拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥產量和品質的影響

吳金芝,李淑靖,李國強,黃 明,付國占,李友軍,蔣 向,馮 曄

(1.河南科技大學 農學院,河南 洛陽 471023;2.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所,河南 鄭州 450002;3.河南省農業技術推廣總站,河南 鄭州 450002)

小麥作為我國居民的主要口糧之一,其產量和品質表現直接影響糧食安全和人們膳食結構。旱地小麥占我國小麥總播種面積的1/3,面積高達6×106hm2[1]。然而,在廣大旱地小麥產區,普遍存在水資源缺乏且與麥季錯位、水分匱乏致使追肥困難、栽培管理相對粗放等問題,致使小麥產量低而不穩、品質穩定性較差[2]。因此,探索提高旱地小麥產量和品質的技術措施具有重要意義。

水分不足是影響小麥產量品質形成的最主要因素[3]。前人研究表明,水分的盈虧會影響小麥產量和品質[4-5],且這一過程與氮素積累轉運關系密切[6-7]。近年來, 中國和河南省都正在大規模推進高標準農田建設,已有相當部分旱地麥田可以在麥季進行適量但不充足的灌溉,這給旱地小麥高產優質生產帶來了機遇,但與之配套的灌溉施肥理論和技術研究尚缺乏應有的關注。隔溝灌溉是一種有效的節水灌溉技術[8],它通過順序間隔一定的灌水溝供水,不僅方便灌溉水的流動、提高灌溉效率,而且利于在額定灌水量的情況下增加灌溉水和氮肥的下滲深度[9],從而調控土壤水分和作物氮素吸收[10],進而影響葉片生理和光合特性[11],最終影響作物產量和品質。近年來,隨著施肥、播種一體化機械的發展[12],小麥溝播技術得到了廣泛應用[13-15],該技術一次性完成開溝、起壟、播種、鎮壓作業,可達到簡化操作、高效用水、增產增收的目的[14-15],其形成的壟溝微地形,為應用隔溝灌溉技術提供了機會。追施氮肥是促進小麥氮素積累,提高產量、品質的主要途徑[16-19]。拔節期追施氮肥可促進營養器官氮素向籽粒中轉運[17],提高小麥籽粒蛋白質含量,進而改善小麥加工品質[19]。亦有研究表明,灌溉方式和追施氮肥在提高小麥產量和品質方面具有明顯的互作效應[21-22]。然而,目前有關隔溝灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥產量、品質的影響效應尚鮮見報道。因此,本研究在小麥溝播的基礎上,于拔節期設置不灌溉不追氮肥、全溝灌溉不追氮肥、隔溝灌溉不追氮肥、全溝灌溉追施氮肥、隔溝灌溉追施氮肥5個處理,研究拔節期灌溉與否、灌溉方式和追施氮肥對旱地溝播小麥產量及其構成因素、主要品質性狀和地上部氮素積累、再轉運、分配的影響,為優化旱地小麥栽培技術提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省洛陽市孟津區小浪底鎮南達宿村(112.35°E,34.82°N),屬于半濕潤易旱地,土壤類型為褐土,年均降水量600 mm,60%左右集中于7—9月。試驗開始前,0～20 cm土層土壤基本肥力:有機質11.3 g/kg、全氮0.94 g/kg、堿解氮87.1 mg/kg、有效磷10.6 mg/kg、速效鉀128.3 mg/kg。試驗年度的降水量以及月平均最高、最低溫度如圖1,小麥生育期降水量為263.1 mm,屬于生育期降雨較多的年份。

圖1 2019—2020年度小麥生長季月降水量以及月平均最高、最低氣溫Fig.1 Monthly precipitation,max temperature and min temperature during wheat growing season in 2019—2020

1.2 試驗設計與田間管理

試驗于2019年10月—2020年6月進行,在小麥溝播種植的基礎上,于拔節期設置不灌溉不追氮肥、全溝灌溉不追氮肥、隔溝灌溉不追氮肥、全溝灌溉追施氮肥、隔溝灌溉追施氮肥5個處理,分別用NIND、EFIND、AFIND、EFITD、AFITD表示。不同處理的灌溉量和施肥量見表1。NI表示不灌溉;EFI是在所有播種溝都進行灌溉;AFI是在50%的播種溝(隔1溝灌1溝)進行灌溉;ND表示不追氮肥,TD是在拔節期灌溉前追施氮肥60 kg/hm2。小區面積20 m×6.1 m= 122 m2,3 次重復,隨機區組排列。于2020年3月22日,第2節抽出1 cm時進行灌溉,用機械水表讀數控制,精確到 0.01 m3,出水閥門工作壓力0.10～0.12 MPa,出水量為330～340 m3/(hm2·h)。采用2BMQF-6/12A免耕施肥播種機(洛陽市鑫樂機械設備有限公司),一次性完成開溝、起壟、施肥、播種、鎮壓,壟寬20 cm,高10 cm,溝寬14 cm,小麥條播于溝內,平均行距17 cm[15],基施肥料位于2行種子中間,深度10 cm。基肥為當地習慣的N∶P2O5∶K2O=23∶10∶6的復合肥,追施氮肥為尿素(N 46%),基肥和追肥量均參照當地大戶習慣用量,基施復合肥750 kg/hm2,追施氮肥60 kg/hm2。小麥品種為周麥36,播量為187.5 kg/hm2,于2019年10月13日播種,2020年6月2日收獲。其他管理按照當地豐產田進行。

表1 不同處理的灌溉量和施肥量Tab.1 The irrigation amount and fertilizer rate in different treatments

1.3 小麥植株氮素積累轉運分配特性的測定

參照黃明等[2]描述的方法進行,于小麥開花期和成熟期,在每個小區取4行具有代表性且長度為50 cm的植株樣品,統計莖蘗數后剪去根系,留取地上部,并將開花期樣品分成莖葉鞘和穗2個部分,成熟期樣品分成莖葉鞘、穗軸+穎殼和籽粒3個部分。樣品殺青(105 ℃)30 min后80 ℃烘至恒質量,測定干質量后將樣品粉碎。樣品含氮量采用H2SO4-H2O2方法消解,凱氏定氮法測定。氮素積累轉運分配有關計算公式[2,19]如下:

各器官氮素積累量(kg/hm2)=各器官樣品氮素含量× 各器官干物質質量;

某一時期地上部氮素積累總量(kg/hm2)=該時期各器官氮素積累量之和;

花前氮素轉運量(kg/hm2)=開花期氮素積累總量-成熟期營養器官氮素積累總量;

花前氮素轉運率=花前氮素轉運量/開花期氮素積累總量×100%;

花前氮素轉運對籽粒氮素的貢獻率=花前氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%;

花后氮素積累量(kg/hm2)=成熟期氮素積累總量-開花期氮素積累總量;

花后氮素積累對籽粒氮素的貢獻率=花后氮素積累量/成熟期籽粒氮素積累量×100%;

各器官氮素分配比例=各器官氮素積累量/成熟期氮素積累總量×100%。

1.4 小麥籽粒產量的測定

小麥成熟期,在各個小區隨機收割4個2 m×1.02 m的樣方,風干后脫粒并稱質量,取籽粒(50±5)g,65 ℃烘至恒質量,測定籽粒含水量,籽粒產量以12.5%的含水量折算公頃產量(kg/hm2)。同時,各小區隨機取100株小麥測定穗粒數和千粒質量。

1.5 小麥籽粒品質的測定

蛋白質含量(mg/g)為籽粒全氮含量乘以5.7。

小麥籽粒后熟2個月,采用Perten LM3100型磨粉機進行磨粉并測定出粉率;采用近紅外谷物分析儀(Foss Infratec TM 1241型)測量小麥濕面筋含量、沉降值、面團形成時間和吸水率。

1.6 統計分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據錄入和繪圖,采用SPSS 22軟件進行數據處理,用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥籽粒產量及其構成因素的影響

由表2可以看出,不同處理對旱地溝播小麥籽粒產量的影響主要來自穗粒數和千粒質量的變化,其次是穗數。與NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD和AFITD的穗數分別顯著提高9.48%,12.99%,12.50%,13.00%,但4個灌溉處理中僅AFITD較EFIND顯著提高3.21%。不同處理之間的穗粒數、千粒質量和產量差異均達顯著水平,與NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的穗粒數分別顯著提高22.77%,28.87%,38.02%,42.03%,千粒質量分別顯著提高8.60%,14.59%,17.58%,21.25%,產量分別顯著提高46.57%,67.72%,83.71%,95.88%,增幅因全溝灌溉變隔溝灌溉、不追氮肥到追施氮肥而增加。可見,拔節期灌溉和追施氮肥均可提高旱地溝播小麥的穗數、穗粒數、千粒質量和產量,且以隔溝灌溉結合追施氮肥的AFITD處理效果最好。

表2 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥籽粒產量及構成因素的影響Tab.2 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on grain yield and its components of furrow-seeding wheat in dryland

2.2 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥品質的影響

由表3可以看出,籽粒出粉率表現為EFIND>AFIND>AFITD>NIND>EFITD,但不同處理間差異不顯著。與NIND相比,AFIND和EFIND的籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、面團形成時間和吸水率均降低;EFITD的籽粒蛋白質含量、沉降值、面團形成時間顯著降低4.26%,7.34%,5.26%;AFITD的籽粒蛋白質含量和沉降值無顯著差異,但濕面筋含量、面團形成時間分別顯著提高5.93%,7.54%。隔溝灌溉與全溝灌溉相比,不追氮肥下各品質指標除沉降值顯著降低外均無顯著變化,追施氮肥下籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、面團形成時間分別顯著提高3.11%,3.49%,11.65%,13.52%。追施氮肥與不追氮肥相比,全溝灌溉下籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、面團形成時間分別顯著提高4.25%,10.08%,6.30%,沉降值和吸水率的增幅不顯著;隔溝灌溉下籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、面團形成時間、吸水率分別顯著提高9.00%,12.22%,21.51%,26.92%,7.30%。綜上,在不追氮肥條件下拔節期灌溉會使小麥品質變劣,而灌溉和追施氮肥結合可以改善品質,其對濕面筋含量、面團形成時間的調控效應突出,且以隔溝灌溉的效果優于全溝灌溉、追施氮肥的效果優于灌溉方式的改變。

表3 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥籽粒品質的影響Tab.3 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on grain quality of furrow-seeding wheat in dryland

2.3 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥開花期和成熟期氮素積累量的影響

由圖2可以看出,在小麥開花期, EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的氮素積累量與NIND相比分別顯著提高16.66%,12.61%,35.28%,34.96%,其中EFIND與AFIND之間無顯著差異,但均顯著低于EFITD和AFITD,后二者間亦無顯著差異,表明同一施氮條件下不同灌溉方式間開花期的氮素積累量并無顯著差異。在小麥成熟期,不同處理間的氮素積累量均達到差異顯著水平。與NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的氮素積累量分別提高25.94%,41.00%,65.86%,82.64%。隔溝灌溉與全溝灌溉相比,成熟期氮素積累量平均提高10.07%。追施氮肥與不追氮肥處理相比,成熟期氮素積累量平均提高28.79%。可見,拔節期灌溉和追施氮肥均可顯著提高小麥氮素積累量,且灌溉和追施氮肥的效應大于灌溉方式的改變。

不同小寫字母表示同一時期不同處理間的差異達到顯著水平(P<0.05)。Different small letters within a stage indicate significant difference at 0.05 level among treatments.

2.4 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥開花后氮素積累轉運特性的影響

拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥開花后的氮素積累轉運特性均具有顯著的調控作用(表4)。與NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的花前氮素轉運量分別提高15.94%,4.63%,30.16%,25.53%,除AFIND增幅不顯著外均達到顯著水平;花前氮素轉運率分別降低0.35,4.41,2.36,4.34百分點,隔溝灌溉下降幅均達顯著水平;花前氮素轉運對籽粒的貢獻率均顯著降低,降幅分別為9.77,26.62,23.87,33.13百分點。與NIND相比,EFIND、AFIND、EFITD、AFITD的花后氮素積累量分別顯著提高1.51,4.26,4.80,7.29倍,花后氮素積累對籽粒的貢獻率分別提高9.77,26.62,23.87,33.13百分點。隔溝灌溉較全溝灌溉,不追氮肥條件下,花前氮素轉運量、轉運率、花前氮素轉運對籽粒貢獻率均顯著降低,花后氮素積累量、花后氮素積累對籽粒的貢獻率分別顯著提高108.92%和16.85百分點;追施氮肥條件下,花前氮素轉運對籽粒的貢獻率顯著降低但轉運量和轉運率無顯著變化,花后氮素積累量、花后氮素積累對籽粒的貢獻率分別顯著提高42.81%和9.26百分點。追施氮肥與不追氮肥相比,花前氮素轉運率在全溝灌溉和隔溝灌溉處理下均無顯著變化,但花前氮素轉運量、花后氮素積累量、花后氮素積累對籽粒氮素的貢獻率分別顯著增加12.28%和19.99%,130.67%和57.68%,14.10,6.51百分點,除轉運量外追施氮肥的效應均表現為全溝灌溉大于隔溝灌溉。

表4 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥開花后氮素積累轉運特性的影響Tab.4 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on the characteristics of nitrogen accumulation and translocation after anthesis of furrow-seeding wheat in dryland

2.5 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥成熟期氮素分配特性的影響

拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥成熟期氮素分配特性也具有顯著的調控作用(表5)。小麥莖葉、穎殼和籽粒中的分配量均表現為NIND

表5 拔節期灌溉和追施氮肥對旱地溝播小麥成熟期氮素分配的影響Tab.5 Effects of irrigation and topdressing nitrogen at jointing stage on the nitrogen distribution at maturity of furrow-seeding wheat in dryland

3 結論與討論

小麥產量由單位面積穗數、穗粒數以及千粒質量組成,相互協調才能實現高產。前人研究表明,適量灌溉[6]、灌溉方式優化[10]和追施氮肥[16-17]都可以在一定程度上調控產量三因素,進而提高產量。本試驗條件下,拔節期灌溉與否、灌溉方式、追施氮肥與否以及灌溉方式與追施氮肥互作均可顯著影響旱地小麥籽粒產量,但其影響機制不同。與NIND相比,4個灌溉處理都可以顯著提高小麥穗數、穗粒數、千粒質量,從而使產量顯著提高46.57%～95.88%,隔溝灌溉、追施氮肥增產主要是通過顯著協同提高穗粒數和千粒質量實現。進一步分析發現,追施氮肥的產量增幅在隔溝灌溉下比全溝灌溉小,隔溝灌溉的增幅在追施氮肥下比不追氮肥小,說明不同農藝措施在提高旱地小麥產量上的綜合效應小于單一措施效應的疊加,張素瑜等[23]也得到了類似的結論。綜上,拔節期灌溉和追施氮肥都可以優化旱地溝播小麥的產量構成因素,從而提高產量,且以隔溝灌溉配合追施氮肥的效果最優。

隨著人們膳食需求的提高和面食加工行業的不斷發展,對專用型小麥的需求日益增加,因而提高品質已成為當前小麥生產的又一目標。生長環境的變化不僅會影響小麥籽粒蛋白質含量,而且會影響蛋白質構成,進而影響小麥品質[24]。本研究表明,與NIND相比,EFIND和AFIND的籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、面團形成時間和吸水率均降低,且AFIND較EFIND還顯著降低了沉降值,說明拔節期灌溉對旱地溝播小麥品質有不利影響,其原因主要是產量顯著增加引起的稀釋效應使籽粒蛋白質含量降低[25]。因此,在拔節期灌水的同時應采取相應措施協同提高產量和品質,其中追施氮肥是有效途徑[18,20-21]。本研究表明,在拔節期灌溉的同時追施氮肥較不追氮肥,可顯著提高籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和面團形成時間,且AFITD較AFIND還可顯著提高沉降值和吸水率。綜合來看,AFITD的品質特征不僅可以恢復到不灌溉水平,而且籽粒濕面筋含量和面團形成時間還較不灌溉顯著提高,實現產量品質協同提升。

良好的氮素積累轉運分配特征是實現小麥高產優質的基礎,但其調控機理尚無定論。有研究表明,高的花前氮素向籽粒轉運量降低花后營養器官光合能力,導致干物質生產減少,可以提高小麥籽粒蛋白質含量及其相關品質性狀[25-26]。也有學者認為,高的花后氮素積累量會增加花后光合物質生產能力,促進籽粒中淀粉合成而 “稀釋”氮素,加劇了碳氮代謝競爭,最終降低了籽粒蛋白質含量[27]。亦有研究發現,增加花后氮素積累量和花前氮素轉運量可實現籽粒產量和蛋白質含量協同提升[2,28]。本研究表明,灌溉與否、灌溉方式和追施氮肥對旱地溝播小麥氮素積累轉運分配的影響機理不同。灌溉較不灌溉可顯著提高開花期氮素積累量、花后氮素積累量以及花后氮素積累對籽粒氮素的貢獻率,但在不追氮肥的條件下由于產量的增幅高于籽粒氮素積累量的增幅,品質變劣。追施氮肥較不追氮肥不僅可顯著提高開花期氮素積累量、花前氮素轉運量、花后氮素積累量,為籽粒氮素積累和品質形成提供良好的氮素供應,而且可穩定花前氮素轉運率,這會在一定程度上延緩花后光合能力的衰減,維持較強的干物質生產能力,從而為產量提高提供保障,最終實現籽粒產量和品質的協同提升。隔溝灌溉較全溝灌溉雖然花后氮素積累能力更強,但會在一定程度上抑制花前氮素向籽粒轉運,在不追氮肥的條件下氮素積累量的增幅與產量增幅相當,籽粒品質并未改善;在追施氮肥的條件下既能顯著提高花后氮素積累量及其對籽粒氮素的貢獻率,又能提高籽粒氮素分配比例,表現出隔溝灌溉和追施氮肥結合的效應疊加,從而在顯著提高產量的同時維持甚至顯著改善籽粒品質,最終實現旱地溝播小麥高產優質協同。

本研究僅在黃土高原南部以拔節期灌水75 mm且追施氮肥60 kg/hm2進行了單年單點試驗,還需拓展性研究以明確不同的生態區域、降雨年型、土壤肥力下的適宜灌溉、追施氮肥時間及用量,以進一步完善有限灌溉條件下旱地溝播小麥的灌溉施肥理論和技術。

綜上,拔節期灌溉與否、灌溉方式和追施氮肥均可顯著影響旱地溝播小麥產量、品質和氮素積累轉運特征。拔節期灌溉與不灌溉相比,產量和氮素積累量提高但品質變劣。隔溝灌溉較全溝灌溉具有提高花后氮素積累量的作用,在不追氮肥的條件下產量增加品質無顯著改善。拔節期追施氮肥顯著提高花前氮素積累量和轉運量、花后氮素積累量及對籽粒氮素的貢獻率,從而在提高產量的同時改善小麥籽粒品質。從綜合效應看,拔節期隔溝灌溉75 mm并追施氮肥60 kg/hm2,既能提高旱地溝播小麥產量,又能改善氮素積累轉運分配特性和籽粒品質,實現了高產優質協同,適宜在高標準農田建設使灌溉條件改善的旱地麥區推廣應用。