氮肥運籌對稻茬小麥氮素轉(zhuǎn)運、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

趙 艷，羅 錚，楊 麗，王貝貝，李凌雨，王 犇，馬尚宇，樊永惠，黃正來，張文靜

(農(nóng)業(yè)部黃淮南部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室/安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽合肥 230036)

江淮地區(qū)是我國稻茬小麥(TriticumaestivumL.)的主產(chǎn)區(qū)，提高江淮地區(qū)小麥產(chǎn)量對保障我國糧食安全具有重要意義[1]。實際生產(chǎn)中，為求高產(chǎn)使得氮肥施用量過高，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量及品質(zhì)與施氮量未能保持同步增加[2-4]。1999—2019年中國小麥總產(chǎn)量增加了17.32%，而化肥用量增加了31.03%(https://data.stats.gov.cn)。氮素是作物生產(chǎn)的主要驅(qū)動力和限制因素[5-6]，合理施用氮肥可以顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)量[7]，優(yōu)化施氮量和基追比例對小麥氮素與干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著調(diào)節(jié)效應(yīng)[8]，因此探究適合江淮地區(qū)稻茬小麥生長發(fā)育的施氮量和基追比例，對提高氮素利用效率以及促進(jìn)小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有重要意義。

研究表明，優(yōu)化氮肥運籌顯著提高了小麥花后營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量和花后干物質(zhì)積累量[9]；同一施氮量下，適當(dāng)增加基追比例有利于促進(jìn)花后營養(yǎng)器官中氮素向籽粒轉(zhuǎn)運[10]，提高氮素利用效率[11]。另有研究認(rèn)為，減少氮肥施用次數(shù)，增大基施氮肥量可以提高氮肥利用效率[12]；合理的施氮量及其運籌方式能保證小麥獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，同時提高氮肥利用率[13]；提高稻茬麥區(qū)弱筋小麥產(chǎn)量，改善籽粒品質(zhì)[14]；適當(dāng)增加施氮量及追肥比例可有效增加干物質(zhì)量[15]，提高小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量[16]。本題組前期研究表明，施氮量180～270 kg·hm-2為提高江淮地區(qū)稻茬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的適宜施氮范圍[17]。為了篩選出適合江淮稻麥輪作區(qū)域小麥種植的最優(yōu)氮肥運籌模式，本試驗在課題組前期研究基礎(chǔ)上，選用江淮區(qū)域種植面積比較大的小麥品種揚麥20，在施氮量 180～270 kg·hm-2范圍內(nèi)設(shè)置不同基追比例，研究施氮量和基追比例對稻茬小麥氮素轉(zhuǎn)運、干物質(zhì)分配以及產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響，以期為江淮地區(qū)稻茬小麥高產(chǎn)栽培中氮肥的合理運籌提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年11月—2019年6月在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖中試驗站(安徽省合肥市廬江縣，117°01′E，30° 57′N)進(jìn)行，土壤為砂黃土，土地平整且土層深厚，地力中等偏上。前茬作物為水稻，播種前試驗田土壤養(yǎng)分含量如表1所示。

1.2 試驗設(shè)計

選擇當(dāng)?shù)胤N植面積較大的小麥品種揚麥20(由江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育)作為供試品種，采用二因素裂區(qū)設(shè)計，以施氮量為主區(qū)，設(shè)180 kg·hm-2(N1)、225 kg·hm-2(N2)和270 kg·hm-2(N3)三個水平；基追比例為副區(qū)，設(shè)氮肥基肥∶拔節(jié)肥6∶4(R1)、5∶5(R2)和4∶6(R3)三個處理，氮肥為含氮46%尿素，不施氮肥處理(N0)為對照，用于計算氮肥利用效率。播前基施磷肥(P2O5)90 kg·hm-2，鉀肥(K2O)150 kg·hm-2，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)大田。小區(qū)四周插入高度為40 cm的隔離板，使其深入土壤下20 cm。兩年播種時間分別為2017年11月5日和2018年11月6日。每小區(qū)面積為 20 m2，基本苗375×104株·hm-2，重復(fù)3次。

表1 播前試驗田土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient content of the test field before sowing

1.3 測定項目和方法

1.3.1 小麥植株干物質(zhì)積累量及含氮量測定

于小麥開花期和成熟期，每小區(qū)取生長發(fā)育一致的單莖30個，開花期按照莖鞘、葉片、穗3個器官進(jìn)行分樣，成熟期按照莖鞘、葉片、穗軸+穎殼、籽粒4個器官進(jìn)行分樣，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，計算干物質(zhì)積累量。用分析型研磨儀(IKA A11 basic)和電動粉碎機(FSD-100A)粉碎，分別稱取0.1 g，用濃H2SO4和H2O2消煮后使用全自動凱氏定氮儀(VELP UDK169)測定N含量。重復(fù)3次。相關(guān)指標(biāo)計算公式如下：

營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量=開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量

花后干物質(zhì)積累量=成熟期籽粒干物質(zhì)積累量-營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量

花后干物質(zhì)積累量對籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=花后干物質(zhì)積累量÷成熟期籽粒干物質(zhì)積累量×100%

氮素積累量=氮素含量×干物質(zhì)積累量

氮素分配比率=不同器官氮素積累量÷整株氮積累量×100%

氮素利用率=[(施肥小區(qū)地上部植株氮積累量-不施肥小區(qū)地上部植株氮積累量)/總施氮量]×100%

氮收獲指數(shù)=籽粒氮積累量÷整株氮積累量

花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量

氮素轉(zhuǎn)運效率=花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量÷開花期營養(yǎng)器官氮素積累量×100%

轉(zhuǎn)運氮素對籽粒氮素貢獻(xiàn)率=花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量÷成熟期籽粒氮素積累量×100%

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

成熟期在各小區(qū)選取1 m雙行調(diào)查穗數(shù)，隨機取40個單莖脫粒后計算穗粒數(shù)；收取2 m2麥穗，脫粒、風(fēng)干后稱重，計算產(chǎn)量；用數(shù)粒板隨機數(shù)1 000粒測千粒重，重復(fù)3次。

1.3.3 小麥品質(zhì)指標(biāo)測定

小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、穩(wěn)定時間、形成時間和沉降值用近紅外谷物分析儀(Perten Instruments DA7200)測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表繪制，用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運籌對稻茬小麥氮素分配比率的影響

施氮量和基追比例及其交互作用顯著影響了氮素在小麥開花期和成熟期不同器官中的分配比率(表2)。在基追比例6∶4下，施氮量為225 kg·hm-2時，氮素在成熟期籽粒中分配比率最高，在莖鞘中分配比率較低；在基追比例5∶5下，施氮量為270 kg·hm-2時，氮素在開花期葉片和成熟期穗軸+穎殼中分配比率較高，在籽粒中分配比率最低；在基追比例4∶6下，以施氮量為180 kg·hm-2時氮素在開花期穗部和成熟期籽粒中分配比率較高。在施氮量225 kg·hm-2和施氮量270 kg·hm-2處理中，與基追比例6∶4相比，增加追肥比例降低了氮素在成熟期籽粒的分配比率，而增加了氮素在成熟期營養(yǎng)器官的分配比率。本試驗條件下，施氮量225 kg·hm-2、基追比例 6∶4是提高成熟期籽粒氮素分配比率的最優(yōu)氮肥運籌模式。

表2 氮素在小麥不同器官的分配比率Table 2 Distribution ratio of nitrogen in different organs of wheat %

2.2 氮肥運籌對稻茬小麥氮素轉(zhuǎn)運特征的影響

施氮量和基追比例及其交互作用顯著影響小麥氮素利用率、氮收獲指數(shù)、氮素轉(zhuǎn)運效率和轉(zhuǎn)運氮素對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率(2017-2018年度基追比例對氮素轉(zhuǎn)運效率和轉(zhuǎn)運氮素對籽粒氮貢獻(xiàn)率除外)(表3)。相同基追比例下增施氮肥后，氮素利用率呈先升后降趨勢，以施氮量225 kg·hm-2處理最高，180 kg·hm-2次之，270 kg·hm-2最低；在基追比例6∶4下，隨著施氮量的增加，氮收獲指數(shù)和氮素轉(zhuǎn)運效率呈先升高后下降趨勢，施氮量225 kg·hm-2處理最高，兩年平均二者均顯著高于其他處理；在基追比例5∶5下，氮收獲指數(shù)以施氮量270 kg·hm-2處理最低；在基追比例 4∶6下，氮收獲指數(shù)和氮素轉(zhuǎn)運效率以180 kg·hm-2處理最高。在施氮量180 kg·hm-2時，氮素利用率以基追比例6∶4處理最高，氮素轉(zhuǎn)運效率和轉(zhuǎn)運氮素對籽粒的貢獻(xiàn)率隨著追肥比例的增加呈上升趨勢，以基追比例 4∶6最高， 5∶5處理次之，6∶4處理最低；在施氮量225 kg·hm-2和270 kg·hm-2時，氮素利用率、氮收獲指數(shù)和氮素轉(zhuǎn)運效率以基追比例 6∶4最高。綜上所述，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4組合處理是提高氮素利用率和氮素轉(zhuǎn)運效率的最佳氮肥運籌模式。

2.3 氮肥運籌對稻茬小麥成熟期各器官干物質(zhì)分配量和比例的影響

由表4可以看出，施氮量和基追比例及二者交互作用均顯著影響了成熟期小麥干物質(zhì)在不同器官的分配量及分配比例。同一基追比例下增施氮肥，小麥干物質(zhì)在莖鞘+葉片、穗軸+穎殼中的分配量持續(xù)升高，表現(xiàn)為施氮量270 kg·hm-2處理最高，施氮量225 kg·hm-2處理次之，施氮量180 kg·hm-2處理最低；而干物質(zhì)在籽粒中的分配量表現(xiàn)為施氮量225 kg·hm-2處理最高，施氮量270 kg·hm-2處理次之，施氮量180 kg·hm-2處理最低。相同施氮量下，莖鞘+葉片、穗軸+穎殼等營養(yǎng)器官中成熟期干物質(zhì)分配量隨著追肥比例的增加呈上升趨勢，表現(xiàn)為基追比例4∶6處理最高，5∶5處理次之，6∶4處理最低，而籽粒中干物質(zhì)分配量隨著追肥比例的增加呈下降趨勢，表現(xiàn)為基追比例6∶4處理最高， 5∶5處理次之，4∶6處理最低。其中施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理的小麥籽粒中干物質(zhì)分配量顯著高于其他處理，且所占比例較高，而營養(yǎng)器官中干物質(zhì)分配量及所占比例較低，是促進(jìn)營養(yǎng)器官中干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的最佳氮肥運籌模式。

表3 不同氮肥運籌下小麥的氮素轉(zhuǎn)運特征Table 3 Characteristics of nitrogen transport in wheat under different nitrogen fertilizer management

表4 不同氮肥運籌下成熟期小麥不同器官單莖干物質(zhì)的分配量和比例Table 4 Allocation and proportion of dry matter in different organs of wheat at maturity under different nitrogen fertilizer management

2.4 氮肥運籌對稻茬小麥花后干物質(zhì)積累的影響

施氮量和基追比例顯著影響了小麥花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率。同一基追比例下增施氮肥，花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為先增高后降低，以施氮量225 kg·hm-2處理最高，270 kg·hm-2次之，180 kg·hm-2最低。相同施氮量下隨著追肥比例的升高，花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)規(guī)律為持續(xù)下降，表現(xiàn)為基追比例6∶4處理最高，5∶5處理次之， 4∶6處理最低，施氮量180 kg·hm-2，基追比例 4∶6處理花后干物質(zhì)的積累量及其對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率顯著低于其他組合處理。施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4組合處理的花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒的貢獻(xiàn)率顯著高于其他組合處理，可作為提高花后干物質(zhì)積累的最優(yōu)氮肥運籌模式。

圖1 不同氮肥運籌下小麥花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率

2.5 氮肥運籌對稻茬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表5能夠得出，施氮量對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有顯著效應(yīng)；基追比例及其與施氮量的交互作用均顯著影響了小麥產(chǎn)量及穗數(shù)。同一基追比例下增施氮肥，小麥產(chǎn)量及穗數(shù)、穗粒數(shù)呈現(xiàn)先升后降的趨勢，表現(xiàn)為施氮量225 kg·hm-2處理下最高，270 kg·hm-2下次之，180 kg·hm-2下最低。同一施氮量下隨著追肥比例的升高，小麥穗數(shù)、千粒重以及產(chǎn)量呈下降趨勢，表現(xiàn)為基追比例6∶4下最高，基追比例5∶5下次之，基追比例4∶6下最低。其中在施氮量180 kg·hm-2、基追比例 4∶6組合小麥穗數(shù)、千粒重及產(chǎn)量低于其他組合；在施氮量225kg·hm-2、基追比例6∶4組合下，小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)及產(chǎn)量顯著高于其他處理，千粒重高于其他處理，與施氮量180 kg·hm-2，基追比例4∶6組合相比，兩年度產(chǎn)量提高了21.01%和20.01%。施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理是提高小麥籽粒產(chǎn)量的最佳氮肥運籌。

表5 不同氮肥運籌下的小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 5 Yield and its components of wheat under different nitrogen fertilizer management

2.6 氮肥運籌對稻茬小麥籽粒品質(zhì)的影響

由表6可知，施氮量和基追比例顯著影響了小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量。相同基追比例下，增施氮肥有利于小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量和沉降值的提高，表現(xiàn)為施氮量270 kg·hm-2下最高，225 kg·hm-2下次之，180 kg·hm-2下最低，且施氮量270 kg·hm-2處理的蛋白質(zhì)、濕面筋和沉降值顯著高于施氮量180 kg·hm-2處理。蛋白質(zhì)和濕面筋含量在施氮量180 kg·hm-2和225 kg·hm-2時以基追比例6∶4最高，在施氮量270 kg·hm-2時，蛋白質(zhì)和濕面筋含量以基追比例4∶6最高。施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量和沉降值較高，同時符合弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 不同氮肥運籌下小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)Table 6 Grain quality index of wheatunder different nitrogen fertilizer management

2.7 小麥千粒重和產(chǎn)量與花后干物質(zhì)積累量和氮素轉(zhuǎn)運量的關(guān)系

由圖2可知，小麥千粒重和產(chǎn)量與花后干物質(zhì)積累量和氮素轉(zhuǎn)運量均呈線性極顯著正相關(guān)，即小麥千粒重和產(chǎn)量隨著花后干物質(zhì)積累量、氮素轉(zhuǎn)運量的增加而增加。2017—2018年度和2018—2019年度產(chǎn)量與花后干物質(zhì)積累量之間的R2分別為 0.80和0.76，產(chǎn)量與氮素轉(zhuǎn)運量之間的R2分別為0.80和0.83，表明較高的花后干物質(zhì)積累量和氮素轉(zhuǎn)運量是提高稻茬小麥千粒重和產(chǎn)量的關(guān)鍵。

3 討 論

3.1 氮肥運籌對稻茬小麥氮素積累、轉(zhuǎn)運及干物質(zhì)分配的影響

促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)運和花后干物質(zhì)積累是提高小麥產(chǎn)量的有效途徑[18-19]。研究表明，氮肥利用率隨著施氮量增加呈先增后降趨勢[20]，適當(dāng)增施氮肥有利于促進(jìn)花后干物質(zhì)積累、提高氮素轉(zhuǎn)運效率[9,21]；在施氮量0～225 kg·hm-2范圍內(nèi)增施氮肥有利于促進(jìn)小麥干物質(zhì)積累[22]；施氮量為225 kg·hm-2時，稻茬小麥氮肥利用率較高[23]。在本試驗中，相同基追比例下，在施氮量180～270 kg·hm-2內(nèi)增施氮肥，氮素利用率、花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率呈先升高后下降趨勢，以施氮量為225 kg·hm-2處理最高，與前人研究結(jié)果一致[16]。施氮量過高可能導(dǎo)致氮素滯留在營養(yǎng)器官或土壤中，從而降低氮素利用效率[24-25]。調(diào)整基肥與追肥比例能夠提高氮肥農(nóng)學(xué)效率和施肥效益[26]，提高花后干物質(zhì)積累量，促進(jìn)營養(yǎng)器官中干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運[27-28]。前人研究表明，適當(dāng)降低施氮量并提高基肥比例，

n=10; **:P<0.01.

可以實現(xiàn)稻茬小麥產(chǎn)量和氮素利用效率的同步提高[29]，增加氮肥追施比例，花后干物質(zhì)積累量對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率呈先增后降趨勢[16]。李欣欣等[10]研究認(rèn)為，施氮量225 kg·hm-2、基追比例5∶5時，植株總吸氮量和總氮轉(zhuǎn)運量最高。本研究結(jié)果顯示，施氮量225 kg·hm-2、基追比例 6∶4處理顯著提高了小麥氮素利用率、籽粒中干物質(zhì)分配量以及花后干物質(zhì)積累量，表明合理的施氮量及其運籌方式能夠有效地促進(jìn)營養(yǎng)器官中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運、提高花后干物質(zhì)積累量對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率。也有研究表明，增加追肥比例有利于提高氮肥利用效率[10]，這可能與土壤基礎(chǔ)地力、環(huán)境、品種等有關(guān)。

3.2 氮肥運籌對稻茬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

有研究認(rèn)為，氮肥的合理運籌與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)密切相關(guān)，產(chǎn)量和施氮量之間呈二次曲線關(guān)系[30]，在0～300 kg·hm-2范圍內(nèi)增施氮肥，施氮量超過210 kg·hm-2時，稻茬小麥產(chǎn)量增加不顯著[31]。在本試驗中，在180～270 kg·hm-2范圍內(nèi)增施氮肥，小麥產(chǎn)量呈先升后降趨勢，以施氮量為225 kg·hm-2時小麥產(chǎn)量最高。這可能是由于施氮量過高會加速氮肥流失，造成氮肥回收率和土壤殘留率下降，從而導(dǎo)致小麥減產(chǎn)[32-33]。研究顯示，優(yōu)化施氮運籌方式能夠有效增加小麥穗數(shù)并提高產(chǎn)量[34]，如在施氮量為210 kg·hm-2，基追比例在1～2之間時小麥增產(chǎn)達(dá)76.3%[35]，施氮量為300 kg·hm-2時，氮肥基追比例增加到6∶4時，小麥分蘗數(shù)和成穗率達(dá)到最大[36]。本研究中，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理小麥穗數(shù)和產(chǎn)量最高，施氮量180 kg·hm-2、基追比例4∶6時小麥穗數(shù)最低，可能是由于基施氮肥量過少會影響小麥早期生長發(fā)育，降低群體數(shù)量，進(jìn)而影響有效穗數(shù)，對小麥產(chǎn)量形成不利[37]。研究表明，優(yōu)化施氮量和基追比例能較好地協(xié)調(diào)產(chǎn)量和品質(zhì)之間的關(guān)系[8]，如施氮量180 kg·hm-2、基追比例6∶4時稻茬小麥產(chǎn)量較高，且籽粒蛋白質(zhì)和濕面筋含量符合弱筋小麥國家標(biāo)準(zhǔn)[14]；施氮量225 kg·hm-2、追肥比例不超過50%，有利于同步提高寧麥9號籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)[16]。本試驗中，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理小麥產(chǎn)量顯著高于其他處理，同時籽粒蛋白質(zhì)和濕面筋含量符合弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，表明通過優(yōu)化施氮運籌方式能夠協(xié)同實現(xiàn)小麥高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)。但由于地域差異，各地區(qū)需要因地制宜制定有針對性的氮肥運籌模式。

4 結(jié) 論

本試驗條件下，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理的氮素在籽粒中的分配比率、氮素利用率和氮收獲指數(shù)、花后干物質(zhì)的積累量對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率均最高，且小麥產(chǎn)量顯著高于其他組合，籽粒蛋白質(zhì)和濕面筋含量符合弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，是適合江淮稻麥輪作區(qū)域小麥種植的最佳氮肥運籌模式。