强筋小麦产量和品质对不同土壤条件及施氮水平的响应

柏军兵 王艳杰 王德梅 杨玉双 王玉娇郭丹丹 刘哲文 常旭虹 石书兵 赵广才

（1新疆农业大学农学院，830052，新疆乌鲁木齐；2中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京）

小麦作为我国重要的粮食作物，种植区域广泛，相关栽培措施也不尽相同[1]。不同生态区域和土壤条件会影响小麦籽粒产量和品质，其中农田土壤养分含量由土壤基础养分和肥料投入量共同决定。在不同土壤基础养分条件和肥料投入下，小麦养分吸收和利用特征不同，这些都直接影响肥料的合理施用和养分管理[2]。叶片中叶绿素含量是决定其光合能力的重要指标之一，刘国伟等[3]发现，改变土壤条件可使小麦叶片叶绿素含量发生显著变化。裴艳婷等[4]研究表明，土壤肥力影响小麦千粒重、穗长、小穗数、结实率以及产量。张铭等[5]研究表明，提高土壤肥力有利于提高小麦籽粒蛋白质含量、面粉湿面筋含量和沉淀值等，从而改善小麦籽粒品质。赵淑章等[6]研究认为，在同一自然气候条件下，土壤基础肥力对小麦籽粒产量和品质的影响要大于土壤质地对其的影响。大量研究[7-9]表明，土壤养分对小麦产量和植株农艺性状有正向调节效应。

氮肥运筹是小麦生长过程中重要的栽培措施之一。氮素是影响小麦生长发育和品质形成的重要元素[10-11]，氮肥施用对小麦生产至关重要[12]。然而，实际生产中往往因追求高产，使得氮肥投入一直处于较高水平[13-14]，不仅增加生产成本，还导致土壤硝态氮残留、地下水污染和温室气体排放等环境问题[15-16]。有研究[17]发现，合理施肥有利于延长旗叶光合功能期，延缓叶片衰老，提高籽粒产量。小麦的籽粒产量与氮肥施用量呈二次曲线关系，即随施氮量的增加，小麦籽粒产量呈先上升后下降的趋势，存在氮肥施用量的最佳值[18-19]。在一定范围内增施氮肥可提高氮素的积累和转运，促进籽粒蛋白质的合成[20-21]。徐恒永等[22]研究指出，随施氮量的提高，强筋小麦籽粒蛋白质及面筋含量等品质指标均增加，而面团稳定时间呈先升后降的变化趋势。因此，施氮量并非越多越好，氮肥投入过量也会降低小麦面粉加工品质[23]。

综上所述，不同土壤条件和施氮量在小麦籽粒产量和品质形成过程中具有关键性作用。前人研究多偏向于单因素研究，而关于不同土壤条件与氮肥互作对强筋小麦籽粒产量和品质影响的研究相对较少。因此本研究通过研究黑土和潮土条件下不同施氮量对强筋小麦产量和品质的影响，探讨强筋小麦高产、优质以及氮素高效利用的管理措施，为强筋小麦高产、优质和高效栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

采用盆栽方式，设置潮土（A1）和黑土（A2）2个土壤类型；设置不施氮（B1，对照）、每盆施尿素 1g（B2，折合纯氮 120kg/hm2）、2g（B3）、3g（B4）和4g（B5）5个施氮水平，底肥和追肥各50%，追肥于拔节初期溶于水施入。于2020年10月19日将供试土壤混匀后装盆并播种，每盆净重3kg，盆内直径0.22m、高0.18m，每盆种15株，留苗10株，每个处理3次重复，共30盆。所有处理均每盆底施P2O5和K2O各1g，播种出苗后在室外自然春化，2020年12月7日移入温室，并于2021年1月4日追肥。生育期间及时观察土壤墒情，随时补水，保证水分供应充足。2021年3月4日收获。2种类型土壤的基础养分状况见表1。

表1 不同类型土壤的基础养分状况Table 1 Basic nutrient status of different types of soil

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶绿素含量 花后利用便携式叶绿素计SPAD-502（Konica Minolta Sensing，Osaka，日本）测定旗叶叶绿素相对含量（SPAD值）。随机选取3株生长均匀一致的植株，于花后第1天开始，每5d测定旗叶最宽部位SPAD值7次，取平均值作为该旗叶的SPAD值。

1.3.2 产量及其构成因素 成熟期收获主茎后于室内考种，测定农艺性状指标，包括穗粒数、千粒重、籽粒长和籽粒宽。用万深稻麦性状测定仪（SCG型）测定籽粒长和籽粒宽。

1.3.3 蛋白质及其组分含量 采用凯氏定氮法测定蛋白质含量。成熟期按照茎秆、叶片、颖壳＋穗轴和籽粒 4个部位分样，置于 80℃烘箱中烘至恒重。粉碎后称取样品[全麦粉（0.100±0.001）g，其他0.500g]于消化管中，加入催化剂（硫酸钾与硫酸铜按质量比10:1混合）1.5g、浓硫酸6mL，在消解仪420℃下消化85min，冷却后用凯氏定氮仪测定耗酸量，计算各部位氮素含量，并计算不同部位的氮素占比。

采用连续提取法测定籽粒蛋白组分（清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白），分别用蒸馏水、2% NaCl溶液、75% 乙醇和0.5% KOH溶液依次震荡提取，醇溶蛋白重复提取3次，定容至15mL，其余蛋白各重复4次，定容至20mL。并吸取各组分提取液5mL于消化管，消化和测定操作同上。

1.4 数据处理

用 DPS软件进行方差分析与互作效应分析，用Microsoft Excel 2016作图，采用Duncan新负极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对旗叶SPAD值的影响

由图1可知，不同土壤类型对花后SPAD值具有明显影响，A2处理下的小麦旗叶SPAD值明显高于A1，表明A2处理下小麦旗叶的抗衰老效果明显。同一土壤类型下，氮肥的增施均提高了小麦花后旗叶的SPAD值。花后小麦旗叶的SPAD值总体呈现先升高后迅速降低的趋势，并且在花后第5天达到最大值。但在不同施氮量和土壤条件下，SPAD值的下降幅度存在差异。

图1 不同处理下小麦花后旗叶的SPAD值Fig.1 SPAD values of flag leaves after anthesis of wheat under different treatments

在不同施氮量处理下，小麦旗叶SPAD值在花后 25～30d降幅最为明显，其中 B1处理下降幅最小，B3次之；花后30d的SPAD值在B3处理下明显高于B1处理，且在开花到花后20d期间，B3处理下小麦旗叶SPAD值均高于B1、B2和B4处理，而后期B5处理降幅大于B3处理，表明B3处理能够最有效减缓小麦生长后期叶绿素的降解，延长小麦旗叶光合功能期。

二是严格组织考核。统筹好年度目标责任制综合考核和差异化专项考核，科学制定考核方案，严格实施考核，倒逼工作落实。按照统一协调和分工负责相结合、定性评估和定量评价相结合、日常督查和年终考核相结合的形式开展专项考核，确保真考核、动真格、求实效。

2.2 不同处理对小麦籽粒长和籽粒宽的影响

由图2可知，在不同土壤条件条件下，除B3处理籽粒长和B1处理籽粒宽外，小麦籽粒长、宽和周长在A2处理下均高于A1处理。与A1处理相比，A2处理中小麦籽粒长、宽及周长分别增加了3.34%、8.18%和5.19%。从不同施氮处理看，随着施氮量的增多，籽粒长、宽和周长在同一土壤条件下整体呈现先增高后降低的趋势，且小麦籽粒宽及周长在A2B2处理下均显著高于其他处理，相比最小值分别增加了23.95%和13.36%，而籽粒长最大值为5.86mm，比最小值增加了8.72%；在A1条件下，小麦籽粒周长在B3处理下均显著高于其他处理，而籽粒长、宽的最大值分别出现在B3和B1处理，随施氮量的增加，各指标均逐渐递减；在A2条件下，小麦籽粒长和宽以B2处理为最高值，而随着施氮量的增加，各处理小麦籽粒长、宽之间的差异不再显著。表明在黑土条件的籽粒长、宽值均优于潮土；增施氮肥可提高小麦籽粒长、宽值，但过量施用氮肥反而使得各项指标降低。

图2 不同处理对籽粒长、宽和周长的影响Fig.2 Effects of different treatments on grain length, width and perimeter

进一步对小麦籽粒长、宽值与千粒重进行相关性分析，由表2可知，小麦籽粒长、籽粒宽及周长与千粒重的相关系数分别为0.77、0.96和0.92，相关性均达极显著水平，表明籽粒大小与千粒重间存在极显著的线性正相关。

表2 小麦籽粒长、籽粒宽、周长与千粒重相关性分析Table 2 Correlation analysis between grain length, width and perimeter with 1000-grain weight of wheat

2.3 不同处理对小麦籽粒产量及其构成因素的影响

由表3可知，不同土壤类型及施氮处理对小麦穗粒数、千粒重、籽粒产量的影响均达极显著水平。A2处理的穗粒数、千粒重及籽粒产量相比A1处理分别增加了29.29%、18.52%和48.24%，说明黑土更有利于提高籽粒产量。随施氮量的增加，小麦穗粒数、千粒重和籽粒产量呈先增加后降低的趋势，在B3处理时，穗粒数和籽粒产量显著高于其他处理，而千粒重在B2处理下为最大值，较B5处理增加了21.08%。

表3 不同处理组合对小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of different treatment combinations on wheat yield and its compositions

土壤类型和施氮处理互作效应对小麦穗粒数和千粒重影响均达极显著水平。在各处理组合中，穗粒数在 A2B3和 A2B4处理下显著高于其他处理，千粒重在A2B2处理下达最大值且显著高于其他处理，而籽粒产量在A2B3处理下为最大值，相比最小值增加 228.5%。表明 A1处理组合的穗粒重、千粒重和籽粒产量均显著低于有A2参与的处理组合，并且随施氮量的增加，穗粒重、千粒重及籽粒产量均在有A1和A2参与的处理组合中呈先增加后降低的趋势。氮肥的过量施用使得籽粒产量及其构成因素反而降低，因此，A1B3及 A2B3、A2B4处理组合对土壤类型及氮肥施用量的响应最 为显著。

2.4 不同处理对氮素转移至籽粒的影响

由图3可以看出，不同土壤条件及不同施氮处理对不同器官中氮素占比的影响也达显著水平。在不同土壤条件下表现为 A1处理中籽粒占比为49.79%，而营养器官氮素分配比例较低，籽粒氮素分配比例相比A2处理高12.08%，表明潮土（A1）更有利于氮素从植株向籽粒的转运。随着施氮量的增加，小麦植株营养器官中氮素分配比例总体呈现上升的趋势，而在籽粒中逐渐降低，表明增加氮肥施用量可使成熟期小麦籽粒含氮量降低，进而降低氮肥的有效利用率。

图3 不同处理下小麦植株各器官氮素分配比例Fig.3 Nitrogen distribution proportion of plant organs in wheat under different treatments

在各处理组合中，小麦茎秆、叶片及颖壳+穗轴中的氮素分配比例在A2B1处理下高于其他处理，籽粒氮素分配比例显著低于其他处理，而小麦茎秆、叶片及颖壳+穗轴中的氮素分配比例在A1B1为最小值，与A2B1比，分别降低了33.87%、47.47%和46.09%，籽粒含氮素分配比例在A1B1处理下达最大值，相比在 A2B1处理下的最小值增加了78.86%。此外，在有A2参与的处理组合中，随施氮量的增加，反而小麦茎秆、叶片及颖壳+穗轴中的氮素分配比例大致呈降低趋势，小麦籽粒的氮素分配比例逐渐增加，这表明黑土（A2）相比潮土（A1）更有利于氮素从植株向籽粒转移，但在相同施氮量处理下，黑土中小麦对氮肥的吸收利用率较低，可能是由于黑土中有机质和腐殖质等较多，施入过多氮肥，反而对氮素的吸收产生抑制作用，这有待进一步验证。

2.5 不同处理对小麦籽粒蛋白及其组分含量的影响

由表4可知，不同土壤类型及施氮量处理对小麦籽粒清蛋白、醇溶蛋白及总蛋白含量的影响均达极显著水平。在不同土壤类型下，A1处理的4种蛋白组分及总蛋白含量均高于A2处理，球蛋白和谷蛋白差异不显著，而谷蛋白/醇溶蛋白在A2处理下显著高于A1处理，A2处理下小麦籽粒4种蛋白组分以及总蛋白含量相比 A1处理分别减少了10.68%、5.14%、13.03%、4.82%和6.00%，但谷蛋白/醇溶蛋白相比A1处理增加了11.43%，表明A1处理更有利于提高小麦籽粒总蛋白及各组分含量。

表4 不同处理对小麦籽粒蛋白及其组分含量、蛋白质产量的影响Table 4 Effects of different treatments on grain protein, its component contents and protein yield of wheat

在不同施氮量处理下，随施氮量的增加，籽粒清蛋白及球蛋白含量逐渐降低，球蛋白差异不显著，醇溶蛋白、谷蛋白及总蛋白含量呈上升趋势，谷醇比呈先增加后降低趋势。结果表明，小麦籽粒中的贮藏蛋白、总蛋白与施氮量呈正相关关系，而氮肥施用过多，将会导致谷蛋白/醇溶蛋白下降，差异不显著。

不同处理组合对小麦籽粒总蛋白含量有极显著影响，但对4种蛋白质组分的影响不明显。清蛋白和球蛋白含量在A1B1处理下为最大值，醇溶蛋白、谷蛋白及总蛋白含量在A1B5处理下为最大值，谷蛋白/醇溶蛋白在A2B1处理下为最大值。表明潮土（A1）对氮素的响应大于黑土（A2），且在同一施氮量下，潮土能更有效提高籽粒蛋白质含量，可能是由于黑土显著提高了籽粒产量，而降低了籽粒蛋白质的合成。

从表4可见，籽粒蛋白质产量在不同土壤类型及施氮量下存在极显著差异。不同土壤类型下，A2处理下的籽粒蛋白质产量显著高于A1处理；在不同施氮量处理下，籽粒蛋白质产量随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，B3处理下籽粒蛋白质产量达到最大值，为1.22g/盆，相比B1处理最小值增加51.64%；籽粒蛋白质产量在不同处理组合差异不明显，在A2B3处理下达到最大值，有A2参与处理组合的籽粒蛋白质产量均高于相对应施氮处理下的A1处理组合，并且在有A1、A2参与的组合中均呈二次曲线关系，表明A2和B3条件下籽粒蛋白质产量较高，这是因为潮土条件下籽粒蛋白及其组分含量较高，黑土提高了籽粒蛋白质产量，且籽粒蛋白质产量随施氮量增加呈先增后降趋势，蛋白及其组分含量随施氮量的增加逐渐增加，综合可知，黑土籽粒蛋白质产量优于潮土，并均在B3处理取得最大值。

3 讨论

3.1 不同处理对小麦农艺性状及籽粒产量的影响

在本试验中，不同土壤条件下施氮量及土壤与氮肥的互作效应对花后SPAD值的影响与赵犇等[24]研究结果一致，随着施氮量的增加，可有效提高小麦旗叶叶绿素含量，延长旗叶光合功能期；但在相对较高的施氮量处理下小麦旗叶叶绿素含量的变化较小或者达到饱和状态；杜盼等[19]发现不同叶位叶片的SPAD值和氮含量表现为高肥力田块整体高于低肥力田块。本试验中小麦旗叶的SPAD值表现为黑土显著高于潮土。魏益民等[25]发现，籽粒宽度和籽粒重量之间具有显著的正相关关系，本试验中，小麦籽粒长、宽在不同处理下存在显著性差异，并且籽粒长、籽粒宽、籽粒周长与千粒重间存在着极显著的线性正相关关系，结果与上述研究相似，由于对不同土壤类型及施氮量处理的籽粒长、宽值研究较少，结果有待进一步验证。

杜盼等[19]研究发现，不同土壤类型的小麦产量随施氮量的增加呈现先升高后降低的趋势，低肥力田块要通过较高的氮肥投入来弥补土壤肥力低对产量的影响。本研究结果与上述一致，本试验中小麦穗粒数、千粒重及籽粒产量在不同处理组合中呈先升高后降低的趋势，在不同土壤条件下B3处理的小麦籽粒产量达最大值，为6.00和8.08g/盆。

3.2 不同处理对成熟期小麦植株氮素含量及籽粒蛋白质含量的影响

有研究[26]表明，增加施氮量可以使较多的氮素在成熟期留存在营养器官中。本试验结果表明，在潮土条件下，随施氮量的增加，小麦茎、叶及颖壳+穗轴中的氮含量逐渐增高，与上述试验结果一致。但在黑土条件下，随着施氮量的增加，小麦茎秆、叶片及颖壳+穗轴的氮含量反而降低，与上述结论相反，可能是基础肥力较高的黑土施加氮肥后，抑制小麦对氮素的吸收，从而降低氮素利用率。有研究[27]认为，在一定施氮量范围内，有利于成熟期氮素向籽粒中的分配；但氮肥施用过多，成熟期营养器官中的氮素积累量显著增加，不利于籽粒中氮素的积累。本试验中，2种土壤类型下，籽粒含氮量均随施氮量的增加而提高，在潮土条件下，氮素分配比例降低，但在黑土中分配比例呈上升趋势，表明黑土条件成熟期籽粒氮素分配率增高。

本试验结果表明，在2种土壤类型下籽粒总蛋白、醇溶蛋白及谷蛋白含量均随施氮量的增加而提高，而籽粒清蛋白含量总体呈下降趋势，谷蛋白/醇溶蛋白和蛋白质产量先增大后减小，球蛋白含量差异不显著，与前人增施氮肥研究[28]结果相似。朱英杰等[7]认为黑土条件有利于小麦生长，产量显著提高，而所施氮素与潮土相同，从而稀释了籽粒吸收的氮素，导致籽粒蛋白质含量下降。马政华等[29]认为潮土更有利于提高强筋小麦籽粒蛋白质含量。本试验中在不同土壤条件下小麦籽粒产量表现为潮土低于黑土，与上述结果一致。籽粒加工品质取决于谷蛋白和醇溶蛋白的含量及这2种蛋白的比值，在B3处理下籽粒蛋白含量较高、谷蛋白/醇溶蛋白较大，并且蛋白质产量达最大值，因此籽粒面筋蛋白含量相对较高，加工品质较好。

3.3 不同处理对籽粒蛋白质产量的影响

本试验结果表明，籽粒蛋白质产量在黑土条件下显著高于潮土，相比潮土，在黑土种植小麦更有利于蛋白质的生产，这与张艳华等[8]的研究结果一致。李金娜等[30]研究发现，增施氮肥能提高籽粒产量和蛋白质产量，而施氮量过高会导致籽粒产量降低。本试验中，在2种土壤类型下，籽粒产量及蛋白质产量均随施氮量的增加呈先增加后降低趋势，黑土条件下的籽粒产量及蛋白质产量均优于潮土，且在B3处理下达到最高值，表明黑土及B3处理更有利于籽粒蛋白质的生产。

4 结论

土壤类型及施氮量对小麦产量及品质的影响达显著水平，综合考虑小麦产量和籽粒品质，强筋小麦品种中麦578的产量表现为黑土＞潮土，籽粒蛋白质含量表现为潮土＞黑土，蛋白质产量表现为黑土＞潮土，因此综合考虑产量和品质因素，黑土更适合优质强筋小麦品种中麦578的生产；每盆施入2g尿素时，籽粒产量和蛋白质产量均达到最大值。