施氮量和灌水模式對(duì)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用的影響

吳 強(qiáng)，張永平，董玉新，高飛雁，謝 岷

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于我國(guó)西北部，該地區(qū)光溫水資源充足，具備優(yōu)質(zhì)中強(qiáng)筋春小麥生長(zhǎng)的自然條件。當(dāng)?shù)刂髟源盒←溒贩N永良4號(hào)種植30多年來(lái)較為穩(wěn)定的產(chǎn)量和品質(zhì)也表明其優(yōu)良種性。小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)不僅受到自然環(huán)境與基因型的影響，還與栽培措施密切相關(guān)[1-3]。河套灌區(qū)小麥種植一直存在著大水漫灌、化肥濫用的情況，不僅造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還限制了小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的進(jìn)一步提高[4]。施肥和灌水是小麥生產(chǎn)中較易人為控制的重要栽培措施[5]。研究施氮量和灌水模式對(duì)河套灌區(qū)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用效率的影響，并探明該區(qū)域小麥高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的適宜施氮量范圍，對(duì)當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。Otteson等[6]與趙廣才等[7]研究認(rèn)為，施用適量氮肥對(duì)小麥生長(zhǎng)具有顯著促進(jìn)作用，小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、干、濕面筋含量、沉淀值、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間以及面團(tuán)拉力等也均有不同程度升高。張文靜等[8]和Wang等[9]研究表明，過(guò)量施用氮肥會(huì)使小麥籽粒產(chǎn)量、加工品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)下降。隨施氮量的增加，小麥各生育時(shí)期的氮素吸收量顯著提高，當(dāng)施氮量大于150 kg·hm-2時(shí)，小麥植株吸氮量不再增加[10-11]。大量研究表明，灌水過(guò)少或過(guò)多均會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)生不利影響[12-13]，土壤水分過(guò)少影響小麥植株正常生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量與品質(zhì)產(chǎn)生影響；充分灌溉有利于小麥產(chǎn)量的提升，但會(huì)使品質(zhì)產(chǎn)生“稀釋效應(yīng)”[14]。灌水和施氮對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著的互作效應(yīng)，土壤水分會(huì)顯著影響小麥對(duì)氮素的吸收和利用[15]。故不同的灌水模式與相應(yīng)的施氮量結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

由于受地區(qū)、氣候及土壤基礎(chǔ)肥力的影響，各地小麥最佳施氮量研究結(jié)果不盡相同，直接表現(xiàn)為空間擴(kuò)展性較差[6-11,15]。目前，河套灌區(qū)有關(guān)施肥、灌水對(duì)小麥影響的報(bào)道多集中于氮素、水分的高效利用[2,16]，而以小麥產(chǎn)量、品質(zhì)及氮肥利用效率協(xié)同提高為目標(biāo)的研究尚不多見(jiàn)。本試驗(yàn)以河套灌區(qū)為研究區(qū)域，在前期建立的“春小麥高產(chǎn)節(jié)水灌溉模式”基礎(chǔ)上，探尋小麥高產(chǎn)、高效與優(yōu)質(zhì)相統(tǒng)一的適宜施氮量，為建立河套灌區(qū)春小麥高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)體系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(zhèn)(41°04′N，108°03′E；海拔1 028 m)進(jìn)行。該地區(qū)為中溫帶大陸性氣候，常年平均降水量170.3 mm，年蒸發(fā)量為2 030～3 180 mm，年日照時(shí)數(shù)3 100～3 300 h，無(wú)霜期110～142 d，全年活動(dòng)積溫3 053～3 339 ℃，年平均氣溫6.1～7.6 ℃，日平均溫差14～18 ℃。試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)15.83 g·kg-1，堿解氮58.84 g·kg-1，速效磷26.32 g·kg-1，速效鉀125.17 g·kg-1，pH 7.51。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為當(dāng)?shù)刂魍拼盒←溒贩N永良4號(hào)，試驗(yàn)設(shè)常規(guī)灌溉(W4，分蘗期+拔節(jié)期+開(kāi)花期+灌漿期灌水4次，每次灌水900 m3·hm-2)和節(jié)水灌溉(W2，拔節(jié)期+開(kāi)花期灌水2次，每次灌水900 m3·hm-2)兩種灌溉模式。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，灌水為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，設(shè)7個(gè)氮素水平(表1，CK為常規(guī)施肥)，共14個(gè)處理組合。3次重復(fù)，小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m)。使用小麥種肥分層播種機(jī)播種，行距15 cm，播種量375 kg·hm-2。種肥統(tǒng)一施用磷酸二銨300 kg·hm-2，尿素于拔節(jié)期結(jié)合灌水追施，施用量依不同氮素水平而異。小麥播種期為2017年3月17日，成熟期為2017年7月13日，生育期降水量為99.8 mm，與常年相比屬正常。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩Ｉ趦?nèi)未發(fā)生病蟲(chóng)害。

表1 不同施氮處理的肥料施用量

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 考種與測(cè)產(chǎn)

小麥蠟熟末期，在每個(gè)小區(qū)取2 m2樣點(diǎn)，單獨(dú)收獲，統(tǒng)計(jì)總穗數(shù)。晾曬后使用機(jī)械脫粒并稱重，采用烘干法測(cè)定籽粒含水率；按含水率13%校正籽粒重量，換算實(shí)際產(chǎn)量。各小區(qū)取有代表性的50 cm樣段進(jìn)行考種，考察穗長(zhǎng)、穗寬、有效小穗數(shù)、無(wú)效小穗數(shù)、地上部干物質(zhì)重量及穗粒數(shù)、千粒重，并計(jì)算理論產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

1.3.2 植株氮素含量測(cè)定與氮素利用相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

將考種后各小區(qū)的50 cm樣段植株使用粉碎機(jī)粉碎均勻，采用濃硫酸消煮、半微量凱氏定氮法測(cè)定植株含氮量，并計(jì)算氮效率指標(biāo)。吸氮量=植株干物質(zhì)重×植株含氮量；氮肥表觀利用率=(施氮處理植株吸氮量-不施氮處理植株吸氮量)/施氮量；氮肥農(nóng)學(xué)效率=(施氮處理產(chǎn)量-不施氮處理產(chǎn)量)/施氮量；氮肥生理效率=經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量/植株總吸氮量；氮素生產(chǎn)效率=生物產(chǎn)量/植株總吸氮量；氮肥偏生產(chǎn)力=施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.3.3 籽粒品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

小麥?zhǔn)斋@后留足籽粒，晾曬后儲(chǔ)藏2個(gè)月。每小區(qū)取200 g籽粒，使用IM9100型近紅外(NIR)整粒谷物分析儀(瑞典Perten公司)測(cè)定籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、容重、出粉率、吸水率、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、最大抗延阻力、拉伸面積。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019與SPSS Statistics 25.0、Origin 2018軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水模式和施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

方差分析結(jié)果(表2)表明，灌水模式對(duì)穗數(shù)與穗粒數(shù)有顯著影響，對(duì)千粒重和產(chǎn)量的影響不顯著。常規(guī)灌溉的小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均高于節(jié)水灌溉，節(jié)水灌溉較常規(guī)灌溉減產(chǎn)1.37%。施氮量對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)與產(chǎn)量均有極顯著影響。產(chǎn)量及其三要素均隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)施氮量較低時(shí)產(chǎn)量增加較快，施氮量超過(guò)一定值后產(chǎn)量開(kāi)始緩慢下降。N0處理的產(chǎn)量為5 591.1 kg·hm-2，N1、N2、N3、N4、N5、CK處理較N0的增產(chǎn)幅度分別為7.15%、13.57%、20.56%、24.78%、21.81%、20.13%。N4處理(純氮166.5 kg·hm-2)產(chǎn)量最高，且顯著高于CK處理(純氮241.5 kg·hm-2)。說(shuō)明施用氮肥可顯著提升小麥產(chǎn)量，但過(guò)量施氮會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量不增反降。本研究中，千粒重受灌水模式、施氮量及其互作的影響均不顯著，說(shuō)明穗數(shù)和穗粒數(shù)為制約產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

表2 不同灌水模式和施氮量處理下的小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.2 灌水模式和施氮量對(duì)春小麥氮素吸收和利用的影響

由表3可知，灌水模式與施氮量對(duì)春小麥氮素吸收與利用相關(guān)的多數(shù)被測(cè)指標(biāo)存在顯著影響。常規(guī)灌溉下，地上部生物量、植株含氮率、吸氮量、氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率均顯著高于節(jié)水灌溉模式；氮肥生理效率、氮肥生理效率顯著低于節(jié)水灌溉；氮肥偏生產(chǎn)力在兩種灌水模式間差異不顯著。說(shuō)明節(jié)水灌溉雖顯著降低了小麥植株對(duì)土壤氮素吸收，但促進(jìn)了植株已吸收氮素自營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)移。

表3 不同灌水模式與施氮量處理對(duì)春小麥氮素吸收、利用率的影響

吸氮量和地上部生物量均隨施氮量的增大呈先升高后降低的單峰曲線變化，N4處理下吸氮量顯著高于其他處理，原因在于其最大的地上部生物量和最高的植株含氮量。氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥生理效率、氮肥生產(chǎn)效率則隨施氮量的增加整體呈降低趨勢(shì)。相關(guān)分析表明，施氮量與吸氮量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥生理效率、氮素生產(chǎn)效率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明減少氮肥施用量使吸氮量降低，但可提高氮肥利用效率，故在產(chǎn)量不顯著降低的情況下，適當(dāng)減少氮肥施用量可兼顧高產(chǎn)、高效。

2.3 灌水模式和施氮量對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響

方差分析結(jié)果(表4)表明，灌水模式對(duì)蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、面團(tuán)延展性的影響達(dá)到了顯著或極顯著水平，此六項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為節(jié)水灌溉模式顯著高于常規(guī)灌溉模式，吸水率、容重、拉伸面積、最大抗延阻力在兩種灌水處理間差異不顯著。表明適度的水分脅迫有利于小麥品質(zhì)的提升。

表4 灌水模式和施氮量對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響

施氮量對(duì)所有被測(cè)定品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的影響均達(dá)到極顯著水平，蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、面團(tuán)形成時(shí)間、拉伸面積、沉降值、面團(tuán)延展性均隨施氮量的增加呈增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為N0

2.4 小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

小麥11項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果(表5)表明，蛋白質(zhì)含量與8項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)(沉降值、濕面筋含量、吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面團(tuán)延展性、拉伸面積、最大抗延阻力)存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；容重、出粉率與其他品質(zhì)指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性，且其變異系數(shù)(0.84%，0.44%)較小，對(duì)小麥籽粒綜合品質(zhì)的影響有限。蛋白質(zhì)含量可作為衡量小麥籽粒綜合品質(zhì)優(yōu)劣的主要指標(biāo)，蛋白質(zhì)產(chǎn)量可在一定程度上作為兼顧小麥品質(zhì)與產(chǎn)量的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表5 小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性

2.5 施氮量與小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量及蛋白質(zhì)產(chǎn)量的關(guān)系

回歸分析表明，兩種灌水模式下小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量均隨施氮量的增加呈先升高后降低的單峰曲線(圖1)。對(duì)回歸方程分別求極值，得出常規(guī)灌溉模下小麥獲得最高產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量的施氮量(純N)分別為 212.52、240.92、253.09 kg·hm-2，節(jié)水灌溉模式下分別為 185.51、209.52、230.85 kg·hm-2。

圖1 兩種灌水模式下小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量與施氮量的關(guān)系

節(jié)水灌溉模式下，當(dāng)施氮量在0～185.51 kg·hm-2范圍，隨施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量同步提高，此階段為產(chǎn)量、品質(zhì)同步增長(zhǎng)區(qū)；當(dāng)施氮量在185.51 kg·hm-2～209.52 kg·hm-2時(shí)，隨施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量略微下降，但由于蛋白質(zhì)含量上升幅度較大，蛋白質(zhì)產(chǎn)量仍呈上升趨勢(shì)，此階段為產(chǎn)量、品質(zhì)平衡區(qū)；當(dāng)施氮量達(dá)到209.52 kg·hm-2～230.85 kg·hm-2時(shí)，隨著施氮量增加蛋白質(zhì)含量繼續(xù)升高，產(chǎn)量開(kāi)始快速下降，蛋白質(zhì)產(chǎn)量也呈下降趨勢(shì)，此階段屬于減產(chǎn)、增質(zhì)區(qū)；當(dāng)施氮量超過(guò) 230.85 kg·hm-2時(shí)，籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量均下降，此階段為減產(chǎn)、減質(zhì)區(qū)。因此，節(jié)水灌溉模式下，優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)相對(duì)統(tǒng)一的最適施氮量為185.51 kg·hm-2～209.52 kg·hm-2。常規(guī)灌溉模式下，兼顧優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)的最佳施氮量為212.52 kg·hm-2～240.92 kg·hm-2?？梢?jiàn)，節(jié)水灌溉模式相較于常規(guī)灌溉模式能夠以更低的水、肥投入實(shí)現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)，值得在小麥生產(chǎn)中推廣。

3 討 論

施氮與灌水作為小麥生產(chǎn)中兩項(xiàng)重要栽培措施，對(duì)小麥的產(chǎn)量構(gòu)成、氮素利用效率及品質(zhì)形成具有明顯的調(diào)控作用[6-13,17]。適宜的施氮量可協(xié)調(diào)小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重，獲得較高的籽粒產(chǎn)量。王月福等[18]、趙廣才等[19]研究表明，提高施氮量能促進(jìn)小麥分蘗與穗花發(fā)育，但對(duì)千粒重?zé)o顯著影響。而王曉英等[20]研究認(rèn)為，隨施氮量增加，小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)增加，千粒重下降。本研究結(jié)果表明，千粒重隨施氮量的增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，與史校艷等[21]的研究結(jié)論相同。已有研究表明，小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)均隨施氮量的增加呈先升高后降低趨勢(shì)[6-8,22]。在本試驗(yàn)條件下，籽粒產(chǎn)量符合上述趨勢(shì)，而品質(zhì)隨施氮量的增加呈增加趨勢(shì)，可能原因是本試驗(yàn)以減少氮肥施用量為目標(biāo)，設(shè)置的最大施氮量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)施氮量，低于品質(zhì)達(dá)到最佳的施氮量。本研究節(jié)水灌溉下，產(chǎn)量達(dá)到最大值的施氮量為 185.5 kg·hm-2，蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大的施氮量為 230.85 kg·hm-2，可見(jiàn)施氮量對(duì)強(qiáng)筋小麥的品質(zhì)提升有顯著促進(jìn)作用，這與李法云等[23]“利用植物奢侈吸收養(yǎng)分的特性提升植物品質(zhì)”的觀點(diǎn)不謀而合。但品質(zhì)的提升不能以產(chǎn)量的大幅降低為代價(jià)，必須優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一[24]。

大量研究表明，較高的土壤水分對(duì)小麥產(chǎn)量的提升有利，較低的土壤水分則對(duì)品質(zhì)具有促進(jìn)作用[12-13,25]。本研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)灌溉下的小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)顯著高于節(jié)水灌溉，一方面分蘗期灌水與灌漿期灌水對(duì)小麥分蘗、穗花發(fā)育具有直接的促進(jìn)作用[26]；另一方面常規(guī)灌溉吸氮量與氮素表觀利用率顯著高于節(jié)水灌溉模式，高土壤水分提高了小麥植株對(duì)土壤氮素的吸收，充足的氮素營(yíng)養(yǎng)使小麥分蘗成穗率和穗粒數(shù)增加[27]。張永麗等[28]研究表明，小麥花后干旱有利于植株氮素自營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)移。本研究節(jié)水灌溉下的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、氮素生理效率與氮素生產(chǎn)效率顯著高于常規(guī)灌溉模式，原因在于常規(guī)灌溉模式下小麥雖然從土壤中吸收了較多的氮素，但并未得到充分利用，而節(jié)水灌溉模式因缺少灌漿水產(chǎn)生的花后干旱明顯提高了小麥籽粒蛋白含量，同時(shí)較多的光合產(chǎn)物被轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒也緩解了較低的水分投入對(duì)產(chǎn)量的影響。

灌水與施氮對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量與品質(zhì)具有顯著的互作效應(yīng)[15,29-30]。本研究條件下，節(jié)水灌溉模式下兼顧高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的適宜施氮量為185.51～209.52 kg·hm-2，常規(guī)灌溉模式下為212.52～240.92 kg·hm-2，常規(guī)灌溉最佳施氮量明顯高于節(jié)水灌溉。高水分給籽粒品質(zhì)帶來(lái)的“稀釋作用”是可以通過(guò)適當(dāng)提高施氮量來(lái)彌補(bǔ)的，這與李秋霞等[15]的結(jié)論一致，但這樣的行為顯然是不經(jīng)濟(jì)的，相較于常規(guī)灌溉模式，節(jié)水灌溉模式能夠以更低的水肥投入實(shí)現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的相對(duì)統(tǒng)一。