间作和施氮对小麦和蚕豆籽粒淀粉及蛋白质含量的影响

2022-07-18余玉梅喻仲颖李海叶吴鑫雨肖靖秀

植物营养与肥料学报 2022年6期

余玉梅，喻仲颖，李海叶，吴鑫雨，汤利，郑毅,2，肖靖秀*

（1 云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201；2 云南开放大学，云南昆明 650559）

豆科禾本科间作可提高土地利用率、促进农业可持续发展[1–2]，还可改善土壤肥力、减轻病害、增产、改善作物营养状况[3–7]。与豆科作物间作是广泛接受的一个成功栽培模式[8]。由于豆科作物具有生物固氮特性，对豆科间作从作物种间互作、地上地下部互作等角度系统进行了氮的固定、转移及氮肥合理施用等研究[3–8]。淀粉和蛋白质是作物籽粒的重要组成成分，也是衡量籽粒品质的关键指标[9]。氮素与作物品质的形成密切相关，氮肥运筹是调控作物品质的有效措施之一[10]。籽粒淀粉和蛋白质含量及其组分特性存在品种、基因型差异，也不同程度地受到施肥的影响[11]。有研究发现，增施氮肥会显著降低弱筋、强筋小麦直链淀粉含量，而支链淀粉含量主要取决于小麦品种特性[12–13]。代新俊等[11]发现，高氮肥水平有利于总淀粉、直链淀粉、支链淀粉含量的提高，且酰胺态氮肥的效果高于其它形态氮肥。小麦籽粒蛋白质含量与施氮量呈正相关[10,14–15]，其中清蛋白、球蛋白、谷醇比(谷蛋白/醇溶蛋白)均随施氮量的增加而提高[11]。吴培金等[16]研究表明，随施氮量的增加醇溶蛋白的含量变化幅度最大，其次是谷蛋白、清蛋白，球蛋白最小。蚕豆试验也发现，氮肥可以提高蚕豆籽粒蛋白质含量，且不同蛋白质组分对施肥量的响应不同[17]。

作物籽粒淀粉和蛋白质含量也受种植模式的调控。在不施氮条件下，玉米/花生、玉米/大豆间作对玉米籽粒淀粉含量无明显影响，但显著提高了籽粒蛋白质含量；而在施肥条件下，间作玉米籽粒淀粉和蛋白质含量均有所提高[7]。蔡明等[18]研究则表明，在一定施氮范围内，间作模式下的马铃薯淀粉、蛋白质含量高于单作，但施氮水平与种植模式的交互作用对蛋白质含量影响并不显著。上述研究结果均表明，施氮和种植模式对籽粒蛋白质和淀粉含量都有一定的影响，且存在一定程度的交互作用。

小麦与蚕豆间作是西南地区普遍采用的小春作物种植模式[19]，该模式能有效降低病害发生[20–22]，并具有增产[23]和减肥减药潜力[21]，能最大限度地提高系统生产力。在欧洲的一些研究证实，小麦和蚕豆短期间作可以提高小麦籽粒蛋白质含量[24–25]。由于中国西南地区小麦和蚕豆几乎同种同收，在较长的共生期下间作和氮肥施用量在调控作物产量的同时是否会影响小麦和蚕豆籽粒蛋白质、淀粉含量尚不清楚。因此，我们通过田间试验，系统研究了不同氮水平下小麦与蚕豆间作对籽粒蛋白质和淀粉含量的影响，为实现该间作系统的最大产量、生态和质量效益提供参考，促进该区域的农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

田间定位试验于2014年10月起在云南省昆明市寻甸县大河桥村云南农业大学现代农业教育科研基地 (N 23°32′，E 103°13′)进行，该地区为亚热带季风气候，年降水量达1040 mm，年平均温度为14.7℃。试验开始前为水稻土，土壤为熟化程度较高的红壤，有机质35.05 g/kg、全氮1.42 g/kg、碱解氮80 mg/kg、速效钾 146 mg/kg、速效磷 17 mg/kg、pH 7.18。小麦和蚕豆每年10月中旬至下旬播种，次年4月中旬收获，收获后将秸秆移出试验田，5月至9月份保持休耕。

供试材料：小麦品种为云麦52 (TriticumaestivumL.)，蚕豆品种为玉溪大粒豆(ViciafabaL.)。

1.2 试验设计

试验采用两因素完全随机区组设计。因素A为种植模式，即：小麦单作、蚕豆单作、小麦蚕豆间作(包括间作小麦和间作蚕豆)；因素B为施氮量，设置4个氮水平，小麦的4个施氮量依次为N 0、90、180 和 270 kg/hm2，分别记作 N0、N90、N180和N270处理，蚕豆的4个施氮量依次为N 0、45、90、135 kg/hm2，分别记作 N0、N45、N90 和N135处理。其中，N180和N90处理均为常规推荐施用量。每个处理3次重复，小区面积为32.4 m2(5.4 m×6 m)。供试肥料为尿素 (N 46.0%)、过磷酸钙(P2O516.0%)和硫酸钾 (K2O 50.0%)。

1.3 田间管理

小麦蚕豆分别于2018、2019年10月20―22日播种，于次年的4月20日收获。小麦条播，行距0.2 m；蚕豆点播，行距 0.3 m，株距 0.10 m。小麦蚕豆间作种植模式按照当地推荐种植模式，小区分为3个种植条带，小麦蚕豆行数比例为3∶1，即为6行小麦–2行蚕豆–6行小麦–2行蚕豆–6行小麦–2行蚕豆；单作小麦每个小区共27行；单作蚕豆每小区共18行。间作小麦和蚕豆播种密度同单作。

试验处理磷、钾肥施用量均为90 kg/hm2，作为基肥一次性施入。小麦的氮肥施用分2次，1/2作为基肥施入，1/2在小麦拔节期作为追肥施入。蚕豆不追氮肥，一次施入，田间试验日常管理参照当地田间常规管理。

1.4 样品采集与测定

于2019和2020年4月底，小麦和蚕豆收获后，将籽粒自然风干后去除杂质，磨样、过筛，测定籽粒淀粉和蛋白质含量。小麦和蚕豆籽粒直链淀粉和支链淀粉含量采用试剂盒(碘比色法)进行测定，试剂盒由苏州格锐思生物技术有限公司(www.geruisi-bio.com)提供，支链淀粉测定波长为540和740 nm；直链淀粉测定波长为620 nm，总淀粉为直链淀粉与支链淀粉之和。小麦和蚕豆籽粒蛋白质含量测定：采用Foss蛋白质定氮仪(KJELTEC8400，瑞典)测定各样品全氮含量，籽粒蛋白质含量按全氮量的5.7倍换算[26]。籽粒蛋白组分(清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白)测定采用分步提取法[27]。

1.5 数据处理与分析

利用Excel 2013进行原始数据处理、绘图；利用SPSS 20.0进行独立性T检验、单因素、双因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平下间作对小麦和蚕豆籽粒淀粉含量的影响

2.1.1 对小麦籽粒淀粉含量的影响如表1所示，氮水平与种植模式互作对2019年小麦籽粒直链淀粉和2020年的小麦籽粒总淀粉含量无显著影响，对2019年小麦籽粒支链淀粉、总淀粉和2020年籽粒支链、直链淀粉含量均有显著影响。

表1 氮水平与种植模式对小麦淀粉含量影响的显著性分析Table 1 Significance analysis of effect of N application level and cropping pattern on wheat starch content

如图1A所示，4个氮水平下，小麦蚕豆间作较单作均显著提高了小麦籽粒总淀粉含量(2020年N180处理除外)。不考虑氮水平，相对于单作，间作平均提高了小麦总淀粉含量10%～22%；在N0、N90、N180、N270处理下，间作小麦籽粒总淀粉含量相对于单作分别提了14%～18%、6%～25%、4%～29%、13%～19%，单作和间作小麦籽粒总淀粉含量均随施氮量的增加而降低。

如图1B所示，在不同氮水平下，相对于单作，间作平均提高小麦籽粒支链淀粉含量5%～18%；在N0、N90、N180处理下2019年增幅分别为14%、23%、33%；2020年，在N0处理下单间作无差异，在N90、N180、N270处理下增幅分别为4%、4%、18%；且从图中可以看到，随着氮肥用量的增加，小麦籽粒支链淀粉含量在逐渐下降。

如图1C所示，在不同氮水平下，与单作相比，间作提高小麦籽粒的直链淀粉含量18%～28%。2019年，在N180和N270处理下，间作分别提高直链淀粉含量27%和31%。2020年，N0、N180、N270水平下，间作分别提高了直链淀粉含量55%、18%、16%。随着施氮量的增加，单间作小麦籽粒的直链淀粉含量逐渐降低。

图1 不同氮水平下单作和间作小麦总淀粉、支链淀粉和直链淀粉含量Fig.1 Contents of total starch, amylopectin and amylose in monocropping and intercropping wheat under different N levels

2.1.2 不同氮水平下间作对蚕豆籽粒淀粉含量的影响

如表2所示，两年试验结果均得出氮水平对蚕豆籽粒支链、直链、总淀粉含量有显著影响。种植模式对蚕豆籽粒直链淀粉和总淀粉含量的影响在年际间存在差异；氮水平和种植模式交互对直链淀粉具有显著影响，而支链淀粉和总淀粉含量在年际间存在差异。

表2 氮水平和种植模式对蚕豆淀粉含量影响的显著性分析Table 2 Significance analysis of effect of N level and cropping pattern on starch content of faba bean

如图2A所示，在不同氮水平下，蚕豆籽粒总淀粉含量在年际间存在差异，但在N90处理下总淀粉含量均达到最大值。2019年，4个氮水平下间作较单作均降低了蚕豆总淀粉含量，N0、N45、N90、N135处理下间作较单作分别降低36%、42%、24%、27%；2020年，N135处理下间作蚕豆总淀粉含量较单作显著降低14%，其他氮水平下单、间作无明显差异。

如图2B所示，与单作相比，间作降低了蚕豆籽粒支链淀粉含量。而2019年与2020年结果存在一定的差异，2019年，在N0、N45、N90、N135处理下，与单作相比间作蚕豆籽粒支链淀粉含量分别降低了39%、48%、34%、31%；2020年，仅在N135处理下，间作显著降低了蚕豆籽粒支链淀粉含量，其余几个氮肥处理下间作对蚕豆支链淀粉含量均无显著影响。随着氮肥用量的变化，单间作蚕豆籽粒支链淀粉含量所呈现出来的趋势也不同。单、间作蚕豆籽粒支链淀粉含量均是先增加后降低，但2019年单作的蚕豆籽粒支链淀粉最大含量出现在N45处理，间作的最大含量则出现在N90处理，而2020年单间作最大含量均出现在N90处理。

如图2C所示，与单作相比，2019年在N0、N45处理下间作显著降低蚕豆籽粒直链淀粉含量，分别降低了30%、20%；但是在N90、N135处理时，单、间作无明显差异。2020年，在N0、N135水平下间作分别提高蚕豆直链淀粉含量33%和19%；但在N90处理下间作显著降低了蚕豆的直链淀粉含量。单、间作直链淀粉含量均在N90时达到最大值。

图2 不同氮水平下单作和间作蚕豆总淀粉、支链淀粉和直链淀粉含量Fig.2 Contents of total starch, amylopectin and amylose in monocropping and intercropping faba bean under different N levels

2.2 不同氮水平下间作对作物籽粒总蛋白及蛋白组分含量的影响

2.2.1 不同氮水平下间作对小麦籽粒总蛋白及蛋白组分含量的影响如表3所示，氮水平和种植模式交互对小麦籽粒中总蛋白质含量及各蛋白组分无显著影响(2020年的醇溶蛋白含量除外)。当只考虑种植模式时，间作相比单作显著提高了小麦醇溶蛋白和总蛋白含量，醇溶蛋白提高了9%～15%，总蛋白提高了5%～6%；其余几个蛋白组分含量在单、间作间无显著差异(2019年清蛋白、谷蛋白除外)。当只考虑氮肥施用量时，施用氮肥显著影响了小麦籽粒各蛋白组分及总蛋白含量。提高氮肥的用量能够显著增加小麦总蛋白含量，与N0相比，在N90、N180、N270处理下，两年分别提高了1%、19%、26% (2019年)与8%、20%、42% (2020年)。从表3中可以看出，在N0和N90处理下，小麦籽粒总蛋白及谷蛋白组分间无显著差异(除2019年谷蛋白外)，N180、N270处理与N0相比总蛋白及各蛋白组分含量显著增加(2019年球蛋白除外)，清蛋白含量提高了10%～18%，球蛋白提高了11%～35%，醇溶蛋白提高了19%～41%，谷蛋白提高了16%～39%，总蛋白提高了24%～40%。综上可以发现，随着施氮量的增加，小麦籽粒醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白含量、谷醇比随之增加，但是除了谷蛋白和2019年的球蛋白之外，N180和N270水平间各蛋白质组分含量几乎无差异。

表3 不同氮水平下单间作小麦籽粒蛋白质和各蛋白组分含量(%)及谷醇比Table 3 Protein contents (%) and glutenin/gliadin in grains of monocropping and intercropping wheat under different N levels

2.2.2 不同氮水平下间作对蚕豆籽粒总蛋白及蛋白组分含量的影响表4所示，氮水平与种植模式的交互作用对蚕豆的蛋白组分及总蛋白含量均无显著影响。此外，氮水平及种植模式对蚕豆总蛋白含量均无影响。从各个蛋白组分含量来看，2019年，间作相比单作提高了球蛋白和醇溶蛋白含量，增幅分别为8%和10%。2020年，间作相比单作提高球蛋白含量6%。当只考虑氮水平时，施氮量水平对两年的蚕豆籽粒总蛋白含量均无显著影响；对蚕豆籽粒的清蛋白和球蛋白含量无显著影响(2020年球蛋白除外)；但对醇溶蛋白和谷蛋白含量有显著影响，且在N90、N135处理下的蚕豆籽粒醇溶蛋白含量显著高于N0处理。

表4 不同氮水平下单间作蚕豆籽粒蛋白质和各蛋白组分含量(%)Table 4 Protein contents (%) in grains of monocropping and intercropping faba bean under different N levels

3 讨论

间作和施氮水平显著影响着作物的淀粉含量。在本研究中，间作提高了小麦淀粉含量，降低了蚕豆籽粒淀粉含量，张向前等[7]在玉米/花生、玉米/大豆间作体系中也证实间作提高了玉米的淀粉含量。籽粒淀粉含量受碳、氮供应以及淀粉关键合成酶的影响[28–29]，小麦籽粒支直链淀粉含量均与蔗糖合成酶、可溶性蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶等呈正相关[29]，可以推测间作小麦籽粒淀粉的提高可能与这些酶活性有关，但具体机制尚待研究。

小麦籽粒蛋白质各组分含量及比例与面粉品质密切相关[30]。本试验条件下，间作显著提高了小麦籽粒总蛋白含量和蛋白组分中醇溶蛋白的含量(表3)，Tosti等[24]和Stefanis等[25]也证实小麦与蚕豆短期间作可以提高小麦籽粒总蛋白质含量和谷蛋白含量。值得注意的是，间作对谷醇比的影响存在年际差异，2020年发现间作提高了醇溶蛋白含量，但对谷蛋白含量无影响，导致谷/醇降低。小麦籽粒蛋白质含量受生态环境条件等因素的影响[31]，基于Meta分析的结果也表明，小麦籽粒蛋白质含量随灌浆中期的总日照时数升高而升高，随播种—孕穗、灌浆前中期的总降水量增加而降低[32]。本研究中，在播种—分蘖期(10―11月)、灌浆—成熟期(2―4月)，两年的温度和降雨变异较大，这或许与年际变异有关。此外，本试验条件下，小麦籽粒蛋白质含量(5%～10%)略低于西南地区小麦籽粒蛋白质含量的平均水平(11.7%)，且存在年际差异也可能与土壤、气象因素等有关。

在本研究中，除球蛋白和2019年的醇溶蛋白外，间作对蚕豆籽粒的总蛋白及蛋白组分无影响，说明相较于小麦和蚕豆单一种植，小麦蚕豆间作更有利于提高小麦蛋白质含量。蛋白质的积累依赖于氮的吸收和同化，而氮的同化受谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酰胺合成酶(GS)等几种酶的调控[33]。在焦念元等[34]的研究中，发现玉米花生间作提高了叶片中硝酸还原酶(NR)和GS的活性，从而提高了玉米花生籽粒中蛋白质的含量。刘振洋[35]发现在小麦灌浆期，间作也显著提高了叶片GS和Fd-GOGAT (铁氧还蛋白依赖型–谷氨酸合成酶)、NADH-GODAT (烟酰胺腺嘌呤=核苷酸–谷氨酸合成酶)的活性和基因表达量；增加施氮量使小麦叶片中GS、Fd-GOGAT、NADH-GODAT的活性增加。这些关键酶活性和相关基因表达量的提高，都可能促使间作小麦籽粒总蛋白以及蛋白组分含量增加。在小麦蚕豆间作体系中，间作小麦对氮素的吸收竞争力强于蚕豆，导致蚕豆产量降低[36]。本研究未发现间作和施氮对蚕豆籽粒蛋白质含量有影响，但间作对蛋白质产量的影响尚需深入分析。

前人研究证实小麦蚕豆间作具有产量优势[37]，本研究则证实间作在提高小麦籽粒产量的同时还能提高小麦籽粒蛋白和淀粉含量，且对蚕豆蛋白质和淀粉含量几乎无影响。因此，我们认为小麦蚕豆间作是一种兼具产量和品质优势的种植模式。

氮素对作物籽粒蛋白质含量具有重要影响，适宜的氮肥水平可以提高作物籽粒各蛋白组分含量[16,38]。在本研究中，施氮提高了单作和间作小麦的总蛋白含量和各蛋白组分含量。Xiao等[37]在本试验条件下发现，在减氮1/2的条件下间作可以维持与单作一致的产量。但是在供试土壤供氮能力偏低的条件下(有效氮含量80 mg/kg)，当施氮量低于常规水平(180 kg/hm2)时，间作虽然提高了小麦籽粒蛋白质含量，但仍然低于常规氮肥供应水平下的蛋白质含量。而且即使提高了氮肥水平(N270、N135)，单、间作小麦和蚕豆的淀粉含量也显著低于常规推荐施氮量(N180、N90)处理，小麦可能是由于氮素的同化消耗了碳水化合物，减少了碳水化合物在籽粒中的积累。蚕豆淀粉含量下降则可能是小麦对氮素的竞争影响了其氮素营养，进而降低了碳的同化量，也影响了其蛋白质的积累。因此，还需要继续研究适宜的氮肥投入量，以调控间作作物的相互作用，最大限度发挥间作的产量和品质优势。