施氮量和灌水模式对小麦产量、品质和氮肥利用的影响

吴 强，张永平，董玉新，高飞雁，谢 岷

(内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010019)

内蒙古河套灌区位于我国西北部，该地区光温水资源充足，具备优质中强筋春小麦生长的自然条件。当地主栽春小麦品种永良4号种植30多年来较为稳定的产量和品质也表明其优良种性。小麦的产量与品质不仅受到自然环境与基因型的影响，还与栽培措施密切相关[1-3]。河套灌区小麦种植一直存在着大水漫灌、化肥滥用的情况，不仅造成了资源的严重浪费，还限制了小麦产量和品质的进一步提高[4]。施肥和灌水是小麦生产中较易人为控制的重要栽培措施[5]。研究施氮量和灌水模式对河套灌区小麦产量、品质和氮肥利用效率的影响，并探明该区域小麦高产、高效、优质的适宜施氮量范围，对当地优质小麦生产的长远发展具有重要意义。Otteson等[6]与赵广才等[7]研究认为，施用适量氮肥对小麦生长具有显著促进作用，小麦籽粒产量、蛋白质含量、干、湿面筋含量、沉淀值、面团稳定时间以及面团拉力等也均有不同程度升高。张文静等[8]和Wang等[9]研究表明，过量施用氮肥会使小麦籽粒产量、加工品质、营养品质下降。随施氮量的增加，小麦各生育时期的氮素吸收量显著提高，当施氮量大于150 kg·hm-2时，小麦植株吸氮量不再增加[10-11]。大量研究表明，灌水过少或过多均会对小麦产生不利影响[12-13]，土壤水分过少影响小麦植株正常生长发育，进而对产量与品质产生影响；充分灌溉有利于小麦产量的提升，但会使品质产生“稀释效应”[14]。灌水和施氮对小麦生长发育具有显著的互作效应，土壤水分会显著影响小麦对氮素的吸收和利用[15]。故不同的灌水模式与相应的施氮量结合，才能实现小麦优质高产。

由于受地区、气候及土壤基础肥力的影响，各地小麦最佳施氮量研究结果不尽相同，直接表现为空间扩展性较差[6-11,15]。目前，河套灌区有关施肥、灌水对小麦影响的报道多集中于氮素、水分的高效利用[2,16]，而以小麦产量、品质及氮肥利用效率协同提高为目标的研究尚不多见。本试验以河套灌区为研究区域，在前期建立的“春小麦高产节水灌溉模式”基础上，探寻小麦高产、高效与优质相统一的适宜施氮量，为建立河套灌区春小麦高产、高效、优质栽培技术体系提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在内蒙古巴彦淖尔市五原县新公中镇(41°04′N，108°03′E；海拔1 028 m)进行。该地区为中温带大陆性气候，常年平均降水量170.3 mm，年蒸发量为2 030～3 180 mm，年日照时数3 100～3 300 h，无霜期110～142 d，全年活动积温3 053～3 339 ℃，年平均气温6.1～7.6 ℃，日平均温差14～18 ℃。试验地0～20 cm耕层土壤有机质15.83 g·kg-1，碱解氮58.84 g·kg-1，速效磷26.32 g·kg-1，速效钾125.17 g·kg-1，pH 7.51。

1.2 试验设计

供试品种为当地主推春小麦品种永良4号，试验设常规灌溉(W4，分蘖期+拔节期+开花期+灌浆期灌水4次，每次灌水900 m3·hm-2)和节水灌溉(W2，拔节期+开花期灌水2次，每次灌水900 m3·hm-2)两种灌溉模式。采用裂区设计，灌水为主区，施氮量为副区，设7个氮素水平(表1，CK为常规施肥)，共14个处理组合。3次重复，小区面积为30 m2(6 m×5 m)。使用小麦种肥分层播种机播种，行距15 cm，播种量375 kg·hm-2。种肥统一施用磷酸二铵300 kg·hm-2，尿素于拔节期结合灌水追施，施用量依不同氮素水平而异。小麦播种期为2017年3月17日，成熟期为2017年7月13日，生育期降水量为99.8 mm，与常年相比属正常。其他田间管理措施同当地大田。生育期内未发生病虫害。

表1 不同施氮处理的肥料施用量

1.3 测定项目与方法

1.3.1 考种与测产

小麦蜡熟末期，在每个小区取2 m2样点，单独收获，统计总穗数。晾晒后使用机械脱粒并称重，采用烘干法测定籽粒含水率；按含水率13%校正籽粒重量，换算实际产量。各小区取有代表性的50 cm样段进行考种，考察穗长、穗宽、有效小穗数、无效小穗数、地上部干物质重量及穗粒数、千粒重，并计算理论产量及经济系数。

1.3.2 植株氮素含量测定与氮素利用相关指标计算

将考种后各小区的50 cm样段植株使用粉碎机粉碎均匀，采用浓硫酸消煮、半微量凯氏定氮法测定植株含氮量，并计算氮效率指标。吸氮量=植株干物质重×植株含氮量；氮肥表观利用率=(施氮处理植株吸氮量-不施氮处理植株吸氮量)/施氮量；氮肥农学效率=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/施氮量；氮肥生理效率=经济产量/植株总吸氮量；氮素生产效率=生物产量/植株总吸氮量；氮肥偏生产力=施氮处理籽粒产量/施氮量。

1.3.3 籽粒品质相关指标测定

小麦收获后留足籽粒，晾晒后储藏2个月。每小区取200 g籽粒，使用IM9100型近红外(NIR)整粒谷物分析仪(瑞典Perten公司)测定籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、容重、出粉率、吸水率、形成时间、稳定时间、最大抗延阻力、拉伸面积。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2019与SPSS Statistics 25.0、Origin 2018软件进行统计分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 灌水模式和施氮量对小麦产量及其构成因素的影响

方差分析结果(表2)表明，灌水模式对穗数与穗粒数有显著影响，对千粒重和产量的影响不显著。常规灌溉的小麦产量及其构成因素均高于节水灌溉，节水灌溉较常规灌溉减产1.37%。施氮量对穗数、穗粒数与产量均有极显著影响。产量及其三要素均随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，当施氮量较低时产量增加较快，施氮量超过一定值后产量开始缓慢下降。N0处理的产量为5 591.1 kg·hm-2，N1、N2、N3、N4、N5、CK处理较N0的增产幅度分别为7.15%、13.57%、20.56%、24.78%、21.81%、20.13%。N4处理(纯氮166.5 kg·hm-2)产量最高，且显著高于CK处理(纯氮241.5 kg·hm-2)。说明施用氮肥可显著提升小麦产量，但过量施氮会导致产量不增反降。本研究中，千粒重受灌水模式、施氮量及其互作的影响均不显著，说明穗数和穗粒数为制约产量的关键因素。

表2 不同灌水模式和施氮量处理下的小麦产量及其构成因素

2.2 灌水模式和施氮量对春小麦氮素吸收和利用的影响

由表3可知，灌水模式与施氮量对春小麦氮素吸收与利用相关的多数被测指标存在显著影响。常规灌溉下，地上部生物量、植株含氮率、吸氮量、氮肥表观利用率、氮肥农学效率均显著高于节水灌溉模式；氮肥生理效率、氮肥生理效率显著低于节水灌溉；氮肥偏生产力在两种灌水模式间差异不显著。说明节水灌溉虽显著降低了小麦植株对土壤氮素吸收，但促进了植株已吸收氮素自营养器官向籽粒的转移。

表3 不同灌水模式与施氮量处理对春小麦氮素吸收、利用率的影响

吸氮量和地上部生物量均随施氮量的增大呈先升高后降低的单峰曲线变化，N4处理下吸氮量显著高于其他处理，原因在于其最大的地上部生物量和最高的植株含氮量。氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥生理效率、氮肥生产效率则随施氮量的增加整体呈降低趋势。相关分析表明，施氮量与吸氮量呈极显著正相关关系，与氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥生理效率、氮素生产效率呈极显著负相关关系。说明减少氮肥施用量使吸氮量降低，但可提高氮肥利用效率，故在产量不显著降低的情况下，适当减少氮肥施用量可兼顾高产、高效。

2.3 灌水模式和施氮量对小麦籽粒品质的影响

方差分析结果(表4)表明，灌水模式对蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间、面团稳定时间、沉降值、面团延展性的影响达到了显著或极显著水平，此六项指标均表现为节水灌溉模式显著高于常规灌溉模式，吸水率、容重、拉伸面积、最大抗延阻力在两种灌水处理间差异不显著。表明适度的水分胁迫有利于小麦品质的提升。

表4 灌水模式和施氮量对小麦籽粒品质的影响

施氮量对所有被测定品质相关指标的影响均达到极显著水平，蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间、拉伸面积、沉降值、面团延展性均随施氮量的增加呈增加趋势，表现为N0

2.4 小麦籽粒品质指标的相关性分析

小麦11项品质指标的相关分析结果(表5)表明，蛋白质含量与8项品质指标(沉降值、湿面筋含量、吸水率、面团形成时间、面团稳定时间、面团延展性、拉伸面积、最大抗延阻力)存在极显著正相关关系；容重、出粉率与其他品质指标无显著相关性，且其变异系数(0.84%，0.44%)较小，对小麦籽粒综合品质的影响有限。蛋白质含量可作为衡量小麦籽粒综合品质优劣的主要指标，蛋白质产量可在一定程度上作为兼顾小麦品质与产量的综合评价指标。

表5 小麦籽粒品质指标间的相关性

2.5 施氮量与小麦产量、蛋白质含量及蛋白质产量的关系

回归分析表明，两种灌水模式下小麦产量、蛋白质产量和蛋白质含量均随施氮量的增加呈先升高后降低的单峰曲线(图1)。对回归方程分别求极值，得出常规灌溉模下小麦获得最高产量、蛋白质产量、蛋白质含量的施氮量(纯N)分别为 212.52、240.92、253.09 kg·hm-2，节水灌溉模式下分别为 185.51、209.52、230.85 kg·hm-2。

图1 两种灌水模式下小麦产量、蛋白质产量及蛋白质含量与施氮量的关系

节水灌溉模式下，当施氮量在0～185.51 kg·hm-2范围，随施氮量的增加，籽粒产量、蛋白质产量与蛋白质含量同步提高，此阶段为产量、品质同步增长区；当施氮量在185.51 kg·hm-2～209.52 kg·hm-2时，随施氮量的增加，籽粒产量略微下降，但由于蛋白质含量上升幅度较大，蛋白质产量仍呈上升趋势，此阶段为产量、品质平衡区；当施氮量达到209.52 kg·hm-2～230.85 kg·hm-2时，随着施氮量增加蛋白质含量继续升高，产量开始快速下降，蛋白质产量也呈下降趋势，此阶段属于减产、增质区；当施氮量超过 230.85 kg·hm-2时，籽粒产量、蛋白质含量、蛋白质产量均下降，此阶段为减产、减质区。因此，节水灌溉模式下，优质与高产相对统一的最适施氮量为185.51 kg·hm-2～209.52 kg·hm-2。常规灌溉模式下，兼顾优质与高产的最佳施氮量为212.52 kg·hm-2～240.92 kg·hm-2。可见，节水灌溉模式相较于常规灌溉模式能够以更低的水、肥投入实现小麦优质与高产，值得在小麦生产中推广。

3 讨 论

施氮与灌水作为小麦生产中两项重要栽培措施，对小麦的产量构成、氮素利用效率及品质形成具有明显的调控作用[6-13,17]。适宜的施氮量可协调小麦的穗数、穗粒数、千粒重，获得较高的籽粒产量。王月福等[18]、赵广才等[19]研究表明，提高施氮量能促进小麦分蘖与穗花发育，但对千粒重无显著影响。而王晓英等[20]研究认为，随施氮量增加，小麦穗数和穗粒数增加，千粒重下降。本研究结果表明，千粒重随施氮量的增加呈先升高后降低的变化趋势，与史校艳等[21]的研究结论相同。已有研究表明，小麦的产量和品质均随施氮量的增加呈先升高后降低趋势[6-8,22]。在本试验条件下，籽粒产量符合上述趋势，而品质随施氮量的增加呈增加趋势，可能原因是本试验以减少氮肥施用量为目标，设置的最大施氮量为当地农户常规施氮量，低于品质达到最佳的施氮量。本研究节水灌溉下，产量达到最大值的施氮量为 185.5 kg·hm-2，蛋白质含量达到最大的施氮量为 230.85 kg·hm-2，可见施氮量对强筋小麦的品质提升有显著促进作用，这与李法云等[23]“利用植物奢侈吸收养分的特性提升植物品质”的观点不谋而合。但品质的提升不能以产量的大幅降低为代价，必须优质、高产协调统一[24]。

大量研究表明，较高的土壤水分对小麦产量的提升有利，较低的土壤水分则对品质具有促进作用[12-13,25]。本研究发现，常规灌溉下的小麦穗数、穗粒数显著高于节水灌溉，一方面分蘖期灌水与灌浆期灌水对小麦分蘖、穗花发育具有直接的促进作用[26]；另一方面常规灌溉吸氮量与氮素表观利用率显著高于节水灌溉模式，高土壤水分提高了小麦植株对土壤氮素的吸收，充足的氮素营养使小麦分蘖成穗率和穗粒数增加[27]。张永丽等[28]研究表明，小麦花后干旱有利于植株氮素自营养器官向籽粒的转移。本研究节水灌溉下的小麦籽粒蛋白质含量、氮素生理效率与氮素生产效率显著高于常规灌溉模式，原因在于常规灌溉模式下小麦虽然从土壤中吸收了较多的氮素，但并未得到充分利用，而节水灌溉模式因缺少灌浆水产生的花后干旱明显提高了小麦籽粒蛋白含量，同时较多的光合产物被转运至籽粒也缓解了较低的水分投入对产量的影响。

灌水与施氮对小麦籽粒产量与品质具有显著的互作效应[15,29-30]。本研究条件下，节水灌溉模式下兼顾高产优质的适宜施氮量为185.51～209.52 kg·hm-2，常规灌溉模式下为212.52～240.92 kg·hm-2，常规灌溉最佳施氮量明显高于节水灌溉。高水分给籽粒品质带来的“稀释作用”是可以通过适当提高施氮量来弥补的，这与李秋霞等[15]的结论一致，但这样的行为显然是不经济的，相较于常规灌溉模式，节水灌溉模式能够以更低的水肥投入实现小麦优质、高产、高效的相对统一。