应用15N分析施氮量对弱筋小麦氮素吸收利用与产量的影响

吴培金，闫素辉，张从宇，邵庆勤，许 峰，李文阳

（安徽科技学院农学院，安徽 凤阳 233100）

弱筋小麦籽粒硬度小、蛋白质含量低、面筋强度弱，适合制作饼干、糕点等食品［1-2］。栽培条件对小麦籽粒产量和品质有重要的影响作用。氮素是小麦生长过程中影响最大的营养元素［3-4］，适量施氮能提高小麦籽粒产量及蛋白质含量，朱统泉等［5］等研究发现，在施纯氮量为120kg·hm-2时，可保证弱筋小麦有较高的产量且籽粒优质。陆成彬等［6］等研究发现弱筋小麦生产中适宜施氮量为240kg·hm-2。姚金保等［7］等研究发现，当施氮量＜180kg·hm-2时，弱筋小麦宁麦18的籽粒产量和蛋白质含量随施氮量增加而增加，且蛋白质含量达到优质弱筋小麦标准，超过180kg·hm-2时，再增加施氮量其籽粒产量明显下降。过多施用氮肥易降低氮肥利用率和增产效果、增加生产成本，加重对环境的污染［8-10］，如化学氮肥的过量施用改变了土壤的氮素平衡，导致大量的氮素流失（挥发、径流和淋溶），造成水体污染（地下水硝酸盐的污染、地表水体富营养化，引发藻类的暴发）、空气污染（土壤氮素挥发的NH3是雾霾形成的重要前体物）、土壤污染（土壤酸化、土壤真菌的多样性和数量的降低）等问题［9］。

氮素吸收利用是植物干物质生产和产量形成的基础。小麦生长过程中对氮素的吸收、同化和转运，直接影响籽粒的产量和品质［11-12］。小麦对氮素吸收利用受土壤肥力条件、施氮水平、施氮方式、小麦品种特性及环境条件等影响［13-15］。研究指出，小麦氮肥利用率随施氮量的增加而下降［16-17］。控制好氮肥的基追比例可有效调节小麦植株在不同生育阶段的氮肥利用率［18］。以上关于氮素调控及利用研究虽较多，但多以中、强筋小麦品种为供试材料，以弱筋小麦为研究对象较少。因此，本研究选用2个弱筋小麦品种，利用15N同位素示踪技术，研究不同施氮量对弱筋小麦氮素积累、运转与利用的影响，以期为弱筋小麦生产科学施氮提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2016～2017年在安徽科技学院种植科技园（凤阳）进行。以弱筋小麦品种扬麦13和宁麦13为供试材料。试验地0～20 cm土层有机质、速效氮、有效磷和速效钾的含量分别为1.12%、80.2 mg·kg-1、28.6 mg·kg-1和 62.3 mg·kg-1。 前茬为玉米，秸秆直接还田。试验设3个氮素水平，即施氮N 105kg·hm-2（N105）、210kg·hm-2（N210）、315kg·hm-2（N315）。氮肥分两次施用，追氮时期为拔节期（3月20日），基追比为7∶3，磷钾肥一次性底施。种植密度375万株·hm-2，小区面积为3 m×3 m＝9 m2，3次重复。播种期为2016年11月9日，收获期为2017年5月25日。在每个小区第三行内插入铁盒，铁盒规格:25 cm（长）×20 cm（宽）×20 cm（高），土壤面积0.05 m2。铁盒中施用15N标记尿素。其它田间管理同一般小麦高产田。

1.2 测定方法与项目

于开花期（4月20日）、成熟期（5月25日）在15N微区内每处理取5株，其中开花期为全株，成熟期分为植株（茎鞘+叶+穗轴颖壳）和籽粒，70℃烘干至恒重。植株不同部位全氮含量测定用半微量凯氏定氮法，15N丰度用同位素比率质谱仪（Thermo-Fisher Delta V Advantage IRMS）测定。植株不同部位氮素积累量、氮素来源、氮肥利用效率等的计算参照文献［19-20］的方法，公式如下:

籽粒蛋白质含量=籽粒全氮含量×5.7植株各器官氮素积累量=器官重量×氮素含量植株积累氮素来自肥料氮的比例=（器官中15N丰度－0.366 3）×100/（肥料中15N丰度－0.366 3）

植株积累氮素来自肥料氮的量=植株积累总氮量×植株积累氮素来自肥料氮的比例

植株积累氮素来自土壤氮的量=植株积累总氮量－植株积累氮素来自肥料氮的量

植株积累氮素来自土壤氮的比例=植株积累氮素来自土壤氮的量/植株积累氮素总量

营养器官氮素转移量=开花期营养器官氮素积累量－成熟期营养器官氮素残留量

转移效率=营养器官氮素转移量/开花期营养器官氮素积累量

贡献率=营养器官氮素转移量（mg·株-1）/成熟期籽粒氮素积累量（mg·株-1）

氮肥生产效率=籽粒产量/施氮量

氮素利用效率=籽粒产量/植株氮素积累量氮素收获指数=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量

1.3 数据分析

采用DPS 7.05数据处理系统进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦开花期与成熟期氮素积累量的影响

由表1可以看出，小麦开花期、成熟期植株氮素积累量均随着施氮量增加而增加。N105处理成熟期籽粒氮素积累量显著低于N210、N315处理，而N210、N315处理间无显著差异，可见，适度的增加氮肥，有利于增加弱筋小麦成熟籽粒氮素积累量，过量施氮对弱筋小麦成熟期单株籽粒氮素积累量的增加效果不明显。

表1 不同氮水平下小麦开花期与成熟期氮素积累量（mg·株 -1）

2.2 施氮量对小麦植株不同来源氮素积累量及比例的影响

2.2.1 施氮量对小麦开花期植株不同来源氮素积累量及比例的影响

由表2可以看出，小麦开花期植株氮素来源于肥料氮的比例为20.73%～29.80%，来源于土壤氮的比例为70.20%～79.27%，可见土壤氮对开花期植株氮素积累量的贡献显著高于肥料氮。小麦开花期植株氮素积累量来源于肥料氮、土壤氮的氮素积累量均表现为N315＞N210＞N105，说明增加施氮量，不仅促进了小麦开花期植株肥料氮的吸收积累，且促进了土壤氮的吸收积累。两个弱筋小麦开花期植株来源于土壤氮的比例均在N210处理达到最大值，扬麦13为79.27%、宁麦13为75.25%，可见，适宜的施氮量可提高弱筋小麦开花期植株对土壤氮的吸收。

表2 小麦开花期不同来源氮素积累量和比例

2.2.2 施氮量对小麦成熟期植株和籽粒不同来源氮素积累量及比例的影响

由表3可知，弱筋小麦成熟期植株氮素来源肥料氮的比例为18.61%～29.62%，来源土壤氮的比例为70.38%～81.39%，其植株不同来源氮素的积累量与开花期表现基本一致，均随施氮量的增加而增加，且土壤氮显著高于肥料氮。弱筋小麦成熟期籽粒氮素来源肥料氮的比例为16.62%～24.91%，随施氮量的增加而升高。来源土壤氮的比例为75.09%～83.38%，随施氮量的增加而降低，但其籽粒来源于肥料氮和土壤氮的氮素积累量均随施氮量的增加而增加，且来源于土壤氮的显著高于肥料氮。说明适当的增加施氮量，亦能有效促进弱筋小麦从开花期到成熟植株与籽粒对土壤氮、肥料氮的吸收积累。

表3 小麦成熟期不同来源氮素积累量和比例

2.3 施氮量对小麦花后营养器官积累氮素向籽粒转移的影响

由表4可知，花后营养器官氮素向籽粒的转运率为29.44%～41.25%，贡献率为36.51%～60.89%。弱筋小麦花后营养器官氮素向籽粒的转运量受施氮量影响小，其转运率和贡献率降低在不同施氮水平下均表现为N105＞N210＞N315。即弱筋小麦花后营养器官氮素向籽粒转运率和贡献率随施氮量的增加而降低。

表4 小麦花后营养器官氮素向籽粒的转运

2.4 施氮量对小麦籽粒产量、蛋白质含量及氮肥利用效率的影响

施氮对弱筋小麦籽粒产量和蛋白质含量具有显著的影响（表5），籽粒产量表现为N210＞N105＞N315，但N105和N315处理产量差异不显著，即超过施氮210kg·hm-2时，再增施氮肥对提高弱筋小麦籽粒产量效益不明显。籽粒蛋白质含量随施氮量的增加而增高，且N210和N315处理弱筋小麦籽粒蛋白质含量显著高于N105处理。两品种氮肥生产效率和氮肥利用效率均表现为N105＞N210＞N315，且N315处理氮素收获指数低于N105、N210。由此可知，弱筋小麦籽粒氮肥生产效率、氮肥利用效率随施氮量的增加而降低。综合考虑在弱筋小麦生产过程中，保证其稳产优质及氮素利用，本试验条件下，适宜施氮量应在N 105～210kg·hm-2之间。

表5 不同施氮水平对小麦籽粒产量、蛋白质含量及氮素利用效率的影响

3 讨论

氮代谢是植株体内最基本的代谢之一［21］，施氮有利于提高小麦产量和改善其品质，增施氮肥促进小麦植株对氮素的吸收和利用［22］，小麦氮素积累量随施氮量增加而提高［23-24］。研究发现，在施氮量180kg·hm-2时，小麦籽粒氮素累积量最高，再增加施氮量，其氮素积累量不增反降［25-26］。本研究结果表明，适当的增施氮肥，可提高弱筋小麦开花期植株及成熟期植株与籽粒的氮素积累量，过量施氮对增加弱筋小麦成熟期籽粒氮素积累量的作用不明显，原因可能是过量施氮降低了单株小麦穗粒数。本试验研究应用15N同位素示踪技术，其与前人研究相比，能够明确小麦植株和籽粒对肥料氮的吸收利用情况，进一步明确其对土壤氮的吸收利用情况。本研究发现，弱筋小麦开花期植株及成熟期植株与籽粒来源于土壤氮和来源于肥料氮的氮素积累量均随施氮量的增加而增加，来源于土壤氮的比例要显著高于肥料氮，这与刘芳［27］研究结果相近，而籽粒氮素来源肥料氮的比例则随施氮量的增加而升高。可见，适量施氮能有效促进弱筋小麦植株与籽粒对土壤氮与肥料氮的吸收积累。

研究表明，随施氮量的增加，转运效率降低［28］。段文学等［11］等研究得出，施氮量小于、等于150kg·hm-2时，增加施氮能促进小麦开花前吸收氮素向籽粒的转运和开花后对氮素的吸收，而施氮量超过150kg·hm-2，再增加施氮量，对增加其花前吸收氮素向籽粒的转运量和花后吸收氮量效果不佳，且转运率降低。本试验研究结果研究表明，弱筋小麦花后营养器官氮素向籽粒的转运率和贡献率均随施氮量的增加而降低。其结果与段文学等［11］研究结果稍有偏差，其原因可能是所选用的品种、肥料运筹方式、试验地土壤条件以及气候条件等因素不同所致。

本试验表明，施氮对弱筋小麦籽粒产量和蛋白质含量具有显著的影响，当施氮量超过210kg·hm-2时，施氮量增加不利于籽粒产量提高，这与黄厚宽等［29］“当土壤氮素供应与氮肥投入超过小麦生长需求时，有效穗数虽然增多，但穗粒数减少，小麦贪青晚熟，籽粒产量不高”的研究结果相似。籽粒蛋白质含量随施氮量的增加而增高，这与前人研究结果［30］一致。小麦籽粒氮素利用效率、吸收效率、收获指数和氮肥生产量的效率随施氮量增加而降低［31-32］。而本研究表明，弱筋小麦籽粒氮肥生产效率、氮肥利用效率随施氮增加而降低。

本试验条件下，在施氮量超过210kg·hm-2时，增施氮肥对提高籽粒产量效果不明显，而蛋白质含量N210和N315处理要显著高于N105处理，远远高于弱筋小麦优质标准，加上过多的施氮量易污染环境［33］。由此可知，在弱筋小麦生产过程中，要合理的施用氮肥，在保证产量同时，尽量降低施氮量，不仅能提高籽粒品质，氮肥生产效率和氮肥利用效率，还能减少生产成本，降低环境污染。本试验条件下，保证弱筋小麦籽粒品质的同时，又有相对较高的籽粒产量、氮肥生产效率和氮素利用效率，适宜的施氮量应在105～210kg·hm-2之间。