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《植物營養與肥料學報》2016年第二期

摘要:

【目的】掌握小麥氮素的吸收特征及區域差異性有利于指導小麥區域合理施肥，提高氮肥肥效，維持小麥增產穩產。本研究旨在探討我國小麥氮素吸收特征的區域性差異及其產量效應?！痉椒ā渴占?000年以后我國小麥田間試驗產量、籽粒和秸稈氮含量的文獻數據，統計分析了黃淮海冬麥區、西北冬春兼播麥區和長江中下游麥區的小麥產量、地上部氮吸收、籽粒氮含量、秸稈氮含量、100kg籽粒需氮量的區域差異，并進一步分析了小麥不同產量水平下100kg籽粒需氮量、籽粒氮含量和秸稈氮含量?！窘Y果】小麥產量、籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量和生產100kg籽粒需氮量的波動范圍大，變異性較高，存在明顯的區域差異。我國田間試驗的小麥平均產量為6.18t/hm2(n=5484，變異系數34.37%)，其中以黃淮海冬麥區最高(7.06t/hm2)，西北冬春兼播麥區最低(4.71t/hm2)，長江中下游冬麥區居中(5.60t/hm2);生產100kg籽粒需氮量的全國平均為2.87kg(n=5073，變異系數25.43%)，其中以黃淮海冬麥區最高(2.98kg)，長江中下游冬麥區和西北冬春兼播麥區偏低(分別為2.60kg和2.84kg);籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量全國平均分別為2.17%(n=3456)、0.55%(n=2460)、180.9kg/hm2(n=4962)，變異系數分別為23.96%、38.18%、44.50%。籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量均以黃淮海麥區居高，分別為2.24%、0.56%、211.1kg/hm2，長江中下游冬麥區和西北冬春兼播麥區偏低，分別為1.92%、0.5%、146.7kg/hm2和2.14%、0.53%、138.0kg/hm2。生產100kg小麥籽粒需氮量、籽粒氮含量和秸稈氮含量隨小麥產量水平的增加而呈增加趨勢，產量范圍＜4.5、4.56.5、6.58.5、8.510.5、＞10.5t/hm2，生產100kg籽粒需氮量分別為2.79、2.80、2.91、3.03和3.05kg，對應的籽粒氮含量分別為2.01%、2.11%、2.27%、2.26%和2.40%，秸稈氮含量分別為0.46%、0.53%、0.58%、0.61%和0.63%?！窘Y論】溫度、水分等氣候條件、土壤類型、主栽品種及田間管理技術等差異，造成了小麥氮素吸收特性的區域間差異，因此小麥施肥應根據各區域的小麥產量、小麥氮素需求規律因地制宜地科學施肥。

關鍵詞:

小麥產量;氮素吸收;需氮量;響應特征

小麥在保障我國糧食安全方面起著舉足輕重的作用［1］，2013年小麥播種面積和產量分別占全國糧食作物的21.54%和20.26%［2］。施用化學肥料，特別是氮肥，是保證小麥高產穩產的一項重要農藝措施，20世紀糧食單產的1/2、總產的1/3來自化肥的貢獻。如果停止施用化肥，全球作物產量將減產50%［3］。化肥對我國糧食產量的貢獻率達40%60%［4］。如果不充分掌握小麥氮素的需求規律，僅為單一追求小麥高產，往往造成氮肥施用過量，例如山東［5－6］、河南［7］、陜西［8］等地區均存在氮肥過量問題，而氮肥的過量投入不僅造成肥料資源浪費，養分利用率低下［9］，也容易引起土壤酸化［10］、地下水污染［11］、溫室氣體排放［12］等負面環境問題。因此，研究小麥的氮素吸收規律，特別是區域間差異性，對科學合理地指導小麥區域施肥具有重要意義。近年來在小麥產量、品質、氮效率、氮平衡等方面已開展了大量的研究工作［13－16］。曹承富等［13］在安徽砂漿黑土的研究表明，施氮量為225kg/hm2時皖麥38和皖麥44產量最高，分別為5.91t/hm2和6.22t/hm2，再增施氮肥(75kg/hm2)小麥產量不升反降。徐鳳嬌等［14］研究表明，小麥產量與蛋白質產量在施氮量為N270kg/hm2時達最高，再增施氮肥N90kg/hm2，小麥產量和蛋白質產量均下降。黨廷輝等［15］在陜西黑壚土上的研究表明，麥田土壤中硝態氮數量、氮素盈余值與氮肥用量成正比。目前的研究主要集中于田塊尺度，或小樣本數的氮吸收規律，尚缺乏區域間大尺度、大樣本數量的深入探索［17］。因此，本文在收集2000年以后大量文獻數據和田間試驗數據的基礎上，系統分析我國黃淮海冬麥區、長江中下游冬麥區和西北冬春兼播麥區小麥主產區的小麥產量、籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量和生產100kg小麥籽粒需氮量的區域差異，探索不同小麥產量水平下籽粒氮含量、秸稈氮含量和100kg籽粒需氮量的變化特征，以期為我國小麥推薦施肥模型等提供科學的區域參數，為指導小麥區域合理施肥提供理論依據與科學參考，實現我國小麥增產高產，提高氮肥利用效率。

1材料與方法

1.1研究區域概況在參考我國小麥種植業區劃、中國化肥區劃等資料的基礎上［18－19］，根據2013年我國小麥區域生產布局和產量情況，選擇3個主要的小麥生產區作為研究對象，分別為黃淮海冬(秋播)麥區(HH)、長江中下游冬(秋播)麥區(YR)和西北冬春兼播麥區(NW)。2013年3個小麥產區小麥的播種面積為21783千公頃，占我國小麥總播種面積的90.32%;小麥產量11485萬噸，占我國小麥總產量的94.20%［2］。黃淮海冬(秋播)麥區主要包括山東、河南、河北、北京、天津及江蘇和安徽北部。本區地處暖溫帶，氣候溫和，屬半濕潤性或半干旱季風氣候，土壤類型以褐土和潮土為主，小麥主要為冬小麥(冬小麥—夏玉米輪作)。2013年本區小麥播種面積和產量占全國的57.44%和66.64%［2］。長江中下游冬(秋播)麥區包括浙江、湖北、湖南、江西及安徽和江蘇南部等。本區位于北亞熱帶季風區，氣候溫暖濕潤，熱量豐富，土壤類型主要為水稻土、棕壤等，小麥主要為冬小麥(冬小麥—水稻或其他作物輪作)。2013年本區小麥播種面積和產量占全國的14.53%和13.74%［2］。西北冬春兼播麥區包括陜西、山西、新疆、寧夏、甘肅和內蒙古東部區域。本區處于中溫帶內陸地區，屬大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，土壤以棕鈣土、灰鈣土、灌漠土、灰漠土等為主。小麥有冬小麥和春小麥。2013年本區小麥播種面積和產量占全國的18.35%和13.82%［2］。

1.2數據來源本研究所涉及數據包括小麥產量、籽粒氮吸收量、秸稈氮吸收量、地上部氮吸收總量、籽粒含氮量、秸稈含氮量等。數據來自于課題組“十一五”、“十二五”國家科技支撐計劃課題的試驗數據等，以及2000年后公開發表的文獻資料，包括期刊文獻、碩博畢業論文、書籍等。選擇研究區域的樣點數，其中產量數據為5484組、籽粒氮含量3456組、秸稈氮含量2460組、植株氮積累量4962組和生產100kg籽粒需氮量數據5073組。詳細樣點分布見圖1和表1。

1.3數據處理利用Excel(2003)進行數據的預處理;應用Sigmplot10.0軟件制作小麥籽粒氮含量、小麥秸稈氮含量、100kg籽粒需氮量與產量變化的關系圖，同時分析小麥產量與地上部吸收氮總量的相互關系并制圖。黃淮海冬麥區、長江中下游冬麥區、西北冬春兼播麥區及全國樣點的小麥產量與小麥吸收氮總量進行模擬分析時，模型選試指數函數、線性函數、多項式、乘冪函數等，經多次調試選用R2最高、顯著性最好的乘冪函數Y=aXb(a、b為常數)。

2結果與分析

2.1小麥主產區的氮素吸收規律我國大田試驗條件下小麥平均產量為6.18t/hm2(n=5484)，籽粒氮含量2.17%(n=3456)，秸稈氮含量0.55%(n=2460)，地上部吸收氮總量為180.9kg/hm2(n=4962)(表1)，但各參數波動范圍較大，變異系數較高。小麥產量、籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部氮吸收量變幅分別為0.215.48t/hm2、0.46%5.26%、0.03%1.53%、6.7658.2kg/hm2，變異系數分別為34.37%、23.96%、38.18%、44.50%。這一結果說明，我國地域遼闊，氣候環境、土壤類型等千差萬別，造成小麥產量、籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部氮累積量等區域差異明顯，變異性較大，在小麥推薦施肥過程中要因地制宜，探索不同區域的小麥氮素需求特征。黃淮海冬麥區小麥產量最高，達7.06t/hm2(n=3027)，西北冬春兼播麥區最低，僅為4.71t/hm2(n=1398)，長江中下游冬麥區居中，為5.60t/hm2(n=1059)。區域間小麥產量水平的不同，氮素吸收量也存在差異。黃淮海冬麥區籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量較高，分別為2.24%、0.56%、211.1kg/hm2;長江中下游冬麥區籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量分別為1.92%、0.5%、146.7kg/hm2;西北冬春兼播麥區籽粒氮含量、秸稈氮含量、地上部吸氮總量分別為2.14%、0.53%、138.0kg/hm2(表1)。小麥產量與地上部氮吸收總量的相關分析表明，二者呈顯著的乘冪函數關系(圖2)。全國樣點相關函數表達式為Y=26.447X1.033(Y表示小麥產量，X為地上部氮吸收總量)，R2為0.7664，達極顯著水平(P＜0.001)。黃淮海冬麥區、長江中下游冬麥區和西北冬春兼播麥區R2也均達極顯著水平，分別為0.713、0.7691和0.7489。全國范圍生產100kg小麥籽粒的需氮量為2.87kg(n=5073)，變幅為0.598.44kg，變異系數25.43%。這說明，小麥生產100kg籽粒的氮需求量存在區域差異性，如黃淮海冬麥區為2.98kg、長江中下游冬麥區為2.60kg，而西北冬春兼播麥區為2.84kg。

2.2小麥氮素吸收特征及其產量效應為進一步探索不同區域小麥產量水平與籽粒氮含量、秸稈氮含量、需氮量的相關關系，根據小麥產量水平將籽粒氮含量、秸稈氮含量及100kg籽粒需氮量進行分組研究。將小麥產量分為5個水平，分別為＜4.5t/hm2(平均產量3.15kg/hm2，n=1216)、4.56.5t/hm2(平均產量5.56kg/hm2，n=1677)、6.58.5t/hm2(平均產量7.50kg/hm2，n=1910)、8.510.5t/hm2(平均產量9.11kg/hm2，n=639)和＞10.5t/hm2(平均產量11.8kg/hm2，n=42)。

3討論與結論

本研究所搜集的2000年以后的文獻資料數據顯示，我國平均小麥產量為6.18t/hm2(n=5484)，這一產量水平明顯高于中國農業科學院土壤肥料研究所匯總的19811983年1260個試驗點的最高小麥產量(4.69t/hm2)［19］和Liu等［20］統計的19851995年小麥產量(0.358.73t/hm2)，其主要原因是我國小麥品種的更新換代、高產小麥品種的培育［21－22］，肥料尤其化學肥料的大量施用以及田間管理措施的改進和配套設施的完善等［23－24］。這一產量水平較國家統計資料20002013年平均小麥產量(4.44t/hm2)［2］高39.19%?？赡苁怯捎谒鸭脑囼灁祿饕獊碜杂诟鞔髮W及科研院所的小麥試驗，試驗地基本選擇在地勢平坦、環境適宜的地區，同時試驗地的田間管理良好，施肥、除草、噴農藥及時等，有利于小麥產量的提高?？紤]未來我國后備耕地資源相對匱乏，而且受干旱、洪澇、鹽堿、水土流失等多種不利因素的影響，中低產田所占比重偏高，同時隨著工業化、城鎮化進程的加快，可用于耕種的土地極為有限。因此，僅僅依靠擴大播種面積以提高糧食總產量的潛力越來越小，解決未來我國糧食問題的主要途徑是提高糧食單產水平。生產100kg籽粒所需的氮量作為推薦施氮模型中的一個重要參數，其精準程度將影響推薦施氮量。本研究表明，我國小麥100kg籽粒所需氮量平均為2.87kg，隨產量水平的提高，小麥需氮量呈增加趨勢，＜4.5t/hm2、4.56.5t/hm2、6.58.5t/hm2、8.510.5t/hm2、＞10.5t/hm2的產量范圍其100kg籽粒的需氮量分別為2.79kg(n=1068)、2.80kg(n=1505)、2.91kg(n=1744)、3.03kg(n=623)和3.05kg(n=38)(圖4，All)，所影響的籽粒和秸稈的氮素含量分別為2.01%、2.11%、2.21%、2.26%、2.4%和0.46%、0.53%、0.58%、0.61%和0.63%(圖3)，這說明小麥產量水平與小麥本身氮素吸收能力密切相關。這一研究結果的趨勢與串麗敏匯總的結果類似［17］，冬小麥噸糧氮吸收量隨產量范圍的增加表現出增加趨勢，在＜4.0、4.06.0、6.08.0、8.010.0、10.012.0t/hm2產量時每噸產量的氮吸收量分別為22.9(n=128)、24.4(n=494)、24.8(n=972)、25.0(n=245)和27.6kg(n=25)。這與Xu等［25］和Witt等［26］研究的玉米和水稻100kg籽粒需氮量隨產量增加的變化趨勢相類似。但與Yue等在華北地區的研究結果不同［27］，差異可能來自樣品數量、區域尺度的不同。由于區域間溫度、水分、土壤等環境條件和田間管理技術的差異，也造成了區域間生產100kg小麥籽粒的需氮量不同，黃淮海冬麥區、長江中下游冬麥區和西北冬春兼播麥區100kg小麥籽粒的需氮量分別為2.98kg、2.60kg和2.84kg。說明推薦施氮模型要精確考慮區域間小麥產量、小麥氮素需求規律的差異，因地制宜地指導小麥科學施肥。

作者：車升國 袁亮 李燕婷 林治安 沈兵 胡樹文 趙秉強 單位：農業部植物營養與肥料重點實驗室 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所