不同用量化肥和猪粪对优质强筋小麦产量和品质的影响

孙文彦，尹红娟，田昌玉，徐久凯，赵秉强，唐继伟

（1中国农科院德州实验站，山东 德州 253015；2东营市农业综合服务中心，山东 东营 257091；3东营市技师学院，山东 东营 257091）

0 引言

黄淮冬麦区的小麦品质普遍存在总体质量不高，尤其在加工适应性方面较差的问题[1]。氮肥是小麦产量和品质形成中容易调控的栽培措施[2]，不合理施肥不仅浪费资源而且产生了严重的环境问题[3]，合理施氮是实现小麦高产优质高效生态安全的必要前提。

氮素在小麦产量和品质的形成过程中起着极为重要的关键性作用。大量研究表明，增加氮肥施用有利于增加小麦子粒蛋白质含量和加工品质。在一定范围内，施氮量越高，小麦产量和子粒蛋白协同提高，小麦子粒蛋白质含量、干湿面筋含量、沉淀值、面团稳定时间以及面团拉力等品质指标表现越好，施氮量150～300 kg/hm2可实现小麦产量和品质的同步提升[4]，施氮量240 kg/hm2左右可以获得高产与优质的最佳组合[5-6]。过量施氮虽然仍可以增加子粒蛋白含量，但是并不能持续显著的提高产量[7-8]，当施氮量超过225 kg/hm2后，氮素的调节效应减弱，中强筋品种甚至出现负效应[9]。对于不同品质类型小麦而言，无论是强筋小麦品种还是中筋小麦品种，子粒产量和蛋白质产量随施氮量的增加逐渐提高，施氮量270 kg/hm2时达到最大值，增加到360 kg/hm2时子粒产量和蛋白质产量均有所降低[10]。关于有机肥对小麦产量和品质的研究表明，一般而言，在总施氮量相等的情况下，有机肥对小麦品质的效应小于化肥[11-12]。而也有研究认为施氮225 kg/hm2条件下，施用鸡粪、猪粪对小麦各品质指标的提升作用与化肥效果相当，且明显优于牛粪[13]。

虽然大量研究揭示了氮肥在改善小麦品质中的重要作用，但现有报道中有关有机肥氮和化肥氮定量施用对小麦子粒品质的相关研究较少，尤其是对于优质强筋小麦品种的关注不多，且大多数试验的氮肥施用量仅仅限定在300 kg N/hm2以下，更高水平的施氮量下品质表现如何，有机肥氮和化肥氮的表现如何，缺少相关研究。本研究利用猪粪氮、化肥氮不同用量（分别为0、60、120、180、240、300、360、420、500、600 kg/hm2）定位试验，明确不同用量有机肥与化肥对小麦品质的影响，确定不同类型氮肥的最适用量范围，并依此来指导农业生产。

1 材料与方法

1.1 试验设计

长期定位试验于2006 年10 月开始在中国农业科学院德州实验站陵县基地进行。有机肥和化肥均设置10 个N 水平：每季作物0、60、120、180、240、300、360、420、500、600 kg/hm2，共计19 个处理（共用1 个不施氮处理CK）。随机区组设计，3 次重复，共57 个小区，小区面积5 m×5 m。种植制度为冬小麦—夏玉米一年两熟制，2006年10月—2009年6月小麦品种为优质强筋小麦品种‘烟农19’，2009年10月至今小麦品种为‘济麦22’。试验田间日常管理参考当地种植习惯，采用常规栽培模式。

有机肥用量由施肥前测定的含水量和全氮含量折算，2006年10月至2009年6月施用的有机肥为风干猪粪，含水量11.2%，全氮含量(N) 1.85%，磷含量(P2O5)1.27%，钾含量(K2O)1.52%，粉碎后混合均匀，于小麦、玉米播种前作基肥施入，2009年10月以后有机肥为鲜牛粪。化肥处理中，小麦季100%的磷钾肥和50%的氮肥做基肥，50%氮肥在小麦拔节期追施。化肥处理的磷钾肥投入量与同一氮水平有机肥处理有机肥带入的磷钾量相等，氮肥为尿素(N 46.4%)，磷肥为磷酸二铵(N18%、P2O546%)，钾肥为硫酸钾(K2O 50%)。

1.2 样品采集及测定

2009年6月小麦成熟后，各小区全部人工收割，风干脱粒称重计算产量，贮藏后熟3 个月后测定各项品质指标，子粒蛋白质含量采用瑞典FOSSl 24 近红外(NIR)谷物品质分析仪测定（ICC标准NO.202）；容重按GB5498—1985 测定；千粒重按GB5519—2008 测定；子粒硬度GB/T21304—2007；湿面筋含量采用瑞典波通公司面筋分析仪测定（LS/T6102—1995进行）；沉降值采用GB/T15685—1995；降落数值采用瑞典波通1900 型降落数值仪(GB/T 10361-2)；粉质参数采用德国布拉本德粉质仪测定（参照ICC，No.115 和GB/T 14614—2006）；拉伸参数采用德国布拉本德拉伸仪测定（参照ICC标准No.114和GB/T14615—2006）。

1.3 数据分析

用Excel 2007 软件对数据进行处理和作图，用SAS V8统计软件进行相关性分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 小麦产量

由图1可知，连续3年不施肥后，小麦子粒产量仅为2616 kg/hm2。同一施氮量条件下猪粪氮和化肥氮之间比较，猪粪氮60、120、500 kg/hm2处理的子粒产量小于化肥氮，猪粪氮180、240、360、420 kg/hm2处理的产量大于化肥氮，猪粪氮300 kg/hm2和600 kg/hm2处理的产量与化肥氮差别不大。施用猪粪氮各处理间比较，360 kg/hm2的子粒产量最大，为7463 kg/hm2。在施氮量0～600 kg/hm2范围内，子粒产量y与猪粪氮用量x的关系可以表示为y=-0.0276x2+22.545x+2759.2，R2=0.944；施用化肥氮各处理间比较，600 kg/hm2的子粒产量最大，为6898 kg/hm2，但与300 kg/hm2处理的差异不大(6816 kg/hm2)，子粒产量y与化肥氮x的关系可以表示为y=-0.0187x2+16.753x+3235.8，R2=0.9193。

图1 不同用量化肥氮和猪粪氮对小麦产量的影响

2.2 品质指标

2.2.1 千粒重、容重、硬度指数、降落数值 由图2可知，不施氮处理的千粒重为48.9 g。同一施氮量条件下猪粪氮和化肥氮之间比较，施氮量120、180、360 kg/hm2时，猪粪氮处理的千粒重高于化肥氮，300、420、500、600 kg/hm2时，猪粪氮处理的千粒重低于化肥氮，60、240 kg/hm2时，猪粪氮处理的千粒重与化肥氮相同。在施氮量0～600 kg/hm2范围内，千粒重y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.0117x+48.291，R2=0.7123；与化肥氮用量x的关系为y=-0.0055x+47.342，R2=0.3607。

图2 不同用量化肥氮和猪粪氮对千粒重、容重、硬度指数、降落数值的影响

不施氮处理的容重821.6 g/L。施氮量60、120、180、300、420、500、600 kg/hm2，猪粪氮处理的容重低于化肥氮，施氮量240、360 kg/hm2，猪粪氮处理的容重高于化肥氮。在施氮量0～600 kg/hm2范围内，容重y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.0136x+823.94，R2=0.1325；与化肥氮用量x的关系为y=0.0054x+823.91，R2=0.2005。

不施氮处理的硬度指数为60.7。施氮量60、120、180、600 kg/hm2时，猪粪氮处理硬度指数低于化肥氮，240、300、420 kg/hm2时，猪粪氮处理的硬度指数大于化肥氮，施氮量360、500 kg/hm2时，猪粪氮和化肥氮处理的硬度指数相同。在施氮量0～600 kg/hm2范围内，子粒硬度指数y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.00002x2+0.0146x+61.184，R2=0.6659；与化肥氮用量x的关系为y=-0.00001x2+0.0068x+61.946，R2=0.2051。

不施氮处理的降落数值为411.3 s。除180 kg/hm2处理时，猪粪氮处理的降落数值比化肥氮略高外，其他猪粪氮处理的降落数值均高于化肥氮。在施氮量0～600 kg/hm2范围内，降落数值y与猪粪氮用量x的关系为y=0.079x+428.88，R2=0.6836。与化肥氮用量x的关系为y=-0.0003x2+0.1962x+410.45，R2=0.5761。

2.2.2 粗蛋白、沉降值、湿面筋、面筋指数 由图3可知，不施氮处理的粗蛋白质为11.4%。同一施氮量条件下猪粪氮和化肥氮之间比较，60 kg/hm2猪粪氮处理和化肥氮处理的粗蛋白质含量相同，施氮量120、180、240、300、360、420 kg/hm2猪粪氮处理粗蛋白含量低于化肥氮处理，施氮量500、600 kg/hm2时，猪粪氮处理粗蛋白含量大于化肥氮。在施氮量0～600 kg/hm2范围内，粗蛋白含量y与猪粪氮用量x的关系为y=0.0067x+11.297，R2=0.9589；粗蛋白含量y与化肥氮用量x的关系为y=-0.00001x2+0.0146x+11.163，R2=0.9677。

图3 不同用量化肥氮和猪粪氮对粗蛋白、沉降值、湿面筋和面筋指数的影响

不施氮处理的沉降值为59.3 mL。施氮量60、120、180、240、500 kg/hm2，猪粪氮处理的沉降值低于化肥氮，施氮量300、360、420、600 kg/hm2，猪粪氮处理的沉降值高于化肥氮。在0～600 kg/hm2范围内，沉降值y与猪粪氮用量x的关系为y=0.0126x+59.25，R2=0.8105；与化肥氮用量x的关系为：y=0.0072x+60.618，R2=0.4325。

不施氮处理的湿面筋为23.7%。施氮量60 kg/hm2，猪粪氮和化肥氮处理的湿面筋含量一样，施氮量120、180、240、300、360、420 kg/hm2，猪粪氮处理湿面筋含量低于化肥氮处理，施氮量500 和600 kg/hm2时，猪粪氮处理湿面筋含量大于化肥氮。在0～600 kg/hm2范围内，湿面筋含量y与猪粪氮用量x的关系为y=0.0184x+23.72，R2=0.9519；与化肥氮用量x的关系：y=-0.00004x2+0.0399x+23.281，R2=0.9593。

不施氮处理的面筋指数为72.6%。除却施氮量300、600 kg/hm2，猪粪氮处理的面筋指数小于化肥氮处理外，其他氮量处理(0、60、120、180、240、360、420、500 kg/hm2)，猪粪氮处理的面筋指数大于化肥氮处理。在0～600 kg/hm2范围内，面筋指数y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.0031x+81.481，R2=0.0069；与化肥氮用量x的关系为y=-0.004x+77.202，R2=0.0141。

2.2.3 吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数 由图4 可知，不施氮处理的吸水率为62.3%。同一施氮量条件下猪粪氮和化肥氮之间比较，除却360、600 kg/hm2时，猪粪氮处理的吸水率高于化肥氮处理外，其他氮量处理(0、60、120、180、240、300、420、500 kg/hm2)，均是猪粪氮处理小于化肥氮。在0～600kg/hm2范围内，吸水率y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.0004x+62.538，R2=0.1066；与化肥氮用量x的关系为y=-0.00001x2+0.0045x+62.508，R2=0.5061。

图4 不同用量化肥氮和猪粪氮对吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数的影响

不施氮处理的形成时间为3.0 min。施氮量60 kg/hm2时，猪粪氮和化肥氮处理的形成时间差别不大，施氮量120、180、240 kg/hm2时，猪粪氮处理的形成时间小于化肥氮处理，而施氮量300、360、420、500、600 kg/hm2时，猪粪氮处理的形成时间大于化肥氮处理。在0～600 kg/hm2范围内，形成时间y与猪粪氮用量x的关系为y=0.0266x+0.6693，R2=0.727；与化肥氮用量x的关系为：y=0.0132x+2.2036，R2=0.6137。

不施氮处理的稳定时间为5.7 min。除施氮量120、180 kg/hm2的稳定时间猪粪氮处理小于化肥氮处理外，其他氮量处理(60、240、300、360、420、500、600 kg/hm2)猪粪氮处理的稳定时间大于化肥氮处理。在0～600 kg/hm2范围内，稳定时间y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.00007x2+0.0761x+2.3123，R2=0.8072；与化肥氮用量x的关系为y=0.00005x2+0.0532x+4.3109，R2=0.7494。

不施氮处理弱化度为39.0。施氮量360、600 kg/hm2处理时，猪粪氮和化肥氮处理的弱化度差别不大，施氮量120、180 kg/hm2时猪粪氮处理的弱化度大于化肥氮，其他氮量处理(60、240、300、420、500 kg/hm2)时，猪粪氮处理的弱化度小于化肥氮处理。在0～600 kg/hm2范围内，弱化度y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.0577x+36.785，R2=0.7334；与化肥氮用量x的关系为y=-0.0449x+34.806，R2=0.6082。

不施氮处理的粉质质量指数81.0。施氮量120、180 kg/hm2时，猪粪氮处理的质量指数小于化肥氮处理，其他氮量处理时均是猪粪氮的质量指数大于化肥氮。在0～600 kg/hm2范围内，质量指数y与猪粪氮用量x的关系为y=-0.0006x2+0.7402x+49.067，R2=0.8082；与化肥氮用量x的关系为：y=-0.0006x2+0.5821x+71.544，R2=0.6283。

2.2.4 拉伸阻力、延伸度和拉伸面积 由图5可知，不施氮处理的50 mm 拉伸阻力为348.0。同一施氮量条件下猪粪氮和化肥氮之间比较，猪粪氮60、180、300 kg/hm2处理50 mm拉伸阻力小于化肥氮，其他施肥处理(120、240、360、420、500、600 kg/hm2)处理的50 mm拉伸阻力大于化肥氮处理。在0～600 kg/hm2范围内，50 mm 拉伸阻力y与猪粪氮用量x的关系为y=0.0817x+343.22，R2=0.1978；与化肥氮用量x的关系为：y=-0.0351x+360.45，R2=0.0359。

图5 不同用量化肥氮和猪粪氮对面团拉伸阻力、延伸度和拉伸面积的影响

不施氮处理的最大拉伸阻力为421.0。猪粪氮60、120、300 kg/hm2处理的最大拉伸阻力小于化肥氮，施氮量180 kg/hm2时，猪粪氮和化肥氮差别不大，施氮量240、360、420、500、600 kg/hm2处理时，猪粪氮的处理大于化肥氮。在0～600 kg/hm2范围内，最大拉伸阻力y与猪粪氮用量x的关系为y=0.2013x+407.04，R2=0.6501；与化肥氮用量x的关系为：y=0.0569x+433.46，R2=0.0752。

不施氮处理的延伸度为129.7 mm。猪粪氮60、180、240、300 kg/hm2处理的延伸度大于化肥氮，猪粪氮处理120、360、420、500、600 kg/hm2的延伸度小于化肥氮。在0～600 kg/hm2范围内，延伸度y与猪粪氮用量x的关系为y=0.0137x+126.59，R2=0.139；与化肥氮x的关系为：y=0.0251x+125.31，R2=0.3413。

不施氮处理的拉伸面积为71.7 cm2。猪粪氮60、120、300、360、420 kg/hm2处理的拉伸面积小于化肥氮，猪粪氮180、240、500、600 kg/hm2处理的拉伸面积大于化肥氮。在0～600 kg/hm2范围内，拉伸面积y与猪粪氮用量x的关系为y=0.038x+68.439，R2=0.784；与化肥氮x的关系为：y=0.0243x+71.335，R2=0.4306。

2.3 品质指标间及其与施氮量的相关性

表1可知，17个指标间共有68对指标高度相关，且达到了显著水平。与粗蛋白质高度相关的有11个，分别是湿面筋、沉降值、千粒重、降落数值、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数、最大拉伸阻力、延伸度、拉伸面积；而硬度指数、容重、面筋指数、吸水率、50 mm 拉伸阻力5 个指标与蛋白质含量相关性不显著。与蛋白质含量高度相关的指标也与湿面筋含量显著相关。除却延伸度与沉降值相关性不显著外，与蛋白质和湿面筋显著相关的其他10 个指标也与沉降值高度相关；而面筋指数与其他品质指标均相关性不显著。子粒硬度指数与其他指标均不相关，容重仅与千粒重和形成时间显著性相关。而千粒重与面筋指数、硬度指数、吸水率、50 mm拉伸阻力、延伸度不相关，其他11 个指标均与千粒重显著相关。降落数值与面筋指数、硬度指数、容重、吸水率、延伸度不相关，其他11个指标与降落数值显著相关。粉质仪测定的品质指标中，吸水率仅与稳定时间和粉质质量指数这2 个指标显著相关，与形成时间高度相关的有11 个指标，与稳定时间、弱化度以及粉质质量指数高度相关的有12个指标。拉伸仪测定的各项指标中，50 mm 拉伸阻力仅与降落数值、最大拉伸阻力、延伸度3 个指标高度相关，与延伸度高度相关的指标有7个，与最大拉伸阻力和拉伸面积高度相关的均有11个指标。

由表2可知，粗蛋白，湿面筋，沉降值、千粒重、降落数值、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数、最大拉伸阻力和拉伸面积与猪粪氮量间相关性达显著水平，且相互之间存在显著的相关性（表1），而面筋指数、硬度指数、容重，吸水率，50 mm拉伸阻力和延伸度与猪粪氮量间无显著相关性，且这些指标与其他大部分品质指标相关性不显著（表1）。除却降落数值与化肥氮相关性不显著外（图5），其他品质指标与化肥氮间的相关性表现与猪粪氮一致。

表1 不同用量化肥氮和猪粪氮处理品质指标间相关性

表2 品质指标与不同类型施氮量间的相关性

2.4 品质指标的聚类分析

以不同氮肥类型和用量处理的小麦子粒17 个品质指标作为评价依据，使用类平均数法对19个氮肥处理进行系统聚类，结果如图6 所示，在马氏距离1.0 时可以将19个处理分成2类。第一类，猪粪氮＜240 kg/hm2，化肥氮＜180 kg/hm2的6 个处理：CK、Org60，Org120，Org180 和Inorg60，Inorg120。大部分品质指标较差（图1～5），而且产量较低，在2616～6334 kg/hm2之间，平均产量4652 kg/hm2，为低产低质类型。

图6 不同氮肥处理的聚类分析

第二类，猪粪氮≥240 kg/hm2，化肥氮≥180 kg/hm2的13 个处理，各项品质指标表现好，产量高，在5834～7463 kg/hm2之间，平均产量6695 kg/hm2，为高产高质类型。由聚类分析结果可知，猪粪氮施用量不少于240 kg/hm2，化肥氮施用量不少于180 kg/hm2时，小麦产量和品质均处于好的水平。

3 讨论

3.1 有机肥与化肥对小麦产量的影响

一些长期定位试验表明，试验开始的前几年，化肥处理的作物产量明显高于有机肥处理，试验持续10多年后，有机肥处理的作物产量可以达到或超过化肥处理[14-17]，而本试验用风干粉碎的猪粪作为有机氮源，其产量效应与化肥氮无显著差异。大量研究表明，有机无机肥对作物产量的效应主要取决于供肥特性[18-19]，其中供氮特性最为关键，影响供氮特性的肥料种类和氮肥用量对作物产量的提升效应均有不同程度的影响，对于有机肥来说，其腐解程度直接影响有机肥中速效养分的含量以及施入土壤后的矿化分解速率。在相同的施氮量条件下，本身速效养分含量高，矿化分解速率快的有机肥供氮特性更类似于化肥[20]。本试验中，虽然风干猪粪有机氮养分浓度较化肥低，但是等氮量施用条件下用量大，且经过粉碎后施入土壤又经过旋耕，与土壤接触充分且均匀，不但可以迅速提高土壤中主要养分的浓度，满足作物生长需求，而且会带入额外的中微量元素，营养成分更全面，施用猪粪后兼具有机肥的培肥作用，能改善土壤的物理化学性质[19,21]，所以本试验各个施氮水平的猪粪处理均达到了与等氮量化肥处理一样的产量水平，而在本长期定位试验的供试有机肥种类换成牛粪后，牛粪氮的产量效应低于化肥氮[22]。

3.2 有机肥与化肥对小麦品质的影响

大量文章在氮肥不同用量、不同施用时期、不同施用方法对小麦品质的影响方面进行了报道。一般而言，化肥氮施用量0～240 kg/hm2范围内，施氮量越高，小麦子粒蛋白含量，面团和面粉等多数品质指标表现越优。氮素施用量再增大会导致单位化肥氮在提质增产方面的效益显著降低[23-25]。有研究认为，牛粪氮对小麦品质的影响小于化肥氮[11-13]，而鸡粪和猪粪对小麦品质的效应与化肥效应相当[13]，这是因为不同种类有机肥对小麦品质的影响取决于其在小麦生育期内的供氮状况。施用牛粪后供应速效氮水平显著的低于化肥的速效氮供应水平，对小麦品质的作用远小于化肥。而施用鸡粪和猪粪这两类有机肥后，在小麦生育期内提供的速效氮水平较高，对小麦品质的影响与化肥效果相近。本试验结果也表明，粗蛋白，湿面筋，沉降值、千粒重、降落数值、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数、最大拉伸阻力和拉伸面积与牛粪氮和化肥氮用量间相关性均达显著水平。而面筋指数、硬度指数、容重，吸水率，50 mm拉伸阻力和延伸度与氮肥用量间相关性不显著，这其中的硬度指数与化肥氮和猪粪氮均为二次曲线关系，降落数值与化肥氮呈二次曲线关系，与猪粪氮呈线性正相关，容重随施氮量增加无显著变化（图2）；面筋指数随施氮量的增加有降低的趋势（图3）；吸水率虽然与化肥氮呈二次曲线关系，但是随猪粪氮量增加变化不明显（图4）；50 mm 拉伸阻力随施氮量增加变化不明显，延伸度随施氮量增加有升高的趋势（图5）。可以推测不同施氮量会通过显著影响子粒蛋白含量，进而影响到与蛋白质含量显著相关的各个品质指标；而与蛋白质含量相关性不强的品质指标，如硬度指数、容重等受施氮量的影响不大。

3.3 品质指标的多元统计分析

用来表征小麦子粒品质的指标有很多，且多数指标间存在复杂的相互联系，本试验各指标间的相关性分析表明，17 个指标间共有68 对指标高度相关，与其他品质指标相关性显著达10个以上的指标有11个，分别为粗蛋白、湿面筋、沉降值、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数、最大拉伸阻力、拉伸面积、千粒重、降落数值。这些指标间直接进行简单比较不能更好的揭示不同氮肥种类和用量对小麦品质影响的规律。聚类分析作为一种综合分析方法，能够在多个对象和多个指标互相关联的情况下分析它们的统计规律，可以作为综合分析评价小麦品质指标的重要方法[26]。本试验通过聚类分析，将19个氮肥处理分为低产低质和高产高质两个类型。结果表明，猪粪氮施用量不少于240 kg/hm2，化肥氮施用量不少于180 kg/hm2时，小麦产量和品质均处于好的水平，再增加施氮量并未显著的提高小麦产量和品质。由此可知，科学合理的选用氮肥种类和施氮量才能达到综合改善产量和子粒品质的目的。

4 结论

小麦产量、粗蛋白、湿面筋、沉降值、千粒重、降落数值、形成时间、稳定时间、弱化度、粉质质量指数、最大拉伸阻力和拉伸面积与猪粪氮和化肥氮施用量间有显著的相关性。施用猪粪和化肥均可显著提高小麦产量和品质，且两者提升作用相当。猪粪氮施用量240 kg/hm2，化肥氮施用量180 kg/hm2时，可以实现小麦产量和品质的协同提高，过量施用化肥氮或猪粪氮对小麦产量和品质的提升作用不明显。