不同土壤肥力下施氮量对小麦产量和品质的影响

孙 梦,冯昊翔,张晓燕,刘世洁,韩志栋,韩潇杰,李 尊,马 耕,2,王丽芳,2，王晨阳,2

(1.河南农业大学农学院,河南郑州 450046; 2.国家小麦工程技术研究中心,河南郑州 450046)

小麦作为中国最主要的粮食作物之一，是保障中国粮食安全的口粮作物。提高小麦单产和品质是目前小麦研究的重要目标。遗传基因、生态环境和肥料调控是影响小麦产量和品质的重要因素。土壤作为重要的生态环境因素，对小麦品质有显著的调控作用。陆晓松等研究认为，提高麦田土壤肥力有利于小麦增产。氮肥作为小麦生长中需求最大的肥料之一，适量施用氮肥可以提高产量并改良籽粒品质。赵淑章等研究了不同土壤肥力水平对小麦品质的影响，认为土壤中的速效氮和全氮含量与籽粒蛋白质呈显著正相关。关于氮肥对小麦品质影响的研究报道较多，多数研究表明，在一定范围内增施氮肥能显著提高籽粒蛋白质和湿面筋含量，提高面团吸水率、形成时间和稳定时间，改善小麦营养品质和加工品质。由于小麦品质指标间存在错综复杂的关系，单一指标评价小麦的品质极易受环境和基因型差异的影响。因此，应采用多指标综合评定的方法研究小麦的品质。

前人在单一环境下围绕不同施氮量对产量的研究较多，但较少有人结合不同土壤肥力综合研究施氮量对小麦产量和品质的影响。本试验在三种不同土壤肥力麦田设置四个施氮水平，研究在不同土壤肥力条件下施氮量对小麦产量和品质的影响，并采用相关性分析和主成分分析的方法综合评价其对品质的调控效应，以期为小麦调优和丰产高效栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与设计

试验于2019-2020年度分别在河南省开封市祥符区八里湾姬坡农场(34°73′N，114°64′E)、开封市黄河滩水稻乡(34°90′N，114°33′E)和焦作市温县祥云镇高产区(34°92′N，112°99′E)进行，其中，温县试点土壤为潮土，土壤肥力水平高，用WX表示；八里湾试点土壤为黏土，土壤肥力水平中等，用BLW表示)；开封黄河滩试点土壤砂土，土壤肥力水平低，用HHT表示。播种前0～20 cm耕层土壤基础肥力见表1。供试品种为强筋小麦品种丰德存麦5号和中筋小麦品种百农207，施氮量均设置0、180、240和300 kg·hm四个水平，分别用N0、N1、N2和N3表示。氮肥以尿素为氮源(含氮量46%)，按照基追比1∶1方式施肥，追肥于拔节期施入，磷肥(PO，150 kg·hm)和钾肥(KO，120 kg·hm)于整地时一次性施入。试验采用随机区组设计，三次重复。

表1 试验田 0～20 cm 土层播种前土壤养分含量

1.2 测定项目与方法

1.2.1 产量测定

每个小区收获8 m有代表性的小麦，测定籽粒水分含量后折算出含水量为13%的产量。

1.2.2 蛋白质及其组分含量的测定

籽粒样品风干清除杂质后，使用旋风式样品磨(FOSS，瑞士)进行制粉。依据 ICC(International Association for Cereal Chemistry, Vienna)标准方法，使用凯氏定氮仪(FOSS，瑞士)进行蛋白质含氮量的测定，含氮量乘以5.7即为小麦籽粒中蛋白质含量。蛋白质含量与籽粒重量的乘积即为蛋白质产量。蛋白质组分采用连续振荡法进行提取，提取次序依次为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白。

1.2.3 谷蛋白大聚合体( GMP)含量的测定

参照Weegels等和孙 辉等的方法测定籽粒GMP含量。

1.2.4 湿面筋含量的测定

参照 GB/T 5506.2-2008《小麦和小麦粉面筋含量第2部分：仪器法测定湿面筋》，采用面筋测定仪(Perten，瑞典)测定湿面筋含量。

1.2.5 沉降值测定

参照GB/T 21119-2007《小麦沉降指数测定法-Zeleny试验》，采用磨粉机(ChopinCDI)磨粉,用Zeleny法测定沉降值。

1.2.6 粉质参数测定

面团形成时间和稳定时间参照GB/T 14614-2006《小麦粉面团的物理特性吸水量和流变学特性的测定粉质仪法》，采用粉质仪(Brabender,德国)测定面团形成时间和稳定时间。

1.3 数据处理

采用Excel 2013处理数据，采用SPSS 19.0统计分析软件对数据进行相关分析及主成分分析(PCA)。

2 结果与分析

2.1 不同土壤肥力下施氮量对小麦籽粒产量和蛋白产量的影响

从表2可以看出，低肥力麦田丰德存麦5号和百农207的产量分别为1 926.6～ 5 745.7 kg·hm和2 243.2～ 4 549.1 kg·hm，平均产量为4 237.98 kg·hm；中等肥力麦田丰德存麦5号和百农207的产量分别为2 519.3～ 10 195.8 kg·hm和2 327.4～ 9 788.2 kg·hm，平均产量为7 587.66 kg·hm；高肥力麦田丰德存麦5号和百农207的产量分别为9 623.4～ 11 269.2 kg·hm和8 510.9～ 9 957.2 kg·hm，平均产量为9 744.9 kg·hm。

表2 不同土壤肥力下施氮量对小麦籽粒产量、蛋白质含量和蛋白产量的影响

基础肥力产量以高肥力麦田最高，中等肥力麦田次之，低肥力麦田最低。与N0处理相比，施氮处理显著提高了两品种的产量(高肥力麦田N2、N3处理的丰德存麦5号和N3处理的百农207除外)，高肥力麦田和低肥力麦田两品种的产量均以N1处理最高，但与其他施氮处理间均无显著差异(除高肥力麦田N1处理的丰德存麦5号显著高于其他施氮处理外)。中等肥力麦田下丰德存麦5号在N3处理下最高，百农207在N2处理下最高，但与其他施氮处理间差异不显著。施氮对丰德存麦5号和百农207的增产效应表现为：在低肥力麦田，平均产量分别增加了176.7%和 94.2%；在中等肥力麦田，平均产量分别增加了277.7%和300.7%；在高肥力麦田，所有施氮处理的平均产量较不施氮处理分别增加了2.4%和13.4%。所有肥力麦田丰德存麦5号的平均产量(7 456.3 kg·hm)高于百农207(6 924.0 kg·hm)。

基础肥力蛋白质含量以高肥力麦田最高，中等肥力麦田次之，低肥力麦田最低。与N0处理相比，施氮处理显著提高了两个小麦品种的籽粒蛋白质含量(高肥力麦田N1、N3处理的丰德存麦5号除外)，且以N2处理下最大(除中等肥力麦田的百农207在N3处理下最大)，中等肥力麦田和低肥力麦田两个小麦品种的籽粒蛋白质含量在N2处理下均显著高于其他处理，中等肥力麦田N2处理下两个小麦品种的籽粒蛋白质含量均显著高于N0和N1处理，但与N2处理无显著差异。总的来说，施氮后小麦蛋白质含量及其增幅以低肥力麦田最高，中等肥力麦田次之，高肥力麦田最低。地点与品种间表现趋势一致。施氮对丰德存麦5号和百农207蛋白质含量的增加效应表现为：在低肥力麦田，所有施氮处理的平均蛋白质含量较不施氮处理分别增加了73.8%和44.1%；在中等肥力麦田，分别增加了29.8%和50.6%；在高肥力麦田，分别增加了3.5%和19.4%。

不同施氮处理下蛋白质产量均以高肥力麦田最高，中等肥力麦田次之，低肥力麦田最低。蛋白质产量随施氮量变化趋势与蛋白质含量变化趋势一致，且增幅在中等肥力麦田最大。

2.2 不同土壤肥力下施氮量对小麦主要加工品质的影响

由表3可以看出，在不同肥力麦田，施氮均显著提高了面粉的沉降值(高肥力麦田N1处理的丰德存麦5号和N2处理的百农207除外)，其中百农207增幅(平均61.1%)大于丰德存麦5号(平均34.9%)。不施氮条件下，沉降值以高肥力麦田最高，丰德存麦5号和百农207的沉降值分别为28.4和26.3 mL。施用氮肥后，两个品种的沉降值及其增幅以低肥力麦田最大，且以N2处理最大，但与其他施氮处理间无显著差异，N2处理下丰德存麦5号和百农207的沉降值分别为39.3和45.5 mL，增幅分别达到70.9%和 145.9%。

表3 不同土壤肥力下施氮量对小麦面粉加工品质的影响

不施氮条件下，湿面筋含量以高肥力麦田最高，丰德存麦5号和百农207的湿面筋含量分别为26.7%和25.5%。施用氮肥后，两个品种湿面筋含量及其增幅以低肥力麦田最高，且以N2处理最高，但均与N3处理无显著差异，N2处理下丰德存麦5号和百农207的湿面筋含量分别为35.0%和 34.7%，增幅分别达到76.8%和65.2%。

面团形成时间和稳定时间的品种间差异大于地点间差异，强筋品种丰德存麦5号的形成时间和稳定时间显著高于中筋品种百农207。在不同肥力麦田，施氮处理均显著延长了两个品种的形成时间。丰德存麦5号的形成时间在中等肥力和高肥力麦田以N3处理最大，但中等肥力麦田N3处理与其他施氮处理无显著差异；在低肥力麦田以N2处理最大，但与N3处理无显著差异。百农207的形成时间在中等肥力和低肥力麦田以N2处理最大，但与N3处理无显著差异；在高肥力麦田以N1和N2处理最大。施氮处理显著延长了丰德存麦5号的稳定时间，百农207的稳定时间仅在高肥力麦田N2和N3处理下显著提高。说明施氮对强筋小麦品种的粉质参数增加效应更为明显。

2.3 小麦籽粒品质指标之间的相关性

由表4可以看出，蛋白质含量、醇溶蛋白含量、谷蛋白大聚合体含量、形成时间与其他七个指标均呈显著正相关。谷蛋白含量、沉降值、湿面筋含量与稳定时间呈正相关，但未达到显著水平，与其他六个指标均呈显著正相关。由此可见，各指标之间存在密切的生物学联系，共同影响小麦籽粒品质性状。此外，受地点、品种、施氮量及相互作用的影响，用一个或几个指标反映小麦品质具有很大的局限性。

表4 小麦籽粒品质指标的相关性分析

2.4 小麦籽粒品质指标的主成分分析及品质得分

对小麦籽粒8个品质指标进行主成分分析，结果(表5)表明，前2个主成分的累计贡献率达到了 91.175%，可代表大多数单项原始品质性状信息。因此，将8个品质指标转化为2个相互独立的指标PC1、PC2。通过主成分分析获得其特征向量，如表6所示，指标对应的绝对值越大，对该主成分的贡献越大。第一主成分贡献率为 73.595%，荷载较大的依次是蛋白质含量、湿面筋含量、谷蛋白大聚合体含量、醇溶蛋白含量、麦谷蛋白含量、沉降值，对第一主成分均呈正效应，反映了小麦的蛋白质特性。第二主成分贡献率为 17.6%，主要由形成时间和稳定时间决定，反映了小麦粉质特性。

表5 冬小麦品质指标的主成分分析

表6 参数的特征向量表

由图1可以看出，不施氮条件下，小麦蛋白质因子及粉质因子均以高肥力麦田表现较好。在不同土壤肥力麦田，施氮均改善了小麦籽粒品质。在低肥力麦田，施氮主要改变了小麦的蛋白质特性，施氮量为240 kg·hm时蛋白质因子表现较好。中等肥力麦田，施氮同时增强小麦的蛋白质特性和粉质特性，施氮量为240 kg·hm时综合品质最好，继续施氮品质提升不明显。高肥力麦田，施氮主要改变小麦粉质特性，施氮量为300 kg·hm时粉质特性表现最好，施氮量为240 kg·hm时，蛋白质特性与粉质特性均 较好。

图1 品质性状的主成分分析

3 讨 论

中国小麦产业发展面临提升质量、降低成本和保护环境三大挑战。确定合理的氮肥用量，减少和防止土壤氮素残留对保护生态环境、实现小麦优质高产至关重要。不同肥力及不同质地土壤条件下小麦的生长表现不同，不同施氮量对小麦籽粒产量和品质的影响也不同。

赵淑章等认为，土壤基础肥力和全氮含量显著影响小麦籽粒产量。在本试验中，基础肥力籽粒产量以高肥力麦田最高，中等肥力麦田次之，低肥力麦田最低。产量在地点间差异大于施氮量和品种间差异。介晓磊等研究发现，在中等肥力土壤条件下，施氮量为240 kg·hm时，小麦籽粒产量达到最高。这与本试验研究结果一致。本研究还发现，在高肥力与低肥力麦田，小麦籽粒产量均以180 kg·hm施氮量时最高。小麦籽粒产量增幅以高肥力麦田最低，中等肥力麦田次之，低肥力麦田最高。原因可能是高肥力土壤供氮能力强，小麦对土壤氮素的依存率高，消耗土壤氮素多，而对化肥氮的消耗量降低，施氮增产效果差；而低肥力土壤供氮能力差，氮肥的增产效果显著。施氮后仍以低肥力麦田产量最低，原因可能是砂土地漏水漏肥严重，不利于小麦实现高产。

施氮显著提高了小麦籽粒的蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、形成时间和稳定时间，这与前人的研究结果一致。不施氮条件下，高肥力麦田籽粒的蛋白质含量、面粉的湿面筋含量、沉降值、面团形成时间和稳定时间均大于低肥力麦田，这是因为土壤基础肥力高、供氮能力强。贺明荣等研究发现，高肥力土壤条件下，由于土壤氮素供应水平高，增施氮肥对籽粒蛋白质含量无显著影响。而在本研究中，高肥力土壤条件下，施氮显著提高了籽粒的蛋白质含量、蛋白质产量等品质指标，但对其调控效应低于低肥力土壤。徐恒永等研究表明，高土壤肥力和中低土壤肥力条件下，纯氮施用量分别以150～225和225～300 kg·hm时，对提高小麦综合品质效果显著。张 铭等研究发现，低肥力土壤上增施氮肥可以显著提高蛋白质产量，而高肥力土壤在施氮量为0～270 kg·hm时，可以提高蛋白质产量，过量施氮则导致籽粒产量降低，进而使蛋白质产量下降。在本试验中，综合来看，除高肥力土壤条件下，丰德存麦5号的蛋白质产量在施氮量为180 kg·hm时最大，两品种在不同土壤肥力条件下，均在施氮量为240 kg·hm时有较高的蛋白质含量和蛋白质产量。

小麦品质性状复杂，是由多个品质指标相互作用的结果。品质性状的相关性分析结果表明，蛋白质含量与谷蛋白大聚合体含量、沉降值、湿面筋含量、形成时间、稳定时间均呈极显著正相关，这与前人的研究结果一致。由于各指标所表达的信息存在部分重叠。因此采用主成分分析的方法评价小麦品质。主成分分析是把这些复杂的因子转化为少数彼此独立的因子来综合反映原来变量的信息。将主成分分析用于小麦品质特性的评价和筛选，既能把握其综合性状表现，又能简化选择程序。李桂萍等运用主成分分析将杂种小麦品质性状划分为蛋白质因子和面团因子。赵鹏涛等将小麦品质综合为沉降因子、面团因子和容重因子。本研究将品质性状转化为2个主成分因子，即蛋白质因子和粉质因子，进一步分析发现，基础肥力提高和不同土壤肥力下施用氮肥均增强了小麦的蛋白质因子和粉质因子。从品质性状看，不论肥力高低，均以施氮量为240 kg·hm时的调控效果最好。但在不同土壤基础肥力麦田，施氮对品质的增强效应有所差异。在低肥力麦田施氮对蛋白质因子的增强效应较大，在中高肥力麦田，施氮能均衡增强蛋白质因子和粉质因子，在高肥力麦田，施氮对小麦粉质因子的增强效应较大。

4 结 论

提高土壤基础肥力和施氮均可以提高小麦籽粒产量和改善品质。施氮对小麦籽粒产量和品质的提升效应在地点间存在差异。低肥力土壤条件下，施氮对小麦籽粒产量和品质改善最显著，但提升空间有限。中高肥力土壤条件下，在施氮量为240 kg·hm时产量、品质最优。高肥力土壤条件下，产量在施氮180 kg·hm时最高，品质在施氮240 kg·hm时最优。