CN109042176A - 一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，该方法是在田间不同栽培条件下，在水稻栽培的特定生长时期，测定并计算冠层中的光分布及光衰减系数(K_L)和冠层中的氮素分布及氮衰减系数(K_N)，以开花期冠层光氮匹配指数(K_N/K_L)为评价指标，筛选出氮肥利用效率较高的水稻品种；冠层光氮匹配指数>0.35为高氮肥利用品种，冠层光氮匹配指数<0.2为低氮肥利用效率品种。应用该方法可以从冠层光合生理角度筛选出既高产又氮肥利用效率高的水稻品种。

Description

一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法

技术领域

本发明涉及一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，属于水稻筛选技术领域。

背景技术

氮是植物生长所必须的三大营养元素之一。对于绝大多数农田土壤，需要施用氮肥来解决土壤氮肥供给短缺问题以维持和提高作物产量。水稻是我国主要的粮食作物，需氮用氮量大，长期以来依靠氮肥等化肥的大量投入来增加水稻产量。然而，氮肥的过量使用不但大幅增加了水稻生产成本，而且对周围水体环境造成严重污染。因此培育和选用氮肥高效利用的水稻品种，对于减少氮肥的施用、保护环境和提高经济效益均具有重大意义。

水稻氮高效品种的筛选涉及到两个重要方面：一是植物的培养方法与生长条件；二是评价指标。植物培养的方法主要有水培法、砂培法及土培法(王汝慈等，2009)。水培法最为突出的优点是能够对作物的介质进行有效的控制，其缺点是并不能完全模拟田间的土壤环境。砂培法一般以砂和营养液作为作物生长介质，实际上是水培法的扩展。而土壤环境对于作物的养分吸收营养物质利用意义重大(杜兴彬等,2013；王淑兰等,2016；聂新星等,2016)。相较于上述两种培养方法，在研究植物营养吸收利用特性时，土培法是一种较为理想的方法，其最大的优点是能够充分遵循田间生长环境，控制水稻生长环境，通过研究不同栽培方式下的作物养分吸收利用特性从而对不同品种养分利用效率及产量进行分析，因而用其筛选出的氮高效水稻品种可信度较高。

确定氮高效水稻品种的指标对于筛选氮高效品种起关键作用。氮高效指标的研究也成为研究的重点。目前氮利用效率的评价指标主要包括以下几个，氮肥农学利用率(AE)、氮肥生理利用率(PE)、氮肥吸收利用率(RE)、氮肥偏生产力(PFP)以及产谷利用率(IE)，这些指标的测定主要建立在整株水平上含氮量、干物质重量、叶面积的测定以及产量等参数测定(魏海燕等,2007；张亚丽等,2008；戢林等,2012；剧成欣等；2015；陈平平等,2017)，总体上表现出三方面的不足：一是样本含氮量参数测定时误差较大，含氮量测定一般使用凯氏定氮法进，从样本选取、粉样到称样，整个过程很难保证每次选取的样品都具有代表性，能够代表整株水平的氮素含量；二是氮肥利用效率指标测定周期长，多数指标需建立在产量参数测量的基础上，因而氮肥利用效率测定所需周期较长；三是未将光环境因素纳入评价体系，光是绿色植物进行光合作用的能量来源。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题，本发明提供了一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法。

技术方案：为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，在水稻栽培的特定生长时期，测定并计算冠层中的光分布及光衰减系数(K_L)和冠层中的氮素分布及氮衰减系数(K_N)，其计算公式如下式(1)和(2)：

I＝I_oexp(-K_LF) (1)

其中F为从顶部到基部不同冠层深度的累积叶面积指数；I和I_o分别是累积叶面积指数为F时冠层深度光合有效辐射(PPFD)和冠层顶部光合有效辐射；K_L为冠层光衰减系数；

SLN_i＝(N_o-N_b)exp(-K_NF)+N_b (2)

其中SLN_i为冠层不同深度叶片氮含量(g N m^-2)；F为从顶部到基部不同冠层深度的累积叶面积指数；N_o为冠层顶部叶片氮含量；K_N为冠层氮素衰减系数；N_b为叶片能进行光合作用所需要的最低叶片氮素含量，其值为0.3g N m^-2；

最后，计算冠层光氮匹配指数＝K_N/K_L，其比值越接近于1，则代表水稻品种的氮肥利用效率越高。

所述特定生长时期为水稻拔节期、开花期或灌浆前期

水稻的栽培方法包括氮空白栽培、常规种植和增密减氮。

公式(1)中的数据采集方法包括：

从田间选取长势均一，能代表当前处理小区生长状态的连续两行水稻，测定受试水稻冠层的光分布，测量时间控制在晴好天气的10:00-14:00，结束后，每个小区将获得四组数值，分别为近植株两组，两行中间两组。

公式(2)中的数据采集方法包括：

选择公式(1)中采集数据的相同植株，选取具有代表性的植株3穴，带土取出，采用分层切割法，测量每层叶面积，得到分层叶面积指数(LAI)和累积LAI，每层叶片粉碎并利用凯氏定氮法测量氮素含量，计算得到分层氮含量。

更具体的方法如下：

一种筛选高氮肥利用效率水稻品种的方法，设置氮空白、常规种植、增密减氮等三种栽培方式，用于水稻材料的种植及管理，在开花期，测定植株冠层分层光能利用率，及相应的冠层分层氮素含量，以冠层光氮匹配指数(K_N/K_L)为指标，筛选出高氮肥利用效率水稻品种；K_L为冠层光衰减系数，能够表征植株冠层光分布，K_N指冠层氮衰减系数，能够表征植株冠层氮分布，其比值K_N/K_L能够反映植株冠层氮素分布与光分布的关系，其值在0～1之间，比值越接近于1，代表冠层光氮分布越合理，植株光氮利用效率越高；其中：

所述的用于筛选高氮肥利用效率水稻品种的栽培方式包括：

(1)氮空白栽培方式，关键技术包括：不施氮肥。施磷量(过磷酸钙，含P₂O₅ 13.5％)90kg hm^-2，于移栽前作基肥一次性施入。施钾量(氯化钾，含K₂O 63％)120kg hm^-2，分基肥和拔节肥(促花肥)两次使用，前后两次的比例为6:4。栽插株行距为13.3×30cm。除生育中期排水搁田外，其余时期保持水层至收获前一周断水。

(2)常规种植栽培方式，关键技术包括：总施氮量(以尿素为标准换算为纯度，以下同)为300kg hm^-2，按基肥(移栽前):分蘖肥(移栽后5-7d):促花肥(叶龄余数3.5):保花肥(叶龄余数1.2)＝5:2:2:1，栽插株行距为13.3×30cm。磷、钾肥施用技术及水分管理方式同氮空白栽培方式处理。

(3)增密减氮栽培方式，关键技术包括：氮肥较常规种植栽培方式减少10％(270kghm^-2)，按基肥(移栽前):分蘖肥(移栽后5-7d):促花肥(叶龄余数3.5):保花肥(叶龄余数1.2)＝4:2:2:2(前氮后移)，栽插株行距为10.7×30cm(增密)，氮肥磷钾肥施用技术及水分管理方式同氮空白栽培方式。

所述的的用于水稻冠层光氮利用效率定量分析方法，主要包括：

1)冠层中的光分布及光衰减系数(K_L)可以用以下的公式来定量化：

I＝I_oexp(-K_LF) (1)

其中F为从顶部到基部不同冠层深度的累积叶面积指数；I和I_o分别是累积叶面积指数为F时冠层深度光合有效辐射(PPFD)和冠层顶部光合有效辐射；K_L为冠层光衰减系数。参数K_L能够反映冠层光分布的情况，小的K_L表明株型紧凑，叶片直立，冠层光的分布梯度较小，冠层群体不同深度受光更均匀。

2)冠层中的氮素分布及氮衰减系数(K_N)可以用以下公式定量化：

SLN_i＝(N_o-N_b)exp(-K_NF)+N_b (2)

其中SLN_i为冠层不同深度叶片氮含量(g N m^-2)；N_o为冠层顶部叶片氮含量；K_N为冠层氮素衰减系数；N_b为叶片能进行光合作用所需要的最低叶片氮素含量，其值为0.3g N m^-2。大的K_N表明冠层氮的分布梯度大。

优良的冠层结构有利于光在冠层群体中的分布，有利于提高光能利用率。除了光的分布，氮素作为Rubisco酶与叶绿体的重要组成部分，它在冠层中的分布也是限制植物体冠层光合的重要因素。和光一样，氮素在冠层内的分布也呈现顶部高，基部低的梯度分布。这种现象被认为是植物对外界光环境的适应，是为了提高冠层光合同化力和氮素利用效率。但是通常冠层中的氮素的分布并不是最优的。通过研究发现，如果冠层中的氮素分布趋势与光的分布趋势一致，达到最优，冠层光合同化能力能再提高20％左右。因而冠层光氮匹配对于作物群体光合同化能力及作物氮素生理利用效率具有重要意义。

本发明方法中包括三个要点：一是不同水肥管理等栽培措施的确定；二是冠层光分布及氮素分布定量分析方法的确定；三是高氮肥利用效率生理生态指标的确定。该指标将冠层光氮分布这些生理生态因素纳入评价体系，能反映一个品种在不同栽培条件下对光环境的响应及氮素在作物体内的代谢运转能力及二者之间的相关性，又能反映一个品种的氮素生理利用潜力，可用于高氮肥利用效率水稻品种的筛选

技术效果：相对于现有技术，本发明方法具有以下优势：

(1)可用于辅助高产高效水稻品种的筛选，可用于各测定时期内植株冠层光氮分布及其动态变化过程的分析评价。例如，增加测定时期，即可分析灌浆周期内水稻冠层光分布及氮分布，及其相互关系；分析该生育周期内光分布及氮分布的动态变化规律及其与产量的相关性。

(2)可用于分析栽培措施对冠层光氮分布的调控及其与植株高产高效的相关性。分析作物生长光环境、冠层生理生态变化规律与栽培管理方式的关系，并进一步分析栽培措施对产量及氮肥利用效率的影响，为水稻高产高效栽培提供指导。

(3)可作为水稻株型改良育种的评价指标。KN/KL值与水稻氮素利用及产量关系紧密，可将其作为株型改良指标，为新品种筛选提供依据。

附图说明

图1为各品种三种栽培方式下的产量及其构成因素；

图2为各品种在三种栽培方式下氮素吸收量及氮肥利用效率；

图3为各品种三种栽培方式下冠层光衰减系数K_L与氮衰减系数K_N；

图4为各品种三种栽培方式下冠层不同深度透光率(左)；各品种三种栽培方式下冠层不同深度含氮量(右)；

图5为各品种三种栽培方式下光氮指数(K_N/K_L)与氮肥产谷利用率的相关性；

图6为各品种三种栽培方式下氮肥产谷利用率(IE)与产量的相关性分析。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明所述的技术方案给予进一步详细的说明。

实施例

1.试验地概况和供试品种

试验于2016年在扬州大学农学院实验农场进行。前茬作物均为小麦。土壤质地为沙壤土，含有机质24.4g kg^-1、碱解氮106mg kg^-1、速效磷34.5mg kg^-1、速效钾为68.5mg kg^-1；5月22日播种，6月12日移栽，每穴2苗。试验设置以下5种栽培方式，每处理重复3次，裂区设计，以处理为主区，品种为副区(小区)，小区面积30m²，小区之间筑田埂并用塑料薄膜覆盖，以防肥水串灌。试验品种包括中粳稻品种：甬优2640、南粳9108、淮稻5号、淮稻13号；以及晚粳稻宁粳1号、武运粳24、扬粳4038。其中，甬优2640、淮稻13号、宁粳1号、武运粳24株型适中，南粳9108、淮稻5号、扬粳4038株型较紧凑。甬优2640的种子购于宁波市种子公司，南粳9108种子来源于江苏省农业科学院粮食作物研究所，淮稻5号、淮稻13号购于连云港市种子公司，宁粳1号来源于南京农业大学农学院，武运粳24来源于常州市武进区农业科学研究所，扬粳4038来源于江苏里下河地区农业科学研究所。

2.处理设置

(1)氮空白栽培方式，关键技术包括：不施氮肥。施磷量(过磷酸钙，含P₂O₅ 13.5％)90kg hm^-2，于移栽前作基肥一次性施入。施钾量(氯化钾，含K₂O 63％)120kg hm^-2，分基肥和拔节肥(促花肥)两次使用，前后两次的比例为6:4。栽插株行距为13.3×30cm。除生育中期排水搁田外，其余时期保持水层至收获前一周断水。

(2)常规种植(对照)栽培方式，关键技术包括：总施氮量(以尿素为标准换算为纯度，以下同)为300kg hm^-2，按基肥(移栽前):分蘖肥(移栽后5-7d):促花肥(叶龄余数3.5):保花肥(叶龄余数1.2)＝5:2:2:1，栽插株行距为13.3×30cm。磷、钾肥施用技术及水分管理方式同氮空白栽培方式处理。

(3)增密减氮栽培方式，关键技术包括：氮肥较常规种植栽培方式减少10％(270kghm^-2)，按基肥(移栽前):分蘖肥(移栽后5-7d):促花肥(叶龄余数3.5):保花肥(叶龄余数1.2)＝4:2:2:2(前氮后移)，栽插株行距为10.7×30cm(增密)，氮肥磷钾肥施用技术及水分管理方式同氮空白栽培方式。

3.计算及测定方法

用于水稻冠层光氮利用效率定量分析方法，主要包括：

1)冠层中的光分布及光衰减系数(K_L)可以用以下的公式来定量化：

I＝I_oexp(-K_LF) (1)

其中F为从顶部到基部不同冠层深度的累积叶面积指数；I和I_o分别是累积叶面积指数为F时冠层深度光合有效辐射(PPFD)和冠层顶部光合有效辐射；K_L为冠层光衰减系数。参数K_L能够反映冠层光分布的情况，小的K_L表明株型紧凑，叶片直立，冠层光的分布梯度较小，冠层群体不同深度受光更均匀。

数据采集方法具体为：于开花期，从田间选取长势均一，能代表当前处理小区生长状态的连续两行，使用SunScan植物冠层分析仪(Delta-t，英国)测定受试水稻冠层的光分布。测量时间控制在晴好天气的10:00-14:00，研究人员着深色衣服，测量时，将仪器测量杆贴近田块水平面(测量起始点做好标记)，以10cm为一层，逐层测量，直至顶层叶端，记录下每个测量点的光量子截获值。每个小区中分别选择靠近植株一侧及两行之间位置，由下向上测量，并重复一次操作，结束后，每个小区将获得四组数值，分别为近植株两组，两行中间两组。

2)冠层中的氮素分布及氮衰减系数(K_N)可以用以下公式定量化：

SLN_i＝(N_o-N_b)exp(-K_NF)+N_b (2)

其中SLN_i为冠层不同深度叶片氮含量(g N m^-2)；N_o为冠层顶部叶片氮含量；K_N为冠层氮素衰减系数；N_b为叶片能进行光合作用所需要的最低叶片氮素含量，其值为0.3g N m^-2。大的K_N表明冠层氮的分布梯度大。

数据测定方法具体为：于于开花期，从权利要求2冠层光能利用率数据采集的两行植株中，选取具有代表性的植株3穴，带土取回室内，采用分层切割法，自地面向上每10cm为一层，同一层的叶片归集到一起，烘干称重，用叶面积仪测量每层叶面积，得到分层叶面积指数(LAI)和累积LAI。每层叶片粉碎并利用凯氏定氮法测量氮素含量计算得到分层氮含量。

4.效果

各品种在三种栽培方式下的产量及其构成因素见表1(图1)，由表1可知7种水稻品种在三种栽培方式下，总体上增密减氮&gt;常规种植&gt;氮空白；每种栽培方式下品种间产量也具有显著差异，造成这种差异的主要因素为总颖花量的品种间显著差异。

各品种在三种栽培方式下氮素吸收量及氮肥利用效率见表2(图2)，由表2可知，氮肥农学利用率(AE)，氮肥生理利用率(PE)，氮肥吸收利用率(RE)，氮肥偏生产力(PFP)，氮肥产谷利用率(IE)与产量均显著的正相关，其中氮肥产谷利用率与产量相关性更加显著，并且氮空白&gt;增密减氮&gt;常规种植。

各品种三种栽培方式下冠层光衰减系数K_L与氮衰减系数K_N见表3(图3)，由表3可知，三种栽培方式下7种水稻品种的光衰减系数K_L与产量呈现显著的负相关，并且氮空白&gt;常规种植&gt;增密减氮；氮衰减系数K_N与产量呈现显著的正相关，并且氮空白&lt;常规种植&lt;增密减氮；N_o与产量呈现显著的正相关，并且氮空白&lt;常规种植&lt;增密减氮；高氮肥利用效率品种筛选指标K_N/K_L与产量呈现显著的正相关，各栽培方式下，水稻品种产量越高其K_N/K_L比值越大，三种栽培方式下，K_N/K_L比值，氮空白&gt;增密减氮&gt;常规种植。

各品种三种栽培方式下冠层不同深度透光率见图4(左)，由图4(左)可知，三种栽培方式，7种水稻品种的冠层透光能力与产量呈现正相关，即产量越高其冠层透光能力越好，K_L值越小，植株整体受光条件越好，结合表3，总体上，三种栽培方式下的K_L值表现为氮空白&gt;常规种植&gt;增密减氮。

各品种三种栽培方式下冠层氮分布见图4(右)，由图4(右)可知，三种栽培方式，7种水稻品种，冠层氮素分布与产量呈现显著相关性，结合表3可知，上层氮素分布越多，即K_N越大，其产量越高；总体上，三种栽培方式下的K_N值表现为氮空白&gt;增密减氮&gt;常规种植。

各品种三种栽培方式下光氮匹配指数(K_N/K_L)与氮肥产谷利用率的相关性分析见图5，由图5可知，三种栽培方式下各品种产谷利用率与光氮匹配指数(K_N/K_L)呈现显著的正相关，表明高氮肥利用效率指标光氮指数(K_N/K_L)能够显著反映水稻氮肥利用效率。

各品种三种栽培方式下氮肥产谷利用率与产量的相关性分析见图6，由图6可知，三种栽培方式下氮肥产谷利用率与产量呈现显著的正相关关系。

综上所述，本发明提出的高氮肥利用效率指标光氮指数(K_N/K_L)与水稻产量及氮肥利用效率呈现显著的正相关关系，冠层光氮匹配指数&gt;0.35为高氮肥利用品种，冠层光氮匹配指数&lt;0.2为低氮肥利用效率品种。能够准确表征氮空白、常规种植、增密减氮三种栽培方式下，7种水稻品种产谷利用率及产量的变化，具有普遍性及准确性。

Claims (5)

1.一种高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，其特征在于，在水稻栽培的特定生长时期，测定并计算冠层中的光分布及光衰减系数(K_L)和冠层中的氮素分布及氮衰减系数(K_N)，其计算公式如下式(1)和(2)：

I＝I_oexp(-K_LF) (1)

其中F为从顶部到基部不同冠层深度的累积叶面积指数；I和I_o分别是累积叶面积指数为F时冠层深度光合有效辐射(PPFD)和冠层顶部光合有效辐射；K_L为冠层光衰减系数；

SLN_i＝(N_o-N_b)exp(-K_NF)+N_b (2)

其中SLN_i为冠层不同深度叶片氮含量(g N m^-2)；F为从顶部到基部不同冠层深度的累积叶面积指数；N_o为冠层顶部叶片氮含量；K_N为冠层氮素衰减系数；N_b为叶片能进行光合作用所需要的最低叶片氮素含量，其值为0.3g N m^-2；

最后，计算冠层光氮匹配指数＝K_N/K_L，其比值越接近于1，则代表水稻品种的氮肥利用效率越高。

2.根据权利要求1所述的高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，其特征在于，所述特定生长时期为水稻拔节期、开花期或灌浆前期。

3.根据权利要求1所述的高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，其特征在于，水稻的栽培方法包括氮空白栽培、常规种植和增密减氮。

4.根据权利要求1所述的高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，其特征在于，公式(1)中的数据采集方法包括：

从田间选取长势均一，能代表当前处理小区生长状态的连续两行水稻，测定受试水稻冠层的光分布，测量时间控制在晴好天气的10:00-14:00，结束后，每个小区将获得四组数值，分别为近植株两组，两行中间两组。

5.根据权利要求1所述的高氮肥利用效率水稻品种的筛选方法，其特征在于，公式(2)中的数据采集方法包括：

选择公式(1)中采集数据的相同植株，选取具有代表性的植株3穴，带土取出，采用分层切割法，测量每层叶面积，得到分层叶面积指数(LAI)和累积LAI，每层叶片粉碎并利用凯氏定氮法测量氮素含量，计算得到分层氮含量。