施氮時期對谷子產量、品質和氮素利用率的影響

秦 娜 朱燦燦 代書桃 宋迎輝 王春義 李君霞* 平西栓

(1.河南省農業科學院 糧食作物研究所，鄭州 450002;2.河南省農業技術推廣總站，鄭州 450002)

自20世紀80年代以來，世界糧食總產量增加了一倍，而氮肥的使用量卻增加了近7倍[1]。按照目前氮素利用率 30%～40%計算，為滿足人口增長對糧食的需求，到2025年至少需要施用20×106t氮肥[2]。谷子作為北方地區的主要糧食作物[3]，其生長發育過程、品質及產量一直是研究的重點。氮肥是谷子生長中必不可少的營養元素之一，過量施用不僅導致生產成本增加和品質下降，而且造成的環境污染不利于農業可持續發展[4-5]。基于此，國內外越來越重視研究氮素對作物生長發育影響的生理生化機制和遺傳基礎，從根本上提高作物對氮素的利用率和轉化率。

不同基因型谷子品種間氮素利用效率和產量存在顯著差異[6]，而谷子品質性狀較為復雜，受遺傳基因和環境因素雙重影響。關于氮素對谷子產量和品質的影響，已有較多研究報道，楊延兵等[7]研究結果表明，抽穗后不同濃度尿素處理間谷子株高、莖粗、單株干重均無顯著差異；段宏凱等[8]發現株高在幼穗分化期呈現“快—慢—快—慢”的生長特點，且追施氮肥能夠顯著延緩后期葉片干物質的下降；關瑞等[9]研究發現控釋氮肥一次性基施時成熟期谷子籽粒和秸稈氮、磷、鉀含量均顯著高于基施和追施尿素處理；代小冬等[10]研究表明氮肥為碳酸氫銨和緩釋硫酸銨且只作基肥施入時，谷子葉面積、穗粗、單穗質量和產量表現最優；陳二影等[11-14]研究發現作物的不同品種對氮肥的響應存在一定差異，在缺氮條件下，小麥、水稻、谷子不同品種間產量和氮素利用效率均表現顯著差異，在氮充足的情況下，產量與氮肥利用效率又呈現出不同的規律。陳國秋等[15]在研究氮肥對‘燕谷16號’的影響時發現，隨著氮肥用量的増加，產量和經濟效益呈拋物線趨勢變化；邢靜熠等[16]研究表明穗分化時期施氮肥谷子穗數、穗粒數、千粒重和產量均顯著提高，且影響小米甜味、鮮味的芳香類氨基酸含量顯著提升；袁蕊等[17]通過對黃化突變體谷子葉面噴施氮肥處理，結果顯示噴施氮后黃化葉片的總葉綠素含量增加，光合作用增強，莖稈直徑、千粒重及小米類胡蘿卜素含量均顯著增加；張喜文等[18]研究表明隨著施氮量增加，谷子蛋白質、直鏈淀粉及膠稠度顯著增加，而粗脂肪、總淀粉則呈降低趨勢。曾蓉等[19]研究發現，拔節期和孕穗期追氮對谷子籽粒粗蛋白含量及總淀粉含量的影響存在著極顯著的交互作用，拔節期追氮量較低時，總淀粉含量隨孕穗期追氮量的增加而呈上升趨勢，當拔節期追氮量處于高水平時，增加孕穗期追氮量反而會減少總淀粉含量的積累。羅世武等[20]發現在谷子生長的不同時期追施氮肥能顯著促進谷子植株的生長、器官養分的増加和產量的提高。目前，不同施氮時期對谷子產量和品質影響的研究鮮見報道。本研究選用5個不同基因型的谷子品種，設置4個施氮(尿素)時期，測定谷子的產量和品質性狀及氮素利用效率等指標，旨在明確施氮時期對不同谷子品種產量、品質和氮素利用效率的影響，以期為實現谷子的優質高產提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所選用品種為‘豫谷18’、‘豫谷28’、‘中谷5號’、‘冀谷31’、‘濟谷20’(表1)。供試氮肥為尿素(含N 4.6 g/100 g)。

表1 供試谷子品種Table 1 Millet cultivars used in this study

1.2 試驗設計

試驗在河南省新鄉市河南現代農業研究開發基地潮土試驗站(34.55° N 113.36° E)進行，該試驗站為全自動自走式平移灌溉系統，四周均設有排澇蓄水渠。試驗地耕作制度為冬小麥-夏谷子一年兩熟輪作。試驗于2020年6月10日播種，9月16日收獲；2021年6月13日播種，9月15日收獲。新鄉潮土試驗站是基于2012年開始的氮肥水平長期定位試驗，試驗點土壤養分狀況為：有機質15.9 g/kg、硝態氮18.2 mg/kg、銨態氮7.51 mg/kg、速效磷29.5 mg/kg、速效鉀185.0 mg/kg。試驗設4個處理，分別是T0(不施氮)為對照、T1(播種期施氮)、T2(拔節期施氮)、T3(開花期施氮)，施肥量是375 kg/hm2(供試氮肥為尿素，有效氮為175 kg/hm2)，每個處理3次重復，供試品種小區面積16 m2(寬3.2 m，長5.0 m)。試驗采用隨機區組試驗設計，等行種植，播種密度為60萬株/hm2。播種期氮肥為整地翻耕時施入土壤，拔節期和開花期氮肥分別以追肥形式施入，病蟲草害按高產栽培田嚴格管理，2年試驗期間均無嚴重病蟲害爆發。其他田間管理同正常谷子生產，于抽穗期在田間布置防鳥網，成熟期收獲單株和籽粒。

1.3 測定指標及方法

1.3.1谷子產量和構成因子

各基因型谷子品種成熟后，從每行的第3株連續取樣，共取30株進行考種，并測定各處理品種產量及產量性狀，包括株高、生物量、單穗重、千粒重。

1.3.2谷子食味和營養品質

根據中華人民共和國農業農村部發布實施的標準《GB 2905—82谷類、豆類作物種子粗蛋白質測定法》[21]測定蛋白質含量，脂肪含量參照王力立(2011)方法[22]進行。灰分含量測定參照國家標準《GB/T 22510谷物、豆類及副產品灰分含量的測定》[23]，碳水化合物含量參照國際標準(ASTM E1758)[24]采用液相色譜法進行測定，丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量分別參照《NY/T 56谷物籽粒氨基酸測定處理方法》[25]進行測定，直鏈淀粉含量利用流動分析儀(瑞典FOSS公司)進行測定。

1.3.3小米淀粉黏質性

采用RVA測定儀(澳大利亞Newport Scientific公司)檢測RVA譜特征值，每個基因型品種取小米粉樣品(80目)3.0 g，加入ddH2O 25.0 mL，50 ℃ 1.5 min，15 ℃/min升溫至93 ℃，保持2.5 min，15 ℃/min降溫至50 ℃，保持 1.5 min。160 r/min旋轉攪拌至糊狀。

1.3.4氮素利用率

參照 Moll 等[26]方法計算氮素利用效率，(施氮區谷子產量-不施氮區谷子產量)/施氮量。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0 進行數據處理和統計分析。利用鄧肯式新復極差法(DM-RT)進行數據差異顯著分析，差異顯著水平為5%。

2 結果與分析

2.1 施氮時期對谷子產量及其構成因素的影響

由表2可知，隨施氮時期的延遲，5個不同基因型谷子品種籽粒產量呈顯著增加趨勢。施氮時期由播種期延遲到拔節期和開花期，‘豫谷18’的籽粒產量增幅最小，T1、T2和T3分別較對照(T0)增加15.2%、18.2%和24.4%；‘濟谷20’、‘中谷5號’和‘冀谷31’的增幅居中；‘豫谷28’的增幅最大，T1、T2和T3分別較對照(T0)增加23.1%、24.9%和29.9%。

表2 不同施氮時期處理谷子籽粒的產量及產量構成因素的變化Table 2 Grain yield and yield components changes of millet under different nitrogen fertilizer application stages

各基因型品種產量構成因素基本表現為隨施氮時期的延遲而增加。‘豫谷28’的單穗重和千粒重在T1、T2、T3處理下分別較T0增加12.2%和5.6%、16.7%和8.3%、30.8%和9.5%；‘冀谷31’的單穗重和千粒重在3個施氮時期處理下較T0的增幅最小。結果表明，不同施氮時期對谷子的產量和產量構成因素均有顯著影響，不同基因型谷子之間差異顯著。

2.2 施氮時期對谷子營養品質的影響

由表3可知，氮肥對谷子蛋白質、直鏈淀粉、灰分和碳水化合物的影響較大，對脂肪和膳食纖維的影響相對較小。與T0相比，不同施氮時期均能夠增加各品種的蛋白質、直鏈淀粉、灰分、碳水化合物含量，脂肪和纖維含量變化趨勢一致，隨施氮時期的延遲先升高后降低，在T2處理下最大，T0處理下最小。5個基因型品種中，4個施氮時期處理下，‘中谷5號’蛋白質平均含量最低，為 9.9 g/100 g，‘豫谷28’最高，為12.6 g/100 g，‘豫谷18’為 12.3 g/100 g，‘濟谷20’和‘冀谷31’兩者相同，均為 10.6 g/100 g。

表3 不同施氮時期處理谷子的營養品質指標Table 3 Nutritional quality index of millet under different nitrogen fertilizer application stages g/100 g

2.3 施氮時期對谷子食味品質的影響

由表4可知，隨施氮時期的延遲，谷子脫殼后的小米中丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量呈遞增趨勢。與T0相比，T3處理下各谷子品種食味氨基酸變化幅度顯著高于T1和T2處理。其中‘豫谷28’丙氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸含量在不同施氮時期處理下均為最高。

表4 不同施氮時期谷子食味氨基酸含量Table 4 Edible amino acids content of millet under different nitrogen fertilizer application stages g/100 g

2.4 施氮時期對谷子品種淀粉RVA特征值的影響

由表5可知，各基因型品種T0處理的峰值黏度均顯著高于T1、T2和T3處理，而消減值則顯著低于其他3個處理。隨施氮時期延遲，熱漿黏度和糊化溫度均逐漸遞減，其中‘冀谷31’糊化溫度隨施氮時期的延遲變化幅度較小，‘濟谷20’和‘中谷5號’變化幅度較大，‘豫谷28’和‘豫谷18’變化幅度居中。

表5 不同施氮時期處理下谷子品種的RVA譜特征值Table 5 RVA characteristic values of millet cultivars under different nitrogen fertilizer application stage

表5(續)

2.5 施氮時期對谷子品種氮肥利用率的影響

由圖1 可知，5個基因型品種的氮素利用效率隨施氮時期的推遲呈“先升高后降低”的趨勢。拔節期施氮(T2)各品種氮素利用率最高，‘濟谷20’、‘中谷5號’、‘冀谷31’、‘豫谷18’、和‘豫谷28’分別為65.8、79.6、51.2、115.6和164.7 g/g，開花期施氮(T3)各品種氮素利用率最低，分別為22.9、39.4、20.6、54.8和76.8 g/g。T1、T2和T33個施氮時期處理下，‘豫谷28’氮素利用率在5個品種中最高，‘冀谷31’氮素利用率為最低。

圖1 不同施氮時期處理谷子品種的氮素利用率Fig.1 Nitrogen use efficiency of millet cultivars under different nitrogen application stages

2.6 施氮時期谷子產量與品質性狀相關性分析

由表6可知，播種期施氮(T1)，5個基因型谷子品種‘濟谷20’、‘中谷5號’、‘冀谷31’、‘豫谷18’、‘豫谷28’的蛋白質、脂肪、直鏈淀粉含量與千粒重均呈顯著正相關；拔節期施氮(T2)，5個基因型品種谷子的蛋白質、脂肪、直鏈淀粉含量與生物量、單穗重及千粒重均互呈顯著正相關，丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸與單穗重和千粒重均互呈顯著正相關(表7)；開花期施氮(T3)，各基因型品種蛋白質含量與單穗重和千粒重均呈顯著正相關(表8)。綜上，播種期施氮(T1)、拔節期施氮(T2)、開花期施氮(T3)均能夠促進谷子產量的增加，且與谷子品質性狀呈顯著或極顯著正相關。拔節期施氮(T2)，谷子的生物量、單穗重及千粒重與營養和食味品質之間的相關系數顯著高于播種期(T1)與開花期(T3)施氮處理。

表6 播種期施氮(T1)谷子產量與品質的相關系數Table 6 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at sowing stage (T1)

表7 拔節期施氮(T2)谷子產量與品質的相關系數Table 7 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at shooting stage (T2)

表8 開花期施氮(T3)谷子產量與品質的相關系數Table 8 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at flowering stage (T3)

3 討 論

3.1 施氮時期對谷子產量的影響

在谷子生產中，氮肥施用是實現谷子高產的關鍵措施之一，對谷子產量的增加發揮了重要的作用[27]。產量高低是單位面積有效穗數、單穗重和千粒重三因素相互協調的結果[28]。通過優化谷子的施氮方式，可使其生長發育過程中充分利用氮素，提高谷子營養物質和生物量的合成速率，進而提高產量[ 29]。本研究結果表明，單穗重和千粒重決定了籽粒產量，無論在播種期施氮(T1)、拔節期施氮(T2)和開花期施氮(T3)，5個基因型谷子品種的單穗重、千粒重和籽粒產量均顯著增加，其中開花期施氮產量增幅最高，5個基因型品種中‘豫谷28’在各施氮時期產量性狀表現最為突出，表明不同基因型品種氮素吸收利用率和轉運能力差異顯著，這與段宏凱等[8]研究結果一致，不同追施氮肥時期均會對谷子生物量及產量產生顯著影響。

3.2 施氮時期對谷子品質性狀的影響

谷子品質性狀受基因型和外界環境的雙重影響，氮肥對小米品質的影響主要表現在食味和營養品質[4,8]。邢靜熠等[16]研究結果表明在幼穗分化的不同時期進行施氮處理，各基因型谷子品種蛋白質含量差異顯著。金正勛等[30]通過研究氮肥對稻米蒸煮和食味品質特性的影響，表明隨著施氮時期延遲和施氮量的增加稻米脂肪含量逐漸降低，碳水化合物和膳食纖維隨施氮時期的前移而提高。張誠信等[31]研究表明不同生育期氮素水平對稻米蛋白質含量的影響程度由高到低依次為:抽穗期>孕穗期>枝梗分化期>分蘗期，其中抽穗期追施氮肥對稻米籽粒蛋白的影響最大，且氨基酸含量顯著增加。本研究中5個基因型品種蛋白質、灰分、碳水化合物、丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量隨施氮時期的延遲逐漸遞增，脂肪和膳食纖維含量隨施氮時期的延遲呈先升高后降低的趨勢。綜上，施氮時期越遲對谷子品質影響程度越高，且不同谷子品種間品質性狀受氮素影響差異較大，氮利用率較高的品種小米的食味值變化更為顯著。因此，在谷子栽培過程中可以通過合理調節施肥時期來影響谷子品質的變化情況，以利于谷子獲得較好的品質性狀。

3.3 施氮時期對谷子淀粉RVA譜特征值的影響

水稻的淀粉RVA譜特征值與食味品質存在高度的相關性，且稻米黏滯性的特征值對氮素的響應不一致，通常情況下，消減值、糊化溫度和回復值與施氮量呈正比，起始糊化溫度、最高黏度及崩解值與施氮量呈反比[32-33]；石呂等[34]研究發現隨著追施氮肥時間的后移，稻米中膠稠度顯著變短，淀粉糊化特征值中最高黏度、熱漿黏度、糊化溫度下降，而回復值、消減值呈上升趨勢，食味值顯著下降。本研究結果顯示，隨施氮時期的延遲，直鏈淀粉含量和消減值依次遞增，峰值黏度、熱漿黏度和糊化溫度逐漸遞減。拔節期施氮(T2)谷子品種RVA特征值變化幅度顯著高于播種(T1)和開花期施氮(T3)，表明小米蒸煮食味品質及淀粉RVA值與氮肥施用時期顯著相關，且在不同基因型品種中表現程度不同。

3.4 施氮時期對谷子氮素利用率的影響

關瑞等[9]研究表明，播種期一次性基施氮肥可顯著提高谷子產量和氮素利用率；王君杰等[35]通過研究施氮時期對糜子產量和氮素利用率的影響，結果表明拔節期、開花期施氮，可以有效地提高糜子產量和氮素利用率。本研究中播種期(T1)、拔節期(T2)和開花期(T3)施氮均顯著提高谷子氮素利用率，其中拔節期施氮各品種氮素利用率最高，不同基因型品種的氮素利用率差異顯著。這與楊明曉等[36]研究結果一致，生育后期追氮可以促進小麥籽粒對氮素的吸收，其中拔節-孕穗期追氮處理下吸收效果最好。

4 結 論

谷子籽粒產量及產量構成因子、營養和食味品質及氮素利用效率與谷子品種基因型和施氮時期均密切相關。產量與品質性狀相關性分析表明，拔節期施氮(T2)，谷子的生物量、單穗重及千粒重與營養和食味品質的相關系數均顯著高于播種期(T1)與開花期(T3)施氮處理。因此，谷子在拔節期(T2)和開花期(T3)施氮可以兼顧高產和優質，而且拔節期施氮(T2)是品質、產量和氮素利用率兼顧的最佳施氮時期。