施氮量對(duì)渭北旱地冬小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的影響

周 棟，于 琦，李 敖，李 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

渭北旱塬是我國北方旱地小麥主產(chǎn)區(qū)之一[1]。該地區(qū)年降水量500～600 mm，降雨季節(jié)間分布嚴(yán)重不均，主要集中在7-9月，屬暖溫帶半濕潤易旱區(qū)，且氣候干燥，土質(zhì)疏松，土壤肥力不足[2]。水分和氮素是影響該區(qū)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素，兩者對(duì)作物生長相互制約、共同影響[3]。如何在旱地小麥生產(chǎn)受水分限制的條件下合理施用氮肥從而提高水分利用效率和肥料利用率應(yīng)當(dāng)引起重視[4]。小麥缺氮時(shí)地上和地下器官生長都會(huì)受到抑制，進(jìn)而造成籽粒小而不充實(shí)，產(chǎn)量和品質(zhì)下降；增施適量氮肥可以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但施用氮肥過多時(shí)會(huì)造成植株貪青生長，對(duì)作物品質(zhì)也會(huì)造成不良影響[5]。趙護(hù)兵等[6]發(fā)現(xiàn)，渭北旱塬接近70%的小麥種植戶存在不合理施氮現(xiàn)象，冬小麥純氮平均用量高達(dá)191.5 kg·hm-2，且用量逐年增加，“多肥多產(chǎn)”的生產(chǎn)管理理念較為盛行，而氮肥利用率較低，氮肥淋失、反硝化脫氮及氮素?fù)]發(fā)導(dǎo)致氮素?fù)p失較大[7]。

在對(duì)小麥品質(zhì)形成的眾多研究中，前人發(fā)現(xiàn)其形成與氮素營養(yǎng)密切相關(guān)[8-10]。王 東[11]在山東的研究發(fā)現(xiàn)，在0～240 kg·hm-2(基追比 5∶5)施氮量范圍內(nèi)，籽粒產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，但施氮量超過240 kg·hm-2時(shí)，籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加顯著降低。楊兵兵等[12]在安徽的研究發(fā)現(xiàn)，施氮量在0～200 kg·hm-2(基追比 5∶5)范圍內(nèi)，施氮能顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量、容量、出粉率和硬度，超過200 kg·hm-2后，產(chǎn)量變化無顯著差異，而小麥籽粒容量、出粉率和硬度均呈下降趨勢(shì)。徐鳳嬌等[13]認(rèn)為，施氮量在180 kg·hm-2(基追比5∶5)時(shí)可以顯著延長面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間，降低吸水率，因而面包總體評(píng)分最高。

不同類型小麥品種的產(chǎn)量性狀和品質(zhì)指標(biāo)對(duì)氮素的響應(yīng)不同，又因氣候條件和栽培措施不盡相同，關(guān)于施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究結(jié)果存在很大差異。因此在渭北旱塬生產(chǎn)條件下如何合理調(diào)整氮肥用量，使其在提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)的同時(shí)，最大限度地降低氮肥對(duì)環(huán)境的負(fù)面作用，已成為該區(qū)小麥可持續(xù)生產(chǎn)中亟待解決的問題。但前人對(duì)渭北旱塬主栽冬小麥品種品質(zhì)和產(chǎn)量相結(jié)合的研究內(nèi)容不足，有關(guān)施氮對(duì)作物產(chǎn)量特性、肥料利用效率和產(chǎn)量效應(yīng)的研究相對(duì)較少，最佳施氮量的選擇還不夠合理。本研究結(jié)合施氮量和品種兩因素，在渭北旱地麥田通過探究不同施氮水平下冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)以及氮素利用率的變化，評(píng)價(jià)和篩選冬小麥氮高效利用的最優(yōu)施氮量和品種的耦合模式，旨在為旱作冬小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017-2018年在陜西省合陽縣甘井鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學(xué)旱農(nóng)試驗(yàn)站(35°19′54.45″N，110°05 ′58.35″E)實(shí)施，該站位于渭北旱塬東部，屬典型的黃土高原溝壑區(qū)，暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為536.6 mm，且降雨主要集中在7-9月，試驗(yàn)?zāi)攴荻←溕诮涤炅繛?49.3 mm(圖1)，較多年平均值229.3 mm減少34.8%。土壤為黑壚土，試驗(yàn)前土壤化學(xué)基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤試驗(yàn)前化學(xué)基本性質(zhì)Table 1 Soil basic chemical properties

圖1 試驗(yàn)期間降雨量Fig.1 Precipitation during experimental stage

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用施氮量和品種二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，施氮量為主處理，共設(shè)置五個(gè)施氮量水平，即0、60、120、180、240 kg·hm-2，分別用N0(對(duì)照)、N1、N2、N3、N4表示，統(tǒng)一配施P2O5120 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，氮、磷、鉀肥分別為尿素(含N 46.4%)、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和硫酸鉀(含K2O 50.0%)，肥料全部基施；品種為副處理，供試材料為當(dāng)?shù)刂髟孕←溒贩N長6359和晉麥47(均屬于中筋小麥)，播種量均為187.5 kg·hm-2。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，共設(shè)置施氮量和品種組合小區(qū)30個(gè)，每個(gè)小區(qū)面積75 m2(7.5 m×10 m)，小區(qū)之間及邊行留1 m保護(hù)行。2017年10月15日播種，2018年6月18日收獲，全生育期無灌溉，視雜草情況采用化學(xué)除草和人工除草，其他管理措施參照當(dāng)?shù)匦←湷Ｒ?guī)管理方案進(jìn)行。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

于冬小麥拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期分別在各小區(qū)取20 cm行長的新鮮植株裝袋，每小區(qū)重復(fù)3次，新鮮植株樣于105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干，粉碎機(jī)粉碎后過25目篩，植株全氮含量采用FOSS公司的Kjeltec 8400自動(dòng)定氮儀測定；于小麥?zhǔn)斋@期每小區(qū)取0.53 m2樣品，籽粒收獲后曬干除雜，采用粉碎機(jī)磨機(jī)，過100目篩，每小區(qū)重復(fù)3次，采用Kjeltec 8400自動(dòng)定氮儀測定籽粒全氮含量，乘以5.7即為籽粒蛋白質(zhì)含量；千粒重用數(shù)粒板數(shù)100粒，每小區(qū)3次重復(fù)，再換算成千粒重；采用近紅外分析儀(瑞士，波通 DA7250)測定面筋含量、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、容重、沉降值等小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

氮農(nóng)學(xué)效率 (NAE) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量) /施氮量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016和SPSS 20軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 2015作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)冬小麥植株氮素含量的影響

從表2可以看出，各施氮處理的小麥植株氮素含量均顯著高于對(duì)照，說明施用氮肥能顯著提高冬小麥植株氮素含量。在5個(gè)施氮梯度下，除拔節(jié)期和灌漿期外，其余兩個(gè)時(shí)期均表現(xiàn)為N3處理最高，N4處理略有下降，說明高施氮水平對(duì)植株氮素含量并沒有顯著改善，甚至?xí)斐山档偷男Ч?。隨生育時(shí)期的推進(jìn)，植株氮素含量逐漸下降，拔節(jié)期到開花期下降幅度最為明顯，說明氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，到成熟期時(shí)各處理氮素含量最低。

表2 施氮量對(duì)不同品種小麥植株氮素含量的影響Table 2 Effect of nitrogen application rate on nitrogen content of different wheat varieties

2.2 施氮對(duì)不同冬小麥品種產(chǎn)量和氮農(nóng)學(xué)效率的影響

從圖2可知，增施氮肥，只有N3處理顯著提高了旱地冬小麥產(chǎn)量，兩個(gè)冬小麥品種均如此。在N3處理下，長6359和晉麥47分別較對(duì)照N0增產(chǎn)45%和30%。在同一施氮量條件下，晉麥47的產(chǎn)量顯著高于長6359。當(dāng)施氮量由N3增至N4時(shí)，兩個(gè)品種均出現(xiàn)減產(chǎn)，表明N3處理是本試驗(yàn)最適宜的施氮量。兩個(gè)冬小麥品種的氮農(nóng)學(xué)效率與產(chǎn)量變化規(guī)律類似，表現(xiàn)出拋物線的趨勢(shì)，但氮素農(nóng)學(xué)效率均在N2處理下達(dá)到最高值，長6359和晉麥47分別為6.2和6.8 kg·kg-1。長6359的氮農(nóng)學(xué)效率在不同處理下均低于晉麥47，但差異均不顯著。

圖柱上字母不同表示不同處理或同一處理的不同品種間差異達(dá)到0.05顯著水平。Different letters above the columns indicate that the differences among different treatments or different varieties reaches the significant level of 0.05.圖2 施氮量對(duì)不同小麥品種產(chǎn)量和氮農(nóng)學(xué)效率的影響Fig.2 Effects of nitrogen application rate on yield and nitrogen agronomic utilization of different cultivars

2.3 施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可知，兩個(gè)冬小麥品種的產(chǎn)量均在N3處理下達(dá)到最大值，分別為5 261和6 958 kg·hm-2，與對(duì)照的差異達(dá)到顯著水平。產(chǎn)量構(gòu)成三因素中，兩個(gè)品種的穗數(shù)、穗粒數(shù)與產(chǎn)量表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，千粒重卻隨著產(chǎn)量的增加出現(xiàn)小幅度的降低，但穗數(shù)和千粒重在處理間差異不顯著。兩個(gè)品種的穗粒數(shù)都在N3處理下達(dá)到最大值，并顯著高于其他處理，其他處理間差異不 顯著。

表3 施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of different nitrogen application rates on yield and its components of winter wheat

2.4 施氮對(duì)冬小麥籽粒加工品質(zhì)的影響

由表4可以看出，兩個(gè)品種的籽粒蛋白質(zhì)含量均隨施氮量的增加而逐漸升高，且N3處理和N4處理的籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于對(duì)照，表明N3處理是提高籽粒蛋白質(zhì)的適宜施氮量，但施氮對(duì)容重和出粉率的影響均不顯著。

表4 施氮量對(duì)小麥籽粒一次加工品質(zhì)的影響Table 4 Effect of N-fertilizer rates on the first processing quality of wheat

從表5可知，與N0處理相比，N3和N4處理均顯著提高了長6359和晉麥47的濕面筋含量、淀粉含量和沉降值，并顯著延長了它們的面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和形成時(shí)間；N2處理也顯著提高了晉麥47的吸水率、淀粉含量和沉降值，并延長了面團(tuán)形成時(shí)間。綜合來看，改善冬小麥籽粒品質(zhì)的最適宜施氮量為N3處理。

表5 施氮對(duì)小麥籽粒二次加工品質(zhì)的影響Table 5 Effects of N-fertilizer rates on the second processing quality of wheat grain

2.5 冬小麥各生育時(shí)期植株氮素含量與品質(zhì)相關(guān)性分析

冬小麥主要品質(zhì)參數(shù)與不同生育時(shí)期氮素含量的相關(guān)分析表明(表6)，拔節(jié)期兩個(gè)冬小麥品種植株氮素含量對(duì)籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量以及淀粉含量三個(gè)主要品質(zhì)參數(shù)均具有極顯著影響。進(jìn)入開花期，小麥營養(yǎng)生長與生殖生長并存，該生長階段的植株氮素含量與兩個(gè)品種的品質(zhì)相關(guān)性均不顯著。灌漿期和開花期植株氮素含量對(duì)兩個(gè)品種品質(zhì)的影響略有不同，但均達(dá)到了顯著水平。

表6 小麥不同生育時(shí)期植株氮素含量與籽粒品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性Table 6 Correlation analysis between nitrogen content of wheat plant in different growth stage with quality of grain

3 討 論

3.1 冬小麥高產(chǎn)與高效在施氮量水平的一致性

氮素是植物生長必須的大量營養(yǎng)元素，也是限制植物生長的首要因素，施氮水平的高低直接影響植株對(duì)氮素的吸收、積累及運(yùn)轉(zhuǎn)，最終影響產(chǎn)量。而合理施用氮肥可促進(jìn)植株對(duì)土壤氮素的吸收利用，增加植株氮素積累量，減少土壤礦質(zhì)氮?dú)埩?，從而提高氮肥利用效率[14]。易 媛等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在施氮量為229.5 kg·hm-2(包括基肥、壯蘗肥、拔節(jié)肥和孕穗肥)下小麥籽粒氮農(nóng)學(xué)效率最高。趙滿興等[16]認(rèn)為，增施氮肥可顯著提高小麥地上部氮素累積量，施氮量在180 kg·hm-2(基肥一次施用)時(shí)籽粒氮素含量最高，再增施氮肥會(huì)降低籽粒氮素含量，該研究結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)論一致。本研究發(fā)現(xiàn)，植株氮素含量明顯受施氮水平調(diào)控，在0～180 kg·hm-2施氮范圍內(nèi)表現(xiàn)出隨施氮量增加而增加，而超過180 kg·hm-2有不增反減的趨勢(shì)，原因可能是冬小麥生育后期氮素不斷向籽粒轉(zhuǎn)移，植株氮素含量逐漸下降。

前人研究表明，氮肥超出合理施用范圍并不能顯著增加小麥產(chǎn)量，如施氮270 kg·hm-2的籽粒產(chǎn)量與施氮180 kg·hm-2(基肥一次施用)無顯著差異，而且會(huì)造成氮肥偏生產(chǎn)力降低 28.31%～30.27%[17-18]。本研究以兩個(gè)不同品種的旱地冬小麥為材料，發(fā)現(xiàn)施氮量對(duì)穗粒數(shù)與籽粒產(chǎn)量均存在顯著影響，在180 kg·hm-2(較渭北旱塬平均施氮量降低約6.4%)處理下穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)最佳，其中穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量在處理N4時(shí)較N3顯著下降，穗數(shù)和千粒重也有下降，但是未達(dá)到顯著水平。但郭培武等[19]在山東兗州的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施氮量在210 kg·hm-2(基追比為7∶9)時(shí)小麥籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)效率和收獲指數(shù)均達(dá)到最高，是該試驗(yàn)條件下高產(chǎn)高效的最優(yōu)施氮量處理。這差異可能與試驗(yàn)環(huán)境與小麥品種有關(guān)。施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量影響表現(xiàn)為“報(bào)酬遞減”規(guī)律，超過最佳施氮量不僅不會(huì)帶來顯著增收，反而會(huì)給環(huán)境帶來一定壓力。

3.2 施氮對(duì)冬小麥籽粒加工品質(zhì)的影響

合理的氮肥施用對(duì)小麥籽粒品質(zhì)具有顯著的調(diào)控作用，在一定范圍內(nèi)，小麥主要加工品質(zhì)性狀會(huì)隨施氮量的增加而改善，但不同品種之間存在差異，若超出合理范圍，施肥將會(huì)導(dǎo)致小麥品質(zhì)的下降[20]。有關(guān)合理施氮量和品種對(duì)小麥籽粒品質(zhì)影響的研究結(jié)果因地區(qū)和環(huán)境而異。張耀蘭等[21]研究發(fā)現(xiàn)，籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉淀值、面團(tuán)延長時(shí)間、形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)指標(biāo)均與施氮量呈線性正相關(guān)。趙廣才等[22]對(duì)強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20研究發(fā)現(xiàn)，在150～300 kg·hm-2施氮范圍內(nèi)，產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮量的增加而增加，且處理間達(dá)到極顯著水平，但超過300 kg·hm-2(底施和追施)反而導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量與品質(zhì)有一定程度下降。趙 城等[23]在大田條件下以基因型差異較大的農(nóng)大糯50222和非糯小麥輪選987為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)在0～300 kg·hm-2(基追比5∶5)施氮范圍內(nèi)，兩個(gè)小麥品種的產(chǎn)量與品質(zhì)各參數(shù)均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，兩個(gè)小麥品種的最佳施氮量均為100 kg·hm-2。這與本試驗(yàn)研究所得結(jié)論略有差異，本研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)施氮可以顯著改善冬小麥的加工品質(zhì)，但施氮過量并不利于某些品質(zhì)參數(shù)的提升，施氮量對(duì)二次加工品質(zhì)各個(gè)參數(shù)均具有極顯著改善作用，綜合兩個(gè)冬小麥品種的加工品質(zhì)參數(shù)表現(xiàn)，180 kg·hm-2施氮水平為適宜施氮量。

3.3 冬小麥植株氮素含量與品質(zhì)的相關(guān)性

小麥?zhǔn)切璧枯^多的作物，對(duì)小麥生長過程中氮素養(yǎng)分進(jìn)行測定并據(jù)此指導(dǎo)施肥管理，對(duì)促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率，改善品質(zhì)，減少環(huán)境污染，具有重要經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義。籽粒品質(zhì)的提升受施氮影響顯著，拔節(jié)期追肥是提高籽粒品質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵措施[24]，本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)雖然為一次性施足基肥，但大部分研究都表明，提高中后期的施氮比例能改善籽粒品質(zhì)，而關(guān)鍵就是拔節(jié)期施氮[25-28]。這一結(jié)論可以指導(dǎo)后期試驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)，來更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。