施氮量对渭北旱地冬小麦产量和籽粒品质的影响

周 栋，于 琦，李 敖，李 军

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

渭北旱塬是我国北方旱地小麦主产区之一[1]。该地区年降水量500～600 mm，降雨季节间分布严重不均，主要集中在7-9月，属暖温带半湿润易旱区，且气候干燥，土质疏松，土壤肥力不足[2]。水分和氮素是影响该区小麦产量和品质的主要因素，两者对作物生长相互制约、共同影响[3]。如何在旱地小麦生产受水分限制的条件下合理施用氮肥从而提高水分利用效率和肥料利用率应当引起重视[4]。小麦缺氮时地上和地下器官生长都会受到抑制，进而造成籽粒小而不充实，产量和品质下降；增施适量氮肥可以提高作物产量和品质，但施用氮肥过多时会造成植株贪青生长，对作物品质也会造成不良影响[5]。赵护兵等[6]发现，渭北旱塬接近70%的小麦种植户存在不合理施氮现象，冬小麦纯氮平均用量高达191.5 kg·hm-2，且用量逐年增加，“多肥多产”的生产管理理念较为盛行，而氮肥利用率较低，氮肥淋失、反硝化脱氮及氮素挥发导致氮素损失较大[7]。

在对小麦品质形成的众多研究中，前人发现其形成与氮素营养密切相关[8-10]。王 东[11]在山东的研究发现，在0～240 kg·hm-2(基追比 5∶5)施氮量范围内，籽粒产量随施氮量增加而增加，但施氮量超过240 kg·hm-2时，籽粒产量随施氮量的增加显著降低。杨兵兵等[12]在安徽的研究发现，施氮量在0～200 kg·hm-2(基追比 5∶5)范围内，施氮能显著增加小麦籽粒产量、容量、出粉率和硬度，超过200 kg·hm-2后，产量变化无显著差异，而小麦籽粒容量、出粉率和硬度均呈下降趋势。徐凤娇等[13]认为，施氮量在180 kg·hm-2(基追比5∶5)时可以显著延长面团形成时间和稳定时间，降低吸水率，因而面包总体评分最高。

不同类型小麦品种的产量性状和品质指标对氮素的响应不同，又因气候条件和栽培措施不尽相同，关于施氮量对小麦产量和品质影响的研究结果存在很大差异。因此在渭北旱塬生产条件下如何合理调整氮肥用量，使其在提高产量和改善品质的同时，最大限度地降低氮肥对环境的负面作用，已成为该区小麦可持续生产中亟待解决的问题。但前人对渭北旱塬主栽冬小麦品种品质和产量相结合的研究内容不足，有关施氮对作物产量特性、肥料利用效率和产量效应的研究相对较少，最佳施氮量的选择还不够合理。本研究结合施氮量和品种两因素，在渭北旱地麦田通过探究不同施氮水平下冬小麦产量、品质以及氮素利用率的变化，评价和筛选冬小麦氮高效利用的最优施氮量和品种的耦合模式，旨在为旱作冬小麦高产优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017-2018年在陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学旱农试验站(35°19′54.45″N，110°05 ′58.35″E)实施，该站位于渭北旱塬东部，属典型的黄土高原沟壑区，暖温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降雨量为536.6 mm，且降雨主要集中在7-9月，试验年份冬小麦生育期降雨量为149.3 mm(图1)，较多年平均值229.3 mm减少34.8%。土壤为黑垆土，试验前土壤化学基本性质见表1。

表1 供试土壤试验前化学基本性质Table 1 Soil basic chemical properties

图1 试验期间降雨量Fig.1 Precipitation during experimental stage

1.2 试验设计

试验采用施氮量和品种二因素裂区设计，施氮量为主处理，共设置五个施氮量水平，即0、60、120、180、240 kg·hm-2，分别用N0(对照)、N1、N2、N3、N4表示，统一配施P2O5120 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，氮、磷、钾肥分别为尿素(含N 46.4%)、过磷酸钙(含P2O512.0%)和硫酸钾(含K2O 50.0%)，肥料全部基施；品种为副处理，供试材料为当地主栽小麦品种长6359和晋麦47(均属于中筋小麦)，播种量均为187.5 kg·hm-2。试验设3次重复，共设置施氮量和品种组合小区30个，每个小区面积75 m2(7.5 m×10 m)，小区之间及边行留1 m保护行。2017年10月15日播种，2018年6月18日收获，全生育期无灌溉，视杂草情况采用化学除草和人工除草，其他管理措施参照当地小麦常规管理方案进行。

1.3 测定项目与方法

于冬小麦拔节期、开花期、灌浆期和成熟期分别在各小区取20 cm行长的新鲜植株装袋，每小区重复3次，新鲜植株样于105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干，粉碎机粉碎后过25目筛，植株全氮含量采用FOSS公司的Kjeltec 8400自动定氮仪测定；于小麦收获期每小区取0.53 m2样品，籽粒收获后晒干除杂，采用粉碎机磨机，过100目筛，每小区重复3次，采用Kjeltec 8400自动定氮仪测定籽粒全氮含量，乘以5.7即为籽粒蛋白质含量；千粒重用数粒板数100粒，每小区3次重复，再换算成千粒重；采用近红外分析仪(瑞士，波通 DA7250)测定面筋含量、面团稳定时间、容重、沉降值等小麦籽粒品质指标。

1.4 数据计算

氮农学效率 (NAE) = (施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量) /施氮量。

1.5 统计分析方法

试验数据用Excel 2016和SPSS 20软件进行统计分析，用Origin 2015作图。

2 结果与分析

2.1 施氮对冬小麦植株氮素含量的影响

从表2可以看出，各施氮处理的小麦植株氮素含量均显著高于对照，说明施用氮肥能显著提高冬小麦植株氮素含量。在5个施氮梯度下，除拔节期和灌浆期外，其余两个时期均表现为N3处理最高，N4处理略有下降，说明高施氮水平对植株氮素含量并没有显著改善，甚至会造成降低的效果。随生育时期的推进，植株氮素含量逐渐下降，拔节期到开花期下降幅度最为明显，说明氮素向籽粒转移，到成熟期时各处理氮素含量最低。

表2 施氮量对不同品种小麦植株氮素含量的影响Table 2 Effect of nitrogen application rate on nitrogen content of different wheat varieties

2.2 施氮对不同冬小麦品种产量和氮农学效率的影响

从图2可知，增施氮肥，只有N3处理显著提高了旱地冬小麦产量，两个冬小麦品种均如此。在N3处理下，长6359和晋麦47分别较对照N0增产45%和30%。在同一施氮量条件下，晋麦47的产量显著高于长6359。当施氮量由N3增至N4时，两个品种均出现减产，表明N3处理是本试验最适宜的施氮量。两个冬小麦品种的氮农学效率与产量变化规律类似，表现出抛物线的趋势，但氮素农学效率均在N2处理下达到最高值，长6359和晋麦47分别为6.2和6.8 kg·kg-1。长6359的氮农学效率在不同处理下均低于晋麦47，但差异均不显著。

图柱上字母不同表示不同处理或同一处理的不同品种间差异达到0.05显著水平。Different letters above the columns indicate that the differences among different treatments or different varieties reaches the significant level of 0.05.图2 施氮量对不同小麦品种产量和氮农学效率的影响Fig.2 Effects of nitrogen application rate on yield and nitrogen agronomic utilization of different cultivars

2.3 施氮对冬小麦产量构成因素的影响

由表3可知，两个冬小麦品种的产量均在N3处理下达到最大值，分别为5 261和6 958 kg·hm-2，与对照的差异达到显著水平。产量构成三因素中，两个品种的穗数、穗粒数与产量表现出正相关关系，千粒重却随着产量的增加出现小幅度的降低，但穗数和千粒重在处理间差异不显著。两个品种的穗粒数都在N3处理下达到最大值，并显著高于其他处理，其他处理间差异不 显著。

表3 施氮对冬小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effect of different nitrogen application rates on yield and its components of winter wheat

2.4 施氮对冬小麦籽粒加工品质的影响

由表4可以看出，两个品种的籽粒蛋白质含量均随施氮量的增加而逐渐升高，且N3处理和N4处理的籽粒蛋白质含量均显著高于对照，表明N3处理是提高籽粒蛋白质的适宜施氮量，但施氮对容重和出粉率的影响均不显著。

表4 施氮量对小麦籽粒一次加工品质的影响Table 4 Effect of N-fertilizer rates on the first processing quality of wheat

从表5可知，与N0处理相比，N3和N4处理均显著提高了长6359和晋麦47的湿面筋含量、淀粉含量和沉降值，并显著延长了它们的面团稳定时间和形成时间；N2处理也显著提高了晋麦47的吸水率、淀粉含量和沉降值，并延长了面团形成时间。综合来看，改善冬小麦籽粒品质的最适宜施氮量为N3处理。

表5 施氮对小麦籽粒二次加工品质的影响Table 5 Effects of N-fertilizer rates on the second processing quality of wheat grain

2.5 冬小麦各生育时期植株氮素含量与品质相关性分析

冬小麦主要品质参数与不同生育时期氮素含量的相关分析表明(表6)，拔节期两个冬小麦品种植株氮素含量对籽粒蛋白质含量、湿面筋含量以及淀粉含量三个主要品质参数均具有极显著影响。进入开花期，小麦营养生长与生殖生长并存，该生长阶段的植株氮素含量与两个品种的品质相关性均不显著。灌浆期和开花期植株氮素含量对两个品种品质的影响略有不同，但均达到了显著水平。

表6 小麦不同生育时期植株氮素含量与籽粒品质指标的相关性Table 6 Correlation analysis between nitrogen content of wheat plant in different growth stage with quality of grain

3 讨 论

3.1 冬小麦高产与高效在施氮量水平的一致性

氮素是植物生长必须的大量营养元素，也是限制植物生长的首要因素，施氮水平的高低直接影响植株对氮素的吸收、积累及运转，最终影响产量。而合理施用氮肥可促进植株对土壤氮素的吸收利用，增加植株氮素积累量，减少土壤矿质氮残留，从而提高氮肥利用效率[14]。易 媛等[15]研究发现，在施氮量为229.5 kg·hm-2(包括基肥、壮蘖肥、拔节肥和孕穗肥)下小麦籽粒氮农学效率最高。赵满兴等[16]认为，增施氮肥可显著提高小麦地上部氮素累积量，施氮量在180 kg·hm-2(基肥一次施用)时籽粒氮素含量最高，再增施氮肥会降低籽粒氮素含量，该研究结论与本试验结论一致。本研究发现，植株氮素含量明显受施氮水平调控，在0～180 kg·hm-2施氮范围内表现出随施氮量增加而增加，而超过180 kg·hm-2有不增反减的趋势，原因可能是冬小麦生育后期氮素不断向籽粒转移，植株氮素含量逐渐下降。

前人研究表明，氮肥超出合理施用范围并不能显著增加小麦产量，如施氮270 kg·hm-2的籽粒产量与施氮180 kg·hm-2(基肥一次施用)无显著差异，而且会造成氮肥偏生产力降低 28.31%～30.27%[17-18]。本研究以两个不同品种的旱地冬小麦为材料，发现施氮量对穗粒数与籽粒产量均存在显著影响，在180 kg·hm-2(较渭北旱塬平均施氮量降低约6.4%)处理下穗数、穗粒数、千粒重和籽粒产量表现最佳，其中穗粒数和籽粒产量在处理N4时较N3显著下降，穗数和千粒重也有下降，但是未达到显著水平。但郭培武等[19]在山东兖州的试验发现，施氮量在210 kg·hm-2(基追比为7∶9)时小麦籽粒产量、氮肥农学效率和收获指数均达到最高，是该试验条件下高产高效的最优施氮量处理。这差异可能与试验环境与小麦品种有关。施氮量对小麦产量影响表现为“报酬递减”规律，超过最佳施氮量不仅不会带来显著增收，反而会给环境带来一定压力。

3.2 施氮对冬小麦籽粒加工品质的影响

合理的氮肥施用对小麦籽粒品质具有显著的调控作用，在一定范围内，小麦主要加工品质性状会随施氮量的增加而改善，但不同品种之间存在差异，若超出合理范围，施肥将会导致小麦品质的下降[20]。有关合理施氮量和品种对小麦籽粒品质影响的研究结果因地区和环境而异。张耀兰等[21]研究发现，籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉淀值、面团延长时间、形成时间和稳定时间等品质指标均与施氮量呈线性正相关。赵广才等[22]对强筋小麦济麦20研究发现，在150～300 kg·hm-2施氮范围内，产量和籽粒蛋白质含量随施氮量的增加而增加，且处理间达到极显著水平，但超过300 kg·hm-2(底施和追施)反而导致籽粒产量与品质有一定程度下降。赵 城等[23]在大田条件下以基因型差异较大的农大糯50222和非糯小麦轮选987为试验材料，发现在0～300 kg·hm-2(基追比5∶5)施氮范围内，两个小麦品种的产量与品质各参数均出现先增加后降低的趋势，两个小麦品种的最佳施氮量均为100 kg·hm-2。这与本试验研究所得结论略有差异，本研究结果表明，在一定范围内施氮可以显著改善冬小麦的加工品质，但施氮过量并不利于某些品质参数的提升，施氮量对二次加工品质各个参数均具有极显著改善作用，综合两个冬小麦品种的加工品质参数表现，180 kg·hm-2施氮水平为适宜施氮量。

3.3 冬小麦植株氮素含量与品质的相关性

小麦是需氮量较多的作物，对小麦生长过程中氮素养分进行测定并据此指导施肥管理，对促进作物生长，提高作物产量和氮肥利用率，改善品质，减少环境污染，具有重要经济和生态意义。籽粒品质的提升受施氮影响显著，拔节期追肥是提高籽粒品质的一个关键措施[24]，本试验的设计虽然为一次性施足基肥，但大部分研究都表明，提高中后期的施氮比例能改善籽粒品质，而关键就是拔节期施氮[25-28]。这一结论可以指导后期试验进一步改进，来更好地指导生产。