間作和施氮對小麥和蠶豆籽粒淀粉及蛋白質(zhì)含量的影響

余玉梅，喻仲穎，李海葉，吳鑫雨，湯 利，鄭 毅,2，肖靖秀*

（1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明 650201；2 云南開放大學(xué)，云南昆明 650559）

豆科禾本科間作可提高土地利用率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1–2]，還可改善土壤肥力、減輕病害、增產(chǎn)、改善作物營養(yǎng)狀況[3–7]。與豆科作物間作是廣泛接受的一個成功栽培模式[8]。由于豆科作物具有生物固氮特性，對豆科間作從作物種間互作、地上地下部互作等角度系統(tǒng)進(jìn)行了氮的固定、轉(zhuǎn)移及氮肥合理施用等研究[3–8]。淀粉和蛋白質(zhì)是作物籽粒的重要組成成分，也是衡量籽粒品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[9]。氮素與作物品質(zhì)的形成密切相關(guān)，氮肥運(yùn)籌是調(diào)控作物品質(zhì)的有效措施之一[10]。籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量及其組分特性存在品種、基因型差異，也不同程度地受到施肥的影響[11]。有研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥會顯著降低弱筋、強(qiáng)筋小麥直鏈淀粉含量，而支鏈淀粉含量主要取決于小麥品種特性[12–13]。代新俊等[11]發(fā)現(xiàn)，高氮肥水平有利于總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量的提高，且酰胺態(tài)氮肥的效果高于其它形態(tài)氮肥。小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與施氮量呈正相關(guān)[10,14–15]，其中清蛋白、球蛋白、谷醇比(谷蛋白/醇溶蛋白)均隨施氮量的增加而提高[11]。吳培金等[16]研究表明，隨施氮量的增加醇溶蛋白的含量變化幅度最大，其次是谷蛋白、清蛋白，球蛋白最小。蠶豆試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，氮肥可以提高蠶豆籽粒蛋白質(zhì)含量，且不同蛋白質(zhì)組分對施肥量的響應(yīng)不同[17]。

作物籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量也受種植模式的調(diào)控。在不施氮條件下，玉米/花生、玉米/大豆間作對玉米籽粒淀粉含量無明顯影響，但顯著提高了籽粒蛋白質(zhì)含量；而在施肥條件下，間作玉米籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量均有所提高[7]。蔡明等[18]研究則表明，在一定施氮范圍內(nèi)，間作模式下的馬鈴薯淀粉、蛋白質(zhì)含量高于單作，但施氮水平與種植模式的交互作用對蛋白質(zhì)含量影響并不顯著。上述研究結(jié)果均表明，施氮和種植模式對籽粒蛋白質(zhì)和淀粉含量都有一定的影響，且存在一定程度的交互作用。

小麥與蠶豆間作是西南地區(qū)普遍采用的小春作物種植模式[19]，該模式能有效降低病害發(fā)生[20–22]，并具有增產(chǎn)[23]和減肥減藥潛力[21]，能最大限度地提高系統(tǒng)生產(chǎn)力。在歐洲的一些研究證實(shí)，小麥和蠶豆短期間作可以提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量[24–25]。由于中國西南地區(qū)小麥和蠶豆幾乎同種同收，在較長的共生期下間作和氮肥施用量在調(diào)控作物產(chǎn)量的同時是否會影響小麥和蠶豆籽粒蛋白質(zhì)、淀粉含量尚不清楚。因此，我們通過田間試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同氮水平下小麥與蠶豆間作對籽粒蛋白質(zhì)和淀粉含量的影響，為實(shí)現(xiàn)該間作系統(tǒng)的最大產(chǎn)量、生態(tài)和質(zhì)量效益提供參考，促進(jìn)該區(qū)域的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

田間定位試驗(yàn)于2014年10月起在云南省昆明市尋甸縣大河橋村云南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)教育科研基地 (N 23°32′，E 103°13′)進(jìn)行，該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量達(dá)1040 mm，年平均溫度為14.7℃。試驗(yàn)開始前為水稻土，土壤為熟化程度較高的紅壤，有機(jī)質(zhì)35.05 g/kg、全氮1.42 g/kg、堿解氮80 mg/kg、速效鉀 146 mg/kg、速效磷 17 mg/kg、pH 7.18。小麥和蠶豆每年10月中旬至下旬播種，次年4月中旬收獲，收獲后將秸稈移出試驗(yàn)田，5月至9月份保持休耕。

供試材料：小麥品種為云麥52 (TriticumaestivumL.)，蠶豆品種為玉溪大粒豆(ViciafabaL.)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用兩因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。因素A為種植模式，即：小麥單作、蠶豆單作、小麥蠶豆間作(包括間作小麥和間作蠶豆)；因素B為施氮量，設(shè)置4個氮水平，小麥的4個施氮量依次為N 0、90、180 和 270 kg/hm2，分別記作 N0、N90、N180和N270處理，蠶豆的4個施氮量依次為N 0、45、90、135 kg/hm2，分別記作 N0、N45、N90 和N135處理。其中，N180和N90處理均為常規(guī)推薦施用量。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為32.4 m2(5.4 m×6 m)。供試肥料為尿素 (N 46.0%)、過磷酸鈣(P2O516.0%)和硫酸鉀 (K2O 50.0%)。

1.3 田間管理

小麥蠶豆分別于2018、2019年10月20―22日播種，于次年的4月20日收獲。小麥條播，行距0.2 m；蠶豆點(diǎn)播，行距 0.3 m，株距 0.10 m。小麥蠶豆間作種植模式按照當(dāng)?shù)赝扑]種植模式，小區(qū)分為3個種植條帶，小麥蠶豆行數(shù)比例為3∶1，即為6行小麥–2行蠶豆–6行小麥–2行蠶豆–6行小麥–2行蠶豆；單作小麥每個小區(qū)共27行；單作蠶豆每小區(qū)共18行。間作小麥和蠶豆播種密度同單作。

試驗(yàn)處理磷、鉀肥施用量均為90 kg/hm2，作為基肥一次性施入。小麥的氮肥施用分2次，1/2作為基肥施入，1/2在小麥拔節(jié)期作為追肥施入。蠶豆不追氮肥，一次施入，田間試驗(yàn)日常管理參照當(dāng)?shù)靥镩g常規(guī)管理。

1.4 樣品采集與測定

于2019和2020年4月底，小麥和蠶豆收獲后，將籽粒自然風(fēng)干后去除雜質(zhì)，磨樣、過篩，測定籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量。小麥和蠶豆籽粒直鏈淀粉和支鏈淀粉含量采用試劑盒(碘比色法)進(jìn)行測定，試劑盒由蘇州格銳思生物技術(shù)有限公司(www.geruisi-bio.com)提供，支鏈淀粉測定波長為540和740 nm；直鏈淀粉測定波長為620 nm，總淀粉為直鏈淀粉與支鏈淀粉之和。小麥和蠶豆籽粒蛋白質(zhì)含量測定：采用Foss蛋白質(zhì)定氮儀(KJELTEC8400，瑞典)測定各樣品全氮含量，籽粒蛋白質(zhì)含量按全氮量的5.7倍換算[26]。籽粒蛋白組分(清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白)測定采用分步提取法[27]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2013進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理、繪圖；利用SPSS 20.0進(jìn)行獨(dú)立性T檢驗(yàn)、單因素、雙因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平下間作對小麥和蠶豆籽粒淀粉含量的影響

2.1.1 對小麥籽粒淀粉含量的影響 如表1所示，氮水平與種植模式互作對2019年小麥籽粒直鏈淀粉和2020年的小麥籽粒總淀粉含量無顯著影響，對2019年小麥籽粒支鏈淀粉、總淀粉和2020年籽粒支鏈、直鏈淀粉含量均有顯著影響。

表1 氮水平與種植模式對小麥淀粉含量影響的顯著性分析Table 1 Significance analysis of effect of N application level and cropping pattern on wheat starch content

如圖1A所示，4個氮水平下，小麥蠶豆間作較單作均顯著提高了小麥籽?？偟矸酆?2020年N180處理除外)。不考慮氮水平，相對于單作，間作平均提高了小麥總淀粉含量10%～22%；在N0、N90、N180、N270處理下，間作小麥籽粒總淀粉含量相對于單作分別提了14%～18%、6%～25%、4%～29%、13%～19%，單作和間作小麥籽粒總淀粉含量均隨施氮量的增加而降低。

如圖1B所示，在不同氮水平下，相對于單作，間作平均提高小麥籽粒支鏈淀粉含量5%～18%；在N0、N90、N180處理下2019年增幅分別為14%、23%、33%；2020年，在N0處理下單間作無差異，在N90、N180、N270處理下增幅分別為4%、4%、18%；且從圖中可以看到，隨著氮肥用量的增加，小麥籽粒支鏈淀粉含量在逐漸下降。

如圖1C所示，在不同氮水平下，與單作相比，間作提高小麥籽粒的直鏈淀粉含量18%～28%。2019年，在N180和N270處理下，間作分別提高直鏈淀粉含量27%和31%。2020年，N0、N180、N270水平下，間作分別提高了直鏈淀粉含量55%、18%、16%。隨著施氮量的增加，單間作小麥籽粒的直鏈淀粉含量逐漸降低。

圖1 不同氮水平下單作和間作小麥總淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉含量Fig.1 Contents of total starch, amylopectin and amylose in monocropping and intercropping wheat under different N levels

2.1.2 不同氮水平下間作對蠶豆籽粒淀粉含量的影響

如表2所示，兩年試驗(yàn)結(jié)果均得出氮水平對蠶豆籽粒支鏈、直鏈、總淀粉含量有顯著影響。種植模式對蠶豆籽粒直鏈淀粉和總淀粉含量的影響在年際間存在差異；氮水平和種植模式交互對直鏈淀粉具有顯著影響，而支鏈淀粉和總淀粉含量在年際間存在差異。

表2 氮水平和種植模式對蠶豆淀粉含量影響的顯著性分析Table 2 Significance analysis of effect of N level and cropping pattern on starch content of faba bean

如圖2A所示，在不同氮水平下，蠶豆籽?？偟矸酆吭谀觌H間存在差異，但在N90處理下總淀粉含量均達(dá)到最大值。2019年，4個氮水平下間作較單作均降低了蠶豆總淀粉含量，N0、N45、N90、N135處理下間作較單作分別降低36%、42%、24%、27%；2020年，N135處理下間作蠶豆總淀粉含量較單作顯著降低14%，其他氮水平下單、間作無明顯差異。

如圖2B所示，與單作相比，間作降低了蠶豆籽粒支鏈淀粉含量。而2019年與2020年結(jié)果存在一定的差異，2019年，在N0、N45、N90、N135處理下，與單作相比間作蠶豆籽粒支鏈淀粉含量分別降低了39%、48%、34%、31%；2020年，僅在N135處理下，間作顯著降低了蠶豆籽粒支鏈淀粉含量，其余幾個氮肥處理下間作對蠶豆支鏈淀粉含量均無顯著影響。隨著氮肥用量的變化，單間作蠶豆籽粒支鏈淀粉含量所呈現(xiàn)出來的趨勢也不同。單、間作蠶豆籽粒支鏈淀粉含量均是先增加后降低，但2019年單作的蠶豆籽粒支鏈淀粉最大含量出現(xiàn)在N45處理，間作的最大含量則出現(xiàn)在N90處理，而2020年單間作最大含量均出現(xiàn)在N90處理。

如圖2C所示，與單作相比，2019年在N0、N45處理下間作顯著降低蠶豆籽粒直鏈淀粉含量，分別降低了30%、20%；但是在N90、N135處理時，單、間作無明顯差異。2020年，在N0、N135水平下間作分別提高蠶豆直鏈淀粉含量33%和19%；但在N90處理下間作顯著降低了蠶豆的直鏈淀粉含量。單、間作直鏈淀粉含量均在N90時達(dá)到最大值。

圖2 不同氮水平下單作和間作蠶豆總淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉含量Fig.2 Contents of total starch, amylopectin and amylose in monocropping and intercropping faba bean under different N levels

2.2 不同氮水平下間作對作物籽?？偟鞍准暗鞍捉M分含量的影響

2.2.1 不同氮水平下間作對小麥籽?？偟鞍准暗鞍捉M分含量的影響 如表3所示，氮水平和種植模式交互對小麥籽粒中總蛋白質(zhì)含量及各蛋白組分無顯著影響(2020年的醇溶蛋白含量除外)。當(dāng)只考慮種植模式時，間作相比單作顯著提高了小麥醇溶蛋白和總蛋白含量，醇溶蛋白提高了9%～15%，總蛋白提高了5%～6%；其余幾個蛋白組分含量在單、間作間無顯著差異(2019年清蛋白、谷蛋白除外)。當(dāng)只考慮氮肥施用量時，施用氮肥顯著影響了小麥籽粒各蛋白組分及總蛋白含量。提高氮肥的用量能夠顯著增加小麥總蛋白含量，與N0相比，在N90、N180、N270處理下，兩年分別提高了1%、19%、26% (2019年)與8%、20%、42% (2020年)。從表3中可以看出，在N0和N90處理下，小麥籽粒總蛋白及谷蛋白組分間無顯著差異(除2019年谷蛋白外)，N180、N270處理與N0相比總蛋白及各蛋白組分含量顯著增加(2019年球蛋白除外)，清蛋白含量提高了10%～18%，球蛋白提高了11%～35%，醇溶蛋白提高了19%～41%，谷蛋白提高了16%～39%，總蛋白提高了24%～40%。綜上可以發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，小麥籽粒醇溶蛋白、谷蛋白、總蛋白含量、谷醇比隨之增加，但是除了谷蛋白和2019年的球蛋白之外，N180和N270水平間各蛋白質(zhì)組分含量幾乎無差異。

表3 不同氮水平下單間作小麥籽粒蛋白質(zhì)和各蛋白組分含量(%)及谷醇比Table 3 Protein contents (%) and glutenin/gliadin in grains of monocropping and intercropping wheat under different N levels

2.2.2 不同氮水平下間作對蠶豆籽?？偟鞍准暗鞍捉M分含量的影響 表4所示，氮水平與種植模式的交互作用對蠶豆的蛋白組分及總蛋白含量均無顯著影響。此外，氮水平及種植模式對蠶豆總蛋白含量均無影響。從各個蛋白組分含量來看，2019年，間作相比單作提高了球蛋白和醇溶蛋白含量，增幅分別為8%和10%。2020年，間作相比單作提高球蛋白含量6%。當(dāng)只考慮氮水平時，施氮量水平對兩年的蠶豆籽?？偟鞍缀烤鶡o顯著影響；對蠶豆籽粒的清蛋白和球蛋白含量無顯著影響(2020年球蛋白除外)；但對醇溶蛋白和谷蛋白含量有顯著影響，且在N90、N135處理下的蠶豆籽粒醇溶蛋白含量顯著高于N0處理。

表4 不同氮水平下單間作蠶豆籽粒蛋白質(zhì)和各蛋白組分含量(%)Table 4 Protein contents (%) in grains of monocropping and intercropping faba bean under different N levels

3 討論

間作和施氮水平顯著影響著作物的淀粉含量。在本研究中，間作提高了小麥淀粉含量，降低了蠶豆籽粒淀粉含量，張向前等[7]在玉米/花生、玉米/大豆間作體系中也證實(shí)間作提高了玉米的淀粉含量。籽粒淀粉含量受碳、氮供應(yīng)以及淀粉關(guān)鍵合成酶的影響[28–29]，小麥籽粒支直鏈淀粉含量均與蔗糖合成酶、可溶性蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶等呈正相關(guān)[29]，可以推測間作小麥籽粒淀粉的提高可能與這些酶活性有關(guān)，但具體機(jī)制尚待研究。

小麥籽粒蛋白質(zhì)各組分含量及比例與面粉品質(zhì)密切相關(guān)[30]。本試驗(yàn)條件下，間作顯著提高了小麥籽?？偟鞍缀亢偷鞍捉M分中醇溶蛋白的含量(表3)，Tosti等[24]和Stefanis等[25]也證實(shí)小麥與蠶豆短期間作可以提高小麥籽?？偟鞍踪|(zhì)含量和谷蛋白含量。值得注意的是，間作對谷醇比的影響存在年際差異，2020年發(fā)現(xiàn)間作提高了醇溶蛋白含量，但對谷蛋白含量無影響，導(dǎo)致谷/醇降低。小麥籽粒蛋白質(zhì)含量受生態(tài)環(huán)境條件等因素的影響[31]，基于Meta分析的結(jié)果也表明，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨灌漿中期的總?cè)照諘r數(shù)升高而升高，隨播種—孕穗、灌漿前中期的總降水量增加而降低[32]。本研究中，在播種—分蘗期(10―11月)、灌漿—成熟期(2―4月)，兩年的溫度和降雨變異較大，這或許與年際變異有關(guān)。此外，本試驗(yàn)條件下，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量(5%～10%)略低于西南地區(qū)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的平均水平(11.7%)，且存在年際差異也可能與土壤、氣象因素等有關(guān)。

在本研究中，除球蛋白和2019年的醇溶蛋白外，間作對蠶豆籽粒的總蛋白及蛋白組分無影響，說明相較于小麥和蠶豆單一種植，小麥蠶豆間作更有利于提高小麥蛋白質(zhì)含量。蛋白質(zhì)的積累依賴于氮的吸收和同化，而氮的同化受谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酰胺合成酶(GS)等幾種酶的調(diào)控[33]。在焦念元等[34]的研究中，發(fā)現(xiàn)玉米花生間作提高了葉片中硝酸還原酶(NR)和GS的活性，從而提高了玉米花生籽粒中蛋白質(zhì)的含量。劉振洋[35]發(fā)現(xiàn)在小麥灌漿期，間作也顯著提高了葉片GS和Fd-GOGAT (鐵氧還蛋白依賴型–谷氨酸合成酶)、NADH-GODAT (煙酰胺腺嘌呤=核苷酸–谷氨酸合成酶)的活性和基因表達(dá)量；增加施氮量使小麥葉片中GS、Fd-GOGAT、NADH-GODAT的活性增加。這些關(guān)鍵酶活性和相關(guān)基因表達(dá)量的提高，都可能促使間作小麥籽粒總蛋白以及蛋白組分含量增加。在小麥蠶豆間作體系中，間作小麥對氮素的吸收競爭力強(qiáng)于蠶豆，導(dǎo)致蠶豆產(chǎn)量降低[36]。本研究未發(fā)現(xiàn)間作和施氮對蠶豆籽粒蛋白質(zhì)含量有影響，但間作對蛋白質(zhì)產(chǎn)量的影響尚需深入分析。

前人研究證實(shí)小麥蠶豆間作具有產(chǎn)量優(yōu)勢[37]，本研究則證實(shí)間作在提高小麥籽粒產(chǎn)量的同時還能提高小麥籽粒蛋白和淀粉含量，且對蠶豆蛋白質(zhì)和淀粉含量幾乎無影響。因此，我們認(rèn)為小麥蠶豆間作是一種兼具產(chǎn)量和品質(zhì)優(yōu)勢的種植模式。

氮素對作物籽粒蛋白質(zhì)含量具有重要影響，適宜的氮肥水平可以提高作物籽粒各蛋白組分含量[16,38]。在本研究中，施氮提高了單作和間作小麥的總蛋白含量和各蛋白組分含量。Xiao等[37]在本試驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)，在減氮1/2的條件下間作可以維持與單作一致的產(chǎn)量。但是在供試土壤供氮能力偏低的條件下(有效氮含量80 mg/kg)，當(dāng)施氮量低于常規(guī)水平(180 kg/hm2)時，間作雖然提高了小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，但仍然低于常規(guī)氮肥供應(yīng)水平下的蛋白質(zhì)含量。而且即使提高了氮肥水平(N270、N135)，單、間作小麥和蠶豆的淀粉含量也顯著低于常規(guī)推薦施氮量(N180、N90)處理，小麥可能是由于氮素的同化消耗了碳水化合物，減少了碳水化合物在籽粒中的積累。蠶豆淀粉含量下降則可能是小麥對氮素的競爭影響了其氮素營養(yǎng)，進(jìn)而降低了碳的同化量，也影響了其蛋白質(zhì)的積累。因此，還需要繼續(xù)研究適宜的氮肥投入量，以調(diào)控間作作物的相互作用，最大限度發(fā)揮間作的產(chǎn)量和品質(zhì)優(yōu)勢。

4 結(jié)論

無論氮水平高低，小麥與蠶豆間作可顯著提高小麥籽粒淀粉含量和蛋白含量，間作降低了蠶豆籽粒淀粉含量，但年際間變異較大，間作同時提高了蠶豆籽粒球蛋白含量和2019年的醇溶蛋白含量，但對蠶豆籽?？偟鞍踪|(zhì)含量無顯著影響。因此，小麥與蠶豆間作是高品質(zhì)小麥生產(chǎn)的優(yōu)勢種植制度。