施氮量对强筋小麦氮素积累和氮肥农学利用效率的影响

李亚静，郭振清，杨 敏，张 敏，刘 添，李翠平，秦保平，蔡瑞国

(河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北秦皇岛 066004)

小麦是我国主要的粮食作物之一，在农业生产和人民生活中占有重要地位。从1997—2016年，我国粮食总产量增加了24%，氮肥用量增加了6%，氮肥利用率仅28.2%，远低于发达国家(50%～60%)[1]。研究表明，施用氮肥可有效增加小麦产量，但过量施用氮肥，不仅不能增加产量，反而会对环境造成威胁[2-4]。如何优化施氮量、协同提高小麦产量和氮肥农学利用效率是当今小麦生产中亟待解决的问题。氮素是合成小麦蛋白质的物质基础。研究表明，小麦籽粒蛋白质含量在适宜的范围内随施氮量的增加而提高，过量施氮会造成花前积累的氮素向籽粒转运率降低，从而影响籽粒蛋白质含量[5-6]。研究小麦植株的氮素积累与转运对提高小麦籽粒蛋白质含量具有重要意义[7-10]。关于氮肥对普通小麦氮素积累与转运的研究较多，仅有少量有关氮肥对强筋小麦产量和品质调控的报道，对施氮量与强筋小麦氮素利用效率、强筋小麦植株氮素转运量与籽粒蛋白质含量之间关系的研究鲜见报道。本试验拟研究3个施氮量对强筋小麦石优20号和中麦998花前、花后氮素积累与转运、籽粒蛋白质含量和氮肥农学利用效率的影响，以期为冀东平原强筋小麦的提质增效生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年10月—2018年6月在河北科技师范学院农学与生物科技学院试验站(39°44′N、119°13′E)进行。试验地前茬作物为玉米，土壤类型为壤土。播种前0～20 cm土层有机质含量21.88 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，速效氮128.29 mg·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，有效磷15.39 mg·kg-1，全钾15.14 g·kg-1，速效钾33.09 mg·kg-1。

试验选用2个强筋小麦品种：石优20号(Shiyou 20)和中麦998(Zhongmai 998)；设3个施氮量：0 kg·hm-2(N0)、180 kg·hm-2(N1)和240 kg·hm-2(N2)。采用完全随机区组排列，小区面积9 m2(3 m×3 m)，3次重复。氮肥为尿素(含N 46%)，底肥和拔节肥各50%；磷肥为过磷酸钙(含P2O518%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 51%)，磷肥和钾肥施用量均为120 kg·hm-2，均作为基肥。2017年10月5日播种，行距20 cm，3叶期定苗，基本苗450×104·hm-2，分别在越冬前、拔节期和开花期灌水，并及时除草灭虫。其余管理方法同一般高产大田。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 小麦氮素积累与转运相关指标的测定

从开花期开始每隔7 d取10个小麦单茎，取地上部并分为茎、叶、鞘、穗(不含籽粒)和籽粒5部分；60 ℃烘干至恒重；用perten3100磨粉机粉碎，过60目筛，用半微量凯氏定氮法测定各样品的全氮含量。3次重复。

氮素积累量=全氮含量×干物质重

花后氮素积累量=成熟期总氮素积累量-花前氮素积累量

花前氮素积累占比=花前氮素积累量/成熟期总氮素积累量

花后氮素积累占比=花后氮素积累量/成熟期总氮素积累量

花前氮素转运量=开花期各营养器官氮素积累量-成熟期各营养器官氮素积累量

花前氮素转运率=花前氮素转运量/开花期各营养器官氮素积累量×100%

花前氮对籽粒氮的贡献率=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮积累量×100%

籽粒蛋白质含量=成熟期籽粒氮含量×5.7

1.2.2 产量的测定和氮肥农学利用效率的计算

成熟期每处理取3个1 m2小麦样点测定实际产量并考种。

氮肥农学利用效率=籽粒产量/施氮量

1.3 数据处理

数据处理及作图采用Excel 2017和DPS软件进行。

2 结果与分析

2.1 施氮量对强筋小麦花前和花后氮素积累的影响

由表1可知，石优20号花前氮素积累占比为59.99%～66.00%，随施氮量的增加而提高；花后氮素积累占比为34.00%～40.01%，随施氮量的增加而降低。中麦998花前氮素积累占比为 58.98%～61.15%，随施氮量的增加有所降低；花后氮素积累占比为38.85%～41.02%，随施氮的增加而提高。说明增施氮肥对强筋小麦植株花前和花后氮素积累量的影响因品种而异。

表1 施氮量对强筋小麦花前和花后氮素积累的影响

2.2 施氮量对强筋小麦营养器官氮素积累与转运的影响

2.2.1 对花后营养器官氮素积累量的影响

由图1可知，2个品种营养器官花后氮素积累量均随花后天数的推移而下降，随施氮量的增加而提高；不同器官比较，氮素累积量表现为叶>穗>茎>鞘。在开花期，叶的氮素积累量每单茎为6.99～9.12 mg，是氮素积累量最大的器官，随花后天数的推移，氮素积累量下降幅度最大。说明增施氮肥可提高强筋小麦营养器官的氮素积累量，且花前吸收的氮素主要贮藏在叶中。

图1 施氮量对强筋小麦花后营养器官氮素积累的影响

2.2.2 对籽粒氮素积累量的影响

由图2可知，2个品种花后籽粒的氮素积累量均随花后天数的推移而上升，且表现为N2>N1>N0，表明增加施氮量可提高强筋小麦籽粒氮素积累量。石优20号在3个处理的花后相同时间点的氮素积累量均高于石优20号。

图2 施氮量对强筋小麦花后籽粒氮素积累的影响

2.2.3 对花前氮素转运的影响

由表2可以看出，2个品种的花前氮素转运量均随施氮量的增加而提高，表明增加施氮量可提高小麦花前氮素转运量。石优20号的花前氮素转运率随施氮量增加呈先提高后降低的趋势；中麦998的花前氮素转运率随施氮量的增加而提高，说明不同品种的的花前氮素转运率对氮肥的响应不同。石优20号的花前氮对籽粒氮的贡献率随施氮量的增加而提高，而中麦998的花前氮对籽粒氮的贡献率随施氮量的提高呈先上升后下降的趋势，表明不同品种的花前氮素对籽粒氮的贡献率因施氮量而异。不同器官比较，氮素转运量、转运率和花前氮对籽粒氮的贡献率均表现为叶>穗>鞘>茎。可见，叶是花前氮素积累的主要贮藏器官，也是花前氮素向籽粒转运的主要 器官。

表2 施氮量对强筋小麦花前氮素转运的影响

2.3 施氮量对强筋小麦花后不同时期花前氮素转运量和籽粒氮素积累量的影响

2.3.1 对花前氮素转运量的影响

由图3可知，2个品种的花前氮素转运量均随生育期推移呈先上升后下降的趋势，石优20号在花后14～21 d时转运量达到最大，且显著高于其他时期(P<0.05);中麦998在花后7～14 d和14～21 d时花前氮素转运量显著高于其他时期(P<0.05)。表明石优20号在花后14～21 d为营养器官氮素转运关键期；中麦998的氮素转运高峰持续时间长，花后7～21 d为营养器官氮素转运关键期。推测中麦998营养器官氮素转运高峰持续时间长是其氮素转运量高于石优20号的主要原因。

相同N水平图柱上不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.3.2 对籽粒氮素积累量的影响

由图4可知，2个品种籽粒氮素积累量均随生育期推移呈先上升后下降趋势，与花前营养器官氮素转运量趋势(图3)一致。石优20号在花后14～21 d达到最高值，说明其为籽粒氮素积累关键期。中麦998在花后14～21 d的籽粒氮素积累量高，花后0～28 d，其不同时期的籽粒氮素积累量均高于石麦20。说明2个品种花后不同时期的籽粒氮素积累量对施氮量的响应不同。整体来看，增加施氮量可提高籽粒氮素积累量。

图4 施氮量对强筋小麦花后不同时期籽粒氮素积累量的影响

2.4 施氮量对强筋小麦氮肥利用效率与籽粒产量和蛋白质含量的影响

由表3可知，随施氮量的增加，2个品种的穗数和穗粒数均有不同程度提高，而千粒重均有不同程度降低，蛋白质含量和产量均表现为N2>N1>N0，当施氮量从180 kg·hm-2增加到240 kg·hm-2时，石优20号和中麦998的产量分别提高了6.10%和7.58%，籽粒蛋白质含量分别提高了3.68%和3.73%，差异均不显著；而氮肥农学利用效率分别降低了25.68%和23.93%，差异显著。表明增加施氮量可提高强筋小麦产量和蛋白质含量，但明显降低氮肥农学利用效率。

表3 施氮量对强筋小麦氮肥农学利用效率和籽粒蛋白质含量和产量的影响

3 讨论与结论

前人研究表明，小麦植株氮素的积累与转运，直接影响其籽粒蛋白质含量[11-12]。李瑞珂等[13]研究表明，花前积累的氮素占小麦籽粒氮素的70%，而花后积累氮素仅占30%。增施氮肥可以提高小麦氮素积累量[14-17]。本试验结果表明，随着施氮量增加，强筋小麦氮素积累量相应提高，且花前氮素积累占比为59.99%～66.00%，花后氮素积累占比34.00%～41.00%(表1)，与李瑞珂等[14]结果存在一定差异，这可能与小麦品种及其所在环境等条件有关。强筋小麦花前氮素转运量是影响其籽粒蛋白质含量的重要因素。这与马冬云[18]在普通小麦上的研究结果类似。研究表明，随施氮量的增加，普通小麦氮素向籽粒的转运率降低[19-22]。本试验结果表明，随施氮量增加，强筋小麦花前氮素转运量提高，转运率在2个品种中表现不尽相同，籽粒蛋白质含量均增加(表2)。造成这种差异的原因可能与试验材料、氮肥用量和基础地力有关。强筋小麦花后营养器官(茎、叶、鞘、穗)氮素积累量呈下降趋势，叶的氮素积累量变化最大(图1)。说明叶是强筋小麦籽粒蛋白质的重要来源。石优20号在花后14～21 d花前氮素转运量最大，中麦998在花后7～21 d花前氮素转运量最大(图3)。这说明花后14～21 d和7～21 d分别是强筋小麦石优20号和中麦998营养器官氮素转运的关键时期。

小麦籽粒氮素增长高峰期表现为石优20号在花后14～21 d，中麦998在花后7～21 d(图4)，这与其花前氮素转运高峰期一致。再次证明营养器官氮素转运量对籽粒氮素积累的重要贡献。综上可见，适量施氮可促进强筋小麦花前植株氮素的积累和花后氮素的再转运，是提高其籽粒蛋白质含量的重要途径。

前人研究表明，适量增施氮肥可以提高小麦籽粒产量及其蛋白质含量；过量施用氮肥，不仅不能增加产量，还会影响籽粒蛋白质含量[5-6]。郭明明等[23]研究表明，施氮量在225～270 kg·hm-2的范围内，随施氮量的增加，小麦产量和蛋白质含量均下降。张 秀等[24]的研究表明，施氮量超过240 kg·hm-2时小麦籽粒产量和蛋白质含量均下降。张文静等[25]研究表明，施氮量超过270 kg ·hm-2时小麦产量下降。本研究表明，在 0～240 kg·hm-2范围内，强筋小麦籽粒蛋白质含量和产量均随施氮量的增加而提高(表3)。这可能与供试品种、施氮量和基础地力等条件有关。增施氮肥使籽粒产量和蛋白质含量提高，但伴随着氮肥农学利用效率的降低(表3)。在本试验条件下，180 kg·hm-2施氮量既满足产量和蛋白质含量的需求，还可有效提高氮肥农学利用效率。王玉雯等[26]研究也表明，可以通过减少施用氮肥总量来实现氮素养分供应与作物需求同步。故在小麦生产中，应根据当地的自然条件和小麦品种确定适宜的施氮量，既能保证一定产量和蛋白质含量，还能确保较高的氮肥农学利用率，从而达到提质增效的目的。