脲酶抑制剂协同优化施氮对强筋冬小麦产量及品质的影响

Effects of urease inhibitor combined with optimized nitrogen application on yield and quality of strong‑gluten winter wheat

摘要

为探究脲酶抑制剂协同优化施氮对强筋冬小麦氮素利用效率、产量、籽粒营养品质及面团、面包加工品质的影响，2023—2024年在河北省邯郸市曲周县开展田间试验，设置常规施氮300 kg/hm²（CONV，施氮量以纯N计，下同）、优化施氮200 kg/hm²（OPT），以及优化基础上减量施氮155 kg/hm²（OPT-）和增量施氮245 kg/hm²（OPT+）、优化施氮配施脲酶抑制剂处理200 kg/hm²（OUI）和不施氮处理（CK），测定小麦氮素吸收利用效率、干物质积累与转运、产量及产量构成要素，以及籽粒蛋白质和湿面筋含量、粉质指标、拉伸性能、面包品质评分等指标，分析施氮措施、氮素利用与加工品质之间的关系。结果表明：1）与CONV相比，OPT和OUI处理均可显著提升小麦氮肥偏生产力、氮肥农学效率、花后干物质积累量和小麦籽粒产量。与OPT相比，OUI处理的氮肥偏生产力和氮肥农学效率分别升高1.89%和4.67%（P<0.05），穗数增加4.54%（P<0.05），花后干物质积累量亦显著提升。OPT和OPT+处理的小麦籽粒产量较OPT-处理分别升高10.96%和11.13%（P<0.05）。2）小麦籽粒蛋白质和湿面筋含量以OUI处理最高，显著高于其他处理（OPT-、OPT+、CK、CONV）。与OPT相比，OUI处理的蛋白质含量、面团稳定时间和延展性分别升高9.62%、18.30%和6.85%（P<0.05），OPT的湿面筋、蛋白质含量和吸水率均显著高于CONV和OPT-。3）CK的冬小麦面包体积、质地、外观、结构均显著低于其他施氮处理，OPT处理的面包品质评分表现最佳，其面包体积（843.5 mL）、质地（8.3分）和芯色（3.3分）及综合总分（81.1分）均为最高，综合总分较OPT-和OUI处理分别高7.28%和8.42%（P<0.05）。综上，华北平原强筋冬小麦的适宜施氮量为200~245 kg/hm²，该范围可兼顾高产与优质；其中，采用优化施氮配施脲酶抑制剂处理（OUI），能显著提升籽粒蛋白质含量及面团流变学特性，是该区域强筋冬小麦实现高产优质生产的推荐施肥方案。

Abstract

To investigate the effects of urease inhibitor-coordinated nitrogen application on nitrogen use efficiency， yield， grain nutritional quality， and dough and bread processing quality of strong-gluten winter wheat， a field experiment was conducted in Quzhou County， Handan City， Hebei Province from 2023 to 2024. A total of six treatments were established： Conventional nitrogen application of 300 kg/hm² （CONV，nitrogen rate calculated as pure N，the same below）， optimized nitrogen application of 200 kg/hm² （OPT）， as well as reduced nitrogen application of 155 kg/hm² （OPT-） and increased nitrogen application of 245 kg/hm² （OPT+）， optimized nitrogen application combined with urease inhibitor of 200 kg/hm² （OUI）， and no nitrogen application （CK）. The nitrogen uptake and utilization efficiency， dry matter accumulation and remobilization， yield and yield components of wheat， as well as grain protein and wet gluten contents， farinograph parameters， extensibility properties， and bread quality scores were determined. The regulatory relationships among nitrogen application measures， nitrogen utilization， and processing quality were systematically analyzed. The results showed that： 1） Compared with CONV， both OPT and OUI treatments significantly increased nitrogen partial factor productivity， nitrogen agronomic efficiency， post-anthesis dry matter accumulation， and grain yield. Compared with OPT， OUI treatment significantly increased nitrogen partial factor productivity and nitrogen agronomic efficiency by 1.89% and 4.67% （P<0.05）， respectively. OUI treatment also significantly increased spike number by 4.54% （P<0.05）， and post-anthesis dry matter accumulation. Grain yields of OPT and OPT+ treatments were significantly higher than that of OPT- treatment by 10.96% and 11.13%， respectively. 2） Grain protein and wet gluten contents were highest in the OUI treatment， significantly higher than those in all other treatments （OPT-， OPT+， CK， CONV）. Compared with OPT， OUI treatment significantly increased protein content， dough stability， and extensibility by 9.62%， 18.30%， and 6.85% （P<0.05）， respectively. The wet gluten content， protein content， and water absorption of OPT treatment were significantly higher than those of CONV and OPT- treatments. 3） The bread volume， texture， appearance， and structure of winter wheat under the no nitrogen application treatment （CK） were significantly lower than those under all nitrogen application treatments. Among all treatments， OPT treatment exhibited the best bread quality， with the highest bread volume （843.5 mL）， crumb texture （8.3 points）， crumb color （3.3 points）， and overall score （81.1 points）. The overall score of OPT treatment was significantly higher than that of OPT- and OUI treatments by 7.28% and 8.42% （P<0.05）， respectively. In conclusion， for strong-gluten winter wheat production in the North China Plain， controlling nitrogen application rate at 200 to 245 kg/hm² can simultaneously improve wheat yield and nitrogen use efficiency while enhancing grain nutritional quality and processing quality. Among these treatments，the optimized nitrogen application combined with urease inhibitor （OUI） significantly improved grain protein concentration and key dough rheological properties， and is therefore recommended as a fertilization strategy for achieving high yield and quality in this region.

Graphical abstract

关键词

强筋冬小麦 / 氮肥用量 / 产量 / 氮素吸收利用 / 干物质积累 / 品质

Key words

strong-gluten winter wheat / nitrogen application rate / yield / nitrogen uptake and utilization / dry matter accumulation / quality

氮素是小麦生长发育过程中不可或缺的核心矿物质营养元素，其供应水平直接关系到小麦产量形成与品质性状^［1］。适量氮肥能维持较高的氮代谢酶的活性，有助于旗叶可溶性蛋白含量增加，进而促进籽粒蛋白质的积累^［2］。此外，氮肥施用还会影响小麦籽粒蛋白质组成和含量，进而关联面团加工品质^［3］。我国华北平原是冬小麦的主产区，氮肥平均用量高达325 kg/hm^2［4］，过量氮肥施用不仅会导致氮肥利用率降低^［5］，还会使湿面筋含量降低、加工品质变差^［6］。对强筋小麦而言，其蛋白质含量、酶活性以及品质等对氮素响应都很敏感^［7］，需精准调控。因此，优化施氮模式、合理控制施氮量对提升小麦加工品质和氮素利用效率具有重要意义。

在优化施氮的研究不断推进的背景下，氮肥减量已成为业界普遍采用的核心路径，其对产量和品质形成的影响也日益受到关注。已有研究表明，在农户常规施氮基础上适度减氮5%~10%，可在一定程度上维持产量并保持良好的加工品质，而减氮幅度过大则会导致产量和品质显著下降^［8］。Li等^［9］研究指出，减氮效果高度依赖于合理的施肥管理和植株生理调控过程，单纯减氮若未有效促进花后干物质再分配，也难以实现稳产目标。因此，仅依赖施氮量调控往往难以兼顾产量与品质，亟需探索更为合理的施氮调控策略。近年来，脲酶抑制剂作为氮肥增效剂，在减少氮损失、提高氮肥利用率方面表现出较大的应用潜力，其可通过抑制土壤中脲酶活性来减缓氮以NH₃⁺和N₂O^-形式的损失，从而提高氮素的有效性和作物的吸收率^［10］。目前，尽管已有很多研究探讨了施氮量对小麦产量和品质的影响，但多侧重于产量或蛋白质等单一指标，对粉质和拉伸特性的系统分析相对不足，此外，关于脲酶抑制剂与不同施氮模式协同作用下小麦品质响应的系统研究鲜见报道。本研究在河北省曲周县设置不同施氮水平及配施脲酶抑制剂的处理，测定并分析小麦氮素利用效率、干物质积累与转运特性、产量，以及面团与面包加工品质指标的变化，旨在探究脲酶抑制剂协同优化施氮对强筋冬小麦氮素利用效率、产量、籽粒营养品质、面团与面包加工品质的影响，以期为强筋小麦绿色优质高效生产提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验地点概况

2023年10月—2024年6月在河北省邯郸市中国农业大学曲周试验基地（36°54′ N，115°00′ E，海拔40 m）进行长期定位氮水平试验（始于2019年），该地区属于典型的暖温带大陆性季风气候区。土壤类型属于华北平原典型的钙质冲积土，0—20 cm土层的初始土壤特性为pH 8.23，有机质含量13.64 g/kg，全氮1.1 g/kg，碱解氮4.81 mg/kg，有效磷12.6 mg/kg，速效钾102.0 mg/kg。试验期间年降水量670.3 mm，年均气温17.3 ℃，数据来自中国天气网（https：//www.weather.com.cn/），该地呈现气温偏高、降水偏多的特点。

1.2　试验设计

供试冬小麦品种为‘中麦578’，由中国农业科学院作物科学研究所提供。采用完全随机区组试验设计，每个处理重复3次，共18个小区，小区面积78 m²（长13 m×宽6 m）。参考孙丽敏等^［11］结果，设置含氮量为300 kg/hm²的常规施氮处理（CONV）、优化施氮处理200 kg/hm²（OPT）、减量施氮处理155 kg/hm²（OPT-）、增量施氮处理245 kg/hm²（OPT+）、优化施氮配施脲酶抑制剂处理（普通氮80 kg/hm²配施含脲酶抑制剂氮120 kg/hm²，总施氮200 kg/hm²，OUI）和不施氮处理（CK）。其中，所用氮肥为尿素（含N量≥46 g/100 g），含脲酶抑制剂的氮肥，氮素主要为尿素（含N量≥46 g/100 g），抑制剂含量约0.46 g/100 g，购自河南心连心化学工业集团股份有限公司，氮肥基追比例均为40%基肥，60%追肥，追肥时期为拔节期，所有处理施用磷肥90 kg/hm²（以P₂O₅计）和钾肥90 kg/hm²（以K₂O计），并统一基施。

1.3　样品采集及测定

于成熟期收割7.2 m²样区测产，籽粒脱粒烘干后按13%标准含水率计算理论产量，同时，每小区取1 m²调查单位面积穗数，并随机选取50穗测定穗粒数和千粒重。参照Moll等^［12］的方法进行计算氮肥偏生产力（PFP）、氮肥农学效率（AE）及氮素收获指数（NHI）。

于扬花期和成熟期，分别采集0.3 m²地上部植株样品，样品经105 ℃杀青、75 ℃烘干至恒重后，称重并研磨成粉，采用元素分析仪测定氮浓度。干物质积累、转运量及相关贡献率参照Papakosta等^［13］的方法计算。

小麦籽粒氮含量采用凯氏定氮法^［14］测定，粗蛋白质含量=籽粒氮含量×5.95，5.95为氮-蛋白质转化系数。按照GB/T 5506.1—2008《小麦和小麦粉面筋含量第1部分：手洗法测定湿面筋》^［15］使用浙江托普云农科技有限公司的面筋测定仪（MJ-Ⅲ）测定小麦湿面筋含量，g/100 g。按AACC54-21.01《小麦粉粉质特性测定法（粉质仪法）》^［16］和AACC54-10.01《小麦粉拉伸特性测定法（拉伸仪法）》^［17］测定面粉粉质参数和拉伸参数。面包的制作和品质评估按照 GB/T-35869—2018《粮油检验 小麦粉面包烘焙品质评价快速烘焙法》^［18］的方法进行。

1.4　数据处理及分析

所有数据采用SPSS 26.0进行方差分析和Duncan’s多重比较检验（P<0.05），以评估各处理（固定效应）间的显著性差异。用Origin 2022和Excel绘制数据图。

2　结果与分析

2.1　不同施氮处理对小麦氮素利用率、干物质积累和转运的影响

由表1可知，不同施氮模式下小麦氮素利用特征存在显著差异。优化施氮处理（OPT）、减量施氮处理（OPT-）、增量施氮处理（OPT+）的氮肥偏生产力较常规施氮处理（CONV）分别高16.08、23.17和8.15 kg/kg，农学效率分别升高11.44、14.48和6.06 kg/kg（P<0.05）。在相同施氮量下，优化施氮配施脲酶抑制剂处理（OUI）的氮肥偏生产力和氮肥农学效率较OPT分别高1.89%和4.67%（P<0.05）。OPT的氮素收获指数较CONV和不施氮处理（CK）分别高7.53%和7.02%（P<0.05）。各处理间的花后干物质积累差异显著。OUI的花后干物质积累量最高，达7 405.94 kg/hm²，接下来依次为OPT+（7 064.06 kg/hm²）、OPT（6 898.29 kg/hm²），OPT、OPT+和OUI的花后干物质积累量均显著高于CONV（5 571.28 kg/hm²）和CK（2 468.80 kg/hm²）；与CONV相比，OUI、OPT+和OPT的花后干物质积累量分别升高32.9%、26.8%和23.8%，而OPT-降低19.2%（P<0.05）。OUI的花后贡献率最高，达80.22%，后面依次为OPT+（78.72%）、OPT（78.69%），三者均显著高于CONV（76.51%）和CK（68.80%）。花前干物质转运量以OPT+最高（1 909.82 kg/hm²），OPT、OPT+和OUI的花前干物质转运量均显著高于OPT-和CK，而花前干物质贡献率则以CK最高（31.20%），显著高于其他处理，OUI最低，仅为19.78%。

2.2　不同施氮处理对小麦产量及产量构成要素的影响

由表2可知，不同施氮处理对小麦产量及产量构成要素产生了显著影响。OPT、OPT+和OUI的产量均显著高于CONV和OPT-，其中OUI的产量最高，达8 802.56 kg/hm²，但与OPT差异不显著。OPT和OPT+的小麦籽粒产量分别较OPT-升高10.96%和11.13%（P<0.05）。在产量构成要素方面，OUI的穗数、穗粒数均显著优于OPT+、OPT-和CONV。OPT的穗数显著高于OPT-，但与CONV和OPT+差异不显著。在相同施氮量下，OUI的穗数较OPT升高4.54%（P<0.05）。不同施氮模式对千粒重的影响较小，OUI的千粒重均显著高于CONV和CK。

2.3　不同施氮处理对小麦籽粒蛋白质、湿面筋含量的影响

由图1可知，不同施氮处理对小麦籽粒蛋白质和湿面筋含量均产生了显著影响。OPT和OUI的蛋白质含量和湿面筋含量均显著高于OPT-、CONV和CK，且相同施氮量下，OUI的蛋白质含量较OPT升高9.62%（P<0.05），OPT+的蛋白质与湿面筋含量均显著高于OPT-和CK，而CK的蛋白质含量和湿面筋含量均显著低于其他处理。

2.4　不同施氮处理对面团粉质参数的影响

由图2可知，不同施氮处理可显著影响小麦面团的流变学特性。OPT-和CK的面团形成时间均较短，均显著低于其他各处理，OPT+的面团形成时间最高，较OPT-和OPT升高190.32%和36.95%（P<0.05）。稳定时间以CK最低，CONV最高。OUI的稳定时间较OPT升高18.30%（P<0.05）。CK的耐揉指数最高，显著高于CONV、OPT和OUI。OUI的耐揉指数最低，但与OPT、OPT-和CONV处理间无显著差异。OPT+的耐揉指数均显著高于OPT和OUI。吸水率以CK最低，OPT和OUI的小麦吸水率均较高，均显著优于其他各处理。

2.5　不同施氮处理对面团拉伸指标的影响

由图3可知，小麦拉伸面积、最大抗延阻力和延展性均以CK最低，显著低于其他各处理，CONV的最大抗延阻力和拉伸面积均显著高于OPT-、OPT和CK，但与OUI差异不显著；OUI的面团延展性较OPT、OPT-、OPT+和CK分别升高6.85%、11.06%、8.92%和32.91%（P<0.05），CONV的延展性相比于OPT-和OPT+分别升高7.25%和5.18%（P<0.05），但与OPT差异不显著。

2.6　不同施氮处理对小麦面包感官品质的影响

由表3可知，不施氮肥处理（CK）的小麦面包体积、外观、质地、结构、总分等各项评分最低，均显著低于其他各处理。OPT处理下冬小麦制作的面包体积最大，达为843.5 mL，显著高于OPT-。而OPT+的小麦面包体积与OPT相比略有下降，但无显著差异，相比之下，OUI的面包体积较OPT降低7.53%（P<0.05）。

在外观评分方面，OPT和OPT+外观评分均为3.5分，均显著高于CK、OPT-和CONV，OPT处理的芯色显著高于其他各处理，而OUI的芯色评分相比于OPT处理降低了9.09%；OPT处理的面包质地评分最高，显著高于OPT-和CK。CK的面包结构评分最低，显著低于其他各施氮处理。不同施氮处理中，OPT的小麦面包品质总分最高（81.1分），较OPT-升高7.28%（P<0.05）。而OUI的面包体积、芯色均显著低于OPT，OPT的面包品质总分相比于OUI升高8.42%（P<0.05，表3）。

3　讨 论

3.1　不同施氮处理对小麦氮素利用效率、干物质积累与转运、产量及产量构成要素的影响

施氮量是调控冬小麦籽粒产量、氮素利用效率、干物质积累与转运的核心因子，适宜施氮可通过促进花后干物质积累与氮素转运，协同提升产量和氮素利用效率^［19］。本研究中，减量施氮处理（OPT-）的氮肥偏生产力和农学效率显著高于优化施氮（OPT）、增量施氮（OPT+）、常规施氮（CONV）和优化施氮配施脲酶抑制剂（OUI）处理；与OPT相比，OPT+和CONV的氮肥偏生产力和氮肥农学效率均显著降低（表1）。这表明施氮量过多会导致氮素收获指数下降，这与李亚静等^［20］的研究结果一致，反映出常规施氮模式下氮素高投入与作物实际利用之间存在错配。此外，本研究发现OPT+可显著提升冬小麦花前干物质转运量。与OPT-相比，OPT和OPT+的花前干物质转运量及其对籽粒干物质积累的贡献率均显著升高，有利于籽粒早期形成；在花后阶段，OPT可显著促进籽粒干物质积累，提高了花后干物质积累对籽粒的贡献（表1），表明合理施氮能够有效协调花前转运与花后积累之间的关系^［21］。相反，CONV的施氮量偏高，导致植株氮同化速率与碳积累过程失衡，干物质再分配效率下降，最终表现为氮收获指数降低，制约了产量和品质的进一步提升^［22］。在施氮量相同条件下，优化施氮配施脲酶抑制剂处理（OUI）较OPT处理可显著提升花后干物质的积累量（表1），表明配施脲酶抑制剂处理通过提高氮素利用效率来促进花后干物质积累，因此，适宜的施氮量（如OPT处理）能够有效平衡花前干物质转运与花后干物质积累的关系，而添加脲酶抑制剂可显著提高花后干物质积累能力。

刘威等^［23］研究发现，小麦籽粒产量随施氮量增加呈先升后降的趋势。本试验分析发现，CONV和OPT-均会对小麦的产量产生显著负面影响（表2），这与魏艳丽等^［24］的研究结果相符。此外，本研究发现施用脲酶抑制剂有助于优化氮素供应，可显著提高穗数，其可能通过促进分蘖发生或提高分蘖成穗率来增加单位面积有效穗数；然而，这一优势并未转化为籽粒产量的显著提升（表2）。在穗数变化趋势上，该结果与刘世腾等^［25］的结论一致，但产量响应存在差异。原因可能是在氮素供应总量不变的情况下强筋小麦倾向于将吸收的氮素优先用于改善籽粒蛋白质合成和面筋质量，而非进一步增加生物量或籽粒产量^［26］，即存在“品质优先”的氮素分配倾向，进而导致籽粒产量未显著提升。

3.2　不同施氮处理对小麦营养品质、面团加工品质及面包品质评分的影响

适量施氮是提升小麦蛋白质和湿面筋含量、改善加工品质的关键，而施氮不足或过量均会对小麦营养品质及加工品质产生不利影响^［21］。与CONV相比，OPT在兼顾小麦产量和品质方面表现出优势（表2和图1）。已有研究表明，过量施氮会降低籽粒蛋白质和湿面筋含量，不利于面筋结构的形成^［27］。本研究中，CONV对湿面筋积累表现出显著抑制作用，而OPT在保证产量稳定的同时可显著提高蛋白质和湿面筋含量。在此基础上，OUI可显著提升小麦籽粒的蛋白质含量（图1），这与施用脲酶抑制剂可通过提高氮素利用效率促进蛋白积累的研究结果一致^［28］，表明优化施氮结合脲酶抑制剂是实现小麦高产与优质协同的重要途径。

随着施氮量的升高，面团形成时间和稳定时间会呈现出“先升后降”或“先升后趋缓”的变化趋势^［29］。本研究结果表明，OPT和OPT+的面团形成时间和稳定时间均显著高于OPT-，其中OPT+的面团形成时间最长（图2），与秦际远^［30］的研究结果一致。CONV的面团拉伸面积显著高于OPT，与孙允超等^［31］报道的高氮条件下谷蛋白大聚体（GMP）含量增加结果相符。OUI的面团形成时间、拉伸面积、延展性与CONV均无显著差异（图3），这可能与脲酶抑制剂的氮素转化调控作用密切相关^［28］。已有研究表明，含硝化/脲酶抑制剂的尿素施用可显著提升小麦籽粒蛋白质含量和沉降值^［32］，而面粉沉降值与面团拉伸指标呈显著正相关^［33］。因此，优化施氮配施脲酶抑制剂为协同提升小麦拉伸品质与氮素利用效率提供了可行途径。

面包品质方面，CK的面包体积、外观、质地、结构及总分均显著低于其他各处理，充分体现了氮肥在改善面包品质方面具有重要作用。OPT的面包体积和综合评分均为最高，与郝倩倩^［34］提出的“适量施氮可优化籽粒中蛋白质与淀粉比例，进而改善面包的烘焙性能”的结论相符。相比之下，OPT+与CONV并未显著提高面包的体积（表3），其原因在于过量施氮会导致籽粒谷蛋白与醇溶蛋白比值下降，面筋网络延展性降低，限制了面包体积的增大^［35］。OUI的体积与芯色均显著低于OPT，可能是脲酶抑制剂提高了面粉中蛋白质的结实度和致密度，进而提升了面团的延展性，但也导致面团内部形成了更致密的气孔结构，限制了CO₂的扩散，从而抑制了面包的膨胀潜力^［36］；同时，脲酶抑制剂延缓了氮素释放，可提高氮素利用效率进而显著增加籽粒蛋白质和灰分含量，而蛋白质和灰分含量的升高是导致面粉亮度（Z）降低的重要因素^［37］。因此，OUI可能通过降低面粉亮度导致面包芯色评分下降，最终影响面包的综合感官评价。OUI对面包芯色的具体影响机制仍有待进一步深入研究。

4　结 论

与常规施氮300 kg/hm²（CONV）相比，优化施氮200 kg/hm²（OPT）和增量施氮245 kg/hm²处理（OPT+）产量均未降反升，氮肥偏生产力和农学效率均显著升高，蛋白质含量、湿面筋含量及面团吸水率等指标亦显著提升，当施氮量进一步降至155 kg/hm²水平（OPT-）时，虽氮肥偏生产力和氮肥农学效率均为最高，但产量显著低于OPT。表明CONV存在氮素过量投入，而OPT在保证高产的同时实现了氮素高效利用与品质提升的协同。优化施氮配施脲酶抑制剂（OUI）较OPT可显著提高氮肥偏生产力、农学效率、穗数、籽粒蛋白质含量、面团稳定时间及延展性；其最大抗延阻力、延展性和拉伸面积均与CONV无显著差异，但面包体积和芯色评分均略低于OPT。面包品质综合总分以OPT最优（81.1分）。综上，华北平原强筋冬小麦生产中，将施氮量控制在200~245 kg/hm²，该范围可兼顾高产与优质；其中，采用优化施氮配施脲酶抑制剂处理（OUI），可显著提升籽粒蛋白质含量及面团流变学特性，是该区域强筋冬小麦高产优质生产的推荐施肥方案。

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基金资助

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