長期定位施氮條件下不同品質類型冬小麥適宜施氮量的研究

姚艷榮，金欣欣，李 輝，張 麗，李 謙，申海平，賈秀領

(河北省農林科學院糧油作物研究所/農業部華北地區作物栽培科學觀測實驗站, 河北石家莊 050035)

小麥是重要的糧食作物。隨著人們對專用性小麥需求的增加，小麥品質研究越來越受到重視。根據品質不同，小麥可分為中筋、中強筋、強筋和弱筋四種類型。河北省是優質中筋、強筋小麥的主產區，近年來該省優質小麥的產量不斷提高，品質也得到了很大改善。氮肥在小麥產量和品質形成中起著關鍵作用[1-2]。由于不同小麥品種的氮肥敏感性存在差異[3-5]，且小麥產量和品質受環境影響[6-8]，因而針對不同品種和土壤地力，適量施氮才有利于提高小麥產量和品質[9-11]。研究表明，中筋和強筋小麥的產量和品質會隨著施氮量的增加而提高，但過量施氮不利于增產和品質改善[12-14]。然而，目前的研究多基于1～3年的短期試驗，其結果受土壤肥力基礎影響大。長期定位施氮后土壤理化性狀穩定，因此通過長期定位試驗可預測長期施氮對產量、品質和土壤養分的影響，對探索農業可持續性有重要意義[15]。有關不同品質類型的小麥在長期定位施氮條件下，產量和加工品質指標的氮肥效應的綜合研究尚少。另外，由于過分追求高產優質，麥田施氮量過高，而過量施氮是造成地下水污染的重要因素[16]。在河北小麥高產優質高效生產條件下，進一步研究對環境安全的施氮量，對實現小麥高產、高效、優質和生態安全有重要意義。本研究在十年定位施氮基礎上，分析了長期施氮后河北廣泛種植的高產中筋小麥、優質中強筋、強筋和超強筋品種的產量和加工品質指標的變化，以及農田和土壤氮素表觀盈虧狀況，從產量、品質和氮素平衡三方面解析氮肥效應，以期為小麥合理施氮提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

定位試驗于2006年10月開始在河北省農林科學院糧油作物所藁城堤上試驗站(E116.85，N38,415)進行。2006年小麥季播前0～20 cm土壤有機質含量為15.5 g·kg-1，全氮含量為0.97 g·kg-1，堿解氮含量為72.7 mg·kg-1，速效磷含量為19.5 mg·kg-1，速效鉀含量為91.0 mg·kg-1。小麥-玉米周年定位施氮量設(0+0)、(60+60)、(120+120)、(180+180)、(240+240)和(300+300) kg·hm-26個水平，各處理小麥季施入基肥P2O5(150 kg·hm-2)和K2O(105 kg·hm-2)，小麥和玉米秸稈全部還田。本試驗在此基礎上于2016年10月8日播種小麥，2017年6月10日收獲，播前土壤養分情況見表1。試驗采用裂區設計，品種為主區，施氮量為副區，小區面積37.8 m2(7.0 m×5.4 m)，三次重復。依據河北省和國家農作物品種審定公告(第一種業網http://www.a-seed.cn)和國家優質麥分類標準(GB/T17320-2013)以及各品種在生產上的應用和食品加工品質的表現(農民日報http://www.farmer.com.cn, 中國種業商務網https://www.chinaseed114.com)，確定中筋小麥濟麥22(J22)、中強筋小麥石優20(SY20)、強筋小麥藁優2018(G2018)和超強筋小麥師欒02-1(SL02-1)四個代表性品種為供試材料，定位施入氮肥，設6個施氮處理，分別為0、60、120、180、240、300 kg·hm-2，對應編號N0 、N60、 N120、 N180、 N240 和N300，底施和拔節追施比例為 1∶1。拔節和開花期各灌水60 mm。

表1 2016年播前0～20 cm 土層土壤養分含量狀況Table 1 Nutrient status of 0-20 cm soil layer before sowing in 2016

1.2 測定方法

1.2.1 產量及產量構成因素測定

采用小區收割機收獲，收獲后測定籽粒水分，折合計算出13%含水量的籽粒產量。各小區選0.333 m2(1.11 m×0.3 m)植株進行考種，調查穗數、穗粒數和千粒重。

1.2.2 籽粒品質測定

從各小區收獲籽粒中取2.5 kg，依照國標NY/T 3測定籽粒蛋白質含量；依照GB/T 5506.2采用面筋指數測定儀測定濕面筋含量；依照GB/T 14614采用全自動粉質儀測定粉質儀參數(形成時間、穩定時間、吸水率)；依照GB/T 14615采用拉伸儀測定拉伸儀參數(最大抗延阻力、拉伸面積)；依照NY/T 1095采用小麥面粉沉降指數測定儀測定Zeleny沉降值。籽粒硬度依照GB/T 21304采用小麥硬度指數儀測定。

1.2.3 秸稈和籽粒全氮含量測定

成熟期從每個小區留取30個單莖，分籽粒和秸稈兩部分粉碎消煮，利用SKALER連續流動分析儀測定全氮含量。

1.2.4 土壤硝態氮測定

播種、收獲期采集0～100 cm土壤樣品(每 20 cm 為一個樣品，每個小區取3鉆，將相同層次土樣混合)，-20 ℃冷凍保存。測定前取出樣品解凍后，用烘干法測定土壤含水量，同時稱取 5.00 g 新鮮土樣，加入1 mol·L-1的 KCl 50 mL浸提，用SKALER連續流動分析儀測定硝態氮含量。

1.3 氮素平衡及利用指標計算方法

植株總吸氮量=籽粒吸氮量+秸稈吸氮量

氮肥表觀利用率=(施氮處理植株總吸氮 量-不施氮處理植株總吸氮量)/施氮量×100%

氮肥邊際效率=籽粒產量的增加量/施氮增加量

農田氮素表觀盈虧=施入氮量-籽粒吸氮量(本試驗小麥秸稈全部還田，不考慮硝化和反硝化作用，以及雨水、種子氮對氮平衡的影響)

土壤氮素表觀盈虧=收獲期土壤硝態氮積累量-播前土壤硝態氮積累量(北方旱地土壤中的有效氮主要是硝態氮[17])

1.4 統計分析方法

用EXCEL進行數據整理、數學模擬分析和制圖，用DPS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥對小麥產量及其構成的影響

方差分析表明，品種、施氮量對小麥產量及其三個構成因素均有極顯著的影響，二者間只在穗數和穗粒數上存在交互作用(表2)。不同品種對氮肥的反應不同(表3)。各品種的產量均先隨著施氮量的增加而顯著增加，施氮量超過一定值后其效應不再明顯，其中J22、G2018和SL02-1的臨界施氮量為120 kg·hm-2，而SY20為180 kg·hm-2(表3)。穗數、穗粒數隨施氮量增加的變化趨勢與產量相似。這說明施氮對不同品質類型品種均具有增產作用，但過量施氮后增產的效果不明顯。

2.2 氮肥對小麥施肥效率的影響

從當季氮肥表觀利用率(圖1A)看，4個品種都以N120處理最高，再增加施氮量，氮肥表觀利用率均逐漸降低，品種間SL02-1>G2018>SY20>J22。各品種的氮肥邊際效率隨施氮量的增加總體上均呈降低趨勢(圖1B)。各品種N0～N240處理的氮肥邊際效率均為正值，J22、SY20、和SL02-1的N300處理均為負值，而G2018雖為正值，但很低。

表2 小麥籽粒產量及其構成的施氮和品種效應Table 2 Effects of cultivarand nitrogen rate on yield and its components of wheat

*:P<0.05; **:P<0.01.

表3 施氮處理間不同小麥品種籽粒產量及其構成的差異Table 3 Difference of yield and its components of different wheat cultivars among nitrogen application treatments

綜合以上分析，在本試驗條件下，J22和SL02-1獲得較高產量且氮肥效率較高的適宜施氮范圍為120～240 kg·hm-2，SY20為180～240 kg·hm-2，G2018為120～300 kg·hm-2。

圖1 不同施氮處理的氮肥表觀利用率和氮肥邊際效率Fig.1 Apparent nitrogen recovery and marginal efficiency of fertilizer N

2.3 氮肥對不同品種小麥品質的影響

在不同類型品種間各品質指標均存在顯著差異(表4)。長期不施氮會造成品質顯著下降，導致蛋白質含量、濕面筋含量、穩定時間等降至弱筋小麥水平(表4，圖2)。對于中筋品種J22，施氮對蛋白質含量、濕面筋含量、延伸性和沉降值有改善作用，但對面團形成時間、穩定時間、拉伸能量和拉伸阻力影響較小，其適宜施氮量為120～300 kg·hm-2。對于中強筋品種SY20，施氮120 kg·hm-2就能滿足蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率、形成時間、穩定時間、沉降值等指標達到品種自身要求的需要，但影響延伸性，適宜施氮量為180～240 kg·hm-2。對于強筋品種G2018和超強筋品種SL02-1，施氮120 kg·hm-2時，蛋白質、吸水率、穩定時間、拉伸面積和沉降值等指標也能實現品種潛力水平，但從濕面筋、形成時間和延伸性考慮，施氮量須達到180 kg·hm-2以上，適宜施氮量為180～240 kg·hm-2。

表4 不同品種和施氮處理的品質指標Table 4 Quality traits of different cultivars under various nitrogen rates

2.4 不同施氮量對表觀氮素平衡的影響

不同小麥品種籽粒吸氮量有差異，SL02-1高于其他品種(圖3)。由于試驗秸稈全部還田，籽粒吸氮量即為農田輸出氮量。施氮量低于120 kg·hm-2時，各品種籽粒攜帶出的氮素量顯著高于施氮量，農田氮素出現虧缺。施氮量為180 kg·hm-2時，SY20籽粒攜帶出的氮素量略低于與施氮量，而其余品種籽粒攜帶出的氮量略高于施氮量。施氮量為240 kg·hm-2時，各品種籽粒帶出的氮素量低于施氮量，農田氮素有盈余。根據施氮量直線與籽粒吸氮量趨勢線交點得出，J22、SY20、 G2018和SL02-1達到農田表觀氮素平衡的施氮量分別為197、166、199和218 kg·hm-2，平均值為195 kg·hm-2。

從播前和收獲時1 m土體硝態氮變化(圖4)看，施氮量為0～180 kg·hm-2時，收獲后土壤氮素有虧缺，當施氮為240 kg·hm-2時，土壤氮略有盈余，施氮量為300 kg·hm-2時，收獲后土壤硝態氮有大量盈余。利用直線插值法計算得到土壤氮素無盈余的施氮量為212 kg·hm-2。

圖2 施氮量對不同品種品質指標的影響Fig.2 Effect of nitrogen rates on quality of different wheat cultivars

圖3 不同施氮處理下各品種籽粒吸氮量與施氮量的關系Fig.3 Relationship between grain nitrogen and N rate to different varieties

圖4 不同施氮處理下的土壤硝態氮含量Fig.4 Nitrate nitrogen content in soil under different nitrogen rates

表5 不同品種高產、優質、氮素平衡的適宜施氮量范圍Table 5 Suitable range of nitrogen application for high yield, high quality and nitrogen balance to different varieties

3 討 論

氮肥是影響小麥產量的重要因素。本研究表明,在長期定位施氮條件下，不同品質類型小麥品種的產量差異顯著，適宜施氮量范圍也略有差異。從產量和氮肥利用效率看，J22、SY20、G2018和SL02-1的適宜施氮范圍分別為120～240、180～240、120～300和120～240 kg·hm-2。由于試驗土壤條件和小麥品種的差異，本研究與前人研究結果不盡相同，但總體來看不同品種獲得高產的適宜施氮量多在120～300 kg·hm-2范圍內[18-21]。

施用氮肥對于小麥籽粒蛋白質積累和加工品質的形成是必不可少的[22]。氮素缺乏會使籽粒形成過程中蛋白質的合成減少[23]，從而影響籽粒品質。本研究表明，在長期不施用氮肥或施氮60 kg·hm-2條件下，籽粒產量顯著降低，強筋小麥的品質指標降到中筋小麥品質指標范圍，中筋小麥品質指標降到弱筋小麥品質指標范圍。而前人的短期施氮試驗結果顯示，不同施氮處理對小麥品質的影響有限，品質指標沒有發生分級變化[24]。可能是由于在短期試驗中，土壤為小麥生長提供了更多的氮素，減弱了施氮量不足對產量和品質的影響。本試驗中施氮120 kg·hm-2能有效改善多數加工品質指標，而對于面團延伸性，施氮量達到180 kg·hm-2才能顯著改善。施氮量達到180 kg·hm-2以上時，各品質指標較好。當施氮量達到300 kg·hm-2時，有的品種品質指標有下降趨勢，可能是由于施氮過多抑制了HMW-GS 合成[25]。從高產優質的角度考慮，小麥適宜施氮量范圍為180～240 kg·hm-2，與多數研究結果[25-30]一致。

本研究還從農田氮素表觀平衡和土壤氮素平衡的角度分析了小麥的適宜施氮范圍。小麥籽粒帶走的氮量與產量和含氮量有關。本研究中，4個品種農田氮素表觀平衡的施氮量分別為197、166、198和218 kg·hm-2，均值為195 kg·hm-2，土壤硝態氮無盈余的施氮量為212 kg·hm-2。土壤硝態氮無盈余施氮量和農田表觀平衡的施氮量理論上是一致的，如果考慮1 m以下土壤硝態氮的積累、利用和淋失，降水灌溉等氮的輸入，以及硝化和反硝化作用，二者可能更接近。劉瑞等[31]研究表明，在施氮量為180～240 kg·hm-2時，土壤氮素已經表現出盈余，與本研究結果一致。在渭北旱地，施氮量控制在146～163 kg·hm-2時，既可以保證小麥高產，也可防止過量肥料氮殘留[32]；而在河北清苑，從小麥產量和硝態氮積累考慮以180 kg·hm-2為最佳施氮量[33]。由此可見，實現小麥高產和農田氮素平衡的適宜施氮量因地而異。

綜合考慮高產高效優質安全多種因素(表5)，本研究中N180處理施氮量與各品種的最佳施氮量接近，該處理播前播后0～100 cm土壤硝態氮分別為72和101 kg·hm-2(圖4)，與歐盟的標準(0～90 cm土壤硝態氮不超100 kg·hm-2)接近，是能實現高產高效優質安全的施氮量。