微噴灌下不同氮肥基追比對(duì)冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

姚春生 盧崇靖 孫 婉 劉 洋 張 震 王志敏 張英華

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

氮肥是影響作物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的形成具有極其重要的作用[1]。在世界范圍內(nèi)小麥的氮肥利用率約為33%[2]，不合理的氮肥施用造成了資源的極大浪費(fèi)并導(dǎo)致了諸多的環(huán)境問(wèn)題[3-5]。因此，合理的氮肥運(yùn)籌對(duì)于小麥增產(chǎn)提質(zhì)和高效綠色生產(chǎn)具有重要意義。

氮肥運(yùn)籌包括施氮量、施氮次數(shù)、基追比例、追氮時(shí)期和施氮形式等管理措施，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多的研究工作[6-9]。研究發(fā)現(xiàn)，將一部分基肥后移至拔節(jié)期前后施用，可以延緩葉片衰老，提高粒重，增加花后干物質(zhì)積累，進(jìn)而顯著提升小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[10-15]。在氮肥后移比例上，常規(guī)灌溉施肥條件下因供試品種類型、地力水平和生產(chǎn)環(huán)境的差異，得到了不同的結(jié)論。石玉等[16]研究表明，在山東省基追比為1∶2時(shí)可以兼顧小麥產(chǎn)量和品質(zhì)。劉萬(wàn)代等[17]研究認(rèn)為河南省內(nèi)種植的多穗型品種基追比為5∶5 或3∶7時(shí)產(chǎn)量高，品質(zhì)也有所改善，大穗型品種則以基追比7∶3較好。李東方等[18]則認(rèn)為，河南省強(qiáng)筋小麥氮肥基追比3∶7時(shí)產(chǎn)量與品質(zhì)均較好，弱筋小麥基追比5∶5時(shí)較好。多數(shù)的研究認(rèn)為基肥占比50%時(shí)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)均較好[19-20]。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，微噴灌作為新興農(nóng)業(yè)灌溉方式，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[21]。有關(guān)微噴灌對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用影響的研究已有很多報(bào)道，但是有關(guān)微噴水肥一體化下冬小麥氮肥施用策略及其對(duì)小麥品質(zhì)影響的研究報(bào)道相對(duì)較少。本研究在施氮總量為210 kg/hm2條件下考察氮肥基追比不同對(duì)中筋和強(qiáng)筋冬小麥產(chǎn)量及品質(zhì)形成等特征指標(biāo)，旨在探明微噴水肥一體化條件下不同的氮肥運(yùn)籌對(duì)不同筋型冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的調(diào)控效應(yīng)，以期為華北平原優(yōu)質(zhì)小麥的生產(chǎn)和微噴水肥一體化合理氮肥運(yùn)籌提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2020年在河北省滄州市吳橋縣中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站(37°41′02″ N、116°37′23″ E)進(jìn)行。試驗(yàn)地點(diǎn)位于海河平原的黑龍港地區(qū)中部，海拔20 m，地下水位7～9 m，歷年平均降水量562 mm，主要分布在6—8月，2014—2019年冬小麥生育期平均降水量120 mm/年。2018—2019和2019—2020年冬小麥季有效降雨量分別為62.3 和174.3 mm，具體的降雨分布和氣溫，見圖1。試驗(yàn)地前茬為夏玉米，土壤為壤質(zhì)底黏潮土。0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.3 g/kg，全氮含量1.01 mg/kg，速效鉀106.2 mg/kg，速效磷30.1 mg/kg。灌溉用井水，井深20 m，井距試驗(yàn)地100 m。

圖1 2018—2020年冬小麥生長(zhǎng)季降雨分布和溫度變化Fig.1 Precipitation and temperature during the 2018-2020 growing season of winter wheat

1.2 試驗(yàn)方法

供試小麥材料為強(qiáng)筋品種‘藁優(yōu)2018’(‘GY 2018’)和中筋品種‘濟(jì)麥22’(‘JM 22’)，分別于2018-10-14和2019-10-20播種，播種行距為15 cm?！粌?yōu)2018’2年的基本苗分別為597.0萬(wàn)和664.5萬(wàn)株/hm2，‘濟(jì)麥22’ 2年的基本苗分別為634.5萬(wàn)和679.0萬(wàn)株/hm2。春季采用山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的小麥專用微噴帶[22]進(jìn)行灌水，微噴帶水壓為0.02 MPa，每6行小麥鋪設(shè)一根微噴帶，帶長(zhǎng) 30 m，出水量6.0 m3/h，微噴射角80 °。灌水和追氮時(shí)期為拔節(jié)期、孕穗期、開花期和灌漿中期，每次灌水量為300 m3/hm2。施純氮(尿素，N含量46%)總量為210 kg/hm2，設(shè)置3個(gè)氮肥基追比處理，分別為3∶7(B1)、5∶5(B2)和7∶3(B3)，播前底施純磷(過(guò)磷酸鈣，P2O5含量為12%)120 kg/hm2、純鉀(硫酸鉀，K2O含量為50%)90 kg/hm2，生育過(guò)程中不再追施磷、鉀肥。所有處理追施氮肥均采用水肥一體化，即每次灌水將1/4的追施氮肥溶解于施肥器中注入灌水管道。采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，小麥品種為主區(qū)，不同氮肥基追比處理為副區(qū)。小區(qū)面積為120 m2，3次重復(fù)?！粌?yōu)2018’分別于2019-06-08和2020-06-08收獲，‘濟(jì)麥22’分別于2019-06-11和2020-06-12收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

在收獲前，每重復(fù)選取1 m×6行樣段考察穗數(shù)，隨機(jī)選取60個(gè)穗考察穗粒數(shù)。收獲期每個(gè)小區(qū)選取3 m2測(cè)量實(shí)際產(chǎn)量，籽粒含水量按13%折算，從每個(gè)樣品隨機(jī)選取1 000粒測(cè)量千粒重，3次重復(fù)。

1.3.2群體干物質(zhì)積累

于開花期和成熟期選取0.5 m×2行具有代表性的樣段，按照莖、葉、穗分離樣品。105 ℃殺青30 min后轉(zhuǎn)入75 ℃烘干至恒重，稱重記錄。群體干物質(zhì)積累相關(guān)計(jì)算公式如下：

花后干物質(zhì)積累量=成熟期干物質(zhì)量-開花期干物質(zhì)積累量收獲指數(shù)=成熟期籽粒生物量/地上部總生物量

1.3.3群體氮素積累

植株全氮含量采用半微量凱氏定氮法[23]測(cè)定。群體氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)計(jì)算公式如下：

群體氮素積累量=群體干物質(zhì)積累量×氮素含量
開花后氮素積累量=
成熟期氮素積累量-開花期氮素積累量
營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量=開花期營(yíng)養(yǎng)器官
氮素積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量
營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移率=花前營(yíng)養(yǎng)器官氮素
轉(zhuǎn)移量/開花期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量×100%
氮素收獲指數(shù)=成熟期籽粒氮素積累量/
地上部氮素總積累量
氮肥偏生產(chǎn)力=籽粒產(chǎn)量/施氮量
單粒占有的花后吸氮量=開花后氮素積累量/

(穗數(shù)×穗粒數(shù))×100

1.3.4籽粒品質(zhì)

取籽粒樣品2 000 g，利用瑞士Buhler公司生產(chǎn)的MLU202型實(shí)驗(yàn)?zāi)パ心コ煞?，瑞士Perten公司生產(chǎn)的2200型面筋儀測(cè)定濕面筋含量，用德國(guó)Brabender公司生產(chǎn)的810106002型粉質(zhì)儀測(cè)定粉質(zhì)參數(shù)，濕面筋含量檢驗(yàn)依據(jù)：GB/T 5506.2—2008《儀器法測(cè)定濕面筋》[24]、面筋指數(shù)檢驗(yàn)依據(jù)LS/T 6102—1995《小麥粉濕面筋質(zhì)量測(cè)定方法 面筋指數(shù)法》[25]、面團(tuán)吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 14614—2019《糧油檢驗(yàn) 小麥粉面團(tuán)流變學(xué)特性測(cè)試 粉質(zhì)儀法》[26]、沉降值檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 15685—2011《糧油檢驗(yàn) 小麥沉淀指數(shù)測(cè)定 SDS法》[27]。面粉蛋白質(zhì)含量采取半微量凱氏定氮法測(cè)定，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換系數(shù)為5.7。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥基追比對(duì)不同筋型冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表1可知，強(qiáng)筋小麥‘藁優(yōu)2018’(‘GY 2018’)和中筋小麥‘濟(jì)麥22’(‘JM 22’)均以B2(基追比為5∶5)處理產(chǎn)量最高，且B2處理均顯著高于B1(基追比為3∶7)和B3(基追比為7∶3)處理。B1顯著降低2個(gè)品種的穗數(shù)，而B2和B3處理間穗數(shù)差異不顯著。2個(gè)品種穗粒數(shù)在各處理間差異不顯著。隨著追氮比例的增加，2個(gè)品種千粒重呈增加趨勢(shì)，B1處理千粒重顯著高于B3處理。從2年數(shù)據(jù)來(lái)看，相較于B3，B1處理顯著降低了2個(gè)品種冬小麥的穗數(shù)，但顯著增加了籽粒的千粒重；而B2處理穗數(shù)和千粒重較為協(xié)調(diào)，在保證穗數(shù)的前提下增加了千粒重，因而產(chǎn)量最高。

表1 不同氮肥基追比處理的2個(gè)冬小麥品種的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 1 Yield and yield composition of two winter wheat varieties treated withdifferent nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.2 氮肥基追比對(duì)2種筋型冬小麥干物質(zhì)積累和收獲指數(shù)的影響

由表2可知，隨著追氮比例的增加，2個(gè)品種開花期干物質(zhì)積累有減少的趨勢(shì)，B1處理顯著低于B3處理，B2與B3處理差異不顯著；花后和成熟期干物質(zhì)積累以及收獲指數(shù)均隨著基肥比例增加而先升高后降低，在B2處理下達(dá)到最大值。綜合2年數(shù)據(jù)來(lái)看，3個(gè)基追比處理間，B1處理顯著降低了開花期的干物質(zhì)積累，B3處理顯著降低了花后的干物質(zhì)積累，而B2處理開花期和花后干物質(zhì)積累量均高于B1和B2處理，因而B2處理成熟期獲得了最高的干物質(zhì)積累和收獲指數(shù)。

表2 不同氮肥基追比處理的2個(gè)冬小麥品種的干物質(zhì)積累和收獲指數(shù)Table 2 Dry matter accumulation and harvest index of two winter wheat varieties treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.3 氮肥基追比對(duì)2種筋型冬小麥氮素積累和利用的影響

2.3.1籽粒氮素積累

由圖2可知，2個(gè)品種2年籽粒氮素積累量均表現(xiàn)為隨著追氮比例增加而先增加后降低，在B2處理達(dá)到最大值，B2處理顯著高于B3處理。強(qiáng)筋品種‘藁優(yōu)2018’在2年中B1與B2處理差異均不顯著，2019—2020年中筋品種‘濟(jì)麥22’也有相似的規(guī)律。綜上，2個(gè)品種在B2處理下均能夠?qū)崿F(xiàn)不同年型下最高的籽粒氮素積累量；B2處理下‘濟(jì)麥22’籽粒氮素積累量顯著高于‘藁優(yōu)2018’(P<0.05)，主要由于‘濟(jì)麥22’的籽粒產(chǎn)量顯著高于‘藁優(yōu)2018’。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。The lowcase letter indicates significant difference (P<0.05). The same below.

2.3.2群體氮素總積累和階段積累

由圖3可知，2年中，2個(gè)品種成熟期植株氮素總積累均表現(xiàn)為，隨著基肥比例的增加先升高后降低，均以B2處理最高；2個(gè)品種開花前植株氮素積累量均表現(xiàn)為隨著追氮比例的增加而降低，以B3處理最高，2018—2019年B3與B2無(wú)顯著差異，2019—2020年B3顯著高于B2。2個(gè)品種開花后植株氮素積累量則隨著追氮比例的增加而增加，B1與B2處理無(wú)顯著差異，但均顯著高于B3處理。由此可見，增加氮肥基施比例，有利于2個(gè)品種開花前的氮素積累，而增加追氮比例則有利于植株花后氮素的積累，而B2處理花前氮素積累和花后氮素積累都較高，因而成熟期獲得了最高的氮素積累量。

圖3 不同氮肥基追比處理的2個(gè)品種冬小麥的群體氮素總積累和階段積累Fig.3 Total nitrogen accumulation and stage nitrogen accumulation of two varieties of winter wheat treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.3.3單粒占有的花后吸氮量

由圖4可知，2個(gè)品種2年的B1處理單粒占有的花后吸氮量均為最高，B3處理均為最低，且B1均顯著高于B3處理，且B1處理花后吸氮量均顯著高于B3處理，而B1處理的穗數(shù)顯著低于B3處理，B3處理單粒占有的花后吸氮量均顯著低于其他2個(gè)處理。這也說(shuō)明增加生育后期的氮素供應(yīng)顯著提高單個(gè)籽粒的花后吸氮量，這是籽粒蛋白質(zhì)含量提高的重要原因。

圖4 不同氮肥基追比處理的2個(gè)品種冬小麥的籽?；ê笪縁ig.4 Post-anthesis grain N uptake of two varieties of winter wheat treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.3.4氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及氮素利用

由表3可知，2018—2019年，2個(gè)品種花前營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移率在不同氮肥基追比處理間差異不顯著；2019—2020年，隨著追氮比例的增加花前營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移率(PNTR)有降低的趨勢(shì)，且B3處理顯著高于B1和B2處理。綜合2年數(shù)據(jù)來(lái)看，增加追氮比例顯著降低了花前營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移率?；ê蟮胤e累對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率(NPCT)、氮素收獲指數(shù)(NHI)在不同氮肥基追比處理下表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即隨著追氮比例的增加而增加的趨勢(shì)，且B3處理顯著低于B1處理。2個(gè)品種氮肥偏生產(chǎn)力(PFP)隨著追氮比例的增加先升高后降低，以B2處理最高，顯著高于B1和B3處理?？偟膩?lái)說(shuō)，適當(dāng)增加追氮比例，顯著增加了花后氮素吸收對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)率，提高了氮素收獲指數(shù)和氮肥偏生產(chǎn)力。

表3 不同氮肥基追比處理的2個(gè)冬小麥品種的氮素利用Table 3 Nitrogen utilization of two winter wheat varieties treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.4 氮肥基追比對(duì)2種筋型冬小麥籽粒品質(zhì)的影響

2.4.1面粉品質(zhì)

由表4可知，在不同氮肥基追比處理下，隨著追氮比例的增加，2個(gè)品種的面粉濕面筋含量(WGC)、沉降值(SV)和蛋白質(zhì)含量(GPC)有增加的趨勢(shì)，B1處理均顯著高于B2和B3處理。面筋指數(shù)(GI)表現(xiàn)出相反的規(guī)律，即隨著追氮比例的增加，面筋指數(shù)有降低的趨勢(shì)。由此可見，增加追氮比例可以增加籽粒蛋白質(zhì)含量，但是也有降低面筋質(zhì)量的危險(xiǎn)。2個(gè)品種間比較，‘藁優(yōu)2018’籽粒蛋白質(zhì)含量相比‘濟(jì)麥22’優(yōu)勢(shì)并不突出，但是面筋指數(shù)和沉降值顯著高于‘濟(jì)麥22’(P<0.05)。

表4 不同氮肥基追比處理的2個(gè)冬小麥品種的面粉品質(zhì)Table 4 Flour quality of two winter wheat varieties treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.4.2面團(tuán)品質(zhì)

由表5可知，增加追氮比例提高了2個(gè)品種的面團(tuán)吸水率(WA)和粉質(zhì)指數(shù)(FQN)，2018—2019年B1處理顯著高于B2和B3處理。隨著追氮比例的增加，強(qiáng)筋小麥‘藁優(yōu)2018’的面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間(ST)顯著增加，以B1處理最高，顯著高于B2和B3處理?！疂?jì)麥22’由于面團(tuán)形成時(shí)間(DT)和穩(wěn)定時(shí)間過(guò)短，處理間差異不顯著?？偟膩?lái)說(shuō)，在不同氮肥基追比處理下，B1處理面團(tuán)品質(zhì)最好，吸水率和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間顯著高于其他處理。品種間比較，‘藁優(yōu)2018’的面團(tuán)形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和粉質(zhì)指數(shù)顯著高于‘濟(jì)麥22’(P<0.05)，加工品質(zhì)也優(yōu)于‘濟(jì)麥22’。

表5 不同氮肥基追比處理的2個(gè)冬小麥品種的面團(tuán)品質(zhì)Table 5 Dough quality of two winter wheat varieties treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

3 討 論

施氮時(shí)期和追氮比例對(duì)冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的調(diào)控作用[6]。已有研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)畦灌條件下，追氮時(shí)期由拔節(jié)期推遲至孕穗期顯著提高籽粒各組分蛋白質(zhì)含量和籽粒的烘烤品質(zhì)[10]，另外，氮肥分施更有利于提升籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。在微噴灌條件下，氮肥基追比為3∶7的處理(B1)可顯著提高冬小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和加工品質(zhì)，氮肥基追比為5∶5的處理(B2)千粒重和穗數(shù)最為協(xié)調(diào)，產(chǎn)量最高(表1)，這與Zhong等[10]、倪紅山等[19]和陳祥等[20]的研究結(jié)果一致。由此可見，傳統(tǒng)畦灌和微噴灌下適當(dāng)增加追氮比例均可以協(xié)調(diào)冬小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。不同的是，傳統(tǒng)畦灌方式的追氮時(shí)期多在拔節(jié)期至開花期，因此很少在花后進(jìn)行澆水追氮。本研究的微噴灌模式可以將傳統(tǒng)畦灌模式下拔節(jié)期的一部分追氮量后移至孕穗期、開花期和灌漿期，使得氮肥后移和氮肥的分次施用更容易實(shí)現(xiàn)。除此之外，微噴灌模式噴撒出的水肥經(jīng)過(guò)小麥冠層，除了根系，莖、葉和穗也可以截留一部分水肥，從而增加小麥植株對(duì)氮素的吸收。Gholami等[28]和Rossmann等[29]的研究也表明，花后葉面施氮可以提高籽粒蛋白質(zhì)含量，改善烘烤品質(zhì)。Li等[30]研究也發(fā)現(xiàn)，微噴水肥一體化條件下少量多次的水肥供應(yīng)顯著增加了花后氮素的吸收，提升了籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量?；ê笮←湹匚赵黾又饕捎谖娝室惑w化少量多次水肥供應(yīng)下，上層土壤的氮素含量較高，利于植株吸收利用，拔節(jié)期水肥供應(yīng)少，促進(jìn)了根系下扎，利于根系吸收利用深層土壤的水肥[31]。總之，微噴灌水肥一體化條件下冬小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同提高的潛力更大。

在本試驗(yàn)中，從2種筋型冬小麥加工品質(zhì)對(duì)氮肥調(diào)控的響應(yīng)來(lái)看(表4和表5)，‘藁優(yōu)2018’2年均表現(xiàn)為，籽粒濕面筋含量、蛋白質(zhì)含量、沉降值、吸水率、穩(wěn)定時(shí)間和粉質(zhì)指數(shù)隨追氮比例的增加而顯著增加，品質(zhì)得到顯著改善；對(duì)于‘濟(jì)麥22’來(lái)說(shuō)，隨著追氮比例的增加，2019—2020年濕面筋含量、蛋白質(zhì)含量、沉降值和粉質(zhì)指數(shù)顯著增加，2018—2019年只有濕面筋含量和粉質(zhì)指數(shù)有所增加，而面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間年際間均無(wú)顯著差異，可見，氮肥管理對(duì)強(qiáng)筋小麥‘藁優(yōu)2018’的品質(zhì)調(diào)控效果更好。

4 結(jié) 論

綜合產(chǎn)量和品質(zhì)，在本試驗(yàn)條件下施氮量為210 kg/hm2、氮肥基追比為5∶5(B2)是華北平原強(qiáng)筋小麥實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的最佳氮肥運(yùn)籌方式，可提高花后干物質(zhì)積累進(jìn)而提高花后吸氮量,是同步提升強(qiáng)筋小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的重要途徑。