拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦产量和品质的影响

吴金芝,李淑靖,李国强,黄 明,付国占,李友军,蒋 向,冯 晔

(1.河南科技大学 农学院,河南 洛阳 471023;2.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所,河南 郑州 450002;3.河南省农业技术推广总站,河南 郑州 450002)

小麦作为我国居民的主要口粮之一,其产量和品质表现直接影响粮食安全和人们膳食结构。旱地小麦占我国小麦总播种面积的1/3,面积高达6×106hm2[1]。然而,在广大旱地小麦产区,普遍存在水资源缺乏且与麦季错位、水分匮乏致使追肥困难、栽培管理相对粗放等问题,致使小麦产量低而不稳、品质稳定性较差[2]。因此,探索提高旱地小麦产量和品质的技术措施具有重要意义。

水分不足是影响小麦产量品质形成的最主要因素[3]。前人研究表明,水分的盈亏会影响小麦产量和品质[4-5],且这一过程与氮素积累转运关系密切[6-7]。近年来, 中国和河南省都正在大规模推进高标准农田建设,已有相当部分旱地麦田可以在麦季进行适量但不充足的灌溉,这给旱地小麦高产优质生产带来了机遇,但与之配套的灌溉施肥理论和技术研究尚缺乏应有的关注。隔沟灌溉是一种有效的节水灌溉技术[8],它通过顺序间隔一定的灌水沟供水,不仅方便灌溉水的流动、提高灌溉效率,而且利于在额定灌水量的情况下增加灌溉水和氮肥的下渗深度[9],从而调控土壤水分和作物氮素吸收[10],进而影响叶片生理和光合特性[11],最终影响作物产量和品质。近年来,随着施肥、播种一体化机械的发展[12],小麦沟播技术得到了广泛应用[13-15],该技术一次性完成开沟、起垄、播种、镇压作业,可达到简化操作、高效用水、增产增收的目的[14-15],其形成的垄沟微地形,为应用隔沟灌溉技术提供了机会。追施氮肥是促进小麦氮素积累,提高产量、品质的主要途径[16-19]。拔节期追施氮肥可促进营养器官氮素向籽粒中转运[17],提高小麦籽粒蛋白质含量,进而改善小麦加工品质[19]。亦有研究表明,灌溉方式和追施氮肥在提高小麦产量和品质方面具有明显的互作效应[21-22]。然而,目前有关隔沟灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦产量、品质的影响效应尚鲜见报道。因此,本研究在小麦沟播的基础上,于拔节期设置不灌溉不追氮肥、全沟灌溉不追氮肥、隔沟灌溉不追氮肥、全沟灌溉追施氮肥、隔沟灌溉追施氮肥5个处理,研究拔节期灌溉与否、灌溉方式和追施氮肥对旱地沟播小麦产量及其构成因素、主要品质性状和地上部氮素积累、再转运、分配的影响,为优化旱地小麦栽培技术提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省洛阳市孟津区小浪底镇南达宿村(112.35°E,34.82°N),属于半湿润易旱地,土壤类型为褐土,年均降水量600 mm,60%左右集中于7—9月。试验开始前,0～20 cm土层土壤基本肥力:有机质11.3 g/kg、全氮0.94 g/kg、碱解氮87.1 mg/kg、有效磷10.6 mg/kg、速效钾128.3 mg/kg。试验年度的降水量以及月平均最高、最低温度如图1,小麦生育期降水量为263.1 mm,属于生育期降雨较多的年份。

图1 2019—2020年度小麦生长季月降水量以及月平均最高、最低气温Fig.1 Monthly precipitation,max temperature and min temperature during wheat growing season in 2019—2020

1.2 试验设计与田间管理

试验于2019年10月—2020年6月进行,在小麦沟播种植的基础上,于拔节期设置不灌溉不追氮肥、全沟灌溉不追氮肥、隔沟灌溉不追氮肥、全沟灌溉追施氮肥、隔沟灌溉追施氮肥5个处理,分别用NIND、EFIND、AFIND、EFITD、AFITD表示。不同处理的灌溉量和施肥量见表1。NI表示不灌溉;EFI是在所有播种沟都进行灌溉;AFI是在50%的播种沟(隔1沟灌1沟)进行灌溉;ND表示不追氮肥,TD是在拔节期灌溉前追施氮肥60 kg/hm2。小区面积20 m×6.1 m= 122 m2,3 次重复,随机区组排列。于2020年3月22日,第2节抽出1 cm时进行灌溉,用机械水表读数控制,精确到 0.01 m3,出水阀门工作压力0.10～0.12 MPa,出水量为330～340 m3/(hm2·h)。采用2BMQF-6/12A免耕施肥播种机(洛阳市鑫乐机械设备有限公司),一次性完成开沟、起垄、施肥、播种、镇压,垄宽20 cm,高10 cm,沟宽14 cm,小麦条播于沟内,平均行距17 cm[15],基施肥料位于2行种子中间,深度10 cm。基肥为当地习惯的N∶P2O5∶K2O=23∶10∶6的复合肥,追施氮肥为尿素(N 46%),基肥和追肥量均参照当地大户习惯用量,基施复合肥750 kg/hm2,追施氮肥60 kg/hm2。小麦品种为周麦36,播量为187.5 kg/hm2,于2019年10月13日播种,2020年6月2日收获。其他管理按照当地丰产田进行。

表1 不同处理的灌溉量和施肥量Tab.1 The irrigation amount and fertilizer rate in different treatments

1.3 小麦植株氮素积累转运分配特性的测定

参照黄明等[2]描述的方法进行,于小麦开花期和成熟期,在每个小区取4行具有代表性且长度为50 cm的植株样品,统计茎蘖数后剪去根系,留取地上部,并将开花期样品分成茎叶鞘和穗2个部分,成熟期样品分成茎叶鞘、穗轴+颖壳和籽粒3个部分。样品杀青(105 ℃)30 min后80 ℃烘至恒质量,测定干质量后将样品粉碎。样品含氮量采用H2SO4-H2O2方法消解,凯氏定氮法测定。氮素积累转运分配有关计算公式[2,19]如下:

各器官氮素积累量(kg/hm2)=各器官样品氮素含量× 各器官干物质质量;

某一时期地上部氮素积累总量(kg/hm2)=该时期各器官氮素积累量之和;

花前氮素转运量(kg/hm2)=开花期氮素积累总量-成熟期营养器官氮素积累总量;

花前氮素转运率=花前氮素转运量/开花期氮素积累总量×100%;

花前氮素转运对籽粒氮素的贡献率=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%;

花后氮素积累量(kg/hm2)=成熟期氮素积累总量-开花期氮素积累总量;

花后氮素积累对籽粒氮素的贡献率=花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100%;

各器官氮素分配比例=各器官氮素积累量/成熟期氮素积累总量×100%。

1.4 小麦籽粒产量的测定

小麦成熟期,在各个小区随机收割4个2 m×1.02 m的样方,风干后脱粒并称质量,取籽粒(50±5)g,65 ℃烘至恒质量,测定籽粒含水量,籽粒产量以12.5%的含水量折算公顷产量(kg/hm2)。同时,各小区随机取100株小麦测定穗粒数和千粒质量。

1.5 小麦籽粒品质的测定

蛋白质含量(mg/g)为籽粒全氮含量乘以5.7。

小麦籽粒后熟2个月,采用Perten LM3100型磨粉机进行磨粉并测定出粉率;采用近红外谷物分析仪(Foss Infratec TM 1241型)测量小麦湿面筋含量、沉降值、面团形成时间和吸水率。

1.6 统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据录入和绘图,采用SPSS 22软件进行数据处理,用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦籽粒产量及其构成因素的影响

由表2可以看出,不同处理对旱地沟播小麦籽粒产量的影响主要来自穗粒数和千粒质量的变化,其次是穗数。与NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD和AFITD的穗数分别显著提高9.48%,12.99%,12.50%,13.00%,但4个灌溉处理中仅AFITD较EFIND显著提高3.21%。不同处理之间的穗粒数、千粒质量和产量差异均达显著水平,与NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的穗粒数分别显著提高22.77%,28.87%,38.02%,42.03%,千粒质量分别显著提高8.60%,14.59%,17.58%,21.25%,产量分别显著提高46.57%,67.72%,83.71%,95.88%,增幅因全沟灌溉变隔沟灌溉、不追氮肥到追施氮肥而增加。可见,拔节期灌溉和追施氮肥均可提高旱地沟播小麦的穗数、穗粒数、千粒质量和产量,且以隔沟灌溉结合追施氮肥的AFITD处理效果最好。

表2 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦籽粒产量及构成因素的影响Tab.2 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on grain yield and its components of furrow-seeding wheat in dryland

2.2 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦品质的影响

由表3可以看出,籽粒出粉率表现为EFIND>AFIND>AFITD>NIND>EFITD,但不同处理间差异不显著。与NIND相比,AFIND和EFIND的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面团形成时间和吸水率均降低;EFITD的籽粒蛋白质含量、沉降值、面团形成时间显著降低4.26%,7.34%,5.26%;AFITD的籽粒蛋白质含量和沉降值无显著差异,但湿面筋含量、面团形成时间分别显著提高5.93%,7.54%。隔沟灌溉与全沟灌溉相比,不追氮肥下各品质指标除沉降值显著降低外均无显著变化,追施氮肥下籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面团形成时间分别显著提高3.11%,3.49%,11.65%,13.52%。追施氮肥与不追氮肥相比,全沟灌溉下籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间分别显著提高4.25%,10.08%,6.30%,沉降值和吸水率的增幅不显著;隔沟灌溉下籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面团形成时间、吸水率分别显著提高9.00%,12.22%,21.51%,26.92%,7.30%。综上,在不追氮肥条件下拔节期灌溉会使小麦品质变劣,而灌溉和追施氮肥结合可以改善品质,其对湿面筋含量、面团形成时间的调控效应突出,且以隔沟灌溉的效果优于全沟灌溉、追施氮肥的效果优于灌溉方式的改变。

表3 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦籽粒品质的影响Tab.3 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on grain quality of furrow-seeding wheat in dryland

2.3 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦开花期和成熟期氮素积累量的影响

由图2可以看出,在小麦开花期, EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的氮素积累量与NIND相比分别显著提高16.66%,12.61%,35.28%,34.96%,其中EFIND与AFIND之间无显著差异,但均显著低于EFITD和AFITD,后二者间亦无显著差异,表明同一施氮条件下不同灌溉方式间开花期的氮素积累量并无显著差异。在小麦成熟期,不同处理间的氮素积累量均达到差异显著水平。与NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的氮素积累量分别提高25.94%,41.00%,65.86%,82.64%。隔沟灌溉与全沟灌溉相比,成熟期氮素积累量平均提高10.07%。追施氮肥与不追氮肥处理相比,成熟期氮素积累量平均提高28.79%。可见,拔节期灌溉和追施氮肥均可显著提高小麦氮素积累量,且灌溉和追施氮肥的效应大于灌溉方式的改变。

不同小写字母表示同一时期不同处理间的差异达到显著水平(P<0.05)。Different small letters within a stage indicate significant difference at 0.05 level among treatments.

2.4 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦开花后氮素积累转运特性的影响

拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦开花后的氮素积累转运特性均具有显著的调控作用(表4)。与NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的花前氮素转运量分别提高15.94%,4.63%,30.16%,25.53%,除AFIND增幅不显著外均达到显著水平;花前氮素转运率分别降低0.35,4.41,2.36,4.34百分点,隔沟灌溉下降幅均达显著水平;花前氮素转运对籽粒的贡献率均显著降低,降幅分别为9.77,26.62,23.87,33.13百分点。与NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的花后氮素积累量分别显著提高1.51,4.26,4.80,7.29倍,花后氮素积累对籽粒的贡献率分别提高9.77,26.62,23.87,33.13百分点。隔沟灌溉较全沟灌溉,不追氮肥条件下,花前氮素转运量、转运率、花前氮素转运对籽粒贡献率均显著降低,花后氮素积累量、花后氮素积累对籽粒的贡献率分别显著提高108.92%和16.85百分点;追施氮肥条件下,花前氮素转运对籽粒的贡献率显著降低但转运量和转运率无显著变化,花后氮素积累量、花后氮素积累对籽粒的贡献率分别显著提高42.81%和9.26百分点。追施氮肥与不追氮肥相比,花前氮素转运率在全沟灌溉和隔沟灌溉处理下均无显著变化,但花前氮素转运量、花后氮素积累量、花后氮素积累对籽粒氮素的贡献率分别显著增加12.28%和19.99%,130.67%和57.68%,14.10,6.51百分点,除转运量外追施氮肥的效应均表现为全沟灌溉大于隔沟灌溉。

表4 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦开花后氮素积累转运特性的影响Tab.4 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on the characteristics of nitrogen accumulation and translocation after anthesis of furrow-seeding wheat in dryland

2.5 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦成熟期氮素分配特性的影响

拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦成熟期氮素分配特性也具有显著的调控作用(表5)。小麦茎叶、颖壳和籽粒中的分配量均表现为NIND

表5 拔节期灌溉和追施氮肥对旱地沟播小麦成熟期氮素分配的影响Tab.5 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on the nitrogen distribution at maturity of furrow-seeding wheat in dryland

3 结论与讨论

小麦产量由单位面积穗数、穗粒数以及千粒质量组成,相互协调才能实现高产。前人研究表明,适量灌溉[6]、灌溉方式优化[10]和追施氮肥[16-17]都可以在一定程度上调控产量三因素,进而提高产量。本试验条件下,拔节期灌溉与否、灌溉方式、追施氮肥与否以及灌溉方式与追施氮肥互作均可显著影响旱地小麦籽粒产量,但其影响机制不同。与NIND相比,4个灌溉处理都可以显著提高小麦穗数、穗粒数、千粒质量,从而使产量显著提高46.57%～95.88%,隔沟灌溉、追施氮肥增产主要是通过显著协同提高穗粒数和千粒质量实现。进一步分析发现,追施氮肥的产量增幅在隔沟灌溉下比全沟灌溉小,隔沟灌溉的增幅在追施氮肥下比不追氮肥小,说明不同农艺措施在提高旱地小麦产量上的综合效应小于单一措施效应的叠加,张素瑜等[23]也得到了类似的结论。综上,拔节期灌溉和追施氮肥都可以优化旱地沟播小麦的产量构成因素,从而提高产量,且以隔沟灌溉配合追施氮肥的效果最优。

随着人们膳食需求的提高和面食加工行业的不断发展,对专用型小麦的需求日益增加,因而提高品质已成为当前小麦生产的又一目标。生长环境的变化不仅会影响小麦籽粒蛋白质含量,而且会影响蛋白质构成,进而影响小麦品质[24]。本研究表明,与NIND相比,EFIND和AFIND的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面团形成时间和吸水率均降低,且AFIND较EFIND还显著降低了沉降值,说明拔节期灌溉对旱地沟播小麦品质有不利影响,其原因主要是产量显著增加引起的稀释效应使籽粒蛋白质含量降低[25]。因此,在拔节期灌水的同时应采取相应措施协同提高产量和品质,其中追施氮肥是有效途径[18,20-21]。本研究表明,在拔节期灌溉的同时追施氮肥较不追氮肥,可显著提高籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和面团形成时间,且AFITD较AFIND还可显著提高沉降值和吸水率。综合来看,AFITD的品质特征不仅可以恢复到不灌溉水平,而且籽粒湿面筋含量和面团形成时间还较不灌溉显著提高,实现产量品质协同提升。

良好的氮素积累转运分配特征是实现小麦高产优质的基础,但其调控机理尚无定论。有研究表明,高的花前氮素向籽粒转运量降低花后营养器官光合能力,导致干物质生产减少,可以提高小麦籽粒蛋白质含量及其相关品质性状[25-26]。也有学者认为,高的花后氮素积累量会增加花后光合物质生产能力,促进籽粒中淀粉合成而 “稀释”氮素,加剧了碳氮代谢竞争,最终降低了籽粒蛋白质含量[27]。亦有研究发现,增加花后氮素积累量和花前氮素转运量可实现籽粒产量和蛋白质含量协同提升[2,28]。本研究表明,灌溉与否、灌溉方式和追施氮肥对旱地沟播小麦氮素积累转运分配的影响机理不同。灌溉较不灌溉可显著提高开花期氮素积累量、花后氮素积累量以及花后氮素积累对籽粒氮素的贡献率,但在不追氮肥的条件下由于产量的增幅高于籽粒氮素积累量的增幅,品质变劣。追施氮肥较不追氮肥不仅可显著提高开花期氮素积累量、花前氮素转运量、花后氮素积累量,为籽粒氮素积累和品质形成提供良好的氮素供应,而且可稳定花前氮素转运率,这会在一定程度上延缓花后光合能力的衰减,维持较强的干物质生产能力,从而为产量提高提供保障,最终实现籽粒产量和品质的协同提升。隔沟灌溉较全沟灌溉虽然花后氮素积累能力更强,但会在一定程度上抑制花前氮素向籽粒转运,在不追氮肥的条件下氮素积累量的增幅与产量增幅相当,籽粒品质并未改善;在追施氮肥的条件下既能显著提高花后氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率,又能提高籽粒氮素分配比例,表现出隔沟灌溉和追施氮肥结合的效应叠加,从而在显著提高产量的同时维持甚至显著改善籽粒品质,最终实现旱地沟播小麦高产优质协同。

本研究仅在黄土高原南部以拔节期灌水75 mm且追施氮肥60 kg/hm2进行了单年单点试验,还需拓展性研究以明确不同的生态区域、降雨年型、土壤肥力下的适宜灌溉、追施氮肥时间及用量,以进一步完善有限灌溉条件下旱地沟播小麦的灌溉施肥理论和技术。

综上,拔节期灌溉与否、灌溉方式和追施氮肥均可显著影响旱地沟播小麦产量、品质和氮素积累转运特征。拔节期灌溉与不灌溉相比,产量和氮素积累量提高但品质变劣。隔沟灌溉较全沟灌溉具有提高花后氮素积累量的作用,在不追氮肥的条件下产量增加品质无显著改善。拔节期追施氮肥显著提高花前氮素积累量和转运量、花后氮素积累量及对籽粒氮素的贡献率,从而在提高产量的同时改善小麦籽粒品质。从综合效应看,拔节期隔沟灌溉75 mm并追施氮肥60 kg/hm2,既能提高旱地沟播小麦产量,又能改善氮素积累转运分配特性和籽粒品质,实现了高产优质协同,适宜在高标准农田建设使灌溉条件改善的旱地麦区推广应用。