施氮量对强筋小麦产量、氮素利用率和品质的影响

张 秀，朱文美，代兴龙，初金鹏，钤太峰，贺明荣

(作物生物学国家重点实验室/农业部作物生理生态与耕作重点实验室/山东小麦玉米周年高产高效生产协同创新中心/山东农业大学农学院，山东泰安 271018)

氮素是影响冬小麦生长发育的重要营养元素，对作物籽粒产量和品质的形成有重要作用[1-4]。小麦籽粒蛋白的含量和组成直接影响小麦的面包品质[5-7]，其中麦谷蛋白含量是影响小麦品质的关键因子。在与品质相关的各项指标中，不溶性谷蛋白含量及其不溶性谷蛋白占总谷蛋白的比例是调控小麦面团流变学特性和面包品质的重要指标[8]。Graybosch等[9]研究认为，麦谷蛋白和醇溶蛋白的比例(谷醇比)与品质呈正相关关系。有研究表明，过量施氮条件下，冬小麦产量、品质和氮素利用率均显著降低[10-12]，但关于过量施氮导致小麦品质下降的机理研究相对较少。如何优化氮肥施用量，协同提高产量、氮素利用率和籽粒品质是当前强筋小麦生产中亟待解决的问题。因此，本研究以强筋小麦品种济麦20和洲元9369为材料，设置3个氮肥水平，研究不同氮肥水平下小麦产量、氮素利用率和品质及其相关指标间的关系，以期明确过量施氮对冬小麦产量、氮素利用率、品质的影响及其影响机制，为今后强筋小麦的氮肥科学施用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计与材料

试验于2015-2017年在山东农业大学农学试验站(36°09′42.4″N，117°09′43.1″E)进行。以强筋小麦品种济麦20(中穗型)和洲元9369(大穗型)为材料，分别用JM20和ZY9369表示；设置180、240和300 kg·hm-23个施氮量，分别用N180、N240和N300表示。共6个处理。采用裂区设计，以施氮量为主区，品种为副区，3次重复，小区面积21 m2。采用宽幅精播播种方式，洲元9369和济麦20的种植密度分别为375和225万株·hm-2，行距为25 cm。所用氮、磷、钾肥分别为尿素(含氮46%)、过磷酸钙(含P2O510%)和氯化钾(含K2O 60%)。各小区纯磷、纯钾肥施用量均为120 kg·hm-2，作为基肥施用。氮肥基追比为4∶6，拔节期追肥。试验前0～20 cm土壤有机质和全氮分别为12.07和1.37 g·kg-1，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为84.17、27.77和86.42 mg·kg-1。前茬作物为玉米，全田施氮量一致。2015年播前N180、N240和N300三个处理0～1 m土壤无机态氮(硝态氮和铵态氮)积累量为107.63 kg·hm-2，2016年播前N180、N240和N300三个处理土壤0～1 m无机态氮(硝态氮和铵态氮)积累量分别为 166.61、174.99和192.56 kg·hm-2。其他田间管理与高产小麦田间管理规程相同。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤无机态氮含量测定

播前以20 cm为1层，分5层取0～1 m土样，置于自封袋，-20 ℃保存。测定时将土壤样品解冻、混匀，称12 g，加入50 mL 1 mol·L-1的KCl溶液浸提，振荡30 min 后过滤，制成浸提液。采用德国Bran Luebbe公司生产的AA3型连续流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量，计算土壤供氮量。

1.2.2 产量测定

成熟期，在小区内选择长势均匀的区域，取3 m2进行人工收割、脱粒，自然风干后称重并用谷物水分测定仪测定籽粒含水量，调整含水量至13%的籽粒产量。

1.2.3 植株氮积累量测定

成熟期，在小区内选择长势均匀区域，随机取30个单茎，分为茎、叶、籽粒、颖壳+穗轴4个器官，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干后称重；植株样品用微型植物粉碎机粉碎，过100目筛，采用凯氏定氮法测定各器官含氮量，计算地上部氮素积累量。

1.2.4 小麦品质测定

全麦粉用瑞士Perten公司生产的3100型试验磨磨制，面粉用德国 Brabende公司生产的BUHLER试验磨磨制，细度均为100目。面粉湿面筋含量用瑞典Perten公司产2200型面筋洗涤仪，按照GB/T14608-93测定；面团流变学特性用德国公司Brabender产810106002型粉质仪，按照GB/T14614-2006测定。面包烘烤试验按AACC10-01方法进行，应用菜籽置换法(NationalG公司生产面包体积测定仪)测定面包体积 。

1.2.5 小麦蛋白组分测定

按GB2905-1982“谷类、豆类作物种子粗蛋白质测定法(半微量凯氏法)”测定小麦籽粒氮素含量，计算籽粒蛋白质含量。参照Gupta等[13]的方法，运用高效液相色谱法测定小麦籽粒中清蛋白+球蛋白、醇溶蛋白、SDS-可溶性谷蛋白和SDS-不可溶性谷蛋白含量。

1.2.6 计算公式

供氮量=施氮量+播前0～1 m土壤硝态氮和铵态氮积累量

氮素利用率=籽粒产量/供氮量

小区产量=实测产量×(1-籽粒含水量)/(1-13%)

小麦籽粒蛋白质含量=籽粒氮素含量×5.7

聚合指数=不可溶性谷蛋白含量/总谷蛋白含量

谷醇比=总谷蛋白含量(%)/醇溶蛋白含量(%)

1.3 数据分析与处理

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05分析处理数据，采用Sigmplot 12.5制图，LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦产量和氮素利用率的影响

由图1可知，在N180、N240和N300条件下，洲元9369的产量，2016年分别为7.40、7.67和6.86 t·hm-2，2017年分别为8.04、8.14和7.57t·hm-2；济麦20的产量,2016年分别为6.45、6.49和5.56 t·hm-2，2017年分别为7.28、7.26和5.32t·hm-2。由此可以看出，相同施氮量下，洲元9369的产量均高于济麦20。在施氮量为N180和N240时，2个品种间产量无显著差异，但当施氮量由N240增至N300时，2个品种小麦产量均下降。表明，在本研究条件下，施氮量超过240 kg·hm-2时会降低小麦产量。

图1 不同施氮水平下强筋小麦品种的产量和氮素利用率Fig.1 Grain yield and nitrogen use efficiency of strong gluten wheat varieties at different nitrogen rates

在N180、N240和N300条件下，洲元9369的氮素利用率，2016年分别为25.73、22.06和16.83 kg·kg-1，2017年分别为23.29、19.61和15.37 kg·kg-1；济麦20的氮素利用率，2016年分别为22.42、18.67和13.64 kg·kg-1，2017年分别为21.00、17.49和10.80 kg·kg-1。由此可以看出，相同施氮条件下洲元9369氮素利用率均高于济麦20，且氮素利用率随着施氮量的增加而降低，当施氮量由N180增加至N240时，氮素利用率的降低幅度为15.79%，当施氮量由N240增加至N300时，氮素利用率的降低幅度为27.62%。

2.2 施氮量对小麦品质及其相关指标的影响

由表1可知，相同施氮条件下，洲元9369的吸水率、面团形成时间、面团稳定时间、面包体积和面包评分均高于济麦20；而湿面筋含量和沉降值在两年间存在差异，其中，2016年济麦20的湿面筋含量和沉降值均高于洲元9369，2017年则相反。

施氮量对吸水率和湿面筋含量无显著影响。面团形成时间、面团稳定时间、沉降值、面包体积和面包评分均随施氮量的增加呈先增后降的变化趋势。当施氮量由N180增至N240时，济麦20和洲元9369在2016和2017年的面团形成时间、面团稳定时间、沉降值、面包体积和面包评分均显著增加，两品种、两年度的平均增幅分别为9.84%、15.99%、5.92%、10.54%和4.34%；当施氮量由N240增至N300时，面团形成时间、面团稳定时间、沉降值、面包体积和面包评分又都显著下降，两品种、两年度的平均降幅分别为13.63%、23.47%、2.47%、11.70%和9.50%。表明施氮量过高会使小麦品质下降。

由表2可知，相同施氮条件下，洲元9369的SDS-不溶性谷蛋白、谷醇比和聚合指数均高于济麦20，而总蛋白含量和醇溶蛋白含量均低于济麦20，SDS-可溶性谷蛋白含量和谷蛋白含量两品种间无显著差异。

总蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白的含量和谷蛋白聚合指数均随施氮量的增加呈先增后降的变化趋势，而SDS-可溶性谷蛋白和

表1 不同施氮水平下强筋小麦品种的品质Table 1 Quality of strong gluten wheat cultivar at different nitrogen rates

表2 不同施氮水平下强筋小麦品种的蛋白质及其组分含量Table 2 Protein and protein components contents in strong gluten wheat cultivar at different nitrogen rates

2.3 蛋白质及其组分与小麦面团稳定时间和面包体积的相关分析

将小麦籽粒中重要的蛋白质组分与影响小麦加工品质的相关指标进行相关分析，结果表明，SDS-不可溶性谷蛋白含量、谷蛋白聚合指数与面团形成时间、面团稳定时间、面包体积和面包评分之间呈显著正相关，其他指标之间无显著相关性(表3)。

表3 蛋白质及其组分含量与强筋小麦加工品质指标的相关性Table 3 Correlation between the content of protein components and parameters of processing quality of strong gluten wheat

3 讨 论

前人研究表明，不同优质小麦品种的产量、氮素利用率及品质间存在着明显的基因型差异[14-16]。本研究中，各施氮水平下，洲元9369的产量、氮素利用率、吸水率、面团形成时间、面团稳定时间、面包体积和面包评分等品质指标均高于济麦20。并且各指标受氮肥影响的规律一致，因此本研究重点分析产量、氮素利用率和品质与施氮量间的关系。

在一定的施氮范围内，籽粒产量随着施氮量的增加而增加，但超过适宜的施氮范围，产量不增反降[17-19]，而氮素利用率则随施氮量的增加呈不同程度的降低[20-21]。本研究中，2个小麦品种的产量在N180和N240间无显著差异，施氮量增至N300时降低，且氮素利用率随施氮量增加呈明显的降低趋势，这与前人研究结果基本一致。

氮素是影响强筋小麦籽粒蛋白质和氨基酸合成的最重要元素。不同氮肥处理可显著影响小麦籽粒品质[22-23]。小麦籽粒品质常以沉降值、湿面筋含量、吸水率、面团形成时间和稳定时间等为主要指标进行评价。徐恒永等[24]研究指出，强筋小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值均随施氮量的提高而增加，面团稳定时间则随施氮量的增加而呈先增后降的变化趋势。蔡金华等[25]研究表明，增施氮肥能显著提高镇麦136的湿面筋含量、面团形成时间和面团稳定时间。但在本研究中，当施氮量由N180增至N240时，2个品种小麦的面团形成时间、面团稳定时间、沉降值、面包体积和面包评分显著上升；但当施氮量由N240增至N300时，面团形成时间、面团稳定时间、面包体积和面包评分均显著下降。表明，强筋小麦生产中，氮肥投入过量将会大幅降低小麦品质。

根据蛋白质在不同溶液中的溶解度可以将小麦籽粒蛋白分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白，在与品质相关的各项指标中，不溶性谷蛋白含量及其不溶性谷蛋白占总谷蛋白的比例(谷蛋白聚合指数)是调控小麦面团流变学特性和面包品质的最重要因素[8]。

本研究中，当施氮量由N180增至N240时，面团形成时间、面团稳定时间、面包体积和面包评分等品质指标和总蛋白、SDS-可溶性谷蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白含量以及谷醇比和谷蛋白聚合指数等均显著提升；而当施氮量由N240增至N300时，其面团形成时间、面团稳定时间、面包体积和面包评分等品质指标显著降低，总蛋白、SDS-不可溶性谷蛋白、谷蛋白含量和谷蛋白聚合指数等亦显著降低，仅SDS-溶性谷蛋白含量和谷醇比有所提高。小麦品质指标与蛋白组分等指标间的相关性分析表明，适量增施氮肥主要是通过提高不溶性谷蛋白含量和谷蛋白聚合指数来提升小麦籽粒品质。当氮肥施用量增至N300，在总蛋白质含量降低的条件下，SDS-可溶性谷蛋白含量提升，说明，过量施氮主要通过降低谷蛋白的聚合程度而使小麦品质下降。因此，为使强筋小麦达到稳产、高效、优质的目的，需要适量施用氮肥。综合考虑小麦产量、氮素吸收利用和品质认为，在本研究条件下，施氮量为240 kg·hm-2时，效果最佳。