不同土壤肥力下施氮量對小麥產量和品質的影響

孫 夢,馮昊翔,張曉燕,劉世潔,韓志棟,韓瀟杰,李 尊,馬 耕,2,王麗芳,2，王晨陽,2

(1.河南農業大學農學院,河南鄭州 450046; 2.國家小麥工程技術研究中心,河南鄭州 450046)

小麥作為中國最主要的糧食作物之一，是保障中國糧食安全的口糧作物。提高小麥單產和品質是目前小麥研究的重要目標。遺傳基因、生態環境和肥料調控是影響小麥產量和品質的重要因素。土壤作為重要的生態環境因素，對小麥品質有顯著的調控作用。陸曉松等研究認為，提高麥田土壤肥力有利于小麥增產。氮肥作為小麥生長中需求最大的肥料之一，適量施用氮肥可以提高產量并改良籽粒品質。趙淑章等研究了不同土壤肥力水平對小麥品質的影響，認為土壤中的速效氮和全氮含量與籽粒蛋白質呈顯著正相關。關于氮肥對小麥品質影響的研究報道較多，多數研究表明，在一定范圍內增施氮肥能顯著提高籽粒蛋白質和濕面筋含量，提高面團吸水率、形成時間和穩定時間，改善小麥營養品質和加工品質。由于小麥品質指標間存在錯綜復雜的關系，單一指標評價小麥的品質極易受環境和基因型差異的影響。因此，應采用多指標綜合評定的方法研究小麥的品質。

前人在單一環境下圍繞不同施氮量對產量的研究較多，但較少有人結合不同土壤肥力綜合研究施氮量對小麥產量和品質的影響。本試驗在三種不同土壤肥力麥田設置四個施氮水平，研究在不同土壤肥力條件下施氮量對小麥產量和品質的影響，并采用相關性分析和主成分分析的方法綜合評價其對品質的調控效應，以期為小麥調優和豐產高效栽培提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與設計

試驗于2019-2020年度分別在河南省開封市祥符區八里灣姬坡農場(34°73′N，114°64′E)、開封市黃河灘水稻鄉(34°90′N，114°33′E)和焦作市溫縣祥云鎮高產區(34°92′N，112°99′E)進行，其中，溫縣試點土壤為潮土，土壤肥力水平高，用WX表示；八里灣試點土壤為黏土，土壤肥力水平中等，用BLW表示)；開封黃河灘試點土壤砂土，土壤肥力水平低，用HHT表示。播種前0～20 cm耕層土壤基礎肥力見表1。供試品種為強筋小麥品種豐德存麥5號和中筋小麥品種百農207，施氮量均設置0、180、240和300 kg·hm四個水平，分別用N0、N1、N2和N3表示。氮肥以尿素為氮源(含氮量46%)，按照基追比1∶1方式施肥，追肥于拔節期施入，磷肥(PO，150 kg·hm)和鉀肥(KO，120 kg·hm)于整地時一次性施入。試驗采用隨機區組設計，三次重復。

表1 試驗田 0～20 cm 土層播種前土壤養分含量

1.2 測定項目與方法

1.2.1 產量測定

每個小區收獲8 m有代表性的小麥，測定籽粒水分含量后折算出含水量為13%的產量。

1.2.2 蛋白質及其組分含量的測定

籽粒樣品風干清除雜質后，使用旋風式樣品磨(FOSS，瑞士)進行制粉。依據 ICC(International Association for Cereal Chemistry, Vienna)標準方法，使用凱氏定氮儀(FOSS，瑞士)進行蛋白質含氮量的測定，含氮量乘以5.7即為小麥籽粒中蛋白質含量。蛋白質含量與籽粒重量的乘積即為蛋白質產量。蛋白質組分采用連續振蕩法進行提取，提取次序依次為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白。

1.2.3 谷蛋白大聚合體( GMP)含量的測定

參照Weegels等和孫 輝等的方法測定籽粒GMP含量。

1.2.4 濕面筋含量的測定

參照 GB/T 5506.2-2008《小麥和小麥粉面筋含量第2部分：儀器法測定濕面筋》，采用面筋測定儀(Perten，瑞典)測定濕面筋含量。

1.2.5 沉降值測定

參照GB/T 21119-2007《小麥沉降指數測定法-Zeleny試驗》，采用磨粉機(ChopinCDI)磨粉,用Zeleny法測定沉降值。

1.2.6 粉質參數測定

面團形成時間和穩定時間參照GB/T 14614-2006《小麥粉面團的物理特性吸水量和流變學特性的測定粉質儀法》，采用粉質儀(Brabender,德國)測定面團形成時間和穩定時間。

1.3 數據處理

采用Excel 2013處理數據，采用SPSS 19.0統計分析軟件對數據進行相關分析及主成分分析(PCA)。

2 結果與分析

2.1 不同土壤肥力下施氮量對小麥籽粒產量和蛋白產量的影響

從表2可以看出，低肥力麥田豐德存麥5號和百農207的產量分別為1 926.6～ 5 745.7 kg·hm和2 243.2～ 4 549.1 kg·hm，平均產量為4 237.98 kg·hm；中等肥力麥田豐德存麥5號和百農207的產量分別為2 519.3～ 10 195.8 kg·hm和2 327.4～ 9 788.2 kg·hm，平均產量為7 587.66 kg·hm；高肥力麥田豐德存麥5號和百農207的產量分別為9 623.4～ 11 269.2 kg·hm和8 510.9～ 9 957.2 kg·hm，平均產量為9 744.9 kg·hm。

表2 不同土壤肥力下施氮量對小麥籽粒產量、蛋白質含量和蛋白產量的影響

基礎肥力產量以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。與N0處理相比，施氮處理顯著提高了兩品種的產量(高肥力麥田N2、N3處理的豐德存麥5號和N3處理的百農207除外)，高肥力麥田和低肥力麥田兩品種的產量均以N1處理最高，但與其他施氮處理間均無顯著差異(除高肥力麥田N1處理的豐德存麥5號顯著高于其他施氮處理外)。中等肥力麥田下豐德存麥5號在N3處理下最高，百農207在N2處理下最高，但與其他施氮處理間差異不顯著。施氮對豐德存麥5號和百農207的增產效應表現為：在低肥力麥田，平均產量分別增加了176.7%和 94.2%；在中等肥力麥田，平均產量分別增加了277.7%和300.7%；在高肥力麥田，所有施氮處理的平均產量較不施氮處理分別增加了2.4%和13.4%。所有肥力麥田豐德存麥5號的平均產量(7 456.3 kg·hm)高于百農207(6 924.0 kg·hm)。

基礎肥力蛋白質含量以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。與N0處理相比，施氮處理顯著提高了兩個小麥品種的籽粒蛋白質含量(高肥力麥田N1、N3處理的豐德存麥5號除外)，且以N2處理下最大(除中等肥力麥田的百農207在N3處理下最大)，中等肥力麥田和低肥力麥田兩個小麥品種的籽粒蛋白質含量在N2處理下均顯著高于其他處理，中等肥力麥田N2處理下兩個小麥品種的籽粒蛋白質含量均顯著高于N0和N1處理，但與N2處理無顯著差異?？偟膩碚f，施氮后小麥蛋白質含量及其增幅以低肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，高肥力麥田最低。地點與品種間表現趨勢一致。施氮對豐德存麥5號和百農207蛋白質含量的增加效應表現為：在低肥力麥田，所有施氮處理的平均蛋白質含量較不施氮處理分別增加了73.8%和44.1%；在中等肥力麥田，分別增加了29.8%和50.6%；在高肥力麥田，分別增加了3.5%和19.4%。

不同施氮處理下蛋白質產量均以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。蛋白質產量隨施氮量變化趨勢與蛋白質含量變化趨勢一致，且增幅在中等肥力麥田最大。

2.2 不同土壤肥力下施氮量對小麥主要加工品質的影響

由表3可以看出，在不同肥力麥田，施氮均顯著提高了面粉的沉降值(高肥力麥田N1處理的豐德存麥5號和N2處理的百農207除外)，其中百農207增幅(平均61.1%)大于豐德存麥5號(平均34.9%)。不施氮條件下，沉降值以高肥力麥田最高，豐德存麥5號和百農207的沉降值分別為28.4和26.3 mL。施用氮肥后，兩個品種的沉降值及其增幅以低肥力麥田最大，且以N2處理最大，但與其他施氮處理間無顯著差異，N2處理下豐德存麥5號和百農207的沉降值分別為39.3和45.5 mL，增幅分別達到70.9%和 145.9%。

表3 不同土壤肥力下施氮量對小麥面粉加工品質的影響

不施氮條件下，濕面筋含量以高肥力麥田最高，豐德存麥5號和百農207的濕面筋含量分別為26.7%和25.5%。施用氮肥后，兩個品種濕面筋含量及其增幅以低肥力麥田最高，且以N2處理最高，但均與N3處理無顯著差異，N2處理下豐德存麥5號和百農207的濕面筋含量分別為35.0%和 34.7%，增幅分別達到76.8%和65.2%。

面團形成時間和穩定時間的品種間差異大于地點間差異，強筋品種豐德存麥5號的形成時間和穩定時間顯著高于中筋品種百農207。在不同肥力麥田，施氮處理均顯著延長了兩個品種的形成時間。豐德存麥5號的形成時間在中等肥力和高肥力麥田以N3處理最大，但中等肥力麥田N3處理與其他施氮處理無顯著差異；在低肥力麥田以N2處理最大，但與N3處理無顯著差異。百農207的形成時間在中等肥力和低肥力麥田以N2處理最大，但與N3處理無顯著差異；在高肥力麥田以N1和N2處理最大。施氮處理顯著延長了豐德存麥5號的穩定時間，百農207的穩定時間僅在高肥力麥田N2和N3處理下顯著提高。說明施氮對強筋小麥品種的粉質參數增加效應更為明顯。

2.3 小麥籽粒品質指標之間的相關性

由表4可以看出，蛋白質含量、醇溶蛋白含量、谷蛋白大聚合體含量、形成時間與其他七個指標均呈顯著正相關。谷蛋白含量、沉降值、濕面筋含量與穩定時間呈正相關，但未達到顯著水平，與其他六個指標均呈顯著正相關。由此可見，各指標之間存在密切的生物學聯系，共同影響小麥籽粒品質性狀。此外，受地點、品種、施氮量及相互作用的影響，用一個或幾個指標反映小麥品質具有很大的局限性。

表4 小麥籽粒品質指標的相關性分析

2.4 小麥籽粒品質指標的主成分分析及品質得分

對小麥籽粒8個品質指標進行主成分分析，結果(表5)表明，前2個主成分的累計貢獻率達到了 91.175%，可代表大多數單項原始品質性狀信息。因此，將8個品質指標轉化為2個相互獨立的指標PC1、PC2。通過主成分分析獲得其特征向量，如表6所示，指標對應的絕對值越大，對該主成分的貢獻越大。第一主成分貢獻率為 73.595%，荷載較大的依次是蛋白質含量、濕面筋含量、谷蛋白大聚合體含量、醇溶蛋白含量、麥谷蛋白含量、沉降值，對第一主成分均呈正效應，反映了小麥的蛋白質特性。第二主成分貢獻率為 17.6%，主要由形成時間和穩定時間決定，反映了小麥粉質特性。

表5 冬小麥品質指標的主成分分析

表6 參數的特征向量表

由圖1可以看出，不施氮條件下，小麥蛋白質因子及粉質因子均以高肥力麥田表現較好。在不同土壤肥力麥田，施氮均改善了小麥籽粒品質。在低肥力麥田，施氮主要改變了小麥的蛋白質特性，施氮量為240 kg·hm時蛋白質因子表現較好。中等肥力麥田，施氮同時增強小麥的蛋白質特性和粉質特性，施氮量為240 kg·hm時綜合品質最好，繼續施氮品質提升不明顯。高肥力麥田，施氮主要改變小麥粉質特性，施氮量為300 kg·hm時粉質特性表現最好，施氮量為240 kg·hm時，蛋白質特性與粉質特性均 較好。

圖1 品質性狀的主成分分析

3 討 論

中國小麥產業發展面臨提升質量、降低成本和保護環境三大挑戰。確定合理的氮肥用量，減少和防止土壤氮素殘留對保護生態環境、實現小麥優質高產至關重要。不同肥力及不同質地土壤條件下小麥的生長表現不同，不同施氮量對小麥籽粒產量和品質的影響也不同。

趙淑章等認為，土壤基礎肥力和全氮含量顯著影響小麥籽粒產量。在本試驗中，基礎肥力籽粒產量以高肥力麥田最高，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最低。產量在地點間差異大于施氮量和品種間差異。介曉磊等研究發現，在中等肥力土壤條件下，施氮量為240 kg·hm時，小麥籽粒產量達到最高。這與本試驗研究結果一致。本研究還發現，在高肥力與低肥力麥田，小麥籽粒產量均以180 kg·hm施氮量時最高。小麥籽粒產量增幅以高肥力麥田最低，中等肥力麥田次之，低肥力麥田最高。原因可能是高肥力土壤供氮能力強，小麥對土壤氮素的依存率高，消耗土壤氮素多，而對化肥氮的消耗量降低，施氮增產效果差；而低肥力土壤供氮能力差，氮肥的增產效果顯著。施氮后仍以低肥力麥田產量最低，原因可能是砂土地漏水漏肥嚴重，不利于小麥實現高產。

施氮顯著提高了小麥籽粒的蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、形成時間和穩定時間，這與前人的研究結果一致。不施氮條件下，高肥力麥田籽粒的蛋白質含量、面粉的濕面筋含量、沉降值、面團形成時間和穩定時間均大于低肥力麥田，這是因為土壤基礎肥力高、供氮能力強。賀明榮等研究發現，高肥力土壤條件下，由于土壤氮素供應水平高，增施氮肥對籽粒蛋白質含量無顯著影響。而在本研究中，高肥力土壤條件下，施氮顯著提高了籽粒的蛋白質含量、蛋白質產量等品質指標，但對其調控效應低于低肥力土壤。徐恒永等研究表明，高土壤肥力和中低土壤肥力條件下，純氮施用量分別以150～225和225～300 kg·hm時，對提高小麥綜合品質效果顯著。張 銘等研究發現，低肥力土壤上增施氮肥可以顯著提高蛋白質產量，而高肥力土壤在施氮量為0～270 kg·hm時，可以提高蛋白質產量，過量施氮則導致籽粒產量降低，進而使蛋白質產量下降。在本試驗中，綜合來看，除高肥力土壤條件下，豐德存麥5號的蛋白質產量在施氮量為180 kg·hm時最大，兩品種在不同土壤肥力條件下，均在施氮量為240 kg·hm時有較高的蛋白質含量和蛋白質產量。

小麥品質性狀復雜，是由多個品質指標相互作用的結果。品質性狀的相關性分析結果表明，蛋白質含量與谷蛋白大聚合體含量、沉降值、濕面筋含量、形成時間、穩定時間均呈極顯著正相關，這與前人的研究結果一致。由于各指標所表達的信息存在部分重疊。因此采用主成分分析的方法評價小麥品質。主成分分析是把這些復雜的因子轉化為少數彼此獨立的因子來綜合反映原來變量的信息。將主成分分析用于小麥品質特性的評價和篩選，既能把握其綜合性狀表現，又能簡化選擇程序。李桂萍等運用主成分分析將雜種小麥品質性狀劃分為蛋白質因子和面團因子。趙鵬濤等將小麥品質綜合為沉降因子、面團因子和容重因子。本研究將品質性狀轉化為2個主成分因子，即蛋白質因子和粉質因子，進一步分析發現，基礎肥力提高和不同土壤肥力下施用氮肥均增強了小麥的蛋白質因子和粉質因子。從品質性狀看，不論肥力高低，均以施氮量為240 kg·hm時的調控效果最好。但在不同土壤基礎肥力麥田，施氮對品質的增強效應有所差異。在低肥力麥田施氮對蛋白質因子的增強效應較大，在中高肥力麥田，施氮能均衡增強蛋白質因子和粉質因子，在高肥力麥田，施氮對小麥粉質因子的增強效應較大。

4 結 論

提高土壤基礎肥力和施氮均可以提高小麥籽粒產量和改善品質。施氮對小麥籽粒產量和品質的提升效應在地點間存在差異。低肥力土壤條件下，施氮對小麥籽粒產量和品質改善最顯著，但提升空間有限。中高肥力土壤條件下，在施氮量為240 kg·hm時產量、品質最優。高肥力土壤條件下，產量在施氮180 kg·hm時最高，品質在施氮240 kg·hm時最優。