施氮量對(duì)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量、氮素利用率和品質(zhì)的影響

張 秀，朱文美，代興龍，初金鵬，鈐太峰，賀明榮

(作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東小麥玉米周年高產(chǎn)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018)

氮素是影響冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)作物籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的形成有重要作用[1-4]。小麥籽粒蛋白的含量和組成直接影響小麥的面包品質(zhì)[5-7]，其中麥谷蛋白含量是影響小麥品質(zhì)的關(guān)鍵因子。在與品質(zhì)相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)中，不溶性谷蛋白含量及其不溶性谷蛋白占總谷蛋白的比例是調(diào)控小麥面團(tuán)流變學(xué)特性和面包品質(zhì)的重要指標(biāo)[8]。Graybosch等[9]研究認(rèn)為，麥谷蛋白和醇溶蛋白的比例(谷醇比)與品質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系。有研究表明，過(guò)量施氮條件下，冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素利用率均顯著降低[10-12]，但關(guān)于過(guò)量施氮導(dǎo)致小麥品質(zhì)下降的機(jī)理研究相對(duì)較少。如何優(yōu)化氮肥施用量，協(xié)同提高產(chǎn)量、氮素利用率和籽粒品質(zhì)是當(dāng)前強(qiáng)筋小麥生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。因此，本研究以強(qiáng)筋小麥品種濟(jì)麥20和洲元9369為材料，設(shè)置3個(gè)氮肥水平，研究不同氮肥水平下小麥產(chǎn)量、氮素利用率和品質(zhì)及其相關(guān)指標(biāo)間的關(guān)系，以期明確過(guò)量施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量、氮素利用率、品質(zhì)的影響及其影響機(jī)制，為今后強(qiáng)筋小麥的氮肥科學(xué)施用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

試驗(yàn)于2015-2017年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站(36°09′42.4″N，117°09′43.1″E)進(jìn)行。以強(qiáng)筋小麥品種濟(jì)麥20(中穗型)和洲元9369(大穗型)為材料，分別用JM20和ZY9369表示；設(shè)置180、240和300 kg·hm-23個(gè)施氮量，分別用N180、N240和N300表示。共6個(gè)處理。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以施氮量為主區(qū)，品種為副區(qū)，3次重復(fù)，小區(qū)面積21 m2。采用寬幅精播播種方式，洲元9369和濟(jì)麥20的種植密度分別為375和225萬(wàn)株·hm-2，行距為25 cm。所用氮、磷、鉀肥分別為尿素(含氮46%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O510%)和氯化鉀(含K2O 60%)。各小區(qū)純磷、純鉀肥施用量均為120 kg·hm-2，作為基肥施用。氮肥基追比為4∶6，拔節(jié)期追肥。試驗(yàn)前0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分別為12.07和1.37 g·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為84.17、27.77和86.42 mg·kg-1。前茬作物為玉米，全田施氮量一致。2015年播前N180、N240和N300三個(gè)處理0～1 m土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)積累量為107.63 kg·hm-2，2016年播前N180、N240和N300三個(gè)處理土壤0～1 m無(wú)機(jī)態(tài)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)積累量分別為 166.61、174.99和192.56 kg·hm-2。其他田間管理與高產(chǎn)小麥田間管理規(guī)程相同。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮含量測(cè)定

播前以20 cm為1層，分5層取0～1 m土樣，置于自封袋，-20 ℃保存。測(cè)定時(shí)將土壤樣品解凍、混勻，稱(chēng)12 g，加入50 mL 1 mol·L-1的KCl溶液浸提，振蕩30 min 后過(guò)濾，制成浸提液。采用德國(guó)Bran Luebbe公司生產(chǎn)的AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，計(jì)算土壤供氮量。

1.2.2 產(chǎn)量測(cè)定

成熟期，在小區(qū)內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的區(qū)域，取3 m2進(jìn)行人工收割、脫粒，自然風(fēng)干后稱(chēng)重并用谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水量，調(diào)整含水量至13%的籽粒產(chǎn)量。

1.2.3 植株氮積累量測(cè)定

成熟期，在小區(qū)內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻區(qū)域，隨機(jī)取30個(gè)單莖，分為莖、葉、籽粒、穎殼+穗軸4個(gè)器官，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干后稱(chēng)重；植株樣品用微型植物粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目篩，采用凱氏定氮法測(cè)定各器官含氮量，計(jì)算地上部氮素積累量。

1.2.4 小麥品質(zhì)測(cè)定

全麥粉用瑞士Perten公司生產(chǎn)的3100型試驗(yàn)?zāi)ツブ?，面粉用德?guó) Brabende公司生產(chǎn)的BUHLER試驗(yàn)?zāi)ツブ?，?xì)度均為100目。面粉濕面筋含量用瑞典Perten公司產(chǎn)2200型面筋洗滌儀，按照GB/T14608-93測(cè)定；面團(tuán)流變學(xué)特性用德國(guó)公司Brabender產(chǎn)810106002型粉質(zhì)儀，按照GB/T14614-2006測(cè)定。面包烘烤試驗(yàn)按AACC10-01方法進(jìn)行，應(yīng)用菜籽置換法(NationalG公司生產(chǎn)面包體積測(cè)定儀)測(cè)定面包體積 。

1.2.5 小麥蛋白組分測(cè)定

按GB2905-1982“谷類(lèi)、豆類(lèi)作物種子粗蛋白質(zhì)測(cè)定法(半微量凱氏法)”測(cè)定小麥籽粒氮素含量，計(jì)算籽粒蛋白質(zhì)含量。參照Gupta等[13]的方法，運(yùn)用高效液相色譜法測(cè)定小麥籽粒中清蛋白+球蛋白、醇溶蛋白、SDS-可溶性谷蛋白和SDS-不可溶性谷蛋白含量。

1.2.6 計(jì)算公式

供氮量=施氮量+播前0～1 m土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮積累量

氮素利用率=籽粒產(chǎn)量/供氮量

小區(qū)產(chǎn)量=實(shí)測(cè)產(chǎn)量×(1-籽粒含水量)/(1-13%)

小麥籽粒蛋白質(zhì)含量=籽粒氮素含量×5.7

聚合指數(shù)=不可溶性谷蛋白含量/總谷蛋白含量

谷醇比=總谷蛋白含量(%)/醇溶蛋白含量(%)

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05分析處理數(shù)據(jù)，采用Sigmplot 12.5制圖，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量和氮素利用率的影響

由圖1可知，在N180、N240和N300條件下，洲元9369的產(chǎn)量，2016年分別為7.40、7.67和6.86 t·hm-2，2017年分別為8.04、8.14和7.57t·hm-2；濟(jì)麥20的產(chǎn)量,2016年分別為6.45、6.49和5.56 t·hm-2，2017年分別為7.28、7.26和5.32t·hm-2。由此可以看出，相同施氮量下，洲元9369的產(chǎn)量均高于濟(jì)麥20。在施氮量為N180和N240時(shí)，2個(gè)品種間產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但當(dāng)施氮量由N240增至N300時(shí)，2個(gè)品種小麥產(chǎn)量均下降。表明，在本研究條件下，施氮量超過(guò)240 kg·hm-2時(shí)會(huì)降低小麥產(chǎn)量。

圖1 不同施氮水平下強(qiáng)筋小麥品種的產(chǎn)量和氮素利用率Fig.1 Grain yield and nitrogen use efficiency of strong gluten wheat varieties at different nitrogen rates

在N180、N240和N300條件下，洲元9369的氮素利用率，2016年分別為25.73、22.06和16.83 kg·kg-1，2017年分別為23.29、19.61和15.37 kg·kg-1；濟(jì)麥20的氮素利用率，2016年分別為22.42、18.67和13.64 kg·kg-1，2017年分別為21.00、17.49和10.80 kg·kg-1。由此可以看出，相同施氮條件下洲元9369氮素利用率均高于濟(jì)麥20，且氮素利用率隨著施氮量的增加而降低，當(dāng)施氮量由N180增加至N240時(shí)，氮素利用率的降低幅度為15.79%，當(dāng)施氮量由N240增加至N300時(shí)，氮素利用率的降低幅度為27.62%。

2.2 施氮量對(duì)小麥品質(zhì)及其相關(guān)指標(biāo)的影響

由表1可知，相同施氮條件下，洲元9369的吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積和面包評(píng)分均高于濟(jì)麥20；而濕面筋含量和沉降值在兩年間存在差異，其中，2016年濟(jì)麥20的濕面筋含量和沉降值均高于洲元9369，2017年則相反。

施氮量對(duì)吸水率和濕面筋含量無(wú)顯著影響。面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、面包體積和面包評(píng)分均隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢(shì)。當(dāng)施氮量由N180增至N240時(shí)，濟(jì)麥20和洲元9369在2016和2017年的面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、面包體積和面包評(píng)分均顯著增加，兩品種、兩年度的平均增幅分別為9.84%、15.99%、5.92%、10.54%和4.34%；當(dāng)施氮量由N240增至N300時(shí)，面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、面包體積和面包評(píng)分又都顯著下降，兩品種、兩年度的平均降幅分別為13.63%、23.47%、2.47%、11.70%和9.50%。表明施氮量過(guò)高會(huì)使小麥品質(zhì)下降。

由表2可知，相同施氮條件下，洲元9369的SDS-不溶性谷蛋白、谷醇比和聚合指數(shù)均高于濟(jì)麥20，而總蛋白含量和醇溶蛋白含量均低于濟(jì)麥20，SDS-可溶性谷蛋白含量和谷蛋白含量?jī)善贩N間無(wú)顯著差異。

總蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白的含量和谷蛋白聚合指數(shù)均隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢(shì)，而SDS-可溶性谷蛋白和

表1 不同施氮水平下強(qiáng)筋小麥品種的品質(zhì)Table 1 Quality of strong gluten wheat cultivar at different nitrogen rates

表2 不同施氮水平下強(qiáng)筋小麥品種的蛋白質(zhì)及其組分含量Table 2 Protein and protein components contents in strong gluten wheat cultivar at different nitrogen rates

2.3 蛋白質(zhì)及其組分與小麥面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和面包體積的相關(guān)分析

將小麥籽粒中重要的蛋白質(zhì)組分與影響小麥加工品質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，SDS-不可溶性谷蛋白含量、谷蛋白聚合指數(shù)與面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積和面包評(píng)分之間呈顯著正相關(guān)，其他指標(biāo)之間無(wú)顯著相關(guān)性(表3)。

表3 蛋白質(zhì)及其組分含量與強(qiáng)筋小麥加工品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性Table 3 Correlation between the content of protein components and parameters of processing quality of strong gluten wheat

3 討 論

前人研究表明，不同優(yōu)質(zhì)小麥品種的產(chǎn)量、氮素利用率及品質(zhì)間存在著明顯的基因型差異[14-16]。本研究中，各施氮水平下，洲元9369的產(chǎn)量、氮素利用率、吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積和面包評(píng)分等品質(zhì)指標(biāo)均高于濟(jì)麥20。并且各指標(biāo)受氮肥影響的規(guī)律一致，因此本研究重點(diǎn)分析產(chǎn)量、氮素利用率和品質(zhì)與施氮量間的關(guān)系。

在一定的施氮范圍內(nèi)，籽粒產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，但超過(guò)適宜的施氮范圍，產(chǎn)量不增反降[17-19]，而氮素利用率則隨施氮量的增加呈不同程度的降低[20-21]。本研究中，2個(gè)小麥品種的產(chǎn)量在N180和N240間無(wú)顯著差異，施氮量增至N300時(shí)降低，且氮素利用率隨施氮量增加呈明顯的降低趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果基本一致。

氮素是影響強(qiáng)筋小麥籽粒蛋白質(zhì)和氨基酸合成的最重要元素。不同氮肥處理可顯著影響小麥籽粒品質(zhì)[22-23]。小麥籽粒品質(zhì)常以沉降值、濕面筋含量、吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間等為主要指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。徐恒永等[24]研究指出，強(qiáng)筋小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量和沉降值均隨施氮量的提高而增加，面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間則隨施氮量的增加而呈先增后降的變化趨勢(shì)。蔡金華等[25]研究表明，增施氮肥能顯著提高鎮(zhèn)麥136的濕面筋含量、面團(tuán)形成時(shí)間和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間。但在本研究中，當(dāng)施氮量由N180增至N240時(shí)，2個(gè)品種小麥的面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、面包體積和面包評(píng)分顯著上升；但當(dāng)施氮量由N240增至N300時(shí)，面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積和面包評(píng)分均顯著下降。表明，強(qiáng)筋小麥生產(chǎn)中，氮肥投入過(guò)量將會(huì)大幅降低小麥品質(zhì)。

根據(jù)蛋白質(zhì)在不同溶液中的溶解度可以將小麥籽粒蛋白分為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白，在與品質(zhì)相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)中，不溶性谷蛋白含量及其不溶性谷蛋白占總谷蛋白的比例(谷蛋白聚合指數(shù))是調(diào)控小麥面團(tuán)流變學(xué)特性和面包品質(zhì)的最重要因素[8]。

本研究中，當(dāng)施氮量由N180增至N240時(shí)，面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積和面包評(píng)分等品質(zhì)指標(biāo)和總蛋白、SDS-可溶性谷蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白含量以及谷醇比和谷蛋白聚合指數(shù)等均顯著提升；而當(dāng)施氮量由N240增至N300時(shí)，其面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積和面包評(píng)分等品質(zhì)指標(biāo)顯著降低，總蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白含量和谷蛋白聚合指數(shù)等亦顯著降低，僅SDS-溶性谷蛋白含量和谷醇比有所提高。小麥品質(zhì)指標(biāo)與蛋白組分等指標(biāo)間的相關(guān)性分析表明，適量增施氮肥主要是通過(guò)提高不溶性谷蛋白含量和谷蛋白聚合指數(shù)來(lái)提升小麥籽粒品質(zhì)。當(dāng)?shù)适┯昧吭鲋罭300，在總蛋白質(zhì)含量降低的條件下，SDS-可溶性谷蛋白含量提升，說(shuō)明，過(guò)量施氮主要通過(guò)降低谷蛋白的聚合程度而使小麥品質(zhì)下降。因此，為使強(qiáng)筋小麥達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的目的，需要適量施用氮肥。綜合考慮小麥產(chǎn)量、氮素吸收利用和品質(zhì)認(rèn)為，在本研究條件下，施氮量為240 kg·hm-2時(shí)，效果最佳。