氮肥調控對稻茬晚播小麥產量、品質及氮素利用的影響

王 慧,劉大同,朱冬梅,張 曉,李東升,高致富,高德榮

(江蘇里下河地區農業科學研究所/農業部長江中下游小麥生物學與遺傳育種重點實驗室,江蘇揚州 225007)

小麥作為我國重要的糧食作物,其高產穩產對確保我國糧食安全具有重要意義。近年來,由于天氣、品種、前茬水稻種植方式改變和收獲期推遲等諸多原因,長江中下游麥區稻茬小麥播期不斷推遲,晚播面積逐年增加,嚴重限制其產量提升[1]。據統計,自2012年以來,江蘇省晚播小麥比例均在40%以上,其中2016年該省秋播期間遭遇罕見的連陰雨,晚播小麥面積144.8×104hm2,占小麥總播面積的59.6%。小麥播期推遲后,冬前光照時數減少,有效積溫不足,出苗遲緩、整齊度差;幼苗質量差,根系發育不良,分蘗少發甚至無分蘗發生;冬前生長量不足,難以形成壯苗安全越冬;返青后生育進程加快,成穗率降低,有效穗數不足且穗型小;生育期縮短,養分吸收能力降低,后期物質積累嚴重不足,穗粒數和粒重顯著下降,導致嚴重減產[2-4]。王龍俊等[5]指出,與適期播種相比,稻茬小麥每晚播5 d減產可達7%～10%。小麥播期推遲已成為限制稻茬小麥增產的主要原因之一。

稻茬小麥晚播后苗情較弱,植株對土壤氮和肥料氮的吸收利用能力顯著下降,表現在晚播不僅影響小麥分蘗發生,降低分蘗成穗率,同時會降低植株地上部氮素積累量,限制小麥產量潛力的提升[6]。提高播種密度一定程度上可以彌補晚播小麥因播期推遲導致的分蘗成穗數的減少[7-8]。適宜的種植密度有利于構建合理的群體結構,提高葉面積指數,增強群體的光合性能[9],但盲目增大密度易造成晚播小麥群體結構不合理,加劇植株間肥水競爭,導致個體發育不良,加大后期倒伏和病害等風險[10]。在晚播適宜密度條件下,合理的氮肥調控對改善群體結構、提高產量水平尤為重要[11-12]。前人研究認為,增施氮肥一定程度上可提高小麥氮素積累量,但減緩植株營養器官花前積累的氮素在花后向籽粒中的轉運,降低氮肥偏生產力[13-14]。在合理控制密度和氮肥施用量條件下,調節氮肥運籌是提高氮肥利用率、實現稻茬晚播小麥高產穩產的重要途徑。

晚播小麥降低氮肥基施比例能有效控制高峰苗,改善群體質量,提高成穗率[15]。在控制氮肥施用量條件下,適當提高追肥比例有利于增加小麥花后營養器官氮素轉運量,促進籽粒對氮素的利用和積累,提高晚播小麥氮肥利用效率,并且促進小麥開花后光合產物的合成與積累,為籽粒灌漿充實和粒重提升提供物質基礎[16]。楊 勇等[17]也認為,在適宜密度基礎上提高晚播小麥中、后期施氮比例有利于增加籽粒產量。也有學者提出,氮肥追施時期影響養分從植株向籽粒的運輸和轉移,對小麥產量、蛋白質含量、加工品質等有顯著影響[18]。前人在晚播小麥對種植密度和施氮量的響應方面已有較多研究,但在適度提高密度條件下氮肥施用量及運籌對稻茬晚播小麥的氮素吸收利用及產量和品質的綜合調控效應尚未明確。因此,本研究以揚麥25為材料,分析不同施氮量及氮肥運籌下晚播小麥氮素吸收動態、肥料利用效率、產量和品質等的差異,探究稻茬晚播小麥適宜的氮肥管理技術及其調控機制,以期為稻茬晚播小麥高產高效優質生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2019-2021年在江蘇里下河地區農科所萬福基地(33°09′E,119°98′N)進行,前茬為水稻,土質為沙壤土。2019年秋播土壤有機質含量21.53 g·kg-1,全氮含量1.366 g·kg-1,全磷含量0.358 g·kg-1,速效氮含量73.88 mg·kg-1,速效磷含量17.5 mg·kg-1,速效鉀含量78.4 mg·kg-1。2020年秋播土壤有機質含量19.07 g·kg-1,全氮含量1.135 g·kg-1,全磷含量0.461 g·kg-1,速效氮含量65.34 mg·kg-1,速效磷含量18.2 mg·kg-1,速效鉀含量81.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

供試小麥品種為揚麥25,采用三因素裂區設計。主區設11月1日(適播)和11月25日(晚播)2個播期,基本苗分別為240×104和375×104株·hm-2;施氮量為裂區,設210和270 kg·hm-2兩個水平;氮肥運籌為小裂區,設基肥∶平衡肥∶拔節肥比例分別為70%∶10%∶20%、50%∶10%∶40%和30%∶30%∶40%(簡記為7∶1∶2、5∶1∶4和3∶3∶4,下同)。每個處理重復3次。基肥于播種前施用,平衡肥于3葉1心時施用,拔節肥于葉齡余數2.5時施用;N∶P∶K肥施用比例為1∶0.5∶0.5,P、K肥全部基施。另設不施氮空白對照,以計算氮效率。小麥機械條播,行距27 cm,小區面積6.67 m2。3葉期人工定苗。其他栽培措施同大田生產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株氮含量測定及相關指標計算

于分蘗期、拔節期、開花期、成熟期分別在每個小區取樣20株,按不同器官分樣,105 ℃殺青60 min后80 ℃烘干至恒重,粉碎后采用半微量凱氏定氮法測定氮含量。氮肥偏生產力、氮素農學效率、氮素生理效率、氮素表觀利用率的計算采用霍中洋[19]和石 玉等[20]的方法。

氮肥表觀利用率=(施肥處理氮素吸收量-不施肥處理氮素吸收量)/施氮量×100%;

氮肥偏生產力=施肥處理籽粒產量/施氮量;

氮素農學效率=(施肥處理籽粒產量-不施肥處理籽粒產量)/施氮量;

氮素生理效率=(施肥處理籽粒產量-不施肥處理籽粒產量)/(施肥處理氮吸收量-不施肥處理氮吸收量)。

1.3.2 產量及其構成因素測定

成熟期每個小區選取2個1 m行長測穗數(穗粒數大于5);連續取20穗,測穗粒數,重復2次;測定水分后,按13%水分計算千粒重。按小區機械收割,自然晾曬,測定產量,重復3次。

1.3.3 籽粒品質指標測定

蛋白質含量采用近紅外儀按照AACC39-10測定。濕面筋含量利用面筋洗滌儀按照AACC38-12測定。沉降值釆用SDS常量法測定。硬度采用JYDB100X40硬度儀測定。籽粒容重采用上海東方衡器有限公司生產的HGT-1000型容重儀測定。

1.4 統計分析

采用Excel 2003建立數據庫,用SPSS 19.0進行數據計算、統計分析。

2 結果與分析

2.1 施氮量和運籌比例對晚播小麥產量及其構成的影響

晚播條件下雖然增加了基本苗,但小麥產量仍較適播下降, 2019-2020和2020-2021年平均減產幅度分別為8.95%和8.29%,其中氮肥運籌比例7∶1∶2和5∶1∶4的產量下降顯著,而運籌比例3∶3∶4的產量下降不顯著(表1)。

表1 施氮量、氮肥運籌對晚播小麥產量及其構成的影響

相同播期、氮肥運籌下,增加施氮量后小麥產量降低,適播條件下減產主要是因為田間倒伏,說明增加施氮量加大了小麥倒伏風險,不利于產量形成。從產量三因素來看,施氮量增加后,穗數有所增加,穗粒數也總體表現增加,但二者變化均不顯著;千粒重則均呈下降趨勢,其中2019-2020年下降顯著。

適播條件下,兩種施氮量處理中均以氮肥運籌比例5∶1∶4的產量最高,氮肥運籌比例7∶1∶2的產量最低;晚播條件下,除2019-2020年施氮量210 kg·hm-2下氮肥運籌比例3∶3∶4的產量略低于氮肥運籌比例5∶1∶4外,均以氮肥運籌比例3∶3∶4的產量最高,且兩年的平均產量比氮肥運籌比例5∶1∶4和7∶1∶2分別高3.11%和8.94%,與氮肥運籌比例7∶1∶2差異顯著。相同播期、施氮量條件下,氮肥運籌比例間穗數表現為7∶1∶2>5∶1∶4>3∶3∶4,但差異均不顯著;隨基肥比例的下降,穗粒數與千粒重均呈增加趨勢。

總體來看,晚播條件下施氮210 kg·hm-2、氮肥運籌比例3∶3∶4時小麥能獲得較高的穗粒數和千粒重,產量水平較高。

2.2 施氮量與運籌比例對各生育階段氮素吸收量的影響

相同播期下不同氮肥組合間小麥氮素吸收存在差異(表2)。兩個年度中,在相同播期、相同氮肥運籌比例下,增加施氮量后,小麥各階段氮素積累量均提高。在出苗至分蘗期,氮肥運籌比例間氮素積累量表現為7∶1∶2>5∶1∶4>3∶3∶4,其中氮肥運籌比例7∶1∶2和3∶3∶4間差異顯著;在拔節至開花期,適播與晚播條件下,氮肥運籌比例5∶1∶4和3∶3∶4均顯著高于7∶1∶2,氮肥運籌比例5∶1∶4和3∶3∶4間差異不顯著;在開花至成熟期,適播條件下,氮肥運籌比例5∶1∶4的氮素積累量高于7∶1∶2和3∶3∶4,與氮肥運籌比例7∶1∶2差異均達顯著水平,而晚播條件下,氮素積累量表現為7∶1∶2<5∶1∶4<3∶3∶4,氮肥運籌比例3∶3∶4和7∶1∶2差異顯著。

表2 晚播小麥不同肥料處理對植株氮素吸收量的影響

2.3 施氮量與運籌比例對晚播小麥氮肥利用效率影響

在相同播期、相同氮肥運籌比例下,增加施氮量后,小麥氮肥偏生產力、氮素農學效率、氮素生理效率及氮素表觀利用率均下降,其中氮肥偏生產力和氮素生理效率變化均顯著(表3)。適播條件下氮肥運籌比例為5∶1∶4時小麥具有較高的氮肥偏生產力、氮素農學效率及表觀利用率;晚播條件下氮肥運籌比例為3∶3∶4時小麥氮肥農學效率和表觀利用率最高,與氮肥運籌比例7∶1∶2差異均顯著。

表3 晚播小麥不同肥料處理對氮肥利用效率的影響

2.4 施氮量與運籌比例對晚播小麥籽粒品質影響

在相同播期、相同氮肥運籌比例下,施氮量增加后,小麥籽粒蛋白質和濕面筋含量均有所增加,2019-2021年變化不顯著,2020-2021年晚播條件下變化均達顯著水平(表4)。相同施氮量下,隨著氮肥后移,蛋白質和濕面筋含量呈增加趨勢。其中,適播及晚播條件下施氮量為210 kg·hm-2時氮肥運籌比例 3∶3∶4的兩個品質指標均顯著高于運籌比例7∶1∶2;在施氮量為210 kg·hm-2時,除2020-2021年氮肥運籌比例5∶1∶4和3∶3∶4的濕面筋含量顯著高于7∶1∶2外,晚播條件下三個氮肥運籌比例間兩個品質指標差異均不顯著。不同處理間籽粒容重、硬度無顯著差異。

表4 施氮量與運籌比例對晚播小麥蛋白質、濕面筋、硬度等的影響(2019-2020)

3 討論與小結

3.1 施氮量與運籌比例對稻茬晚播小麥氮素吸收和利用的調控

氮肥的合理施用有利于提高晚播小麥對氮素的積累和轉運,促進植株對氮肥的吸收與利用。關于適期播種小麥,研究表明,小麥氮素積累量隨生育進程逐漸增加,積累高峰期在拔節至開花期,可占總量50%以上[21];增加施氮量可提高植株氮素積累總量,但顯著降低轉運效率及其對籽粒氮素的貢獻率,導致氮素吸收效率和氮素利用效率下降[22-23];控制氮肥用量同時適當提高追肥比例,有利于在滿足開花后光合器官氮素需求的同時把更多氮素分配到籽粒和根系中,避免植株早衰的同時盡可能提高籽粒氮素積累[20]。晚播小麥氮素的積累與分配也受施氮量和氮肥運籌的顯著影響。石祖梁等[24]研究認為,晚播小麥出苗遲緩,苗期生長速度慢,對氮素的吸收利用率低,基施過多氮肥易促使土壤氮素濃度過高而大量損失,適當減少氮肥基施比例,增加中后期施氮量,有利于提高肥料利用率。劉阿康等[25]指出,隨播期推遲,小麥植株的氮素積累量呈下降趨勢,苗期適當補施氮肥可促進小麥冬前及返青期營養生長,顯著提高多穗型品種氮素籽粒生產效率和氮素收獲指數,促進小麥對氮素的吸收和積累。在本試驗中,不同播期小麥的吸氮高峰均在拔節至開花期,在270 kg·hm-2施氮量條件下植株氮素積累總量均呈高于210 kg·hm-2施氮量的趨勢。在不同氮肥運籌下,氮肥運籌比例7∶1∶2與5∶1∶4和3∶3∶4相比雖然提高小麥出苗至分蘗期吸氮量,但降低植株拔節至成熟期吸氮量,不利于小麥后期氮素轉運和積累。在適播條件下,氮肥運籌比例5∶1∶4的開花后吸氮量和吸氮總量均高于氮肥運籌比例7∶1∶2和3∶3∶4;在晚播條件下,氮肥運籌比例5∶1∶4和3∶3∶4均促進了小麥分蘗至成熟期植株吸氮量,其中氮肥運籌比例3∶3∶4的兩年度分蘗至拔節和開花至成熟的吸氮量均最高,且植株吸氮總量也呈最高水平。

小麥生育中后期氮素吸收轉運和積累量是提高小麥產量和氮效率的重要因素[26]。沈學善等[27]認為,晚播小麥植株氮素積累量、營養器官氮素轉運對籽粒氮素貢獻率以及植株的氮素收獲指數和氮素吸收效率均高于適播小麥,但降低氮素利用效率和籽粒產量。吳光磊等[16]指出,施氮量一致的條件下提高追氮比例,可顯著增加氮肥吸收利用率;在氮肥運籌一致的條件下,降低施氮量有利于提高氮肥吸收利用率和氮肥偏生產力。本研究結果表明,增加施氮量后,小麥的氮肥偏生產力、氮素農學效率、氮素生理效率和氮素表觀利用率均呈下降趨勢,這與寧東峰等[28]的研究結果一致。在晚播210 kg·hm-2施氮量條件下,增加追肥比例有利于提高氮肥偏生產力、氮素農學效率和氮素表觀利用率,但降低氮素生理效率,其中氮肥運籌比例3∶3∶4在兩個年度均表現出最高的氮肥偏生產力、氮素農學效率和氮肥表觀利用率,與氮肥運籌比例5∶1∶4差異未達顯著水平,但均顯著高于氮肥運籌比例7∶1∶2。

3.2 施氮量與運籌比例對稻茬晚播小麥產量的調控

晚播小麥冬前光照和積溫不足,植株生長發育緩慢,導致冬前苗小苗弱,影響群體質量,不利于產量提升[29]。播期推遲后,小麥產生育期推遲,縮短了植株幼穗分化時間,導致不孕小穗、小花數顯著增加,降低穗粒數[30];相同密度下隨著播期的推遲,小麥的穗數、穗粒數、千粒重和產量均明顯下降[31];晚播小麥分蘗減少,分蘗成穗率降低,穗數顯著下降,但穗粒數呈增加趨勢,千粒重無顯著差異[32];稻茬晚播小麥穗數和千粒重與產量呈顯著正相關,穗粒數與產量相關性未達顯著水平,表明穗數和千粒重是晚播小麥產量形成的關鍵[33]。本研究結果表明,小麥播期推遲近1個月時,增加基本苗后,產量仍下降,兩個年度產量較適播小麥分別下降8.95%、8.29%。

喬玉強等[34]研究表明,晚播條件下提高密度有利于協調小麥群體質量和個體性狀不足之間的矛盾,籽粒產量和氮肥利用率均高于低密度處理,其中基本苗在450×104株·hm-2時產量達到峰值;張耀蘭等[35]也指出,淮北地區375萬～450萬株·hm-2密度有利于實現超晚播(較適播期推遲1個月左右)小麥高產優質;而邵慶勤等[31]研究認為,沿淮地區小麥播期推遲10 d后最適密度為450×104株·hm-2,播期推遲20 d后適宜密度為600×104株·hm-2。本試驗條件下,晚播小麥密度與前人研究結果仍有一定差距,晚播小麥的適宜密度可能需要繼續提高,尚有待進一步研究。

前人研究還表明,晚播小麥增施氮肥能一定程度上提高穗數,但效果不顯著,且對穗粒數和千粒重無明顯促進效應;相同施氮量下,增加基肥比例可增加成穗數,而氮肥適度后移可提升穗粒數,但對千粒重無明顯影響[34]。在本研究中,適播和晚播條件下,高施氮量均導致小麥產量下降;氮肥運籌比例7∶1∶2增加了基肥比例,雖然提高了小麥穗數,但降低穗粒數和千粒重,產量低于氮肥運籌比例5∶1∶4和3∶3∶4。在適播條件下,氮肥運籌比例5∶1∶4有利于協調小麥前期分蘗發生和后期籽粒發育氮素需求,產量水平最高;在晚播條件下,采用210 kg·hm-2施氮量和氮肥運籌比例3∶3∶4,控制氮肥施用量的同時降低基肥比例,提高分蘗肥比例,雖然使穗數略有下降,但提高穗粒數和千粒重,產量最高,顯著高于氮肥運籌比例7∶1∶2。劉阿康等[24]指出,晚播小麥增施苗肥一方面提高幼苗葉綠素含量和光合速率,促進植株冬前干物質積累;另一方面在春季返青時及時補充氮素營養,加快分蘗的發生,促進小麥營養生長向生殖生長的過渡。

關于播期對小麥籽粒品質影響的研究結果尚不一致。范金平等[1]和楊浩等[36]認為,隨著播期的推遲,小麥蛋白質含量、濕面筋含量和沉降值等呈上升趨勢;邵慶勤等[31]也認為,播期推遲后,小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和沉淀值增加,但面團形成時間及穩定時間無顯著變化;劉瑩等[37]研究得出,播期對蛋白質含量和濕面筋含量無顯著影響,但播期過早或過晚均不利于小麥加工品質的改善。合理的氮肥運籌是實現晚播小麥穩產優質的重要措施,增加施氮量或增加氮肥追施比例有利于改善晚播小麥籽粒品質,提高籽粒蛋白質含量和濕面筋含量[33]。本研究結果表明,晚播條件下,增加施氮量或增加追肥比例小麥籽粒蛋白質含量和濕面筋含量均呈上升趨勢;在氮肥運籌比例3∶3∶4下小麥籽粒蛋白質含量和濕面筋含量呈最高水平。

4 結 論

稻茬小麥晚播后適當增加密度有利于避免穗數的顯著下降,降低減產幅度,與適播相比兩個年度平均減產幅度僅為8.62%;增加施氮量雖然一定程度上促進植株各生育階段氮素吸收量,但降低氮肥偏生產力、氮素農學效率、氮素生理效率和氮素表觀利用率,且導致產量下降;增加追肥尤其是分蘗肥比例有利于促進小麥拔節后氮素吸收利用,有利于提高氮肥偏生產力、氮素農學效率和氮素表觀利用率,但降低氮素生理效率。晚播條件下增加氮肥用量或提高追肥比例也有利于提高籽粒蛋白質含量和濕面筋含量。在適播條件下,氮肥運籌比例5∶1∶4有利于協調穗數和粒重的關系,產量水平最高;在晚播條件下,氮肥運籌比例3∶3∶4降低基肥比例,提高分蘗肥比例,雖然穗數略有下降,但提高穗粒數和千粒重,有利于產量形成。綜上所述,本研究條件下晚播采用210 kg·hm-2施氮量、氮肥運籌比例3∶3∶4最有利于促進植株氮素吸收利用,提高氮肥利用效率,是實現稻茬晚播小麥產量穩定和籽粒品質改善的合理調控途徑。