棉花品种氮素利用分析

氮素对棉花的产量和品质都有极大影响[1-2]。从合理利用氮肥角度考虑，如果不采取有效措施提高棉花对土壤和肥料氮素的吸收、利用效率，就需大量增加氮肥投入才能提高单产，这就会导致植棉生产成本的增加和严重的环境问题[3]。目前愈来愈多的科学家重视采用生物技术提高氮效率，如选育能高效吸收利用氮素的农作物新品种（简称“氮高效品种”）[4-9]。Moll等[10]将作物氮素效率分解为两部分：一是植株对氮素的吸收效率，二是植株对已吸收氮素的利用效率。在棉花上，前人研究表明棉花氮素吸收效率和体内氮素的利用效率，均存在着明显的基因型差异[11-18]，若选择既有较高氮素吸收效率、又有较高氮素利用效率的品种（系），就可以达到以较低的氮肥投入获得较高的产量，从而提高植棉效益，保护环境的目的。但目前前人的研究主要仅针对两者其中某一方面，将两者结合加以系统研究的则少见，且有关生理机制也尚未展开系统研究。因此，本文以已在长江流域地区推广应用的主要品种为材料，以期筛选出既有较高氮素吸收效率、又有较高氮素利用效率的品种（系），从而为转基因抗虫棉氮高效品种（系）的遗传改良和生产中高效氮素管理提供科学依据，从而节约成本，减少氮素流失，减轻棉田氮肥污染，保护生态环境，促进农业可持续发展。

1材料和方法

1.1试验设计试验于2008－2009年在扬州大学农学院遗传生理实验室试验农场进行，试验地土壤有机质含量1.68%、水解氮134.7mg•kg-1、速效磷25.2mg•kg-1、速效钾80.6mg•kg-1。供试品种为长江流域8个主要栽培品种：科棉6号及其亲本渝棉1号、泗杂3号及其亲本泗棉3号、徐杂3号及其亲本徐9154、苏杂3号及其亲本苏棉9号。试验设施氮和不施氮（对照）2个处理，分别用N1和N0表示，采取两因素随机区组设计，3次重复，共48个小区，每小区面积为20m2，密度均为2.25万株•hm-2，行距0.83m。施氮处理：钾肥（氯化钾）施用375kg•hm-2，磷肥（过磷酸钙）施用600kg•hm-2，安家肥和第1次花铃肥各占50%；氮肥（纯氮）施用300kg•hm-2，其中安家肥20%，花铃肥占65%（分初花期和盛花期2次使用，第1次花铃肥18%，第2次花铃肥47%），铃肥占15%。各期氮、磷、钾肥均混合后施用。对照（不施氮）处理：仅施用钾肥、磷肥（过磷酸钙），其用量及运筹同施氮处理。不同处理田间其他管理措施均按当地高产要求进行。

1.2取样及主要测定项目分别于9月20日调查各小区的单株结铃数，成熟期实收计产。并于成熟期，每小区取2株典型植株，分叶片、茎枝、蕾铃烘干称重，然后粉碎测定全氮。全氮用凯氏定氮法测定，方法参见《现代植物生理学实验指南》[19]。1.3数据处理与统计分析方法使用Excel、SPSS等软件系统进行数据处理、统计分析与作图。使用DPS3.0统计分析软件，采用欧氏距离作为相似性尺度，用离差平方和法（Ward）对相关数据进行聚类分析。一些性状指标的计算方法如下：（1）吸氮量：地上部各器官中含氮量之和；（2）氮肥子棉生产效率（NUEsp）：子棉产量与吸氮量的比值；（3）氮肥回收利用率（RE）：（施氮区地上部吸氮量－不施氮区地上部吸氮量）/施氮量×100。

2结果与分析

2.1品种间氮素吸收分配效率比较表1表明，不同品种在施氮的条件下单株吸氮量差异较大，其中苏杂3号、科棉6号较大，分别为284.4kg•hm-2、269.1kg•hm-2，苏棉9号最小。茎叶和铃吸氮量结果表明，不同品种间单株吸氮量随生殖器官吸氮量的增加呈不断增加的趋势，两者呈显著线性正相关关系（r=0.789*），但随着营养器官（茎、叶）吸氮量呈先增加后下降的趋势，两者呈显著二次曲线变化关系（r＝0.697*）。氮素回收利用效率（RE）表明，各品种间差异也较大，变化范围在29.0%～48.2%之间。进一步分析杂交棉品种和其亲本铃吸氮量和RE结果表明，在施氮和不施氮处理下，杂交棉品种吸氮量、总吸氮量和RE，总体上均比各自亲本有一定程度的提高。相关分析表明，各品种氮素回收利用效率与棉株总吸氮量呈极显著线性正相关关系（r＝0.914**）；与铃吸氮量呈线性正相关关系，但差异未达显著水平（r＝0.643）；与营养器官（茎、叶）吸氮量呈先增加后下降的二次曲线变化关系，且差异达显著水平（r＝0.774*）。以上结果说明不同品种氮素回收利用效率存在显著差异，且受品种基因型控制；适宜的茎叶吸氮量和较高的铃吸氮量、总吸氮量是高氮素回收利用效率品种的显著特征。

2.2品种间氮素子棉生产效率比较表2表明，各品种氮素子棉生产效率（NUE-sp）差异也较大，其中泗棉3号和科棉6号较高，分别为20.67kg•kg-1和20.35kg•kg-1；徐9154最低，仅为16.72kg•kg-1。以上结果表明不同品种对已吸收进入棉株体内的氮素的生理利用效率存在显著差异，说明氮素生理利用效率也受品种基因型控制，即将已吸收的氮素形成产量的能力存在差异。棉株生殖器官吸氮量分配率与氮素子棉生产效率结果表明，两者呈一定程度负相关关系，但未达显著水平。说明仅提高生殖器官中吸氮量并不能提高品种的氮素子棉生产效率，相关生理机制还有待进一步深入研究。

2.3长江流域常用棉花品种的氮素利用效率分类对不同品种氮素回收利用效率采用欧氏距离作为相似性尺度，用离差平方和法（Ward）对相关数据进行聚类分析结果表明（图1），不同品种氮素回收利用效率可以分为3种类型：类型Ⅰ，回收利用效率高效型，如科棉6号和苏杂3号；类型Ⅱ，回收利用效率中间型，如泗棉3号、徐杂3号等；类型Ⅲ，回收利用效率低效型，如渝棉1号、苏棉9号。以上结果进一步说明了不同品种氮素吸收效率是受品种基因型控制的。对不同品种氮素子棉生产效率（NUEsp）采用欧氏距离作为相似性尺度，用离差平方和法（Ward）对相关数据进行聚类分析结果表明（图2），不同品种NUEsp可以分为2种类型：类型Ⅰ，氮素子棉生产效率高效型，如泗棉3号、科棉6号、徐杂3号、渝棉1号；类型Ⅱ，氮素子棉生产效率低效型，如泗杂3号、苏杂3号、苏棉9号、徐9154。以上结果进一步说明了不同品种氮素生理利用效率也明显受品种基因型控制。结合图1和图2的结果表明：棉花不同品种氮肥子棉生产效率和氮肥回收利用率的高低不尽一致，总体来说，科棉6号的氮肥子棉生产效率和氮肥回收利用率都处于较高的趋势；苏杂3号的氮肥回收利用率却相对较高，但氮肥子棉生产效率不高；泗棉3号、徐杂3号、渝棉1号的氮肥回收利用率不高，但氮肥子棉生产效率相对较高；而苏棉9号、徐9154和渝棉1号的氮肥子棉生产效率及氮肥回收利用率都相对较低。由此可见，供试品种的氮肥回收利用效率与氮素子棉生产效率存在4种类型，即二者都高效型，二者都低效型，高氮肥子棉生产效率和低氮肥回收利用率型，低氮肥子棉生产效率和高氮肥回收利用率型。

3小结与讨论

3.1品种间氮吸收利用效率差异分析目前，提高作物产量在很大程度上都依赖于氮肥的高投入，但是我国氮肥的当季利用率很低，棉花的一般为30%～40%。前人对不同品种（基因型）小麦的氮肥利用率进行了大量研究，认为不同小麦品种（基因型）在氮效率上存在着明显的基因型差异，选择氮高效品种对提高氮肥利用率有很大潜力[20]。本文针对8个目前在长江流域推广应用的主要棉花品种研究表明：不同品种氮素吸收能力存在显著差异，说明其受品种基因型控制。此外，高氮素吸收能力的品种具有适宜的茎叶吸氮量和较高的铃吸氮量、总吸氮量的特征。如苏杂3号、科棉6号成熟期单位面积植株吸氮量最大（284.4kg•hm-2、269.1kg•hm-2），氮素回收利用效率分别达48.2%和44.3%；而氮素吸收能力最弱的苏棉9号，氮素回收利用效率仅为29.0%，植株吸氮量仅为93.2kg•hm-2。因此，在生产上可将棉株铃吸氮量、总吸氮量作为高氮素吸收效率棉花品种（系）筛选的一个指标。在棉株对已吸收氮素的利用效率方面，各品种间也存在明显差异，说明其也受品种基因型控制。其中泗棉3号、科棉6号氮素子棉生产效率最高，分别达20.67和20.35kg•kg-1，比徐棉9154分别高23.6%和21.7%。进一步分析表明，同一品种在氮素吸收能力和棉株对已吸收氮素的利用效率两方面表现并不完全一致。如苏杂3号RE在参试品种中最高但其NUEsp却较低，仅排在第7位。因此，进一步探讨既有较高氮素的吸收效率又有较高氮素利用效率转基因抗虫棉品种的生理机制，对于采取遗传育种方法，选育出高效吸收型转基因抗虫棉新品种（系）和生产中高效氮素管理具有重要的指导意义。

3.2品种间氮素吸收利用效率分类需肥特性是棉花重要的遗传特性，是节肥育种和节肥栽培的重要依据。棉花氮素效率可分解为氮素吸收效率和体内氮素的利用效率，并且存在着明显的基因型差异[17-18]，选择既有较高氮素吸收效率、又有较高氮素利用效率的品种（系）可以以较低的氮肥投入获得较高的产量，从而提高植棉效益，保护环境。本文研究结果表明：根据氮肥子棉生产效率（NUEsp）和氮肥回收利用率（RE）的高低可将不同棉花品种大致分成4种类型，即两者都高效型、两者都低效型、高NUEsp低RE型以及低NUEsp高RE型。供试品种中仅科棉6号属于两者高效型；泗棉3号、徐杂3号、渝棉1号为高NUEsp低RE型；苏杂3号为低NUEsp高R型；而苏棉9号、徐9154和渝棉1号为两者都低效型。其中两者都高效型品种不仅能从土壤中吸收大量的氮素，而且可以将体内较多的氮素转化为子棉产量，最终产量也最高。高NUEsp低R型品种虽然从土壤中吸收的氮素量比较少，但其能将体内的氮素尽可能多地形成子棉产量，如泗棉3号最终子棉产量仍达4788.0kg•hm-2（表2）仅低于科棉6号。因此，在生产上选用氮肥吸收效率高效型棉花品种的同时还要考虑氮肥子棉生产效率即氮肥利用效率的高低，这不仅关系到棉花对土壤中氮素的吸收与利用，也关系到最终子棉产量的高低。选用该类型的品种，可使在我国有限的棉花种植面积条件下，生产出尽可能多的子棉。此外，选用氮肥的回收利用率不高，但氮肥子棉生产效率相对较高类型的品种，可以在减少氮肥用量的条件下，仍能获得较高的子棉产量如泗棉3号。生产中选用该类型品种，可以减少氮肥投入，从而节约成本，减少氮素流失，减轻棉田氮肥污染，保护生态环境，促进农业可持续发展。该类型品种在生产中也有较大的应用前景。