微喷灌下不同氮肥基追比对冬小麦产量和品质的影响

2022-09-22姚春生卢崇靖王志敏张英华

中国农业大学学报 2022年10期

姚春生卢崇靖孙婉刘洋张震王志敏张英华

(中国农业大学农学院，北京 100193)

氮肥是影响作物生产的关键因素，对小麦产量和品质的形成具有极其重要的作用[1]。在世界范围内小麦的氮肥利用率约为33%[2]，不合理的氮肥施用造成了资源的极大浪费并导致了诸多的环境问题[3-5]。因此，合理的氮肥运筹对于小麦增产提质和高效绿色生产具有重要意义。

氮肥运筹包括施氮量、施氮次数、基追比例、追氮时期和施氮形式等管理措施，长期以来国内外学者做了很多的研究工作[6-9]。研究发现，将一部分基肥后移至拔节期前后施用，可以延缓叶片衰老，提高粒重，增加花后干物质积累，进而显著提升小麦产量和品质[10-15]。在氮肥后移比例上，常规灌溉施肥条件下因供试品种类型、地力水平和生产环境的差异，得到了不同的结论。石玉等[16]研究表明，在山东省基追比为1∶2时可以兼顾小麦产量和品质。刘万代等[17]研究认为河南省内种植的多穗型品种基追比为5∶5 或3∶7时产量高，品质也有所改善，大穗型品种则以基追比7∶3较好。李东方等[18]则认为，河南省强筋小麦氮肥基追比3∶7时产量与品质均较好，弱筋小麦基追比5∶5时较好。多数的研究认为基肥占比50%时小麦产量和品质均较好[19-20]。

20世纪80年代以来，微喷灌作为新兴农业灌溉方式，应用越来越广泛[21]。有关微喷灌对冬小麦产量和水分利用影响的研究已有很多报道，但是有关微喷水肥一体化下冬小麦氮肥施用策略及其对小麦品质影响的研究报道相对较少。本研究在施氮总量为210 kg/hm2条件下考察氮肥基追比不同对中筋和强筋冬小麦产量及品质形成等特征指标，旨在探明微喷水肥一体化条件下不同的氮肥运筹对不同筋型冬小麦产量和品质的调控效应，以期为华北平原优质小麦的生产和微喷水肥一体化合理氮肥运筹提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年在河北省沧州市吴桥县中国农业大学吴桥实验站(37°41′02″ N、116°37′23″ E)进行。试验地点位于海河平原的黑龙港地区中部，海拔20 m，地下水位7～9 m，历年平均降水量562 mm，主要分布在6—8月，2014—2019年冬小麦生育期平均降水量120 mm/年。2018—2019和2019—2020年冬小麦季有效降雨量分别为62.3 和174.3 mm，具体的降雨分布和气温，见图1。试验地前茬为夏玉米，土壤为壤质底黏潮土。0～40 cm土壤有机质含量为12.3 g/kg，全氮含量1.01 mg/kg，速效钾106.2 mg/kg，速效磷30.1 mg/kg。灌溉用井水，井深20 m，井距试验地100 m。

图1 2018—2020年冬小麦生长季降雨分布和温度变化Fig.1 Precipitation and temperature during the 2018-2020 growing season of winter wheat

1.2 试验方法

供试小麦材料为强筋品种‘藁优2018’(‘GY 2018’)和中筋品种‘济麦22’(‘JM 22’)，分别于2018-10-14和2019-10-20播种，播种行距为15 cm。‘藁优2018’2年的基本苗分别为597.0万和664.5万株/hm2，‘济麦22’ 2年的基本苗分别为634.5万和679.0万株/hm2。春季采用山东农业大学研发的小麦专用微喷带[22]进行灌水，微喷带水压为0.02 MPa，每6行小麦铺设一根微喷带，带长 30 m，出水量6.0 m3/h，微喷射角80 °。灌水和追氮时期为拔节期、孕穗期、开花期和灌浆中期，每次灌水量为300 m3/hm2。施纯氮(尿素，N含量46%)总量为210 kg/hm2，设置3个氮肥基追比处理，分别为3∶7(B1)、5∶5(B2)和7∶3(B3)，播前底施纯磷(过磷酸钙，P2O5含量为12%)120 kg/hm2、纯钾(硫酸钾，K2O含量为50%)90 kg/hm2，生育过程中不再追施磷、钾肥。所有处理追施氮肥均采用水肥一体化，即每次灌水将1/4的追施氮肥溶解于施肥器中注入灌水管道。采用裂区试验设计，小麦品种为主区，不同氮肥基追比处理为副区。小区面积为120 m2，3次重复。‘藁优2018’分别于2019-06-08和2020-06-08收获，‘济麦22’分别于2019-06-11和2020-06-12收获。

1.3 测定项目

1.3.1产量及产量构成

在收获前，每重复选取1 m×6行样段考察穗数，随机选取60个穗考察穗粒数。收获期每个小区选取3 m2测量实际产量，籽粒含水量按13%折算，从每个样品随机选取1 000粒测量千粒重，3次重复。

1.3.2群体干物质积累

于开花期和成熟期选取0.5 m×2行具有代表性的样段，按照茎、叶、穗分离样品。105 ℃杀青30 min后转入75 ℃烘干至恒重，称重记录。群体干物质积累相关计算公式如下：

花后干物质积累量=成熟期干物质量-开花期干物质积累量收获指数=成熟期籽粒生物量/地上部总生物量

1.3.3群体氮素积累

植株全氮含量采用半微量凯氏定氮法[23]测定。群体氮素积累与转运相关计算公式如下：

群体氮素积累量=群体干物质积累量×氮素含量
开花后氮素积累量=
成熟期氮素积累量-开花期氮素积累量
营养器官氮素转移量=开花期营养器官
氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量
营养器官氮素转移率=花前营养器官氮素
转移量/开花期营养器官氮素积累量×100%
氮素收获指数=成熟期籽粒氮素积累量/
地上部氮素总积累量
氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量
单粒占有的花后吸氮量=开花后氮素积累量/

(穗数×穗粒数)×100

1.3.4籽粒品质

取籽粒样品2 000 g，利用瑞士Buhler公司生产的MLU202型实验磨研磨成粉，瑞士Perten公司生产的2200型面筋仪测定湿面筋含量，用德国Brabender公司生产的810106002型粉质仪测定粉质参数，湿面筋含量检验依据：GB/T 5506.2—2008《仪器法测定湿面筋》[24]、面筋指数检验依据LS/T 6102—1995《小麦粉湿面筋质量测定方法面筋指数法》[25]、面团吸水率、面团形成时间、面团稳定时间检验依据GB/T 14614—2019《粮油检验小麦粉面团流变学特性测试粉质仪法》[26]、沉降值检验依据GB/T 15685—2011《粮油检验小麦沉淀指数测定 SDS法》[27]。面粉蛋白质含量采取半微量凯氏定氮法测定，蛋白质转换系数为5.7。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件对试验数据进行处理和作图，用SPSS 20.0统计分析软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 氮肥基追比对不同筋型冬小麦产量及产量构成的影响

由表1可知，强筋小麦‘藁优2018’(‘GY 2018’)和中筋小麦‘济麦22’(‘JM 22’)均以B2(基追比为5∶5)处理产量最高，且B2处理均显著高于B1(基追比为3∶7)和B3(基追比为7∶3)处理。B1显著降低2个品种的穗数，而B2和B3处理间穗数差异不显著。2个品种穗粒数在各处理间差异不显著。随着追氮比例的增加，2个品种千粒重呈增加趋势，B1处理千粒重显著高于B3处理。从2年数据来看，相较于B3，B1处理显著降低了2个品种冬小麦的穗数，但显著增加了籽粒的千粒重；而B2处理穗数和千粒重较为协调，在保证穗数的前提下增加了千粒重，因而产量最高。

表1 不同氮肥基追比处理的2个冬小麦品种的产量及产量构成Table 1 Yield and yield composition of two winter wheat varieties treated withdifferent nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.2 氮肥基追比对2种筋型冬小麦干物质积累和收获指数的影响

由表2可知，随着追氮比例的增加，2个品种开花期干物质积累有减少的趋势，B1处理显著低于B3处理，B2与B3处理差异不显著；花后和成熟期干物质积累以及收获指数均随着基肥比例增加而先升高后降低，在B2处理下达到最大值。综合2年数据来看，3个基追比处理间，B1处理显著降低了开花期的干物质积累，B3处理显著降低了花后的干物质积累，而B2处理开花期和花后干物质积累量均高于B1和B2处理，因而B2处理成熟期获得了最高的干物质积累和收获指数。

表2 不同氮肥基追比处理的2个冬小麦品种的干物质积累和收获指数Table 2 Dry matter accumulation and harvest index of two winter wheat varieties treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.3 氮肥基追比对2种筋型冬小麦氮素积累和利用的影响

2.3.1籽粒氮素积累

由图2可知，2个品种2年籽粒氮素积累量均表现为随着追氮比例增加而先增加后降低，在B2处理达到最大值，B2处理显著高于B3处理。强筋品种‘藁优2018’在2年中B1与B2处理差异均不显著，2019—2020年中筋品种‘济麦22’也有相似的规律。综上，2个品种在B2处理下均能够实现不同年型下最高的籽粒氮素积累量；B2处理下‘济麦22’籽粒氮素积累量显著高于‘藁优2018’(P<0.05)，主要由于‘济麦22’的籽粒产量显著高于‘藁优2018’。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。The lowcase letter indicates significant difference (P<0.05). The same below.

2.3.2群体氮素总积累和阶段积累

由图3可知，2年中，2个品种成熟期植株氮素总积累均表现为，随着基肥比例的增加先升高后降低，均以B2处理最高；2个品种开花前植株氮素积累量均表现为随着追氮比例的增加而降低，以B3处理最高，2018—2019年B3与B2无显著差异，2019—2020年B3显著高于B2。2个品种开花后植株氮素积累量则随着追氮比例的增加而增加，B1与B2处理无显著差异，但均显著高于B3处理。由此可见，增加氮肥基施比例，有利于2个品种开花前的氮素积累，而增加追氮比例则有利于植株花后氮素的积累，而B2处理花前氮素积累和花后氮素积累都较高，因而成熟期获得了最高的氮素积累量。

图3 不同氮肥基追比处理的2个品种冬小麦的群体氮素总积累和阶段积累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单粒占有的花后吸氮量

由图4可知，2个品种2年的B1处理单粒占有的花后吸氮量均为最高，B3处理均为最低，且B1均显著高于B3处理，且B1处理花后吸氮量均显著高于B3处理，而B1处理的穗数显著低于B3处理，B3处理单粒占有的花后吸氮量均显著低于其他2个处理。这也说明增加生育后期的氮素供应显著提高单个籽粒的花后吸氮量，这是籽粒蛋白质含量提高的重要原因。

图4 不同氮肥基追比处理的2个品种冬小麦的籽粒花后吸氮量Fig.4 Post-anthesis grain N uptake of two varieties of winter wheat treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.3.4氮素转运及氮素利用

由表3可知，2018—2019年，2个品种花前营养器官氮素转移率在不同氮肥基追比处理间差异不显著；2019—2020年，随着追氮比例的增加花前营养器官氮素转移率(PNTR)有降低的趋势，且B3处理显著高于B1和B2处理。综合2年数据来看，增加追氮比例显著降低了花前营养器官氮素转移率。花后氮素积累对籽粒氮的贡献率(NPCT)、氮素收获指数(NHI)在不同氮肥基追比处理下表现出相似的变化趋势，即随着追氮比例的增加而增加的趋势，且B3处理显著低于B1处理。2个品种氮肥偏生产力(PFP)随着追氮比例的增加先升高后降低，以B2处理最高，显著高于B1和B3处理。总的来说，适当增加追氮比例，显著增加了花后氮素吸收对籽粒氮素积累的贡献率，提高了氮素收获指数和氮肥偏生产力。

表3 不同氮肥基追比处理的2个冬小麦品种的氮素利用Table 3 Nitrogen utilization of two winter wheat varieties treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.4 氮肥基追比对2种筋型冬小麦籽粒品质的影响

2.4.1面粉品质

由表4可知，在不同氮肥基追比处理下，随着追氮比例的增加，2个品种的面粉湿面筋含量(WGC)、沉降值(SV)和蛋白质含量(GPC)有增加的趋势，B1处理均显著高于B2和B3处理。面筋指数(GI)表现出相反的规律，即随着追氮比例的增加，面筋指数有降低的趋势。由此可见，增加追氮比例可以增加籽粒蛋白质含量，但是也有降低面筋质量的危险。2个品种间比较，‘藁优2018’籽粒蛋白质含量相比‘济麦22’优势并不突出，但是面筋指数和沉降值显著高于‘济麦22’(P<0.05)。

表4 不同氮肥基追比处理的2个冬小麦品种的面粉品质Table 4 Flour quality of two winter wheat varieties treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.4.2面团品质

由表5可知，增加追氮比例提高了2个品种的面团吸水率(WA)和粉质指数(FQN)，2018—2019年B1处理显著高于B2和B3处理。随着追氮比例的增加，强筋小麦‘藁优2018’的面团稳定时间(ST)显著增加，以B1处理最高，显著高于B2和B3处理。‘济麦22’由于面团形成时间(DT)和稳定时间过短，处理间差异不显著。总的来说，在不同氮肥基追比处理下，B1处理面团品质最好，吸水率和面团稳定时间显著高于其他处理。品种间比较，‘藁优2018’的面团形成时间、稳定时间和粉质指数显著高于‘济麦22’(P<0.05)，加工品质也优于‘济麦22’。

表5 不同氮肥基追比处理的2个冬小麦品种的面团品质Table 5 Dough quality of two winter wheat varieties treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

3 讨论

施氮时期和追氮比例对冬小麦产量和品质具有重要的调控作用[6]。已有研究发现，在传统畦灌条件下，追氮时期由拔节期推迟至孕穗期显著提高籽粒各组分蛋白质含量和籽粒的烘烤品质[10]，另外，氮肥分施更有利于提升籽粒产量和品质[7]。在微喷灌条件下，氮肥基追比为3∶7的处理(B1)可显著提高冬小麦籽粒蛋白质含量和加工品质，氮肥基追比为5∶5的处理(B2)千粒重和穗数最为协调，产量最高(表1)，这与Zhong等[10]、倪红山等[19]和陈祥等[20]的研究结果一致。由此可见，传统畦灌和微喷灌下适当增加追氮比例均可以协调冬小麦的产量和品质。不同的是，传统畦灌方式的追氮时期多在拔节期至开花期，因此很少在花后进行浇水追氮。本研究的微喷灌模式可以将传统畦灌模式下拔节期的一部分追氮量后移至孕穗期、开花期和灌浆期，使得氮肥后移和氮肥的分次施用更容易实现。除此之外，微喷灌模式喷撒出的水肥经过小麦冠层，除了根系，茎、叶和穗也可以截留一部分水肥，从而增加小麦植株对氮素的吸收。Gholami等[28]和Rossmann等[29]的研究也表明，花后叶面施氮可以提高籽粒蛋白质含量，改善烘烤品质。Li等[30]研究也发现，微喷水肥一体化条件下少量多次的水肥供应显著增加了花后氮素的吸收，提升了籽粒产量和蛋白质含量。花后小麦氮素吸收增加主要由于微喷水肥一体化少量多次水肥供应下，上层土壤的氮素含量较高，利于植株吸收利用，拔节期水肥供应少，促进了根系下扎，利于根系吸收利用深层土壤的水肥[31]。总之，微喷灌水肥一体化条件下冬小麦的产量和品质协同提高的潜力更大。

在本试验中，从2种筋型冬小麦加工品质对氮肥调控的响应来看(表4和表5)，‘藁优2018’2年均表现为，籽粒湿面筋含量、蛋白质含量、沉降值、吸水率、稳定时间和粉质指数随追氮比例的增加而显著增加，品质得到显著改善；对于‘济麦22’来说，随着追氮比例的增加，2019—2020年湿面筋含量、蛋白质含量、沉降值和粉质指数显著增加，2018—2019年只有湿面筋含量和粉质指数有所增加，而面团形成时间和稳定时间年际间均无显著差异，可见，氮肥管理对强筋小麦‘藁优2018’的品质调控效果更好。