减氮模式对稻茬中筋小麦籽粒产量、品质和氮肥效率的影响

牛轶男，申丹丹，丁永刚，李子豪，朱 敏，李春燕，朱新开，丁锦峰，郭文善

(1.扬州大学江苏省作物栽培生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学小麦研究中心，江苏扬州 225009；2.江苏徐州佳禾农业科技有限公司，江苏徐州 221200)

小麦是我国主要粮食作物，其产量和品质关系到我国粮食安全。合理施用氮肥是保证小麦高产、优质的关键[1-2]。然而，过多施用氮肥和不合理运筹不仅会导致小麦减产、品质变劣，还会导致肥料浪费、成本增加、氮肥利用率降低和环境污染等负面效应[1,3]。我国稻茬小麦种植面积约占全国小麦种植面积的16%[4]。稻茬小麦生产地区多已采用水稻秸秆全量还田[5]。前人研究认为，秸秆还田可以增加土壤氮、有机质等养分含量,促进小麦生长和产量提高[6]。然而，水稻秸秆碳氮比较高，早期腐解需要较多的氮投入[7]，“减氮”生产要求下，该如何进行氮肥施用有待研明。

氮肥对小麦籽粒品质有显著的调控作用,但不同类型专用品种对氮肥的响应存在差异[8]。已有研究表明，相比高量施氮，低量施氮有助于弱筋小麦籽粒蛋白质含量降低，但会导致减产[9]。中筋和强筋优质小麦要求较高的籽粒蛋白质含量，低施氮量不利于籽粒品质和产量协同提升[10]。杨利等[11]研究认为，适当减少施氮量不会显著降低小麦产量，反而提高了氮肥表观利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力。熊淑萍等[12]亦认为，适当的减少氮肥施用量可在获得较高产量的同时，提高氮肥效率和经济效益。张 琨等[13]研究发现，少量减氮对小麦籽粒多数加工品质指标无显著影响，且能延长面团稳定时间。可见，适量减氮有助于小麦籽粒产量和氮效率的提升，但籽粒品质因品种类型而异。对于稻茬中筋类型小麦品种籽粒产量、品质、氮效率对减氮的响应有待研明。本试验在水稻秸秆全量还田下，研究不同减氮模式对稻茬中筋小麦籽粒产量、品质、氮肥效率和经济效益的影响，以期为稻茬小麦大面积提质增效生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和供试材料

试验于2019—2020年度在江苏省睢宁县现代农业示范基地进行。试验田前茬为水稻，秸秆全量还田(还田量为9 200 kg·hm-2)。土壤为砂壤土，播种前0～20 cm土壤相对含水量为 86.2%，有机质为24.71 g·kg-1，碱解氮为 128.71 mg·kg-1，速效磷为26.18 mg·kg-1，速效钾为207.93 mg·kg-1。供试材料为中筋小麦品种徐麦818。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以施氮量225 kg·hm-2，基肥和拔节肥各50%的模式(N5050)为对照，在此模式上减少后期追氮量(N5040、N5030、N3230和N5000)和基肥与追肥施氮量均减少(N4040、N4022、N4030、N3030)，共8个减氮模式，不同减氮模式的具体施氮量、施氮时期和比例详见表1。

表1 不同减氮模式的施氮量、施氮时期和比例

试验于2019年10月18日采用小区播种机条播，行距23 cm，2020年6月4日收获。于三叶期，人工间苗实现基本苗270×104株·hm-2。磷肥和钾肥施用量均为112.5 kg·hm-2，基肥和拔节肥各50%。施肥方式为人工撒施。基肥于播种前施入，壮蘖肥于4叶期施入，拔节肥于倒3叶期施入，孕穗肥于剑叶露尖施入。小区面积 15 m2，重复3次，同时设不施氮处理，用于计算氮肥效率。其他田间管理措施参照当地高产田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 产量及其构成因素测定

于乳熟期连续取50个麦穗，调查穗粒数。于成熟期各小区选取3个1 m2区域，调查穗数。人工收割、脱粒，自然晒干后称重，随机取1 000粒测千粒重，重复3次。测定籽粒含水率，换算为13%含水率时的籽粒产量和千粒重。

1.3.2 氮肥效率测定

于成熟期各小区连续取样20株，将样品按照叶、茎+叶鞘、颖壳+穗轴、籽粒分开，于105 ℃杀青1 h，80 ℃烘干至恒重后粉碎混匀，采用H2SO4-H2O2消煮-靛酚蓝比色法测定含氮量。按下列公式计算氮肥效率。

氮肥表观利用率=(施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量)/施氮量×100%

氮肥生理效率=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/(施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量)

氮肥农学效率=氮肥生理效率×氮肥表观利用率

1.3.3 籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋和沉降值测定

使用上海东方衡器有限公司生产的HGT-1000型容重仪测定籽粒容重；使用JYDB100X40硬度仪测定籽粒硬度，计算出硬度指数；使用德国产Brabender880101.003型试验磨磨成面粉，出粉率=面粉重量/籽粒重量×100%；使用瑞典Perten公司生产的2200型面筋洗涤仪按照GB/T5506.2-2008方法测定湿面筋含量；用SDS法按照GB/T15685-1995测定沉降值。

1.3.4 籽粒蛋白质及其组分含量测定

采用H2SO4-H2O2消煮-靛酚蓝比色法测定籽粒含氮量,含氮量乘以5.7即为籽粒蛋白质含量；采用连续提取法进行蛋白质组分含量测定。

1.3.5 籽粒淀粉及其组分含量测定

采用双波长法测定直、支链淀粉含量。

1.3.6 籽粒淀粉糊化特性测定

使用澳大利亚Newport Scientific公司生产的快速粘度分析仪采用AACC61-02方法测定淀粉糊化特性。

1.3.7 籽粒粉质特性测定

使用德国产Brabender820604粉质仪测定面团吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度和粉质质量参数。

1.3.8 经济效益分析

总收入=籽粒产量×小麦单价

总成本=种子成本+肥料成本+追肥人工成本+农药、灌溉成本+机械作业成本

净效益=总收入-总成本

产投比=净效益÷总成本

公式中，优质小麦单价为2.48元·kg-1，劣质小麦单价为2.32元·kg-1；种子价格以4.3 元·kg-1；化肥成本按照市场价计算,其中复合肥为2.4元·kg-1，尿素为2.3元·kg-1,过磷酸钙为2.0元·kg-1,氯化钾为2.6元·kg-1。

1.4 数据分析

用 Excel 2016对数据进行处理和作图。用DPS 7.05进行统计分析，LSD法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 减氮模式对稻茬中筋小麦籽粒产量及其构成的影响

由表2可知，减氮模式显著影响小麦籽粒产量及其构成因素。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230的小麦穗数、穗粒数和产量均变化不显著，千粒重显著增加；N5000的穗数、穗粒数和产量均显著降低，千粒重显著增加。相比N5050模式，N4040的籽粒产量及其构成因素均变化不显著；N4022的穗粒数、千粒重和籽粒产量均显著增加，穗数变化不显著；N3040和N3030的穗数、穗粒数和籽粒产量均显著降低，千粒重显著增加。相同减氮量模式间比较，小麦穗数在N5030与N3230、N4040与N4022间均变化不显著；穗粒数在N4040与N4022间差异不显著，二者显著高于N5030和N3230；千粒重在N5030、N3230和N4040间差异不显著，N4040显著低于以上三个模式；籽粒产量在N5030、N3230和N4040间差异不显著，N4022显著高于N5030和N3230。这说明，后期减氮10%～20%对穗数、穗粒数和产量无显著影响；平衡减氮20%不会显著影响产量及其构成因素，氮肥后移能显著增加穗粒数、千粒重和籽粒产量；过多减氮后虽然千粒重显著增加，但穗数、穗粒数和籽粒产量均显著 降低。

表2 减氮模式对小麦籽粒产量及其构成的影响

2.2 减氮模式对稻茬中筋小麦氮肥效率的影响

由图1可知，减氮模式显著影响氮肥表观利用率、氮肥生理效率和氮肥农学效率。相比N5050模式，N5040下氮肥表观利用率和氮肥农学效率变化不显著，氮肥生理效率显著提高；N5030和N3230下氮肥表观利用率和氮肥农学效率显著提高，氮肥生理效率在N5030下显著提高，在N3230下变化不显著；N5000下氮肥表观利用率显著提高，氮肥生理效率和氮肥农学效率显著降低。相比N5050模式，N4040和N4022下氮肥生理效率变化不显著，氮肥表观利用率和氮肥农学效率显著提高；N3040和N3030下氮肥表观利用率显著提高，氮肥生理效率和氮肥农学效率显著降低。相同减氮量模式间比较，氮肥表观利用率和氮肥农学效率在N5030、N3230和N4040间差异不显著，N4022氮肥表观利用率显著高于N5030，N4022氮肥农学效率显著高于N5030和N3230,氮肥生理效率在不同减氮模式间均变化不显著。这说明后期减氮10%～20%和平衡减氮20%能提高氮肥效率，氮肥后移更有利于提高氮肥表观利用率和氮肥农学效率，但过多减氮会显著降低氮肥生理效率和氮肥农学效率，虽然氮肥表观利用率显著提高，但较低施氮量难以满足小麦生长对氮素的需要。

图柱上不同小写字母表示不同模式间在0.05水平上差异显著。图2同。

2.3 减氮模式对稻茬中筋小麦籽粒品质的影响

2.3.1 对籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋含量和沉降值的影响

由表3可知，减氮模式显著影响籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋含量和沉降值。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230下籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋含量和沉降值均无显著变化，N5000上述指标均显著下降。相比N5050模式，N4040和N4022下硬度、出粉率和沉降值均无显著变化，但N4022下籽粒容重和湿面筋含量显著增加；N3040和N3030下上述指标均显著下降。相同减氮量模式间比较，籽粒容重、硬度和出粉率在N5030、N3230和N4022间差异不显著；N4040容重显著低于N4022，硬度显著高于N3230和N4022，出粉率显著高于N5030；湿面筋含量和沉降值在N5030、N3230和N4040间差异不显著，N4022湿面筋含量显著高于以上三个模式，沉降值显著高于N5030。这说明后期减氮10%～20%和平衡减氮20%不会影响籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋含量和沉降值，且不同氮肥运筹对其影响存在差异，氮肥后移有助于提高籽粒容重和湿面筋，但过多减氮会显著降低籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋含量和沉降值。

表3 减氮模式对小麦籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋和沉降值的影响

2.3.2 对籽粒蛋白质及其组分含量的影响

由表4可知，减氮模式显著影响籽粒蛋白质及其组分含量。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230下蛋白质及其组分含量均无显著变化，N5000下蛋白质及其组分含量均显著降低。相比N5050模式，N4040和N4022下蛋白质及其组分含量均无显著变化；N3040和N3030下总蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量均显著降低，清、球蛋白含量差异不显著。相同减氮量模式间比较，蛋白质及其组分含量在N5030、N3230、N4040和N4022间均差异不显著。这说明后期减氮10%～20%和平衡减氮20%不会影响籽粒蛋白质及其组分含量，但过多减氮显著降低籽粒蛋白质及其组分含量。

表4 减氮模式对小麦籽粒蛋白质及其组分含量的影响

2.3.3 对籽粒淀粉及其组分含量的影响

由表5可知，减氮模式显著影响籽粒淀粉及其组分含量。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230下淀粉及其组分含量和直/支比均无显著变化，但N5000下淀粉及其组分含量和直/支比均显著降低。相比N5050模式，N4040下淀粉及其组分含量和直/支比均变化不显著；N4022下支链淀粉含量显著降低；N3040和N3030下淀粉及其组分含量显著降低。相同减氮量模式间比较，淀粉及其组分含量和直/支比在N5030、N3230、N4040和N4022间均差异不显著。这说明，后期减氮10%～20%和平衡减氮20%不会影响籽粒淀粉及其组分含量，但氮肥后移会降低支链淀粉含量，过多减氮会显著降低淀粉及其组分含量。

表5 减氮模式对小麦籽粒淀粉及其组分含量的影响

2.3.4 对淀粉糊化特性的影响

由表6可知，减氮模式显著影响籽粒淀粉糊化特性。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230下淀粉RVA各参数均无显著变化，但N5000下淀粉RVA各参数均显著降低。相比N5050模式，N4040下淀粉RVA各参数变化不显著；N4022下仅峰值粘度显著降低，其他淀粉RVA参数均变化不显著；N3040和N3030下除峰值时间和糊化温度变化不显著，其他淀粉RVA参数均显著降低。相同减氮量模式间比较，除N4022下峰值粘度显著低于N3230，其他淀粉RVA参数在N5030、N3230、N4040和N4022间差异均不显著。这说明后期减氮10%～20%和平衡减氮20%不会影响籽粒淀粉糊化特性，但氮肥后移会降低峰值粘度，过多减氮会显著降低峰值粘度、低谷黏度、崩解值、最终粘度和反弹值。

表6 减氮模式对小麦籽粒淀粉糊化特性的影响

2.3.5 对粉质特性的影响

由表7可知，减氮模式显著影响籽粒粉质特性。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230下吸水率、面团形成时间、稳定时间、弱化度和粉质质量参数均无显著变化，N5000下除弱化度增加，其他粉质参数均显著降低。相比N5050模式，N4040和N4022下吸水率、面团形成时间和弱化度均无显著变化，但稳定时间和粉质质量参数显著提高；N3040和N3030下除弱化度增加，其他粉质参数均显著降低。相同减氮量模式间比较，吸水率、面团形成时间和弱化度在N5030、N3230、N4040和N4022间差异不显著，但N4040和N4022下稳定时间和粉质质量参数显著高于N5030和N3230。这说明，后期减氮10%～20%不会影响粉质参数，平衡减氮20%有助于延长面团稳定时间和提高粉质质量参数，但过多减氮会显著降低粉质参数。

表7 减氮模式对小麦籽粒粉质特性的影响

2.4 减氮模式对稻茬中筋小麦经济效益的影响

由图2可知，减氮模式显著影响经济效益和产投比。相比N5050模式，N5040、N5030和N3230下经济效益和产投比均无显著变化，但N5000下经济效益和产投比均显著减少(57.7%和52.0%)。相比N5050模式，N4040和N4022下经济效益和产投比分别增加3.0%和4.0%、 6.7%和4.4%；而N3040和N3030下经济效益和产投比分别降低35.0%和44.2%、31.5%和40.0%，差异均达显著水平。相同减氮量模式间比较，经济效益在N4040和N4022下显著高于N5030和N3230，产投比在N5030、N4040和N4022下差异不显著，N3230下显著低于以上三个模式。这说明，后期减氮10%～20%不会显著影响经济效益和产投比，平衡减氮20%可以提高经济效益和产投比，但过多减氮会显著降低经济效益和产投比。

图2 减氮模式对小麦经济效益的影响

3 讨 论

3.1 减少追氮对小麦产量、品质和氮效率的影响

拔节期是小麦生长发育的重要时期，在该时期施氮能增加小麦籽粒产量和蛋白质含量[14]。但后期追氮过多,不仅肥料投效差,经济效益降低,还易导致贪青晚熟，增大倒伏可能性[15]。汤小庆等[16]研究表明，在施氮量225 kg·hm-2，基追比为5∶5下，追氮减少10%不会影响小麦产量。本研究表明，追氮减少10%～20%(N5040、N5030、N3230)未显著影响产量、穗数、穗粒数和经济效益，但提高了氮肥效率。前人研究表明，适当增加追氮量有利于改善籽粒品质[17]。郭 瑞等[18]认为，增加追氮量能显著提高蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值和面团稳定时间，但追氮量过高对籽粒品质影响不显著。戴廷波等[19]亦认为，增加追氮比例能提高湿面筋含量、沉降值和蛋白质及谷蛋白含量，对容重和淀粉含量影响较小。本研究表明，追氮减少10%～20%，籽粒容重、硬度、出粉率、湿面筋含量、沉降值、蛋白质及其组分含量、淀粉及其组分含量、淀粉糊化特性和粉质特性均差异不显著。然而，后期不追氮(N5000)，穗数、穗粒数、产量、品质、氮肥农学效率、氮肥生理效率和经济效益均显著下降，这与刘元东等[20]的研究结果基本一致。

3.2 平衡减氮对小麦产量、品质和氮效率的影响

前人研究表明,平衡减氮20%不会影响小麦产量,还能提高经济效益和氮效率[21]。本研究结果与其一致，且结果还表明，在平衡减氮20%基础上追氮于拔节期和孕穗期各分50%施用(N4022)，籽粒产量、穗粒数、千粒重、经济效益、氮肥表观利用率和氮肥农学效率相比不减氮均显著提高。说明，相同追氮量下氮肥适当后移有利于提高氮效率，增加穗粒数和千粒重，促使显著增产。郭明明等[22]认为，基追等比例增施氮肥能提高出粉率、硬度、湿面筋含量、沉降值、蛋白质含量和粉质参数。徐凤娇等[23]认为，施氮量为180 kg·hm-2,基追比5∶5时能显著延长面团形成时间和稳定时间，但施氮量过高或过低均不利于改善加工品质。本研究结果表明，平衡减氮20%能显著延长面团稳定时间，提高粉质质量参数，对其他品质参数均影响不显著；后期追氮分拔节、孕穗期两次施用(N4022)，比拔节期一次施用(N4040)有助于增加籽粒容重和湿面筋含量，改善籽粒品质。这与陆增根等[24]研究结果基本一致。然而，过多减氮(N4030，N3030)，穗数、穗粒数、产量、品质、氮肥农学效率、氮肥生理效率和经济效益均显著降低。

3.3 相同减氮量下减少追氮和平衡减氮的比较

相同施氮量下，适宜的氮肥基追比和追肥时期是小麦生长调控的关键措施，关系到小麦产量和品质形成[25]。尹建义等[26]认为，降低前期施氮比例，提高追氮比例，有利于形成合理的群体结构和产量结构。丁锦峰等[27]研究表明，相同施氮量下氮肥适当后移有利于延缓植株衰老，提高产量和氮肥利用率。张耀兰等[28]认为，氮肥后移可显著提高沉降值、湿面筋和蛋白质含量。本研究结果表明，相同减氮量下，平衡减氮比减少追氮具有更高的籽粒产量、穗粒数、经济效益和氮肥效率；氮肥后移有利于提高千粒重、容重、湿面筋含量、面团稳定时间和粉质质量参数，但会降低支链淀粉含量和峰值粘度，不同减氮模式对蛋白质及其组分含量无显著影响。说明在相同减氮量下保证后期追氮量和追肥时期后移(增施孕穗肥)可以较生育早期多施氮更有利于提高氮肥吸收利用效率，从而提高籽粒产量和经济效益，与前人研究结果基本一致[25]。然而，不同减氮模式对籽粒品质影响较小，其原因可能是品种基因型和施氮量对品质的形成起主导作用[29]。

综上所述，在水稻秸秆全量还田下，中筋小麦品种徐麦818在施氮量225 kg·hm-2，基肥和拔节肥各50%(N5050)基础上，平衡减氮20%且追氮分拔节、孕穗两次施氮(N4022)，籽粒产量、氮肥效率和经济效益最高，可实现减氮增效和高产优质的目标。本研究仅选用中筋类型品种开展研究，对于其他类型品种的最佳减氮模式有待进一步研究。