钱彩虹 陈立 李春燕 丁锦峰 朱敏 郭文善 朱新开
摘要:为了探究高地力条件下稻茬春性红皮强筋小麦氮肥减量与高产高效的协同性,以扬麦29为试验材料,于2020—2021年进行氮肥减量10%、15%试验,2021—2022年进行氮肥减量10%、15%、20%、25%的试验,研究氮肥减量施用对稻茬小麦产量、品质、土壤养分和氮效率的影响。结果显示,与常规施肥量处理相比,2个试验年度减氮10%、15%处理的小麦均能实现增产;
减氮10%、15%处理的氮肥农学效率和表观利用率均较高,且土壤氮盈亏为正,值最小。2020—2021年,氮肥减量10%、15%施用,对出粉率和沉降值有显著影响;
其中硬度和沉降值表现为减氮10%达到最大,出粉率和湿面筋含量表现为随氮肥用量减少而降低的趋势。2021—2022年以减氮10%处理的综合品质最优。协同性分析表明,实现高产、优质、高氮效率的施氮量之间存在一定差异。高地力土壤上种植稻茬春性红皮强筋小麦扬麦29,以施氮量213~236 kg/hm2,即较对照氮肥减施12%以下(减量1.67%~11.25%)的处理,既增产,品质又较优,土壤持续地力和氮效率也得到提升,是适宜的减量增效施氮量。
关键词:氮肥减施;
稻茬;
春性强筋小麦;
产量;
品质;
氮盈亏
中图分类号:S512.106 文献标志码:A 文章编号:1002-1302(2023)09-0075-07
基金项目:江苏省碳达峰碳中和科技创新专项(编号:BE2022312);
江苏省现代农业产业技术体系建设专项(编号:JATS[2022]502);
江苏省科技副总项目(编号:FZ20211404);
江苏高校优势学科建设工程项目;
扬州市名师工作室资助项目。
作者简介:钱彩虹(1998—),女,江苏苏州人,硕士研究生,主要从事小麦栽培研究。E-mail:qch1015962379@qq.com。
通信作者:朱新开,教授,博士生导师,主要从事麦类作物栽培生理研究。E-mail:xkzhu@yzu.edu.cn。
基础地力水平的提高可以提高土壤的养分供应能力和作物对养分的吸收。在土壤基础地力提升的前提下,如果不降低肥料用量,则会降低肥料养分的利用效率[1]。徐霞等研究认为,土壤基础地力的提高能够促进小麦增产增收,降低对化肥施用的依赖[2]。因此,现阶段高基础地力水平下,可以采取更合理的减量施肥措施,降低过量施肥对农田环境造成的危害,提高肥料的养分利用效率。
关于施氮量对小麦产量和品质的影响,大多研究认为,在一定施氮量范围内,小麦籽粒产量随着施氮量的增加而增加[3],施氮量過高,产量反而下降[4-7]。目前研究应用的品种主要集中在旱茬强、中筋小麦和稻茬中、弱筋小麦类型,认为合理施肥可以促进小麦籽粒产量和蛋白质同步提高[8-10];
且适宜施氮量因区域生态条件、土壤肥力高低而有不同,实现的目标产量与品质指标要求也各不相同。还有一部分研究认为,施氮量增加,可以提高小麦穗数、穗粒数和湿面筋含量,但过高的氮肥施用量会导致旱茬弱筋小麦的粗蛋白含量和沉淀值下降[11]。说明不同生态区、不同品种,需根据地力条件确定适宜的用氮量,才能确保高产优质[12]。
减量施氮既是国家发展的需求,也符合农业生态安全、绿色发展的大方向,探明并推广应用小麦绿色、优质、高产高效的栽培技术,具有重要的现实意义与应用价值。目前关于强筋小麦方面的研究,多集中在白皮强筋小麦类型和旱茬小麦区域,对稻茬红皮强筋小麦适宜施氮水平的研究报道相对较少。本研究通过大田试验,探究高地力条件下不同氮肥减施对稻茬红皮强筋小麦产量、品质、养分吸收及氮盈亏的影响,探讨氮肥减量与高产高效的协同性,以期为推广应用稻茬红皮强筋小麦的绿色高效栽培技术提供技术支撑。
1 材料与方法
试验于2020—2022年在扬州大学作物遗传重点实验室试验场进行。试验田前茬作物为水稻,土壤为沙壤土,基础地力情况见表1。根据第2次全国土壤普查结果显示,试验田地力属中等偏高水平。供试小麦品种为红皮强筋小麦扬麦29,由扬州市农业科学院提供。
1.1 试验设计
采用单因素随机区组设计,2020—2021年在常规施氮量(N:240 kg/hm2)(常规)的基础上,设减氮10%(N-10%,纯N 216 kg/hm2)、减氮15%(N-15%,纯N 204 kg/hm2),2021—2022年在此基础上,增设减氮20%(N-20%,纯N 192 kg/hm2)、减氮25%(N-25%,纯N 180 kg/hm2)2个处理,另设不施氮处理,用作计算氮效率。氮肥按照基肥 ∶ 壮蘖肥 ∶ 拔节肥 ∶ 孕穗肥为50% ∶ 10% ∶ 20% ∶ 20%的比例施用。所有处理磷(P2O5)、钾(K2O)肥施用量均为 120 kg/hm2,按基肥、拔节肥各50%施入。2020年10月31日、2021年10月30日小区机条播种,播种量均为225 kg/hm2,行距27 cm,小区面积 17.4 m2,重复3次,其他管理同高产田。
1.2 测定项目与方法
1.2.1 产量及其构成因素 在小麦成熟期,每个小区测定1 m2的穗数;
连续取50个穗,测定其穗粒数;
取样使用数粒仪,测定其千粒质量,测定实际水分,按13%水分折算为标准含水量的千粒质量。每小区收割1.08 m2计实收产量。
1.2.2 植株含氮量 于小麦越冬、拔节、孕穗、开花、成熟期取样,洗净后于105 ℃杀青20 min,80 ℃烘干至恒质量后称质量,之后粉粹,取粉碎后的干物样本,每个样本称取0.5 g,置入凯氏烧瓶中,依次加入硫酸钾-硫酸铜接触剂0.3 g,浓硫酸2.0 mL,消化炉消化。用全自动凯氏定氮仪测定含氮量,计算植株吸氮量。
1.2.3 相关品质指标 取成熟期籽粒,测定相关品质指标。其中容重使用HGT-1000型容重仪按国家标准(GB/T 5498—2013) 方法测定;
硬度、沉降值使用近红外分析籽粒品质分析(InfratecTM1241)仪(丹麦福斯集团公司)测定;
从自然晒干的籽粒样品中称取3份500 g后,使用磨粉机进行检测并计算最终出粉率;
湿面筋含量使用 Perten 2200 型面筋仪按 GB/T 14608—1993方法测定。
1.3 数据分析
使用Excel 2013 进行数据统计和绘图,使用方差分析2017数据处理系统进行方差分析。
参照相关文献计算氮效率[13]和土壤氮盈亏[14]:
氮肥表观利用率=(施氮区植株吸氮量-无氮区植株吸氮量)/施氮量×100%;
氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区产量-无氮区产量)/施氮量;
氮素生理效率(kg/kg)=(施氮区产量-无氮区产量)/(施氮区植株吸氮量-无氮区植株吸氮量);
土壤氮素表观盈亏量=(土壤无机氮起始总量+施氮量+土壤氮素的矿化量)-(土壤无机氮残留量+作物吸氮量+土壤中生物固定的化肥氮)。
从数量上讲,因化肥氮所增加的土壤氮素矿化量与被土壤中生物固定的化肥氮基本相当[15],因此采用以下近似公式计算:
土壤氮素表观盈亏量=(土壤无机氮起始总量+施氮量)-土壤无机氮残留总量+作物吸氮量)。
2 结果与分析
2.1 不同减肥处理对小麦产量及其构成因素的影响
由表2、表3可以看出,与常规施肥量常规施氮处理相比,2个年度减量施氮10%、15%处理的产量均有提高,2020—2021年和2021—2022年增幅分别为20.46%、6.45%和2.38%、9.99%。与常规相比,减氮10%处理的产量在2020—2021年增产最大,显著高于常规施肥量处理,在2021—2022年无显著差异;
减氮15%处理的产量在2020—2021年无显著差异,在2021—2022年显著提高。说明在高地力土壤小麦生产中,减氮10%~15%是可行的,但与不同年型(气象条件)有一定的关系。结果还表明,与常规相比,减氮20%、25%的处理均显著减产,说明即便在高地力土壤中,氮肥减量施用也是有限度的,过度减氮并不能实现高产,甚至还会导致产量下降。分析产量构成因素可以看出,不同减氮处理间产量结构变化表现为随施氮量降低,穗数呈先增后减趋势,2个年度差异均显著;
每穗粒数也呈先增后减趋势,但2个年度差异不显著;
千粒质量在2020—2021年表现为随施氮量降低呈增加趋势,N-15%处理显著高于常规处理,在2021—2022年则无显著差异。综合表3可以看出,穗数、穗粒数、千粒质量中,穗数和穗粒数对产量的直接影响较大;
穗数通过粒数对产量产生的间接影响较大。说明在本试验条件下,减施氮肥对产量的影响主要是通过影响穗数和粒数实现的。
2.2 减氮对小麦氮素吸收和氮效率的影响
由表4可知,与常规相比 2个年度N-10%处理的氮素积累量降低或相近(差异不显著),氮肥表观利用率提高(差异不显著或显著) 年度间变化略有差异;
而N-15%处理的氮素积累量显著降低,氮肥表观利用率同样降低,差异不显著或显著。较常规常规处理,N-10%、N-15%处理的氮肥农学效率、氮肥生理效率均随施氮量的降低而提高。本试验条件下,N-20%、N-25%處理的氮素积累量、氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥生理效率均显著降低,且减氮程度越大,下降幅度越大。
2.3 减氮对麦田土壤氮盈亏的影响
由图1可知,减氮处理的土壤氮素盈亏量均显著降低,其中N-10%、N-15%处理的土壤氮盈亏值相对较小,表明适度减氮有利于促进植株氮吸收,减少氮损失,更有利于维持土壤氮素平衡。而 N-20%、N-25%处理的土壤氮素盈亏量为负值,表明高地力土壤条件下,适当减少氮肥施用可以减少氮素在土壤中的过度堆积,而过度减氮会消耗土壤中的氮素,长期以往可能会造成土壤氮亏缺。
2.4 不同减氮处理对小麦籽粒品质的影响
试验结果(表5)表明,2个年度各处理的小麦籽粒容重略有差异,但达不到显著水平,且数值均在 750 g/L 以上,达三等小麦(GB 1351—2008)质量要求,以N-10%处理最高,说明减氮对籽粒容重的影响较小。2个年度各处理的小麦籽粒硬度变化较小,数值在60以上,以N-10%或N-15%处理最高,差异不显著(2020—2021)或显著(2021—2022),且年型间差异较大。2个年度各处理出粉率变化也较小,以N-10%处理最高,处理间差异显著(2020—2021)或不显著(2021—2022)。2个年度各处理的湿面筋含量有一定变化,并受到年型的显著影响,其中2020—2021年度湿面筋含量在28%以上,达到中强筋小麦品种品质指标(GB/T 17320—2013)要求,以常规处理最高,其次是N-10%处理,但处理间差异不显著;
而2021—2022年湿面筋含量表现为随施氮量下降呈下降趋势,且除N-25%外,各处理湿面筋量均在26%以上,达到中筋小麦品种品质指标(GB/T 17320—2013)要求。沉降值表现为随施氮量下降呈先升再降的变化趋势,以 N-10%(2020—2021)或N-15%(2021—2022)处理最高,处理间差异显著。2个年度小麦的蛋白质含量表现为随施氮量下降呈下降趋势,以常规处理最高,处理间差异显著;
2个年度N-10%处理的籽粒蛋白质含量均在13%以上,符合中强筋小麦品种品质指标(GB/T17320—2013)要求。
2.5 不同减氮处理的小麦籽粒产量、品质、氮效率和氮盈亏的协同性分析
由2021—2022年施氮量与籽粒产量、氮肥表观利用率、蛋白质含量、表观氮盈亏量的相关性分析(图2)可以看出,施氮量与籽粒产量呈二次曲线关系,当施氮量在204~236 kg/hm2时,产量≥8 000 kg/hm2;
施氮量与籽粒蛋白质含量亦呈二次曲线关系,在施氮量为213~254 kg/hm2时,小麦达到中强筋小麦品质要求(蛋白质含量≥13%),或当施氮量在200~267 kg/hm2时,小麦达到中筋小麦品质要求(蛋白质含量≥12.5%);
施氮量与氮肥表观利用率也呈二次曲线关系,当施氮量在183~258 kg/hm2范围内时,氮肥表观利用率≥60%;
施氮量与表观氮盈亏量呈线性正相关,当施氮量≥194 kg/hm2 时,土壤氮盈亏量≥0。综合4个因素的相关性可以看出,当施氮量在213~236 kg/hm2时,产量与品质整体较优,品质可以达到中强筋小麦品质要求,氮效率高;
当施氮量在204~236 kg/hm2时,品质可以达到中筋小麦品质标准,亦能实现优质高产高效。分析2020—2021年的相关数据,可看出产量、品质、氮效率相协调的施氮量也在此范围内。
3 讨论
3.1 稻茬红皮强筋小麦产量与品质协同的适宜施氮量
前人研究表明,随着施氮量的增加,小麦产量呈先增后降的趋势[16]。如束林华等研究表明,随施氮量增加,稻茬弱筋小麦籽粒产量及其构成因素与施氮量呈抛物线关系,优质高产的施氮量以172 kg/hm2左右最为适宜[17]。姚金保等研究了高地力土壤条件下,种植密度和施氮量对稻茬红皮中筋小麦宁麦24籽粒产量和品质的影响,结果表明,在210~330 kg/hm2 施氮范围内,籽粒产量呈先增后降趋势[18]。这些研究结果均表明,产量虽然会随施氮量的增加而增加,但过量施用氮肥也会导致产量下降,原因可能是在相同种植密度下,随着施氮量的增加,穗数、穗粒数均呈上升趋势,千粒质量呈先升后降趋势[11]。本研究认为,在高地力土壤条件下适度减氮,施氮量在204~236 kg/hm2 范围时,增加了红皮强筋稻茬小麦的千粒质量和粒数,提高了小麦的产量水平;
随施氮量的增加,产量先增后降,产量达到最高时的施氮量在220 kg/hm2左右。
有关减量施氮对小麦籽粒品质的影响,前人研究得出的结论基本一致。张琨等研究认为,在高地力壤质潮土减量施肥,会降低白皮强筋小麦郑麦101的加工品质[19]。赵广才等研究认为,在高地力土壤减少氮肥施用量,可能会降低旱茬白皮强筋小麦各项品质指标,不同施氮时期和施氮量主要影响蛋白质质量[20-21]。本试验结果则表明,高地力水平下,稻茬强筋小麦扬麦29的出粉率和湿面筋含量表现为随氮肥用量的减少而降低的趋势,这与前人研究结果[22]基本类似。但本试验减氮10%、15%条件下,这2种品质指标差异较小,即对品质的影响程度很小。湿面筋含量在年度间差异较大,2020—2021年常规、N-10%、N-15%(施氮量≥197 kg/hm2)处理均在28%以上,达到中强筋小麦品种品质指标要求;
2021—2022年除N-25%外(施氮量≥188 kg/hm2),其他各处理均在26%以上,达到中筋小麦品种品质指标要求。容重、硬度和沉降值整体呈随氮肥用量的减少而先升后降的趋势,2个年度容重数值均在750 g/L以上,达国标三等小麦质量要求,以N-10%处理最高。2个年度在施氮量为213~254 kg/hm2范围时,小麦籽粒蛋白质含量均在13%以上,湿面筋含量在26%~28%以上,符合中强筋小麦品种品质指标要求。综合来看,施氮量在213~254 kg/hm2范围时,总体籽粒品质较优。
综合产量与品质可以看出,施氮量在213~236 kg/hm2 范围内,可以实现高产、中强筋小麦品质要求;
施氮量在204~236 kg/hm2范围内,可以实现高产、中筋小麦品质要求。
3.2 施氮量協同调控稻茬红皮强筋小麦氮效率和氮盈亏的基本特征
有研究认为,白皮强筋小麦在高地力土壤条件下,氮肥减施10%~20%不会导致减产,还能提高经济效益和氮效率[23]。师筝等研究认为,强筋小麦西农979与冀麦5265黄绿叶突变体的氮肥农学利用率表现为随氮肥施用量的增加呈先增后减趋势,而冀麦5265 的正常体呈持续减小趋势,即品种间存在差异[24]。易媛等研究认为,低地力土壤条件下,减氮影响了旱茬半冬性白皮中筋小麦植株对氮素的吸收,氮肥表观利用率降低,但氮肥偏生产力和氮素生理效率有所上升,而氮收获指数受影响较小[25]。本研究认为,稻茬红皮强筋小麦在高地力土壤条件下适度减氮(减施10%~15%),氮素积累量降低(N-15%)或相近(N-10%),氮肥表观利用率提高(N-10%)或降低(N-15%),氮肥农学效率和氮肥生理效率提高,说明长期秸秆还田、土壤基础地力上升后,可以适度减少氮肥的施用,并不影响产量,甚至还能调节植株生长结构,利于产量构成因素之间的协调,产量有所提升,养分利用效率也得到提高。但过度减氮(减少20%以上),则会降低氮素积累量、氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥生理效率,且减氮程度越大,下降幅度越大,年型间还有一定的差异。反映在小麦实际生产中,减氮要考虑不同区域实际地力状况与生态条件,即便是高地力土壤,氮肥减量施用也应适度,过度减氮并不能实现高产,甚至还会造成减产。
施氮水平高低还影响着土壤库氮盈亏水平。孙昭安等收集了1980年以来国内报道的小麦15N示踪试验的研究结果,经分析认为,施氮量与化肥氮对小麦当季氮吸收的贡献之间呈显著正相关,而与土壤氮的贡献之间呈显著负相关[26]。倪玉雪等研究表明,华北平原旱地冬小麦土壤氮库盈亏量与施氮量之间呈线性极显著正相关,土壤氮库达平衡时的施氮量分别为192 kg/hm2(50%秸秆还田)和 166 kg/hm2(100%秸秆还田)[27]。这表明了过量施氮不仅产量下降,氮肥利用率还会降低,土壤中氮的残留和损失增加。本试验结果表明,施氮量与表观氮盈亏量呈线性正相关,减氮会降低麦田土壤的氮素盈亏量,当施氮量≥194 kg/hm2时,土壤氮盈亏值为0,土壤氮库达到平衡,表明适当减少氮肥施用,有利于促进植株氮吸收,减少氮损失,并且可以减少氮素在土壤中的过度堆积,更有利于维持土壤氮素平衡;
而N-20%、N-25%(施氮量<194 kg/hm2)处理的土壤氮素盈亏量为负值,说明过度减氮会消耗土壤中的氮素,长期以往可能会造成土壤氮亏缺。
综合氮效率与氮盈亏可以看出,施氮量在 194~258 kg/hm2范围内,可以实现高氮效率、较低的正向氮盈亏量。
3.3 不同减氮处理对稻茬红皮强筋小麦籽粒产量、品质、氮效率和氮盈亏的协同性分析
研究表明,在一定范围内,小麦主要品质性状会随施氮量的增加而改善,但过量施氮则会导致品质降低[28-29]。在一定范围内减少氮肥施用量,能够稳定白皮强筋小麦产量,确保小麦品质[30]。田培雨等研究认为,适当提高氮素水平,既能增加小麦籽粒产量,又能提高蛋白质含量,使籽粒产量和蛋白质含量达到同步增加,氮素水平过高虽能够提高籽粒蛋白质含量,但会导致籽粒产量下降[31]。姜丽娜等研究认为,旱茬麦田为有效控制氮素淋溶和氨挥发损失,兼顾产量和节约生产成本,适宜的施氮量为 220 kg/hm2,而小于该施氮量有消耗土壤氮的风险,大于该施氮量则可能导致大量氮素损失到环境中[32]。可见,实现优质高产与控氮节本的适宜施氮量之间存在一定的差异。本研究结果同样表明,优质高产的适宜施氮水平要略高于高氮效率、低盈亏的适宜施氮水平,但二者也有一定的协同性。本试验条件下,稻茬红皮强筋小麦在高地力土壤条件下适度减氮,施氮量在213~236 kg/hm2范围时,既提高了小麦的产量水平,又保证了小麦品质,同时土壤氮素有盈余,氮素表观利用率在60%以上;
但当施氮量过低(<194 kg/hm2),则不利于产量的提高,土壤氮素虧损,蛋白质含量达不到中筋小麦标准,不利于麦田的长期可持续发展。
4 结论
高地力水平下,施氮量在213~236 kg/hm2,较对照氮肥适度减施(减量1.67%~11.25%),可以在实现稻茬红皮强筋小麦优质高产的同时,达到氮肥农学效率和生理效率提高,土壤氮盈亏值为正,且数值小,是可推荐的施氮指标。
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