氮肥運籌對稻茬小麥氮素轉運、干物質積累、產量及品質的影響

趙 艷，羅 錚，楊 麗，王貝貝，李凌雨，王 犇，馬尚宇，樊永惠，黃正來，張文靜

(農業部黃淮南部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室/安徽農業大學農學院，安徽合肥 230036)

江淮地區是我國稻茬小麥(TriticumaestivumL.)的主產區，提高江淮地區小麥產量對保障我國糧食安全具有重要意義[1]。實際生產中，為求高產使得氮肥施用量過高，導致小麥產量及品質與施氮量未能保持同步增加[2-4]。1999—2019年中國小麥總產量增加了17.32%，而化肥用量增加了31.03%(https://data.stats.gov.cn)。氮素是作物生產的主要驅動力和限制因素[5-6]，合理施用氮肥可以顯著提高小麥籽粒產量和干物質量[7]，優化施氮量和基追比例對小麥氮素與干物質積累、轉運及產量和品質有顯著調節效應[8]，因此探究適合江淮地區稻茬小麥生長發育的施氮量和基追比例，對提高氮素利用效率以及促進小麥高產優質具有重要意義。

研究表明，優化氮肥運籌顯著提高了小麥花后營養器官氮素轉運量和花后干物質積累量[9]；同一施氮量下，適當增加基追比例有利于促進花后營養器官中氮素向籽粒轉運[10]，提高氮素利用效率[11]。另有研究認為，減少氮肥施用次數，增大基施氮肥量可以提高氮肥利用效率[12]；合理的施氮量及其運籌方式能保證小麥獲得高產、穩產，同時提高氮肥利用率[13]；提高稻茬麥區弱筋小麥產量，改善籽粒品質[14]；適當增加施氮量及追肥比例可有效增加干物質量[15]，提高小麥產量和籽粒蛋白質含量[16]。本題組前期研究表明，施氮量180～270 kg·hm-2為提高江淮地區稻茬小麥產量和品質的適宜施氮范圍[17]。為了篩選出適合江淮稻麥輪作區域小麥種植的最優氮肥運籌模式，本試驗在課題組前期研究基礎上，選用江淮區域種植面積比較大的小麥品種揚麥20，在施氮量 180～270 kg·hm-2范圍內設置不同基追比例，研究施氮量和基追比例對稻茬小麥氮素轉運、干物質分配以及產量和籽粒蛋白質含量的影響，以期為江淮地區稻茬小麥高產栽培中氮肥的合理運籌提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年11月—2019年6月在安徽農業大學皖中試驗站(安徽省合肥市廬江縣，117°01′E，30° 57′N)進行，土壤為砂黃土，土地平整且土層深厚，地力中等偏上。前茬作物為水稻，播種前試驗田土壤養分含量如表1所示。

1.2 試驗設計

選擇當地種植面積較大的小麥品種揚麥20(由江蘇省里下河地區農業科學院選育)作為供試品種，采用二因素裂區設計，以施氮量為主區，設180 kg·hm-2(N1)、225 kg·hm-2(N2)和270 kg·hm-2(N3)三個水平；基追比例為副區，設氮肥基肥∶拔節肥6∶4(R1)、5∶5(R2)和4∶6(R3)三個處理，氮肥為含氮46%尿素，不施氮肥處理(N0)為對照，用于計算氮肥利用效率。播前基施磷肥(P2O5)90 kg·hm-2，鉀肥(K2O)150 kg·hm-2，其他田間管理措施同當地高產大田。小區四周插入高度為40 cm的隔離板，使其深入土壤下20 cm。兩年播種時間分別為2017年11月5日和2018年11月6日。每小區面積為 20 m2，基本苗375×104株·hm-2，重復3次。

表1 播前試驗田土壤養分含量Table 1 Soil nutrient content of the test field before sowing

1.3 測定項目和方法

1.3.1 小麥植株干物質積累量及含氮量測定

于小麥開花期和成熟期，每小區取生長發育一致的單莖30個，開花期按照莖鞘、葉片、穗3個器官進行分樣，成熟期按照莖鞘、葉片、穗軸+穎殼、籽粒4個器官進行分樣，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，計算干物質積累量。用分析型研磨儀(IKA A11 basic)和電動粉碎機(FSD-100A)粉碎，分別稱取0.1 g，用濃H2SO4和H2O2消煮后使用全自動凱氏定氮儀(VELP UDK169)測定N含量。重復3次。相關指標計算公式如下：

營養器官干物質轉運量=開花期營養器官干物質積累量-成熟期營養器官干物質積累量

花后干物質積累量=成熟期籽粒干物質積累量-營養器官干物質轉運量

花后干物質積累量對籽粒產量貢獻率=花后干物質積累量÷成熟期籽粒干物質積累量×100%

氮素積累量=氮素含量×干物質積累量

氮素分配比率=不同器官氮素積累量÷整株氮積累量×100%

氮素利用率=[(施肥小區地上部植株氮積累量-不施肥小區地上部植株氮積累量)/總施氮量]×100%

氮收獲指數=籽粒氮積累量÷整株氮積累量

花前營養器官氮素轉運量=開花期營養器官氮素積累量-成熟期營養器官氮素積累量

氮素轉運效率=花前營養器官氮素轉運量÷開花期營養器官氮素積累量×100%

轉運氮素對籽粒氮素貢獻率=花前營養器官氮素轉運量÷成熟期籽粒氮素積累量×100%

1.3.2 產量及其構成因素測定

成熟期在各小區選取1 m雙行調查穗數，隨機取40個單莖脫粒后計算穗粒數；收取2 m2麥穗，脫粒、風干后稱重，計算產量；用數粒板隨機數1 000粒測千粒重，重復3次。

1.3.3 小麥品質指標測定

小麥蛋白質含量、濕面筋含量、穩定時間、形成時間和沉降值用近紅外谷物分析儀(Perten Instruments DA7200)測定。

1.4 數據分析

采用Excel 2003進行數據整理及圖表繪制，用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 氮肥運籌對稻茬小麥氮素分配比率的影響

施氮量和基追比例及其交互作用顯著影響了氮素在小麥開花期和成熟期不同器官中的分配比率(表2)。在基追比例6∶4下，施氮量為225 kg·hm-2時，氮素在成熟期籽粒中分配比率最高，在莖鞘中分配比率較低；在基追比例5∶5下，施氮量為270 kg·hm-2時，氮素在開花期葉片和成熟期穗軸+穎殼中分配比率較高，在籽粒中分配比率最低；在基追比例4∶6下，以施氮量為180 kg·hm-2時氮素在開花期穗部和成熟期籽粒中分配比率較高。在施氮量225 kg·hm-2和施氮量270 kg·hm-2處理中，與基追比例6∶4相比，增加追肥比例降低了氮素在成熟期籽粒的分配比率，而增加了氮素在成熟期營養器官的分配比率。本試驗條件下，施氮量225 kg·hm-2、基追比例 6∶4是提高成熟期籽粒氮素分配比率的最優氮肥運籌模式。

表2 氮素在小麥不同器官的分配比率Table 2 Distribution ratio of nitrogen in different organs of wheat %

2.2 氮肥運籌對稻茬小麥氮素轉運特征的影響

施氮量和基追比例及其交互作用顯著影響小麥氮素利用率、氮收獲指數、氮素轉運效率和轉運氮素對籽粒氮素的貢獻率(2017-2018年度基追比例對氮素轉運效率和轉運氮素對籽粒氮貢獻率除外)(表3)。相同基追比例下增施氮肥后，氮素利用率呈先升后降趨勢，以施氮量225 kg·hm-2處理最高，180 kg·hm-2次之，270 kg·hm-2最低；在基追比例6∶4下，隨著施氮量的增加，氮收獲指數和氮素轉運效率呈先升高后下降趨勢，施氮量225 kg·hm-2處理最高，兩年平均二者均顯著高于其他處理；在基追比例5∶5下，氮收獲指數以施氮量270 kg·hm-2處理最低；在基追比例 4∶6下，氮收獲指數和氮素轉運效率以180 kg·hm-2處理最高。在施氮量180 kg·hm-2時，氮素利用率以基追比例6∶4處理最高，氮素轉運效率和轉運氮素對籽粒的貢獻率隨著追肥比例的增加呈上升趨勢，以基追比例 4∶6最高， 5∶5處理次之，6∶4處理最低；在施氮量225 kg·hm-2和270 kg·hm-2時，氮素利用率、氮收獲指數和氮素轉運效率以基追比例 6∶4最高。綜上所述，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4組合處理是提高氮素利用率和氮素轉運效率的最佳氮肥運籌模式。

2.3 氮肥運籌對稻茬小麥成熟期各器官干物質分配量和比例的影響

由表4可以看出，施氮量和基追比例及二者交互作用均顯著影響了成熟期小麥干物質在不同器官的分配量及分配比例。同一基追比例下增施氮肥，小麥干物質在莖鞘+葉片、穗軸+穎殼中的分配量持續升高，表現為施氮量270 kg·hm-2處理最高，施氮量225 kg·hm-2處理次之，施氮量180 kg·hm-2處理最低；而干物質在籽粒中的分配量表現為施氮量225 kg·hm-2處理最高，施氮量270 kg·hm-2處理次之，施氮量180 kg·hm-2處理最低。相同施氮量下，莖鞘+葉片、穗軸+穎殼等營養器官中成熟期干物質分配量隨著追肥比例的增加呈上升趨勢，表現為基追比例4∶6處理最高，5∶5處理次之，6∶4處理最低，而籽粒中干物質分配量隨著追肥比例的增加呈下降趨勢，表現為基追比例6∶4處理最高， 5∶5處理次之，4∶6處理最低。其中施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理的小麥籽粒中干物質分配量顯著高于其他處理，且所占比例較高，而營養器官中干物質分配量及所占比例較低，是促進營養器官中干物質轉運的最佳氮肥運籌模式。

表3 不同氮肥運籌下小麥的氮素轉運特征Table 3 Characteristics of nitrogen transport in wheat under different nitrogen fertilizer management

表4 不同氮肥運籌下成熟期小麥不同器官單莖干物質的分配量和比例Table 4 Allocation and proportion of dry matter in different organs of wheat at maturity under different nitrogen fertilizer management

2.4 氮肥運籌對稻茬小麥花后干物質積累的影響

施氮量和基追比例顯著影響了小麥花后干物質積累量及其對籽粒產量的貢獻率。同一基追比例下增施氮肥，花后干物質積累量及其對籽粒產量的貢獻率表現為先增高后降低，以施氮量225 kg·hm-2處理最高，270 kg·hm-2次之，180 kg·hm-2最低。相同施氮量下隨著追肥比例的升高，花后干物質積累量及其對籽粒產量的貢獻率表現規律為持續下降，表現為基追比例6∶4處理最高，5∶5處理次之， 4∶6處理最低，施氮量180 kg·hm-2，基追比例 4∶6處理花后干物質的積累量及其對籽粒產量的貢獻率顯著低于其他組合處理。施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4組合處理的花后干物質積累量及其對籽粒的貢獻率顯著高于其他組合處理，可作為提高花后干物質積累的最優氮肥運籌模式。

圖1 不同氮肥運籌下小麥花后干物質積累量及其對籽粒產量的貢獻率

2.5 氮肥運籌對稻茬小麥產量及其構成因素的影響

由表5能夠得出，施氮量對產量及其構成因素均有顯著效應；基追比例及其與施氮量的交互作用均顯著影響了小麥產量及穗數。同一基追比例下增施氮肥，小麥產量及穗數、穗粒數呈現先升后降的趨勢，表現為施氮量225 kg·hm-2處理下最高，270 kg·hm-2下次之，180 kg·hm-2下最低。同一施氮量下隨著追肥比例的升高，小麥穗數、千粒重以及產量呈下降趨勢，表現為基追比例6∶4下最高，基追比例5∶5下次之，基追比例4∶6下最低。其中在施氮量180 kg·hm-2、基追比例 4∶6組合小麥穗數、千粒重及產量低于其他組合；在施氮量225kg·hm-2、基追比例6∶4組合下，小麥穗數、穗粒數及產量顯著高于其他處理，千粒重高于其他處理，與施氮量180 kg·hm-2，基追比例4∶6組合相比，兩年度產量提高了21.01%和20.01%。施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理是提高小麥籽粒產量的最佳氮肥運籌。

表5 不同氮肥運籌下的小麥產量及其構成因素Table 5 Yield and its components of wheat under different nitrogen fertilizer management

2.6 氮肥運籌對稻茬小麥籽粒品質的影響

由表6可知，施氮量和基追比例顯著影響了小麥籽粒的蛋白質含量。相同基追比例下，增施氮肥有利于小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和沉降值的提高，表現為施氮量270 kg·hm-2下最高，225 kg·hm-2下次之，180 kg·hm-2下最低，且施氮量270 kg·hm-2處理的蛋白質、濕面筋和沉降值顯著高于施氮量180 kg·hm-2處理。蛋白質和濕面筋含量在施氮量180 kg·hm-2和225 kg·hm-2時以基追比例6∶4最高，在施氮量270 kg·hm-2時，蛋白質和濕面筋含量以基追比例4∶6最高。施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理小麥蛋白質含量、濕面筋含量和沉降值較高，同時符合弱筋小麥標準要求。

表6 不同氮肥運籌下小麥籽粒品質指標Table 6 Grain quality index of wheatunder different nitrogen fertilizer management

2.7 小麥千粒重和產量與花后干物質積累量和氮素轉運量的關系

由圖2可知，小麥千粒重和產量與花后干物質積累量和氮素轉運量均呈線性極顯著正相關，即小麥千粒重和產量隨著花后干物質積累量、氮素轉運量的增加而增加。2017—2018年度和2018—2019年度產量與花后干物質積累量之間的R2分別為 0.80和0.76，產量與氮素轉運量之間的R2分別為0.80和0.83，表明較高的花后干物質積累量和氮素轉運量是提高稻茬小麥千粒重和產量的關鍵。

3 討 論

3.1 氮肥運籌對稻茬小麥氮素積累、轉運及干物質分配的影響

促進氮素轉運和花后干物質積累是提高小麥產量的有效途徑[18-19]。研究表明，氮肥利用率隨著施氮量增加呈先增后降趨勢[20]，適當增施氮肥有利于促進花后干物質積累、提高氮素轉運效率[9,21]；在施氮量0～225 kg·hm-2范圍內增施氮肥有利于促進小麥干物質積累[22]；施氮量為225 kg·hm-2時，稻茬小麥氮肥利用率較高[23]。在本試驗中，相同基追比例下，在施氮量180～270 kg·hm-2內增施氮肥，氮素利用率、花后干物質積累量及其對籽粒產量的貢獻率呈先升高后下降趨勢，以施氮量為225 kg·hm-2處理最高，與前人研究結果一致[16]。施氮量過高可能導致氮素滯留在營養器官或土壤中，從而降低氮素利用效率[24-25]。調整基肥與追肥比例能夠提高氮肥農學效率和施肥效益[26]，提高花后干物質積累量，促進營養器官中干物質向籽粒的轉運[27-28]。前人研究表明，適當降低施氮量并提高基肥比例，

n=10; **:P<0.01.

可以實現稻茬小麥產量和氮素利用效率的同步提高[29]，增加氮肥追施比例，花后干物質積累量對籽粒產量的貢獻率呈先增后降趨勢[16]。李欣欣等[10]研究認為，施氮量225 kg·hm-2、基追比例5∶5時，植株總吸氮量和總氮轉運量最高。本研究結果顯示，施氮量225 kg·hm-2、基追比例 6∶4處理顯著提高了小麥氮素利用率、籽粒中干物質分配量以及花后干物質積累量，表明合理的施氮量及其運籌方式能夠有效地促進營養器官中氮素向籽粒的轉運、提高花后干物質積累量對籽粒產量的貢獻率。也有研究表明，增加追肥比例有利于提高氮肥利用效率[10]，這可能與土壤基礎地力、環境、品種等有關。

3.2 氮肥運籌對稻茬小麥產量和品質的影響

有研究認為，氮肥的合理運籌與優質高產密切相關，產量和施氮量之間呈二次曲線關系[30]，在0～300 kg·hm-2范圍內增施氮肥，施氮量超過210 kg·hm-2時，稻茬小麥產量增加不顯著[31]。在本試驗中，在180～270 kg·hm-2范圍內增施氮肥，小麥產量呈先升后降趨勢，以施氮量為225 kg·hm-2時小麥產量最高。這可能是由于施氮量過高會加速氮肥流失，造成氮肥回收率和土壤殘留率下降，從而導致小麥減產[32-33]。研究顯示，優化施氮運籌方式能夠有效增加小麥穗數并提高產量[34]，如在施氮量為210 kg·hm-2，基追比例在1～2之間時小麥增產達76.3%[35]，施氮量為300 kg·hm-2時，氮肥基追比例增加到6∶4時，小麥分蘗數和成穗率達到最大[36]。本研究中，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理小麥穗數和產量最高，施氮量180 kg·hm-2、基追比例4∶6時小麥穗數最低，可能是由于基施氮肥量過少會影響小麥早期生長發育，降低群體數量，進而影響有效穗數，對小麥產量形成不利[37]。研究表明，優化施氮量和基追比例能較好地協調產量和品質之間的關系[8]，如施氮量180 kg·hm-2、基追比例6∶4時稻茬小麥產量較高，且籽粒蛋白質和濕面筋含量符合弱筋小麥國家標準[14]；施氮量225 kg·hm-2、追肥比例不超過50%，有利于同步提高寧麥9號籽粒產量和品質[16]。本試驗中，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理小麥產量顯著高于其他處理，同時籽粒蛋白質和濕面筋含量符合弱筋小麥標準，表明通過優化施氮運籌方式能夠協同實現小麥高產和優質。但由于地域差異，各地區需要因地制宜制定有針對性的氮肥運籌模式。

4 結 論

本試驗條件下，施氮量225 kg·hm-2、基追比例6∶4處理的氮素在籽粒中的分配比率、氮素利用率和氮收獲指數、花后干物質的積累量對籽粒產量的貢獻率均最高，且小麥產量顯著高于其他組合，籽粒蛋白質和濕面筋含量符合弱筋小麥標準，是適合江淮稻麥輪作區域小麥種植的最佳氮肥運籌模式。