低效品种。这表明在低氮处理下，在水稻生育期前期，氮高效品种与氮低效品种相比并没有显著的氮素吸收利用优势；但是在水稻生育期后期，氮高效品种表现出较高的氮素累积优势。

表10 2012年大田试验不同水稻品种地上部氮累积量(mg/plant)

3 讨论与结论

水稻利用氮素的效率包括氮吸收效率(N uptake efficiency)和氮利用效率(N utilization efficiency)[12]。其中，植物氮吸收量 与供氮量之比为氮吸收效率；而谷粒产量与氮吸收量之比为氮素利用效率[13]。根据现有的研究，氮素利用效率的筛选宜采用苗期和全生育期相结合的方法。苗期水稻氮高效的筛选应将缺氮和正常氮下的比值，即相对指标，如相对干物重、相对SPAD值和相对分蘖数3个指标结合起来考虑，以减少单一指标鉴定可能带来的误差。全生育期水稻氮高效以谷粒产量、地上部干物质量和单株分蘖数作为筛选指标是可行的[14]。曾健敏等研究表明，全生育期鉴定是在筛选的基础上对氮高效基因型做出准确判断(未发表)。在水稻分蘖期，以相对分蘖率作为指标，并结合SPAD值，相对简单，但是有时候不是很可靠。例如本试验中低效品种秀水134虽然在各生育期SPAD值均高于或显著高于氮高效品种，但是氮效率值很低，干物质量和产量也不高。虽然干物重也能区分不同基因型的差异，但由于其受不同材料和生育期以及其它因素的影响，而且种植水稻最终的目标是产量，因此，同样考虑和产量构成因素有关的指标比较可靠。在收获期，经济产量能综合反映不同水稻品种对氮的吸收、利用和转运效率的差异，且生产中操作简单，同时可以避免不同材料本身遗传背景的差异。综上所述，本试验以产量作为筛选指标，对各水稻品种进行了全生育期筛选。

SPAD测定仪是近年来欧美一些国家在田间施用氮肥中推荐使用的一种新型便携式测定仪器, 可快速、简便、无损地测定植物叶片的叶绿素相对含量，进而反映作物的氮营养状况[22]。由于叶片氮素含量与光合速率及干物质生长密切相关，因此在一个生长季内，叶片氮素含量可以较灵敏地反映作物对氮的需求动态，叶片氮含量对生物产量的贡献很大，叶片氮含量和水稻单叶光合速率呈正相关[23]。叶片氮通过叶面积大小影响群体光合作用效率。植物氮含量高可延缓叶片衰老，延长光合作用时间[24]。本试验通过测定水稻高效品种和低效品种不同时期的SPAD值(表8、表9)，发现在水稻生育前期，低氮条件下，高效品种并没有太大的叶片氮积累优势。但是在穗分化期之后，高效品种的氮积累优势才显示出来，两个高效品种的叶片SPAD值要显著高于低效品种。由表10可看出，不同时期氮素累积量也呈现与叶片SPAD值相同的结果。在低氮胁迫下，高效品种在分蘖期和穗分化期的氮素累积量与低效品种并无显著性差异，甚至高效品种徽两优6号在分蘖期还要低于低效品种(表10)。但是灌浆期后，高效品种氮素累积量显著高于低效品种，这也表明不同水稻品种在水稻生育前期吸收利用效率差异不显著，但是在后期高效品种具有更强的利用效率，从而能够促进氮素向籽粒的转移，增大库容量，促进灌浆，进而提高产量。

本研究中34个供试水稻品种均为我国南方的主推水稻品种，筛选的目的是筛选在南方中、低产田下种植氮效率较高的品种。不同品种的生育期有长有短，适宜栽培环境也不尽相同，这都不影响对适宜于中、低产水稻田的水稻品种氮效率的评价。但如果推广应用，应该在该品种的主推地区做进一步验证。在施肥设计上，2011年试验的正常氮处理是根据对试验地农民往年施肥量的调查而设置的，而低氮处理按照低氮和正常氮的比例为1 ∶3设定的。试验结果中出现个别品种氮效率大于1，可能的原因有两个：一方面是因为低氮处理的水稻田靠近保护行，在施肥的时候可能出现窜水窜肥，导致其实际氮素投入量增多；另一方面可能是因为氮高效品种本身有较高的氮素吸收利用能力。2012年的试验，根据2011年的试验结果(表3)，天优华占、巴利拉以及皖稻153虽然氮效率均高于Q优6号，但籽粒产量却远低于后者。所以我们考虑到是否是有些品种需要的适宜施氮量较高，而低氮胁迫的程度较低？另外一方面是在2012年的方案中，增加了正常氮处理，设定为N 225 kg/hm2，并且以正常氮 ∶低氮为5 ∶1，降低低氮施氮量，加强氮素胁迫，从而继续进行筛选。此外，与2011年相比，2012年试验地基础土壤理化性质中有机质等部分指标含量有所提高，可能是由于在水稻收割后，留在水稻田中的秸秆以及部分收获秸秆留在田间腐熟所致。

通过对大田与盆栽试验高、低效品种产量及其构成因子、地上部氮素累积量的分析发现，高效品种比低效品种具有较高的氮素利用效率。从表6和表7可以看出，与低效品种相比，高效品种具有较高的穗数和穗粒数。穗数与穗粒数的乘积就是总颖花数，而水稻群体质量和产量均与总颖花数密切相关。高效品种地上部氮素累积量显著高于低效品种(表10)，是因为高效品种具有更强的氮素吸收能力，可促进其自身的营养生长和发育。综上所述，高效品种不仅具有较强的氮素吸收能力，同时也具有较高的氮素利用效率，这也是高效品种在产量上明显优于低效品种的主要原因。

本研究通过对南方主推品种进行氮效率筛选，通过在低氮条件下不同水稻品种产量及其产量构成因素等指标，筛选出氮高效品种和低效品种各一个，并将继续开展试验，探索高、低效品种的基因型差异，从而为水稻氮高效品种的育种打好基础。氮素吸收和利用是十分复杂的生物学过程，尽管前人做了很多研究，但需要解决的问题还有很多，如氮素利用效率的遗传规律，高效利用氮素的生理机制等等。我们将在现有的基础上进一步探索。

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