强筋和中筋小麦氮肥适宜基追比例研究

2022-09-22张子旋王艳群甄怡铭宋利玲甄文超彭正萍

植物营养与肥料学报 2022年7期

张子旋，王艳群，甄怡铭，李皓，宋利玲，甄文超，彭正萍,*

（1 河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071001；2 平乡县农业农村局，河北邢台 054000；3 华北作物改良与调控国家重点实验室，河北保定 071001）

氮素是小麦生长必需的营养元素，合理施用氮肥是获得小麦高产优质的关键[1]。施氮量和基追比均显著影响着小麦的产量和品质[2–3]。张向前等[4]发现，施氮量相同时，增加返青期小麦的追施氮量可增加小麦籽粒蛋白质含量。冯金凤等[5]指出，小麦籽粒的清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量均随开花期追肥量增加而增加。

不同基因型小麦品种的籽粒产量、氮素利用效率和蛋白含量不同[6]，适宜的氮肥施用方法也有差异。张美微等[7]研究表明，周麦28在河南南阳和信阳均可获得较高产量和氮肥偏生产力。马瑞琦等[8]发现，在基施氮肥105 kg/hm2基础上，中筋小麦品种在拔节期追氮105 kg/hm2，而强筋小麦品种在拔节期追氮135 kg/hm2，可获得较高的籽粒产量和品质。金欣欣等[9]报道，强筋小麦品种的平均氮肥农学效率、利用效率和生理利用效率分别是中筋小麦品种的3.5、3.26和1.22倍。荆奇等[10]报道，南京试验点籽粒中的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量在不同小麦品种中变幅分别为1.84%～4.35%、0.69%～1.40%、2.06%～4.28%和1.57%～4.37%。因此，在河北黑龙港流域连续进行了2年田间试验，研究不同氮肥基追比对强筋和中筋小麦品种籽粒蛋白组分、氮素利用和产量的影响，以期为该区域小麦合理施用氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019年10月—2021年6月在河北省邢台市宁晋县贾家口镇白木村 (37°36′51″N，115°07′23″E)进行。试验区属温带大陆性季风气候，年均气温12.8℃，年均降水量449.1 mm。试验点土壤为黏壤质潮土，0—20 cm供试土壤基础理化性状为：pH 8.44、容重 1.59 g/cm3、全氮 1.35 g/kg、铵态氮 2.42 mg/kg、硝态氮 36.92 mg/kg、有效磷 17.20 mg/kg、速效钾156.4 mg/kg。供试小麦品种为济麦22 (中筋型)和藁优2018 (强筋型)。供试肥料为尿素(46%N)、过磷酸钙(16% P2O5)、磷酸二铵(15% N、42%P2O5)和氯化钾 (60% K2O)。

1.2 试验设计

试验选择济麦 22 (中筋型)和藁优 2018 (强筋型)两个小麦品种，分别设置5个氮肥处理：不施氮肥(N0)、氮肥基追比3∶7 (N3:7)、氮肥基追比4∶6(N4:6)、氮肥基追比5∶5 (N5:5)和氮肥基追比6∶4(N6:4)，每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积48 m2，共30个小区。各施氮肥处理全生育期施纯氮总量240 kg/hm2[11]。各处理除氮肥基追比不同外，均施用 P2O5135 kg/hm2和 K2O 105 kg/hm2。按照试验设计的基肥氮肥和全部磷钾肥均作为底肥一次性施入小区，底肥撒施于地表进行机械化浅旋耕，然后采用15 cm等行距播种两个小麦品种，播量均为225 kg/hm2。两叶一心时进行小区间苗，保证两小麦品种的基本苗均在26万株/hm2。来年拔节期各施氮肥处理按照设计比例一次性结合灌溉追施剩余氮肥，其他田间管理措施与当地高产田相同。本试验为定位试验，采用小麦/玉米轮作方式，小麦按照本试验方案安排，各试验小区小麦收获后，玉米季各小区统一采用种肥同播方式进行施肥和播种，施用同一种掺混肥 900 kg/hm2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株干物质、氮养分和产量每个小麦生长季分别记录小麦拔节、挑旗、灌浆和成熟期出现在播种后的天数，并于这4个时期分别在各小区选取代表性小麦10株分茎秆和籽粒分别取样，清洗干净后放于烘箱中105℃杀青30 min后，75℃烘至恒重，称重后粉碎，采用常规农化分析方法[12]测定其中的全氮含量。成熟期，每小区收获2 m 6行穗部进行脱粒，自然风干后称籽粒重量并测定含水率，折算成12.5%标准含水率的籽粒产量。

1.3.2 小麦籽粒蛋白组分含量两季小麦收获后的籽粒用连续提取法将清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白分别提取出来[13]，用全自动化学分析仪测定各蛋白质组分的全氮含量，乘以系数5.7得到各蛋白组分的含量。

1.3.3 计算指标

氮素积累量(kg/hm2)=干物质积累量×氮浓度；

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区籽粒产量/施氮量；

氮肥回收率(%)=(施氮区氮素吸收量–不施氮区氮素吸收量)/施氮量×100；

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量–不施氮区籽粒产量)/施氮量。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010 和 Origin 2021 进行数据处理和绘图；采用SPSS 25.0进行显著性检验，采用Duncan法进行多重比较，P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 氮肥基追比对小麦植株干物质积累的影响

两年结果(表1)表明，两小麦品种的植株干物质积累速率随生育期的推进呈先增后降变化，均在出苗—拔节期最低，拔节—挑旗期最高，说明拔节—挑旗期是小麦干物质积累的主要阶段。藁优2018品种，在出苗—拔节期N4:6处理的植株干物质积累速率相对较高；拔节—成熟期小麦的植株干物质积累速率均以N4:6处理为最高，与N6:4处理差异显著。济麦22，在出苗—拔节期N5:5处理的植株干物质积累速率最高，与N3:7和N6:4处理差异显著；拔节—成熟期的N5:5处理干物质积累速率相对较高。说明适宜的氮肥基追比有利于两小麦品种保持相对较高的干物质积累速率，不同氮肥基追比处理显著影响小麦植株的干物质积累速率。挑旗期之前，济麦22的植株干物质积累速率高于藁优2018，挑旗期之后基本表现出藁优2018的植株干物质积累速率高于济麦22。

表1 不同生育阶段小麦植株干物质积累速率 [kg/(hm2·d)]Table 1 The dry matter accumulation rate of wheat at different growth stages

2019—2020年，藁优2018，拔节、挑旗期的N4:6、N5:5处理植株干物质积累量较N3:7、N6:4处理明显增加；灌浆期的N4:6处理植株干物质积累量比N3:7和N6:4处理显著增加16.66%～20.09%；成熟期的N4:6处理植株干物质积累量较其他氮肥处理显著提高6.77%～23.33% (图1a)。济麦22，拔节、灌浆和成熟期的N5:5植株干物质积累量较其他氮肥处理显著提高5.86%～45.34%；挑旗期N5:5处理植株干物质积累量较N3:7和N6:4处理明显提升(图1 b)。2020—2021年，藁优2018，N4:6处理在各生育时期的植株干物质积累量较其他氮肥处理显著提高10.49%～36.54% (图1c)。济麦22，拔节期N5:5处理植株干物质积累量分别较N3:7和N6:4处理显著增加17.67%和15.52%；挑旗期N5:5处理植株干物质积累量分别较其他氮肥处理显著提升8.15%～12.76%；灌浆、成熟期的N5:5处理植株干物质积累量最高(图1 d)。

图1 不同氮肥处理下小麦地上部干物质在不同生育期的积累量(t/hm2)Fig.1 Dry matter accumulation of above-ground part at different growing stages of wheat under different N treatments

两年结果表明，两小麦品种各生育时期的植株干物质积累量随着氮肥基追比的增加呈先增后降变化，藁优2018在N4:6处理获得的干物质积累量相对较多，而济麦22在N5:5处理获得的干物质积累量相对较多。氮施用比例、氮施用比例×小麦品种互作均显著影响植株干物质的积累(表2)。

表2 氮肥处理及小麦品种对植株干物质积累量影响的方差分析Table 2 ANOVA analysis of effects of N treatment and wheat cultivars on plant dry matter accumulation

2.2 氮肥基追比对小麦植株氮素积累的影响

两年结果(表3)表明，两小麦品种的植株氮素积累速率随生育期推进呈升—降—升趋势变化，拔节―挑旗、灌浆—成熟期是氮素积累最快的时期。对藁优2018来说，出苗—拔节期的N4:6处理植株氮素积累速率相对较高，显著高于N3:7处理；拔节—挑旗期的植株氮素积累速率以N4:6处理最高，明显高于N3:7和N6:4处理；挑旗—成熟期以N4:6处理的植株平均氮素积累速率最高。济麦22，出苗—拔节期的N5:5处理植株氮素积累速率显著大于N3:7和N6:4处理；拔节—挑旗期的N5:5处理植株氮素积累速率较N6:4处理显著提高；挑旗—成熟期N5:5处理植株平均氮素积累速率最高。说明不同小麦品种的氮素积累速率在适宜氮肥基追比下明显加快。出苗—拔节期相同施肥处理的两个小麦品种的植株氮素积累速率基本接近，拔节—挑旗期济麦22的植株氮素积累速率高于藁优2018，挑旗期之后基本表现出藁优2018的植株氮素积累速率高于济麦22。不同氮施用比例显著影响氮素积累速率，小麦品种、氮施用比例×小麦品种互作均显著影响拔节—挑旗、挑旗—灌浆期植株的氮素积累速率。

表3 不同生育阶段小麦植株氮素积累速率 [kg/(hm2·d)]Table 3 The nitrogen accumulation rate in wheat at different growth stages

2019—2020年，藁优2018，拔节和挑旗期的植株氮素积累量以N5:5和N4:6处理最高，显著高于N3:7和N6:4处理；灌浆和成熟期的植株氮素积累量以N4:6处理最高，显著较其他氮肥基追比处理提升7.06%～24.77% (图2 a)。济麦 22，N5:5处理的各时期植株氮素积累量较其他氮肥基追比处理显著提高8.02%～52.64% (图2 b)。2020—2021 年，藁优2018，拔节期的植株氮素积累量以N4:6处理最高，显著高于N3:7和N6:4处理；挑旗—成熟期N4:6处理植株氮素积累量较其他氮肥处理显著增加8.45%～36.46%(图2 c)。济麦22拔节期植株氮素积累量以N5:5处理最高，较N3:7和N6:4处理明显提升；挑旗—成熟期N5:5植株氮素积累量显著高于其他氮肥基追比处理7.47%～30.64% (图2 d)。

图2 不同氮肥处理下小麦地上部氮素在不同生育期的积累量(kg/hm2)Fig.2 Nitrogen accumulation in the above-ground part at the different growing stages of wheat under different N treatments

两年结果表明，两小麦品种各生育期的植株氮素积累量随氮肥基追比的增加呈先增后降趋势变化。不同小麦品种对氮肥基追比的响应不同，藁优2018在氮肥基追比4∶6时具有相对较多的氮素积累量，而济麦22在氮肥基追比5∶5时获得的氮素积累量相对较多。氮施用比例显著影响各时期小麦植株氮素积累，氮施用比例×小麦品种互作显著影响挑旗和灌浆期的小麦植株氮素积累(表4)。

表4 氮肥处理及小麦品种对植株氮素积累量影响的方差分析Table 4 ANOVA analysis of effects of N treatment and wheat cultivars on N accumulation of wheat plant

2.3 氮肥基追比对小麦两年平均籽粒蛋白质及蛋白组分含量的影响

图3表明，藁优2018，与其他氮肥基追比处理相比，N4:6处理的籽粒清蛋白、球蛋白和谷蛋白含量最高；N4:6和N5:5处理的籽粒醇溶蛋白分别提高7.45%～8.02%和9.04%～9.63%；N4:6处理的籽粒总蛋白质含量显著增加3.66%～10.76%。对济麦22而言，与其他氮肥基追比处理相比，N5:5处理的籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白和总蛋白质含量分别提升2.55%～4.78%、4.11%～16.92%、3.42%～10.39%、1.35%～10.32%和2.95%～10.06%；且N5:5处理的籽粒清蛋白、醇溶蛋白和总蛋白质含量显著高于N3:7处理，球蛋白显著高于N3:7和N6:4处理，谷蛋白显著高于N3:7和N4:6处理。两个小麦品种比较，藁优2018的籽粒各蛋白组分含量相比济麦22品种高出1.17%～5.72%。说明适宜的氮肥基追比有利于提高两小麦品种籽粒的总蛋白质和各蛋白组分含量。

图3 两年平均小麦籽粒总蛋白质及蛋白组分含量Fig.3 Average protein and protein component contents of wheat grain in two years

由表5可知，氮施用比例显著影响小麦籽粒的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白和总蛋白质含量，小麦品种显著影响籽粒的醇溶蛋白、谷蛋白和总蛋白质含量，氮施用比例×小麦品种互作显著影响籽粒总蛋白质含量。

表5 氮肥处理及小麦品种对籽粒蛋白组分含量影响的方差分析Table 5 ANOVA analysis of effects of N treatment and wheat cultivars on grain protein components

2.4 氮肥基追比对小麦两年平均籽粒产量和氮效率的影响

表6表明，氮肥基追比对小麦籽粒产量及氮效率均有显著影响。藁优2018，N4:6处理的产量是其他氮肥处理的1.07～1.13倍，差异显著；该处理的氮肥偏生产力、氮肥回收率和氮肥农学效率显著高于其他氮肥处理。济麦22，N5:5处理的籽粒产量是其他氮肥处理的1.03～1.08倍；氮肥偏生产力和氮肥农学效率显著高于N3:7和N6:4处理，氮肥回收率显著高于其他氮肥基追比处理。济麦22各氮肥处理的籽粒产量比藁优2018增加5.4%～15.21%。氮施用比例、小麦品种均显著影响籽粒产量、氮肥偏生产力、氮肥回收率，且氮施用比例显著影响氮肥农学效率，氮施用比例×小麦品种互作显著影响了氮肥回收率。

表6 两年平均小麦籽粒产量及氮效率Table 6 Average grain yield and N efficiency of wheat in two years

3 讨论

3.1 氮肥基追比对小麦植株干物质、氮素积累的影响

小麦品种的遗传特性会影响各试验区的小麦干物质和氮素积累[14]。张娟等[15]在山东的试验表明，总施氮量270 kg/hm2氮肥基追比5∶5的处理可以提高开花后中筋小麦品种‘济麦22’的干物质积累；姜丽娜等[16]在豫中的研究结果表明，总施氮量为270 kg/hm2氮肥基追比3∶7的处理可促进中筋小麦品种‘百农矮抗58’的干物质积累与转运；荆奇等[17]发现，徐州试验点的小麦开花前氮素积累量大于南京试验点，徐州试验点的小麦开花前干物质积累量却小于南京试验点；同在南京的试验，不同小麦品种的植株干物质转运量为110.47～603.7 g/m2，氮素转运量为 7.12～15.25 g/m2。

本研究结果证明，氮施用比例显著影响两个小麦品种的植株干物质和氮素积累(表2、表4)，随氮肥基追比的增加，两小麦品种的植株干物质和氮素积累量呈先增后降趋势(图1、图2)，这与前人研究[18–19]一致。随生育期的推进，两小麦品种的植株干物质积累速率(表1)与氮素积累速率趋势存在不同(表3)，拔节—挑旗期是小麦植株干物质和氮素积累的主要阶段。石祖梁等[18]发现，总施氮量225 kg/hm2时，‘宁麦9号’低于50%和‘豫麦34号’50%～70%的追肥比例可以促进后期植株干物质和氮素的积累及转运；说明相同施氮量下由于小麦品种不同其养分吸收特征会存在差异。本试验总氮施用量为240 kg/hm2时，成熟期‘藁优2018’在N4:6处理和‘济麦22’在N5:5处理下的小麦植株干物质和氮素积累量最高，且挑旗—成熟期‘藁优2018’的养分积累速率高于‘济麦22’。因此对于挑旗—成熟期有较高氮素积累速率的‘藁优2018’品种增加氮肥追施比例可以更好的满足其后期氮素的需要；而对于挑旗—成熟期养分吸收速率相对较少的‘济麦22’品种，氮肥基追比5∶5就能够保证其获得理想产量和氮素利用。

3.2 氮肥基追比对小麦籽粒蛋白形成的影响

大量研究表明，氮肥运筹对籽粒蛋白质影响显著，作物籽粒蛋白质含量与生育后期氮吸收量之间存在显著的正相关关系[20]。戴廷波等[21]提出，增施氮肥和提高后期追施比例显著增加籽粒的蛋白质含量，提升籽粒的清蛋白和谷蛋白占总蛋白的比例，降低醇溶蛋白比例。王晓英等[22]报道，在拔节期追肥，追氮比例过高导致强筋小麦品种‘济麦20’的籽粒蛋白质含量显著降低，谷蛋白增高，醇溶蛋白和清蛋白含量下降。杜世州等[23]表明，施氮量270 kg/hm2时，增加拔节期施氮比例在4∶6～5∶5之间，可提高强筋小麦品种‘烟农19’、‘济麦20’和中筋小麦品种‘皖麦50’的籽粒产量，改善蛋白质、湿面筋、沉降值等品质。说明小麦的籽粒产量和品质明显受地域和氮肥基追比影响，土壤氮素状况、通气状况、温湿度、有机质含量等均会影响植株氮素吸收与转化，从而影响后期籽粒蛋白组分的形成[24]；施氮量相同时，追氮量增加促进小麦中后期营养生长，改善籽粒品质，这是因为追氮比例增加抑制后期旗叶叶绿素的降解，延长了叶片的功能期，提升植物体中后期氮素含量，满足中后期植株对氮素高强度的利用，加快籽粒醇溶蛋白和谷蛋白的合成速率，调节了各蛋白组分的含量[5]。

本研究结果表明，相同施氮量和施氮时期下由于氮肥基追比不同显著影响了小麦籽粒的蛋白组分含量，‘藁优2018’和‘济麦22’分别在N4:6和N5:5处理下的籽粒蛋白组分及总蛋白质含量相对较高(图3)，‘藁优2018’在后期的氮素积累速率相对较高，追施氮比例到60%可以更好地提高其蛋白质含量。‘藁优2018’的籽粒各蛋白组分含量比‘济麦22’高，小麦品种显著影响籽粒中的醇溶蛋白、谷蛋白和总蛋白质含量，不同氮肥基追比与小麦品种互作显著影响了籽粒的总蛋白质含量(表5)。说明不同小麦品种对氮肥施用方式的响应存在明显差异，同一小麦品种也会因种植区域养分供应能力、施肥量[25]、施肥时期的差异，具有不同的养分吸收利用能力，形成不同的产量水平和品质特性。

3.3 氮肥基追比对小麦氮效率和籽粒产量的影响

两小麦品种的氮效率由于氮肥基追比不同而出现差异。藁优2018以N4:6处理的氮肥偏生产力、回收率和农学效率最高，而济麦22则以N5:5处理的氮肥偏生产力、回收率和农学效率最高。氮肥基追比与小麦品种互作也显著影响了两小麦品种的氮肥回收率(表6)，这与前人结果[3]不同，可能与试验的施氮总量、土壤养分供应能力和小麦品种遗传特性等有关。土壤无机氮在一定程度上反映土壤的供氮能力，并非土壤基础氮低前期投入的氮肥比例就高，张娟等[15]和姜丽娜等[16]分别在碱解氮为112.9和81.2 mg/kg的基础土壤上研究发现，总施氮量270 kg/hm2条件下，氮肥基追比分别为5∶5和3∶7时小麦产量最佳，说明在考虑土壤供氮能力的同时也存在土壤其他性能、作物本身吸收利用能力以及前茬作物等影响。张杰等[3]指出，随总施氮量增加提高追氮比例有利于小麦产量的提高；表明施氮量也影响最适氮肥基追比的确定。本研究在施纯氮量240 kg/hm2条件下，‘藁优2018’和‘济麦22’的产量随氮肥基追比的增加呈先增后降的趋势，分别在N4:6、N5:5处理时获得最高籽粒产量，‘济麦22’各处理的籽粒产量比‘藁优2018’高出5.4%～15.21%，小麦品种、氮肥基追比显著影响籽粒产量，不同小麦品种产量对氮肥基追比响应不同，在生产上需要根据小麦品种的需氮特性，采用合理的氮肥基追比方式，使施氮量在时间上与作物需求同步，提高氮肥效率以达到高产高效优质的目的。