施氮时期对谷子产量、品质和氮素利用率的影响

秦 娜 朱灿灿 代书桃 宋迎辉 王春义 李君霞* 平西栓

(1.河南省农业科学院 粮食作物研究所，郑州 450002;2.河南省农业技术推广总站，郑州 450002)

自20世纪80年代以来，世界粮食总产量增加了一倍，而氮肥的使用量却增加了近7倍[1]。按照目前氮素利用率 30%～40%计算，为满足人口增长对粮食的需求，到2025年至少需要施用20×106t氮肥[2]。谷子作为北方地区的主要粮食作物[3]，其生长发育过程、品质及产量一直是研究的重点。氮肥是谷子生长中必不可少的营养元素之一，过量施用不仅导致生产成本增加和品质下降，而且造成的环境污染不利于农业可持续发展[4-5]。基于此，国内外越来越重视研究氮素对作物生长发育影响的生理生化机制和遗传基础，从根本上提高作物对氮素的利用率和转化率。

不同基因型谷子品种间氮素利用效率和产量存在显著差异[6]，而谷子品质性状较为复杂，受遗传基因和环境因素双重影响。关于氮素对谷子产量和品质的影响，已有较多研究报道，杨延兵等[7]研究结果表明，抽穗后不同浓度尿素处理间谷子株高、茎粗、单株干重均无显著差异；段宏凯等[8]发现株高在幼穗分化期呈现“快—慢—快—慢”的生长特点，且追施氮肥能够显著延缓后期叶片干物质的下降；关瑞等[9]研究发现控释氮肥一次性基施时成熟期谷子籽粒和秸秆氮、磷、钾含量均显著高于基施和追施尿素处理；代小冬等[10]研究表明氮肥为碳酸氢铵和缓释硫酸铵且只作基肥施入时，谷子叶面积、穗粗、单穗质量和产量表现最优；陈二影等[11-14]研究发现作物的不同品种对氮肥的响应存在一定差异，在缺氮条件下，小麦、水稻、谷子不同品种间产量和氮素利用效率均表现显著差异，在氮充足的情况下，产量与氮肥利用效率又呈现出不同的规律。陈国秋等[15]在研究氮肥对‘燕谷16号’的影响时发现，随着氮肥用量的増加，产量和经济效益呈抛物线趋势变化；邢静熠等[16]研究表明穗分化时期施氮肥谷子穗数、穗粒数、千粒重和产量均显著提高，且影响小米甜味、鲜味的芳香类氨基酸含量显著提升；袁蕊等[17]通过对黄化突变体谷子叶面喷施氮肥处理，结果显示喷施氮后黄化叶片的总叶绿素含量增加，光合作用增强，茎秆直径、千粒重及小米类胡萝卜素含量均显著增加；张喜文等[18]研究表明随着施氮量增加，谷子蛋白质、直链淀粉及胶稠度显著增加，而粗脂肪、总淀粉则呈降低趋势。曾蓉等[19]研究发现，拔节期和孕穗期追氮对谷子籽粒粗蛋白含量及总淀粉含量的影响存在着极显著的交互作用，拔节期追氮量较低时，总淀粉含量随孕穗期追氮量的增加而呈上升趋势，当拔节期追氮量处于高水平时，增加孕穗期追氮量反而会减少总淀粉含量的积累。罗世武等[20]发现在谷子生长的不同时期追施氮肥能显著促进谷子植株的生长、器官养分的増加和产量的提高。目前，不同施氮时期对谷子产量和品质影响的研究鲜见报道。本研究选用5个不同基因型的谷子品种，设置4个施氮(尿素)时期，测定谷子的产量和品质性状及氮素利用效率等指标，旨在明确施氮时期对不同谷子品种产量、品质和氮素利用效率的影响，以期为实现谷子的优质高产提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

所选用品种为‘豫谷18’、‘豫谷28’、‘中谷5号’、‘冀谷31’、‘济谷20’(表1)。供试氮肥为尿素(含N 4.6 g/100 g)。

表1 供试谷子品种Table 1 Millet cultivars used in this study

1.2 试验设计

试验在河南省新乡市河南现代农业研究开发基地潮土试验站(34.55° N 113.36° E)进行，该试验站为全自动自走式平移灌溉系统，四周均设有排涝蓄水渠。试验地耕作制度为冬小麦-夏谷子一年两熟轮作。试验于2020年6月10日播种，9月16日收获；2021年6月13日播种，9月15日收获。新乡潮土试验站是基于2012年开始的氮肥水平长期定位试验，试验点土壤养分状况为：有机质15.9 g/kg、硝态氮18.2 mg/kg、铵态氮7.51 mg/kg、速效磷29.5 mg/kg、速效钾185.0 mg/kg。试验设4个处理，分别是T0(不施氮)为对照、T1(播种期施氮)、T2(拔节期施氮)、T3(开花期施氮)，施肥量是375 kg/hm2(供试氮肥为尿素，有效氮为175 kg/hm2)，每个处理3次重复，供试品种小区面积16 m2(宽3.2 m，长5.0 m)。试验采用随机区组试验设计，等行种植，播种密度为60万株/hm2。播种期氮肥为整地翻耕时施入土壤，拔节期和开花期氮肥分别以追肥形式施入，病虫草害按高产栽培田严格管理，2年试验期间均无严重病虫害爆发。其他田间管理同正常谷子生产，于抽穗期在田间布置防鸟网，成熟期收获单株和籽粒。

1.3 测定指标及方法

1.3.1谷子产量和构成因子

各基因型谷子品种成熟后，从每行的第3株连续取样，共取30株进行考种，并测定各处理品种产量及产量性状，包括株高、生物量、单穗重、千粒重。

1.3.2谷子食味和营养品质

根据中华人民共和国农业农村部发布实施的标准《GB 2905—82谷类、豆类作物种子粗蛋白质测定法》[21]测定蛋白质含量，脂肪含量参照王力立(2011)方法[22]进行。灰分含量测定参照国家标准《GB/T 22510谷物、豆类及副产品灰分含量的测定》[23]，碳水化合物含量参照国际标准(ASTM E1758)[24]采用液相色谱法进行测定，丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量分别参照《NY/T 56谷物籽粒氨基酸测定处理方法》[25]进行测定，直链淀粉含量利用流动分析仪(瑞典FOSS公司)进行测定。

1.3.3小米淀粉黏质性

采用RVA测定仪(澳大利亚Newport Scientific公司)检测RVA谱特征值，每个基因型品种取小米粉样品(80目)3.0 g，加入ddH2O 25.0 mL，50 ℃ 1.5 min，15 ℃/min升温至93 ℃，保持2.5 min，15 ℃/min降温至50 ℃，保持 1.5 min。160 r/min旋转搅拌至糊状。

1.3.4氮素利用率

参照 Moll 等[26]方法计算氮素利用效率，(施氮区谷子产量-不施氮区谷子产量)/施氮量。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0 进行数据处理和统计分析。利用邓肯式新复极差法(DM-RT)进行数据差异显著分析，差异显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 施氮时期对谷子产量及其构成因素的影响

由表2可知，随施氮时期的延迟，5个不同基因型谷子品种籽粒产量呈显著增加趋势。施氮时期由播种期延迟到拔节期和开花期，‘豫谷18’的籽粒产量增幅最小，T1、T2和T3分别较对照(T0)增加15.2%、18.2%和24.4%；‘济谷20’、‘中谷5号’和‘冀谷31’的增幅居中；‘豫谷28’的增幅最大，T1、T2和T3分别较对照(T0)增加23.1%、24.9%和29.9%。

表2 不同施氮时期处理谷子籽粒的产量及产量构成因素的变化Table 2 Grain yield and yield components changes of millet under different nitrogen fertilizer application stages

各基因型品种产量构成因素基本表现为随施氮时期的延迟而增加。‘豫谷28’的单穗重和千粒重在T1、T2、T3处理下分别较T0增加12.2%和5.6%、16.7%和8.3%、30.8%和9.5%；‘冀谷31’的单穗重和千粒重在3个施氮时期处理下较T0的增幅最小。结果表明，不同施氮时期对谷子的产量和产量构成因素均有显著影响，不同基因型谷子之间差异显著。

2.2 施氮时期对谷子营养品质的影响

由表3可知，氮肥对谷子蛋白质、直链淀粉、灰分和碳水化合物的影响较大，对脂肪和膳食纤维的影响相对较小。与T0相比，不同施氮时期均能够增加各品种的蛋白质、直链淀粉、灰分、碳水化合物含量，脂肪和纤维含量变化趋势一致，随施氮时期的延迟先升高后降低，在T2处理下最大，T0处理下最小。5个基因型品种中，4个施氮时期处理下，‘中谷5号’蛋白质平均含量最低，为 9.9 g/100 g，‘豫谷28’最高，为12.6 g/100 g，‘豫谷18’为 12.3 g/100 g，‘济谷20’和‘冀谷31’两者相同，均为 10.6 g/100 g。

表3 不同施氮时期处理谷子的营养品质指标Table 3 Nutritional quality index of millet under different nitrogen fertilizer application stages g/100 g

2.3 施氮时期对谷子食味品质的影响

由表4可知，随施氮时期的延迟，谷子脱壳后的小米中丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量呈递增趋势。与T0相比，T3处理下各谷子品种食味氨基酸变化幅度显著高于T1和T2处理。其中‘豫谷28’丙氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸含量在不同施氮时期处理下均为最高。

表4 不同施氮时期谷子食味氨基酸含量Table 4 Edible amino acids content of millet under different nitrogen fertilizer application stages g/100 g

2.4 施氮时期对谷子品种淀粉RVA特征值的影响

由表5可知，各基因型品种T0处理的峰值黏度均显著高于T1、T2和T3处理，而消减值则显著低于其他3个处理。随施氮时期延迟，热浆黏度和糊化温度均逐渐递减，其中‘冀谷31’糊化温度随施氮时期的延迟变化幅度较小，‘济谷20’和‘中谷5号’变化幅度较大，‘豫谷28’和‘豫谷18’变化幅度居中。

表5 不同施氮时期处理下谷子品种的RVA谱特征值Table 5 RVA characteristic values of millet cultivars under different nitrogen fertilizer application stage

表5(续)

2.5 施氮时期对谷子品种氮肥利用率的影响

由图1 可知，5个基因型品种的氮素利用效率随施氮时期的推迟呈“先升高后降低”的趋势。拔节期施氮(T2)各品种氮素利用率最高，‘济谷20’、‘中谷5号’、‘冀谷31’、‘豫谷18’、和‘豫谷28’分别为65.8、79.6、51.2、115.6和164.7 g/g，开花期施氮(T3)各品种氮素利用率最低，分别为22.9、39.4、20.6、54.8和76.8 g/g。T1、T2和T33个施氮时期处理下，‘豫谷28’氮素利用率在5个品种中最高，‘冀谷31’氮素利用率为最低。

图1 不同施氮时期处理谷子品种的氮素利用率Fig.1 Nitrogen use efficiency of millet cultivars under different nitrogen application stages

2.6 施氮时期谷子产量与品质性状相关性分析

由表6可知，播种期施氮(T1)，5个基因型谷子品种‘济谷20’、‘中谷5号’、‘冀谷31’、‘豫谷18’、‘豫谷28’的蛋白质、脂肪、直链淀粉含量与千粒重均呈显著正相关；拔节期施氮(T2)，5个基因型品种谷子的蛋白质、脂肪、直链淀粉含量与生物量、单穗重及千粒重均互呈显著正相关，丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸与单穗重和千粒重均互呈显著正相关(表7)；开花期施氮(T3)，各基因型品种蛋白质含量与单穗重和千粒重均呈显著正相关(表8)。综上，播种期施氮(T1)、拔节期施氮(T2)、开花期施氮(T3)均能够促进谷子产量的增加，且与谷子品质性状呈显著或极显著正相关。拔节期施氮(T2)，谷子的生物量、单穗重及千粒重与营养和食味品质之间的相关系数显著高于播种期(T1)与开花期(T3)施氮处理。

表6 播种期施氮(T1)谷子产量与品质的相关系数Table 6 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at sowing stage (T1)

表7 拔节期施氮(T2)谷子产量与品质的相关系数Table 7 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at shooting stage (T2)

表8 开花期施氮(T3)谷子产量与品质的相关系数Table 8 Correlation coefficients of millet yield and grain quality under nitrogen fertilizer application at flowering stage (T3)

3 讨 论

3.1 施氮时期对谷子产量的影响

在谷子生产中，氮肥施用是实现谷子高产的关键措施之一，对谷子产量的增加发挥了重要的作用[27]。产量高低是单位面积有效穗数、单穗重和千粒重三因素相互协调的结果[28]。通过优化谷子的施氮方式，可使其生长发育过程中充分利用氮素，提高谷子营养物质和生物量的合成速率，进而提高产量[ 29]。本研究结果表明，单穗重和千粒重决定了籽粒产量，无论在播种期施氮(T1)、拔节期施氮(T2)和开花期施氮(T3)，5个基因型谷子品种的单穗重、千粒重和籽粒产量均显著增加，其中开花期施氮产量增幅最高，5个基因型品种中‘豫谷28’在各施氮时期产量性状表现最为突出，表明不同基因型品种氮素吸收利用率和转运能力差异显著，这与段宏凯等[8]研究结果一致，不同追施氮肥时期均会对谷子生物量及产量产生显著影响。

3.2 施氮时期对谷子品质性状的影响

谷子品质性状受基因型和外界环境的双重影响，氮肥对小米品质的影响主要表现在食味和营养品质[4,8]。邢静熠等[16]研究结果表明在幼穗分化的不同时期进行施氮处理，各基因型谷子品种蛋白质含量差异显著。金正勋等[30]通过研究氮肥对稻米蒸煮和食味品质特性的影响，表明随着施氮时期延迟和施氮量的增加稻米脂肪含量逐渐降低，碳水化合物和膳食纤维随施氮时期的前移而提高。张诚信等[31]研究表明不同生育期氮素水平对稻米蛋白质含量的影响程度由高到低依次为:抽穗期>孕穗期>枝梗分化期>分蘖期，其中抽穗期追施氮肥对稻米籽粒蛋白的影响最大，且氨基酸含量显著增加。本研究中5个基因型品种蛋白质、灰分、碳水化合物、丙氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸含量随施氮时期的延迟逐渐递增，脂肪和膳食纤维含量随施氮时期的延迟呈先升高后降低的趋势。综上，施氮时期越迟对谷子品质影响程度越高，且不同谷子品种间品质性状受氮素影响差异较大，氮利用率较高的品种小米的食味值变化更为显著。因此，在谷子栽培过程中可以通过合理调节施肥时期来影响谷子品质的变化情况，以利于谷子获得较好的品质性状。

3.3 施氮时期对谷子淀粉RVA谱特征值的影响

水稻的淀粉RVA谱特征值与食味品质存在高度的相关性，且稻米黏滞性的特征值对氮素的响应不一致，通常情况下，消减值、糊化温度和回复值与施氮量呈正比，起始糊化温度、最高黏度及崩解值与施氮量呈反比[32-33]；石吕等[34]研究发现随着追施氮肥时间的后移，稻米中胶稠度显著变短，淀粉糊化特征值中最高黏度、热浆黏度、糊化温度下降，而回复值、消减值呈上升趋势，食味值显著下降。本研究结果显示，随施氮时期的延迟，直链淀粉含量和消减值依次递增，峰值黏度、热浆黏度和糊化温度逐渐递减。拔节期施氮(T2)谷子品种RVA特征值变化幅度显著高于播种(T1)和开花期施氮(T3)，表明小米蒸煮食味品质及淀粉RVA值与氮肥施用时期显著相关，且在不同基因型品种中表现程度不同。

3.4 施氮时期对谷子氮素利用率的影响

关瑞等[9]研究表明，播种期一次性基施氮肥可显著提高谷子产量和氮素利用率；王君杰等[35]通过研究施氮时期对糜子产量和氮素利用率的影响，结果表明拔节期、开花期施氮，可以有效地提高糜子产量和氮素利用率。本研究中播种期(T1)、拔节期(T2)和开花期(T3)施氮均显著提高谷子氮素利用率，其中拔节期施氮各品种氮素利用率最高，不同基因型品种的氮素利用率差异显著。这与杨明晓等[36]研究结果一致，生育后期追氮可以促进小麦籽粒对氮素的吸收，其中拔节-孕穗期追氮处理下吸收效果最好。

4 结 论

谷子籽粒产量及产量构成因子、营养和食味品质及氮素利用效率与谷子品种基因型和施氮时期均密切相关。产量与品质性状相关性分析表明，拔节期施氮(T2)，谷子的生物量、单穗重及千粒重与营养和食味品质的相关系数均显著高于播种期(T1)与开花期(T3)施氮处理。因此，谷子在拔节期(T2)和开花期(T3)施氮可以兼顾高产和优质，而且拔节期施氮(T2)是品质、产量和氮素利用率兼顾的最佳施氮时期。