節(jié)水灌溉模式下施肥量對小麥產(chǎn)量和加工品質(zhì)的影響

吳 強(qiáng)，張永平，謝 岷，高飛雁，趙志偉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)小麥常年播種面積占當(dāng)?shù)丶Z食作物總播種面積的50%以上[1]。長期以來，河套灌區(qū)小麥生產(chǎn)存在著大水漫灌、肥料濫用情況，限制了小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。眾所周知，磷和氮均為植物體內(nèi)的大量元素，參與構(gòu)成核酸、蛋白質(zhì)、磷脂等多種重要化合物，施用磷肥和氮肥對小麥的生長發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成、品質(zhì)形成等均具有顯著影響[2-4]。國內(nèi)外研究表明，磷肥和氮肥的施用均可顯著提升小麥的籽粒產(chǎn)量[5-8]。趙同凱等[9]研究表明，增施磷肥可顯著提高低、中等磷地塊的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，延長面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間，提高品質(zhì)評價(jià)值，改善加工品質(zhì)；但在高磷地塊，施磷量過大會(huì)導(dǎo)致小麥籽粒加工品質(zhì)降低。Xue等[10]與郭明明等[11]研究表明，適當(dāng)增加施氮量能提高強(qiáng)、中、弱3種筋型小麥的蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。相關(guān)研究表明，小麥的品質(zhì)形成與整個(gè)生育期內(nèi)氮素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)密不可分[12]。在小麥生育前期，磷肥能促進(jìn)小麥根系的伸長，從而促進(jìn)小麥對土壤氮和肥料氮的吸收，提高氮肥利用效率，增強(qiáng)小麥抗旱性[13]；氮肥可促進(jìn)葉片、莖稈等花前氮素儲(chǔ)存器官的生長發(fā)育，并提高植株總氮素積累量[14]。在小麥生育后期，磷肥能提高氮代謝相關(guān)酶的活性，增大氮素由營養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，加快營養(yǎng)物質(zhì)的重新分配與再利用，促進(jìn)光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和貯藏[15]；氮肥可延緩葉片衰老，延長植株上部葉片的功能期，增長灌漿期的同時(shí)提高群體光合效率，并提高氮素自營養(yǎng)器官輸送至籽粒的轉(zhuǎn)移率[16-17]。磷肥和氮肥在小麥品質(zhì)提升中相輔相成，協(xié)同發(fā)揮關(guān)鍵作用。

受土壤基礎(chǔ)肥力、施肥時(shí)期、肥料種類、氣候條件等眾多因素影響，前人研究得到的小麥最佳施肥量存在較大差異[5-11,18]，對河套灌區(qū)小麥?zhǔn)┓实膮⒖純r(jià)值有限。而且目前有關(guān)河套灌區(qū)充分灌溉下單一肥料對小麥產(chǎn)量、品質(zhì)影響的研究較多[19-20]，而對節(jié)水灌溉條件下氮、磷互作的研究尚不多見。為此，本研究在河套灌區(qū)前期研究建立的“春小麥高產(chǎn)節(jié)水灌溉模式[21]”基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究磷、氮肥施用量及其互作對小麥產(chǎn)量和加工品質(zhì)的影響，以期為河套灌區(qū)春小麥節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)栽培技術(shù)體系的建立提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(zhèn)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤類型為壤土，基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)含量19.63 g/kg，堿解氮含量53.74 mg/kg，有效磷含量25.86 mg/kg，速效鉀含量147.98 mg/kg；土壤pH 7.67。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為中強(qiáng)筋小麥品種永良4號。試驗(yàn)設(shè)磷肥和氮肥兩因素：磷肥作種肥，有效磷(P2O5)施用量設(shè)5個(gè)水平，分別為0(P0)，32.5(P1)，65.0(P2)，97.5(P3)，130.0(P4)kg/hm2，其中最大施用量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)施用量；氮肥作追肥于拔節(jié)期隨灌水一次性施入，純氮(N)施入量設(shè)5個(gè)水平，分別為0(N0)，60(N1)，120(N2)，180(N3)，240(N4)kg/hm2，其中最大施用量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)施用量。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共25個(gè)處理組合，3次重復(fù)，共75個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為20 m2。人工開溝播種，行距15 cm，基本苗設(shè)為750萬株/hm2。播種期為3月14日，成熟期為7月15日。試驗(yàn)地前茬作物為高粱。生育期內(nèi)灌水采用節(jié)水灌溉模式，即拔節(jié)期和開花期灌水2次，每次灌水900 m3/hm2。其他管理措施同常規(guī)大田栽培小麥。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 開花期農(nóng)藝性狀 小麥開花期，每個(gè)小區(qū)采用SPAD-502(日本Minolta公司)測定葉片葉綠素相對含量(SPAD值)，采用CIRAS-3光合儀(英國PP-System公司)測定葉片凈光合速率，采用SS1 SunScan冠層分析儀(美國Eelta-T公司)測定葉面積指數(shù)。每個(gè)小區(qū)取50 cm標(biāo)記樣段，記錄株數(shù)和莖數(shù)，并取20株，分別測量主莖株高、莖粗及所有葉片(含旗葉)的葉長、葉寬和葉面積，單株葉面積為單株小麥所有葉片面積的總和。剪去標(biāo)記樣段的根系，將剩余地上部分置于80 ℃烘箱烘干并稱量干質(zhì)量，除以20株小麥的平均占地面積后換算成單位面積的地上部干物質(zhì)量。

1.3.2 產(chǎn)量及考種 小麥蠟熟末期，在每個(gè)小區(qū)取2 m2樣點(diǎn)，單獨(dú)收獲，統(tǒng)計(jì)總穗數(shù)；晾曬后使用機(jī)械脫粒并稱質(zhì)量，采用烘干法測定籽粒含水率，然后按含水率13%校正籽粒質(zhì)量，換算為實(shí)際產(chǎn)量；各小區(qū)取有代表性的50 cm樣段進(jìn)行考種，考察穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量。

1.3.3 籽粒品質(zhì)指標(biāo) 小麥?zhǔn)斋@晾曬后儲(chǔ)藏2個(gè)月。每處理小區(qū)取200 g籽粒，使用DA7250型近紅外(NIR)谷物分析儀(瑞典Perten公司)測定以下品質(zhì)指標(biāo)：籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、容重、出粉率、吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、最大抗延阻力、拉伸面積和延展性。

1.3.4 蛋白質(zhì)產(chǎn)量 蛋白質(zhì)產(chǎn)量=籽粒產(chǎn)量×籽粒蛋白質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行匯總、計(jì)算等基礎(chǔ)分析，方差分析及產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量與籽粒品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析使用SPSS Statistics 26.0，二元二次擬合回歸分析及繪圖使用MATLAB 2019b。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷、氮肥對小麥開花期農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，小麥開花期農(nóng)藝性狀在不同施肥組合間存在明顯差異，其中變異系數(shù)較大的指標(biāo)有凈光合速率、旗葉面積、葉面積指數(shù)，分別為18.23%，16.18%和15.45%。與不施肥處理P0N0相比，施肥處理的植株形態(tài)指標(biāo)(株高、莖粗、旗葉長、旗葉寬、旗葉面積、單株葉面積)、群體指標(biāo)(葉面積指數(shù)、干物質(zhì))及生理指標(biāo)(相對葉綠素含量、凈光合速率)均有不同程度提高。株高隨施磷量的增加呈先升高后降低的趨勢，隨施氮量的增加而增大；其余指標(biāo)隨施磷量和施氮量的增加，總體表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。相關(guān)分析表明，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與株高、莖粗、旗葉長、單株葉面積、葉面積指數(shù)、葉綠素相對含量、凈光合速率呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，表明良好的植株形態(tài)、群體結(jié)構(gòu)以及光合生理是小麥優(yōu)質(zhì)的重要前提。

表1 不同施磷量和施氮量下小麥開花期的農(nóng)藝性狀

2.2 磷、氮肥對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同施磷量和施氮量下小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素如表2所示。

表2 不同施磷量和施氮量下小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

表2表明，施磷量對小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)及產(chǎn)量影響均達(dá)顯著或極顯著水平，對千粒質(zhì)量的影響未達(dá)顯著水平。不施磷處理P0的小麥產(chǎn)量最低，為5 217.5 kg/hm2，施磷處理P1、P2、P3、P4較不施磷處理P0分別增產(chǎn)11.8%，17.5%，16.7%和8.8%。施氮量對小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平，不施氮處理N0產(chǎn)量為4 320.2 kg/hm2，施氮處理N1、N2、N3、N4較不施氮處理N0分別增產(chǎn)28.4%，43.4%，52.8%和45.4%。從增產(chǎn)效果來看，本試驗(yàn)條件下磷肥的增產(chǎn)效果遠(yuǎn)不及氮肥。小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素隨施磷量、施氮量的增加整體上均表現(xiàn)為先升高后降低的二次曲線變化趨勢，表明適當(dāng)增施磷肥和氮肥均可顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量，但過量施用會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。產(chǎn)量受氮磷互作效應(yīng)影響達(dá)極顯著水平，表明施磷量和施氮量間存在相互制約，改變施磷量會(huì)使最佳施氮量改變。

2.3 磷、氮肥對小麥加工品質(zhì)的影響

2.3.1 對小麥一次加工品質(zhì)的影響 不同施磷量和施氮量下小麥的一次加工品質(zhì)見表3。

表3 不同施磷量和施氮量下小麥的一次加工品質(zhì)

由表3可知，施磷量和施氮量及其互作對蛋白質(zhì)含量的影響均達(dá)極顯著水平，但對出粉率、容重均無顯著影響。蛋白質(zhì)含量隨施磷量的增加呈先升高后降低的趨勢，于P1處理達(dá)到最大值，施磷處理P1和P2蛋白質(zhì)含量較不施磷(P0)處理分別增加2.1%和3.8%，而施磷處理P3、P4蛋白質(zhì)含量較不施磷(P0)處理分別降低0.1%和6.5%，表明適宜增施磷肥可以提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，但施磷量過大則導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量不增反降。與施磷量不同的是，蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加呈線性增加趨勢，N1、N2、N3、N4處理的蛋白質(zhì)含量較不施氮處理(N0)依次提高8.4%，11.2%，12.4%和14.9%，表明增施氮肥對蛋白質(zhì)含量的提升是有利的，且在一定范圍內(nèi)施氮量越高，蛋白質(zhì)含量提升幅度越大。小麥一次加工品質(zhì)受施磷量、施氮量及其互作影響的程度也表現(xiàn)為施氮量>施磷量>氮磷互作。

2.3.2 對小麥二次加工品質(zhì)的影響 方差分析結(jié)果(表4)表明，施磷量對濕面筋含量、面團(tuán)形成時(shí)間、沉降值、拉伸面積、延展性、最大抗延阻力等6項(xiàng)二次加工品質(zhì)指標(biāo)的影響達(dá)顯著或極顯著水平。二次加工品質(zhì)隨施磷量的增加表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢，但不同指標(biāo)達(dá)到最高點(diǎn)的施磷量并不一致。濕面筋含量、面團(tuán)形成時(shí)間、延展性達(dá)到最大值的施磷量處理為P1，與蛋白質(zhì)質(zhì)量密切的面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、拉伸面積達(dá)到最大值的施磷量處理為P2，吸水率、最大抗延阻力達(dá)到最大值的施磷量處理為P3。當(dāng)施磷量自P1增至P2，蛋白質(zhì)含量雖略微下降，但差異并不顯著，且蛋白質(zhì)質(zhì)量有所提升。說明，在一次加工品質(zhì)達(dá)到最佳的施磷量基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大施磷量有利小麥二次加工品質(zhì)的提升。

表4 不同施磷量和施氮量下小麥的二次加工品質(zhì)

施氮量對所有測定的二次加工品質(zhì)指標(biāo)影響均達(dá)顯著或極顯著水平。整體來看，各項(xiàng)二次加工品質(zhì)指標(biāo)隨施氮量的增加呈持續(xù)升高趨勢，不施氮處理N0的各項(xiàng)二次加工品質(zhì)均表現(xiàn)為最低，而最大施氮量處理N4則表現(xiàn)為最高，與蛋白質(zhì)含量的變化規(guī)律一致。施氮量的增加不僅提高了小麥的一次加工品質(zhì)，對小麥二次加工品質(zhì)的提高也具有顯著促進(jìn)作用。氮磷互作效應(yīng)對吸水率、拉伸面積、最大抗延阻力的影響未達(dá)顯著水平，對其余二次加工品質(zhì)指標(biāo)的影響均達(dá)顯著或極顯著水平。

2.3.3 小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量與籽粒品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性 相關(guān)分析(表5)表明，容重與最大抗延阻力呈顯著正相關(guān)，與出粉率呈極顯著正相關(guān)，但與其余品質(zhì)指標(biāo)及產(chǎn)量無顯著相關(guān)關(guān)系。蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量、吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、沉降值、拉伸面積、延展性和最大抗延阻力均呈顯著或極顯著正相關(guān)。因此，蛋白質(zhì)含量可直接評估小麥籽粒加工品質(zhì)的優(yōu)劣。蛋白質(zhì)含量與小麥籽粒產(chǎn)量也存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明適當(dāng)增施氮肥和磷肥對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的協(xié)同提高具有正效應(yīng)。

表5 小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量與籽粒品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

2.4 小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量與磷、氮肥施用量的關(guān)系

將小麥產(chǎn)量(Y1)、蛋白質(zhì)產(chǎn)量(Y2)與施磷量(XP)、施氮量(XN)進(jìn)行二元二次擬合回歸分析，得到如下回歸方程：

產(chǎn)量和蛋白產(chǎn)量回歸方程的R2分別達(dá)到了0.986和0.935，表明方程擬合度較好，能反映磷、氮肥施用量與小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量的關(guān)系(圖1)。通過MATLAB軟件調(diào)用“-(fminsearch)”函數(shù)，分別求得兩個(gè)回歸方程的極大值及其對應(yīng)的氮、磷肥施用量，即當(dāng)施磷量為72.5 kg/hm2、施氮量為181.7 kg/hm2時(shí)，可獲得最高籽粒產(chǎn)量6 877.1 kg/hm2；當(dāng)施磷量為66.2 kg/hm2、施氮量為193.3 kg/hm2時(shí)，可獲得最高蛋白質(zhì)產(chǎn)量1 118.7 kg/hm2。小麥優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)統(tǒng)一的適宜施磷(P2O5)量為66.2～72.5 kg/hm2，施氮(純N)量為181.7～193.3 kg/hm2。最高產(chǎn)量較農(nóng)戶常規(guī)施肥量(P4N4處理)的產(chǎn)量(6 118.4 kg/hm2)增加12.4%，最高蛋白質(zhì)產(chǎn)量較P4N4處理(966.7 kg/hm2)增加15.7%，同時(shí)減少施磷量44.3%～49.1%，減少施氮量19.5%～24.3%。

圖1 施磷量、施氮量與小麥籽粒產(chǎn)量(左)和蛋白質(zhì)產(chǎn)量(右)的響應(yīng)曲面

3 討 論

作物產(chǎn)量是由單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量3個(gè)因素共同構(gòu)成[22]。施磷量和施氮量通過提高小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)而提高小麥籽粒產(chǎn)量[23]，但施磷量和施氮量對小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的影響程度并不一致。馬清霞等[24]研究表明，合理施磷對小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響因地區(qū)而異，但多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為施磷量對小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)有顯著的促進(jìn)作用，而對千粒質(zhì)量無顯著影響。馬瑞琦等[25]研究表明，適宜的施氮量可以協(xié)調(diào)提高穗數(shù)、穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量,進(jìn)而顯著提高小麥產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，施磷量顯著影響小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)，而施氮量則對穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量均具有顯著影響，這與前人的研究結(jié)論基本一致。磷肥和氮肥合理配施可促進(jìn)小麥根莖生長及分蘗與穗花發(fā)育，從而提高穗數(shù)、穗粒數(shù)，延長灌漿期，提高灌漿速率及千粒質(zhì)量，進(jìn)而全面提升小麥產(chǎn)量[26-27]。

長期以來，我國小麥生產(chǎn)中常追求高產(chǎn)而忽視了品質(zhì)，致使小麥的供給與需求脫節(jié)，出現(xiàn)了普通小麥積壓而優(yōu)質(zhì)小麥依賴進(jìn)口的現(xiàn)象。小麥籽粒品質(zhì)包括形態(tài)品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)3個(gè)方面，其中加工品質(zhì)直接決定面食品的質(zhì)量。有研究表明，適宜的施磷量可明顯改善小麥加工品質(zhì)，但營養(yǎng)品質(zhì)不受影響[28-29]。當(dāng)施磷過量時(shí)，濕面筋含量與沉降值會(huì)降低，致使小麥籽粒加工品質(zhì)變劣。本研究中小麥籽粒的一、二次加工品質(zhì)隨施磷量的增加表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，這與前人的研究結(jié)果相近。Noureldin等[30]與Yang等[31]研究表明，在一定范圍內(nèi)小麥加工品質(zhì)與氮肥用量呈正相關(guān)，隨施氮量的增加，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、干濕面筋含量、沉淀值、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和面團(tuán)拉力等品質(zhì)指標(biāo)同步升高，但過量施氮?jiǎng)t使品質(zhì)降低。本研究中小麥品質(zhì)隨施氮量的增加而提高，并未出現(xiàn)降低趨勢，這一點(diǎn)與前人研究結(jié)論并不一致，可能原因是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最高施肥量為農(nóng)戶常規(guī)施肥量，施氮量仍低于品質(zhì)最佳時(shí)的施氮量。

本研究發(fā)現(xiàn)，磷肥對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的改良效果不及氮肥，小麥產(chǎn)量和品質(zhì)受施磷量和施氮量影響表現(xiàn)為施氮量>施磷量>氮磷互作，這與張煥軍等[32]和齊尚紅等[33]的研究結(jié)論相同。多項(xiàng)研究表明，產(chǎn)量水平是探討施磷量和施氮量對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的重要前提[34-37]。不同產(chǎn)量水平(低、中、高)對磷肥和氮肥的需求存在較大差異，在土壤基礎(chǔ)營養(yǎng)極度虧缺的條件下，磷素是維持小麥基礎(chǔ)代謝、生長發(fā)育并形成產(chǎn)量的基本限制因素；在產(chǎn)量進(jìn)入中高產(chǎn)階段，磷肥、氮肥互相作用，共同促進(jìn)小麥的生長發(fā)育，產(chǎn)量和品質(zhì)同步提高，這也正是本研究相關(guān)分析得出產(chǎn)量與品質(zhì)呈顯著正相關(guān)的直接原因；當(dāng)產(chǎn)量進(jìn)入高產(chǎn)或更高產(chǎn)階段，營養(yǎng)生長與生殖生長的矛盾與協(xié)調(diào)難度加大，導(dǎo)致產(chǎn)量與品質(zhì)、積累與分配處于矛盾之中，產(chǎn)量與品質(zhì)的負(fù)向關(guān)系就凸顯出來，此階段若蛋白質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到最大，則可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)的相對統(tǒng)一。本研究通過回歸分析分別求得了籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量最大時(shí)分別對應(yīng)的施磷量和施氮量，優(yōu)化了河套灌區(qū)春小麥實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)統(tǒng)一的施肥量。

4 結(jié) 論

磷肥和氮肥合理配施有利于小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的協(xié)同提高。綜合分析表明，河套灌區(qū)節(jié)水灌溉模式下小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)相統(tǒng)一的施磷量為66.2～72.5 kg/hm2，施氮量為181.7～193.3 kg/hm2。與農(nóng)戶常規(guī)施肥模式相比，該施肥模式施磷量減少44.3%～49.1%，施氮量減少19.5%～24.3%，小麥增產(chǎn)12.4%。