施氮量和灌水模式對小麥產量、品質和氮肥利用的影響

吳 強，張永平，董玉新，高飛雁，謝 岷

(內蒙古農業大學農學院，內蒙古呼和浩特 010019)

內蒙古河套灌區位于我國西北部，該地區光溫水資源充足，具備優質中強筋春小麥生長的自然條件。當地主栽春小麥品種永良4號種植30多年來較為穩定的產量和品質也表明其優良種性。小麥的產量與品質不僅受到自然環境與基因型的影響，還與栽培措施密切相關[1-3]。河套灌區小麥種植一直存在著大水漫灌、化肥濫用的情況，不僅造成了資源的嚴重浪費，還限制了小麥產量和品質的進一步提高[4]。施肥和灌水是小麥生產中較易人為控制的重要栽培措施[5]。研究施氮量和灌水模式對河套灌區小麥產量、品質和氮肥利用效率的影響，并探明該區域小麥高產、高效、優質的適宜施氮量范圍，對當地優質小麥生產的長遠發展具有重要意義。Otteson等[6]與趙廣才等[7]研究認為，施用適量氮肥對小麥生長具有顯著促進作用，小麥籽粒產量、蛋白質含量、干、濕面筋含量、沉淀值、面團穩定時間以及面團拉力等也均有不同程度升高。張文靜等[8]和Wang等[9]研究表明，過量施用氮肥會使小麥籽粒產量、加工品質、營養品質下降。隨施氮量的增加，小麥各生育時期的氮素吸收量顯著提高，當施氮量大于150 kg·hm-2時，小麥植株吸氮量不再增加[10-11]。大量研究表明，灌水過少或過多均會對小麥產生不利影響[12-13]，土壤水分過少影響小麥植株正常生長發育，進而對產量與品質產生影響；充分灌溉有利于小麥產量的提升，但會使品質產生“稀釋效應”[14]。灌水和施氮對小麥生長發育具有顯著的互作效應，土壤水分會顯著影響小麥對氮素的吸收和利用[15]。故不同的灌水模式與相應的施氮量結合，才能實現小麥優質高產。

由于受地區、氣候及土壤基礎肥力的影響，各地小麥最佳施氮量研究結果不盡相同，直接表現為空間擴展性較差[6-11,15]。目前，河套灌區有關施肥、灌水對小麥影響的報道多集中于氮素、水分的高效利用[2,16]，而以小麥產量、品質及氮肥利用效率協同提高為目標的研究尚不多見。本試驗以河套灌區為研究區域，在前期建立的“春小麥高產節水灌溉模式”基礎上，探尋小麥高產、高效與優質相統一的適宜施氮量，為建立河套灌區春小麥高產、高效、優質栽培技術體系提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在內蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(41°04′N，108°03′E；海拔1 028 m)進行。該地區為中溫帶大陸性氣候，常年平均降水量170.3 mm，年蒸發量為2 030～3 180 mm，年日照時數3 100～3 300 h，無霜期110～142 d，全年活動積溫3 053～3 339 ℃，年平均氣溫6.1～7.6 ℃，日平均溫差14～18 ℃。試驗地0～20 cm耕層土壤有機質15.83 g·kg-1，堿解氮58.84 g·kg-1，速效磷26.32 g·kg-1，速效鉀125.17 g·kg-1，pH 7.51。

1.2 試驗設計

供試品種為當地主推春小麥品種永良4號，試驗設常規灌溉(W4，分蘗期+拔節期+開花期+灌漿期灌水4次，每次灌水900 m3·hm-2)和節水灌溉(W2，拔節期+開花期灌水2次，每次灌水900 m3·hm-2)兩種灌溉模式。采用裂區設計，灌水為主區，施氮量為副區，設7個氮素水平(表1，CK為常規施肥)，共14個處理組合。3次重復，小區面積為30 m2(6 m×5 m)。使用小麥種肥分層播種機播種，行距15 cm，播種量375 kg·hm-2。種肥統一施用磷酸二銨300 kg·hm-2，尿素于拔節期結合灌水追施，施用量依不同氮素水平而異。小麥播種期為2017年3月17日，成熟期為2017年7月13日，生育期降水量為99.8 mm，與常年相比屬正常。其他田間管理措施同當地大田。生育期內未發生病蟲害。

表1 不同施氮處理的肥料施用量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 考種與測產

小麥蠟熟末期，在每個小區取2 m2樣點，單獨收獲，統計總穗數。晾曬后使用機械脫粒并稱重，采用烘干法測定籽粒含水率；按含水率13%校正籽粒重量，換算實際產量。各小區取有代表性的50 cm樣段進行考種，考察穗長、穗寬、有效小穗數、無效小穗數、地上部干物質重量及穗粒數、千粒重，并計算理論產量及經濟系數。

1.3.2 植株氮素含量測定與氮素利用相關指標計算

將考種后各小區的50 cm樣段植株使用粉碎機粉碎均勻，采用濃硫酸消煮、半微量凱氏定氮法測定植株含氮量，并計算氮效率指標。吸氮量=植株干物質重×植株含氮量；氮肥表觀利用率=(施氮處理植株吸氮量-不施氮處理植株吸氮量)/施氮量；氮肥農學效率=(施氮處理產量-不施氮處理產量)/施氮量；氮肥生理效率=經濟產量/植株總吸氮量；氮素生產效率=生物產量/植株總吸氮量；氮肥偏生產力=施氮處理籽粒產量/施氮量。

1.3.3 籽粒品質相關指標測定

小麥收獲后留足籽粒，晾曬后儲藏2個月。每小區取200 g籽粒，使用IM9100型近紅外(NIR)整粒谷物分析儀(瑞典Perten公司)測定籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、容重、出粉率、吸水率、形成時間、穩定時間、最大抗延阻力、拉伸面積。

1.4 數據統計與分析

試驗數據采用Excel 2019與SPSS Statistics 25.0、Origin 2018軟件進行統計分析與繪圖。

2 結果與分析

2.1 灌水模式和施氮量對小麥產量及其構成因素的影響

方差分析結果(表2)表明，灌水模式對穗數與穗粒數有顯著影響，對千粒重和產量的影響不顯著。常規灌溉的小麥產量及其構成因素均高于節水灌溉，節水灌溉較常規灌溉減產1.37%。施氮量對穗數、穗粒數與產量均有極顯著影響。產量及其三要素均隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，當施氮量較低時產量增加較快，施氮量超過一定值后產量開始緩慢下降。N0處理的產量為5 591.1 kg·hm-2，N1、N2、N3、N4、N5、CK處理較N0的增產幅度分別為7.15%、13.57%、20.56%、24.78%、21.81%、20.13%。N4處理(純氮166.5 kg·hm-2)產量最高，且顯著高于CK處理(純氮241.5 kg·hm-2)。說明施用氮肥可顯著提升小麥產量，但過量施氮會導致產量不增反降。本研究中，千粒重受灌水模式、施氮量及其互作的影響均不顯著，說明穗數和穗粒數為制約產量的關鍵因素。

表2 不同灌水模式和施氮量處理下的小麥產量及其構成因素

2.2 灌水模式和施氮量對春小麥氮素吸收和利用的影響

由表3可知，灌水模式與施氮量對春小麥氮素吸收與利用相關的多數被測指標存在顯著影響。常規灌溉下，地上部生物量、植株含氮率、吸氮量、氮肥表觀利用率、氮肥農學效率均顯著高于節水灌溉模式；氮肥生理效率、氮肥生理效率顯著低于節水灌溉；氮肥偏生產力在兩種灌水模式間差異不顯著。說明節水灌溉雖顯著降低了小麥植株對土壤氮素吸收，但促進了植株已吸收氮素自營養器官向籽粒的轉移。

表3 不同灌水模式與施氮量處理對春小麥氮素吸收、利用率的影響

吸氮量和地上部生物量均隨施氮量的增大呈先升高后降低的單峰曲線變化，N4處理下吸氮量顯著高于其他處理，原因在于其最大的地上部生物量和最高的植株含氮量。氮肥表觀利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮肥生理效率、氮肥生產效率則隨施氮量的增加整體呈降低趨勢。相關分析表明，施氮量與吸氮量呈極顯著正相關關系，與氮肥表觀利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮肥生理效率、氮素生產效率呈極顯著負相關關系。說明減少氮肥施用量使吸氮量降低，但可提高氮肥利用效率，故在產量不顯著降低的情況下，適當減少氮肥施用量可兼顧高產、高效。

2.3 灌水模式和施氮量對小麥籽粒品質的影響

方差分析結果(表4)表明，灌水模式對蛋白質含量、濕面筋含量、面團形成時間、面團穩定時間、沉降值、面團延展性的影響達到了顯著或極顯著水平，此六項指標均表現為節水灌溉模式顯著高于常規灌溉模式，吸水率、容重、拉伸面積、最大抗延阻力在兩種灌水處理間差異不顯著。表明適度的水分脅迫有利于小麥品質的提升。

表4 灌水模式和施氮量對小麥籽粒品質的影響

施氮量對所有被測定品質相關指標的影響均達到極顯著水平，蛋白質含量、濕面筋含量、面團形成時間、拉伸面積、沉降值、面團延展性均隨施氮量的增加呈增加趨勢，表現為N0

2.4 小麥籽粒品質指標的相關性分析

小麥11項品質指標的相關分析結果(表5)表明，蛋白質含量與8項品質指標(沉降值、濕面筋含量、吸水率、面團形成時間、面團穩定時間、面團延展性、拉伸面積、最大抗延阻力)存在極顯著正相關關系；容重、出粉率與其他品質指標無顯著相關性，且其變異系數(0.84%，0.44%)較小，對小麥籽粒綜合品質的影響有限。蛋白質含量可作為衡量小麥籽粒綜合品質優劣的主要指標，蛋白質產量可在一定程度上作為兼顧小麥品質與產量的綜合評價指標。

表5 小麥籽粒品質指標間的相關性

2.5 施氮量與小麥產量、蛋白質含量及蛋白質產量的關系

回歸分析表明，兩種灌水模式下小麥產量、蛋白質產量和蛋白質含量均隨施氮量的增加呈先升高后降低的單峰曲線(圖1)。對回歸方程分別求極值，得出常規灌溉模下小麥獲得最高產量、蛋白質產量、蛋白質含量的施氮量(純N)分別為 212.52、240.92、253.09 kg·hm-2，節水灌溉模式下分別為 185.51、209.52、230.85 kg·hm-2。

圖1 兩種灌水模式下小麥產量、蛋白質產量及蛋白質含量與施氮量的關系

節水灌溉模式下，當施氮量在0～185.51 kg·hm-2范圍，隨施氮量的增加，籽粒產量、蛋白質產量與蛋白質含量同步提高，此階段為產量、品質同步增長區；當施氮量在185.51 kg·hm-2～209.52 kg·hm-2時，隨施氮量的增加，籽粒產量略微下降，但由于蛋白質含量上升幅度較大，蛋白質產量仍呈上升趨勢，此階段為產量、品質平衡區；當施氮量達到209.52 kg·hm-2～230.85 kg·hm-2時，隨著施氮量增加蛋白質含量繼續升高，產量開始快速下降，蛋白質產量也呈下降趨勢，此階段屬于減產、增質區；當施氮量超過 230.85 kg·hm-2時，籽粒產量、蛋白質含量、蛋白質產量均下降，此階段為減產、減質區。因此，節水灌溉模式下，優質與高產相對統一的最適施氮量為185.51 kg·hm-2～209.52 kg·hm-2。常規灌溉模式下，兼顧優質與高產的最佳施氮量為212.52 kg·hm-2～240.92 kg·hm-2。可見，節水灌溉模式相較于常規灌溉模式能夠以更低的水、肥投入實現小麥優質與高產，值得在小麥生產中推廣。

3 討 論

施氮與灌水作為小麥生產中兩項重要栽培措施，對小麥的產量構成、氮素利用效率及品質形成具有明顯的調控作用[6-13,17]。適宜的施氮量可協調小麥的穗數、穗粒數、千粒重，獲得較高的籽粒產量。王月福等[18]、趙廣才等[19]研究表明，提高施氮量能促進小麥分蘗與穗花發育，但對千粒重無顯著影響。而王曉英等[20]研究認為，隨施氮量增加，小麥穗數和穗粒數增加，千粒重下降。本研究結果表明，千粒重隨施氮量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，與史校艷等[21]的研究結論相同。已有研究表明，小麥的產量和品質均隨施氮量的增加呈先升高后降低趨勢[6-8,22]。在本試驗條件下，籽粒產量符合上述趨勢，而品質隨施氮量的增加呈增加趨勢，可能原因是本試驗以減少氮肥施用量為目標，設置的最大施氮量為當地農戶常規施氮量，低于品質達到最佳的施氮量。本研究節水灌溉下，產量達到最大值的施氮量為 185.5 kg·hm-2，蛋白質含量達到最大的施氮量為 230.85 kg·hm-2，可見施氮量對強筋小麥的品質提升有顯著促進作用，這與李法云等[23]“利用植物奢侈吸收養分的特性提升植物品質”的觀點不謀而合。但品質的提升不能以產量的大幅降低為代價，必須優質、高產協調統一[24]。

大量研究表明，較高的土壤水分對小麥產量的提升有利，較低的土壤水分則對品質具有促進作用[12-13,25]。本研究發現，常規灌溉下的小麥穗數、穗粒數顯著高于節水灌溉，一方面分蘗期灌水與灌漿期灌水對小麥分蘗、穗花發育具有直接的促進作用[26]；另一方面常規灌溉吸氮量與氮素表觀利用率顯著高于節水灌溉模式，高土壤水分提高了小麥植株對土壤氮素的吸收，充足的氮素營養使小麥分蘗成穗率和穗粒數增加[27]。張永麗等[28]研究表明，小麥花后干旱有利于植株氮素自營養器官向籽粒的轉移。本研究節水灌溉下的小麥籽粒蛋白質含量、氮素生理效率與氮素生產效率顯著高于常規灌溉模式，原因在于常規灌溉模式下小麥雖然從土壤中吸收了較多的氮素，但并未得到充分利用，而節水灌溉模式因缺少灌漿水產生的花后干旱明顯提高了小麥籽粒蛋白含量，同時較多的光合產物被轉運至籽粒也緩解了較低的水分投入對產量的影響。

灌水與施氮對小麥籽粒產量與品質具有顯著的互作效應[15,29-30]。本研究條件下，節水灌溉模式下兼顧高產優質的適宜施氮量為185.51～209.52 kg·hm-2，常規灌溉模式下為212.52～240.92 kg·hm-2，常規灌溉最佳施氮量明顯高于節水灌溉。高水分給籽粒品質帶來的“稀釋作用”是可以通過適當提高施氮量來彌補的，這與李秋霞等[15]的結論一致，但這樣的行為顯然是不經濟的，相較于常規灌溉模式，節水灌溉模式能夠以更低的水肥投入實現小麥優質、高產、高效的相對統一。