大田长期水氮处理对土壤氮素及小麦籽粒淀粉糊化特性的影响

李莎莎 马 耕 刘卫星 康 娟 陈雨露 胡阳阳 张盼盼王晨阳

河南农业大学 / 国家小麦工程技术研究中心, 河南郑州 450002

淀粉约占籽粒重量的 75%, 对小麦品质有至关重要的影响[1]。籽粒中淀粉以半晶体状态的淀粉粒形式储存于胚乳中。淀粉粒形状各异, 粒径从1 µm到100 µm不等, 不同作物淀粉粒的大小分布特征也有很大差异[2]。小麦淀粉粒按照粒径可分为小淀粉粒(粒径＜5.0 µm)、中淀粉粒(粒径 5.0～50.0 µm)和大淀粉粒(粒径＞50.0 µm)[3], 不同粒径淀粉粒所占比例在一定程度上决定淀粉特性。淀粉按链长结构可以分为直链淀粉和支链淀粉两类[4-5], 其中直、支链淀粉含量对面粉糊化特性也有重要影响[6], 糊化特性是决定品质的重要指标[7], 澥淀粉峰值黏度和稀 值影响面条的质地和口感[8]。

小麦淀粉组成和糊化特性不仅受基因型的调控,而且受生态环境和栽培措施的显著影响[9]。多数研究认为, 水分和氮素是影响小麦生长和发育的重要因素, 对籽粒贮藏物质形成具有明显的调控效应[10-11]。干旱胁迫使小麦籽粒淀粉粒晶体结构发育更加紧实[12],降低淀粉的峰值黏度和稀值[13]; 吴金芝等[14]研究表明, 拔节期灌水能改善豫麦50淀粉糊化特性; 付雪丽等[15]认为, 拔节期和开花期灌水显著增加籽粒直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量。有研究表明, 随施氮量增加强筋小麦籽粒中大淀粉粒比例增加[16],并显著提高籽粒总淀粉和支链淀粉含量, 而对弱筋小麦品种的总淀粉和支链淀粉含量无显著影响[17]。施氮量在240 kg hm–2时籽粒B型淀粉粒体积百分比最大, 继续增加施氮量又有所降低。

施入土壤中的氮素大部分以无机氮的形式存在,包括NO3–-N和NH4+-N两种形式。NO3–-N是北方农田作物利用氮素的主要形式, 土壤NO3–-N含量与作物生长发育密切相关。不合理的灌水和施氮会导致土壤中硝态氮的大量淋失或积累, 不仅提高成本,更造成地下水污染[17-18]。因此, 合理灌水与施氮是保证作物产量、品质, 减少土壤硝态氮积累与淋失的重要措施。前人的研究大多集中在灌水[10]和施氮[11]等农艺措施对小麦生长调控及品质的影响方面, 但围绕土壤中硝态氮含量与地上部发育, 尤其与籽粒品质性状的研究较少[19-20], 更缺乏两者关系的定量描述。本文在大田高产栽培条件下设置不同水氮处理的长期定位试验, 探究不同水氮互作下耕层土壤硝态氮含量与籽粒淀粉组成及糊化特性的关系, 旨在为优化栽培管理、实现小麦优质高效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

自 2010年麦播开始, 在河南省温县祥云镇(112°51′39″E, 35°2′48″N)高产麦田进行了小麦–玉米多年水肥定位试验。该地属温带季风气候, 夏季高温多雨, 冬季寒冷干燥, 历年(1962—2006年)生育期平均气候条件及试验期间气象条件如图1所示。土壤为黏质潮土, 前茬作物为玉米, 于 10月初收获。2014年10月13日和2015年10月15日播种小麦, 收获期分别是2015年5月28日和2016年6月 3日, 以中筋品种豫麦 49-198为材料, 播前测定0～20 cm耕层土壤基础肥力(表1)。

采用裂区设计, 主区为灌水处理, 副区为氮素处理, 小区面积为15.25 m2(6.1 m × 2.5 m), 3次重复。设3个灌水处理, 分别是全生育期不灌水(W0)、拔节期灌1水(W1)及拔节期+开花灌2次水(W2), 用水表严格控制灌水量, 每次灌 750 m3hm–2。设 0(N0)、180 (N1)、240 (N2)和 300 kg hm–2(N3) 4 个施氮量, 以尿素(含氮量46%)为氮源, 播种前和拔节期各施50%, 对所有处理均在播前施P2O5150 kg hm–2(过磷酸钙, 含P2O515%)和K2O 120 kg hm–2(颗粒硫酸钾, 含K2O 60%)。其他田间管理与当地生产习惯相同, 生育期内未发生病虫害。

1.2 耕层土壤中硝态氮含量测定方法

小麦收获后用土钻取0～20 cm土层的混合土样带回室内, 称取新鲜土壤样品10 g, 用2 mol L–1的KCl溶液浸提(水土比5∶1), 振荡1 h过滤, 用UV-6400型分光光度计在220 nm和275 nm双波长定量模式下比色, 直接读取吸光度, 计算出硝态氮含量。

1.3 小麦籽粒淀粉特性测定方法

小麦成熟后取样, 按照 14%水基润麦, 采用Chopin CD1实验磨粉机磨面, 出粉率在60%左右。用双波长比色法, 测定直链和支链淀粉含量, 其中直链淀粉测定波长为631 nm, 参比波长为480 nm[21];支链淀粉测定波长为554 nm, 参比波长为754 nm[21]。总淀粉含量为直链淀粉含量与支链淀粉含量之和。

按照GB/T 24853-2010方法, 采用Perten RVA 4500型快速黏度仪测定糊化特性指标。

表1 播种前试验田0～20 cm土层养分含量Table 1 Soil nutrient contents in 0–20 cm soil layer of experiment field before sowing

图1 小麦生育期内降水量和平均气温的变化Fig. 1 Precipitation and mean temperature during the wheat growing season

采用面团法[22]制备淀粉, 用 Malvern Mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪分析淀粉粒分布。按照Massaux等[23]的方法计算不同大小淀粉颗粒的分布比例。

1.4 统计分析

采用SPSS 18.0 (Statistic Package for Social Science, SPAA Inc. IL, USA)进行方差分析, 用Duncan’s法进行处理间多重比较。采用 SigmaPlot 12.3软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对耕层土壤硝态氮含量的影响

施氮显著增加耕层土壤中硝态氮含量, 而灌水降低土壤中硝态氮含量, 处理间差异显著(图 2)。2014—2015年度W1和W2的耕层土壤硝态氮含量分别比W0低15.0%和24.2%, 2015—2016年度分别低16.9%和36.9%。随施氮增加, 土壤硝态氮含量显著提高, N3较N0高10倍以上。W0N3的土壤硝态氮含量最高, W2N0的最低。建立了土壤硝态氮与灌水量和施氮量的回归方程(图3)。

2.2 不同水氮处理对淀粉组成及含量的影响

灌水和施氮处理对籽粒直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量及淀粉直/支比、淀粉产量均有显著影响,并且水氮互作对支链淀粉含量有显著影响(表2)。灌水降低籽粒直链淀粉含量和直/支比, 增加支链淀粉含量和总淀粉含量。施氮显著降低籽粒直链淀粉含量和直/支比, 增加支链淀粉含量、总淀粉含量和淀粉产量, 且在N2处理达到最大值, 之后随施氮量增加有所下降。综合分析, 在 W1N2处理下小麦籽粒支链淀粉含量、总淀粉含量和淀粉产量相对较高,直链淀粉含量较低, 有利于淀粉品质的改善。

2.3 不同水氮处理对淀粉粒体积分布的影响

灌水和施氮处理对小淀粉粒(粒径＜5.0 µm)和大淀粉粒(粒径＞50.0 µm)均有显著的影响(表3)。灌水显著增加籽粒大淀粉粒的体积百分比, 降低小淀粉粒体积百分比。在0～240 kg hm–2施氮范围内, 小淀粉粒的体积百分比随施氮量增加显著降低。中淀粉粒的体积百分比, 不同施氮处理间表现有所不同,在 W0处理下, 施氮显著增加了中淀粉粒体积百分比, 而在灌水条件下(W1、W2处理)施氮对其无影响,大淀粉粒体积百分比在不同年份间存在明显差异。

2.4 不同水氮处理对淀粉糊化特性的影响

峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和反弹值在不同年份间存在显著差异。不同灌水和氮素处理及其互作对峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和反弹值均有显著影响。灌水显著增加了峰值黏度、谷值黏度和最终黏度, 其中峰值黏度、谷值黏度以W1处理最大, 而最终黏度和反弹值以W2处理最大, 但与W1处理无显著差异(表4), 表明拔节期灌水不仅有利于提高小麦产量, 且有利于改善小麦淀粉糊化特性。从氮素效应看, 与不施氮处理相比, 施氮显著增加黏度值(反弹值除外), 且均以N2处理最大。综合来看, 氮素对糊化参数的影响大于灌水。

图2 不同水氮处理下耕层(0～20 cm)土壤的硝态氮含量Fig. 2 Nitrate nitrogen content in the 0–20 cm soil layer in different water and nitrogen treatments

图3 水氮处理与0～20 cm土层硝态氮含量的关系Fig. 3 Relations between nitrate nitrogen content in 0–20 cm soil layer and the water and nitrogen fertilizer coupling

W1N2处理的淀粉品质较好。利用回归方程(图3)计算土壤硝态氮含量范围, 即土壤硝态氮含量在19.64～20.55 mg kg–1时, 小麦淀粉黏度值较高, 品质较优。

2.5 土壤硝态氮含量与淀粉组成及糊化特性的相关性

耕层土壤中硝态氮含量与籽粒总淀粉含量、峰值黏度、谷值黏度以及最终黏度之间显著正相关(P＜0.01), 相关系数分别为 0.544、0.610、0.601和0.322, 表明提高土壤中硝态氮含量有利于改善中筋小麦淀粉糊化参数。土壤中硝态氮含量与大淀粉粒体积百分比呈正相关, 而与小淀粉粒、中淀粉粒体积百分比呈负相关, 但均未达显著水平。

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表3 不同水氮处理对小麦籽粒淀粉粒体积分布的影响Table 3 Effect of different irrigation and nitrogen treatments on size distribution of wheat starch granules

表4 不同水氮处理对小麦籽粒淀粉糊化特性的影响Table 4 Effect of different irrigation and nitrogen treatments on RVA properties of wheat starch (cP)

3 讨论

禾谷类作物种子中, 淀粉以大、小淀粉粒形态存在于胚乳中[24], 成熟小麦籽粒淀粉粒分A、B和C型淀粉粒[25-26]。淀粉粒级分布影响小麦淀粉的理化特性[27]和加工品质。研究表明, 土壤水分[28]和氮素[29]对小麦淀粉粒的分布均有显著影响, 然而灌水对小麦籽粒淀粉粒径影响的结论并不一致。Geera等[30]研究表明, 旱作小麦籽粒中 A型淀粉粒的体积百分比较灌溉下明显减少, B型淀粉粒的体积百分比则显著增加; 而Zhang等[31]以5个淀粉含量不同的小麦品种为材料, 研究发现不灌水处理提高了大淀粉粒(A型)的体积百分比。本研究结果支持Zhang等[31]的观点, 拔节期灌 1次水使籽粒大淀粉粒体积百分比增加 32.9% (2014—2015年度)和 70.3% (2015—2016年度), 小淀粉粒体积百分比降低3.4% (2014—2015年度)和8.5% (2015—2016年度)。关于氮肥施用对淀粉粒大小和分布的影响, 石德杨等[32]的研究表明施氮能显著降低玉米籽粒小型淀粉粒的体积百分比, 增加大淀粉粒的体积百分比。本试验结果表明,全生育期不灌水条件下, 施氮量在0～300 kg hm–2范围内, 随施氮量增加中淀粉粒体积百分比递增, 较N0显著增加; 在灌水条件下, 施氮对中型淀粉粒体积百分比影响较小, 说明氮素对小麦籽粒淀粉粒度的影响与土壤水分状况有关。相关分析表明, 土壤中硝态氮含量与小淀粉、中淀粉体积百分比之间存在不显著的负相关, 而与大淀粉粒体积百分比呈不显著的正相关。

干旱胁迫降低小麦籽粒中总淀粉含量、支链淀粉含量及直链淀粉含量的积累, 对淀粉直/支比无显著影响[13]。在大田条件下, 全生育期不灌水对灌浆初期的直链淀粉含量无显著影响, 但显著降低灌浆后期的直链淀粉含量。在拔节期和开花期灌水(灌 2次水)的基础上增加灌浆水(灌 3次水), 显著提高灌浆后期的直链淀粉含量; 灌 2次水使灌浆后期的支链淀粉含量升高, 而灌 3次水却使支链淀粉含量降低[33]。本试验结果表明, 全生育期不灌水处理的籽粒直链淀粉含量较高, 支链淀粉和总淀粉含量较低,原因可能是干旱条件下 SSS活性显著降低, 而GBSS对干旱胁迫存在一定的适应性响应[34]; 拔节期灌水促进籽粒支链淀粉和总淀粉的积累, 增加其组分含量。关于施氮对籽粒淀粉含量的影响, 严美玲等[35]对鲁麦21研究表明, 在施氮120～360 kg hm–2范围内, 随施氮量增加, 强、弱势粒中直链淀粉含量均降低, 支链淀粉先增后降, 施氮量240 kg hm–2时达到最大, 本试验结果表明, 施氮量在 0～240 kg hm–2范围内, 随施氮量增加籽粒直链淀粉含量显著降低, 而支链淀粉和总淀粉含量增加; 继续增加施氮量, 支链淀粉含量和总淀粉含量则降低, 且水氮互作对支链淀粉含量存在显著影响(表2), 在2015—2016年度, W0条件下N1和N2处理的支链淀粉含量分别较N0处理增加5.4%和11.0%, 在W1条件下支链淀粉含量分别增加11.8%和18.0%, W2条件下分别增加12.2%和16.0%。

施氮增加土壤硝态氮含量, 而灌水使耕层土壤硝态氮含量降低(图2)。关于土壤中硝态氮含量与籽粒总淀粉含量之间的关系, 蔡瑞国等[36]研究认为随土壤中硝态氮含量增加, 籽粒中淀粉含量增加; 范雪梅等[37]认为, 干旱条件下增加土壤硝态氮含量有利于淀粉积累, 而渍水条件下土壤硝态氮含量增加使淀粉含量下降。本研究表明, 土壤耕层硝态氮含量与总淀粉含量呈正相关, 与蔡瑞国等[36]研究结果基本一致。这可能是随着施氮量及耕层土壤中硝态氮含量增加, 促进了植株对土壤氮素的吸收利用[38],使植株光合能力增强, 有利于光合产物向籽粒的运转与积累[39-40]。还有研究表明, 增施氮肥可以提高SSS和 GBSS等淀粉合成关键酶活性[11], 从而促进淀粉积累。

淀粉糊化特性是评价淀粉品质的重要指标[41],与面条外观和口感均有显著相关性[14]。淀粉糊化特性受基因型、环境及其互作的影响[7], 且水氮措施对其影响较大。方保停等[42]利用弱筋小麦品种豫麦50在池栽防雨条件下试验, 结果以灌 1次水(拔节水)时淀粉糊化品质较好, 且与灌 2次水(拔节水+灌浆水)差异不显著; 冯伟等[43]利用豫麦 49进行大田试验, 发现灌 2次水时淀粉品质最优。本试验结果表明, 拔节期灌1次水能显著提高淀粉的峰值黏度、谷值黏度和最终黏度, 而灌 2次水(拔节水+开花水)显著降低了淀粉的黏度值。对淀粉糊化特性的最适施氮量也有报道, 例如豫麦 49以施氮量 150 kg hm–2为最佳[38]。本试验结果表明, 施氮量在0～240 kg hm–2范围内, 增施氮肥可提高小麦淀粉黏度值, 若继续增加施氮量黏度值又降低, 郑志松等[44]在研究中也得到类似结论。相关分析表明, 土壤中硝态氮含量和峰值黏度、谷值黏度和最终黏度之间存在极显著正相关。

4 结论

施氮增加耕层土壤中的硝态氮含量, 而灌水则降低硝态氮含量。灌水和施氮均提高淀粉糊化参数,增加中淀粉粒和大淀粉粒的体积百分比, 进而增加淀粉含量的积累。土壤硝态氮含量与淀粉产量和部分黏度参数之间存在显著的正相关。在耕层土壤硝态氮含量 19.64～20.55 mg kg–1条件下, 即长期施氮量240 kg hm–2、拔节期灌1次水时, 获得了较好小麦产量和淀粉品质, 是豫北高产灌区的优化水肥管理模式。