施氮量對強(qiáng)筋小麥氮素積累和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響

李亞靜，郭振清，楊 敏，張 敏，劉 添，李翠平，秦保平，蔡瑞國

(河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，河北秦皇島 066004)

小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中占有重要地位。從1997—2016年，我國糧食總產(chǎn)量增加了24%，氮肥用量增加了6%，氮肥利用率僅28.2%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家(50%～60%)[1]。研究表明，施用氮肥可有效增加小麥產(chǎn)量，但過量施用氮肥，不僅不能增加產(chǎn)量，反而會對環(huán)境造成威脅[2-4]。如何優(yōu)化施氮量、協(xié)同提高小麥產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率是當(dāng)今小麥生產(chǎn)中亟待解決的問題。氮素是合成小麥蛋白質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究表明，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量在適宜的范圍內(nèi)隨施氮量的增加而提高，過量施氮會造成花前積累的氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)率降低，從而影響籽粒蛋白質(zhì)含量[5-6]。研究小麥植株的氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)對提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量具有重要意義[7-10]。關(guān)于氮肥對普通小麥氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的研究較多，僅有少量有關(guān)氮肥對強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量和品質(zhì)調(diào)控的報道，對施氮量與強(qiáng)筋小麥氮素利用效率、強(qiáng)筋小麥植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量與籽粒蛋白質(zhì)含量之間關(guān)系的研究鮮見報道。本試驗(yàn)擬研究3個施氮量對強(qiáng)筋小麥?zhǔn)瘍?yōu)20號和中麥998花前、花后氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)、籽粒蛋白質(zhì)含量和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響，以期為冀東平原強(qiáng)筋小麥的提質(zhì)增效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2017年10月—2018年6月在河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院試驗(yàn)站(39°44′N、119°13′E)進(jìn)行。試驗(yàn)地前茬作物為玉米，土壤類型為壤土。播種前0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量21.88 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，速效氮128.29 mg·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，有效磷15.39 mg·kg-1，全鉀15.14 g·kg-1，速效鉀33.09 mg·kg-1。

試驗(yàn)選用2個強(qiáng)筋小麥品種：石優(yōu)20號(Shiyou 20)和中麥998(Zhongmai 998)；設(shè)3個施氮量：0 kg·hm-2(N0)、180 kg·hm-2(N1)和240 kg·hm-2(N2)。采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積9 m2(3 m×3 m)，3次重復(fù)。氮肥為尿素(含N 46%)，底肥和拔節(jié)肥各50%；磷肥為過磷酸鈣(含P2O518%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 51%)，磷肥和鉀肥施用量均為120 kg·hm-2，均作為基肥。2017年10月5日播種，行距20 cm，3葉期定苗，基本苗450×104·hm-2，分別在越冬前、拔節(jié)期和開花期灌水，并及時除草滅蟲。其余管理方法同一般高產(chǎn)大田。

1.2 測定項(xiàng)目和方法

1.2.1 小麥氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)指標(biāo)的測定

從開花期開始每隔7 d取10個小麥單莖，取地上部并分為莖、葉、鞘、穗(不含籽粒)和籽粒5部分；60 ℃烘干至恒重；用perten3100磨粉機(jī)粉碎，過60目篩，用半微量凱氏定氮法測定各樣品的全氮含量。3次重復(fù)。

氮素積累量=全氮含量×干物質(zhì)重

花后氮素積累量=成熟期總氮素積累量-花前氮素積累量

花前氮素積累占比=花前氮素積累量/成熟期總氮素積累量

花后氮素積累占比=花后氮素積累量/成熟期總氮素積累量

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期各營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期各營養(yǎng)器官氮素積累量

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率=花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期各營養(yǎng)器官氮素積累量×100%

花前氮對籽粒氮的貢獻(xiàn)率=花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒氮積累量×100%

籽粒蛋白質(zhì)含量=成熟期籽粒氮含量×5.7

1.2.2 產(chǎn)量的測定和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的計算

成熟期每處理取3個1 m2小麥樣點(diǎn)測定實(shí)際產(chǎn)量并考種。

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率=籽粒產(chǎn)量/施氮量

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及作圖采用Excel 2017和DPS軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對強(qiáng)筋小麥花前和花后氮素積累的影響

由表1可知，石優(yōu)20號花前氮素積累占比為59.99%～66.00%，隨施氮量的增加而提高；花后氮素積累占比為34.00%～40.01%，隨施氮量的增加而降低。中麥998花前氮素積累占比為 58.98%～61.15%，隨施氮量的增加有所降低；花后氮素積累占比為38.85%～41.02%，隨施氮的增加而提高。說明增施氮肥對強(qiáng)筋小麥植株花前和花后氮素積累量的影響因品種而異。

表1 施氮量對強(qiáng)筋小麥花前和花后氮素積累的影響

2.2 施氮量對強(qiáng)筋小麥營養(yǎng)器官氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.2.1 對花后營養(yǎng)器官氮素積累量的影響

由圖1可知，2個品種營養(yǎng)器官花后氮素積累量均隨花后天數(shù)的推移而下降，隨施氮量的增加而提高；不同器官比較，氮素累積量表現(xiàn)為葉>穗>莖>鞘。在開花期，葉的氮素積累量每單莖為6.99～9.12 mg，是氮素積累量最大的器官，隨花后天數(shù)的推移，氮素積累量下降幅度最大。說明增施氮肥可提高強(qiáng)筋小麥營養(yǎng)器官的氮素積累量，且花前吸收的氮素主要貯藏在葉中。

圖1 施氮量對強(qiáng)筋小麥花后營養(yǎng)器官氮素積累的影響

2.2.2 對籽粒氮素積累量的影響

由圖2可知，2個品種花后籽粒的氮素積累量均隨花后天數(shù)的推移而上升，且表現(xiàn)為N2>N1>N0，表明增加施氮量可提高強(qiáng)筋小麥籽粒氮素積累量。石優(yōu)20號在3個處理的花后相同時間點(diǎn)的氮素積累量均高于石優(yōu)20號。

圖2 施氮量對強(qiáng)筋小麥花后籽粒氮素積累的影響

2.2.3 對花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表2可以看出，2個品種的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量均隨施氮量的增加而提高，表明增加施氮量可提高小麥花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量。石優(yōu)20號的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率隨施氮量增加呈先提高后降低的趨勢；中麥998的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率隨施氮量的增加而提高，說明不同品種的的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率對氮肥的響應(yīng)不同。石優(yōu)20號的花前氮對籽粒氮的貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加而提高，而中麥998的花前氮對籽粒氮的貢獻(xiàn)率隨施氮量的提高呈先上升后下降的趨勢，表明不同品種的花前氮素對籽粒氮的貢獻(xiàn)率因施氮量而異。不同器官比較，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和花前氮對籽粒氮的貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為葉>穗>鞘>莖?？梢?，葉是花前氮素積累的主要貯藏器官，也是花前氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的主要 器官。

表2 施氮量對強(qiáng)筋小麥花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.3 施氮量對強(qiáng)筋小麥花后不同時期花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和籽粒氮素積累量的影響

2.3.1 對花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量的影響

由圖3可知，2個品種的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量均隨生育期推移呈先上升后下降的趨勢，石優(yōu)20號在花后14～21 d時轉(zhuǎn)運(yùn)量達(dá)到最大，且顯著高于其他時期(P<0.05);中麥998在花后7～14 d和14～21 d時花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著高于其他時期(P<0.05)。表明石優(yōu)20號在花后14～21 d為營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵期；中麥998的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)高峰持續(xù)時間長，花后7～21 d為營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵期。推測中麥998營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)高峰持續(xù)時間長是其氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量高于石優(yōu)20號的主要原因。

相同N水平圖柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3.2 對籽粒氮素積累量的影響

由圖4可知，2個品種籽粒氮素積累量均隨生育期推移呈先上升后下降趨勢，與花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量趨勢(圖3)一致。石優(yōu)20號在花后14～21 d達(dá)到最高值，說明其為籽粒氮素積累關(guān)鍵期。中麥998在花后14～21 d的籽粒氮素積累量高，花后0～28 d，其不同時期的籽粒氮素積累量均高于石麥20。說明2個品種花后不同時期的籽粒氮素積累量對施氮量的響應(yīng)不同。整體來看，增加施氮量可提高籽粒氮素積累量。

圖4 施氮量對強(qiáng)筋小麥花后不同時期籽粒氮素積累量的影響

2.4 施氮量對強(qiáng)筋小麥氮肥利用效率與籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響

由表3可知，隨施氮量的增加，2個品種的穗數(shù)和穗粒數(shù)均有不同程度提高，而千粒重均有不同程度降低，蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量均表現(xiàn)為N2>N1>N0，當(dāng)施氮量從180 kg·hm-2增加到240 kg·hm-2時，石優(yōu)20號和中麥998的產(chǎn)量分別提高了6.10%和7.58%，籽粒蛋白質(zhì)含量分別提高了3.68%和3.73%，差異均不顯著；而氮肥農(nóng)學(xué)利用效率分別降低了25.68%和23.93%，差異顯著。表明增加施氮量可提高強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，但明顯降低氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。

表3 施氮量對強(qiáng)筋小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量的影響

3 討論與結(jié)論

前人研究表明，小麥植株氮素的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，直接影響其籽粒蛋白質(zhì)含量[11-12]。李瑞珂等[13]研究表明，花前積累的氮素占小麥籽粒氮素的70%，而花后積累氮素僅占30%。增施氮肥可以提高小麥氮素積累量[14-17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著施氮量增加，強(qiáng)筋小麥氮素積累量相應(yīng)提高，且花前氮素積累占比為59.99%～66.00%，花后氮素積累占比34.00%～41.00%(表1)，與李瑞珂等[14]結(jié)果存在一定差異，這可能與小麥品種及其所在環(huán)境等條件有關(guān)。強(qiáng)筋小麥花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量是影響其籽粒蛋白質(zhì)含量的重要因素。這與馬冬云[18]在普通小麥上的研究結(jié)果類似。研究表明，隨施氮量的增加，普通小麥氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)率降低[19-22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨施氮量增加，強(qiáng)筋小麥花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量提高，轉(zhuǎn)運(yùn)率在2個品種中表現(xiàn)不盡相同，籽粒蛋白質(zhì)含量均增加(表2)。造成這種差異的原因可能與試驗(yàn)材料、氮肥用量和基礎(chǔ)地力有關(guān)。強(qiáng)筋小麥花后營養(yǎng)器官(莖、葉、鞘、穗)氮素積累量呈下降趨勢，葉的氮素積累量變化最大(圖1)。說明葉是強(qiáng)筋小麥籽粒蛋白質(zhì)的重要來源。石優(yōu)20號在花后14～21 d花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量最大，中麥998在花后7～21 d花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量最大(圖3)。這說明花后14～21 d和7～21 d分別是強(qiáng)筋小麥?zhǔn)瘍?yōu)20號和中麥998營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵時期。

小麥籽粒氮素增長高峰期表現(xiàn)為石優(yōu)20號在花后14～21 d，中麥998在花后7～21 d(圖4)，這與其花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)高峰期一致。再次證明營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒氮素積累的重要貢獻(xiàn)。綜上可見，適量施氮可促進(jìn)強(qiáng)筋小麥花前植株氮素的積累和花后氮素的再轉(zhuǎn)運(yùn)，是提高其籽粒蛋白質(zhì)含量的重要途徑。

前人研究表明，適量增施氮肥可以提高小麥籽粒產(chǎn)量及其蛋白質(zhì)含量；過量施用氮肥，不僅不能增加產(chǎn)量，還會影響籽粒蛋白質(zhì)含量[5-6]。郭明明等[23]研究表明，施氮量在225～270 kg·hm-2的范圍內(nèi)，隨施氮量的增加，小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量均下降。張 秀等[24]的研究表明，施氮量超過240 kg·hm-2時小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量均下降。張文靜等[25]研究表明，施氮量超過270 kg ·hm-2時小麥產(chǎn)量下降。本研究表明，在 0～240 kg·hm-2范圍內(nèi)，強(qiáng)筋小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量均隨施氮量的增加而提高(表3)。這可能與供試品種、施氮量和基礎(chǔ)地力等條件有關(guān)。增施氮肥使籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量提高，但伴隨著氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的降低(表3)。在本試驗(yàn)條件下，180 kg·hm-2施氮量既滿足產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的需求，還可有效提高氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。王玉雯等[26]研究也表明，可以通過減少施用氮肥總量來實(shí)現(xiàn)氮素養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求同步。故在小麥生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和小麥品種確定適宜的施氮量，既能保證一定產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，還能確保較高的氮肥農(nóng)學(xué)利用率，從而達(dá)到提質(zhì)增效的目的。