砂姜黑土區花生氮高效種質資源篩選研究

姜 濤倪皖莉*朱曉峰王 嵩夏利娟謝明惠任學祥

(1.安徽省農業科學院作物研究所/安徽省農作物品質改良重點實驗室,安徽 合肥 230031;2.安徽省臨泉縣城關街道辦農業綜合服務站,安徽 臨泉 236400;3.安徽省農業科學院植物保護與農產品質量安全研究所,安徽 合肥 230031)

氮作為植物生長發育所必需的大量元素,是植物組織中蛋白質、核酸、葉綠素等有機大分子的組成成分[1],也是花生生長發育所必需大量營養元素之一,與花生生理代謝、產量和品質等密切相關[2]。中國是世界上氮肥施用量最高的國家之一,農民為提高作物產量而過量增加氮肥施用量[3-4]。據統計,世界上氮肥使用占每年肥料消耗的60%左右,而我國每年氮肥施用量超過0.26億t,但是氮肥當季利用率僅為35%左右,遠低于世界平均水平[5-6]。氮肥施入過量,不僅造成資源浪費,增加農業生產成本,而且氮素的流失和淋溶導致地下水體污染和湖泊富營養化,對生態環境和農業可持續發展構成一定的威脅[7-9]。因此,提高作物氮肥利用率對中國農業可持續發展具有重要意義[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]。對作物而言,氮效率是以產量為終極目標的[14],氮高效品種可在特定施氮水平下獲得高產[15]。

花生是我國重要的油料作物和經濟作物之一,安徽省花生常年種植面積約20萬hm2,是全國重要的花生生產區域之一[16],其中70%以上的花生種植在淮北平原砂姜黑土中低產田地區[17],目前有關砂姜黑土區花生氮高效品種的相關研究鮮有報道。本試驗以春播花生為研究對象,通過田間試驗,從花生種質資源中篩選適應砂姜黑土區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。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在安徽省固鎮縣良種繁殖場進行。項目區位于淮北平原,地處亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶,暖溫帶半濕潤氣候,兼有南北方過渡類型的氣候特點。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 基礎養分含量:有機質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 試驗設計

供試品種見表1,采用大田試驗,設高氮(high nitrogen,HN:300 kg/hm2)、中氮(medium nitrogen,MN:150 kg/hm2)、低氮(low nitrogen,LN:60 kg/hm2)三個施氮水平,裂區設計,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。小區面積為10.2 m2(4.0 m×2.55 m),2次重復。4月26日機械起壟,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。生育期按常規大田管理。

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

1.3 性狀測定

于9月3日每小區選取5個典型穴,每穴2株,進行株高、側枝長、分枝數、結果枝數、單株飽果數、單株總果數性狀的調查,曬干后進行百果質量、百仁質量的考察,并稱量5穴干果質量,計算單株生產力。9月3日各小區實收測產,記錄測產株數,曬干后稱量測產區域的莢果質量,折合單產。氮肥偏生產力(PFPN,kg/kg),指單位投入的肥料氮所能生產的作物籽粒產量,即PFPN=Y/F(Y 為施氮后所獲得的籽粒產量,F代表氮肥的投入量)。

1.4 數據分析

運用Excel進行數據計算及作圖,SPSS數據處理系統進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平下花生主要農藝性狀的表型差異

不同花生品種對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品種都具有一定的優勢性狀。表2可見,高氮處理下參試花生主要農藝性狀的表型值大于中氮處理和低氮處理。參試品種的主要農藝性狀的變異系數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＞單株生產力＞單株分枝數＞側枝長＞百果質量＞主莖高＞百仁質量＞出仁率;在中氮水平下變異系數為5.49%～24.92%,其大小順序依次為:單株生產力＞單株飽果數＞單株分枝數＞百仁質量＞百果質量＞側枝長＞主莖高＞出仁率;在低氮水平下變異系數為4.93%～32.70%,其大小順序依次為:單株飽果數＞單株生產力＞單株分枝數＞百仁質量＞主莖高＞側枝長＞百果質量＞出仁率。在三個施氮水平中,單株生產力和單株飽果數兩個性狀表型值的變異系數相對于其他性狀的變異系數都是較高的。變異程度是衡量篩選指標是否適宜的重要依據,變異程度越大,說明該性狀指標越有利于基因型差異的顯示[18]。

表2 三個施氮水平下參試品種主要農藝性狀的表型差異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量差異性變化

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

花生氮高效種質資源是在施用同樣數量的氮肥條件下,能獲得較高生物產量或經濟產量的品種。參照張亞麗[20]的方法,本試驗以所有參試品種產量的平均值為評價標準,參試品種產量高于平均值的則認為是氮高效品種。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個品種;在中氮水平下的氮高效品種編號有: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個品種;在高氮水平下的氮高效品種編號有: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個品種。不同氮肥處理條件下參試品種間產量差異顯著。

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

三組不同施氮水平下,品種產量以中氮處理的平均產量最高,大小順序為中氮處理＞高氮處理＞低氮處理。在不同氮水平處理下,品種產量較各組產量平均值增幅10%以上的品種編號分別為: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力差異性變化

肥料偏生產力(partial fertilizer productivity,PFP)指單位投入的肥料所能生產作物的產量,是反應土壤基礎養分水平和化肥施用量綜合效應的指標,在一定程度反映了生產一定產品需要付出的化肥代價,對施肥的宏觀決策有一定指導意義[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 大小順序為:低氮處理＞中氮處理＞高氮處理,不同氮肥處理條件下參試品種間PFPN差異顯著。

表4 三個施氮水平下參試品種氮肥偏生產力情況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

根據以上分析,以所有參試品種莢果產量平均值作為氮效率分類基準,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量均高于供試品種的莢果產量平均值,主要品種編號有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、中水平下的莢果產量均高于供試品種的莢果產量平均值,主要品種編號有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量高于供試品種的莢果產量平均值,主要品種編號有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量高于供試品種的莢果產量平均值,主要品種編號有PZ-014;③低氮高效型,這類品種僅在低氮水平下的莢果產量高于供試品種的莢果產量平均值,主要品種編號有PZ-015。

3 結論與討論

氮素是植物體內蛋白質、核酸、葉綠素及某些維生素和生長激素的重要組分,對最終產量的貢獻達到40%～50%[22-23],是作物生長代謝的關鍵影響因子[24]。生產實踐中,作物高產與氮肥高效利用的矛盾仍然未能得到很好協調,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學利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產力來表示,他們從不同的側面描述了作物對氮肥的利用效率[25]。有研究表明氮肥偏生產力隨氮肥施用量的增加呈降低趨勢[26-27],本試驗也得到同樣結論,隨著氮肥用量的增加氮肥偏生產力逐漸降低,其中高氮水平下氮肥偏生產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力差異顯著,有利于氮高效品種的篩選。

作物養分效率的實質是單位養分供應條件下的作物產量[19],而籽粒作物通常以成熟期的生物量或產量作為篩選氮高效的指標[28]。前人做了很多關于小麥[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,本試驗總結前人的研究經驗,以所有參試花生品種在同一氮肥水平下的產量平均值作為氮高效篩選指標,在相同氮肥水平下產量超過平均值的品種被認為是氮高效品種,進而篩選出了三高效、雙高效及單高效三種類型的氮高效花生品種共12個。

作物產量和氮肥利用效率受到品種特性、栽培管理、環境條件等多方面因素的影響。本試驗是對砂姜黑土區花生氮高效品種的初步篩選,下一步將增加篩選品種數量,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理,提出可行的協同提高花生產量和氮肥利用效率的品種篩選及調控措施,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。