微噴灌下不同氮肥基追比對冬小麥產量和品質的影響

姚春生 盧崇靖 孫 婉 劉 洋 張 震 王志敏 張英華

(中國農業大學 農學院，北京 100193)

氮肥是影響作物生產的關鍵因素，對小麥產量和品質的形成具有極其重要的作用[1]。在世界范圍內小麥的氮肥利用率約為33%[2]，不合理的氮肥施用造成了資源的極大浪費并導致了諸多的環境問題[3-5]。因此，合理的氮肥運籌對于小麥增產提質和高效綠色生產具有重要意義。

氮肥運籌包括施氮量、施氮次數、基追比例、追氮時期和施氮形式等管理措施，長期以來國內外學者做了很多的研究工作[6-9]。研究發現，將一部分基肥后移至拔節期前后施用，可以延緩葉片衰老，提高粒重，增加花后干物質積累，進而顯著提升小麥產量和品質[10-15]。在氮肥后移比例上，常規灌溉施肥條件下因供試品種類型、地力水平和生產環境的差異，得到了不同的結論。石玉等[16]研究表明，在山東省基追比為1∶2時可以兼顧小麥產量和品質。劉萬代等[17]研究認為河南省內種植的多穗型品種基追比為5∶5 或3∶7時產量高，品質也有所改善，大穗型品種則以基追比7∶3較好。李東方等[18]則認為，河南省強筋小麥氮肥基追比3∶7時產量與品質均較好，弱筋小麥基追比5∶5時較好。多數的研究認為基肥占比50%時小麥產量和品質均較好[19-20]。

20世紀80年代以來，微噴灌作為新興農業灌溉方式，應用越來越廣泛[21]。有關微噴灌對冬小麥產量和水分利用影響的研究已有很多報道，但是有關微噴水肥一體化下冬小麥氮肥施用策略及其對小麥品質影響的研究報道相對較少。本研究在施氮總量為210 kg/hm2條件下考察氮肥基追比不同對中筋和強筋冬小麥產量及品質形成等特征指標，旨在探明微噴水肥一體化條件下不同的氮肥運籌對不同筋型冬小麥產量和品質的調控效應，以期為華北平原優質小麥的生產和微噴水肥一體化合理氮肥運籌提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020年在河北省滄州市吳橋縣中國農業大學吳橋實驗站(37°41′02″ N、116°37′23″ E)進行。試驗地點位于海河平原的黑龍港地區中部，海拔20 m，地下水位7～9 m，歷年平均降水量562 mm，主要分布在6—8月，2014—2019年冬小麥生育期平均降水量120 mm/年。2018—2019和2019—2020年冬小麥季有效降雨量分別為62.3 和174.3 mm，具體的降雨分布和氣溫，見圖1。試驗地前茬為夏玉米，土壤為壤質底黏潮土。0～40 cm土壤有機質含量為12.3 g/kg，全氮含量1.01 mg/kg，速效鉀106.2 mg/kg，速效磷30.1 mg/kg。灌溉用井水，井深20 m，井距試驗地100 m。

圖1 2018—2020年冬小麥生長季降雨分布和溫度變化Fig.1 Precipitation and temperature during the 2018-2020 growing season of winter wheat

1.2 試驗方法

供試小麥材料為強筋品種‘藁優2018’(‘GY 2018’)和中筋品種‘濟麥22’(‘JM 22’)，分別于2018-10-14和2019-10-20播種，播種行距為15 cm。‘藁優2018’2年的基本苗分別為597.0萬和664.5萬株/hm2，‘濟麥22’ 2年的基本苗分別為634.5萬和679.0萬株/hm2。春季采用山東農業大學研發的小麥專用微噴帶[22]進行灌水，微噴帶水壓為0.02 MPa，每6行小麥鋪設一根微噴帶，帶長 30 m，出水量6.0 m3/h，微噴射角80 °。灌水和追氮時期為拔節期、孕穗期、開花期和灌漿中期，每次灌水量為300 m3/hm2。施純氮(尿素，N含量46%)總量為210 kg/hm2，設置3個氮肥基追比處理，分別為3∶7(B1)、5∶5(B2)和7∶3(B3)，播前底施純磷(過磷酸鈣，P2O5含量為12%)120 kg/hm2、純鉀(硫酸鉀，K2O含量為50%)90 kg/hm2，生育過程中不再追施磷、鉀肥。所有處理追施氮肥均采用水肥一體化，即每次灌水將1/4的追施氮肥溶解于施肥器中注入灌水管道。采用裂區試驗設計，小麥品種為主區，不同氮肥基追比處理為副區。小區面積為120 m2，3次重復。‘藁優2018’分別于2019-06-08和2020-06-08收獲，‘濟麥22’分別于2019-06-11和2020-06-12收獲。

1.3 測定項目

1.3.1產量及產量構成

在收獲前，每重復選取1 m×6行樣段考察穗數，隨機選取60個穗考察穗粒數。收獲期每個小區選取3 m2測量實際產量，籽粒含水量按13%折算，從每個樣品隨機選取1 000粒測量千粒重，3次重復。

1.3.2群體干物質積累

于開花期和成熟期選取0.5 m×2行具有代表性的樣段，按照莖、葉、穗分離樣品。105 ℃殺青30 min后轉入75 ℃烘干至恒重，稱重記錄。群體干物質積累相關計算公式如下：

花后干物質積累量=成熟期干物質量-開花期干物質積累量收獲指數=成熟期籽粒生物量/地上部總生物量

1.3.3群體氮素積累

植株全氮含量采用半微量凱氏定氮法[23]測定。群體氮素積累與轉運相關計算公式如下：

群體氮素積累量=群體干物質積累量×氮素含量
開花后氮素積累量=
成熟期氮素積累量-開花期氮素積累量
營養器官氮素轉移量=開花期營養器官
氮素積累量-成熟期營養器官氮素積累量
營養器官氮素轉移率=花前營養器官氮素
轉移量/開花期營養器官氮素積累量×100%
氮素收獲指數=成熟期籽粒氮素積累量/
地上部氮素總積累量
氮肥偏生產力=籽粒產量/施氮量
單粒占有的花后吸氮量=開花后氮素積累量/

(穗數×穗粒數)×100

1.3.4籽粒品質

取籽粒樣品2 000 g，利用瑞士Buhler公司生產的MLU202型實驗磨研磨成粉，瑞士Perten公司生產的2200型面筋儀測定濕面筋含量，用德國Brabender公司生產的810106002型粉質儀測定粉質參數，濕面筋含量檢驗依據：GB/T 5506.2—2008《儀器法測定濕面筋》[24]、面筋指數檢驗依據LS/T 6102—1995《小麥粉濕面筋質量測定方法 面筋指數法》[25]、面團吸水率、面團形成時間、面團穩定時間檢驗依據GB/T 14614—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 粉質儀法》[26]、沉降值檢驗依據GB/T 15685—2011《糧油檢驗 小麥沉淀指數測定 SDS法》[27]。面粉蛋白質含量采取半微量凱氏定氮法測定，蛋白質轉換系數為5.7。

1.4 數據處理

用Excel 2010軟件對試驗數據進行處理和作圖，用SPSS 20.0統計分析軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 氮肥基追比對不同筋型冬小麥產量及產量構成的影響

由表1可知，強筋小麥‘藁優2018’(‘GY 2018’)和中筋小麥‘濟麥22’(‘JM 22’)均以B2(基追比為5∶5)處理產量最高，且B2處理均顯著高于B1(基追比為3∶7)和B3(基追比為7∶3)處理。B1顯著降低2個品種的穗數，而B2和B3處理間穗數差異不顯著。2個品種穗粒數在各處理間差異不顯著。隨著追氮比例的增加，2個品種千粒重呈增加趨勢，B1處理千粒重顯著高于B3處理。從2年數據來看，相較于B3，B1處理顯著降低了2個品種冬小麥的穗數，但顯著增加了籽粒的千粒重；而B2處理穗數和千粒重較為協調，在保證穗數的前提下增加了千粒重，因而產量最高。

表1 不同氮肥基追比處理的2個冬小麥品種的產量及產量構成Table 1 Yield and yield composition of two winter wheat varieties treated withdifferent nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.2 氮肥基追比對2種筋型冬小麥干物質積累和收獲指數的影響

由表2可知，隨著追氮比例的增加，2個品種開花期干物質積累有減少的趨勢，B1處理顯著低于B3處理，B2與B3處理差異不顯著；花后和成熟期干物質積累以及收獲指數均隨著基肥比例增加而先升高后降低，在B2處理下達到最大值。綜合2年數據來看，3個基追比處理間，B1處理顯著降低了開花期的干物質積累，B3處理顯著降低了花后的干物質積累，而B2處理開花期和花后干物質積累量均高于B1和B2處理，因而B2處理成熟期獲得了最高的干物質積累和收獲指數。

表2 不同氮肥基追比處理的2個冬小麥品種的干物質積累和收獲指數Table 2 Dry matter accumulation and harvest index of two winter wheat varieties treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.3 氮肥基追比對2種筋型冬小麥氮素積累和利用的影響

2.3.1籽粒氮素積累

由圖2可知，2個品種2年籽粒氮素積累量均表現為隨著追氮比例增加而先增加后降低，在B2處理達到最大值，B2處理顯著高于B3處理。強筋品種‘藁優2018’在2年中B1與B2處理差異均不顯著，2019—2020年中筋品種‘濟麥22’也有相似的規律。綜上，2個品種在B2處理下均能夠實現不同年型下最高的籽粒氮素積累量；B2處理下‘濟麥22’籽粒氮素積累量顯著高于‘藁優2018’(P<0.05)，主要由于‘濟麥22’的籽粒產量顯著高于‘藁優2018’。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。The lowcase letter indicates significant difference (P<0.05). The same below.

2.3.2群體氮素總積累和階段積累

由圖3可知，2年中，2個品種成熟期植株氮素總積累均表現為，隨著基肥比例的增加先升高后降低，均以B2處理最高；2個品種開花前植株氮素積累量均表現為隨著追氮比例的增加而降低，以B3處理最高，2018—2019年B3與B2無顯著差異，2019—2020年B3顯著高于B2。2個品種開花后植株氮素積累量則隨著追氮比例的增加而增加，B1與B2處理無顯著差異，但均顯著高于B3處理。由此可見，增加氮肥基施比例，有利于2個品種開花前的氮素積累，而增加追氮比例則有利于植株花后氮素的積累，而B2處理花前氮素積累和花后氮素積累都較高，因而成熟期獲得了最高的氮素積累量。

圖3 不同氮肥基追比處理的2個品種冬小麥的群體氮素總積累和階段積累Fig.3 Total nitrogen accumulation and stage nitrogen accumulation of two varieties of winter wheat treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.3.3單粒占有的花后吸氮量

由圖4可知，2個品種2年的B1處理單粒占有的花后吸氮量均為最高，B3處理均為最低，且B1均顯著高于B3處理，且B1處理花后吸氮量均顯著高于B3處理，而B1處理的穗數顯著低于B3處理，B3處理單粒占有的花后吸氮量均顯著低于其他2個處理。這也說明增加生育后期的氮素供應顯著提高單個籽粒的花后吸氮量，這是籽粒蛋白質含量提高的重要原因。

圖4 不同氮肥基追比處理的2個品種冬小麥的籽粒花后吸氮量Fig.4 Post-anthesis grain N uptake of two varieties of winter wheat treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.3.4氮素轉運及氮素利用

由表3可知，2018—2019年，2個品種花前營養器官氮素轉移率在不同氮肥基追比處理間差異不顯著；2019—2020年，隨著追氮比例的增加花前營養器官氮素轉移率(PNTR)有降低的趨勢，且B3處理顯著高于B1和B2處理。綜合2年數據來看，增加追氮比例顯著降低了花前營養器官氮素轉移率。花后氮素積累對籽粒氮的貢獻率(NPCT)、氮素收獲指數(NHI)在不同氮肥基追比處理下表現出相似的變化趨勢，即隨著追氮比例的增加而增加的趨勢，且B3處理顯著低于B1處理。2個品種氮肥偏生產力(PFP)隨著追氮比例的增加先升高后降低，以B2處理最高，顯著高于B1和B3處理。總的來說，適當增加追氮比例，顯著增加了花后氮素吸收對籽粒氮素積累的貢獻率，提高了氮素收獲指數和氮肥偏生產力。

表3 不同氮肥基追比處理的2個冬小麥品種的氮素利用Table 3 Nitrogen utilization of two winter wheat varieties treated with different nitrogen basal and topdressing ratios

2.4 氮肥基追比對2種筋型冬小麥籽粒品質的影響

2.4.1面粉品質

由表4可知，在不同氮肥基追比處理下，隨著追氮比例的增加，2個品種的面粉濕面筋含量(WGC)、沉降值(SV)和蛋白質含量(GPC)有增加的趨勢，B1處理均顯著高于B2和B3處理。面筋指數(GI)表現出相反的規律，即隨著追氮比例的增加，面筋指數有降低的趨勢。由此可見，增加追氮比例可以增加籽粒蛋白質含量，但是也有降低面筋質量的危險。2個品種間比較，‘藁優2018’籽粒蛋白質含量相比‘濟麥22’優勢并不突出，但是面筋指數和沉降值顯著高于‘濟麥22’(P<0.05)。

表4 不同氮肥基追比處理的2個冬小麥品種的面粉品質Table 4 Flour quality of two winter wheat varieties treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

2.4.2面團品質

由表5可知，增加追氮比例提高了2個品種的面團吸水率(WA)和粉質指數(FQN)，2018—2019年B1處理顯著高于B2和B3處理。隨著追氮比例的增加，強筋小麥‘藁優2018’的面團穩定時間(ST)顯著增加，以B1處理最高，顯著高于B2和B3處理。‘濟麥22’由于面團形成時間(DT)和穩定時間過短，處理間差異不顯著。總的來說，在不同氮肥基追比處理下，B1處理面團品質最好，吸水率和面團穩定時間顯著高于其他處理。品種間比較，‘藁優2018’的面團形成時間、穩定時間和粉質指數顯著高于‘濟麥22’(P<0.05)，加工品質也優于‘濟麥22’。

表5 不同氮肥基追比處理的2個冬小麥品種的面團品質Table 5 Dough quality of two winter wheat varieties treated with different nitrogen fertilizer basal and topdressing ratios

3 討 論

施氮時期和追氮比例對冬小麥產量和品質具有重要的調控作用[6]。已有研究發現，在傳統畦灌條件下，追氮時期由拔節期推遲至孕穗期顯著提高籽粒各組分蛋白質含量和籽粒的烘烤品質[10]，另外，氮肥分施更有利于提升籽粒產量和品質[7]。在微噴灌條件下，氮肥基追比為3∶7的處理(B1)可顯著提高冬小麥籽粒蛋白質含量和加工品質，氮肥基追比為5∶5的處理(B2)千粒重和穗數最為協調，產量最高(表1)，這與Zhong等[10]、倪紅山等[19]和陳祥等[20]的研究結果一致。由此可見，傳統畦灌和微噴灌下適當增加追氮比例均可以協調冬小麥的產量和品質。不同的是，傳統畦灌方式的追氮時期多在拔節期至開花期，因此很少在花后進行澆水追氮。本研究的微噴灌模式可以將傳統畦灌模式下拔節期的一部分追氮量后移至孕穗期、開花期和灌漿期，使得氮肥后移和氮肥的分次施用更容易實現。除此之外，微噴灌模式噴撒出的水肥經過小麥冠層，除了根系，莖、葉和穗也可以截留一部分水肥，從而增加小麥植株對氮素的吸收。Gholami等[28]和Rossmann等[29]的研究也表明，花后葉面施氮可以提高籽粒蛋白質含量，改善烘烤品質。Li等[30]研究也發現，微噴水肥一體化條件下少量多次的水肥供應顯著增加了花后氮素的吸收，提升了籽粒產量和蛋白質含量。花后小麥氮素吸收增加主要由于微噴水肥一體化少量多次水肥供應下，上層土壤的氮素含量較高，利于植株吸收利用，拔節期水肥供應少，促進了根系下扎，利于根系吸收利用深層土壤的水肥[31]。總之，微噴灌水肥一體化條件下冬小麥的產量和品質協同提高的潛力更大。

在本試驗中，從2種筋型冬小麥加工品質對氮肥調控的響應來看(表4和表5)，‘藁優2018’2年均表現為，籽粒濕面筋含量、蛋白質含量、沉降值、吸水率、穩定時間和粉質指數隨追氮比例的增加而顯著增加，品質得到顯著改善；對于‘濟麥22’來說，隨著追氮比例的增加，2019—2020年濕面筋含量、蛋白質含量、沉降值和粉質指數顯著增加，2018—2019年只有濕面筋含量和粉質指數有所增加，而面團形成時間和穩定時間年際間均無顯著差異，可見，氮肥管理對強筋小麥‘藁優2018’的品質調控效果更好。

4 結 論

綜合產量和品質，在本試驗條件下施氮量為210 kg/hm2、氮肥基追比為5∶5(B2)是華北平原強筋小麥實現優質高產的最佳氮肥運籌方式，可提高花后干物質積累進而提高花后吸氮量,是同步提升強筋小麥籽粒產量和品質的重要途徑。