減量施氮協(xié)同提升強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量和品質(zhì)

馬瑞琦，常旭虹，劉阿康,3，王德梅，陶志強(qiáng)，王艷杰，楊玉雙，王振林，趙廣才*

（1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 /農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100081）

氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量和加工品質(zhì)有明顯的調(diào)節(jié)作用[1–3]，強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量與品質(zhì)形成及同步提高，均與氮肥合理施用密切相關(guān)。強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量與施氮量在一定范圍內(nèi)呈二次曲線關(guān)系[4]。近年來(lái)，河北省強(qiáng)筋小麥生產(chǎn)中普遍存在施氮量過(guò)大的問(wèn)題，不僅影響小麥生長(zhǎng)和品質(zhì)穩(wěn)定，而且降低氮肥利用效率，浪費(fèi)資源，污染環(huán)境。播種前0—30 cm土壤無(wú)機(jī)氮大于30 kg/hm2時(shí)，就能滿足小麥從出苗到返青所需的氮量[5]。北方麥區(qū)土壤無(wú)機(jī)氮含量大多高于此值，因此該區(qū)降低施氮量能顯著提高氮肥利用率，緩解環(huán)境壓力[6–7]。崔振嶺等[8]、Tiwari等[9]指出，華北平原地區(qū)的小麥平均施氮量已達(dá)到424 kg/hm2，遠(yuǎn)高于同時(shí)期的養(yǎng)分消耗量。有研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)大田作物的平均氮肥施用量超過(guò)300 kg/hm2，平均過(guò)量投入程度甚至達(dá)到了30%以上[10]。目前很多專(zhuān)家對(duì)減量施氮進(jìn)行了研究，梁二等[11]、韓瑞蕓等[12]研究發(fā)現(xiàn)減量施用15%氮后，玉米產(chǎn)量無(wú)顯著變化，減氮25%反而獲得的產(chǎn)量最高。目前我國(guó)小麥生產(chǎn)的氮素利用率僅為21.2%～35.9%，遠(yuǎn)低于國(guó)外40%～60%的水平[13]。合理減施氮肥已成為小麥?zhǔn)┓恃芯康臒狳c(diǎn)。已有研究表明，在農(nóng)戶生產(chǎn)施氮量基礎(chǔ)上適當(dāng)減氮不會(huì)降低小麥產(chǎn)量[14–16]。強(qiáng)筋小麥品質(zhì)對(duì)氮素的要求較高，與產(chǎn)量存在一定的矛盾，需要產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同提高的施氮措施，但是不同生態(tài)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)筋小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的最佳施氮量并不完全一致。我們?cè)诤颖笔?qiáng)筋小麥優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)帶開(kāi)展了精確施氮技術(shù)田間試驗(yàn)，通過(guò)逐步降低氮肥用量，重點(diǎn)研究強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)對(duì)施氮量的響應(yīng)，為探索適合河北省強(qiáng)筋小麥生產(chǎn)的高效節(jié)氮施肥技術(shù)及高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016—2019年在河北省石家莊市農(nóng)林科學(xué)院趙縣實(shí)驗(yàn)基地 (35°44′N(xiāo)，118°55′E)進(jìn)行。土壤質(zhì)地為壤土，養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。2016—2019年月降水量和月平均氣溫見(jiàn)圖1。

圖1 2016—2019年月降水量和月平均氣溫Fig. 1 Monthly precipitation and temperature in 2016–2019

表1 0—20 cm土層土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient contents in 0–20 cm soil layer

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分3個(gè)年度進(jìn)行，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為施氮量，副區(qū)為品種。年度間氮肥施用量及梯度設(shè)計(jì)逐年遞減。

2016—2017年，氮肥梯度為120 kg/hm2。5個(gè)處理 (N0、N120、N240、N360、N480) 施氮量分別為: 0、120、240、360、480 kg/hm2。

2017—2018 年，氮肥梯度為 60 kg/hm2。5 個(gè)處理 (N0、N180、N240、N300、N360) 施氮量分別為: 0、180、240、300、360 kg/hm2。

2018—2019 年，氮肥梯度為 30 kg/hm2。5 個(gè)處理 (N0、N180、N210、N240、N270) 施氮量分別為: 0、180、210、240、270 kg/hm2。

3年供試品種均為3個(gè)強(qiáng)筋品種：藁優(yōu)2018(A1)、師欒 02-1 (A2)、石優(yōu) 20 (A3)。

氮肥施用分為播種前底施和拔節(jié)期追施，底追比例為5∶5，采用微噴灌水肥一體化技術(shù)實(shí)施。每個(gè)處理3次重復(fù)，每年試驗(yàn)田統(tǒng)一底施P2O5135 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，澆越冬水 900 m3/hm2，春季拔節(jié)期澆水750 m3/hm2?；久?00萬(wàn)/hm2，行距15 cm，小區(qū)面積10.8 m2，各小區(qū)于出苗后選取2個(gè)長(zhǎng)勢(shì)均勻的1 m雙行標(biāo)記為調(diào)查樣點(diǎn)。為減小施用氮肥殘留量對(duì)試驗(yàn)的影響，本研究3年分別在土壤質(zhì)地相同、肥力相近的相鄰地塊進(jìn)行。其他管理同一般高產(chǎn)田。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 產(chǎn)量及構(gòu)成 在成熟期，田間調(diào)查單位面積穗數(shù)，采集樣點(diǎn)植株測(cè)定穗粒數(shù)及千粒重，全小區(qū)收獲測(cè)定產(chǎn)量，采集的樣點(diǎn)產(chǎn)量分別記入對(duì)應(yīng)小區(qū)總產(chǎn)量。

1.3.2 品質(zhì)性狀 籽粒含氮量用海能公司K9840凱氏定氮儀測(cè)定；籽粒蛋白質(zhì)含量=籽粒含氮量×5.7；容重用 HGT-1000型容重器測(cè)定；籽粒硬度用JYDB100×40 硬度儀測(cè)定；面筋含量參照AACC38-12方法，用瑞典波通公司2200型面筋儀測(cè)定；沉淀值參照AACC56-63ZELENY方法，用德國(guó)Brabender沉淀值儀測(cè)定；面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間參照AACC54-21方法，用德國(guó)Brabender E型粉質(zhì)儀測(cè)定；面包體積參照GB/T 14611-2008采用JMTY面包體積測(cè)定儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

氮肥農(nóng)學(xué)效率 (nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg)=(YN–Y0)/FN

式中：YN為施氮處理籽粒產(chǎn)量，Y0為不施氮處理籽粒產(chǎn)量，F(xiàn)N為氮肥施用量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行整理和作圖，用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行方差分析，主要指標(biāo)的顯著性采用Duncan新復(fù)極差法檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 年度間逐步減少施氮量及施氮梯度對(duì)小麥產(chǎn)量與氮肥效率的影響

2.1.1 對(duì)產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響 方差分析結(jié)果(表2)表明，生產(chǎn)年度、品種、施氮量對(duì)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量、單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重均存在極顯著影響，各因素互作對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響則不盡相同。其中對(duì)產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為年度間最大，其次分別是品種、氮肥、年度×品種、年度×氮肥，單位面積穗數(shù)同樣是生產(chǎn)年份影響最大，其次分別為氮肥、品種、氮肥×品種、年度×氮肥×品種、年度×氮肥；對(duì)穗粒數(shù)影響最大的為品種，氮肥和年度間的影響也較大，各因素互作的效應(yīng)大小為氮肥×品種、年度×氮肥×品種、年度×品種、年度×氮肥；千粒重也受品種影響最大，然后是年份和氮肥的影響，因素互作的影響也均達(dá)到極顯著水平，由大到小為年度×品種、年度×氮肥×品種、年度×氮肥、氮肥×品種。各因素及其互作對(duì)小麥產(chǎn)量和構(gòu)成存在顯著影響，因此，對(duì)于不同年度，可以通過(guò)調(diào)節(jié)施肥措施、優(yōu)選品種實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

表2 2016—2019年強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的方差分析 (F值)Table 2 Variance analysis on the yield and its composition of strong gluten wheat in 2016?2019 (F value)

由圖2、表3得出，2016—2017年施氮量在0～360 kg/hm2范圍內(nèi)小麥產(chǎn)量隨施氮量增加逐漸提高。在氮量梯度120 kg/hm2條件下，N360相對(duì)于N240的增產(chǎn)量顯著低于N120相對(duì)于N0和N240相對(duì)于N120的增產(chǎn)幅度，表明施氮量從240 kg/hm2提高到360 kg/hm2，產(chǎn)量增幅開(kāi)始降低。N480相對(duì)于N360的增產(chǎn)量為負(fù)值，表明當(dāng)?shù)视昧刻岣咧?80 kg/hm2時(shí)，降低了小麥產(chǎn)量。2017—2018年施氮量范圍縮小為 0～360 kg/hm2，氮肥梯度減為 60 kg/hm2小麥產(chǎn)量隨施氮量的增加也呈提高趨勢(shì)，但N240、N300、N360處理間產(chǎn)量差異不顯著，且N300相對(duì)于N240、N360相對(duì)于N300的產(chǎn)量增幅顯著低于N240相對(duì)于N180的產(chǎn)量增幅。表明施氮量從240 kg/hm2增加到360 kg/hm2對(duì)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量的提高作用不顯著。2018—2019年施氮范圍進(jìn)一步縮小至0～270 kg/hm2，氮肥梯度減為30 kg/hm2，在N270處理的小麥產(chǎn)量顯著高于N0、N180及N210處理，與N240處理差異不顯著。與N210相對(duì)于N180的增產(chǎn)幅度相比，N240相對(duì)于N210的增產(chǎn)幅度沒(méi)有顯著降低，而N270相對(duì)于N240的增產(chǎn)幅度顯著降低，表明N240處理是強(qiáng)筋小麥適宜的施氮量。

表3 2016—2019年施氮量對(duì)不同品種小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3Yield andyield components of wheat cultivars under different Napplication rates from 2016 to 2019

續(xù)表 3 Table 3 continued

續(xù)表 3 Table 3 continued

圖2 2016—2019年氮肥梯度引起的小麥產(chǎn)量差值Fig. 2 Yield difference caused by nitrogen fertilizer gradients from 2016 to 2019

同一施氮量下，不同小麥品種產(chǎn)量不同。N210、N240、N270處理間產(chǎn)量差異不顯著，平均為9284.5 kg/hm2，較N0顯著提高11.9%，其中石優(yōu)20產(chǎn)量最高。第1年度3個(gè)品種產(chǎn)量均在N480處理降低，較N360處理平均降低3.0%；第2年度N240和N300處理間，3個(gè)品種產(chǎn)量差異均不顯著；第3年在施氮量240～270 kg/hm2范圍內(nèi)，3個(gè)品種的平均增產(chǎn)幅度由3.4% (N210相對(duì)于N180的產(chǎn)量增幅)降至0.9%(N270相對(duì)于N240的產(chǎn)量增幅)，表明施氮量超過(guò)240 kg/hm2后，三個(gè)品種的氮肥增產(chǎn)效應(yīng)均顯著降低。

施用氮肥可顯著提高強(qiáng)筋小麥成穗數(shù)，與產(chǎn)量變化趨勢(shì)基本一致(表3)。2016—2019年分別表現(xiàn)為 N480、N360與 N240，N360、N300與 N240，N270、N240與N210之間單位面積穗數(shù)差異不顯著。氮肥梯度為120、60、30 kg/hm2時(shí)，穗數(shù)平均增加 24×104、16.5×104、21×104/hm2。其中第 1年由 N120增加到 N240、第2年由N180增加到N240、第3年由N180增加到N210，對(duì)單位面積穗數(shù)的提高幅度為同年度最高，分別為2.6%、3.8%、6.4%。師欒02-1成穗數(shù)顯著高于藁優(yōu)2018 與石優(yōu) 20，分別高 3.4×104、3.1×104/hm2。

3個(gè)年度試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥穗粒數(shù)隨著施氮量的增加而增加，各施氮處理顯著高于不施氮處理，表明施用氮肥能增加總結(jié)實(shí)粒數(shù)，擴(kuò)大小麥籽粒庫(kù)容量 (圖 3)。第 1年 N240與 N360、第 2年 N240與N300的穗粒數(shù)差異均不顯著，第3年N240穗粒數(shù)則顯著低于N270處理，顯著高于N210。在施氮梯度分別為 120、60、30 kg/hm2條件下，施氮量 240 kg/hm2處理的穗粒數(shù)均顯著高于同年度低一個(gè)施氮梯度的處理，即2016—2017年 N240相對(duì)N120、2017—2018年N240相對(duì)N180、2018—2019年N240相對(duì)N210增幅分別為2.8%、3.6%、2.7%。石優(yōu)20穗粒數(shù)顯著高于師欒02-1和藁優(yōu)2018，后兩者年際間差異變化較大。

圖3 2016—2019年單位面積粒數(shù)與千粒重對(duì)施氮處理的響應(yīng)Fig. 3 Response of grain number and 1000-grain weight to nitrogen application rate from 2016 to 2019

與不施肥相比，施氮顯著降低籽粒千粒重。第1年在施氮量0～480 kg/hm2范圍內(nèi)，施氮量每增加120 kg/hm2，千粒重平均降低2.92%；第2年在施氮量 180～360 kg/hm2范圍內(nèi)，施氮量每增加 60 kg/hm2，千粒重平均降低1.6%；第3年在施氮量180～270 kg/hm2范圍內(nèi)，施氮量每增加30 kg/hm2，千粒重平均降低1.2%。藁優(yōu)2018千粒重顯著高于師欒02-1，平均高3.6 g；與石優(yōu)20差異不顯著。

綜上可得，小麥產(chǎn)量的提高主要是由于單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)的增加，也就是增加了單位面積的粒數(shù)。因此，可將產(chǎn)量構(gòu)成簡(jiǎn)化為兩個(gè)部分，即單位面積粒數(shù)和千粒重。將單位面積粒數(shù)與千粒重對(duì)施氮量做擬合方程表明，單位面積粒數(shù)與千粒重的相交點(diǎn)均在施氮量210～240 kg/hm2附近，結(jié)合實(shí)測(cè)值與方差分析結(jié)果得出，單位面積粒數(shù)與千粒重施氮240與210 kg/hm2處理間差異不顯著。

2.1.2 對(duì)小麥氮肥農(nóng)學(xué)效率的影響 圖4表明，隨著施氮量增加，2016—2017年度，氮肥農(nóng)學(xué)效率逐漸降低，N480處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著低于其他處理；2017—2018年度，氮肥農(nóng)學(xué)效率先升后降，以N240處理最高，顯著高于N180和N360處理，與N300差異不顯著；2018—2019年度，N240處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率最高，顯著高于N180，但與N210和N270差異不顯著。因此，通過(guò)逐步縮小施氮梯度優(yōu)化施氮量，可確定強(qiáng)筋小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的最佳施肥范圍。

圖4 2016—2019年不同處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率Fig. 4 Agronomic efficiency of nitrogen fertilizers as affected by N treatments from 2016 to 2019

3個(gè)品種相比，第一年和第三年石優(yōu)20的氮肥農(nóng)學(xué)效率為最高，第二年師欒02-1最高，但各處理間差異不顯著。因此，綜合比較可得出，3個(gè)強(qiáng)筋品種的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率無(wú)顯著差別。

2.1.3 小麥產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)效率對(duì)施氮量的響應(yīng) 將小麥產(chǎn)量與氮肥農(nóng)學(xué)利用率對(duì)施氮量的響應(yīng)做擬合方程(圖5)表明，不同年度兩者的相交點(diǎn)均在施氮量240 kg/hm2附近，結(jié)合實(shí)測(cè)值與方差分析結(jié)果得出，小麥產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)效率施氮240與210 kg/hm2處理間差異不顯著。因此，施氮210～240 kg/hm2即可滿足產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的協(xié)同穩(wěn)定。

圖5 2016 —2019年產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)效率對(duì)施氮處理的響應(yīng)Fig. 5 Response of yield and nitrogen agronomic efficiency to nitrogen application from 2016 to 2019

2.2 逐步減少施氮量及施氮梯度對(duì)強(qiáng)筋小麥籽粒品質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)強(qiáng)筋小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響 方差分析結(jié)果(表4)表明，各品質(zhì)指標(biāo)在年度間、品種間以及施氮量間均存在顯著差異，且年度×氮肥、年度×品種對(duì)容重、沉淀值均有顯著影響，年度×氮肥、年度×品種、氮肥×品種及年度×氮肥×品種三因素互作對(duì)籽粒硬度、濕面筋含量、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、面包體積影響顯著，兩因素和三因素的交互作用對(duì)蛋白質(zhì)含量均無(wú)顯著影響。

表4 2016—2019年強(qiáng)筋小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)的方差分析Table 4 Analysis of variance on quality indicators of strong gluten wheat grain in the 2016—2019

由圖6可知，不同年度施用氮肥均可顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量，隨施氮量增加，籽粒蛋白質(zhì)含量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中，第1年施用氮素480和360 kg/hm2處理的蛋白質(zhì)含量差異不顯著，均顯著高于其他處理；第2年，施用氮素360和300 kg/hm2處理的蛋白質(zhì)含量差異不顯著，均顯著高于其他處理；第3年度的4個(gè)施氮處理間蛋白質(zhì)含量差異不顯著，均顯著高于不施氮處理。

圖6 2016—2019年施氮處理對(duì)籽粒蛋白質(zhì)含量的影響Fig. 6 Effects of nitrogen treatments on grain protein content from 2016 to 2019

分析氮肥施用梯度的影響可得出，隨著施氮量增加，相同施氮梯度對(duì)蛋白質(zhì)的提升效應(yīng)逐漸降低。其中，2016—2017年，相鄰兩個(gè)施氮梯度之間的蛋白質(zhì)含量變幅差異不顯著，但總體顯著降低，即施氮量由 360 kg/hm2增加到 480 kg/hm2時(shí)的蛋白質(zhì)增加百分點(diǎn)，較施氮量由0 kg/hm2增加到120 kg/hm2時(shí)的蛋白質(zhì)增加百分點(diǎn)降低約1個(gè)單位；2017—2018年度變化規(guī)律與2016—2017年度相似，在180～360 kg/hm2施氮量范圍內(nèi)，每提高60 kg/hm2施氮量，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量分別提高0.66、0.45、0.21個(gè)百分點(diǎn)，增幅平均減緩約0.25個(gè)百分點(diǎn)。2018—2019年度在180～270 kg/hm2施氮量范圍內(nèi)，每提高30 kg/hm2施氮量，籽粒蛋白質(zhì)含量平均提高0.3個(gè)百分點(diǎn)。綜上表明，施用180 kg/hm2以上氮肥即可使小麥籽粒蛋白質(zhì)含量符合國(guó)家強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)(≥14%)。

圖7表明，各品種蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為師欒02-1顯著高于藁優(yōu)2018和石優(yōu)20，3個(gè)年度師欒02-1、藁優(yōu)2018、石優(yōu)20蛋白質(zhì)含量平均分別為15.27%、14.37%、13.58%；后兩者蛋白質(zhì)含量年度間變化略有差異，2016—2017和2017—2018年藁優(yōu)2018顯著高于石優(yōu)20，2018—2019年兩者差異不顯著。

圖7 2016—2019年不同品種蛋白質(zhì)含量比較Fig. 7 Comparison of grain protein content among different cultivars from 2016 to 2019

圖8表明，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與千粒重呈顯著負(fù)相關(guān)，千粒重<40 g時(shí)，籽粒蛋白質(zhì)含量基本符合強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合圖3、圖5可得出，小麥產(chǎn)量與氮肥農(nóng)學(xué)效率均較高的施氮量處理下，小麥千粒重在37～40 g范圍內(nèi)。因此，可在一定程度上通過(guò)適量增加施氮量，控制籽粒千粒重，在穩(wěn)定產(chǎn)量的同時(shí)，提高蛋白質(zhì)含量。

圖8 籽粒蛋白質(zhì)含量與千粒重的關(guān)系Fig. 8 Relationship between grain protein content and 1000-grain weight

2.2.2 對(duì)強(qiáng)筋小麥籽粒加工品質(zhì)的影響 由表5可知，不同的品質(zhì)指標(biāo)隨施氮量增加變化趨勢(shì)不完全相同。容重隨施氮量增加呈降低趨勢(shì)，其中N240處理顯著高于N270處理，與N210處理差異不顯著；施氮量超過(guò)300 kg/hm2后，容重降幅差異不顯著。籽粒硬度在施氮量0～270 kg/hm2范圍內(nèi)顯著增加，在施氮量300～480 kg/hm2范圍內(nèi)顯著降低，N240與N270之間差異不顯著。沉淀值隨施氮量增加逐漸提高，N210、N240、N2703個(gè)處理之間差異不顯著，超過(guò)300 kg/hm2的各施氮處理間差異也不顯著。濕面筋含量隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，N240和N270之間差異不顯著，超過(guò)300 kg/hm2濕面筋含量變化不顯著。增施氮肥可以一定程度上提高吸水率，超過(guò)210 kg/hm2施氮量后，各施氮處理對(duì)吸水率影響不顯著，表明與其他品質(zhì)指標(biāo)相比，氮肥對(duì)吸水率的調(diào)控效應(yīng)較小。在施氮量0～360 kg/hm2范圍內(nèi)，增施氮肥可以顯著提高面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間，各施氮處理間差異達(dá)到顯著水平，施氮量超過(guò)360 kg/hm2后，面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間增幅不顯著。面包體積隨施氮量增加逐漸增加，不同施氮處理年度間表現(xiàn)略有不同，施氮量超過(guò)300 kg/hm2后對(duì)面包體積影響變小，N240處理與N210、N270處理差異不顯著，但后兩者差異顯著。

表5 2016—2019年施氮量對(duì)不同小麥品種籽粒加工品質(zhì)的影響Table 5 Effects of N application rate on processing quality of grain of different wheat cultivars from 2016 to 2019

師欒02-1加工品質(zhì)優(yōu)于藁優(yōu)2018和石優(yōu)20，大部分指標(biāo)均達(dá)到顯著差異水平。其中，其面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間較藁優(yōu)2018和石優(yōu)20平均長(zhǎng)5.9、14.6 min，因此，生產(chǎn)中優(yōu)先選用師欒02-1作為優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥。比較氮肥對(duì)3個(gè)強(qiáng)筋小麥品種品質(zhì)指標(biāo)影響的變異系數(shù)(表6)可得出，沉淀值、濕面筋含量和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間受氮肥影響的變異系數(shù)均高于10%，表明其更易受氮肥調(diào)控，其他指標(biāo)則對(duì)氮肥的敏感程度較低，氮肥調(diào)控效應(yīng)相對(duì)較小。

表6 不同小麥品種籽粒品質(zhì)指標(biāo)的氮肥處理變異系數(shù)(%)Table 6 Coefficient of variance of quality index of different wheat cultivars grain in response to N treatments

3 討論

3.1 減少氮肥用量對(duì)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)效率的影響

增施氮肥可促進(jìn)小麥吸收氮素，提高產(chǎn)量，但當(dāng)?shù)视昧窟_(dá)到一定水平時(shí)，再增施氮肥，產(chǎn)量降低[17]。侯麗麗等[18]研究表明，籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加逐漸提高，至270 kg/hm2時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增施氮肥至360 kg/hm2時(shí)，籽粒產(chǎn)量開(kāi)始下降。品種、種植條件和土壤條件不同，合理的施氮量也有所差異[19]。本研究通過(guò)逐步縮小施氮量梯度、降低施氮量試驗(yàn)結(jié)果表明，在0～360 kg/hm2施氮范圍內(nèi)，強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量逐步提高，超過(guò)360 kg/hm2產(chǎn)量則開(kāi)始降低。隨著施氮量增加，相同施氮量梯度產(chǎn)生的增產(chǎn)效應(yīng)顯著降低，小麥產(chǎn)量在210～270 kg/hm2施氮范圍內(nèi)處理間差異不顯著，表明適當(dāng)減施氮肥不僅不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降，反而能獲得較高的產(chǎn)量。因此，過(guò)量施氮并不能促進(jìn)增產(chǎn)，而適宜的氮肥施用量可以在降低氮肥投入的同時(shí)保證產(chǎn)量的穩(wěn)定。

不同施氮處理群體的產(chǎn)量構(gòu)成因子中，變異系數(shù)以單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)的較大，千粒重的較小[20]。蔡金華等[21]以強(qiáng)筋品種鎮(zhèn)麥168為材料研究表明，施氮240、300、360 kg/hm2處理對(duì)穗粒數(shù)和千粒重的影響均未達(dá)到顯著水平，施氮300 kg/hm2即可保證足夠單位面積穗數(shù)。張耀蘭等[22]研究認(rèn)為，0～360 kg/hm2范圍內(nèi)，單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)隨施氮量的加大均呈增加趨勢(shì)，千粒重隨施氮量增大呈下降趨勢(shì)。施氮量超過(guò)450 kg/hm2，單位面積穗數(shù)增加，但穗粒數(shù)和千粒重降低，最終不利于產(chǎn)量增加[23]。本試驗(yàn)條件下，施氮量210～270 kg/hm2范圍內(nèi)各處理的千粒重、單位面積穗數(shù)無(wú)顯著差異，穗粒數(shù)在270 kg/hm2處理最高，顯著高于其他施氮處理。不同強(qiáng)筋品種獲得高產(chǎn)的適宜施氮量多在120～300 kg/hm2范圍內(nèi)[24]，由于試驗(yàn)土壤條件和小麥品種的差異，本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究不完全相同，不同施氮處理下，石優(yōu)20均表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，總的來(lái)說(shuō)，在河北省藁優(yōu)2018施氮270 kg/hm2，師欒02-1和石優(yōu)20施氮210或240 kg/hm2能夠保證較高產(chǎn)量。不考慮品種差異，3年試驗(yàn)，同一施氮量240 kg/hm2處理3年份間的平均產(chǎn)量差異為1215 kg/hm2，2017—2018年度播種期間降雨偏多，影響播種，且生長(zhǎng)后期出現(xiàn)連綿陰雨及干熱風(fēng)天氣，影響灌漿，使小麥產(chǎn)量受到影響，整體較常年明顯偏低。

前人研究表明，180 kg/hm2施氮量既滿足小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的需求，還可有效提高氮肥農(nóng)學(xué)利用效率[25]，增施氮肥使氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著下降[26]。本研究縮小施氮梯度、減小施氮量試驗(yàn)結(jié)果表明，施氮量增加，氮肥農(nóng)學(xué)效率呈先增后降的變化趨勢(shì)，施用氮素240 kg/hm2的氮肥農(nóng)學(xué)效率最高，與施氮210和270 kg/hm2之間差異不顯著。因此，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和小麥品種確定適宜的施氮量，既能保證一定產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，還能確保較高的氮肥農(nóng)學(xué)利用率，從而達(dá)到提質(zhì)增效的目的。

綜合分析本研究品種、產(chǎn)量和氮肥效率測(cè)定結(jié)果認(rèn)為，選用藁優(yōu)2018可施用氮肥270 kg/hm2或者選用師欒02-1或石優(yōu)20施用210～240 kg/hm2氮肥，可獲得較高的產(chǎn)量。

3.2 減少氮肥用量對(duì)強(qiáng)筋小麥品質(zhì)的影響

3.2.1 對(duì)籽粒蛋白質(zhì)含量的影響 張耀蘭等[22]、曹承富等[27]研究認(rèn)為，施氮量在0～300 kg/hm2范圍內(nèi)，氮素與強(qiáng)筋品種的蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，增施氮肥能顯著提高沉淀值、增加面筋含量，但施氮量達(dá)到225 kg/hm2后，氮素的調(diào)節(jié)效應(yīng)減弱。另有研究表明，稻茬麥(水茬麥)和旱茬麥分別在施氮量為360和240、360 kg/hm2時(shí)蛋白質(zhì)含量可達(dá)到強(qiáng)筋小麥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[28]。本研究逐步減小施氮梯度和施氮量，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著施氮量增加，相同的施氮梯度對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的提升作用逐漸減小，施氮量高于180 kg/hm2時(shí)蛋白質(zhì)含量即可達(dá)到強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，施氮量超過(guò)240 kg/hm2時(shí)籽粒蛋白質(zhì)含量增加幅度降低。本研究結(jié)果與前人研究略有不同，可能與供試品種、地域生態(tài)環(huán)境及土壤肥力等因素有關(guān)。

3.2.2 對(duì)籽粒主要加工品質(zhì)的影響 有研究表明，施氮量在66～394 kg/hm2范圍內(nèi)，籽粒容重與施氮量呈二次曲線關(guān)系[29]。趙會(huì)杰等[30]、林琪等[31]則認(rèn)為，強(qiáng)筋小麥在施氮0～300 kg/hm2情況下，適當(dāng)增加氮肥用量可明顯改善小麥的加工品質(zhì)，提高容重、沉淀值、濕面筋含量、吸水率和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間。沉淀值在施氮量225 kg/hm2水平下最大，氮肥用量升至450 kg/hm2時(shí)降低[18]。施氮對(duì)各項(xiàng)加工品質(zhì)指標(biāo)影響不一致，吸水率受施氮量影響最小，面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間受施氮量影響較大，在施氮量0～300 kg/hm2范圍內(nèi)，沉淀值隨施氮水平的提高而增加，面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和面包體積則在225 kg/hm2施氮水平下最高，施氮量繼續(xù)增加，則呈下降趨勢(shì)或趨于穩(wěn)定[24]。也有研究[32]表明，在施氮量180～240 kg/hm2范圍內(nèi)，增加施氮量對(duì)吸水率和濕面筋含量無(wú)顯著影響，面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和面包體積呈先增后降的變化趨勢(shì)。不同品質(zhì)指標(biāo)對(duì)施氮量的反應(yīng)有差異，蛋白質(zhì)含量和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間在施氮120～180 kg/hm2條件下能符合強(qiáng)筋品種品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而濕面筋含量則需要更高施氮量才能達(dá)到較高水平[33]。本研究表明，小麥不同的品質(zhì)指標(biāo)隨施氮量增加變化趨勢(shì)不同。容重、硬度在施氮量240～270 kg/hm2時(shí)較高，施氮量超過(guò)300 kg/hm2則顯著降低；沉降值、濕面筋含量均隨施氮量增加逐漸提高，在施氮量240～270 kg/hm2達(dá)到最高値，超過(guò)300 kg/hm2施氮量后，增幅不顯著；0～360 kg/hm2施氮范圍內(nèi)，氮肥顯著提高小麥面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間，各氮肥處理下的3個(gè)品種面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均達(dá)到國(guó)家強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)(10 min)，結(jié)合3年產(chǎn)量分析，藁優(yōu)2018施用氮肥270 kg/hm2，師欒02-1及石優(yōu)20施用210～240 kg/hm2氮肥可達(dá)到較合適的面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間；面包體積隨施氮量增加逐漸提高，在施氮量 240～270 kg/hm2時(shí)達(dá)到最高値，超過(guò) 300 kg/hm2施氮量后則降低，一般優(yōu)質(zhì)小麥面包體積應(yīng)不低于740 mL，第一年度藁優(yōu)2018的面包體積在所有施氮處理下均未達(dá)標(biāo)，且施氮240、360、480 kg/hm2處理間差異不顯著，第二、第三年度在施氮210 kg/hm2以上各品種面包體積均達(dá)標(biāo)。不施氮肥時(shí)3個(gè)品種的濕面筋含量均未達(dá)到國(guó)家強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)(32%)，當(dāng)施氮量增加到120 kg/hm2時(shí)，師欒02-1濕面筋含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，施氮量繼續(xù)增加到240 kg/hm2，藁優(yōu)2018和石優(yōu)20濕面筋含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?？傮w表明，施用210～270 kg/hm2氮肥可保證強(qiáng)筋小麥主要品質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，品種之間略有差異。

3.3 減少氮肥用量對(duì)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量品質(zhì)協(xié)同提升效應(yīng)

同一品種在不同栽培條件下品質(zhì)性狀存在差異，且不同品質(zhì)性狀差異程度不一致，因此通過(guò)對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成和有關(guān)品質(zhì)性狀作相關(guān)分析，可探明產(chǎn)量與品質(zhì)協(xié)調(diào)與否。有研究表明，千粒重與產(chǎn)量關(guān)系密切程度最高[34]，千粒重與蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[35]，本試驗(yàn)也得出了相同的結(jié)果。爭(zhēng)取各品種適宜單位面積穗數(shù)、粒數(shù)的同時(shí)，協(xié)調(diào)好千粒重與蛋白質(zhì)含量的關(guān)系，既利于減小單位面積穗數(shù)對(duì)千粒重的負(fù)效應(yīng)，又利于獲得較高的籽粒蛋白質(zhì)含量，使優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)達(dá)到較高水平的統(tǒng)一。增加施氮量能夠改善強(qiáng)筋小麥的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)，在施氮水平較低時(shí)，產(chǎn)量和品質(zhì)均隨施氮量的增加而提高，進(jìn)一步增施氮肥，改善的幅度降低，甚至對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，但品質(zhì)還有提高可能[36]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，師欒02-1品質(zhì)指標(biāo)顯著優(yōu)于藁優(yōu)2018和石優(yōu)20。藁優(yōu)2018、師欒02-1和石優(yōu)20實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的適宜施氮范圍依次是240～270、210～240和210～240 kg/hm2。

氮肥減量施用技術(shù)雖然在保證作物高產(chǎn)和兼顧環(huán)境友好方面取得了一定的進(jìn)展，但長(zhǎng)期減量條件下，農(nóng)作物產(chǎn)量是否穩(wěn)定還需進(jìn)一步的研究。此外，目前的相關(guān)研究多局限于小地塊范圍，尚缺乏大范圍層面的研究，因此，未來(lái)需要在宏觀區(qū)域內(nèi)結(jié)合自然環(huán)境和生產(chǎn)條件，綜合分析區(qū)域內(nèi)小麥生產(chǎn)變化和特征，以更準(zhǔn)確評(píng)估減量施氮的相關(guān)影響。

4 結(jié)論

綜合考慮小麥產(chǎn)量、氮素利用率、籽粒品質(zhì)協(xié)同提高，證明強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量和品質(zhì)并非施氮越多越好，過(guò)量施氮可能引起產(chǎn)量降低或品質(zhì)變差。本研究表明在河北省種植藁優(yōu)2018施氮270 kg/hm2，師欒02-1和石優(yōu)20施氮210～240 kg/hm2，即能夠滿足該品種產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同改善的需求，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)筋小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)。