不同基因型和生态条件对小麦品质和氮素利用效率的影响

2020-02-25乔祥梅王志伟王志龙程加省杨金华于亚雄

西南农业学报 2020年11期

乔祥梅，王志伟，黄锦，王志龙，程加省，杨金华，于亚雄*

(1.云南省农业科学院粮食作物研究所/国家小麦改良中心云南分中心，云南昆明 650205；2.云南省农业科学院科研管理处，云南昆明 650205)

【研究意义】为了治理农村污染，2015年农业部明确了“一控、两减、三基本”的目标，要求之一是到2020年化肥的施用量要实现零增长。小麦供给侧结构性改革要求提高小麦的质量和效率，把提高质量放在了更加突出的位置，特别是强筋型和弱筋型小麦的供应[1]。小麦生产离不开化肥，其中氮肥的施用最为普遍，因为氮素是小麦生长发育中不可缺少的营养元素之一。氮肥利用率过低导致了资源浪费、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[2]。因此，在当今农业提质增效的背景下，筛选和培育优质氮高效型小麦品种尤为重要。【前人研究进展】认为不同基因型小麦品种的氮素吸收利用效率存在差异[3-5]，根据小麦籽粒产量和氮素收获指数差异将其分为高产高效型、高产低效型、低产高效型和低产低效型4种类型[6]。不同类型专用小麦相比，霍中洋等[7]认为强筋小麦氮肥利用率和氮素吸收效率均高于中筋小麦；朱新开等[8]研究认为氮吸收能力表现为强筋小麦>中筋小麦>弱筋小麦。不同生态类型小麦相比，半冬性小麦的平均氮肥吸收效率和氮肥生产效率显著高于春性小麦[9]。小麦籽粒品质受基因型[10]、种植区域[11]、栽培措施[12]等因素的影响。但由于评价指标的不同而有所差异，郭天才等[13]认为不同基因型对沉降值、硬度、稳定时间、延伸性和拉伸面积的影响较大；马冬云等[14]认为环境对蛋白质、湿面筋含量影响较大。【本研究切入点】云南省小麦高产育种已取得突破性进展，但在提高小麦产量的同时必须兼顾增加氮肥利用效率和改善品质，以提高农民种植收益，而且云南地处低纬高原，各麦类主产区气候条件及土壤类型差异极大，因此，针对区域环境筛选优质高效品种十分迫切。【拟解决的关键问题】以云南省近几年推广的4个旱地小麦品种和3个田麦品种为材料，在昆明、丽江开展不同小麦品种氮素吸收利用效率和品质的差异研究，以期为低纬高原区小麦优质高效育种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2017年10月至2018年6月分别在昆明市嵩明县小街镇云南省农业科学院试验基地(北纬25°15＇，东经103°10＇)和丽江市古城区金山乡团山基地(北纬26°86＇，东经100°25＇)2点进行。以4个旱地小麦品种云麦64、云麦69、云麦76、云麦77和3个田麦品种云麦53、云麦57、云麦68为材料，所有品种均由云南省农业科学院粮食作物研究所提供。每点试验采用随机区组设计，小区面积13.34 m2，重复3次。氮磷钾肥用量、水分管理等栽培措施均按高产栽培技术进行，整地时用复混肥(N∶P∶K=15∶15∶15)600 kg·hm-2均匀撒施作底肥，播种时用尿素150 kg·hm-2作种肥，分蘖期和拔节期分别施尿素150 kg·hm-2。丽江点于11月2日播种，翌年6月16日收获，昆明点于10月22日播种，翌年5月5日收获。

1.2 测定项目与方法

分别于拔节期、开花期和成熟期随机取10株小麦地上部分，带回实验室，经105 ℃杀青0.5 h，80 ℃下烘至恒重，称干重。将烘干后的样品粉碎后，采用CuSO4作催化剂，和浓H2SO4进行消煮后，用FOSS8400全自动凯氏定氮仪测定植物样品全氮含量[15]。氮相关指标按以下公式计算[16,20]：氮素积累量(kg·hm-2)=干物质量×含氮率；氮素吸收效率( %)=植株氮素积累量/施氮量×100；氮收获指数(NIH)=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量；氮肥生产效率(kg·kg-1)=籽粒产量/施氮量；氮素利用效率(kg·kg-1)=籽粒产量/植株地上部氮积累量。

籽粒品质：用Perten D7200型近红外谷物分析仪测定籽粒的蛋白质(干基)含量、湿面筋(干基)含量和沉降指数(mL)、稳定时间、最大拉伸阻力，测定前去除籽粒样品中的杂质和不完善粒。

使用Microsoft Excel 2003处理数据，DPS软件进行其他统计分析。

2 结果与分析

2.1 基因型和生态条件对小麦氮收获指数和品质的联合方差分析

小麦氮收获指数和品质均受基因型、生态条件及其互作效应的影响,且达到显著水平(表1)。生态条件与基因型互作对氮收获指数的效应最大，占69.1 %，其次是生态条件，占29.4 %，基因型的效应最小。对于品质性状，除最大延伸阻力外，效应的大小依次为生态条件>生态条件与基因型互作>基因型。

表1 基因型和生态条件对产量、品质及氮素吸收的方差分析

2.2 基因型和生态条件对小麦氮吸收的影响

由表2看出，丽江点的小麦植株含氮率随生育进程逐渐降低，拔节期最高，为2.91 %，成熟期最低，为1.6 %；而昆明点则是拔节至开花期逐渐降低，开花至成熟期上升，因此拔节期最高，开花期最低。不同小麦品种植株含氮率在不同生育时期的差异不同，拔节期和开花期，含氮率高的品种有云麦64、云麦68和云麦57，而成熟期则是云麦77植株含氮率最高，其次是云麦53和云麦68，云麦69最低。

表2 生态条件和基因型对小麦主要生育期植株含氮率和吸氮量的影响

小麦植株的吸氮量随着生育进程逐渐增加，成熟期达到最大值。就不同生态点而言，丽江点的小麦植株吸氮量高于昆明点，拔节期和成熟期差异达显著水平，开花期两者之间差异不显著，且拔节至开花期氮素积累量增加幅度较小，仅55.38 kg·hm-2，而拔节前和开花至成熟期氮素积累量增加幅度较高，可见，拔节期前和开花至成熟阶段是小麦快速吸收氮素的关键生育阶段。就不同品种而言，拔节期吸氮量变化在93.5～152.37 kg·hm-2，云麦64吸氮量显著高于其他品种，云麦53吸氮量最低；开花期，云麦64吸氮量显著高于其他品种，其他品种之间差异不显著；成熟期，吸氮量在272.51～323.47 kg·hm-2，云麦53吸氮量最高，其次是云麦76和云麦64，超过300 kg·hm-2，云麦68和云麦57最低。可见，云麦64在生育前期具有较好的氮素积累优势，云麦53则表现在生育后期氮素积累较多。综合看来，丽江点的小麦植株含氮率和吸氮量显著高于昆明点，云麦64、云麦53和云麦76为高吸氮型小麦品种。

2.3 基因型和生态条件对小麦氮效率和氮收获指数的影响

由表3看出，就生态条件而言，氮素吸收效率、生产效率和利用效率，丽江点均显著高于昆明点,丽江点氮素生产效率较昆明点高48.1 %；氮收获指数无差异，均为0.47。就不同品种而言，云麦53氮素吸收效率最高，与云麦76、云麦77和云麦64之间无显著差异，但显著高于云麦68、云麦69和云麦57；氮素生产效率和利用效率云麦68与云麦57差异均不显著，二者显著高于其他品种；云麦68和云麦77氮收获指数较高，其次是云麦57，云麦64、云麦69和云麦53三者之间差异不显著，但显著低于其他品种。综合看来，云麦77氮素吸收效率、生产效率、利用效率和氮收获指数均较高；云麦53、云麦64和云麦76氮素吸收效率高，但氮素生产效率和氮收获指数较低；云麦68和云麦57氮素吸收效率低，但氮素生产效率、利用效率和氮素收获指数表现突出。

表3 生态条件和基因型对小麦氮效率和氮收获指数的影响

2.4 基因型和生态条件对小麦品质的影响

不同小麦品种的品质性状如表4所示。两生态点间除了最大拉伸阻力差异不显著外，其余各指标昆明点均显著高于丽江点。不同小麦品种籽粒蛋白质含量变化在12.878 %～14.13 %，平均为13.52 %，蛋白质含量较高的品种是云麦57、云麦77和云麦76。湿面筋含量变化在27.72 %～30.12 %，平均为29.29 %，云麦76、云麦77、云麦57和云麦68湿面筋含量较高。稳定时间变化在4.28～7.9 min，平均为5.8 min,云麦57和云麦77稳定时间较长，超过7.6min。沉淀指数变化在26.85～31.48 mL，平均为29.76 mL，云麦57和云麦77沉降指数较高，超过31 mL，云麦69和云麦76超高30 mL。最大拉伸阻力变化在564.01～772 BU，平均682.36 BU，云麦68最大拉伸阻力最大，其次是云麦57和云麦77，均超过700 BU。云麦57、云麦77和云麦68的综合品质相对较好。

表4 不同生态条件下的小麦的品质性状

3 讨论

目前生产中评价作物氮效率的指标很多，如氮素生理效率(NPE)、氮素表观利用率(NUR)、氮素吸收效率(NUEa)、氮素收获指数(NHI)等，不同研究者对氮高效评价指标的选用不同，使得评价结果缺乏可比性和重现性。李瑞珂[6]等主要根据氮收获指数的大小来划分氮低效型和氮高效型的，姜瑛等[19]则根据氮素吸收量和氮素籽粒生产效率将供试的小麦品种分为氮素高效型(Ⅰ)、氮素中效型(Ⅱ)、氮素低效型(Ⅲ)、氮素超低效型(Ⅳ)4类。项目组采用NUE、NGPE、NUEa和NHI来评价小麦氮效率，参试品种的这些指标具有明显差异(表3)，且具有较高吸收能力的品种的氮素生产效率、利用效率和转运效率并不一定高，具有较高氮素生产能力的品种的氮素吸收能力不一定强，与董召娣等的研究有相同结果[9]。生态条件对氮效率的影响达显著水平，前人[17]的研究也有相同结果。在氮高效利用指标的筛选中，选择用单一指标来鉴定氮高效品种有失偏颇[18]。总体来看，本研究云麦77氮素吸收利用能力、生产效率和转运利用效率均相对较好；云麦53、云麦64和云麦76氮素吸收能力强，但是氮素生产效率、利用效率和转运效率低；云麦68和云麦57氮素吸收能力差，但是氮素生产效率、利用效率和转运效率高。兼顾品质和氮效率两方面，云麦77综合表现较为突出，其次是云麦57和云麦68。

前人研究表明，相同小麦品种的品质及氮吸收利用效率往往因为栽培环境的改变而表现出不同的特征[22]。小麦的品质和氮肥利用效率的表现受环境的影响程度因各指标性状不同而异[23]。项目组研究表明，品种效应对品质和氮效率的影响相对较小，品种×地点的互作效应对氮效率的影响较大，地点对品质的影响较大，因此，要实现小麦优质高效的生产目标，必须充分重视环境因素。丽江点的氮吸收效率、氮生产效率和氮利用效率均显著高于昆明点，但收获指数无差异，品质性状则相反，表现为昆明点优于丽江点。小麦品种的遗传特性、栽培技术、土壤、气候以及收获、干燥、储存方法与条件等因素均会影响小麦籽粒的加工品质[24]。导致丽江点小麦品质差的主要原因可能是小麦在灌浆至成熟期降雨量较多，收获时也被雨淋。