不同形态氮肥及其用量对强筋小麦氮素转运、产量和品质的影响

2019-06-17代新俊杨珍平宋佳敏高志强

植物营养与肥料学报 2019年5期

代新俊，杨珍平，陆梅，李慧，樊攀，宋佳敏，高志强

（山西农业大学农学院，山西太谷 030801）

氮素是小麦生长所需的重要营养元素，施氮是小麦产量和品质形成中容易调控的重要栽培措施[1]。据统计，当前我国小麦的氮肥利用率仅为28%，不仅低于国际水平，而且与上世纪80年代相比也呈降低的趋势[2]。氮肥利用率过低也导致了资源浪费、水体污染和生态失衡，威胁着人类健康，合理施氮是实现小麦高产优质高效生态安全的必要前提。研究表明，施氮量对蛋白质含量和籽粒产量有显著影响[3]。增加施氮量有利于改善强筋小麦品质，蛋白组分含量与施氮量呈显著正相关，但各组分提高幅度不同[4-5]。小麦产量和籽粒品质与干物质、氮素累积转运密切相关，提高籽粒氮素的获取能力是增产提质的关键[6-8]。

前人就不同形态氮肥对小麦生长生理的影响进行了深入研究。有研究表明，不同形态氮肥影响小麦苗期生长和氮素积累，小麦喜好硝态氮营养，硝态氮肥可提高根系的可溶性糖和根冠比[9]。不同形态氮肥对小麦幼苗叶片含水率有影响，硝态氮肥处理叶片含水量高于铵态氮肥[10]。酰胺态氮肥处理小麦根际土壤脲酶活性最高[11]。氮肥形态显著影响小麦花后干物质的积累分配，硝态氮肥处理的籽粒产量和生物产量均最高[12]。铵态氮肥有利于提高灌浆初期蛋白质的含量，施用尿素有利于后期蛋白质量的积累[13]。硝态氮肥处理的强筋小麦麦谷蛋白 (GS) 活性较高，GS活性受氮肥形态影响较大[14]。近年来小麦生产造成氮素污染较为严重，影响到水质和人体健康，合理施用氮肥是减少农村氮素污染和整治乡村面源污染的重要举措。

目前，对小麦氮素累积、产量及品质的研究多集中于施氮量、施氮时期及有机无机氮肥等单一因子研究，试验结果受地域、气候和土壤肥力等因素影响较大，氮肥形态和氮肥用量对山西晋中麦区冬小麦产量品质的研究尚未有报道。因此，本研究以强筋小麦‘CA0547’为供试材料，通过大田试验探讨了氮肥形态和氮肥用量对小麦氮素累积转运、产量和品质的影响，以期为强筋小麦增产提质及合理运筹氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年9月至2017年6月在山西农业大学试验农场进行。试验田土壤肥力中等，土质中壤土，pH值为8.0，其0—40 cm耕层土壤养分含量为有机质12.6～13.9 g/kg、全氮1.80～1.98 g/kg、全磷320～770 mg/kg、速效氮53.6 mg/kg、速效磷9.63 mg/kg、速效钾135 mg/kg。

1.2 试验设计

供试小麦品种为‘CA0547’。试验采用二因素裂区设计，以氮肥形态为主区，设硝态氮 (复合肥料，N∶P2O5∶K2O = 30%∶14%∶7%)、铵态氮 (硫酸铵N20.5%)、酰铵态氮 (尿素N46.4%) 3个水平，以氮肥用量为副区，设低氮 (75 kg/hm2)、中氮(150 kg/hm2) 和高氮 (225 kg/hm2) 3个水平。每个小区磷肥用量 (过磷酸钙，P2O516%) 和钾肥用量 (氯化钾，K2O 52%) 相同，均为105 kg/hm2和75 kg/hm2。每个小区面积30 m2，基本苗225万株/hm2，行距20 cm，重复3次，共计27个小区，常规管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株含氮量于小麦越冬期 (出苗后75天)、返青期 (出苗后167天)、拔节期 (出苗后189天)、孕穗期 (出苗后206天)、开花期 (出苗后217天)、成熟期 (出苗后259天) 分别取样20株，样品经105℃杀青0.5 h，80℃下烘至恒重，称干重。样品粉碎后，采用H2SO4-H2O2消化，靛酚蓝比色法测定含氮量[15]。各指标计算方法[16]如下：

氮素积累量 (kg/hm2) = 干物质量 × 含氮率

花前氮素转运量 (kg/hm2) = 开花期氮素积累量 -成熟期氮素积累量

花后氮素积累量 (kg/hm2) = 成熟期植株氮素积累量 - 开花期植株氮素积累量

花前氮素转运率 = 花前氮素运转量/开花期氮素积累量 × 100%

花前氮素转运对籽粒氮素贡献率 = 花前氮素转运量量/籽粒氮素积累量 × 100%

花后氮素积累对籽粒氮素贡献率 = 花后氮素积累量/籽粒氮素积累量 × 100%

氮素吸收效率 (NUPE) = 植株氮素积累量/施氮量 × 100%

氮素生产效率 (NPE) = 籽粒产量/施氮量 × 100%1.3.2 产量于小麦成熟期，每个小区选取固定样段3个，每个样段0.667 m2，调查总穗数、穗粒数、千粒重、生物产量和经济产量。

1.3.3 品质指标测定采用连续提取法[17]进行蛋白质测定；用双波长法测定淀粉及直、支链淀粉[18]；可溶性糖和蔗糖用蒽酮比色法测定[19]；将籽粒晒干，采用瑞典Perten公司生产的DA7200型品质分析仪测定湿面筋含量和面筋指数。采用半微量凯氏定氮法测定含氮量，含氮量乘以5.7即为籽粒蛋白质量。

1.4 数据处理

所测数据采用Excel2010和Stata12.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦氮素累积转运的影响

由图1可知，随着生育进程的推进，不同处理的小麦植株含氮量 (成熟期植株含氮量包括籽粒，下同) 明显增加 (P＜ 0.05)，成熟期达到最大值，其中以拔节-孕穗和开花-成熟阶段增加幅度较大。可见，拔节-孕穗和开花-成熟阶段是小麦快速吸收氮素的关键生育阶段。在同一氮肥形态下，中氮和高氮处理小麦各生育期植株含氮量均高于低氮处理，中氮水平小麦成熟期植株含氮量最高。在同一施氮量下，铵态氮肥处理的小麦各生育期植株含氮量显著低于硝态氮肥和酰铵态氮肥处理 (P＜ 0.05)，硝态氮肥和酰铵态氮肥处理之间没有显著差异。同时，在所有处理中，施用酰铵态氮肥并配合中氮处理的小麦成熟期植株含氮量最高。

图 1 不同氮肥形态和用量下各时期小麦植株含氮量的变化Fig. 1 Nitrogen content of wheat plants in different periods affected by different forms and rates of nitrogen fertilizers

由图2可知，小麦籽粒氮素积累主要来源于花前氮素转运。氮肥形态和氮肥用量对小麦氮素转运有显著的影响 (P＜ 0.05)。在同一形态氮肥下，花前氮素转运量和花后氮素积累量随着施氮量的增加先增后减，中氮水平下的花前转运、花后积累氮素量最高。在同一施氮量下，铵态氮肥处理的小麦花前氮素转运量、花后氮素积累量和籽粒氮素积累量均不同程度地小于硝态氮肥和酰铵态氮肥处理 (高氮水平下的花后氮素积累除外)，中氮水平下硝态氮肥和酰铵态氮肥的小麦籽粒含氮量无显著差异。

在低氮水平下，各氮肥形态处理的花前氮素转运率、花前转运氮素和花后积累氮素对籽粒氮素的贡献率均没有显著差异。在中氮水平下，花前氮素转运率差异显著 (P＜ 0.05)，且铵态氮肥处理＞硝态氮肥处理＞酰胺态氮肥处理。在高氮水平下，花前氮素转运率及花前转运、花后积累氮素对籽粒氮素的贡献率均达到差异显著水平 (P＜ 0.05)，硝态氮肥处理花前贡献率较高而花后贡献率较低。其中铵态氮肥处理花前氮素转运率较高，可能的原因是其籽粒氮素过低导致的(图2)。

综上可知，中氮水平能明显增加小麦各时期的植株含氮量，通过提高花前氮素转运量和花后氮素积累量进而增加成熟期籽粒含氮量。这是因为低氮无法满足小麦植株氮素需求，高氮又会导致无效分蘖过多形成水肥竞争进而影响小麦氮素吸收。硝态氮肥和酰胺态氮肥对小麦氮素累积转运效果好于铵态氮肥。硝态氮肥和酰胺态氮肥成熟期籽粒含氮量无显著差异。

2.2 不同处理对小麦生育阶段氮素积累量及所占比例的影响

对表1中不同生育阶段氮素积累量及其所占比例做方差分析，结果表明，氮肥形态和氮肥用量对冬小麦出苗-拔节、拔节-开花、开花-成熟阶段氮素积累量及所占比例有极显著的影响 (P＜ 0.01)，且二者存在极显著的互作效应 (P＜ 0.01)，二者对开花-成熟阶段氮素积累量的互作效应大于氮肥用量的单独效应。小麦各生育时期氮素积累量和所占比例表现为出苗-拔节＞拔节-开花＞开花-成熟，出苗-拔节是氮素积累最多的阶段。

图 2 不同处理对小麦氮素积累转运的影响Fig. 2 Effects of different treatments on nitrogen accumulation and translocation in wheat

表 1 不同处理对小麦各生育阶段氮素积累量及所占比例的影响Table 1 Effects of different treatments on nitrogen accumulation and proportion at different growth stages

在同一形态氮肥下，出苗-拔节阶段的氮素积累量随着施氮量增加显著增加，高氮水平下积累量最高。在拔节-开花阶段，硝态氮肥和铵态氮肥处理的氮素积累量随着施氮量增加而显著增加，酰胺态氮肥处理的氮素积累量随着施氮量增加表现为先增后减。开花-成熟阶段的氮素积累量随着施氮量增加先增后减，中氮水平下积累量最高。

在同一施氮量下，铵态氮肥处理的氮素积累量显著小于硝态氮肥和酰胺态氮肥处理。随施氮量增加，各阶段氮素积累量变异程度均表现为开花-成熟＞拔节-开花＞出苗-拔节，可见，开花-成熟阶段的氮素积累量受施氮量影响较大，中氮水平处理下开花-成熟阶段的氮素积累量最高，铵态氮肥不利于小麦各阶段氮素的积累。

2.3 不同处理对小麦产量构成及氮效率的影响

2.3.1 不同处理对小麦产量的影响从图3可以看出，在同一氮肥形态下，生物产量随着施氮量的增加显著增加，高氮水平下达到最大值，籽粒产量和收获指数均先增后减，籽粒产量和收获指数均在中氮水平达到最大值。在同一施氮量下，铵态氮肥处理的生物产量和籽粒产量均低于硝态氮肥和酰胺态氮肥。同时，在所有处理中，中氮水平下施用硝态氮肥的籽粒产量最高，但是此时的硝态氮肥和酰胺态氮肥处理间没有显著差异。

2.3.2 不同处理对小麦产量构成及氮效率的影响方差分析 (表2) 表明，氮肥形态显著影响单位面积穗数，而氮肥用量显著影响千粒重。氮肥形态和氮肥用量对穗数和千粒重互作效应小于单一效应。经计算比较，氮肥用量对不同氮肥形态的小麦产量构成因素的影响程度不同，氮肥用量对硝态氮肥和酰胺态氮肥处理产量的调控因子主要是穗粒数和千粒重，对铵态氮肥处理产量的调控因子主要是穗数和穗粒数。氮肥形态和氮肥用量对氮素吸收效率和氮素生产效率均有极显著的调控效应 (P＜ 0.01)，氮素生产效率随着施氮量的增加显著减少，高氮水平的氮素吸收效率显著低于中氮和低氮，酰胺态氮肥的氮素吸收效率和氮素生产效率高于硝态氮肥和铵态氮肥。可见，施氮量过高反而降低了氮素吸收效率和氮素生产效率，施用酰胺态氮肥有利于氮素的吸收，减少氮素损失。

2.4 不同处理对小麦品质的影响

图 3 不同处理对小麦产量的影响Fig. 3 Effects of different treatments on wheat yields

表 2 不同处理对小麦产量构成及氮效率的影响Table 2 Effects of different treatments on wheat yield and nitrogen efficiency

2.4.1 不同处理对小麦蛋白质和面筋的影响由表3方差分析可知，氮肥形态和氮肥用量对醇溶蛋白、蛋白质产量和面筋指数有极显著的互作效应(P＜ 0.01)。在同一形态氮肥下，清蛋白、球蛋白、谷醇比、蛋白质含量、湿面筋含量和面筋指数均表现为随施氮量增加而提高，高氮水平含量最高。同一氮肥用量下，铵态氮肥处理的蛋白质组分量、湿面筋含量和面筋指数均低于其它形态氮肥，酰胺态氮肥处理的蛋白质含量、湿面筋含量和面筋指数均高于硝态氮肥处理。可见，施用铵态氮肥的小麦品质效果最差。酰胺态氮肥配套高氮处理更有利于改善蛋白质及面筋品质。比较发现，受氮肥用量影响较大是蛋白质产量 (21.8%～27.1%) 和湿面筋含量(6.00%～6.61%)，因此合理的施氮量配套合适的形态氮肥对于改善籽粒蛋白质品质和面筋质量是很非常重要的。

g c b h f d e b a e N数指0.28 0.23 0.10 0.12 0.14 0.28 0.42 0.13 0.25筋******面Gluten index 6 ±.4 2 ±3 ±2 ±0 ±9 ±6 ±2 ±7 ±75.7 79.0 81.1 74.1 76.3 78.4 77.7 80.0 83)(%levels for the sam量ten含lu 0.61 de 0.59 c 0.31 ab 0.53 e 0.58 c 0.38 c 0.61 d 0.22 bc 0.78 a筋面Wet g****NS湿31.68 ±35.27 ±37.22 ±30.93 ±34.70 ±35.75 ±32.51 ±35.98 ±37.60 ±g/hm 2)(k质Protein yield d 6.01 a 5.83 a d 4.32 b b 3.69 c 8.71 5.06 a 9 a 7.51量8.44.2产13******ean significant difference among N tes蛋白466.70 ±797.79 ±770.16 ±418.27 ±626.92 ±668.76 ±526.28 ±781.45 ±802.42 ±n m面itrogen forms and ra)(%d b ab e e d c b a量含0.17 0.10 0.08 0.11 0.16 0.10 0.19 0.15 0.24****NS量质Protein 8 ±.1 9 ±.6 6 ±.2 7 ±.4 2 ±.5 1 ±.2 2 ±.3 9 ±.8 8 ±.3含白蛋13 13 14 12 12 13 13 13 14筋和y n质比0.01 bc 0.02 ab 0.03 ab 0.03 c 0.03 ab 0.03 ab 0.04 bc 0.03 ab 0.05 a白谷Glu/Gli醇NS**NS蛋1.04 ±1.08 ±1.10 ±0.99 ±1.06 ±1.10 ±1.04 ±1.08 ±1.11 ±麦小wed by different small letters in a colum下)量tents affected b(%用白0.04 c 0.06 b 0.03 a 0.08 d 0.04 d 0.06 c 0.04 c 0.08 b 0.04 a****NS alues follo和蛋Glutenin态谷5) V肥d glu ten con 4.38 ±4.64 ±4.87 ±4.11 ±4.21 ±4.50 ±4.38 ±4.65 ±4.78 ±.0形＜ 0氮an)(%(P同白0.03 cd 0.05 bc 0.05 a 0.04 de 0.02 f 0.02 e 0.03 cd 0.05 b 0.06 bc著3 不rotein溶Gliadin蛋***4.22 ±**4.28 ±显异4.42 ±醇4.16 ±3.97 ±4.08 ±4.22 ±4.31 ±4.29 ±差表heat p间平Table 3 W)水(%氮蛋Glob白ulin± 0.01 e± 0.03 cd± 0.03 bc± 0.01 g± 0.03 fg± 0.04 f± 0.02 de± 0.04 b± 0.07 a****NS同nificant.不球1.96 2.07 2.12 1.79 1.84 1.87 2.01 2.16 2.25形Not sig态氮著)一显(%同不示蛋Albu白min± 0.04 cd± 0.03 bc± 0.07 b± 0.03 f± 0.01 ef± 0.03 de± 0.07 b± 0.04 b± 0.08 a****NS表S—母； N清2.32 2.42 2.53 2.13 2.18 2.26 2.46 2.48 2.65写0.01字同P ＜小平el不*—后水氮N lev w Lo Midium High w Lo Midium High w Lo Midium High据5； *列＜ 0 N form (F)数.0高中低中高中高同：态N rate (R)形肥N form--N低+-N NH2-N低态形量ote）NO3 NH4 CO肥氮R（N注(P F ×＜ 0.05)； *—P氮氮施form

表 4 不同处理小麦淀粉和可溶性糖含量Table 4 Contents of starch and soluble sugar of wheat affected by nitrogen forms and rates

2.4.2 不同处理对小麦淀粉和可溶性糖的影响由表4方差分析得出，氮肥形态和氮肥用量对淀粉和蔗糖品质也有极显著的调控作用 (P＜ 0.01)，且二者存在一定的互作效应，互作效应均大于单独效应。在同一形态氮肥下，总淀粉、直链淀粉、支链淀粉、可溶性糖和蔗糖含量随氮肥用量增加而提高，且在高氮水平下达到最高值。低氮水平时，铵态氮肥处理的直链淀粉、可溶性糖和蔗糖含量显著低于硝态氮肥和酰胺态氮肥处理，中氮和高氮水平时，酰胺态氮肥处理的总淀粉、直链淀粉和蔗糖含量高于其它处理，硝态氮肥处理的可溶性糖含量显著高于其它处理。比较发现，蔗糖受氮肥用量变异最大(10.8%～18.0%)，其次是直链淀粉 (3.91%～6.94%)和可溶性糖 (3.30%～5.34%)，最小的是支链淀粉(0.38%～1.91%)。可见，氮素是淀粉品质的重要可控因子，高氮条件更有利于增加淀粉各组分含量，进而改善籽粒品质。

2.5 氮素累积转运与产量间的通径分析

为了探讨氮素转运量与产量的相关性，对产量(Y) 与叶片花前氮素转运量 (X1)、茎秆 + 茎鞘花前氮素转运量 (X2)、颖壳 + 穗轴花前氮素转运量 (X3)、花后氮素累积量 (X4) 进行了逐步回归分析，得到的最优回归方程为：

方程的多元决定系数R2= 0.997。其中，叶片花前氮素转运量和花后氮素累积量与产量呈极显著相关。偏相关系数X3＞X2＞X1，表明氮素转运依据就近原则，即靠近籽粒的营养器官越易转运氮素。

从表5可以看出，叶片花前氮素转运量、茎秆 +茎鞘花前氮素转运量、颖壳 + 穗轴花前氮素转运量和花后氮素累积量对小麦产量的直接影响都是正向的，叶片花前氮素转运量对产量的直接影响为最大，直接通径系数为0.614。茎秆 + 茎鞘花前氮素转运量、颖壳 + 穗轴花前氮素转运量和花后氮素累积量通过叶片花前氮素转运量对产量的间接影响比较明显，且都是正效应，间接通径系数分别为0.386、0.102和0.053。

3 讨论

3.1 施氮量对小麦产量品质的影响

有研究表明，随着小麦生育期的延长，氮素累积量呈增加的趋势，各生育时期氮素累积量随着施氮量增加而显著增加[20]。当施氮量大于150 kg/hm2时，继续增加氮肥不能显著增加氮素累积量，花前氮素转运率及转运氮素对籽粒的贡献率降低[16]。本研究表明，小麦各生育阶段氮素积累量和所占比例表现为出苗-拔节＞拔节-开花＞开花-成熟，出苗-拔节是氮素积累最多的阶段。随着生育进程的推进，不同处理小麦植株含氮量显著增加。在同一形态氮肥下，随着施氮量增加，小麦各时期植株含氮量和籽粒含氮量均先增后减，中氮水平的含氮量最高。综上，在同一形态氮肥下，籽粒产量和籽粒含氮量均在中氮水平 (150 kg/hm2) 达到最大值。可见，过量氮肥不利于高产，原因是拔节-开花阶段是小麦吸收氮素的敏感期，过量施氮易造成小麦无效分蘖过多，不利于培育小麦健壮植株，无法形成合理的群体结构，光合作用下降导致干物质合成及转运受到限制，从而降低籽粒产量。

表 5 产量与氮素转运特性的通径分析Table 5 Path analysis of yield and nitrogen transport characteristics of wheat

有研究表明，施氮能显著提高小麦产量[21]，施氮量为276 kg/hm2时可以显著提高小麦的穗重和穗粒数，产量与穗粒数达极显著相关[22]。本研究结果发现，氮肥用量对产量有极显著的调控效应，显著影响强筋小麦的千粒重，过量施氮会降低氮素吸收效率和氮素生产效率。众多研究表明，适当增加施氮量能提高蛋白质含量，显著增加湿面筋含量和沉降值，有利于改善强筋小麦的营养品质和加工品质，过量施氮加工品质变差[4,16,23]。本研究结果发现，氮素是蛋白质和淀粉品质的重要可控因子，清蛋白、球蛋白、谷醇比、蛋白质含量、湿面筋含量和面筋指数均表现为随施氮量增加而提高，高氮水平含量最高。高氮条件更有利于增加淀粉各组分含量，进而改善籽粒品质。

3.2 不同形态氮肥对小麦产量品质的影响

氮肥形态对小麦产量的研究结果不太一致。有研究表明，施用硝态氮肥能显著提高小麦干物质累积量，氮素吸收效率也高于铵态氮肥处理[24]。小麦施用长效碳铵颗粒肥后，与尿素相比具有较高的肥效，减少了氮素损失[25]。施用硝态氮肥产量最高，施添加硫酸铵的尿素次之，但二者没有显著差异，尿素产量最低[26]。不同形态氮肥对小麦花后干物质的积累分配有显著影响，硝态氮肥处理较酰胺态氮肥处理增产5.8%，增产效果最佳[12]。在本研究中，铵态氮肥的产量最低，低于硝态氮肥和酰胺态氮肥处理。氮肥形态显著影响穗数。氮肥用量对硝态氮肥和酰胺态氮肥处理产量的调控因子主要是穗粒数和千粒重，对铵态氮肥产量的调控因子主要是穗数和穗粒数。本研究还发现，施用铵态氮肥的小麦品质效果最差。酰胺态氮肥配套高氮处理更有利于改善蛋白质及面筋品质。氮肥形态会导致淀粉各组分含量的差异。酰胺态氮肥处理的总淀粉、直链淀粉和蔗糖含量高于其它处理，硝态氮肥处理的可溶性糖含量显著高于其它处理。

出现本试验结果可能是因为铵态氮肥易与土壤粒子结合，附着于土壤耕作层表层，深层根系无法吸收足够的养分。同时，在越冬期之前，过多的铵态氮在小麦根部积累会发生铵毒，抑制根部呼吸，影响其它离子吸收，使得地上部分生长受到抑制。试验地十月份降水量较大，铵态氮还原后的硝酸根离子易被淋溶，造成氮素损失，下移到越冬期之前小麦根系不可吸收的范围内，无法与小麦生长期相适应，影响氮素吸收和干物质形成，造成小麦产量和品质降低。硝态氮移动性较大，小麦生育后期根系较深，有利于吸收土壤深层累积的氮素，保证了后期的氮素需求。尿素是一种酰胺态氮肥，它要经过土壤中脲酶的催化才能转化成小麦直接吸收的铵态氮，因此，影响脲酶活性的温度、光照和pH等都会影响到尿素的转化速率。返青期后，小麦正处于营养生长和生殖生长并进的时期，养分需求增多，此时，随着地温回升，脲酶活性加强，尿素转化的铵态氮的数量显著增加，生成的氮素能迅速供小麦植株利用，进而造成施用酰胺态氮效果最佳，硝态氮次之，铵态氮效果最差。此外，施用酞胺态氮肥可能提高了旗叶硝酸还原酶、籽粒谷氨酞胺合成酶和谷氨酸合成酶的活性，从而增加了籽粒蛋白质含量，改善了小麦品质[27]。

方差分析表明，氮肥形态和氮肥用量对冬小麦各生育时期氮素积累量及所占比例有极显著的影响，对醇溶蛋白、蛋白质产量、面筋指数、淀粉和蔗糖含量有极显著的调控效应，且二者存在一定的互作效应。通径分析表明，叶片花前氮素转运量对小麦产量的直接影响作用最大。