施氮時(shí)期對(duì)谷子產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素利用率的影響

秦 娜 朱燦燦 代書(shū)桃 宋迎輝 王春義 李君霞* 平西栓

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，鄭州 450002;2.河南省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，鄭州 450002)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界糧食總產(chǎn)量增加了一倍，而氮肥的使用量卻增加了近7倍[1]。按照目前氮素利用率 30%～40%計(jì)算，為滿足人口增長(zhǎng)對(duì)糧食的需求，到2025年至少需要施用20×106t氮肥[2]。谷子作為北方地區(qū)的主要糧食作物[3]，其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、品質(zhì)及產(chǎn)量一直是研究的重點(diǎn)。氮肥是谷子生長(zhǎng)中必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素之一，過(guò)量施用不僅導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加和品質(zhì)下降，而且造成的環(huán)境污染不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4-5]?；诖?，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越重視研究氮素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的生理生化機(jī)制和遺傳基礎(chǔ)，從根本上提高作物對(duì)氮素的利用率和轉(zhuǎn)化率。

不同基因型谷子品種間氮素利用效率和產(chǎn)量存在顯著差異[6]，而谷子品質(zhì)性狀較為復(fù)雜，受遺傳基因和環(huán)境因素雙重影響。關(guān)于氮素對(duì)谷子產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，已有較多研究報(bào)道，楊延兵等[7]研究結(jié)果表明，抽穗后不同濃度尿素處理間谷子株高、莖粗、單株干重均無(wú)顯著差異；段宏凱等[8]發(fā)現(xiàn)株高在幼穗分化期呈現(xiàn)“快—慢—快—慢”的生長(zhǎng)特點(diǎn)，且追施氮肥能夠顯著延緩后期葉片干物質(zhì)的下降；關(guān)瑞等[9]研究發(fā)現(xiàn)控釋氮肥一次性基施時(shí)成熟期谷子籽粒和秸稈氮、磷、鉀含量均顯著高于基施和追施尿素處理；代小冬等[10]研究表明氮肥為碳酸氫銨和緩釋硫酸銨且只作基肥施入時(shí)，谷子葉面積、穗粗、單穗質(zhì)量和產(chǎn)量表現(xiàn)最優(yōu)；陳二影等[11-14]研究發(fā)現(xiàn)作物的不同品種對(duì)氮肥的響應(yīng)存在一定差異，在缺氮條件下，小麥、水稻、谷子不同品種間產(chǎn)量和氮素利用效率均表現(xiàn)顯著差異，在氮充足的情況下，產(chǎn)量與氮肥利用效率又呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。陳國(guó)秋等[15]在研究氮肥對(duì)‘燕谷16號(hào)’的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥用量的増加，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益呈拋物線趨勢(shì)變化；邢靜熠等[16]研究表明穗分化時(shí)期施氮肥谷子穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均顯著提高，且影響小米甜味、鮮味的芳香類(lèi)氨基酸含量顯著提升；袁蕊等[17]通過(guò)對(duì)黃化突變體谷子葉面噴施氮肥處理，結(jié)果顯示噴施氮后黃化葉片的總?cè)~綠素含量增加，光合作用增強(qiáng)，莖稈直徑、千粒重及小米類(lèi)胡蘿卜素含量均顯著增加；張喜文等[18]研究表明隨著施氮量增加，谷子蛋白質(zhì)、直鏈淀粉及膠稠度顯著增加，而粗脂肪、總淀粉則呈降低趨勢(shì)。曾蓉等[19]研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期和孕穗期追氮對(duì)谷子籽粒粗蛋白含量及總淀粉含量的影響存在著極顯著的交互作用，拔節(jié)期追氮量較低時(shí)，總淀粉含量隨孕穗期追氮量的增加而呈上升趨勢(shì)，當(dāng)拔節(jié)期追氮量處于高水平時(shí)，增加孕穗期追氮量反而會(huì)減少總淀粉含量的積累。羅世武等[20]發(fā)現(xiàn)在谷子生長(zhǎng)的不同時(shí)期追施氮肥能顯著促進(jìn)谷子植株的生長(zhǎng)、器官養(yǎng)分的増加和產(chǎn)量的提高。目前，不同施氮時(shí)期對(duì)谷子產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究選用5個(gè)不同基因型的谷子品種，設(shè)置4個(gè)施氮(尿素)時(shí)期，測(cè)定谷子的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀及氮素利用效率等指標(biāo)，旨在明確施氮時(shí)期對(duì)不同谷子品種產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素利用效率的影響，以期為實(shí)現(xiàn)谷子的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所選用品種為‘豫谷18’、‘豫谷28’、‘中谷5號(hào)’、‘冀谷31’、‘濟(jì)谷20’(表1)。供試氮肥為尿素(含N 4.6 g/100 g)。

表1 供試谷子品種Table 1 Millet cultivars used in this study

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在河南省新鄉(xiāng)市河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開(kāi)發(fā)基地潮土試驗(yàn)站(34.55° N 113.36° E)進(jìn)行，該試驗(yàn)站為全自動(dòng)自走式平移灌溉系統(tǒng)，四周均設(shè)有排澇蓄水渠。試驗(yàn)地耕作制度為冬小麥-夏谷子一年兩熟輪作。試驗(yàn)于2020年6月10日播種，9月16日收獲；2021年6月13日播種，9月15日收獲。新鄉(xiāng)潮土試驗(yàn)站是基于2012年開(kāi)始的氮肥水平長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)土壤養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)15.9 g/kg、硝態(tài)氮18.2 mg/kg、銨態(tài)氮7.51 mg/kg、速效磷29.5 mg/kg、速效鉀185.0 mg/kg。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別是T0(不施氮)為對(duì)照、T1(播種期施氮)、T2(拔節(jié)期施氮)、T3(開(kāi)花期施氮)，施肥量是375 kg/hm2(供試氮肥為尿素，有效氮為175 kg/hm2)，每個(gè)處理3次重復(fù)，供試品種小區(qū)面積16 m2(寬3.2 m，長(zhǎng)5.0 m)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，等行種植，播種密度為60萬(wàn)株/hm2。播種期氮肥為整地翻耕時(shí)施入土壤，拔節(jié)期和開(kāi)花期氮肥分別以追肥形式施入，病蟲(chóng)草害按高產(chǎn)栽培田嚴(yán)格管理，2年試驗(yàn)期間均無(wú)嚴(yán)重病蟲(chóng)害爆發(fā)。其他田間管理同正常谷子生產(chǎn)，于抽穗期在田間布置防鳥(niǎo)網(wǎng)，成熟期收獲單株和籽粒。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1谷子產(chǎn)量和構(gòu)成因子

各基因型谷子品種成熟后，從每行的第3株連續(xù)取樣，共取30株進(jìn)行考種，并測(cè)定各處理品種產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀，包括株高、生物量、單穗重、千粒重。

1.3.2谷子食味和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

根據(jù)中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)《GB 2905—82谷類(lèi)、豆類(lèi)作物種子粗蛋白質(zhì)測(cè)定法》[21]測(cè)定蛋白質(zhì)含量，脂肪含量參照王力立(2011)方法[22]進(jìn)行?；曳趾繙y(cè)定參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 22510谷物、豆類(lèi)及副產(chǎn)品灰分含量的測(cè)定》[23]，碳水化合物含量參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ASTM E1758)[24]采用液相色譜法進(jìn)行測(cè)定，丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量分別參照《NY/T 56谷物籽粒氨基酸測(cè)定處理方法》[25]進(jìn)行測(cè)定，直鏈淀粉含量利用流動(dòng)分析儀(瑞典FOSS公司)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3小米淀粉黏質(zhì)性

采用RVA測(cè)定儀(澳大利亞Newport Scientific公司)檢測(cè)RVA譜特征值，每個(gè)基因型品種取小米粉樣品(80目)3.0 g，加入ddH2O 25.0 mL，50 ℃ 1.5 min，15 ℃/min升溫至93 ℃，保持2.5 min，15 ℃/min降溫至50 ℃，保持 1.5 min。160 r/min旋轉(zhuǎn)攪拌至糊狀。

1.3.4氮素利用率

參照 Moll 等[26]方法計(jì)算氮素利用效率，(施氮區(qū)谷子產(chǎn)量-不施氮區(qū)谷子產(chǎn)量)/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。利用鄧肯式新復(fù)極差法(DM-RT)進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著分析，差異顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮時(shí)期對(duì)谷子產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，隨施氮時(shí)期的延遲，5個(gè)不同基因型谷子品種籽粒產(chǎn)量呈顯著增加趨勢(shì)。施氮時(shí)期由播種期延遲到拔節(jié)期和開(kāi)花期，‘豫谷18’的籽粒產(chǎn)量增幅最小，T1、T2和T3分別較對(duì)照(T0)增加15.2%、18.2%和24.4%；‘濟(jì)谷20’、‘中谷5號(hào)’和‘冀谷31’的增幅居中；‘豫谷28’的增幅最大，T1、T2和T3分別較對(duì)照(T0)增加23.1%、24.9%和29.9%。

表2 不同施氮時(shí)期處理谷子籽粒的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的變化Table 2 Grain yield and yield components changes of millet under different nitrogen fertilizer application stages

各基因型品種產(chǎn)量構(gòu)成因素基本表現(xiàn)為隨施氮時(shí)期的延遲而增加?！ス?8’的單穗重和千粒重在T1、T2、T3處理下分別較T0增加12.2%和5.6%、16.7%和8.3%、30.8%和9.5%；‘冀谷31’的單穗重和千粒重在3個(gè)施氮時(shí)期處理下較T0的增幅最小。結(jié)果表明，不同施氮時(shí)期對(duì)谷子的產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素均有顯著影響，不同基因型谷子之間差異顯著。

2.2 施氮時(shí)期對(duì)谷子營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

由表3可知，氮肥對(duì)谷子蛋白質(zhì)、直鏈淀粉、灰分和碳水化合物的影響較大，對(duì)脂肪和膳食纖維的影響相對(duì)較小。與T0相比，不同施氮時(shí)期均能夠增加各品種的蛋白質(zhì)、直鏈淀粉、灰分、碳水化合物含量，脂肪和纖維含量變化趨勢(shì)一致，隨施氮時(shí)期的延遲先升高后降低，在T2處理下最大，T0處理下最小。5個(gè)基因型品種中，4個(gè)施氮時(shí)期處理下，‘中谷5號(hào)’蛋白質(zhì)平均含量最低，為 9.9 g/100 g，‘豫谷28’最高，為12.6 g/100 g，‘豫谷18’為 12.3 g/100 g，‘濟(jì)谷20’和‘冀谷31’兩者相同，均為 10.6 g/100 g。

表3 不同施氮時(shí)期處理谷子的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)Table 3 Nutritional quality index of millet under different nitrogen fertilizer application stages g/100 g

2.3 施氮時(shí)期對(duì)谷子食味品質(zhì)的影響

由表4可知，隨施氮時(shí)期的延遲，谷子脫殼后的小米中丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量呈遞增趨勢(shì)。與T0相比，T3處理下各谷子品種食味氨基酸變化幅度顯著高于T1和T2處理。其中‘豫谷28’丙氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸含量在不同施氮時(shí)期處理下均為最高。

表4 不同施氮時(shí)期谷子食味氨基酸含量Table 4 Edible amino acids content of millet under different nitrogen fertilizer application stages g/100 g

2.4 施氮時(shí)期對(duì)谷子品種淀粉RVA特征值的影響

由表5可知，各基因型品種T0處理的峰值黏度均顯著高于T1、T2和T3處理，而消減值則顯著低于其他3個(gè)處理。隨施氮時(shí)期延遲，熱漿黏度和糊化溫度均逐漸遞減，其中‘冀谷31’糊化溫度隨施氮時(shí)期的延遲變化幅度較小，‘濟(jì)谷20’和‘中谷5號(hào)’變化幅度較大，‘豫谷28’和‘豫谷18’變化幅度居中。

表5 不同施氮時(shí)期處理下谷子品種的RVA譜特征值Table 5 RVA characteristic values of millet cultivars under different nitrogen fertilizer application stage

表5(續(xù))

2.5 施氮時(shí)期對(duì)谷子品種氮肥利用率的影響

由圖1 可知，5個(gè)基因型品種的氮素利用效率隨施氮時(shí)期的推遲呈“先升高后降低”的趨勢(shì)。拔節(jié)期施氮(T2)各品種氮素利用率最高，‘濟(jì)谷20’、‘中谷5號(hào)’、‘冀谷31’、‘豫谷18’、和‘豫谷28’分別為65.8、79.6、51.2、115.6和164.7 g/g，開(kāi)花期施氮(T3)各品種氮素利用率最低，分別為22.9、39.4、20.6、54.8和76.8 g/g。T1、T2和T33個(gè)施氮時(shí)期處理下，‘豫谷28’氮素利用率在5個(gè)品種中最高，‘冀谷31’氮素利用率為最低。

圖1 不同施氮時(shí)期處理谷子品種的氮素利用率Fig.1 Nitrogen use efficiency of millet cultivars under different nitrogen application stages

2.6 施氮時(shí)期谷子產(chǎn)量與品質(zhì)性狀相關(guān)性分析

由表6可知，播種期施氮(T1)，5個(gè)基因型谷子品種‘濟(jì)谷20’、‘中谷5號(hào)’、‘冀谷31’、‘豫谷18’、‘豫谷28’的蛋白質(zhì)、脂肪、直鏈淀粉含量與千粒重均呈顯著正相關(guān)；拔節(jié)期施氮(T2)，5個(gè)基因型品種谷子的蛋白質(zhì)、脂肪、直鏈淀粉含量與生物量、單穗重及千粒重均互呈顯著正相關(guān)，丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸與單穗重和千粒重均互呈顯著正相關(guān)(表7)；開(kāi)花期施氮(T3)，各基因型品種蛋白質(zhì)含量與單穗重和千粒重均呈顯著正相關(guān)(表8)。綜上，播種期施氮(T1)、拔節(jié)期施氮(T2)、開(kāi)花期施氮(T3)均能夠促進(jìn)谷子產(chǎn)量的增加，且與谷子品質(zhì)性狀呈顯著或極顯著正相關(guān)。拔節(jié)期施氮(T2)，谷子的生物量、單穗重及千粒重與營(yíng)養(yǎng)和食味品質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)顯著高于播種期(T1)與開(kāi)花期(T3)施氮處理。

表6 播種期施氮(T1)谷子產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at sowing stage (T1)

表7 拔節(jié)期施氮(T2)谷子產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at shooting stage (T2)

表8 開(kāi)花期施氮(T3)谷子產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at flowering stage (T3)

3 討 論

3.1 施氮時(shí)期對(duì)谷子產(chǎn)量的影響

在谷子生產(chǎn)中，氮肥施用是實(shí)現(xiàn)谷子高產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一，對(duì)谷子產(chǎn)量的增加發(fā)揮了重要的作用[27]。產(chǎn)量高低是單位面積有效穗數(shù)、單穗重和千粒重三因素相互協(xié)調(diào)的結(jié)果[28]。通過(guò)優(yōu)化谷子的施氮方式，可使其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中充分利用氮素，提高谷子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物量的合成速率，進(jìn)而提高產(chǎn)量[ 29]。本研究結(jié)果表明，單穗重和千粒重決定了籽粒產(chǎn)量，無(wú)論在播種期施氮(T1)、拔節(jié)期施氮(T2)和開(kāi)花期施氮(T3)，5個(gè)基因型谷子品種的單穗重、千粒重和籽粒產(chǎn)量均顯著增加，其中開(kāi)花期施氮產(chǎn)量增幅最高，5個(gè)基因型品種中‘豫谷28’在各施氮時(shí)期產(chǎn)量性狀表現(xiàn)最為突出，表明不同基因型品種氮素吸收利用率和轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異顯著，這與段宏凱等[8]研究結(jié)果一致，不同追施氮肥時(shí)期均會(huì)對(duì)谷子生物量及產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。

3.2 施氮時(shí)期對(duì)谷子品質(zhì)性狀的影響

谷子品質(zhì)性狀受基因型和外界環(huán)境的雙重影響，氮肥對(duì)小米品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在食味和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[4,8]。邢靜熠等[16]研究結(jié)果表明在幼穗分化的不同時(shí)期進(jìn)行施氮處理，各基因型谷子品種蛋白質(zhì)含量差異顯著。金正勛等[30]通過(guò)研究氮肥對(duì)稻米蒸煮和食味品質(zhì)特性的影響，表明隨著施氮時(shí)期延遲和施氮量的增加稻米脂肪含量逐漸降低，碳水化合物和膳食纖維隨施氮時(shí)期的前移而提高。張誠(chéng)信等[31]研究表明不同生育期氮素水平對(duì)稻米蛋白質(zhì)含量的影響程度由高到低依次為:抽穗期>孕穗期>枝梗分化期>分蘗期，其中抽穗期追施氮肥對(duì)稻米籽粒蛋白的影響最大，且氨基酸含量顯著增加。本研究中5個(gè)基因型品種蛋白質(zhì)、灰分、碳水化合物、丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量隨施氮時(shí)期的延遲逐漸遞增，脂肪和膳食纖維含量隨施氮時(shí)期的延遲呈先升高后降低的趨勢(shì)。綜上，施氮時(shí)期越遲對(duì)谷子品質(zhì)影響程度越高，且不同谷子品種間品質(zhì)性狀受氮素影響差異較大，氮利用率較高的品種小米的食味值變化更為顯著。因此，在谷子栽培過(guò)程中可以通過(guò)合理調(diào)節(jié)施肥時(shí)期來(lái)影響谷子品質(zhì)的變化情況，以利于谷子獲得較好的品質(zhì)性狀。

3.3 施氮時(shí)期對(duì)谷子淀粉RVA譜特征值的影響

水稻的淀粉RVA譜特征值與食味品質(zhì)存在高度的相關(guān)性，且稻米黏滯性的特征值對(duì)氮素的響應(yīng)不一致，通常情況下，消減值、糊化溫度和回復(fù)值與施氮量呈正比，起始糊化溫度、最高黏度及崩解值與施氮量呈反比[32-33]；石呂等[34]研究發(fā)現(xiàn)隨著追施氮肥時(shí)間的后移，稻米中膠稠度顯著變短，淀粉糊化特征值中最高黏度、熱漿黏度、糊化溫度下降，而回復(fù)值、消減值呈上升趨勢(shì)，食味值顯著下降。本研究結(jié)果顯示，隨施氮時(shí)期的延遲，直鏈淀粉含量和消減值依次遞增，峰值黏度、熱漿黏度和糊化溫度逐漸遞減。拔節(jié)期施氮(T2)谷子品種RVA特征值變化幅度顯著高于播種(T1)和開(kāi)花期施氮(T3)，表明小米蒸煮食味品質(zhì)及淀粉RVA值與氮肥施用時(shí)期顯著相關(guān)，且在不同基因型品種中表現(xiàn)程度不同。

3.4 施氮時(shí)期對(duì)谷子氮素利用率的影響

關(guān)瑞等[9]研究表明，播種期一次性基施氮肥可顯著提高谷子產(chǎn)量和氮素利用率；王君杰等[35]通過(guò)研究施氮時(shí)期對(duì)糜子產(chǎn)量和氮素利用率的影響，結(jié)果表明拔節(jié)期、開(kāi)花期施氮，可以有效地提高糜子產(chǎn)量和氮素利用率。本研究中播種期(T1)、拔節(jié)期(T2)和開(kāi)花期(T3)施氮均顯著提高谷子氮素利用率，其中拔節(jié)期施氮各品種氮素利用率最高，不同基因型品種的氮素利用率差異顯著。這與楊明曉等[36]研究結(jié)果一致，生育后期追氮可以促進(jìn)小麥籽粒對(duì)氮素的吸收，其中拔節(jié)-孕穗期追氮處理下吸收效果最好。

4 結(jié) 論

谷子籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子、營(yíng)養(yǎng)和食味品質(zhì)及氮素利用效率與谷子品種基因型和施氮時(shí)期均密切相關(guān)。產(chǎn)量與品質(zhì)性狀相關(guān)性分析表明，拔節(jié)期施氮(T2)，谷子的生物量、單穗重及千粒重與營(yíng)養(yǎng)和食味品質(zhì)的相關(guān)系數(shù)均顯著高于播種期(T1)與開(kāi)花期(T3)施氮處理。因此，谷子在拔節(jié)期(T2)和開(kāi)花期(T3)施氮可以兼顧高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)，而且拔節(jié)期施氮(T2)是品質(zhì)、產(chǎn)量和氮素利用率兼顧的最佳施氮時(shí)期。