不同土壤肥力下施氮量對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

孫 夢,馮昊翔,張曉燕,劉世潔,韓志棟,韓瀟杰,李 尊,馬 耕,2,王麗芳,2，王晨陽,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南鄭州 450046; 2.國家小麥工程技術(shù)研究中心,河南鄭州 450046)

小麥作為中國最主要的糧食作物之一，是保障中國糧食安全的口糧作物。提高小麥單產(chǎn)和品質(zhì)是目前小麥研究的重要目標。遺傳基因、生態(tài)環(huán)境和肥料調(diào)控是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。土壤作為重要的生態(tài)環(huán)境因素，對小麥品質(zhì)有顯著的調(diào)控作用。陸曉松等研究認為，提高麥田土壤肥力有利于小麥增產(chǎn)。氮肥作為小麥生長中需求最大的肥料之一，適量施用氮肥可以提高產(chǎn)量并改良籽粒品質(zhì)。趙淑章等研究了不同土壤肥力水平對小麥品質(zhì)的影響，認為土壤中的速效氮和全氮含量與籽粒蛋白質(zhì)呈顯著正相關(guān)。關(guān)于氮肥對小麥品質(zhì)影響的研究報道較多，多數(shù)研究表明，在一定范圍內(nèi)增施氮肥能顯著提高籽粒蛋白質(zhì)和濕面筋含量，提高面團吸水率、形成時間和穩(wěn)定時間，改善小麥營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)。由于小麥品質(zhì)指標間存在錯綜復(fù)雜的關(guān)系，單一指標評價小麥的品質(zhì)極易受環(huán)境和基因型差異的影響。因此，應(yīng)采用多指標綜合評定的方法研究小麥的品質(zhì)。

前人在單一環(huán)境下圍繞不同施氮量對產(chǎn)量的研究較多，但較少有人結(jié)合不同土壤肥力綜合研究施氮量對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。本試驗在三種不同土壤肥力麥田設(shè)置四個施氮水平，研究在不同土壤肥力條件下施氮量對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，并采用相關(guān)性分析和主成分分析的方法綜合評價其對品質(zhì)的調(diào)控效應(yīng)，以期為小麥調(diào)優(yōu)和豐產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與設(shè)計

試驗于2019-2020年度分別在河南省開封市祥符區(qū)八里灣姬坡農(nóng)場(34°73′N，114°64′E)、開封市黃河灘水稻鄉(xiāng)(34°90′N，114°33′E)和焦作市溫縣祥云鎮(zhèn)高產(chǎn)區(qū)(34°92′N，112°99′E)進行，其中，溫縣試點土壤為潮土，土壤肥力水平高，用WX表示；八里灣試點土壤為黏土，土壤肥力水平中等，用BLW表示)；開封黃河灘試點土壤砂土，土壤肥力水平低，用HHT表示。播種前0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)肥力見表1。供試品種為強筋小麥品種豐德存麥5號和中筋小麥品種百農(nóng)207，施氮量均設(shè)置0、180、240和300 kg·hm四個水平，分別用N0、N1、N2和N3表示。氮肥以尿素為氮源(含氮量46%)，按照基追比1∶1方式施肥，追肥于拔節(jié)期施入，磷肥(PO，150 kg·hm)和鉀肥(KO，120 kg·hm)于整地時一次性施入。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，三次重復(fù)。

表1 試驗田 0～20 cm 土層播種前土壤養(yǎng)分含量

1.2 測定項目與方法

1.2.1 產(chǎn)量測定

每個小區(qū)收獲8 m有代表性的小麥，測定籽粒水分含量后折算出含水量為13%的產(chǎn)量。

1.2.2 蛋白質(zhì)及其組分含量的測定

籽粒樣品風干清除雜質(zhì)后，使用旋風式樣品磨(FOSS，瑞士)進行制粉。依據(jù) ICC(International Association for Cereal Chemistry, Vienna)標準方法，使用凱氏定氮儀(FOSS，瑞士)進行蛋白質(zhì)含氮量的測定，含氮量乘以5.7即為小麥籽粒中蛋白質(zhì)含量。蛋白質(zhì)含量與籽粒重量的乘積即為蛋白質(zhì)產(chǎn)量。蛋白質(zhì)組分采用連續(xù)振蕩法進行提取，提取次序依次為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白。

1.2.3 谷蛋白大聚合體( GMP)含量的測定

參照Weegels等和孫 輝等的方法測定籽粒GMP含量。

1.2.4 濕面筋含量的測定

參照 GB/T 5506.2-2008《小麥和小麥粉面筋含量第2部分：儀器法測定濕面筋》，采用面筋測定儀(Perten，瑞典)測定濕面筋含量。

1.2.5 沉降值測定

參照GB/T 21119-2007《小麥沉降指數(shù)測定法-Zeleny試驗》，采用磨粉機(ChopinCDI)磨粉,用Zeleny法測定沉降值。

1.2.6 粉質(zhì)參數(shù)測定

面團形成時間和穩(wěn)定時間參照GB/T 14614-2006《小麥粉面團的物理特性吸水量和流變學(xué)特性的測定粉質(zhì)儀法》，采用粉質(zhì)儀(Brabender,德國)測定面團形成時間和穩(wěn)定時間。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析及主成分分析(PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤肥力下施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白產(chǎn)量的影響

從表2可以看出，低肥力麥田豐德存麥5號和百農(nóng)207的產(chǎn)量分別為1 926.6～ 5 745.7 kg·hm和2 243.2～ 4 549.1 kg·hm，平均產(chǎn)量為4 237.98 kg·hm；中等肥力麥田豐德存麥5號和百農(nóng)207的產(chǎn)量分別為2 519.3～ 10 195.8 kg·hm和2 327.4～ 9 788.2 kg·hm，平均產(chǎn)量為7 587.66 kg·hm；高肥力麥田豐德存麥5號和百農(nóng)207的產(chǎn)量分別為9 623.4～ 11 269.2 kg·hm和8 510.9～ 9 957.2 kg·hm，平均產(chǎn)量為9 744.9 kg·hm。

表2 不同土壤肥力下施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量和蛋白產(chǎn)量的影響

基礎(chǔ)肥力產(chǎn)量以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。與N0處理相比，施氮處理顯著提高了兩品種的產(chǎn)量(高肥力麥田N2、N3處理的豐德存麥5號和N3處理的百農(nóng)207除外)，高肥力麥田和低肥力麥田兩品種的產(chǎn)量均以N1處理最高，但與其他施氮處理間均無顯著差異(除高肥力麥田N1處理的豐德存麥5號顯著高于其他施氮處理外)。中等肥力麥田下豐德存麥5號在N3處理下最高，百農(nóng)207在N2處理下最高，但與其他施氮處理間差異不顯著。施氮對豐德存麥5號和百農(nóng)207的增產(chǎn)效應(yīng)表現(xiàn)為：在低肥力麥田，平均產(chǎn)量分別增加了176.7%和 94.2%；在中等肥力麥田，平均產(chǎn)量分別增加了277.7%和300.7%；在高肥力麥田，所有施氮處理的平均產(chǎn)量較不施氮處理分別增加了2.4%和13.4%。所有肥力麥田豐德存麥5號的平均產(chǎn)量(7 456.3 kg·hm)高于百農(nóng)207(6 924.0 kg·hm)。

基礎(chǔ)肥力蛋白質(zhì)含量以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。與N0處理相比，施氮處理顯著提高了兩個小麥品種的籽粒蛋白質(zhì)含量(高肥力麥田N1、N3處理的豐德存麥5號除外)，且以N2處理下最大(除中等肥力麥田的百農(nóng)207在N3處理下最大)，中等肥力麥田和低肥力麥田兩個小麥品種的籽粒蛋白質(zhì)含量在N2處理下均顯著高于其他處理，中等肥力麥田N2處理下兩個小麥品種的籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于N0和N1處理，但與N2處理無顯著差異。總的來說，施氮后小麥蛋白質(zhì)含量及其增幅以低肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，高肥力麥田最低。地點與品種間表現(xiàn)趨勢一致。施氮對豐德存麥5號和百農(nóng)207蛋白質(zhì)含量的增加效應(yīng)表現(xiàn)為：在低肥力麥田，所有施氮處理的平均蛋白質(zhì)含量較不施氮處理分別增加了73.8%和44.1%；在中等肥力麥田，分別增加了29.8%和50.6%；在高肥力麥田，分別增加了3.5%和19.4%。

不同施氮處理下蛋白質(zhì)產(chǎn)量均以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。蛋白質(zhì)產(chǎn)量隨施氮量變化趨勢與蛋白質(zhì)含量變化趨勢一致，且增幅在中等肥力麥田最大。

2.2 不同土壤肥力下施氮量對小麥主要加工品質(zhì)的影響

由表3可以看出，在不同肥力麥田，施氮均顯著提高了面粉的沉降值(高肥力麥田N1處理的豐德存麥5號和N2處理的百農(nóng)207除外)，其中百農(nóng)207增幅(平均61.1%)大于豐德存麥5號(平均34.9%)。不施氮條件下，沉降值以高肥力麥田最高，豐德存麥5號和百農(nóng)207的沉降值分別為28.4和26.3 mL。施用氮肥后，兩個品種的沉降值及其增幅以低肥力麥田最大，且以N2處理最大，但與其他施氮處理間無顯著差異，N2處理下豐德存麥5號和百農(nóng)207的沉降值分別為39.3和45.5 mL，增幅分別達到70.9%和 145.9%。

表3 不同土壤肥力下施氮量對小麥面粉加工品質(zhì)的影響

不施氮條件下，濕面筋含量以高肥力麥田最高，豐德存麥5號和百農(nóng)207的濕面筋含量分別為26.7%和25.5%。施用氮肥后，兩個品種濕面筋含量及其增幅以低肥力麥田最高，且以N2處理最高，但均與N3處理無顯著差異，N2處理下豐德存麥5號和百農(nóng)207的濕面筋含量分別為35.0%和 34.7%，增幅分別達到76.8%和65.2%。

面團形成時間和穩(wěn)定時間的品種間差異大于地點間差異，強筋品種豐德存麥5號的形成時間和穩(wěn)定時間顯著高于中筋品種百農(nóng)207。在不同肥力麥田，施氮處理均顯著延長了兩個品種的形成時間。豐德存麥5號的形成時間在中等肥力和高肥力麥田以N3處理最大，但中等肥力麥田N3處理與其他施氮處理無顯著差異；在低肥力麥田以N2處理最大，但與N3處理無顯著差異。百農(nóng)207的形成時間在中等肥力和低肥力麥田以N2處理最大，但與N3處理無顯著差異；在高肥力麥田以N1和N2處理最大。施氮處理顯著延長了豐德存麥5號的穩(wěn)定時間，百農(nóng)207的穩(wěn)定時間僅在高肥力麥田N2和N3處理下顯著提高。說明施氮對強筋小麥品種的粉質(zhì)參數(shù)增加效應(yīng)更為明顯。

2.3 小麥籽粒品質(zhì)指標之間的相關(guān)性

由表4可以看出，蛋白質(zhì)含量、醇溶蛋白含量、谷蛋白大聚合體含量、形成時間與其他七個指標均呈顯著正相關(guān)。谷蛋白含量、沉降值、濕面筋含量與穩(wěn)定時間呈正相關(guān)，但未達到顯著水平，與其他六個指標均呈顯著正相關(guān)。由此可見，各指標之間存在密切的生物學(xué)聯(lián)系，共同影響小麥籽粒品質(zhì)性狀。此外，受地點、品種、施氮量及相互作用的影響，用一個或幾個指標反映小麥品質(zhì)具有很大的局限性。

表4 小麥籽粒品質(zhì)指標的相關(guān)性分析

2.4 小麥籽粒品質(zhì)指標的主成分分析及品質(zhì)得分

對小麥籽粒8個品質(zhì)指標進行主成分分析，結(jié)果(表5)表明，前2個主成分的累計貢獻率達到了 91.175%，可代表大多數(shù)單項原始品質(zhì)性狀信息。因此，將8個品質(zhì)指標轉(zhuǎn)化為2個相互獨立的指標PC1、PC2。通過主成分分析獲得其特征向量，如表6所示，指標對應(yīng)的絕對值越大，對該主成分的貢獻越大。第一主成分貢獻率為 73.595%，荷載較大的依次是蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、谷蛋白大聚合體含量、醇溶蛋白含量、麥谷蛋白含量、沉降值，對第一主成分均呈正效應(yīng)，反映了小麥的蛋白質(zhì)特性。第二主成分貢獻率為 17.6%，主要由形成時間和穩(wěn)定時間決定，反映了小麥粉質(zhì)特性。

表5 冬小麥品質(zhì)指標的主成分分析

表6 參數(shù)的特征向量表

由圖1可以看出，不施氮條件下，小麥蛋白質(zhì)因子及粉質(zhì)因子均以高肥力麥田表現(xiàn)較好。在不同土壤肥力麥田，施氮均改善了小麥籽粒品質(zhì)。在低肥力麥田，施氮主要改變了小麥的蛋白質(zhì)特性，施氮量為240 kg·hm時蛋白質(zhì)因子表現(xiàn)較好。中等肥力麥田，施氮同時增強小麥的蛋白質(zhì)特性和粉質(zhì)特性，施氮量為240 kg·hm時綜合品質(zhì)最好，繼續(xù)施氮品質(zhì)提升不明顯。高肥力麥田，施氮主要改變小麥粉質(zhì)特性，施氮量為300 kg·hm時粉質(zhì)特性表現(xiàn)最好，施氮量為240 kg·hm時，蛋白質(zhì)特性與粉質(zhì)特性均 較好。

圖1 品質(zhì)性狀的主成分分析

3 討 論

中國小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨提升質(zhì)量、降低成本和保護環(huán)境三大挑戰(zhàn)。確定合理的氮肥用量，減少和防止土壤氮素殘留對保護生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)至關(guān)重要。不同肥力及不同質(zhì)地土壤條件下小麥的生長表現(xiàn)不同，不同施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響也不同。

趙淑章等認為，土壤基礎(chǔ)肥力和全氮含量顯著影響小麥籽粒產(chǎn)量。在本試驗中，基礎(chǔ)肥力籽粒產(chǎn)量以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。產(chǎn)量在地點間差異大于施氮量和品種間差異。介曉磊等研究發(fā)現(xiàn)，在中等肥力土壤條件下，施氮量為240 kg·hm時，小麥籽粒產(chǎn)量達到最高。這與本試驗研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在高肥力與低肥力麥田，小麥籽粒產(chǎn)量均以180 kg·hm施氮量時最高。小麥籽粒產(chǎn)量增幅以高肥力麥田最低，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最高。原因可能是高肥力土壤供氮能力強，小麥對土壤氮素的依存率高，消耗土壤氮素多，而對化肥氮的消耗量降低，施氮增產(chǎn)效果差；而低肥力土壤供氮能力差，氮肥的增產(chǎn)效果顯著。施氮后仍以低肥力麥田產(chǎn)量最低，原因可能是砂土地漏水漏肥嚴重，不利于小麥實現(xiàn)高產(chǎn)。

施氮顯著提高了小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、形成時間和穩(wěn)定時間，這與前人的研究結(jié)果一致。不施氮條件下，高肥力麥田籽粒的蛋白質(zhì)含量、面粉的濕面筋含量、沉降值、面團形成時間和穩(wěn)定時間均大于低肥力麥田，這是因為土壤基礎(chǔ)肥力高、供氮能力強。賀明榮等研究發(fā)現(xiàn)，高肥力土壤條件下，由于土壤氮素供應(yīng)水平高，增施氮肥對籽粒蛋白質(zhì)含量無顯著影響。而在本研究中，高肥力土壤條件下，施氮顯著提高了籽粒的蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量等品質(zhì)指標，但對其調(diào)控效應(yīng)低于低肥力土壤。徐恒永等研究表明，高土壤肥力和中低土壤肥力條件下，純氮施用量分別以150～225和225～300 kg·hm時，對提高小麥綜合品質(zhì)效果顯著。張 銘等研究發(fā)現(xiàn)，低肥力土壤上增施氮肥可以顯著提高蛋白質(zhì)產(chǎn)量，而高肥力土壤在施氮量為0～270 kg·hm時，可以提高蛋白質(zhì)產(chǎn)量，過量施氮則導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低，進而使蛋白質(zhì)產(chǎn)量下降。在本試驗中，綜合來看，除高肥力土壤條件下，豐德存麥5號的蛋白質(zhì)產(chǎn)量在施氮量為180 kg·hm時最大，兩品種在不同土壤肥力條件下，均在施氮量為240 kg·hm時有較高的蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量。

小麥品質(zhì)性狀復(fù)雜，是由多個品質(zhì)指標相互作用的結(jié)果。品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析結(jié)果表明，蛋白質(zhì)含量與谷蛋白大聚合體含量、沉降值、濕面筋含量、形成時間、穩(wěn)定時間均呈極顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果一致。由于各指標所表達的信息存在部分重疊。因此采用主成分分析的方法評價小麥品質(zhì)。主成分分析是把這些復(fù)雜的因子轉(zhuǎn)化為少數(shù)彼此獨立的因子來綜合反映原來變量的信息。將主成分分析用于小麥品質(zhì)特性的評價和篩選，既能把握其綜合性狀表現(xiàn)，又能簡化選擇程序。李桂萍等運用主成分分析將雜種小麥品質(zhì)性狀劃分為蛋白質(zhì)因子和面團因子。趙鵬濤等將小麥品質(zhì)綜合為沉降因子、面團因子和容重因子。本研究將品質(zhì)性狀轉(zhuǎn)化為2個主成分因子，即蛋白質(zhì)因子和粉質(zhì)因子，進一步分析發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)肥力提高和不同土壤肥力下施用氮肥均增強了小麥的蛋白質(zhì)因子和粉質(zhì)因子。從品質(zhì)性狀看，不論肥力高低，均以施氮量為240 kg·hm時的調(diào)控效果最好。但在不同土壤基礎(chǔ)肥力麥田，施氮對品質(zhì)的增強效應(yīng)有所差異。在低肥力麥田施氮對蛋白質(zhì)因子的增強效應(yīng)較大，在中高肥力麥田，施氮能均衡增強蛋白質(zhì)因子和粉質(zhì)因子，在高肥力麥田，施氮對小麥粉質(zhì)因子的增強效應(yīng)較大。

4 結(jié) 論

提高土壤基礎(chǔ)肥力和施氮均可以提高小麥籽粒產(chǎn)量和改善品質(zhì)。施氮對小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的提升效應(yīng)在地點間存在差異。低肥力土壤條件下，施氮對小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)改善最顯著，但提升空間有限。中高肥力土壤條件下，在施氮量為240 kg·hm時產(chǎn)量、品質(zhì)最優(yōu)。高肥力土壤條件下，產(chǎn)量在施氮180 kg·hm時最高，品質(zhì)在施氮240 kg·hm時最優(yōu)。