小麦氮素吸收及其产量效应范文

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《植物营养与肥料学报》2016年第二期

摘要:

【目的】掌握小麦氮素的吸收特征及区域差异性有利于指导小麦区域合理施肥，提高氮肥肥效，维持小麦增产稳产。本研究旨在探讨我国小麦氮素吸收特征的区域性差异及其产量效应。【方法】收集了2000年以后我国小麦田间试验产量、籽粒和秸秆氮含量的文献数据，统计分析了黄淮海冬麦区、西北冬春兼播麦区和长江中下游麦区的小麦产量、地上部氮吸收、籽粒氮含量、秸秆氮含量、100kg籽粒需氮量的区域差异，并进一步分析了小麦不同产量水平下100kg籽粒需氮量、籽粒氮含量和秸秆氮含量。【结果】小麦产量、籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量和生产100kg籽粒需氮量的波动范围大，变异性较高，存在明显的区域差异。我国田间试验的小麦平均产量为6.18t/hm2(n=5484，变异系数34.37%)，其中以黄淮海冬麦区最高(7.06t/hm2)，西北冬春兼播麦区最低(4.71t/hm2)，长江中下游冬麦区居中(5.60t/hm2);生产100kg籽粒需氮量的全国平均为2.87kg(n=5073，变异系数25.43%)，其中以黄淮海冬麦区最高(2.98kg)，长江中下游冬麦区和西北冬春兼播麦区偏低(分别为2.60kg和2.84kg);籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量全国平均分别为2.17%(n=3456)、0.55%(n=2460)、180.9kg/hm2(n=4962)，变异系数分别为23.96%、38.18%、44.50%。籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量均以黄淮海麦区居高，分别为2.24%、0.56%、211.1kg/hm2，长江中下游冬麦区和西北冬春兼播麦区偏低，分别为1.92%、0.5%、146.7kg/hm2和2.14%、0.53%、138.0kg/hm2。生产100kg小麦籽粒需氮量、籽粒氮含量和秸秆氮含量随小麦产量水平的增加而呈增加趋势，产量范围＜4.5、4.56.5、6.58.5、8.510.5、＞10.5t/hm2，生产100kg籽粒需氮量分别为2.79、2.80、2.91、3.03和3.05kg，对应的籽粒氮含量分别为2.01%、2.11%、2.27%、2.26%和2.40%，秸秆氮含量分别为0.46%、0.53%、0.58%、0.61%和0.63%。【结论】温度、水分等气候条件、土壤类型、主栽品种及田间管理技术等差异，造成了小麦氮素吸收特性的区域间差异，因此小麦施肥应根据各区域的小麦产量、小麦氮素需求规律因地制宜地科学施肥。

关键词:

小麦产量;氮素吸收;需氮量;响应特征

小麦在保障我国粮食安全方面起着举足轻重的作用［1］，2013年小麦播种面积和产量分别占全国粮食作物的21.54%和20.26%［2］。施用化学肥料，特别是氮肥，是保证小麦高产稳产的一项重要农艺措施，20世纪粮食单产的1/2、总产的1/3来自化肥的贡献。如果停止施用化肥，全球作物产量将减产50%［3］。化肥对我国粮食产量的贡献率达40%60%［4］。如果不充分掌握小麦氮素的需求规律，仅为单一追求小麦高产，往往造成氮肥施用过量，例如山东［5－6］、河南［7］、陕西［8］等地区均存在氮肥过量问题，而氮肥的过量投入不仅造成肥料资源浪费，养分利用率低下［9］，也容易引起土壤酸化［10］、地下水污染［11］、温室气体排放［12］等负面环境问题。因此，研究小麦的氮素吸收规律，特别是区域间差异性，对科学合理地指导小麦区域施肥具有重要意义。近年来在小麦产量、品质、氮效率、氮平衡等方面已开展了大量的研究工作［13－16］。曹承富等［13］在安徽砂浆黑土的研究表明，施氮量为225kg/hm2时皖麦38和皖麦44产量最高，分别为5.91t/hm2和6.22t/hm2，再增施氮肥(75kg/hm2)小麦产量不升反降。徐凤娇等［14］研究表明，小麦产量与蛋白质产量在施氮量为N270kg/hm2时达最高，再增施氮肥N90kg/hm2，小麦产量和蛋白质产量均下降。党廷辉等［15］在陕西黑垆土上的研究表明，麦田土壤中硝态氮数量、氮素盈余值与氮肥用量成正比。目前的研究主要集中于田块尺度，或小样本数的氮吸收规律，尚缺乏区域间大尺度、大样本数量的深入探索［17］。因此，本文在收集2000年以后大量文献数据和田间试验数据的基础上，系统分析我国黄淮海冬麦区、长江中下游冬麦区和西北冬春兼播麦区小麦主产区的小麦产量、籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量和生产100kg小麦籽粒需氮量的区域差异，探索不同小麦产量水平下籽粒氮含量、秸秆氮含量和100kg籽粒需氮量的变化特征，以期为我国小麦推荐施肥模型等提供科学的区域参数，为指导小麦区域合理施肥提供理论依据与科学参考，实现我国小麦增产高产，提高氮肥利用效率。

1材料与方法

1.1研究区域概况在参考我国小麦种植业区划、中国化肥区划等资料的基础上［18－19］，根据2013年我国小麦区域生产布局和产量情况，选择3个主要的小麦生产区作为研究对象，分别为黄淮海冬(秋播)麦区(HH)、长江中下游冬(秋播)麦区(YR)和西北冬春兼播麦区(NW)。2013年3个小麦产区小麦的播种面积为21783千公顷，占我国小麦总播种面积的90.32%;小麦产量11485万吨，占我国小麦总产量的94.20%［2］。黄淮海冬(秋播)麦区主要包括山东、河南、河北、北京、天津及江苏和安徽北部。本区地处暖温带，气候温和，属半湿润性或半干旱季风气候，土壤类型以褐土和潮土为主，小麦主要为冬小麦(冬小麦—夏玉米轮作)。2013年本区小麦播种面积和产量占全国的57.44%和66.64%［2］。长江中下游冬(秋播)麦区包括浙江、湖北、湖南、江西及安徽和江苏南部等。本区位于北亚热带季风区，气候温暖湿润，热量丰富，土壤类型主要为水稻土、棕壤等，小麦主要为冬小麦(冬小麦—水稻或其他作物轮作)。2013年本区小麦播种面积和产量占全国的14.53%和13.74%［2］。西北冬春兼播麦区包括陕西、山西、新疆、宁夏、甘肃和内蒙古东部区域。本区处于中温带内陆地区，属大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，土壤以棕钙土、灰钙土、灌漠土、灰漠土等为主。小麦有冬小麦和春小麦。2013年本区小麦播种面积和产量占全国的18.35%和13.82%［2］。

1.2数据来源本研究所涉及数据包括小麦产量、籽粒氮吸收量、秸秆氮吸收量、地上部氮吸收总量、籽粒含氮量、秸秆含氮量等。数据来自于课题组“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划课题的试验数据等，以及2000年后公开发表的文献资料，包括期刊文献、硕博毕业论文、书籍等。选择研究区域的样点数，其中产量数据为5484组、籽粒氮含量3456组、秸秆氮含量2460组、植株氮积累量4962组和生产100kg籽粒需氮量数据5073组。详细样点分布见图1和表1。

1.3数据处理利用Excel(2003)进行数据的预处理;应用Sigmplot10.0软件制作小麦籽粒氮含量、小麦秸秆氮含量、100kg籽粒需氮量与产量变化的关系图，同时分析小麦产量与地上部吸收氮总量的相互关系并制图。黄淮海冬麦区、长江中下游冬麦区、西北冬春兼播麦区及全国样点的小麦产量与小麦吸收氮总量进行模拟分析时，模型选试指数函数、线性函数、多项式、乘幂函数等，经多次调试选用R2最高、显著性最好的乘幂函数Y=aXb(a、b为常数)。

2结果与分析

2.1小麦主产区的氮素吸收规律我国大田试验条件下小麦平均产量为6.18t/hm2(n=5484)，籽粒氮含量2.17%(n=3456)，秸秆氮含量0.55%(n=2460)，地上部吸收氮总量为180.9kg/hm2(n=4962)(表1)，但各参数波动范围较大，变异系数较高。小麦产量、籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部氮吸收量变幅分别为0.215.48t/hm2、0.46%5.26%、0.03%1.53%、6.7658.2kg/hm2，变异系数分别为34.37%、23.96%、38.18%、44.50%。这一结果说明，我国地域辽阔，气候环境、土壤类型等千差万别，造成小麦产量、籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部氮累积量等区域差异明显，变异性较大，在小麦推荐施肥过程中要因地制宜，探索不同区域的小麦氮素需求特征。黄淮海冬麦区小麦产量最高，达7.06t/hm2(n=3027)，西北冬春兼播麦区最低，仅为4.71t/hm2(n=1398)，长江中下游冬麦区居中，为5.60t/hm2(n=1059)。区域间小麦产量水平的不同，氮素吸收量也存在差异。黄淮海冬麦区籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量较高，分别为2.24%、0.56%、211.1kg/hm2;长江中下游冬麦区籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量分别为1.92%、0.5%、146.7kg/hm2;西北冬春兼播麦区籽粒氮含量、秸秆氮含量、地上部吸氮总量分别为2.14%、0.53%、138.0kg/hm2(表1)。小麦产量与地上部氮吸收总量的相关分析表明，二者呈显著的乘幂函数关系(图2)。全国样点相关函数表达式为Y=26.447X1.033(Y表示小麦产量，X为地上部氮吸收总量)，R2为0.7664，达极显著水平(P＜0.001)。黄淮海冬麦区、长江中下游冬麦区和西北冬春兼播麦区R2也均达极显著水平，分别为0.713、0.7691和0.7489。全国范围生产100kg小麦籽粒的需氮量为2.87kg(n=5073)，变幅为0.598.44kg，变异系数25.43%。这说明，小麦生产100kg籽粒的氮需求量存在区域差异性，如黄淮海冬麦区为2.98kg、长江中下游冬麦区为2.60kg，而西北冬春兼播麦区为2.84kg。

2.2小麦氮素吸收特征及其产量效应为进一步探索不同区域小麦产量水平与籽粒氮含量、秸秆氮含量、需氮量的相关关系，根据小麦产量水平将籽粒氮含量、秸秆氮含量及100kg籽粒需氮量进行分组研究。将小麦产量分为5个水平，分别为＜4.5t/hm2(平均产量3.15kg/hm2，n=1216)、4.56.5t/hm2(平均产量5.56kg/hm2，n=1677)、6.58.5t/hm2(平均产量7.50kg/hm2，n=1910)、8.510.5t/hm2(平均产量9.11kg/hm2，n=639)和＞10.5t/hm2(平均产量11.8kg/hm2，n=42)。

3讨论与结论

本研究所搜集的2000年以后的文献资料数据显示，我国平均小麦产量为6.18t/hm2(n=5484)，这一产量水平明显高于中国农业科学院土壤肥料研究所汇总的19811983年1260个试验点的最高小麦产量(4.69t/hm2)［19］和Liu等［20］统计的19851995年小麦产量(0.358.73t/hm2)，其主要原因是我国小麦品种的更新换代、高产小麦品种的培育［21－22］，肥料尤其化学肥料的大量施用以及田间管理措施的改进和配套设施的完善等［23－24］。这一产量水平较国家统计资料20002013年平均小麦产量(4.44t/hm2)［2］高39.19%。可能是由于所搜集的试验数据主要来自于各大学及科研院所的小麦试验，试验地基本选择在地势平坦、环境适宜的地区，同时试验地的田间管理良好，施肥、除草、喷农药及时等，有利于小麦产量的提高。考虑未来我国后备耕地资源相对匮乏，而且受干旱、洪涝、盐碱、水土流失等多种不利因素的影响，中低产田所占比重偏高，同时随着工业化、城镇化进程的加快，可用于耕种的土地极为有限。因此，仅仅依靠扩大播种面积以提高粮食总产量的潜力越来越小，解决未来我国粮食问题的主要途径是提高粮食单产水平。生产100kg籽粒所需的氮量作为推荐施氮模型中的一个重要参数，其精准程度将影响推荐施氮量。本研究表明，我国小麦100kg籽粒所需氮量平均为2.87kg，随产量水平的提高，小麦需氮量呈增加趋势，＜4.5t/hm2、4.56.5t/hm2、6.58.5t/hm2、8.510.5t/hm2、＞10.5t/hm2的产量范围其100kg籽粒的需氮量分别为2.79kg(n=1068)、2.80kg(n=1505)、2.91kg(n=1744)、3.03kg(n=623)和3.05kg(n=38)(图4，All)，所影响的籽粒和秸秆的氮素含量分别为2.01%、2.11%、2.21%、2.26%、2.4%和0.46%、0.53%、0.58%、0.61%和0.63%(图3)，这说明小麦产量水平与小麦本身氮素吸收能力密切相关。这一研究结果的趋势与串丽敏汇总的结果类似［17］，冬小麦吨粮氮吸收量随产量范围的增加表现出增加趋势，在＜4.0、4.06.0、6.08.0、8.010.0、10.012.0t/hm2产量时每吨产量的氮吸收量分别为22.9(n=128)、24.4(n=494)、24.8(n=972)、25.0(n=245)和27.6kg(n=25)。这与Xu等［25］和Witt等［26］研究的玉米和水稻100kg籽粒需氮量随产量增加的变化趋势相类似。但与Yue等在华北地区的研究结果不同［27］，差异可能来自样品数量、区域尺度的不同。由于区域间温度、水分、土壤等环境条件和田间管理技术的差异，也造成了区域间生产100kg小麦籽粒的需氮量不同，黄淮海冬麦区、长江中下游冬麦区和西北冬春兼播麦区100kg小麦籽粒的需氮量分别为2.98kg、2.60kg和2.84kg。说明推荐施氮模型要精确考虑区域间小麦产量、小麦氮素需求规律的差异，因地制宜地指导小麦科学施肥。

作者：车升国 袁亮 李燕婷 林治安 沈兵 胡树文 赵秉强 单位：农业部植物营养与肥料重点实验室 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所