應(yīng)用15N分析施氮量對(duì)弱筋小麥氮素吸收利用與產(chǎn)量的影響

吳培金，閆素輝，張從宇，邵慶勤，許 峰，李文陽

（安徽科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

弱筋小麥籽粒硬度小、蛋白質(zhì)含量低、面筋強(qiáng)度弱，適合制作餅干、糕點(diǎn)等食品［1-2］。栽培條件對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)有重要的影響作用。氮素是小麥生長過程中影響最大的營養(yǎng)元素［3-4］，適量施氮能提高小麥籽粒產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量，朱統(tǒng)泉等［5］等研究發(fā)現(xiàn)，在施純氮量為120kg·hm-2時(shí)，可保證弱筋小麥有較高的產(chǎn)量且籽粒優(yōu)質(zhì)。陸成彬等［6］等研究發(fā)現(xiàn)弱筋小麥生產(chǎn)中適宜施氮量為240kg·hm-2。姚金保等［7］等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量＜180kg·hm-2時(shí)，弱筋小麥寧麥18的籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量隨施氮量增加而增加，且蛋白質(zhì)含量達(dá)到優(yōu)質(zhì)弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，超過180kg·hm-2時(shí)，再增加施氮量其籽粒產(chǎn)量明顯下降。過多施用氮肥易降低氮肥利用率和增產(chǎn)效果、增加生產(chǎn)成本，加重對(duì)環(huán)境的污染［8-10］，如化學(xué)氮肥的過量施用改變了土壤的氮素平衡，導(dǎo)致大量的氮素流失（揮發(fā)、徑流和淋溶），造成水體污染（地下水硝酸鹽的污染、地表水體富營養(yǎng)化，引發(fā)藻類的暴發(fā)）、空氣污染（土壤氮素?fù)]發(fā)的NH3是霧霾形成的重要前體物）、土壤污染（土壤酸化、土壤真菌的多樣性和數(shù)量的降低）等問題［9］。

氮素吸收利用是植物干物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。小麥生長過程中對(duì)氮素的吸收、同化和轉(zhuǎn)運(yùn)，直接影響籽粒的產(chǎn)量和品質(zhì)［11-12］。小麥對(duì)氮素吸收利用受土壤肥力條件、施氮水平、施氮方式、小麥品種特性及環(huán)境條件等影響［13-15］。研究指出，小麥氮肥利用率隨施氮量的增加而下降［16-17］?？刂坪玫实幕繁壤捎行д{(diào)節(jié)小麥植株在不同生育階段的氮肥利用率［18］。以上關(guān)于氮素調(diào)控及利用研究雖較多，但多以中、強(qiáng)筋小麥品種為供試材料，以弱筋小麥為研究對(duì)象較少。因此，本研究選用2個(gè)弱筋小麥品種，利用15N同位素示蹤技術(shù)，研究不同施氮量對(duì)弱筋小麥氮素積累、運(yùn)轉(zhuǎn)與利用的影響，以期為弱筋小麥生產(chǎn)科學(xué)施氮提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016～2017年在安徽科技學(xué)院種植科技園（鳳陽）進(jìn)行。以弱筋小麥品種揚(yáng)麥13和寧麥13為供試材料。試驗(yàn)地0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷和速效鉀的含量分別為1.12%、80.2 mg·kg-1、28.6 mg·kg-1和 62.3 mg·kg-1。 前茬為玉米，秸稈直接還田。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)氮素水平，即施氮N 105kg·hm-2（N105）、210kg·hm-2（N210）、315kg·hm-2（N315）。氮肥分兩次施用，追氮時(shí)期為拔節(jié)期（3月20日），基追比為7∶3，磷鉀肥一次性底施。種植密度375萬株·hm-2，小區(qū)面積為3 m×3 m＝9 m2，3次重復(fù)。播種期為2016年11月9日，收獲期為2017年5月25日。在每個(gè)小區(qū)第三行內(nèi)插入鐵盒，鐵盒規(guī)格:25 cm（長）×20 cm（寬）×20 cm（高），土壤面積0.05 m2。鐵盒中施用15N標(biāo)記尿素。其它田間管理同一般小麥高產(chǎn)田。

1.2 測定方法與項(xiàng)目

于開花期（4月20日）、成熟期（5月25日）在15N微區(qū)內(nèi)每處理取5株，其中開花期為全株，成熟期分為植株（莖鞘+葉+穗軸穎殼）和籽粒，70℃烘干至恒重。植株不同部位全氮含量測定用半微量凱氏定氮法，15N豐度用同位素比率質(zhì)譜儀（Thermo-Fisher Delta V Advantage IRMS）測定。植株不同部位氮素積累量、氮素來源、氮肥利用效率等的計(jì)算參照文獻(xiàn)［19-20］的方法，公式如下:

籽粒蛋白質(zhì)含量=籽粒全氮含量×5.7植株各器官氮素積累量=器官重量×氮素含量植株積累氮素來自肥料氮的比例=（器官中15N豐度－0.366 3）×100/（肥料中15N豐度－0.366 3）

植株積累氮素來自肥料氮的量=植株積累總氮量×植株積累氮素來自肥料氮的比例

植株積累氮素來自土壤氮的量=植株積累總氮量－植株積累氮素來自肥料氮的量

植株積累氮素來自土壤氮的比例=植株積累氮素來自土壤氮的量/植株積累氮素總量

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量－成熟期營養(yǎng)器官氮素殘留量

轉(zhuǎn)移效率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量

貢獻(xiàn)率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（mg·株-1）/成熟期籽粒氮素積累量（mg·株-1）

氮肥生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/施氮量

氮素利用效率=籽粒產(chǎn)量/植株氮素積累量氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)小麥開花期與成熟期氮素積累量的影響

由表1可以看出，小麥開花期、成熟期植株氮素積累量均隨著施氮量增加而增加。N105處理成熟期籽粒氮素積累量顯著低于N210、N315處理，而N210、N315處理間無顯著差異，可見，適度的增加氮肥，有利于增加弱筋小麥成熟籽粒氮素積累量，過量施氮對(duì)弱筋小麥成熟期單株籽粒氮素積累量的增加效果不明顯。

表1 不同氮水平下小麥開花期與成熟期氮素積累量（mg·株 -1）

2.2 施氮量對(duì)小麥植株不同來源氮素積累量及比例的影響

2.2.1 施氮量對(duì)小麥開花期植株不同來源氮素積累量及比例的影響

由表2可以看出，小麥開花期植株氮素來源于肥料氮的比例為20.73%～29.80%，來源于土壤氮的比例為70.20%～79.27%，可見土壤氮對(duì)開花期植株氮素積累量的貢獻(xiàn)顯著高于肥料氮。小麥開花期植株氮素積累量來源于肥料氮、土壤氮的氮素積累量均表現(xiàn)為N315＞N210＞N105，說明增加施氮量，不僅促進(jìn)了小麥開花期植株肥料氮的吸收積累，且促進(jìn)了土壤氮的吸收積累。兩個(gè)弱筋小麥開花期植株來源于土壤氮的比例均在N210處理達(dá)到最大值，揚(yáng)麥13為79.27%、寧麥13為75.25%，可見，適宜的施氮量可提高弱筋小麥開花期植株對(duì)土壤氮的吸收。

表2 小麥開花期不同來源氮素積累量和比例

2.2.2 施氮量對(duì)小麥成熟期植株和籽粒不同來源氮素積累量及比例的影響

由表3可知，弱筋小麥成熟期植株氮素來源肥料氮的比例為18.61%～29.62%，來源土壤氮的比例為70.38%～81.39%，其植株不同來源氮素的積累量與開花期表現(xiàn)基本一致，均隨施氮量的增加而增加，且土壤氮顯著高于肥料氮。弱筋小麥成熟期籽粒氮素來源肥料氮的比例為16.62%～24.91%，隨施氮量的增加而升高。來源土壤氮的比例為75.09%～83.38%，隨施氮量的增加而降低，但其籽粒來源于肥料氮和土壤氮的氮素積累量均隨施氮量的增加而增加，且來源于土壤氮的顯著高于肥料氮。說明適當(dāng)?shù)脑黾邮┑?，亦能有效促進(jìn)弱筋小麥從開花期到成熟植株與籽粒對(duì)土壤氮、肥料氮的吸收積累。

表3 小麥成熟期不同來源氮素積累量和比例

2.3 施氮量對(duì)小麥花后營養(yǎng)器官積累氮素向籽粒轉(zhuǎn)移的影響

由表4可知，花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)率為29.44%～41.25%，貢獻(xiàn)率為36.51%～60.89%。弱筋小麥花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量受施氮量影響小，其轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率降低在不同施氮水平下均表現(xiàn)為N105＞N210＞N315。即弱筋小麥花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加而降低。

表4 小麥花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)

2.4 施氮量對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量及氮肥利用效率的影響

施氮對(duì)弱筋小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量具有顯著的影響（表5），籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為N210＞N105＞N315，但N105和N315處理產(chǎn)量差異不顯著，即超過施氮210kg·hm-2時(shí)，再增施氮肥對(duì)提高弱筋小麥籽粒產(chǎn)量效益不明顯。籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮量的增加而增高，且N210和N315處理弱筋小麥籽粒蛋白質(zhì)含量顯著高于N105處理。兩品種氮肥生產(chǎn)效率和氮肥利用效率均表現(xiàn)為N105＞N210＞N315，且N315處理氮素收獲指數(shù)低于N105、N210。由此可知，弱筋小麥籽粒氮肥生產(chǎn)效率、氮肥利用效率隨施氮量的增加而降低。綜合考慮在弱筋小麥生產(chǎn)過程中，保證其穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)及氮素利用，本試驗(yàn)條件下，適宜施氮量應(yīng)在N 105～210kg·hm-2之間。

表5 不同施氮水平對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量及氮素利用效率的影響

3 討論

氮代謝是植株體內(nèi)最基本的代謝之一［21］，施氮有利于提高小麥產(chǎn)量和改善其品質(zhì)，增施氮肥促進(jìn)小麥植株對(duì)氮素的吸收和利用［22］，小麥氮素積累量隨施氮量增加而提高［23-24］。研究發(fā)現(xiàn)，在施氮量180kg·hm-2時(shí)，小麥籽粒氮素累積量最高，再增加施氮量，其氮素積累量不增反降［25-26］。本研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)脑鍪┑?，可提高弱筋小麥開花期植株及成熟期植株與籽粒的氮素積累量，過量施氮對(duì)增加弱筋小麥成熟期籽粒氮素積累量的作用不明顯，原因可能是過量施氮降低了單株小麥穗粒數(shù)。本試驗(yàn)研究應(yīng)用15N同位素示蹤技術(shù)，其與前人研究相比，能夠明確小麥植株和籽粒對(duì)肥料氮的吸收利用情況，進(jìn)一步明確其對(duì)土壤氮的吸收利用情況。本研究發(fā)現(xiàn)，弱筋小麥開花期植株及成熟期植株與籽粒來源于土壤氮和來源于肥料氮的氮素積累量均隨施氮量的增加而增加，來源于土壤氮的比例要顯著高于肥料氮，這與劉芳［27］研究結(jié)果相近，而籽粒氮素來源肥料氮的比例則隨施氮量的增加而升高。可見，適量施氮能有效促進(jìn)弱筋小麥植株與籽粒對(duì)土壤氮與肥料氮的吸收積累。

研究表明，隨施氮量的增加，轉(zhuǎn)運(yùn)效率降低［28］。段文學(xué)等［11］等研究得出，施氮量小于、等于150kg·hm-2時(shí)，增加施氮能促進(jìn)小麥開花前吸收氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)和開花后對(duì)氮素的吸收，而施氮量超過150kg·hm-2，再增加施氮量，對(duì)增加其花前吸收氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后吸收氮量效果不佳，且轉(zhuǎn)運(yùn)率降低。本試驗(yàn)研究結(jié)果研究表明，弱筋小麥花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率均隨施氮量的增加而降低。其結(jié)果與段文學(xué)等［11］研究結(jié)果稍有偏差，其原因可能是所選用的品種、肥料運(yùn)籌方式、試驗(yàn)地土壤條件以及氣候條件等因素不同所致。

本試驗(yàn)表明，施氮對(duì)弱筋小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量具有顯著的影響，當(dāng)施氮量超過210kg·hm-2時(shí)，施氮量增加不利于籽粒產(chǎn)量提高，這與黃厚寬等［29］“當(dāng)土壤氮素供應(yīng)與氮肥投入超過小麥生長需求時(shí)，有效穗數(shù)雖然增多，但穗粒數(shù)減少，小麥貪青晚熟，籽粒產(chǎn)量不高”的研究結(jié)果相似。籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮量的增加而增高，這與前人研究結(jié)果［30］一致。小麥籽粒氮素利用效率、吸收效率、收獲指數(shù)和氮肥生產(chǎn)量的效率隨施氮量增加而降低［31-32］。而本研究表明，弱筋小麥籽粒氮肥生產(chǎn)效率、氮肥利用效率隨施氮增加而降低。

本試驗(yàn)條件下，在施氮量超過210kg·hm-2時(shí)，增施氮肥對(duì)提高籽粒產(chǎn)量效果不明顯，而蛋白質(zhì)含量N210和N315處理要顯著高于N105處理，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于弱筋小麥優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，加上過多的施氮量易污染環(huán)境［33］。由此可知，在弱筋小麥生產(chǎn)過程中，要合理的施用氮肥，在保證產(chǎn)量同時(shí)，盡量降低施氮量，不僅能提高籽粒品質(zhì)，氮肥生產(chǎn)效率和氮肥利用效率，還能減少生產(chǎn)成本，降低環(huán)境污染。本試驗(yàn)條件下，保證弱筋小麥籽粒品質(zhì)的同時(shí)，又有相對(duì)較高的籽粒產(chǎn)量、氮肥生產(chǎn)效率和氮素利用效率，適宜的施氮量應(yīng)在105～210kg·hm-2之間。