大田長(zhǎng)期水氮處理對(duì)土壤氮素及小麥籽粒淀粉糊化特性的影響

李莎莎 馬 耕 劉衛(wèi)星 康 娟 陳雨露 胡陽(yáng)陽(yáng) 張盼盼王晨陽(yáng)

河南農(nóng)業(yè)大學(xué) / 國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心, 河南鄭州 450002

淀粉約占籽粒重量的 75%, 對(duì)小麥品質(zhì)有至關(guān)重要的影響[1]。籽粒中淀粉以半晶體狀態(tài)的淀粉粒形式儲(chǔ)存于胚乳中。淀粉粒形狀各異, 粒徑從1 μm到100 μm不等, 不同作物淀粉粒的大小分布特征也有很大差異[2]。小麥淀粉粒按照粒徑可分為小淀粉粒(粒徑＜5.0 μm)、中淀粉粒(粒徑 5.0～50.0 μm)和大淀粉粒(粒徑＞50.0 μm)[3], 不同粒徑淀粉粒所占比例在一定程度上決定淀粉特性。淀粉按鏈長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類(lèi)[4-5], 其中直、支鏈淀粉含量對(duì)面粉糊化特性也有重要影響[6], 糊化特性是決定品質(zhì)的重要指標(biāo)[7], 澥淀粉峰值黏度和稀 值影響面條的質(zhì)地和口感[8]。

小麥淀粉組成和糊化特性不僅受基因型的調(diào)控,而且受生態(tài)環(huán)境和栽培措施的顯著影響[9]。多數(shù)研究認(rèn)為, 水分和氮素是影響小麥生長(zhǎng)和發(fā)育的重要因素, 對(duì)籽粒貯藏物質(zhì)形成具有明顯的調(diào)控效應(yīng)[10-11]。干旱脅迫使小麥籽粒淀粉粒晶體結(jié)構(gòu)發(fā)育更加緊實(shí)[12],降低淀粉的峰值黏度和稀值[13]; 吳金芝等[14]研究表明, 拔節(jié)期灌水能改善豫麥50淀粉糊化特性; 付雪麗等[15]認(rèn)為, 拔節(jié)期和開(kāi)花期灌水顯著增加籽粒直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量。有研究表明, 隨施氮量增加強(qiáng)筋小麥籽粒中大淀粉粒比例增加[16],并顯著提高籽?？偟矸酆椭ф湹矸酆? 而對(duì)弱筋小麥品種的總淀粉和支鏈淀粉含量無(wú)顯著影響[17]。施氮量在240 kg hm–2時(shí)籽粒B型淀粉粒體積百分比最大, 繼續(xù)增加施氮量又有所降低。

施入土壤中的氮素大部分以無(wú)機(jī)氮的形式存在,包括NO3–-N和NH4+-N兩種形式。NO3–-N是北方農(nóng)田作物利用氮素的主要形式, 土壤NO3–-N含量與作物生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。不合理的灌水和施氮會(huì)導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮的大量淋失或積累, 不僅提高成本,更造成地下水污染[17-18]。因此, 合理灌水與施氮是保證作物產(chǎn)量、品質(zhì), 減少土壤硝態(tài)氮積累與淋失的重要措施。前人的研究大多集中在灌水[10]和施氮[11]等農(nóng)藝措施對(duì)小麥生長(zhǎng)調(diào)控及品質(zhì)的影響方面, 但圍繞土壤中硝態(tài)氮含量與地上部發(fā)育, 尤其與籽粒品質(zhì)性狀的研究較少[19-20], 更缺乏兩者關(guān)系的定量描述。本文在大田高產(chǎn)栽培條件下設(shè)置不同水氮處理的長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 探究不同水氮互作下耕層土壤硝態(tài)氮含量與籽粒淀粉組成及糊化特性的關(guān)系, 旨在為優(yōu)化栽培管理、實(shí)現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

自 2010年麥播開(kāi)始, 在河南省溫縣祥云鎮(zhèn)(112°51′39″E, 35°2′48″N)高產(chǎn)麥田進(jìn)行了小麥–玉米多年水肥定位試驗(yàn)。該地屬溫帶季風(fēng)氣候, 夏季高溫多雨, 冬季寒冷干燥, 歷年(1962—2006年)生育期平均氣候條件及試驗(yàn)期間氣象條件如圖1所示。土壤為黏質(zhì)潮土, 前茬作物為玉米, 于 10月初收獲。2014年10月13日和2015年10月15日播種小麥, 收獲期分別是2015年5月28日和2016年6月 3日, 以中筋品種豫麥 49-198為材料, 播前測(cè)定0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)肥力(表1)。

采用裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)為灌水處理, 副區(qū)為氮素處理, 小區(qū)面積為15.25 m2(6.1 m × 2.5 m), 3次重復(fù)。設(shè)3個(gè)灌水處理, 分別是全生育期不灌水(W0)、拔節(jié)期灌1水(W1)及拔節(jié)期+開(kāi)花灌2次水(W2), 用水表嚴(yán)格控制灌水量, 每次灌 750 m3hm–2。設(shè) 0(N0)、180 (N1)、240 (N2)和 300 kg hm–2(N3) 4 個(gè)施氮量, 以尿素(含氮量46%)為氮源, 播種前和拔節(jié)期各施50%, 對(duì)所有處理均在播前施P2O5150 kg hm–2(過(guò)磷酸鈣, 含P2O515%)和K2O 120 kg hm–2(顆粒硫酸鉀, 含K2O 60%)。其他田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣相同, 生育期內(nèi)未發(fā)生病蟲(chóng)害。

1.2 耕層土壤中硝態(tài)氮含量測(cè)定方法

小麥?zhǔn)斋@后用土鉆取0～20 cm土層的混合土樣帶回室內(nèi), 稱(chēng)取新鮮土壤樣品10 g, 用2 mol L–1的KCl溶液浸提(水土比5∶1), 振蕩1 h過(guò)濾, 用UV-6400型分光光度計(jì)在220 nm和275 nm雙波長(zhǎng)定量模式下比色, 直接讀取吸光度, 計(jì)算出硝態(tài)氮含量。

1.3 小麥籽粒淀粉特性測(cè)定方法

小麥成熟后取樣, 按照 14%水基潤(rùn)麥, 采用Chopin CD1實(shí)驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)磨面, 出粉率在60%左右。用雙波長(zhǎng)比色法, 測(cè)定直鏈和支鏈淀粉含量, 其中直鏈淀粉測(cè)定波長(zhǎng)為631 nm, 參比波長(zhǎng)為480 nm[21];支鏈淀粉測(cè)定波長(zhǎng)為554 nm, 參比波長(zhǎng)為754 nm[21]?？偟矸酆繛橹辨湹矸酆颗c支鏈淀粉含量之和。

按照GB/T 24853-2010方法, 采用Perten RVA 4500型快速黏度儀測(cè)定糊化特性指標(biāo)。

表1 播種前試驗(yàn)田0～20 cm土層養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient contents in 0–20 cm soil layer of experiment field before sowing

圖1 小麥生育期內(nèi)降水量和平均氣溫的變化Fig. 1 Precipitation and mean temperature during the wheat growing season

采用面團(tuán)法[22]制備淀粉, 用 Malvern Mastersizer 2000激光衍射粒度分析儀分析淀粉粒分布。按照Massaux等[23]的方法計(jì)算不同大小淀粉顆粒的分布比例。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0 (Statistic Package for Social Science, SPAA Inc. IL, USA)進(jìn)行方差分析, 用Duncan’s法進(jìn)行處理間多重比較。采用 SigmaPlot 12.3軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對(duì)耕層土壤硝態(tài)氮含量的影響

施氮顯著增加耕層土壤中硝態(tài)氮含量, 而灌水降低土壤中硝態(tài)氮含量, 處理間差異顯著(圖 2)。2014—2015年度W1和W2的耕層土壤硝態(tài)氮含量分別比W0低15.0%和24.2%, 2015—2016年度分別低16.9%和36.9%。隨施氮增加, 土壤硝態(tài)氮含量顯著提高, N3較N0高10倍以上。W0N3的土壤硝態(tài)氮含量最高, W2N0的最低。建立了土壤硝態(tài)氮與灌水量和施氮量的回歸方程(圖3)。

2.2 不同水氮處理對(duì)淀粉組成及含量的影響

灌水和施氮處理對(duì)籽粒直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量及淀粉直/支比、淀粉產(chǎn)量均有顯著影響,并且水氮互作對(duì)支鏈淀粉含量有顯著影響(表2)。灌水降低籽粒直鏈淀粉含量和直/支比, 增加支鏈淀粉含量和總淀粉含量。施氮顯著降低籽粒直鏈淀粉含量和直/支比, 增加支鏈淀粉含量、總淀粉含量和淀粉產(chǎn)量, 且在N2處理達(dá)到最大值, 之后隨施氮量增加有所下降。綜合分析, 在 W1N2處理下小麥籽粒支鏈淀粉含量、總淀粉含量和淀粉產(chǎn)量相對(duì)較高,直鏈淀粉含量較低, 有利于淀粉品質(zhì)的改善。

2.3 不同水氮處理對(duì)淀粉粒體積分布的影響

灌水和施氮處理對(duì)小淀粉粒(粒徑＜5.0 μm)和大淀粉粒(粒徑＞50.0 μm)均有顯著的影響(表3)。灌水顯著增加籽粒大淀粉粒的體積百分比, 降低小淀粉粒體積百分比。在0～240 kg hm–2施氮范圍內(nèi), 小淀粉粒的體積百分比隨施氮量增加顯著降低。中淀粉粒的體積百分比, 不同施氮處理間表現(xiàn)有所不同,在 W0處理下, 施氮顯著增加了中淀粉粒體積百分比, 而在灌水條件下(W1、W2處理)施氮對(duì)其無(wú)影響,大淀粉粒體積百分比在不同年份間存在明顯差異。

2.4 不同水氮處理對(duì)淀粉糊化特性的影響

峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和反彈值在不同年份間存在顯著差異。不同灌水和氮素處理及其互作對(duì)峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和反彈值均有顯著影響。灌水顯著增加了峰值黏度、谷值黏度和最終黏度, 其中峰值黏度、谷值黏度以W1處理最大, 而最終黏度和反彈值以W2處理最大, 但與W1處理無(wú)顯著差異(表4), 表明拔節(jié)期灌水不僅有利于提高小麥產(chǎn)量, 且有利于改善小麥淀粉糊化特性。從氮素效應(yīng)看, 與不施氮處理相比, 施氮顯著增加黏度值(反彈值除外), 且均以N2處理最大。綜合來(lái)看, 氮素對(duì)糊化參數(shù)的影響大于灌水。

圖2 不同水氮處理下耕層(0～20 cm)土壤的硝態(tài)氮含量Fig. 2 Nitrate nitrogen content in the 0–20 cm soil layer in different water and nitrogen treatments

圖3 水氮處理與0～20 cm土層硝態(tài)氮含量的關(guān)系Fig. 3 Relations between nitrate nitrogen content in 0–20 cm soil layer and the water and nitrogen fertilizer coupling

W1N2處理的淀粉品質(zhì)較好。利用回歸方程(圖3)計(jì)算土壤硝態(tài)氮含量范圍, 即土壤硝態(tài)氮含量在19.64～20.55 mg kg–1時(shí), 小麥淀粉黏度值較高, 品質(zhì)較優(yōu)。

2.5 土壤硝態(tài)氮含量與淀粉組成及糊化特性的相關(guān)性

耕層土壤中硝態(tài)氮含量與籽?？偟矸酆俊⒎逯叼ざ?、谷值黏度以及最終黏度之間顯著正相關(guān)(P＜0.01), 相關(guān)系數(shù)分別為 0.544、0.610、0.601和0.322, 表明提高土壤中硝態(tài)氮含量有利于改善中筋小麥淀粉糊化參數(shù)。土壤中硝態(tài)氮含量與大淀粉粒體積百分比呈正相關(guān), 而與小淀粉粒、中淀粉粒體積百分比呈負(fù)相關(guān), 但均未達(dá)顯著水平。

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表3 不同水氮處理對(duì)小麥籽粒淀粉粒體積分布的影響Table 3 Effect of different irrigation and nitrogen treatments on size distribution of wheat starch granules

表4 不同水氮處理對(duì)小麥籽粒淀粉糊化特性的影響Table 4 Effect of different irrigation and nitrogen treatments on RVA properties of wheat starch (cP)

3 討論

禾谷類(lèi)作物種子中, 淀粉以大、小淀粉粒形態(tài)存在于胚乳中[24], 成熟小麥籽粒淀粉粒分A、B和C型淀粉粒[25-26]。淀粉粒級(jí)分布影響小麥淀粉的理化特性[27]和加工品質(zhì)。研究表明, 土壤水分[28]和氮素[29]對(duì)小麥淀粉粒的分布均有顯著影響, 然而灌水對(duì)小麥籽粒淀粉粒徑影響的結(jié)論并不一致。Geera等[30]研究表明, 旱作小麥籽粒中 A型淀粉粒的體積百分比較灌溉下明顯減少, B型淀粉粒的體積百分比則顯著增加; 而Zhang等[31]以5個(gè)淀粉含量不同的小麥品種為材料, 研究發(fā)現(xiàn)不灌水處理提高了大淀粉粒(A型)的體積百分比。本研究結(jié)果支持Zhang等[31]的觀(guān)點(diǎn), 拔節(jié)期灌 1次水使籽粒大淀粉粒體積百分比增加 32.9% (2014—2015年度)和 70.3% (2015—2016年度), 小淀粉粒體積百分比降低3.4% (2014—2015年度)和8.5% (2015—2016年度)。關(guān)于氮肥施用對(duì)淀粉粒大小和分布的影響, 石德楊等[32]的研究表明施氮能顯著降低玉米籽粒小型淀粉粒的體積百分比, 增加大淀粉粒的體積百分比。本試驗(yàn)結(jié)果表明,全生育期不灌水條件下, 施氮量在0～300 kg hm–2范圍內(nèi), 隨施氮量增加中淀粉粒體積百分比遞增, 較N0顯著增加; 在灌水條件下, 施氮對(duì)中型淀粉粒體積百分比影響較小, 說(shuō)明氮素對(duì)小麥籽粒淀粉粒度的影響與土壤水分狀況有關(guān)。相關(guān)分析表明, 土壤中硝態(tài)氮含量與小淀粉、中淀粉體積百分比之間存在不顯著的負(fù)相關(guān), 而與大淀粉粒體積百分比呈不顯著的正相關(guān)。

干旱脅迫降低小麥籽粒中總淀粉含量、支鏈淀粉含量及直鏈淀粉含量的積累, 對(duì)淀粉直/支比無(wú)顯著影響[13]。在大田條件下, 全生育期不灌水對(duì)灌漿初期的直鏈淀粉含量無(wú)顯著影響, 但顯著降低灌漿后期的直鏈淀粉含量。在拔節(jié)期和開(kāi)花期灌水(灌 2次水)的基礎(chǔ)上增加灌漿水(灌 3次水), 顯著提高灌漿后期的直鏈淀粉含量; 灌 2次水使灌漿后期的支鏈淀粉含量升高, 而灌 3次水卻使支鏈淀粉含量降低[33]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 全生育期不灌水處理的籽粒直鏈淀粉含量較高, 支鏈淀粉和總淀粉含量較低,原因可能是干旱條件下 SSS活性顯著降低, 而GBSS對(duì)干旱脅迫存在一定的適應(yīng)性響應(yīng)[34]; 拔節(jié)期灌水促進(jìn)籽粒支鏈淀粉和總淀粉的積累, 增加其組分含量。關(guān)于施氮對(duì)籽粒淀粉含量的影響, 嚴(yán)美玲等[35]對(duì)魯麥21研究表明, 在施氮120～360 kg hm–2范圍內(nèi), 隨施氮量增加, 強(qiáng)、弱勢(shì)粒中直鏈淀粉含量均降低, 支鏈淀粉先增后降, 施氮量240 kg hm–2時(shí)達(dá)到最大, 本試驗(yàn)結(jié)果表明, 施氮量在 0～240 kg hm–2范圍內(nèi), 隨施氮量增加籽粒直鏈淀粉含量顯著降低, 而支鏈淀粉和總淀粉含量增加; 繼續(xù)增加施氮量, 支鏈淀粉含量和總淀粉含量則降低, 且水氮互作對(duì)支鏈淀粉含量存在顯著影響(表2), 在2015—2016年度, W0條件下N1和N2處理的支鏈淀粉含量分別較N0處理增加5.4%和11.0%, 在W1條件下支鏈淀粉含量分別增加11.8%和18.0%, W2條件下分別增加12.2%和16.0%。

施氮增加土壤硝態(tài)氮含量, 而灌水使耕層土壤硝態(tài)氮含量降低(圖2)。關(guān)于土壤中硝態(tài)氮含量與籽?？偟矸酆恐g的關(guān)系, 蔡瑞國(guó)等[36]研究認(rèn)為隨土壤中硝態(tài)氮含量增加, 籽粒中淀粉含量增加; 范雪梅等[37]認(rèn)為, 干旱條件下增加土壤硝態(tài)氮含量有利于淀粉積累, 而漬水條件下土壤硝態(tài)氮含量增加使淀粉含量下降。本研究表明, 土壤耕層硝態(tài)氮含量與總淀粉含量呈正相關(guān), 與蔡瑞國(guó)等[36]研究結(jié)果基本一致。這可能是隨著施氮量及耕層土壤中硝態(tài)氮含量增加, 促進(jìn)了植株對(duì)土壤氮素的吸收利用[38],使植株光合能力增強(qiáng), 有利于光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)轉(zhuǎn)與積累[39-40]。還有研究表明, 增施氮肥可以提高SSS和 GBSS等淀粉合成關(guān)鍵酶活性[11], 從而促進(jìn)淀粉積累。

淀粉糊化特性是評(píng)價(jià)淀粉品質(zhì)的重要指標(biāo)[41],與面條外觀(guān)和口感均有顯著相關(guān)性[14]。淀粉糊化特性受基因型、環(huán)境及其互作的影響[7], 且水氮措施對(duì)其影響較大。方保停等[42]利用弱筋小麥品種豫麥50在池栽防雨條件下試驗(yàn), 結(jié)果以灌 1次水(拔節(jié)水)時(shí)淀粉糊化品質(zhì)較好, 且與灌 2次水(拔節(jié)水+灌漿水)差異不顯著; 馮偉等[43]利用豫麥 49進(jìn)行大田試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)灌 2次水時(shí)淀粉品質(zhì)最優(yōu)。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 拔節(jié)期灌1次水能顯著提高淀粉的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度, 而灌 2次水(拔節(jié)水+開(kāi)花水)顯著降低了淀粉的黏度值。對(duì)淀粉糊化特性的最適施氮量也有報(bào)道, 例如豫麥 49以施氮量 150 kg hm–2為最佳[38]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 施氮量在0～240 kg hm–2范圍內(nèi), 增施氮肥可提高小麥淀粉黏度值, 若繼續(xù)增加施氮量黏度值又降低, 鄭志松等[44]在研究中也得到類(lèi)似結(jié)論。相關(guān)分析表明, 土壤中硝態(tài)氮含量和峰值黏度、谷值黏度和最終黏度之間存在極顯著正相關(guān)。

4 結(jié)論

施氮增加耕層土壤中的硝態(tài)氮含量, 而灌水則降低硝態(tài)氮含量。灌水和施氮均提高淀粉糊化參數(shù),增加中淀粉粒和大淀粉粒的體積百分比, 進(jìn)而增加淀粉含量的積累。土壤硝態(tài)氮含量與淀粉產(chǎn)量和部分黏度參數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)。在耕層土壤硝態(tài)氮含量 19.64～20.55 mg kg–1條件下, 即長(zhǎng)期施氮量240 kg hm–2、拔節(jié)期灌1次水時(shí), 獲得了較好小麥產(chǎn)量和淀粉品質(zhì), 是豫北高產(chǎn)灌區(qū)的優(yōu)化水肥管理模式。