李法計(jì)徐學(xué)欣肖永貴何中虎,3王志敏,*

1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 國(guó)家小麥改良中心, 北京 100081;2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 北京 100193;3CIMMYT中國(guó)辦事處,北京 100081

不同氮素處理對(duì)中麥175和京冬17產(chǎn)量相關(guān)性狀和氮素利用效率的影響

李法計(jì)1徐學(xué)欣2肖永貴1何中虎1,3王志敏2,*

1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 國(guó)家小麥改良中心, 北京 100081;2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 北京 100193;3CIMMYT中國(guó)辦事處,北京 100081

本研究旨在了解我國(guó)黃淮和北部冬麥區(qū)不同施氮量和施氮模式對(duì)氮高效吸收和利用的影響, 以及中麥175和京冬17產(chǎn)量對(duì)不同施氮處理的響應(yīng)。2013—2014和2014—2015連續(xù)兩年在河北吳橋和北京順義兩地種植兩品種, 觀測(cè)不同施氮量和基追比處理下, 冬小麥的群體特性、產(chǎn)量相關(guān)性狀, 以及氮素吸收效率(NUpE)和氮素利用效率(NUtE)。在吳橋點(diǎn)設(shè)0、60+0、120+0、120+60、120+120、120+180 kg hm-2(基肥+拔節(jié)肥) 6個(gè)處理, 在順義點(diǎn)僅設(shè)前5個(gè)處理。在總施氮量0～240 kg hm-2(吳橋)和0～180 kg hm-2(順義)范圍內(nèi), 隨施氮量增加, 歸一化植被指數(shù)(NDVI)和氣冠溫差(CTD)提高, 群體總粒數(shù)和成熟期生物量增加, 進(jìn)而產(chǎn)量提高; 但繼續(xù)增加施氮量會(huì)導(dǎo)致粒重、開花前干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率、收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收和利用效率降低。在不同施氮水平下, 中麥175的產(chǎn)量和穩(wěn)定性均優(yōu)于京冬17, 表現(xiàn)出穗數(shù)多、穗粒重穩(wěn)定性好、群體活力持久、生物量和收獲指數(shù)高、花前干物質(zhì)積累量高和花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)、氮素吸收效率高, 這可能是其高產(chǎn)高效的重要基礎(chǔ)?？紤]到產(chǎn)量回報(bào)和經(jīng)濟(jì)效益, 推薦中麥175和京冬17在黃淮麥區(qū)(北片)施氮量為180～240 kg hm-2, 在北部冬麥區(qū)施氮量為120～180 kg hm-2。灌漿中后期, NDVI和CTD與穗數(shù)、產(chǎn)量和生物量相關(guān)性高, 可作為快速評(píng)價(jià)品種氮肥敏感性的指標(biāo)。

冬小麥; 氮素利用效率; 干物質(zhì); 高產(chǎn); 穩(wěn)產(chǎn)

氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育和增產(chǎn)的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一[1-2], 但大量施氮不僅增加生產(chǎn)成本, 而且容易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡和環(huán)境污染[3]。近年來, 在華北小麥主產(chǎn)區(qū), 氮肥過量施用導(dǎo)致增產(chǎn)效益和氮素利用效率下降的現(xiàn)象較為明顯[4], 提高氮素利用效率是小麥生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[5]。因此, 培育肥料利用效率高、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的新品種, 并采取合理的施肥策略在作物生產(chǎn)中具有重要意義, 并且節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥已成為未來我國(guó)糧食作物持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。

為解決我國(guó)作物生產(chǎn)中肥料利用效率低、損失嚴(yán)重的問題, 前人對(duì)如何通過合理的栽培措施以提高生產(chǎn)效率進(jìn)行了大量研究, 并提出了氮肥后移、以水控肥和以肥調(diào)水等高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)[6-7]。但是,由于對(duì)品種間肥料利用效率的遺傳差異重視不夠,導(dǎo)致其遺傳改良進(jìn)展緩慢[8]。已有的研究雖然在多方面探索了作物肥料吸收利用機(jī)制[9-10], 但尚不明確作物氮肥敏感性的品種評(píng)價(jià)指標(biāo), 并缺乏大田條件下快速檢測(cè)的方法。當(dāng)前大面積推廣的品種多在高肥條件下選育而成, 對(duì)土壤肥力和施肥量要求較高[11]。生產(chǎn)中迫切需要能夠適應(yīng)不同肥力水平, 特別是低肥條件下肥料利用效率高、不減產(chǎn)或減產(chǎn)少,高肥條件下耐肥性好、莖稈堅(jiān)實(shí)不倒伏、高產(chǎn)高效的小麥新品種。中麥 175通過了北部冬麥區(qū)水地和黃淮旱肥地 2次國(guó)家審定以及北京、山西、河北、青海和甘肅5省(市)品種審定, 并已在這些地區(qū)大面積推廣, 具有廣泛的適應(yīng)性[12]。肖永貴等[13]對(duì)京411及其14個(gè)衍生品種(系)在正常施肥和常年不施肥條件下比較表明, 中麥175的產(chǎn)量皆最高。另外, 對(duì)北部和黃淮麥區(qū) 64份主要品種的氮和磷利用效率研究表明, 中麥 175在不施氮、不施磷及氮和磷皆不施的3種處理中, 產(chǎn)量分別居參試品種的第1、第9和第1位, 說明中麥175為肥料高效型品種[14]。

為進(jìn)一步探明中麥175對(duì)氮肥的反應(yīng)特性及其機(jī)制, 本研究以中麥175和京冬17為材料, 通過限量灌溉下不同氮肥處理, 比較研究群體特性及氮素吸收和利用、干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特征, 解析品種間和處理間產(chǎn)量變異原因, 探討兩品種對(duì)不同氮肥環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制和需肥規(guī)律, 以期為培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和廣適性小麥新品種提供理論支撐和評(píng)價(jià)指標(biāo), 并為氮高效品種大面積推廣提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

中麥175和京冬17的生育期相近(相差1～2 d)。京冬17于2007年通過北部冬麥區(qū)國(guó)家審定。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013—2014和 2014—2015年分別在河北省滄州市吳橋縣中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋試驗(yàn)站(37.41° N, 116.57° E, 黃淮麥區(qū)北片)和北京市順義區(qū)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所試驗(yàn)基地(40.16° N, 116.35° E, 北部冬麥區(qū))進(jìn)行試驗(yàn)。吳橋試驗(yàn)地為壤質(zhì)底黏潮土, 地下水埋深7 m以上, 播前0～20 cm土壤含有機(jī)質(zhì)10.4 g kg-1、全氮0.83 g kg-1、堿解氮41.9 mg kg-1、速效磷23.9 mg kg-1、速效鉀93.23 mg kg-1, pH為7.7; 2013—2014和 2014—2015年度小麥季降水量分別為121.9 mm和128.0 mm。順義試驗(yàn)地為壤土, 播前0～20 cm土壤含有機(jī)質(zhì)12.2 g kg-1、全氮0.95 g kg-1、堿解氮106.7 mg kg-1、速效磷33.8 mg kg-1、速效鉀183.4 mg kg-1, pH為7.9; 2013—2014和2014—2015年度小麥季降水量分別為125.6 mm和127.0 mm。

在吳橋試驗(yàn)點(diǎn)設(shè) 6個(gè)處理, 施氮量(基肥+拔節(jié)追肥)分別為純氮 0+0、60+0、120+0、120+60、120+120和120+180 kg hm-2, 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 3次重復(fù), 小區(qū)面積30 m2。分別于2013年10月11日和2014年10月14日播種, 行距16 cm, 基本苗均為345萬 hm-2。在順義試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)5個(gè)處理, 施氮量(基肥+拔節(jié)追肥)分別為 0+0、60+0、120+0、120+60和120+120 kg hm-2, 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 3次重復(fù), 小區(qū)面積29.7 m2。分別于2013年9月27日和2014年9月28日播種, 行距24 cm, 基本苗300萬 hm-2。以尿素作為氮肥, 基肥除氮肥外, 另施 P2O5105 kg hm-2和K2O 75 kg hm-2; 追肥在拔節(jié)期施用。在拔節(jié)期和開花期澆水, 每次 75 mm。各小區(qū)除草、病蟲害防治等田間管理措施均保持一致。

1.3 性狀調(diào)查及其統(tǒng)計(jì)分析

于越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期和成熟期在各小區(qū)取2個(gè)0.5 m樣段, 取樣后剪掉根部, 將莖鞘、嫩葉、老葉、穗部分開, 105℃殺青30 min, 75℃烘干后稱重, 粉碎樣品后用凱氏定氮法測(cè)定各器官中全氮含量。

開花期、灌漿前期和灌漿中后期, 用 GreenSeeker (Trimble, 美國(guó))測(cè)定歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI), 令傳感器于小麥冠層 60 cm上方保持平衡, 在小區(qū)非邊行區(qū)域順播種方向往返測(cè)定2次。用REYTEK ST20XB型手持式紅外測(cè)溫儀(Reytek Corporation, 美國(guó))測(cè)定空氣溫度和冠層溫度, 用兩者差計(jì)算氣冠溫差(canopy temperature depression, CTD), 光譜通帶為8～14 μm,其灰度值為 0.95, 分別在開花期、灌漿前期和灌漿中后期選擇晴朗無風(fēng)少云的天氣測(cè)定一次, 測(cè)量時(shí)間為13：30—15：00[15]。

在成熟期調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)和生物量, 在收獲后測(cè)定產(chǎn)量、千粒重, 計(jì)算干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮素利用效率。

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期干物質(zhì)積累量-(成熟期干物質(zhì)積累量-籽粒產(chǎn)量)[16], 花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率=轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期干物質(zhì)積累量[16], 花前干物質(zhì)貢獻(xiàn)率=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/籽粒產(chǎn)量[16]; 收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物學(xué)產(chǎn)量[16]; 氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN) = 籽粒產(chǎn)量/施氮量[10], 氮素吸收效率(NUpE) = 植株氮素積累量/施氮量[10], 氮素利用效率(NUtE) = 籽粒產(chǎn)量/植株氮素積累量[10]。

利用SAS 9.3進(jìn)行方差分析及處理間多重比較(Duncan’s法)、品種間t測(cè)驗(yàn), 采用Microsoft Excel繪制線性關(guān)系圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量相關(guān)性狀的方差分析

除開花期CTD外的其他17個(gè)性狀基因型差異皆達(dá)極顯著(P ＜ 0.01)水平; 所有性狀的環(huán)境和氮肥效應(yīng)皆達(dá)極顯著水平(P ＜ 0.01); 多數(shù)性狀存在顯著的基因型×環(huán)境、基因型×處理或基因型×環(huán)境×處理互作效應(yīng)(表1)。在2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn), 除個(gè)別性狀外, 絕大部分性狀的基因型均方皆大于1.5倍基因型×年份互作均方, 即基因型效應(yīng)顯著大于基因型×年份互作效應(yīng), 因此可用均值表示產(chǎn)量相關(guān)性狀。

2.2 不同施氮量下的產(chǎn)量性狀

在0～240 kg hm-2(吳橋)或0～180 kg hm-2(順義)施氮范圍內(nèi), 隨施氮量增加兩品種的產(chǎn)量皆呈遞增趨勢(shì), 且分別在240 kg hm-2和180 kg hm-2時(shí)產(chǎn)量最高, 過量施氮反而使產(chǎn)量降低。從產(chǎn)量三因素看, 兩品種的穗數(shù)在吳橋和順義均隨施氮量增加而增加,并分別在施氮240 kg hm-2和180 kg hm-2時(shí)最高; 穗粒數(shù)隨施氮量增加呈遞增趨勢(shì), 但施氮量超過180 kg hm-2后處理間差異不顯著; 千粒重均在低氮條件下較高, 隨施氮量的增加呈降低趨勢(shì)。兩品種在吳橋的穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均高于順義, 而穗粒數(shù)則低于順義, 說明環(huán)境可通過影響穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重進(jìn)而影響產(chǎn)量。在吳橋, 中麥175的產(chǎn)量顯著高于京冬17, 主要是其穗數(shù)顯著較高, 其穗粒數(shù)和千粒重則低于京冬17; 在順義, 中麥175的穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均高于京冬17, 穗粒數(shù)無明顯差異(表2)。從兩地產(chǎn)量變異系數(shù)看, 中麥175為2.0%和4.2%, 京冬17為2.5%和5.1%, 說明中麥175的產(chǎn)量穩(wěn)定性優(yōu)于京冬17。

2.3 不同施氮量下的群體特性

在開花期和灌漿前期, 隨施氮量的增加, 兩品種的NDVI和CTD在2個(gè)環(huán)境下均呈增加趨勢(shì), 而在灌漿中后期均呈先增加后降低趨勢(shì), 且分別在施氮量240 kg hm-2(吳橋)和180 kg hm-2(順義)時(shí)達(dá)最大值。隨灌漿進(jìn)程, NDVI先保持穩(wěn)定后逐漸降低,而CTD表現(xiàn)為先升高后降低, 說明群體灌漿速率和活性隨著灌漿的進(jìn)行先升高后降低(表3)。中麥175的NDVI和CTD在多數(shù)觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)高于京冬17, 說明其群體綠色覆蓋度和群體活性更高且持久。

2.4 不同施氮量下的干物質(zhì)積累

兩品種開花前、后的干物質(zhì)積累量和生物量均隨施氮量增加呈增加趨勢(shì), 開花前和開花后干物質(zhì)積累比例在不同施氮處理間差異較小; 收獲指數(shù)以不施氮處理最高, 隨施氮量增加呈降低趨勢(shì)。兩品種開花前和開花后的干物質(zhì)積累量、生物量和收獲指數(shù)均表現(xiàn)吳橋點(diǎn)高于順義點(diǎn), 而順義點(diǎn)的開花前干物質(zhì)積累比例較高(表4)。兩品種相比, 花前、花后和全生育期干物質(zhì)積累量及收獲指數(shù)均以中麥175高于京冬17, 說明中麥175在后期可能具有較強(qiáng)的抵抗環(huán)境脅迫能力和較高的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

表2 不同施氮處理對(duì)中麥175和京冬17產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響Table 2 Effects of different N treatments on yield related traits in Zhongmai 175 and Jingdong 17

表3 不同施氮處理對(duì)中麥175和京冬17 NDVI和CTD的影響Table 3 Effects of different N treatments on NDVI and CTD in Zhongmai 175 and Jingdong 17

2.5 不同施氮量下的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

表5表明, 兩品種的開花前干物質(zhì)積累量向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率在低氮下較高、隨施氮量增加均呈降低趨勢(shì), 說明兩品種均具有一定適應(yīng)低氮脅迫、通過調(diào)節(jié)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)獲得一定產(chǎn)量水平的能力。開花前干物質(zhì)積累量向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率在吳橋較高, 而對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率則是順義較高, 說明環(huán)境可以影響物質(zhì)分配。中麥175在2個(gè)環(huán)境不同施氮條件下的開花前干物質(zhì)積累量向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均高于京冬17,說明中麥175具有更強(qiáng)的花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

2.6 不同施氮量下的氮素吸收和利用效率

表 6表明, 氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加而降低,中麥 175的氮肥生產(chǎn)效率在吳橋和順義皆高于京冬17。從氮素吸收和利用效率來看, 兩品種在吳橋和順義均隨施氮量增加呈降低趨勢(shì), 且在不同氮素處理間差異顯著, 說明在氮肥不足時(shí)冬小麥會(huì)增加對(duì)土壤氮素的吸收和利用能力。兩品種在吳橋的氮素利用效率高于順義, 氮素吸收效率則低于順義, 說明環(huán)境可影響品種的氮素吸收和利用效率。中麥175在吳橋和順義的氮素吸收和利用效率皆高于京冬 17,這與其氮肥偏生產(chǎn)力較高是一致的。

表5 不同施氮處理對(duì)中麥175和京冬17物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 5 Effects of different N treatments on dry matter translocation in Zhongmai 175 and Jingdong 17

2.7 群體特征與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性分析

灌漿中后期的NDVI和CTD與穗數(shù)、產(chǎn)量和生物量均呈顯著或極顯著正相關(guān), 決定系數(shù)均在0.6以上(圖1)。因此, 灌漿中后期的NDVI和CTD可作為快速評(píng)價(jià)冬小麥在不同施氮水平下產(chǎn)量表現(xiàn)即氮肥敏感性的指標(biāo)。中麥 175在不同處理與環(huán)境下灌漿中后期的NDVI和CTD更穩(wěn)定, 即在氮肥脅迫條件下能夠保持較好的活力, 因此產(chǎn)量也更穩(wěn)定。

3 討論

3.1 不同施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響

本研究表明, 適量增加施氮量可提高產(chǎn)量, 主要得益于單位面積穗數(shù)的提高。隨施氮量的增加,開花前干物質(zhì)積累量向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率、收獲指數(shù)、氮素吸收和利用效率均呈降低趨勢(shì), 這與張宏等[17]和Rampino等[18]的研究結(jié)果相符, 可能與作物自身調(diào)節(jié)能力有關(guān)。在土壤養(yǎng)分虧缺時(shí), 作物通過提高肥料吸收和利用效率以滿足自身需求, 并提高開花前干物質(zhì)積累量向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率以獲得一定產(chǎn)量; 而在土壤養(yǎng)分充足時(shí), 作物體內(nèi)硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的活性增加[19], 從而促進(jìn)地上部生物量積累,為籽粒灌漿提供足夠的養(yǎng)分儲(chǔ)備, 最終增加產(chǎn)量。

表6 不同施氮處理對(duì)中麥175和京冬17氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收和利用效率的影響Table 6 Effects of different N treatments on PFPN, NUpE, and NUtE in Zhongmai 175 and Jingdong 17 (kg kg-1)

NDVI反映了地表綠色植被的覆蓋比例, 可用于評(píng)價(jià)作物生物量積累速率及葉片功能期長(zhǎng)短。肖永貴等[13]發(fā)現(xiàn)冬小麥NDVI在不施氮和正常施氮處理間存在極顯著差異, 李升東等[20]認(rèn)為不同基因型冬小麥各生育期的 NDVI存在顯著差異, 抽穗期的NDVI值與其干旱產(chǎn)量指數(shù)呈正相關(guān)。本研究表明,限水條件下在施氮量0～240 kg hm-2(吳橋)或0～180 kg hm-2(順義)范圍內(nèi), 增加施氮量可提高各時(shí)期干物質(zhì)積累量并延緩衰老, 即增加NDVI值。CTD作為反映環(huán)境變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育作用的重要指標(biāo),已越來越多地用于抗旱、耐熱和養(yǎng)分虧缺的研究,一般認(rèn)為增加施氮量可降低冠層溫度即提高 CTD,但不同時(shí)期結(jié)果有一定差異[21-22]。本研究表明, 限水條件下在施用氮肥0～240 kg hm-2(吳橋)或0～180 kg hm-2(順義)范圍內(nèi), 增加施氮量可提高冬小麥開花期、灌漿前期和灌漿中后期的 CTD, 并且隨著時(shí)間的推移作用更為明顯, 這可能是適宜的施氮量提高了群體葉片活性, 增加了單位面積生物量和葉片光合能力。NDVI和CTD在一定程度上反映了作物群體活性, 不同氮肥處理間二者變化趨勢(shì)與產(chǎn)量趨勢(shì)基本一致, NDVI和CTD的穩(wěn)定性對(duì)品種高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用。

3.2 不同品種間產(chǎn)量與氮素利用效率的差異

不同群體冠層結(jié)構(gòu)對(duì)冠層氮素分布有明顯影響,葉片平展型群體中葉片氮素含量隨葉層下移而下降的速度要快于緊湊型[23]。中麥175具有株型緊湊、葉片較小且直立、分蘗多、冠層結(jié)構(gòu)合理等優(yōu)良特性, 對(duì)促進(jìn)氮素吸收、提高物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和增加產(chǎn)量形成具有重要作用。

中麥 175穗數(shù)多, 穗粒數(shù)和千粒重在不同環(huán)境下穩(wěn)定性好, 因而具有較高的豐產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性, 相對(duì)于京冬17, 在多數(shù)環(huán)境下的NDVI和CTD較高,且在灌漿中后期不同氮素處理間穩(wěn)定性較好, 即在灌漿前期群體活力高, 灌漿中后期對(duì)氮肥脅迫耐受性更好、活力更持久。小麥生物量積累可分為開花前、后 2個(gè)時(shí)期, 開花前貯藏碳水化合物再轉(zhuǎn)運(yùn)及開花后光合產(chǎn)物積累是籽粒產(chǎn)量的主要來源[24]。有研究表明, 開花前的光合產(chǎn)物對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)占3%～30%, 對(duì)抵御后期高溫、干旱脅迫、維持產(chǎn)量穩(wěn)定具有重要作用[21]; 開花后光合產(chǎn)物對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率占60%～80%, 是高產(chǎn)的主要物質(zhì)來源[25]。中麥175的花前和花后干物質(zhì)積累量及收獲指數(shù)均高于京冬17, 且開花前干物質(zhì)積累量向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均更高, 說明中麥175具有更高的花前干物質(zhì)積累量和更強(qiáng)的花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力,對(duì)保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用。另外, 與京冬17相比, 中麥175在不同氮肥環(huán)境下氮素吸收效率皆較高, 氮素利用效率在施氮量0～120 kg hm-2的低氮范圍內(nèi)更高。氮素吸收效率高是其總體肥料利用效率高的關(guān)鍵, 這與肖永貴等[13]研究結(jié)果一致, 與我們之前認(rèn)為中麥175苗期具有較強(qiáng)耐低肥能力的結(jié)果相佐證[26]。

圖1 中麥175和京冬17灌漿中后期NDVI和CTD與穗數(shù)、產(chǎn)量和生物量的線性關(guān)系Fig. 1 Correlation of CTD, NDVI in middle to late stage of grain filling with SN, yield and biomass in Zhongmai 175 and Jingdong 17

3.3 氮高效型品種篩選指標(biāo)及施肥策略

對(duì)后代品系進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)及抗旱、耐熱、養(yǎng)分脅迫、抗病性鑒定已經(jīng)成為國(guó)際玉米小麥改良中心(CIMMYT)小麥新品種選育的重要方式[22]。我國(guó)大多數(shù)育種單位還不能做到育種材料的多點(diǎn)鑒定和廣泛篩選, 導(dǎo)致缺乏抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種。群體特性在一定程度上反映了作物對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性, 已有研究把幼苗早期活性、冠層溫度、灌漿期葉片衰老等作為品種適應(yīng)性和高世代育種選擇標(biāo)準(zhǔn)[27-30]。本研究表明, 灌漿中后期(開花后20 d左右)的NDVI和CTD與穗數(shù)、產(chǎn)量和生物量在所有環(huán)境下均呈顯著或極顯著正相關(guān), 可作為快速評(píng)價(jià)品種肥料敏感性的指標(biāo)。中麥175的育成及其在北部冬麥區(qū)水地、黃淮旱肥地及甘肅和青海春麥區(qū)的大面積推廣表明, 培育高產(chǎn)且廣適的品種是可行的, 其優(yōu)良特性可為育種家培育新品種提供借鑒。

受地力、氣候環(huán)境和種植模式等因素的影響,不同地區(qū)小麥對(duì)氮肥需求量有所不同[31]。北方小麥氮肥施用量一般為180～250 kg hm-2, 淮北地區(qū)為195～225 kg hm-2, 晉南旱作地區(qū)為180 kg hm-2左右,四川丘陵旱地為135～180 kg hm-2[31-32]。本研究表明,在磷肥、鉀肥一定的條件下, 中麥175和京冬17在基施氮肥120 kg hm-2+拔節(jié)期追施氮肥60～120 kg hm-2(吳橋)或基施氮肥120 kg hm-2+拔節(jié)期追施氮肥60 kg hm-2(順義)可獲得較高產(chǎn)量?？紤]到施氮量超過240 kg hm-2(吳橋)或180 kg hm-2(順義)不僅減產(chǎn),而且還顯著減效的情況, 我們推薦中麥175和京冬17在黃淮麥區(qū)(北片)的施氮量為180～240 kg hm-2,在北部冬麥區(qū)施氮量為120～180 kg hm-2。在此施氮量和采用春季澆2次水的節(jié)水栽培模式下, 適宜的施肥模式是基肥+拔節(jié)肥, 其施肥比例應(yīng)根據(jù)土壤肥力適當(dāng)調(diào)整, 如土壤肥力較差, 應(yīng)適當(dāng)增加基肥比例, 如土壤肥力較好, 則應(yīng)減少基肥比例。

4 結(jié)論

在不同地點(diǎn)和不同氮肥處理下, 中麥175產(chǎn)量和氮肥生產(chǎn)率皆高于京冬17。穗數(shù)多、穗粒重穩(wěn)定性好、群體活力持久、生物量高、花前干物質(zhì)積累和花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)、氮素吸收效率高是中麥175在不同氮水平下高產(chǎn)高效的重要原因。灌漿中后期的NDVI和CTD與穗數(shù)、產(chǎn)量和生物量呈顯著或極顯著正相關(guān), 二者可協(xié)同作為評(píng)價(jià)品種肥料敏感性的指標(biāo)。

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Effect of Nitrogen on Yield Related Traits and Nitrogen Utilization Efficiency in Zhongmai 175 and Jingdong 17

LI Fa-Ji1, XU Xue-Xin2, XIAO Yong-Gui1, HE Zhong-Hu1,3, and WANG Zhi-Min2,*

1Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS) / National Wheat Improvement Center, Beijing 100081, China;
2College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;3CIMMYT-China Office, c/o CAAS, Beijing 100081, China

The objective of this study was to understand the effects of different nitrogen (N) application amounts and split ratios on high efficiency of N uptake and utilization, as well as the response to different N treatments of Zhongmai 175 and Jingdong 17 planted in Wuqiao, Hebei, and Shunyi, Beijing in 2013-2014 and 2014-2015 cropping seasons. Nitrogen fertilizer was applied in different total and split (basal + jointing stage) amounts, namely 0, 60+0, 120+0, 120+60, 120+120, and 120+180 kg ha-1. In the N range of 0-240 kg ha-1in Wuqiao and 0-180 kg ha-1in Shunyi, the canopy temperature depression (CTD), normalized difference vegetation index (NDVI), biomass of wheat population, and population spikelets increased with the increase of N application amount, as a result, higher yield at maturity was obtained; however, further more N application had a negative effect, showing decreased thousand-kernel weight (TKW), translocation amount (TA) and efficiency (TE) of dry matter accumulated before flowering to grain, contribution efficiency (CE), harvest index (HI), partial factor productivity from applied N (PFPN), N uptakeefficiency (NUpE) and N utilization efficiency (NUtE). Zhongmai 175 had higher yield and yield stability than Jingdong 17 in different N application treatments, showing higher levels of spike number (SN), stability of kernel number per spike (KNS), kernel weight, population vitality, biomass, HI, dry matter accumulation before flowering, TA, and NUpE. These characters might be the physiological basis of high yield and high efficiency in Zhongmai 175. Considering the return from yield and economic benefits, we suggest that the recommended N application amounts for Zhongmai 175 and Jingdong 17 should be 180-240 kg ha-1in the northern part of Huang-Huai Rivers Valley Wheat Zone and 120-180 kg ha-1in the Northern Winter Wheat Zone. NDVI and CTD at middle to late grain filling stage can be used for rapid evaluation of varietal sensitivity to nitrogen because they are highly correlated with SN, yield, and biomass of wheat.

Winter wheat; Nitrogen utilization efficiency; Dry matter; High yield; Stability

10.3724/SP.J.1006.2016.01853

本研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程, 國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201203033-2)和國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-03)資助。

This study was supported by the Agricultural Science and Technology Innovation Program of CAAS, the China Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201203033-2), and the China Agriculture Research System (CARS-03).

*通訊作者(Corresponding author)： 王志敏, E-mail： Zhimin206@263.net

聯(lián)系方式： E-mail： lifajily@163.com

稿日期)： 2016-01-31; Accepted(接受日期)： 2016-06-20; Published online(

日期)： 2016-08-11.

URL： http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160811.1623.016.html