施氮量對強筋小麥氮素積累和氮肥農學利用效率的影響

李亞靜，郭振清，楊 敏，張 敏，劉 添，李翠平，秦保平，蔡瑞國

(河北科技師范學院農學與生物科技學院，河北秦皇島 066004)

小麥是我國主要的糧食作物之一，在農業生產和人民生活中占有重要地位。從1997—2016年，我國糧食總產量增加了24%，氮肥用量增加了6%，氮肥利用率僅28.2%，遠低于發達國家(50%～60%)[1]。研究表明，施用氮肥可有效增加小麥產量，但過量施用氮肥，不僅不能增加產量，反而會對環境造成威脅[2-4]。如何優化施氮量、協同提高小麥產量和氮肥農學利用效率是當今小麥生產中亟待解決的問題。氮素是合成小麥蛋白質的物質基礎。研究表明，小麥籽粒蛋白質含量在適宜的范圍內隨施氮量的增加而提高，過量施氮會造成花前積累的氮素向籽粒轉運率降低，從而影響籽粒蛋白質含量[5-6]。研究小麥植株的氮素積累與轉運對提高小麥籽粒蛋白質含量具有重要意義[7-10]。關于氮肥對普通小麥氮素積累與轉運的研究較多，僅有少量有關氮肥對強筋小麥產量和品質調控的報道，對施氮量與強筋小麥氮素利用效率、強筋小麥植株氮素轉運量與籽粒蛋白質含量之間關系的研究鮮見報道。本試驗擬研究3個施氮量對強筋小麥石優20號和中麥998花前、花后氮素積累與轉運、籽粒蛋白質含量和氮肥農學利用效率的影響，以期為冀東平原強筋小麥的提質增效生產提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017年10月—2018年6月在河北科技師范學院農學與生物科技學院試驗站(39°44′N、119°13′E)進行。試驗地前茬作物為玉米，土壤類型為壤土。播種前0～20 cm土層有機質含量21.88 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，速效氮128.29 mg·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，有效磷15.39 mg·kg-1，全鉀15.14 g·kg-1，速效鉀33.09 mg·kg-1。

試驗選用2個強筋小麥品種：石優20號(Shiyou 20)和中麥998(Zhongmai 998)；設3個施氮量：0 kg·hm-2(N0)、180 kg·hm-2(N1)和240 kg·hm-2(N2)。采用完全隨機區組排列，小區面積9 m2(3 m×3 m)，3次重復。氮肥為尿素(含N 46%)，底肥和拔節肥各50%；磷肥為過磷酸鈣(含P2O518%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 51%)，磷肥和鉀肥施用量均為120 kg·hm-2，均作為基肥。2017年10月5日播種，行距20 cm，3葉期定苗，基本苗450×104·hm-2，分別在越冬前、拔節期和開花期灌水，并及時除草滅蟲。其余管理方法同一般高產大田。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 小麥氮素積累與轉運相關指標的測定

從開花期開始每隔7 d取10個小麥單莖，取地上部并分為莖、葉、鞘、穗(不含籽粒)和籽粒5部分；60 ℃烘干至恒重；用perten3100磨粉機粉碎，過60目篩，用半微量凱氏定氮法測定各樣品的全氮含量。3次重復。

氮素積累量=全氮含量×干物質重

花后氮素積累量=成熟期總氮素積累量-花前氮素積累量

花前氮素積累占比=花前氮素積累量/成熟期總氮素積累量

花后氮素積累占比=花后氮素積累量/成熟期總氮素積累量

花前氮素轉運量=開花期各營養器官氮素積累量-成熟期各營養器官氮素積累量

花前氮素轉運率=花前氮素轉運量/開花期各營養器官氮素積累量×100%

花前氮對籽粒氮的貢獻率=花前氮素轉運量/成熟期籽粒氮積累量×100%

籽粒蛋白質含量=成熟期籽粒氮含量×5.7

1.2.2 產量的測定和氮肥農學利用效率的計算

成熟期每處理取3個1 m2小麥樣點測定實際產量并考種。

氮肥農學利用效率=籽粒產量/施氮量

1.3 數據處理

數據處理及作圖采用Excel 2017和DPS軟件進行。

2 結果與分析

2.1 施氮量對強筋小麥花前和花后氮素積累的影響

由表1可知，石優20號花前氮素積累占比為59.99%～66.00%，隨施氮量的增加而提高；花后氮素積累占比為34.00%～40.01%，隨施氮量的增加而降低。中麥998花前氮素積累占比為 58.98%～61.15%，隨施氮量的增加有所降低；花后氮素積累占比為38.85%～41.02%，隨施氮的增加而提高。說明增施氮肥對強筋小麥植株花前和花后氮素積累量的影響因品種而異。

表1 施氮量對強筋小麥花前和花后氮素積累的影響

2.2 施氮量對強筋小麥營養器官氮素積累與轉運的影響

2.2.1 對花后營養器官氮素積累量的影響

由圖1可知，2個品種營養器官花后氮素積累量均隨花后天數的推移而下降，隨施氮量的增加而提高；不同器官比較，氮素累積量表現為葉>穗>莖>鞘。在開花期，葉的氮素積累量每單莖為6.99～9.12 mg，是氮素積累量最大的器官，隨花后天數的推移，氮素積累量下降幅度最大。說明增施氮肥可提高強筋小麥營養器官的氮素積累量，且花前吸收的氮素主要貯藏在葉中。

圖1 施氮量對強筋小麥花后營養器官氮素積累的影響

2.2.2 對籽粒氮素積累量的影響

由圖2可知，2個品種花后籽粒的氮素積累量均隨花后天數的推移而上升，且表現為N2>N1>N0，表明增加施氮量可提高強筋小麥籽粒氮素積累量。石優20號在3個處理的花后相同時間點的氮素積累量均高于石優20號。

圖2 施氮量對強筋小麥花后籽粒氮素積累的影響

2.2.3 對花前氮素轉運的影響

由表2可以看出，2個品種的花前氮素轉運量均隨施氮量的增加而提高，表明增加施氮量可提高小麥花前氮素轉運量。石優20號的花前氮素轉運率隨施氮量增加呈先提高后降低的趨勢；中麥998的花前氮素轉運率隨施氮量的增加而提高，說明不同品種的的花前氮素轉運率對氮肥的響應不同。石優20號的花前氮對籽粒氮的貢獻率隨施氮量的增加而提高，而中麥998的花前氮對籽粒氮的貢獻率隨施氮量的提高呈先上升后下降的趨勢，表明不同品種的花前氮素對籽粒氮的貢獻率因施氮量而異。不同器官比較，氮素轉運量、轉運率和花前氮對籽粒氮的貢獻率均表現為葉>穗>鞘>莖。可見，葉是花前氮素積累的主要貯藏器官，也是花前氮素向籽粒轉運的主要 器官。

表2 施氮量對強筋小麥花前氮素轉運的影響

2.3 施氮量對強筋小麥花后不同時期花前氮素轉運量和籽粒氮素積累量的影響

2.3.1 對花前氮素轉運量的影響

由圖3可知，2個品種的花前氮素轉運量均隨生育期推移呈先上升后下降的趨勢，石優20號在花后14～21 d時轉運量達到最大，且顯著高于其他時期(P<0.05);中麥998在花后7～14 d和14～21 d時花前氮素轉運量顯著高于其他時期(P<0.05)。表明石優20號在花后14～21 d為營養器官氮素轉運關鍵期；中麥998的氮素轉運高峰持續時間長，花后7～21 d為營養器官氮素轉運關鍵期。推測中麥998營養器官氮素轉運高峰持續時間長是其氮素轉運量高于石優20號的主要原因。

相同N水平圖柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3.2 對籽粒氮素積累量的影響

由圖4可知，2個品種籽粒氮素積累量均隨生育期推移呈先上升后下降趨勢，與花前營養器官氮素轉運量趨勢(圖3)一致。石優20號在花后14～21 d達到最高值，說明其為籽粒氮素積累關鍵期。中麥998在花后14～21 d的籽粒氮素積累量高，花后0～28 d，其不同時期的籽粒氮素積累量均高于石麥20。說明2個品種花后不同時期的籽粒氮素積累量對施氮量的響應不同。整體來看，增加施氮量可提高籽粒氮素積累量。

圖4 施氮量對強筋小麥花后不同時期籽粒氮素積累量的影響

2.4 施氮量對強筋小麥氮肥利用效率與籽粒產量和蛋白質含量的影響

由表3可知，隨施氮量的增加，2個品種的穗數和穗粒數均有不同程度提高，而千粒重均有不同程度降低，蛋白質含量和產量均表現為N2>N1>N0，當施氮量從180 kg·hm-2增加到240 kg·hm-2時，石優20號和中麥998的產量分別提高了6.10%和7.58%，籽粒蛋白質含量分別提高了3.68%和3.73%，差異均不顯著；而氮肥農學利用效率分別降低了25.68%和23.93%，差異顯著。表明增加施氮量可提高強筋小麥產量和蛋白質含量，但明顯降低氮肥農學利用效率。

表3 施氮量對強筋小麥氮肥農學利用效率和籽粒蛋白質含量和產量的影響

3 討論與結論

前人研究表明，小麥植株氮素的積累與轉運，直接影響其籽粒蛋白質含量[11-12]。李瑞珂等[13]研究表明，花前積累的氮素占小麥籽粒氮素的70%，而花后積累氮素僅占30%。增施氮肥可以提高小麥氮素積累量[14-17]。本試驗結果表明，隨著施氮量增加，強筋小麥氮素積累量相應提高，且花前氮素積累占比為59.99%～66.00%，花后氮素積累占比34.00%～41.00%(表1)，與李瑞珂等[14]結果存在一定差異，這可能與小麥品種及其所在環境等條件有關。強筋小麥花前氮素轉運量是影響其籽粒蛋白質含量的重要因素。這與馬冬云[18]在普通小麥上的研究結果類似。研究表明，隨施氮量的增加，普通小麥氮素向籽粒的轉運率降低[19-22]。本試驗結果表明，隨施氮量增加，強筋小麥花前氮素轉運量提高，轉運率在2個品種中表現不盡相同，籽粒蛋白質含量均增加(表2)。造成這種差異的原因可能與試驗材料、氮肥用量和基礎地力有關。強筋小麥花后營養器官(莖、葉、鞘、穗)氮素積累量呈下降趨勢，葉的氮素積累量變化最大(圖1)。說明葉是強筋小麥籽粒蛋白質的重要來源。石優20號在花后14～21 d花前氮素轉運量最大，中麥998在花后7～21 d花前氮素轉運量最大(圖3)。這說明花后14～21 d和7～21 d分別是強筋小麥石優20號和中麥998營養器官氮素轉運的關鍵時期。

小麥籽粒氮素增長高峰期表現為石優20號在花后14～21 d，中麥998在花后7～21 d(圖4)，這與其花前氮素轉運高峰期一致。再次證明營養器官氮素轉運量對籽粒氮素積累的重要貢獻。綜上可見，適量施氮可促進強筋小麥花前植株氮素的積累和花后氮素的再轉運，是提高其籽粒蛋白質含量的重要途徑。

前人研究表明，適量增施氮肥可以提高小麥籽粒產量及其蛋白質含量；過量施用氮肥，不僅不能增加產量，還會影響籽粒蛋白質含量[5-6]。郭明明等[23]研究表明，施氮量在225～270 kg·hm-2的范圍內，隨施氮量的增加，小麥產量和蛋白質含量均下降。張 秀等[24]的研究表明，施氮量超過240 kg·hm-2時小麥籽粒產量和蛋白質含量均下降。張文靜等[25]研究表明，施氮量超過270 kg ·hm-2時小麥產量下降。本研究表明，在 0～240 kg·hm-2范圍內，強筋小麥籽粒蛋白質含量和產量均隨施氮量的增加而提高(表3)。這可能與供試品種、施氮量和基礎地力等條件有關。增施氮肥使籽粒產量和蛋白質含量提高，但伴隨著氮肥農學利用效率的降低(表3)。在本試驗條件下，180 kg·hm-2施氮量既滿足產量和蛋白質含量的需求，還可有效提高氮肥農學利用效率。王玉雯等[26]研究也表明，可以通過減少施用氮肥總量來實現氮素養分供應與作物需求同步。故在小麥生產中，應根據當地的自然條件和小麥品種確定適宜的施氮量，既能保證一定產量和蛋白質含量，還能確保較高的氮肥農學利用率，從而達到提質增效的目的。