施氮对稻茬弱筋小麦生长特性、品质与产量的影响

任开明,王 犇,杨文俊,樊永惠,张文静,马尚宇,黄正来

(安徽农业大学 农学院,安徽 合肥 230036)

随着我国经济总量的持续上升和人民生活水平的不断进步,弱筋小麦在国内的需求量持续上升,但我国缺少优质的弱筋小麦,每年需要从国外进口大量的弱筋小麦[1]。我国弱筋小麦主要用来制作饼干、蛋糕等食品,因其淀粉破损率低和出粉颗粒直径小等特性,让弱筋小麦成为加工优质糕点的主要原料[2]。重视弱筋小麦产量与品质的提升,加大弱筋小麦的推广是我国小麦生产发展的方向之一[3]。施氮量能显著影响小麦产量和品质,在一定范围内增加氮肥用量能提升弱筋小麦籽粒产量及其蛋白质含量,但施氮量超过一定范围,蛋白质含量偏高,会使小麦籽粒品质不符合国家弱筋小麦标准[4-5]。我国很多地区会出现不能兼顾弱筋小麦产量和品质的问题,制约着弱筋小麦的发展。因此,通过合理的施氮来协同弱筋小麦的产量品质变得尤为重要[6]。

适宜的氮肥施用能促进小麦生长,良好的生长状态是提升小麦产量品质的基础。随着施氮量的增加,小麦植株的株高和叶面积指数(leaf area index,LAI)呈上升趋势[7-8]。小麦冠层光谱反射率在不同施氮处理下有明显差异[9]。施氮有利于小麦干物质积累和向籽粒的转运,从而提升小麦的产量[10]。研究表明,在一定范围内,小麦籽粒产量和施氮量呈线性相关,增施氮肥还能提高小麦穗粒数和有效穗数,增加小麦籽粒产量[11]。前人研究多集中在施氮量对中强筋小麦的影响,而关于江淮地区稻茬弱筋小麦产量、品质及其氮效率协同研究的报道较少。因此,本研究拟在前人探索的基础上,研究施氮量对稻茬弱筋小麦氮素利用和产量、品质的影响,以期给安徽省沿淮稻茬弱筋小麦提升产量、品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

供试品种为皖西麦0638。试验于2020年10月至2021年6月在2个试验地点进行。试验点1:安徽省合肥市庐江县安徽农业大学皖中综合试验站,该地点年均温15.8 ℃,年均降水量1 009.2 mm,无霜期238 d,年日照时数2 209.6 h,土壤类型为沙泥田。试验点2:安徽省淮南市凤台县农技推广中心,该地点年均温15.1 ℃,年均降水量905.2 mm,无霜期216 d,年日照时数2 323.1 h,土壤类型为砂姜黑土。土壤基础养分见表1。

表1 播前土壤基础养分Table 1 Soil basic nutrients before sowing

1.2 试验设计

试验设置5个施氮量处理,分别为0 kg·hm-2(N0)、75 kg·hm-2(N1)、150 kg·hm-2(N2)、225 kg·hm-2(N3)和300 kg·hm-2(N4)。氮肥基追比均为7:3,人工撒施方式施入肥料。基本苗数为3.75×106株·hm-2。磷钾肥在耕前全部基施,P2O5用量为75 kg·hm-2,K2O为150 kg·hm-2。每个试验点均为5个处理,每处理3个重复,共15个小区。试验点1小区面积52 m2(26 m×2 m),试验点2小区面积36 m2(12 m×3 m)。试验点1和试验点2均在雨养管理下进行,病虫害防治及其他田间管理措施均同一般高产田块。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长特性指标测定

LAI:于小麦关键生育时期选择每小区长势均匀的15株小麦,用美国CID公司产CI-203型叶面积仪测出叶面积。用一米双行法测出各关键生育时期茎蘖动态,再结合同时期茎蘖动态计算LAI。

叶绿素相对含量:使用日本生产型号为SPAD-502的叶绿素仪,于小麦关键生育时期测定叶片相同部位SPAD值,用于表示植株叶片叶绿素相对含量。试验选取每小区长势均匀的5株小麦的顶展叶进行测定。测量时避开叶脉,测量每片叶子相同的5个部位,然后取其均值作为该叶片的SPAD值,最后用该小区所有顶展叶均值作为其SPAD值。

株高:在灌浆中期于每小区取长势均匀的小麦15株,测定其高度,用所取植株株高的平均值作为该小区株高。

冠层反射光谱:使用ASD公司生产的FieldSpec4背挂式野外高光谱辐射仪,波段范围为350～2 500 nm。花后21 d对小麦冠层进行光谱测定,测定时间选择为10:00—14:00,在天气晴朗、无风或风速很小的天气条件下进行,测量时传感器探头垂直向下,距冠层顶垂直高度约1.0 m。

1.3.2 群体干物质积累量

分别于各关键生育时期在每小区选取长势均匀的15株小麦,小麦样品去除根系后分器官装袋,然后105 ℃杀青30 min,80 ℃烘干至质量不变,然后称量其干物质积累量。

1.3.3 产量及其构成因素测定

收获前在每个小区选取长势均匀的一米双行小麦折算穗数,从中选取30穗脱粒测出穗粒数,并取出1 000粒称重作为千粒重。在试验区小麦达到黄熟末期后用收割机收获后称量每个小区的产量,测定收获小麦的籽粒含水率后折算成含水率为13%的籽粒产量。

1.3.4 小麦品质性状测定

在收获的小麦度过后熟期后,使用Perten Instruments DA7200型近红外谷物分析仪测定小麦籽粒的蛋白质含量、湿面筋含量、硬度和沉淀值。

1.3.5 干物质积累与转运相关指标计算公式

mp(kg·hm-2)=m1-m2;

(1)

Rp=mp/m3×100%;

(2)

md(kg·hm-2)=m3-mp;

(3)

Rd=md/m3×100%。

(4)

式(1)～(4)中:mp代表花前营养器官干物质转运量,m1代表开花期营养器官干重,m2代表成熟期营养器官干重,Rp代表花前营养器官干物质转运量对籽粒的贡献率,m3代表成熟期籽粒重,md代表花后干物质生产量,Rd代表花后干物质生产量对籽粒的贡献率。

1.3.6 氮肥利用效率相关指标计算公式

RAU=(mNu-m0u)/mN×100%;

(5)

RAE(kg·kg-1)=(YN-Y0)/mN;

(6)

RPF(kg·kg-1)=YN/mN。

(7)

式(5)～(7)中:RAU代表氮肥表观利用率,mNu代表施氮区地上部氮积累量,m0u代表不施氮区地上部氮积累量,mN代表施氮量,RAE代表氮肥农学效率,YN代表施氮区产量,Y0代表不施氮区产量,RPF代表氮肥偏生产力。

1.4 数据处理

采用WPS2020软件进行数据处理和图形制作,采用SPSS 26软件进行统计分析,采用邓肯法(Duncan)进行差异显著性检验,显著性水平为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 施氮量对稻茬弱筋小麦生长特性的影响

2.1.1 茎蘖动态与株高

由表2可知,随着施氮量的增加,试验点1和试验点2小麦分蘖数均表现出不断上升趋势,说明施氮能促进小麦分蘖。随着生育期的推进,小麦分蘖数呈先增后降趋势,并在拔节期达到最大值,试验点1和试验点2表现出相同趋势。氮素的施用能促进小麦茎秆伸长,在N3和N4处理之间,小麦株高差异均达到了显著水平。相对于N0处理,成熟期试验点1和试验点2小麦株高分别提高了7.64%～29.81%和2.33%～17.84%。在N0～N4处理下,试验点1成熟期株高相对试验点2分别提高了-0.3%、4.9%、2.8%、7.5%和9.8%。

表2 不同施氮水平下小麦的茎蘖动态和株高Table 2 Tiller dynamics and plant height of wheat under different nitrogen application levels

2.1.2 LAI

由图1可知,随着施氮量的增加,各生育时期小麦LAI均呈逐渐上升趋势。随着生育期的推进,小麦LAI呈先升后降趋势,于开花期达到最大值,分蘖期至孕穗期快速上升,花后14 d开始快速下降。N0和N2施氮处理下,各处理间小麦LAI达到显著差异,说明增加施氮量能提升小麦LAI,且在较低施氮量处理下氮肥对小麦LAI的影响更为显著,不同地域间表现出相同趋势。在N0～N4处理下,试验点1开花期LAI相对试验点2分别提高了15.3%、31.7%、14.0%、8.3%和1.7%。

A,试验点1;B,试验点2。Ⅰ,分蘖期;Ⅱ,孕穗期;Ⅲ,开花期;Ⅳ,花后7 d;Ⅴ,花后14 d;Ⅵ,花后21 d;Ⅶ,花后28 d。A, Test site 1; B, Test site 2. Ⅰ, Tillering stage; Ⅱ, Booting stage; Ⅲ, Flowering stage; Ⅳ, 7 days after flowering; Ⅴ, 14 days after flowering; Ⅵ, 21 days after flowering; Ⅶ, 28 days after flowering.图1 不同施氮水平下小麦的叶面积指数Fig.1 Leaf area index of wheat under different nitrogen application levels

2.1.3 SPAD值

氮素是小麦叶片叶绿素合成的重要元素,由图2可知,随着施氮量的增加,小麦叶片SPAD值呈上升趋势,且各生育时期SPAD值均在N4施氮处理下达到最大值。N1处理的小麦SPAD值显著高于N0处理,说明在低施氮量下氮肥对小麦SPAD值影响较大。随着生育期的推进,小麦叶片SPAD值呈先升后降趋势,于开花期达到最大值,花后7 d开始快速下降。在N0～N4处理下,试验点2开花期SPAD值相对试验点1分别提高了-0.2%、3%、3.3%、9.5%和10.9%。

A,试验点1;B,试验点2。Ⅰ,分蘖期;Ⅱ,拔节期;Ⅲ,孕穗期;Ⅳ,开花期;Ⅴ,花后7 d;Ⅵ,花后14 d;Ⅶ,花后21 d;Ⅷ,花后28 d。A, Test site 1; B, Test site 2. Ⅰ, Tillering stage; Ⅱ, Jointing stage; Ⅲ, Booting stage; Ⅳ, Flowering stage; Ⅴ, 7 days after flowering; Ⅵ, 14 days after flowering; Ⅶ, 21 days after flowering; Ⅷ, 28 days after flowering.图2 不同施氮处理下小麦叶片的SPAD值Fig.2 SPAD value of wheat leaves under different nitrogen application levels

2.1.4 冠层光谱反射率

如图3所示,在400～680 nm波段小麦冠层光谱反射率较低,低于0.09,且曲线存在较多重合。小麦光谱反射率在680～760 nm波段阶段快速上升,在760～925 nm近红外光波段反射峰处,随着施氮量的增加,光谱反射率也随之增加,在925～1 300 nm反射峰处,随着施氮量的增加,光谱反射率呈先升后降趋势。高施氮量下小麦植株光谱反射峰较高,主要原因是在高施氮量下小麦植株群体冠层长势较好,叶绿素含量较高,而低施氮量下小麦植株叶片发黄,光谱反射率下降。

A,试验点1;B,试验点2。A, Test site 1; B, Test site 2.图3 不同施氮水平下小麦花后21 d冠层光谱反射率Fig.3 Canopy spectral reflectance of wheat at 21 days after anthesis under different nitrogen application levels

2.2 施氮量对小麦干物质积累与转运的影响

2.2.1 干物质积累

由图4可知,施氮量能影响小麦拔节至成熟期地上部干物质的积累,随着施氮量的增加,孕穗期到开花期,试验点1和试验点2的小麦地上部干物质积累量呈先升后降趋势,N2处理的小麦干物质积累量显著大于N0处理。相较于N0处理,试验点1小麦开花期干物质积累量提高了76.81%～131.5%,试验点2小麦开花期干物质积累量提高了65.83%～117.39%。随着生育期的推进,小麦地上部干物质积累量呈逐渐增加趋势,开花期至成熟期增长较快,且试验点1和试验点2表现出相同趋势。

A,试验点1;B,试验点2。柱上无相同字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)。A, Test site 1; B, Test site 2. Data on the bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at P<0.05 among different treatments in the same stage.图4 不同施氮处理下小麦的干物质积累Fig.4 Dry matter accumulation of wheat under different nitrogen application treatments

2.2.2 花前干物质转运和花后干物质生产

由表3可知,施氮能影响小麦花前干物质转运和花后干物质生产,随着施氮量的增加,小麦花前干物质转运量呈先升后降趋势,花后干物质生产量逐渐上升,说明过高施氮量反而抑制花前干物质的转运。相较于N0处理,试验点1和试验点2小麦花前干物质转运量分别增加了204.43%～269.15%和171.43%～216.24%,花后干物质生产量分别增加了237.76%～371.41%和172.86%～257.24%。随着施氮量的增加,小麦花前干物质转运量对籽粒的贡献率逐渐下降,花后干物质生产量的贡献率逐渐增加。

表3 不同施氮水平下小麦的花前干物质转运和花后干物质生产Table 3 Pre anthesis dry matter transport and post anthesis dry matter production of wheat under different nitrogen application levels

2.3 氮素吸收利用

由表4可知,随着施氮量的增加小麦地上部氮素积累量呈递增趋势,且各处理间达到显著差异,说明施氮能影响小麦地上部氮素积累。小麦的氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力随着施氮量的增加均呈下降趋势,且试验点1和试验点2表现出相同的趋势,说明施氮量的增加降低了小麦吸收、转化氮素的效率。相同品种和施氮量处理下,试验点2小麦地上部氮素积累量均高于试验点1。

表4 不同施氮水平下小麦的氮素吸收利用Table 4 Nitrogen absorption and utilization targets of wheat under different nitrogen application levels

2.4 籽粒品质指标

由表5可知,增加施氮量可以提高小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、硬度指数和沉淀值。试验点1和试验点2小麦在225 kg·hm-2施氮量下,籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、硬度指数和沉淀值均符合国家弱筋小麦蛋白质含量标准(GB/T17320—2013《小麦品种品质分类》),施氮量为300 kg·hm-2时,籽粒蛋白质含量高于12.5%的国家弱筋小麦标准。相对于N0处理,试验点1和试验点2小麦的蛋白质含量分别增加12.02%～44.21%和9.64%～34.30%,说明施氮量的增加能提升小麦籽粒蛋白质含量。在N0～N4处理下,试验点1籽粒蛋白质含量相对试验点2分别提高了-6%、-4%、0.6%、0.4%和0.9%。

表5 不同施氮处理下小麦的籽粒品质指标Table 5 Grain quality indexes of wheat under different nitrogen application levels

2.5 产量及其构成因素

由表6可知,随着施氮量的增加,小麦穗粒数、穗数逐渐增加,小麦籽粒千粒重、产量呈先增后降趋势,试验点1和试验点2表现出相同规律,小麦籽粒产量在N3和N4处理间无显著差异。与N0处理相比,试验点1和试验点2小麦籽粒产量分别增加了127.58%～230.45%和72.21%～131.94%。在N0～N4处理下,试验点2籽粒产量相对试验点1分别提高了88.4%、42.6%、36.6%、32.3%和28.6%。

3 讨论

3.1 施氮对小麦生长特性的影响

氮素施用量是影响小麦生长的重要因素,合理的氮肥施用是促进小麦高产优质的条件之一,适当施氮能优化小麦的冠层结构[7]。在一定施氮范围内,小麦分蘖数和株高随着施氮量增加而逐渐提高[8,12]。周洁等[13]研究表明,氮肥的施用能促进植株茎秆伸长。本研究结果表明,施氮量为0～300 kg·hm-2时,小麦株高和分蘖数随着施氮量的增加均逐渐上升。施氮量为0～360 kg·hm-2时,小麦SPAD值、LAI均随着施氮量的增加而提高[14]。张向前等[15]研究表明,基追比相同、施氮量为0～240 kg·hm-2时,施氮量每增加120 kg·hm-2小麦叶片叶绿素含量和LAI显著增加。本研究结果表明,随着施氮量的提升小麦叶片SPAD值和LAI呈不断升高趋势,在开花期,相同施氮处理下试验点1小麦LAI总体高于试验点2,而试验点2小麦SPAD值高于试验点1,说明地域差异能影响小麦生长特性,且在较高施氮量的基础上增加施氮量仍能提高小麦SPAD值和LAI,这可能是因为弱筋小麦对氮素的利用能力较弱,高施氮量下仍能促进小麦生长。胡昊等[16]研究表明,氮肥的施用能显著改变小麦冠层光谱反射率,小麦光谱红谷位置与小麦叶面积指数、叶片含水率、叶绿素含量、叶片SPAD值呈极显著正相关。本研究表明,在400～680 nm,小麦冠层光谱反射率总体上随着施氮量的增加而下降;在760～925 nm反射峰处,随着施氮量的增加,光谱反射率也随之增加;在925～1 300 nm反射峰处,光谱反射率呈先升后降趋势。以上结果说明,增加施氮量能改善小麦的冠层结构,且两试验点表现出相同趋势。

3.2 施氮对小麦干物质积累与氮素吸收利用的影响

干物质高效积累转运是小麦产量、品质形成的重要因素[17]。拔节期后,施氮量为210 kg·hm-2时,小麦干物质积累量最大,且成熟期对籽粒的贡献率最高[18]。李朝苏等[19]研究表明,增加施氮量能提升小麦各生育时期干物质积累量,施氮量为135 kg·hm-2时花后干物质积累量大于花前干物质积累量,产量形成更多依靠花后生产。施氮量为240 kg·hm-2时,小麦成熟期干物质积累量、花后干物质生产量、花前干物质转运量均达到最大值,小麦花前干物质转运量和籽粒产量均随着施氮量的增加呈先增后减趋势[20]。本研究结果表明,随着施氮量的增加,小麦孕穗期、开花期和成熟期干物质积累量和花前干物质转运量先升后降,而花后干物质生产量及其对籽粒的贡献率随着施氮量的增加逐渐上升。韩上等[21]研究表明,小麦氮肥农学利用率和氮肥偏生产力整体上随着氮肥施用量的增加而降低。吴培金等[22]研究表明,氮肥能影响小麦对氮素的吸收同化,增加施氮量,小麦氮肥生产力和氮肥利用效率逐渐下降。本研究结果表明,高施氮量下小麦会出现对氮素的奢侈吸收现象,从而造成小麦氮肥偏生产力、农学利用效率和表观利用率下降。

3.3 施氮对小麦产量和品质的影响

施氮量和小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉淀值等品质指标呈线性正相关,且与籽粒产量呈二次曲线关系[23-24]。张定一等[25]研究表明,施氮能提升小麦籽粒产量、有效穗数和穗粒数,而小麦籽粒千粒重随着施氮量的增加逐渐降低,其中有效穗数对产量的贡献最大。吴强等[26]研究表明,小麦籽粒产量随着施氮量增加呈先升后降趋势,籽粒品质呈逐渐上升趋势,但过高施氮量会造成肥料浪费。本研究结果表明,随着施氮量的增加,试验点1和试验点2小麦籽粒产量和千粒重均呈先升后降趋势,但相同施氮处理下试验点2小麦籽粒产量均高于试验点1,可能是基础地力的原因,试验点2土壤酸碱度和气候更适合小麦生长,且土壤中碱解氮和速效磷含量更高,从而增加小麦籽粒产量。增加施氮量还能增加小麦有效穗数和穗粒数。吴培金等[5]研究发现,施氮能提升小麦籽粒蛋白质及其组分含量,105～210 kg·hm-2是保证弱筋小麦较高产量和良好品质的适宜施氮量。张向前等[15]研究发现,施氮量在180 kg·hm-2时小麦蛋白质含量、湿面筋含量、硬度指数和沉淀值均达到国家弱筋小麦标准,而施氮量达到240 kg·hm-2时均不符合国家弱筋小麦标准。代新俊等[27]研究发现,小麦的生物产量、籽粒蛋白质含量、面筋指数等均随着施氮量的增加而提高。本研究发现,施氮量在225 kg·hm-2时,小麦蛋白质含量符合国家弱筋小麦标准,施氮量在300 kg·hm-2时籽粒蛋白质含量高于12.5%。但本试验的施氮量跨度较大,仍需细化施氮量以探寻最佳施氮范围。以上结果说明,增施氮肥能提升弱筋小麦的产量品质,但过高的氮肥施用在带来高产的同时会使弱筋小麦籽粒蛋白质含量过高。

4 结论

施氮量的增加能优化小麦生长特性指标,促进干物质积累与转运,从而提高小麦产量。氮肥能促进小麦对氮素的吸收同化,提升小麦品质指标;但施氮量增多会降低小麦对氮肥的响应度,降低氮素利用效率。安徽省沿淮稻茬弱筋小麦在225 kg·hm-2施氮量下能兼顾弱筋小麦的高产优质生产,但受限于品种和地域原因,仍需进一步调整品种和施氮量幅度以探究安徽省沿淮稻茬麦区的最佳施氮量。