施氮量對強筋小麥產量、氮素利用率和品質的影響

張 秀，朱文美，代興龍，初金鵬，鈐太峰，賀明榮

(作物生物學國家重點實驗室/農業部作物生理生態與耕作重點實驗室/山東小麥玉米周年高產高效生產協同創新中心/山東農業大學農學院，山東泰安 271018)

氮素是影響冬小麥生長發育的重要營養元素，對作物籽粒產量和品質的形成有重要作用[1-4]。小麥籽粒蛋白的含量和組成直接影響小麥的面包品質[5-7]，其中麥谷蛋白含量是影響小麥品質的關鍵因子。在與品質相關的各項指標中，不溶性谷蛋白含量及其不溶性谷蛋白占總谷蛋白的比例是調控小麥面團流變學特性和面包品質的重要指標[8]。Graybosch等[9]研究認為，麥谷蛋白和醇溶蛋白的比例(谷醇比)與品質呈正相關關系。有研究表明，過量施氮條件下，冬小麥產量、品質和氮素利用率均顯著降低[10-12]，但關于過量施氮導致小麥品質下降的機理研究相對較少。如何優化氮肥施用量，協同提高產量、氮素利用率和籽粒品質是當前強筋小麥生產中亟待解決的問題。因此，本研究以強筋小麥品種濟麥20和洲元9369為材料，設置3個氮肥水平，研究不同氮肥水平下小麥產量、氮素利用率和品質及其相關指標間的關系，以期明確過量施氮對冬小麥產量、氮素利用率、品質的影響及其影響機制，為今后強筋小麥的氮肥科學施用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與材料

試驗于2015-2017年在山東農業大學農學試驗站(36°09′42.4″N，117°09′43.1″E)進行。以強筋小麥品種濟麥20(中穗型)和洲元9369(大穗型)為材料，分別用JM20和ZY9369表示；設置180、240和300 kg·hm-23個施氮量，分別用N180、N240和N300表示。共6個處理。采用裂區設計，以施氮量為主區，品種為副區，3次重復，小區面積21 m2。采用寬幅精播播種方式，洲元9369和濟麥20的種植密度分別為375和225萬株·hm-2，行距為25 cm。所用氮、磷、鉀肥分別為尿素(含氮46%)、過磷酸鈣(含P2O510%)和氯化鉀(含K2O 60%)。各小區純磷、純鉀肥施用量均為120 kg·hm-2，作為基肥施用。氮肥基追比為4∶6，拔節期追肥。試驗前0～20 cm土壤有機質和全氮分別為12.07和1.37 g·kg-1，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為84.17、27.77和86.42 mg·kg-1。前茬作物為玉米，全田施氮量一致。2015年播前N180、N240和N300三個處理0～1 m土壤無機態氮(硝態氮和銨態氮)積累量為107.63 kg·hm-2，2016年播前N180、N240和N300三個處理土壤0～1 m無機態氮(硝態氮和銨態氮)積累量分別為 166.61、174.99和192.56 kg·hm-2。其他田間管理與高產小麥田間管理規程相同。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤無機態氮含量測定

播前以20 cm為1層，分5層取0～1 m土樣，置于自封袋，-20 ℃保存。測定時將土壤樣品解凍、混勻，稱12 g，加入50 mL 1 mol·L-1的KCl溶液浸提，振蕩30 min 后過濾，制成浸提液。采用德國Bran Luebbe公司生產的AA3型連續流動分析儀測定土壤硝態氮和銨態氮含量，計算土壤供氮量。

1.2.2 產量測定

成熟期，在小區內選擇長勢均勻的區域，取3 m2進行人工收割、脫粒，自然風干后稱重并用谷物水分測定儀測定籽粒含水量，調整含水量至13%的籽粒產量。

1.2.3 植株氮積累量測定

成熟期，在小區內選擇長勢均勻區域，隨機取30個單莖，分為莖、葉、籽粒、穎殼+穗軸4個器官，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干后稱重；植株樣品用微型植物粉碎機粉碎，過100目篩，采用凱氏定氮法測定各器官含氮量，計算地上部氮素積累量。

1.2.4 小麥品質測定

全麥粉用瑞士Perten公司生產的3100型試驗磨磨制，面粉用德國 Brabende公司生產的BUHLER試驗磨磨制，細度均為100目。面粉濕面筋含量用瑞典Perten公司產2200型面筋洗滌儀，按照GB/T14608-93測定；面團流變學特性用德國公司Brabender產810106002型粉質儀，按照GB/T14614-2006測定。面包烘烤試驗按AACC10-01方法進行，應用菜籽置換法(NationalG公司生產面包體積測定儀)測定面包體積 。

1.2.5 小麥蛋白組分測定

按GB2905-1982“谷類、豆類作物種子粗蛋白質測定法(半微量凱氏法)”測定小麥籽粒氮素含量，計算籽粒蛋白質含量。參照Gupta等[13]的方法，運用高效液相色譜法測定小麥籽粒中清蛋白+球蛋白、醇溶蛋白、SDS-可溶性谷蛋白和SDS-不可溶性谷蛋白含量。

1.2.6 計算公式

供氮量=施氮量+播前0～1 m土壤硝態氮和銨態氮積累量

氮素利用率=籽粒產量/供氮量

小區產量=實測產量×(1-籽粒含水量)/(1-13%)

小麥籽粒蛋白質含量=籽粒氮素含量×5.7

聚合指數=不可溶性谷蛋白含量/總谷蛋白含量

谷醇比=總谷蛋白含量(%)/醇溶蛋白含量(%)

1.3 數據分析與處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05分析處理數據，采用Sigmplot 12.5制圖，LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 施氮量對小麥產量和氮素利用率的影響

由圖1可知，在N180、N240和N300條件下，洲元9369的產量，2016年分別為7.40、7.67和6.86 t·hm-2，2017年分別為8.04、8.14和7.57t·hm-2；濟麥20的產量,2016年分別為6.45、6.49和5.56 t·hm-2，2017年分別為7.28、7.26和5.32t·hm-2。由此可以看出，相同施氮量下，洲元9369的產量均高于濟麥20。在施氮量為N180和N240時，2個品種間產量無顯著差異，但當施氮量由N240增至N300時，2個品種小麥產量均下降。表明，在本研究條件下，施氮量超過240 kg·hm-2時會降低小麥產量。

圖1 不同施氮水平下強筋小麥品種的產量和氮素利用率Fig.1 Grain yield and nitrogen use efficiency of strong gluten wheat varieties at different nitrogen rates

在N180、N240和N300條件下，洲元9369的氮素利用率，2016年分別為25.73、22.06和16.83 kg·kg-1，2017年分別為23.29、19.61和15.37 kg·kg-1；濟麥20的氮素利用率，2016年分別為22.42、18.67和13.64 kg·kg-1，2017年分別為21.00、17.49和10.80 kg·kg-1。由此可以看出，相同施氮條件下洲元9369氮素利用率均高于濟麥20，且氮素利用率隨著施氮量的增加而降低，當施氮量由N180增加至N240時，氮素利用率的降低幅度為15.79%，當施氮量由N240增加至N300時，氮素利用率的降低幅度為27.62%。

2.2 施氮量對小麥品質及其相關指標的影響

由表1可知，相同施氮條件下，洲元9369的吸水率、面團形成時間、面團穩定時間、面包體積和面包評分均高于濟麥20；而濕面筋含量和沉降值在兩年間存在差異，其中，2016年濟麥20的濕面筋含量和沉降值均高于洲元9369，2017年則相反。

施氮量對吸水率和濕面筋含量無顯著影響。面團形成時間、面團穩定時間、沉降值、面包體積和面包評分均隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢。當施氮量由N180增至N240時，濟麥20和洲元9369在2016和2017年的面團形成時間、面團穩定時間、沉降值、面包體積和面包評分均顯著增加，兩品種、兩年度的平均增幅分別為9.84%、15.99%、5.92%、10.54%和4.34%；當施氮量由N240增至N300時，面團形成時間、面團穩定時間、沉降值、面包體積和面包評分又都顯著下降，兩品種、兩年度的平均降幅分別為13.63%、23.47%、2.47%、11.70%和9.50%。表明施氮量過高會使小麥品質下降。

由表2可知，相同施氮條件下，洲元9369的SDS-不溶性谷蛋白、谷醇比和聚合指數均高于濟麥20，而總蛋白含量和醇溶蛋白含量均低于濟麥20，SDS-可溶性谷蛋白含量和谷蛋白含量兩品種間無顯著差異。

總蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白的含量和谷蛋白聚合指數均隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢，而SDS-可溶性谷蛋白和

表1 不同施氮水平下強筋小麥品種的品質Table 1 Quality of strong gluten wheat cultivar at different nitrogen rates

表2 不同施氮水平下強筋小麥品種的蛋白質及其組分含量Table 2 Protein and protein components contents in strong gluten wheat cultivar at different nitrogen rates

2.3 蛋白質及其組分與小麥面團穩定時間和面包體積的相關分析

將小麥籽粒中重要的蛋白質組分與影響小麥加工品質的相關指標進行相關分析，結果表明，SDS-不可溶性谷蛋白含量、谷蛋白聚合指數與面團形成時間、面團穩定時間、面包體積和面包評分之間呈顯著正相關，其他指標之間無顯著相關性(表3)。

表3 蛋白質及其組分含量與強筋小麥加工品質指標的相關性Table 3 Correlation between the content of protein components and parameters of processing quality of strong gluten wheat

3 討 論

前人研究表明，不同優質小麥品種的產量、氮素利用率及品質間存在著明顯的基因型差異[14-16]。本研究中，各施氮水平下，洲元9369的產量、氮素利用率、吸水率、面團形成時間、面團穩定時間、面包體積和面包評分等品質指標均高于濟麥20。并且各指標受氮肥影響的規律一致，因此本研究重點分析產量、氮素利用率和品質與施氮量間的關系。

在一定的施氮范圍內，籽粒產量隨著施氮量的增加而增加，但超過適宜的施氮范圍，產量不增反降[17-19]，而氮素利用率則隨施氮量的增加呈不同程度的降低[20-21]。本研究中，2個小麥品種的產量在N180和N240間無顯著差異，施氮量增至N300時降低，且氮素利用率隨施氮量增加呈明顯的降低趨勢，這與前人研究結果基本一致。

氮素是影響強筋小麥籽粒蛋白質和氨基酸合成的最重要元素。不同氮肥處理可顯著影響小麥籽粒品質[22-23]。小麥籽粒品質常以沉降值、濕面筋含量、吸水率、面團形成時間和穩定時間等為主要指標進行評價。徐恒永等[24]研究指出，強筋小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和沉降值均隨施氮量的提高而增加，面團穩定時間則隨施氮量的增加而呈先增后降的變化趨勢。蔡金華等[25]研究表明，增施氮肥能顯著提高鎮麥136的濕面筋含量、面團形成時間和面團穩定時間。但在本研究中，當施氮量由N180增至N240時，2個品種小麥的面團形成時間、面團穩定時間、沉降值、面包體積和面包評分顯著上升；但當施氮量由N240增至N300時，面團形成時間、面團穩定時間、面包體積和面包評分均顯著下降。表明，強筋小麥生產中，氮肥投入過量將會大幅降低小麥品質。

根據蛋白質在不同溶液中的溶解度可以將小麥籽粒蛋白分為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白，在與品質相關的各項指標中，不溶性谷蛋白含量及其不溶性谷蛋白占總谷蛋白的比例(谷蛋白聚合指數)是調控小麥面團流變學特性和面包品質的最重要因素[8]。

本研究中，當施氮量由N180增至N240時，面團形成時間、面團穩定時間、面包體積和面包評分等品質指標和總蛋白、SDS-可溶性谷蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白含量以及谷醇比和谷蛋白聚合指數等均顯著提升；而當施氮量由N240增至N300時，其面團形成時間、面團穩定時間、面包體積和面包評分等品質指標顯著降低，總蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白含量和谷蛋白聚合指數等亦顯著降低，僅SDS-溶性谷蛋白含量和谷醇比有所提高。小麥品質指標與蛋白組分等指標間的相關性分析表明，適量增施氮肥主要是通過提高不溶性谷蛋白含量和谷蛋白聚合指數來提升小麥籽粒品質。當氮肥施用量增至N300，在總蛋白質含量降低的條件下，SDS-可溶性谷蛋白含量提升，說明，過量施氮主要通過降低谷蛋白的聚合程度而使小麥品質下降。因此，為使強筋小麥達到穩產、高效、優質的目的，需要適量施用氮肥。綜合考慮小麥產量、氮素吸收利用和品質認為，在本研究條件下，施氮量為240 kg·hm-2時，效果最佳。