立式旋耕方式下氮肥不同减施水平对小麦品质的影响

2021-05-24聂胜委张巧萍何宁许纪东张玉亭张浩光

农业资源与环境学报 2021年3期

聂胜委，张巧萍，何宁，许纪东，张玉亭，张浩光

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.遂平县农业科学试验站，河南遂平 463100）

土壤耕作是改善耕层结构和通透性，协调水、肥、气、热等环境因子，提高土壤功能和优化水肥供应能力的有效措施[1]。立式旋耕采用动力机械带动垂直螺旋钻头直立旋转切磨粉碎土壤，实现深松、旋耕土壤[2]。因其作业方式新颖，可构建良好耕层（30 cm±5 cm）、提高肥水利用效率、促进作物生长而受到越来越多的关注。已有研究表明，在施肥量一定的条件下，与旋耕、翻耕等方式相比，立式旋耕（粉垄）可以提高小麦[3-5]、玉米[6-7]、水稻[8]等作物产量，对水稻品质具有改善作用[9]。近年来，我国小麦单产和总产记录不断取得突破，除品种因素外，与化肥的施用密切相关。资料显示，2018 年我国化肥施用量为5 653.4 万t，是2000 年（4 146.4 万t）的1.36 倍，比最高值6 022.6 万t（2015 年）有一定减少，但是整体投入量仍然较高。过量的肥料投入是获得粮食高产的主要途径之一，也是造成氮肥淋失和生态环境恶化的关键驱动因素[10-11]。我国小麦生产中氮肥投入水平总体较高，以陕西省渭北为例，施氮偏高和很高的农户分别占20.2%、43.5%，累计占总户数的63.7%[12]。小麦季农民习惯化肥投入量在不同农户之间差异较大，平均为424 kg N·hm-2、226 kg P2O5·hm-2、88 kg K2O·hm-2，其中氮磷用量已远超过养分需求量[13]。以氮肥为例，农户用量最少的仅为33 kg N·hm-2，最高为454 kg N·hm-2，平均为188 kg N·hm-2[14]。因此，开展小麦氮肥减施研究意义重大。郑春风等[15]研究认为，在225 kg N·hm-2基础上，减施10%～20%氮肥不会影响小麦产量，且能提高经济效益；徐进玉等[16]研究发现在180 kg N·hm-2基础上，减施5%～10%氮肥，小麦可增产4%～7%，氮肥利用率提高7～8个百分点。说明改进土壤耕作方式以及减少氮肥投入量可以实现小麦季减肥增效，但是研究选用的氮肥减施基准差异较大，时间较短，且减施研究侧重于产量、效益，对小麦品质关注较少。

鉴于此，本研究从改善和提高土壤功能考虑，采用文献调查和统计资料综合分析得出以300 kg N·hm-2作为减施基准[17]，研究连续两个小麦生长季（2017—2018、2018—2019 年）立式旋耕（30 cm±5 cm）下，不同氮肥减施水平对小麦籽粒品质以及面粉流变特性、拉伸性能的影响，为实现小麦绿色生产和养分高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省遂平县农业科学试验站（33°15′N，113°98′E）内，属亚热带大陆性季风型湿润气候。雨量充沛，光照充足，四季分明，亚热带向暖温带过渡性气候特性较明显。年平均气温、日照时数、降水量、无霜期分别为15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤类型为砂姜黑土，重壤偏黏，中性偏弱酸性（pH=5.9），土地肥沃，试验地基础土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为6.52 g·kg-1和18.6、110.40、139.10 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验为单因素随机区组设计，小麦生长季设过量施氮（300 kg N·hm-2）、减氮10%、减氮20%、减氮30%4 个处理，各处理磷肥（82.5 kg P2O5·hm-2）、钾肥（82.5 kg K2O·hm-2）施用量相同。每个处理重复3次，共计12个小区，小区面积24.5 m×6 m。各处理氮肥施用量分别为①过量施肥（CK）：氮肥300 kg N·hm-2；②减氮10%（RF10）：氮肥270 kg N·hm-2；③减氮20%（RF20）：氮肥240 kg N·hm-2；④减氮30%（RF30）：氮肥210 kg N·hm-2。施肥处理中70%的氮肥和全部磷、钾肥作基肥在整地时一次施入，剩余30%氮肥在拔节期作追肥施入。上茬作物为青贮玉米，收获后粉碎灭茬，后用立式旋耕机深旋耕一遍，整地深度为（30±5）cm，再用常规旋耕机平整1遍（深度5～10 cm），播种。

小麦品种为遂选101（豫审麦2015004），分别在2017、2018 年10 月下旬机播楼播种，播量150 kg·hm-2，行距20 cm，于次年（2018、2019 年）6 月上旬收获。其他田间管理措施等保持一致。

1.3 测定项目及方法

于小麦成熟期，每个小区实收4 m2测产，同时预留晒干后的小麦籽粒2.5 kg 用于分析籽粒品质及面粉流变特性、拉伸性能等，水分（GB 5009.3—2016）、蛋白质（干基，GB 5009.5—2016）、容重（GB/T 5498—2013）、湿面筋（GB/T 5506.2—2008）、吸水量、形成时间、稳定时间、弱化度（GB/T 14614—2006）、能量、恒定变形拉伸阻力、延伸性、最大拉伸阻力（GB/T 14615—2006）、出粉率（NY/T 1094.1-4—2006）等均采用国家标准方法进行测定。

1.4 数据处理

数据用Excel 2003、SPSS 20.0 等软件进行整理，用LSD法进行显著性分析，差异显著性水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 氮肥不同减施水平下小麦产量的变化

由图1可以看出，2018年RF10（减施10%）、RF20（减施20%）处理小麦产量与CK 无显著差异，RF30（减施30%）处理小麦产量降幅较大，但是处理间差异不显著。第二季（2019 年）连续氮肥减施，RF10、RF20、RF30与CK处理间差异仍不显著。这说明在立式旋耕方式下，当季减施及第二季连续减施10%、20%的氮肥既节省氮肥投入，又不降低小麦产量；若减施30%的氮肥，小麦产量有下降趋势。

图1 不同氮肥减施水平下小麦籽粒产量的比较Figure 1 Wheat grain yields under various nitrogen fertilizer reduced levels

2.2 氮肥不同减施水平下籽粒品质的变化

氮肥减施对小麦籽粒品质的影响见表1，籽粒含水量在减施当季（2018）均有所上升，其中RF20、RF30 处理显著高于CK、RF10 处理。除RF10 处理籽粒蛋白质（干基）含量略有升高外，RF20、RF30 处理均下降，其中RF30 较CK 显著下降（P＜0.05）。此外，RF10处理籽粒容重较CK略有下降，RF20、RF30处理容重增加，但是差异不显著。RF20 籽粒出粉率较CK处理下降显著（P＜0.05），其他处理之间差异不显著。

第二季，氮肥减施处理的籽粒含水量均低于CK，RF30 显著降低（P＜0.05）；籽粒蛋白质（干基）含量均下降，RF10、RF20 较CK 下降显著（P＜0.05）；RF10 籽粒容重与CK 无显著差异，RF20、RF30 籽粒容重则增加，其中RF20处理较CK 显著增加（P＜0.05）。籽粒出粉率方面，RF10 出粉率较CK 显著增加（P＜0.05），RF20、RF30与CK无显著差异（表1）。

表1 氮肥不同减施水平下籽粒品质的比较Table 1 Wheat grain quality under various nitrogen fertilizer reduced levels

2.3 氮肥不同减施水平下面粉流变特性的变化

由表2 可以看出，氮肥减施当季，与CK 相比，RF10、RF20 湿面筋含量稍有升高，差异不显著；RF30则显著下降（P＜0.05）。氮肥减施10%～30%后面粉吸水量均增加，其中RF20、RF30 较CK 显著增加（P＜0.05）。面团形成时间方面，RF10、RF20与CK 无显著差异，RF30 较CK 显著缩短（P＜0.05）。氮肥减施后面团稳定时间则均有缩短，RF20、RF30 处理较CK 显著缩短（P＜0.05）。与此相反，面团弱化度均增加，与CK相比，RF30处理增加显著（P＜0.05）。

2019 年，连续减施处理（RF10、RF20、RF30）的湿面筋含量和面团形成时间与CK 差异均不显著；RF10、RF20、RF30 处理的面团稳定时间与CK 相比均显著缩短（P＜0.05）；面粉吸水量和弱化度与CK 差异均不显著（表2）。

2.4 氮肥不同减施水平下面粉拉伸指标的变化

由表3 可以看出，2018 年RF10、RF20 处理面粉能量值较CK 增加，RF30 则减少且显著低于RF10 和RF20（P＜0.05）。恒定变形拉伸阻力方面，RF10与CK相比显著减小（P＜0.05），RF20、RF30 处理与CK 差异不显著。RF10处理的面团延伸性较CK显著增大（P＜0.05），RF20、RF30 处理略减小。RF10、RF20、RF30处理的最大拉伸阻力与CK处理差异不显著。

第二季氮肥减施处理的面团能量值均较CK略有下降，各处理之间差异不显著；与此相反，面团恒定变形拉伸阻力均较CK 增大，且RF10、RF30 处理显著增大（P＜0.05）；面团延伸性均较CK 下降，RF10 下降显著（P＜0.05）；RF10、RF20、RF30 处理的面团最大拉伸阻力与CK相比差异不显著（表3）。

3 讨论

小麦品质属于质量性状，但是受外在条件影响较大。黄婷等[18]研究表明，不同播种机型号对小麦品质无显著影响；崔昊等[19]研究发现CO2浓度与氮肥水平互作对小麦籽粒品质无显著影响，但是在CO2浓度升高情况下，维持较高施氮量有利于提高产量，改善淀粉糊化特性，缓解品质下降；蔡艳等[20]研究表明与连作（小麦）相比，轮作（小麦-红豆草）的小麦籽粒蛋白质等营养品质更稳定，籽粒中蛋白质必需氨基酸含量、氨基酸评分、氨基酸指数等均较高。本研究发现，在立式旋耕和300 kg·hm-2氮肥减施基准下，连续两季减施10%、20%氮肥能够获得更高产量，减施30%则有减产趋势；同时，当季减施10%或20%氮肥，籽粒蛋白质（干基）含量变化不大，当减施30%氮肥时，籽粒蛋白质含量下降显著；第二季连续减施各处理籽粒蛋白质（干基）含量均下降，减施10%、20%下降显著。这说明本研究条件下小麦生产中，当季氮肥减施不超过20%能够保证小麦产量和品质不下降；第二季连续减施尽管能保持产量稳定，但是降低了小麦品质关键指标蛋白质的含量。

追施氮肥可提高小麦总蛋白含量、湿面筋含量、面筋指数、淀粉含量，改善籽粒品质[21]。施氮量由120 kg·hm-2增加到240 kg·hm-2时，引起强筋小麦的谷醇蛋白/清球蛋白比值降低，造成面团稳定时间缩短[22]。在0～240 kg·hm-2施氮肥范围内，增施氮肥可以提高籽粒中直、支链淀粉积累量，过量施氮肥则不利于淀粉积累[23]。在施纯氮0～300 kg·hm-2范围内，小麦面粉吸水率及面团形成、稳定时间均随着施氮量增加逐步增加，当施氮量超过300 kg·hm-2时，小麦籽粒粉质仪参数则逐渐下降[24]。本研究表明，氮肥减施当季（2018年），减施10%、20%氮肥湿面筋含量稍有升高，减施30%则显著下降；第二季（2019 年）连续减施，湿面筋含量均下降，但是差异不显著。此外，当季减施10%氮肥处理的面团形成时间略有增加，减施20%、30%时则缩短，减施30%显著缩短；第二季连续减施后面团形成时间均缩短。氮肥减施后面团稳定时间则均有缩短，当季减施20%、30%显著缩短，第二季连续减施则均显著缩短。

表2 氮肥不同减施水平下面粉流变特性的比较Table 2 Rheological properties of dough under various nitrogen fertilizer reduced levels

表3 氮肥不同减施水平下面粉拉伸指标的比较Table 3 Powerd tensile properties of dough under various nitrogen fertilizer reduced levels

综上，在本研究条件下，当季减施10%、20%的氮肥投入量对小麦品质（如籽粒蛋白质含量、面粉湿面筋含量等）影响不大，连续减施则影响面团形成时间和稳定时间等，此时氮肥施用水平为240 kg·hm-2，这与以往的研究结论基本吻合。在实际的生产中，当氮肥用量300 kg·hm-2时，当季减施10%～20%，小麦可以提质增效，但第二季继续减施会影响小麦品质。因此，为保证小麦高产优质，建议在小麦施肥量的控制上采用隔年减施，并注意减施比例，具体的技术要求需要进一步研究。