马悦^,1, 田怡¹, 苑爱静¹, 王浩琳¹, 李永华¹, 黄婷苗¹, 黄宁¹, 李超¹, 党海燕¹, 邱炜红¹, 何刚¹, 王朝辉^,1,2, 石美^,11西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100
²西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室,陕西杨凌 712100

Response of Wheat Yield and Protein Concentration to Soil Nitrate in Northern Wheat Production Region of China

MA Yue^,1, TIAN Yi¹, YUAN AiJing¹, WANG HaoLin¹, LI YongHua¹, HUANG TingMiao¹, HUANG Ning¹, LI Chao¹, DANG HaiYan¹, QIU WeiHong¹, HE Gang¹, WANG ZhaoHui^,1,2, SHI Mei^,11College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi
²Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi

通讯作者: 王朝辉,E-mail： w-zhaohui@263.net。 石美,E-mail： meishi@nwafu.edu.cn

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-09-30接受日期:2020-12-17

基金资助:

国家重点研发计划(2018YFD0200400) 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-03)

Received:2020-09-30Accepted:2020-12-17
作者简介 About authors
马悦,E-mail： 381495288@qq.com。















摘要
【目的】分析我国北方麦区不同土壤硝态氮残留梯度下减施氮肥后小麦籽粒产量、蛋白质含量变化,为保证合理减施氮肥,有效降低麦田土壤硝态氮残留提供理论依据。【方法】于2018—2019年在我国北方麦区43个地点进行田间试验,研究不同硝态氮残留情况下氮肥减施对小麦产量、蛋白质含量、产量构成及氮素吸收利用的影响。【结果】与农户施肥相比,监控施肥的氮肥用量减少55 kg·hm^-2（26%）,产量为5 885 kg·hm^-2,比农户施肥增产3.1%,籽粒蛋白质含量为132.4 g·kg^-1,与农户施肥相比无显著差异。当1 m土层硝态氮残留量<55 kg·hm^-2时,小麦产量最低,为4 252 kg·hm^-2,硝态氮残留在55—100 kg·hm^-2时,产量达到最高,为7 186 kg·hm^-2,硝态氮残留量过高并不能持续提高小麦产量;当土壤硝态氮残留量<100 kg·hm^-2时,不施氮肥小麦产量会显著降低,但采用监控施肥技术合理减施氮肥,无论土壤硝态氮残留多少,均不会减产。土壤硝态氮残留>300 kg·hm^-2时,小麦籽粒的蛋白质含量达到最高,平均为146.93 g·kg^-1;当土壤硝态氮残留量<200 kg·hm^-2时,不施氮肥会显著降低籽粒蛋白质含量,但通过监控土壤硝态氮合理减施氮肥,无论硝态氮残留高低,均不会降低籽粒蛋白质含量;硝态氮残留介于55—100 kg·hm^-2时,农户与监控施肥处理的小麦籽粒蛋白质含量分别为124.5和123.1 g·kg^-1。采用监控施肥技术,小麦氮肥吸收效率（地上部吸氮量/施氮量）与氮肥偏生产力分别为1.36 和45.7 kg·kg^-1,较农户施肥显著提高61.5%和57.1%。【结论】综合考虑维持北方麦区小麦较高的产量和蛋白质含量,收获期1 m土层硝态氮残留量应介于55—100 kg·hm^-2。基于小麦目标产量、籽粒蛋白质含量和土壤硝态氮监控,确定合理的氮肥用量,对实现小麦氮肥减施、绿色生产有重要意义。
关键词： 硝态氮残留;小麦;产量;蛋白质;氮肥减施

Abstract
【Objective】The changes of wheat grain yield and protein concentration caused by reduced nitrogen (N) fertilizer at different soil nitrate N residue levels were clarified, for the purpose of N fertilizer reduction and soil residual nitrate N decline in northern wheat production region of China.【Method】In our research, 43-site field experiments from 2018 to 2019 were conducted in northern wheat region of China, to investigate the effects of reduced N fertilizer on grain yield, protein concentration, yield components, and N uptake and utilization of wheat at different soil nitrate N residue levels. 【Result】The results showed that the recommended fertilizer application based on soil nitrate test (RF) could reduce N rates by 55 kg·hm^-2, correspond 26% of farmers’ fertilizer application (FF). Compared with the FF, the grain yield (5 885 kg·hm^-2) of RF was increased by 3.1%, while no significant difference was observed for grain protein concentration between the two treatments. For the minimum of grain yield was found to be 4 252 kg·hm^-2 when the soil nitrate N residue was less than 55 kg·hm^-2, and the maximum was 7 186 kg·hm^-2 at the soil nitrate N residue level of 55-100 kg·hm^-2. Higher soil nitrate N residue was not capable to increase the grain yield sustainability. For recommended fertilizer application based on soil nitrate test without N added (RF-N), the grain yield was significantly decreased with the corresponding soil nitrate N residue less than 100 kg·hm^-2, while no obvious reduction for grain yield for the RF regardless of nitrate N residue levels in soils. The grain protein concentration reached the highest when the soil nitrate-N residue was higher than 300 kg·hm^-2. The grain protein concentration was significantly decreased in RF-N, when the soil nitrate N residue was less than 200 kg·hm^-2, but it was not influenced obviously by soil nitrate N residue in the RF treatment. With soil nitrate N residue ranging from 55 to 100 kg·hm^-2, the grain protein concentration of FF and RF was 124.5 and 123.1 g·kg^-1, respectively. For RF, the N fertilizer uptake efficiency and N partial factor productivity were 1.36 and 45.7 kg·kg^-1, respectively; which were significantly increased by 61.5% and 57.1%, respectively, compared with the FF. 【Conclusion】For maintaining the higher grain yield and protein concentration of wheat, the residual nitrate N in 0-100 cm soil at harvest should be kept at 55-100 kg·hm^-2 in northern wheat production region. Determination of reasonable N fertilizer rates, based on combination of target grain yield, grain protein concentration and soil nitrate testing, played important roles in achieving N fertilizer reduction and agricultural green production in wheat fields.
Keywords：nitrate N residue;wheat;grain yield;grain protein;N fertilizer reduction


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本文引用格式
马悦, 田怡, 苑爱静, 王浩琳, 李永华, 黄婷苗, 黄宁, 李超, 党海燕, 邱炜红, 何刚, 王朝辉, 石美. 北方麦区小麦产量与蛋白质含量变化对土壤硝态氮的响应. 中国农业科学, 2021, 54(18): 3903-3918 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.010
MA Yue, TIAN Yi, YUAN AiJing, WANG HaoLin, LI YongHua, HUANG TingMiao, HUANG Ning, LI Chao, DANG HaiYan, QIU WeiHong, HE Gang, WANG ZhaoHui, SHI Mei. Response of Wheat Yield and Protein Concentration to Soil Nitrate in Northern Wheat Production Region of China. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(18): 3903-3918 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.010


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0 引言

【研究意义】氮肥施用对增加小麦产量和籽粒蛋白质含量具有重要作用。我国小麦生产目前仍以中小农户为主,尽管农户已经意识到“高投入不一定高产出”,但为保证小麦产量,多数农户仍会选择高的氮投入^[1],过量或高量氮投入常会带来诸多的负面环境影响,如土壤矿质氮残留、硝态氮淋溶、含氮温室效应气体排放等^[2,3,4]。因此,2015年农业农村部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,2019年发布的中央一号文件中强调“要继续开展农业节肥行动,实现化肥使用量负增长”。我国北方麦区包括山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、内蒙古、黑龙江等省区,播种面积357万hm²,产量1 567万t,分别占全国小麦播种总面积和总产的17.6%和13.7%,是我国主要的小麦产区^[5]。同时,在这一地区,小麦过量施肥问题相当严重^[6,7,8],特别是氮肥。连续 5 年对渭北旱地 1 261 个农户的小麦施肥调研发现,农户氮肥用量介于 33—454 kg·hm^-2,平均 188 kg·hm^-2,施氮不合理占69.0%^[9]。对新疆87个县调查表明,南疆化肥施用量平均为474 kg·hm^-2,北疆化肥施用量平均为318 kg·hm^-2,平均氮施用量206.7 kg·hm^-2[10]。宁夏吴忠市的调查表明,农户春小麦的习惯施氮量300—360 kg·hm^-2,远远超过了产量需求。巴彦淖尔市测土施肥推荐氮肥为42—70 kg·hm^-2,但农户的小麦氮肥用量介于 150—450 kg·hm^-2[11]。可见,大力推进氮肥减施,是这一地区小麦丰产优质高效和环境绿色友好发展的关键。【前人研究进展】氮肥减施引起的小麦产量和蛋白质含量变化一直受到人们关注。华北平原121个点的试验表明,与农户施氮325 kg·hm^-2相比,施氮128 kg·hm^-2时,小麦产量（平均5 900 kg·hm^-2）保持不变,但0—90 cm土层硝态氮残留降低38%^[12]。在陕西杨凌,施氮量由320 kg·hm^-2减少一半时,产量没有降低^[13]。渭北旱地,施氮量从300 kg·hm^-2减少到225 kg·hm^-2时,产量增加11%,0—1 m土层硝态氮残留量分别为182和139 kg·hm^-2,差异达到显著水平^[14]。山东泰安,施氮量从300 kg·hm^-2减少到180 kg·hm^-2时,两个品种小麦产量均显著增加^[15]。河北邯郸,施氮139 kg·hm^-2时小麦产量6 165 kg·hm^-2,比施氮300 kg·hm^-2增产35%,主要是因为土壤基础肥力较高,过高的土壤氮素抑制了小麦生长和产量形成,施氮300 kg·hm^-2时69%的氮肥残留在土壤中^[16]。但也有减氮引起产量降低的报道。在北京,施氮量从120 kg·hm^-2降到60 kg·hm^-2时,小麦籽粒产量降低,原因为减少氮肥容易引起土壤供氮不足^[17]。在河南郑州和开封,施氮量从240 kg·hm^-2降到180 kg·hm^-2时,小麦籽粒产量降低^[18]。氮肥减施也会影响小麦籽粒蛋白质含量。德国盆栽实验发现,减氮25%,小麦籽粒蛋白质含量降低5%^[19]。陕西渭北旱塬,施氮量从240 kg·hm^-2降到160 kg·hm^-2时,小麦籽粒蛋白质含量显著降低,0—300 cm土壤剖面硝态氮残留量减少135 kg·hm^-2[20]。甘肃清水,施氮量从300 kg·hm^-2减少到一半时,不同的耕作方式的小麦籽粒蛋白质含量均降低^[21]。但在黄土高原的多点试验发现,施氮量从240 kg·hm^-2降到120 kg·hm^-2时,小麦籽粒蛋白质含量保持不变^[22]。在美国也有报道,施氮量从289 kg·hm^-2降到155 kg·hm^-2时,并未降低小麦籽粒蛋白质含量^[23]。甚至在山西太谷还发现,施氮量从300 kg·hm^-2降到225 kg·hm^-2时,小麦籽粒蛋白质含量还有不同程度增加^[24]。可见,氮肥用量对小麦籽粒产量和蛋白质含量的影响,因不同地点的土壤养分情况不同而异。【本研究切入点】氮肥减施引起小麦产量和蛋白质含量的变化,既与氮肥施用量有关,也会与土壤中残留的氮素数量有关。然而,当前研究较多的是关于施氮数量变化与小麦产量及蛋白质含量的关系,没有充分考虑土壤的氮素情况。且当前研究多集中于单一地点,大区域多点试验较少。【拟解决的关键问题】为了明确氮肥减施引起的小麦产量与蛋白质含量变化对土壤氮素的响应,在北方麦区43个地点布置试验,研究了氮肥减施后小麦籽粒的产量、蛋白质含量变化与土壤硝态氮残留量的关系,为解决农户过量施肥,减少和防止土壤硝态氮过量残留,实现小麦丰产优质绿色可持续生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点分布于山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、内蒙古、黑龙江8个省区。其中,15个春小麦试验点分布在黑龙江、内蒙古、宁夏、青海、新疆北部和甘肃中部,种植制度为一年一熟,3—4月份播种小麦,当年7—9月份收获;冬小麦28个地点,分布在山西、陕西、新疆部分地区和甘肃陇东,每年9月下旬至10上旬播种小麦,来年5月底到7月初收获,种植制度为一年一熟或两熟。各省区降水、气温与0—20 cm土层土壤理化性质见表1。

Table 1
表1
表1北方麦区各试验地点0—20 cm 土层的基本理化性质、降水、气温和肥料用量
Table 1Basic physical and chemical properties of the top 0-20 cm soil, annual precipitation, average temperature and fertilizer rates at each experimental site in northern wheat production region of China

试验地点 Experimental site	春/冬小麦 S/W	年降水 Apre. (mm)	年均气温 AVT (℃)	有机质 OM (g·kg-1)	pH	全氮 TN (g·kg-1)	矿质氮 MN (mg·kg-1)	有效磷 AP (mg·kg-1)	速效钾 AK (mg·kg-1)	农户施肥量 FF rates N-P2O5-K2O (kg·hm-2)	监控施肥量 RF rates N-P2O5-K2O (kg·hm-2)
甘肃天水 Tianshui Gansu	冬小麦W	607	12.09	11.7	8.4	0.7	9.62	28.2	139.5	150-120-0	198-30-0
甘肃通渭1 Tongwei1 Gansu	春小麦S	429	9.06	10.9	8.6	0.6	3.72	11.6	134.2	121-90-0	10-26-0
甘肃通渭2 Tongwei2 Gansu	冬小麦W	405	9.19	10.0	8.6	0.7	5.64	7.3	134.9	120-90-0	74-31-0
甘肃通渭3 Tongwei3 Gansu	冬小麦W	405	9.19	9.0	8.9	0.6	4.90	12.0	161.0	120-90-0	89-39-0
甘肃通渭4 Tongwei4 Gansu	冬小麦W	405	9.19	10.5	8.6	0.6	9.26	8.0	121.0	150-120-0	79-24-0
甘肃武威 Wuwei Gansu	春小麦S	212*	7.95	13.9	8.6	0.8	23.23	27.0	145.6	267-242-0	183-30-0
甘肃张掖 Zhangye Gansu	春小麦S	172*	8.75	17.4	9.2	0.9	19.28	38.2	97.6	300-200-0	200-120-75
甘肃庄浪 Zhuanglang Gansu	冬小麦W	568	8.83	14.5	8.4	0.9	31.62	26.4	135.7	180-120-0	120-90-0
黑龙江黑河 Heihe Heilongjiang	春小麦S	689	1.67	38.2	5.5	2.1	18.54	33.9	166.5	80-75-38	73-73-20
黑龙江克山 Keshan Heilongjiang	春小麦S	780	3.78	31.2	6.6	1.6	14.08	68.6	296.9	90-75-45	75-30-45
内蒙古临河 Linhe Neimenggu	春小麦S	90*	9.40	15.1	8.6	0.8	23.98	70.3	206.9	302-207-0	177-62-60
内蒙古五原 Wuyuan Neimenggu	春小麦S	105*	7.95	7.4	8.4	0.4	57.64	4.4	59.8	344-173-0	203-72-60
内蒙古海拉尔 Hailaer Neimenggu	春小麦S	295	-0.13	31.9	8.3	1.6	18.54	47.1	208.1	90-60-39	120-68-14
宁夏贺兰 Helan Ningxia	春小麦S	148*	9.98	13.3	8.4	0.6	11.86	20.7	129.7	300-120-75	218-120-75
宁夏永宁1 Yongning1 Ningxia	春小麦S	226*	11.33	12.4	8.6	0.7	23.36	18.0	144.6	313-104-0	278-138-90
宁夏永宁2 Yongning2 Ningxia	春小麦S	177*	12.37	14.6	8.6	0.8	16.94	29.0	135.9	240-120-75	225-113-45
宁夏永宁3 Yongning3 Ningxia	春小麦S	226*	11.33	12.8	8.4	0.7	17.31	21.2	95.4	300-150-75	270-90-90
青海湟中 Huangzhong Qinghai	春小麦S	465	4.80	18.1	8.6	1.2	14.77	28.8	103.2	90-93-0	198-30-50
山西洪洞1 Hongtong1 Shanxi	冬小麦W	328	16.08	11.3	7.9	0.7	112.03	4.8	158.9	150-60-0	104-42-0
山西洪洞2 Hongtong2 Shanxi	冬小麦W	237*	13.79	18.7	8.4	1.0	16.58	8.8	129.0	268-135-90	188-56-31
山西临汾 Linfen Shanxi	冬小麦W	343*	15.24	19.0	8.5	0.8	13.59	11.7	160.0	266-120-66	179-111-30
山西闻喜1 Wenxi1 Shanxi	冬小麦W	289	16.75	14.0	8.2	0.7	12.59	5.6	121.3	180-60-60	142-60-34
山西闻喜2 Wenxi2 Shanxi	冬小麦W	289*	16.75	18.1	8.5	1.0	20.41	12.3	131.3	240-150-150	172-82-0
试验地点 Experimental site	春/冬小麦 S/W	年降水 Apre. (mm)	年均气温 AVT (℃)	有机质 OM (g·kg-1)	pH	全氮 TN (g·kg-1)	矿质氮 MN (mg·kg-1)	有效磷 AP (mg·kg-1)	速效钾 AK (mg·kg-1)	农户施肥量 FF rates N- P2O5-K2O (kg·hm-2)	监控施肥量 RF rates N- P2O5-K2O (kg·hm-2)
山西永济 Yongji Shanxi	冬小麦W	465*	14.82	14.8	8.5	0.8	14.23	10.1	145.5	268-180-90	251-75-0
陕西彬县 Binxian Shaanxi	冬小麦W	366	10.01	12.3	8.3	0.3	33.92	16.1	181.2	234-129-44	77-75-30
陕西大荔 Dali Shaanxi	冬小麦W	381	6.57	10.7	8.8	0.3	117.77	14.8	201.7	255-217-21	147-21-30
陕西合阳 Heyang Shaanxi	冬小麦W	347	6.57	12.6	8.2	0.7	35.60	10.5	237.7	135-162-18	111-79-30
陕西蒲城 Pucheng Shaanxi	冬小麦W	345	6.57	18.0	8.2	0.7	31.49	9.4	169.5	148-93-32	83-99-30
陕西岐山1 Qishan1 Shaanxi	冬小麦W	288	12.44	12.1	7.8	0.6	71.77	12.2	122.2	203-113-35	30-92-30
陕西岐山2 Qishan2 Shaanxi	冬小麦W	288*	12.44	18.2	8.5	1.1	7.23	7.7	119.8	180-144-35	150-90-0
陕西乾县 Qianxian Shaanxi	冬小麦W	413	13.35	10.9	8.4	0.4	74.68	14.2	98.5	214-244-6	105-58-30
陕西武功1 Wugong1 Shaanxi	冬小麦W	561*	13.35	19.2	8.3	1.2	19.66	23.0	257.6	255-180-30	206-89-5
陕西武功2 Wugong2 Shaanxi	冬小麦W	561*	13.35	17.2	8.3	1.1	18.23	19.4	128.2	255-180-30	225-105-45
陕西永寿1 Yongshou1 Shaanxi	冬小麦W	370	13.35	12.0	8.1	0.7	92.00	9.8	178.0	189-132-28	98-63-30
陕西永寿2 Yongshou2 Shaanxi	冬小麦W	370	13.35	10.5	8.2	0.5	47.38	9.6	139.2	199-129-20	39-91-30
陕西永寿3 Yongshou3 Shaanxi	冬小麦W	370	13.35	13.5	8.3	0.8	27.28	15.6	80.7	138-105-0	126-51-30
陕西永寿4 Yongshou4 Shaanxi	冬小麦W	370	13.35	11.1	8.4	0.6	49.27	13.4	116.5	193-117-20	64-41-30
新疆泽普1 Zepu1 Xinjiang	冬小麦W	92*	12.31	14.4	8.6	0.7	12.92	29.2	126.4	296-173-0	295-68-68
新疆木垒 Mulei Xinjiang	春小麦W	52*	7.33	9.6	8.3	0.7	17.50	7.0	198.1	240-105-38	224-81-0
新疆奇台 Qitai Xinjiang	冬小麦W	528*	2.08	12.9	8.5	0.8	24.18	20.9	462.1	315-180-20	240-120-20
新疆塔城 Tacheng Xinjiang	冬小麦W	255*	6.15	31.1	8.3	1.8	28.24	47.8	285.0	240-105-38	192-50-0
新疆石河子 Shihezi Xinjiang	春小麦S	231*	8.43	15.5	8.3	0.9	32.33	36.2	391.2	300-133-0	216-30-0
新疆泽普2 Zepu2 Xinjiang	冬小麦W	92*	12.31	9.7	8.7	0.6	12.03	22.5	95.9	295-173-0	282-138-0

S: Spring wheat; W: Winter wheat; Apre.: Annual precipitation; AVT: Annual average temperature; OM: Organic matter; TN: Total N; MH: Mineral nitrogen; AP: Available P; AK: Available K. FF: Farmers’ fertilizer application. RF: The recommended fertilizer application based on soil nitrate test
冬小麦降水与气温为2018年9月至2019年8月的总降雨量与平均气温,春小麦降水与气温为2019年1—12月的总降雨量与平均气温。*代表灌溉,各试验地点0—20 cm 土层的基本理化性状为2019年收获期农户施肥处理的测定结果Precipitation and temperatures of winter wheat are the total rainfall and mean monthly temperatures from September 2018 to August 2019, respectively. Precipitation and temperatures of spring wheat are the total rainfall and mean monthly temperatures in 2019. * Indicates irrigation. The basic physical and chemical properties of 0-20 cm soil layer at each experimental site were the determination of FF treatment at wheat harvest in 2019

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1.2 试验设计

试验包括5个处理：农户施肥（FF）,监控施肥（RF）,监控无氮（RF-N）,监控无磷（RF-P）,监控无钾（RF-K）。农户处理的施肥量为调研得到的试验所在地30个以上农户的小麦氮磷钾用量的平均值。监控施肥处理的施肥量采用监控施肥技术确定^[1,25-26]。监控无氮、无磷、无钾处理分别为不施氮、磷、钾肥,其他肥料用量同监控施肥处理。田间排列采用完全随机区组设计,每个处理重复3次,小区面积≥300 m²,各试验点均种植当地主栽品种,种植、灌溉、农药施用方式与农户一致。各地点的氮磷钾肥用量见表1。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤样品采集与测定 小麦收获期,每个小区选取5个样点,使用土钻取0—100 cm的土层,每20 cm为一层,同层混匀后装入自封袋,同时测定土壤容重^[27,28]。将土壤放置在阴凉通风处风干后,磨碎过1 mm与0.15 mm的筛子。土壤硝、铵态氮,有效磷,速效钾,pH使用过1 mm筛土样测定,土壤有机质和全氮使用过0.15 mm筛的土样测定。土壤pH用pH计测定,水土比为2.5﹕1。硝、铵态氮,有效磷分别用1 mol·L^-1 KCl,0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提,振荡后过滤,连续流动分析仪测定滤液氮磷养分。速效钾用1 mol·L^-1 NH₄OAc浸提,振荡后过滤,火焰光度计测定滤液中的钾。有机质用重铬酸钾外加热法测定。全氮用浓硫酸加混合催化剂（K₂SO₄﹕CuSO₄=10﹕1）消煮,连续流动分析仪测定消煮液中氮。

1.3.2 植物样品采集与测定 小麦收获期,每个小区随机采集100穗的小麦全株^[1,20],自然风干后,人工脱粒分为籽粒、茎叶、颖壳。取部分籽粒、茎叶、颖壳用自来水和蒸馏水分别漂洗3次,65℃烘至恒重,测定风干样品的含水量。烘干样品用氧化锆球磨仪磨成粉状,测定养分含量^[29]。植物全氮用H₂SO₄-H₂O₂消解,连续流动分析仪测定消煮液。小麦产量为各小区实际收获结果。产量与养分含量均以干重为基数表示。

1.4 数据处理与统计分析

1.4.1 土壤硝态氮残留量分组 将所有处理按照该地点农户施肥处理的土壤硝态氮残留量从低到高排列,分为<55、55—100、100—200、200—300、>300 kg·hm^-2 5个组,分析小麦产量与蛋白质含量变化对不同处理与不同梯度下的土壤硝态氮残留的响应。

1.4.2 相关指标及计算

（1）籽粒蛋白质含量=籽粒全氮含量×5.83
式中,系数5.83来源于联合国粮农组织和世界卫生组织推荐^[30],籽粒蛋白质与全氮含量单位均为g·kg^-1。

（2）氮肥偏生产力=产量/施氮量
（3）氮肥吸收效率=地上部吸氮量/施氮量^[31]
（4）氮素利用效率=产量/地上部吸氮量^[31]
（2）（3）（4）式中,氮肥偏生产力、氮肥吸收效率、氮素利用效率单位均为kg·kg^-1,地上部吸氮量与产量单位为kg·hm^-2,施氮量单位为kg·hm^-2。

（5）1 m土层硝态氮残留量=Σ(T_i × D_i × C_i/10）
（5）式中,1 m土层硝态氮残留量单位为kg·hm^-2,T_i为土层厚度（cm）,D_i为土壤容重（g·cm^-3）,C_i为对应土层土壤硝态氮浓度（mg·kg^-1）,10为转化系数。

数据处理采用Microsoft Excel 2016,作图采用ArcGIS 10.2与Origin 2018,统计分析采用SPSS Statistics 23.0。多重比较采用 LSD（Least Significant Difference）法,差异显著水平为 0.05（P<0.05）。

2 结果

2.1 农户麦田1 m土层土壤硝态氮残留

北方麦区农户麦田1 m土层土壤硝态氮残留普遍较高（图1-a）,介于18—457 kg·hm^-2,平均为151 kg·hm^-2。分析表明,43个地点中,硝态氮残留量小于55 kg·hm^-2的有5个,介于55—100 kg·hm^-2的有10个,占35%,超过200 kg·hm^-2的有11个,占26%。当农户硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,农户施氮量分别为124、235、196、254、268 kg·hm^-2（图1-b）。除硝态氮残留介于100—200 kg·hm^-2外,施氮量随硝态氮残留量的增加而逐渐增加。从分布的区域看,残留量小于100 kg·hm^-2的地点主要分布在黄土高原旱区的陇东、宁南、汾渭平原、内蒙东部及黑龙江;超过200 kg·hm^-2的点主要分布在新疆绿洲、河西走廊和内蒙灌区。可见,施氮量和灌水是影响土壤硝态氮残留的重要因素。

图1

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图1北方麦区农户麦田1 m土层土壤硝态氮残留量的频数分布（a）和施氮量（b）

误差线表示均数标准差,不同小写字母表示不同硝态氮残留之间差异显著性（P<0.05）
Fig. 1Frequency distribution (a) and N application rates (b) of nitrate N residue in 0-100 cm soil layer of farmers’ fields in northern wheat region of China

Error bars are standard deviations of the means, and different lowercase letters above bars indicate significant differences among different ranges of nitrate N residue in soils at P<0.05 level

2.2 小麦籽粒产量与土壤硝态氮残留的关系

分析小麦产量与土壤硝态氮残留量的关系（图2-a）表明,小麦产量介于521—10 117 kg·hm^-2,平均6 001 kg·hm^-2,研究区域小麦产量与土壤硝态氮残留无显著相关。进一步从土壤不同硝态氮残留梯度的小麦产量变化来看,当土壤硝态氮残留量在<55、55— 100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,农户施肥、监控施肥、监控无氮3个处理的平均产量分别为4 252、7 186、4 835、6 105、6 011 kg·hm^-2,硝态氮残留介于55—100 kg·hm^-2时小麦产量最高,且显著高于硝态氮残留<55和100—200 kg·hm^-2的产量,与硝态氮残留介于200—300、>300 kg·hm^-2时的产量无显著差异。说明硝态氮残留量低时,小麦产量较低,但硝态残留量过高并不能持续提高小麦产量,硝态氮残留在55—100 kg·hm^-2时较适合北方麦区的小麦生产。

图2

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图2北方麦区不同麦田小麦籽粒产量与1 m土层土壤硝态氮残留量的关系（a）,产量对氮肥减施的响应（b）

图2-a数据由农户施肥、监控施肥、监控无氮、监控无磷、监控无钾处理组成。图2-b误差线表示均数标准差。不同小写字母表示处理之间差异显著性（P<0.05）,不同大写字母表示不同硝态氮残留梯度之间差异显著性（P<0.05）。图3,图4同
Fig. 2Relationship of wheat grain yield to nitrate N residue in 0-100 cm soil layer (a), and the response of grain yield to reduced N fertilizer (b) in northern wheat production region of China

Fig.2-a: Data is composed of FF, RF, RF-N, RF-P, RF-K. Fig. 2-b: Error bars are standard deviations of the means. Different lowercase and capital letters represent significant differences among three treatments and different ranges of soil nitrate N residue at P< 0.05 level, respectively. The same as Fig. 3, Fig. 4


与农户施肥的小麦产量相比（图2-b）,不同硝态氮残留梯度下,监控施肥产量提高0.7%—6.1%,但两者差异没有达到显著水平,监控、农户施肥的产量平均分别为5 885和5 708 kg·hm^-2,平均相差3.1%。不施氮肥,会显著降低小麦产量。当土壤硝态氮残留量<55和55—100 kg·hm^-2时,监控无氮小麦产量分别比监控施肥降低为34.2%和11.4%;残留为100—300 kg·hm^-2时,减产不显著;残留>300 kg·hm^-2时,监控无氮显著减产25.5%。主要原因是硝态氮残留大于300 kg·hm^-2的试验点均为施氮量高于300 kg·hm^-2,且主要为灌溉麦区。在灌水条件下,特别是在一些绿洲灌区小麦整个生育期要进行7—8次灌水,不施氮肥加上大量、多次灌溉,会造成土壤氮素大量淋溶^[32],引起作物缺氮,从而减产。可见,监控施肥能够显著减少不同硝态氮残留水平时的氮肥用量,同时维持与农户施肥一样高的小麦产量,不施氮会有减产的风险,特别是在土壤硝态氮残留量<55 kg·hm^-2时减产幅度最大。

2.3 小麦生物量、收获指数与土壤硝态氮残留的关系

分析土壤不同硝态氮残留梯度的小麦地上部生物量变化（表2）发现,当硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,介于55—100 kg·hm^-2时各处理的平均地上部生物量最高,为14 954 kg·hm^-2,比残留<55和100—200 kg·hm^-2时高51.2%和28.2%,与残留200—300、>300 kg·hm^-2时无显著差异。与农户施肥相比,不同硝态氮残留梯度下监控施肥的地上部生物量提高0.9%—12.5%,硝态氮残留100—200 kg·hm^-2时监控施肥显著高于农户施肥。不施氮肥,会显著降低小麦地上部生物量。当土壤硝态氮残留量在<55和55—100 kg·hm^-2时,监控无氮的生物量分别比监控施肥降低34.3%和8.1%;残留为>300 kg·hm^-2时,降低不显著。可见,监控施肥可以在降低氮肥用量的同时维持了与农户施肥相同水平相当或较高的小麦生物量,不施氮会显著降低小麦地上部生物量,特别是在土壤硝态氮残留量<55 kg·hm^-2时降低幅度最大。

Table 2
表2
表2北方麦区1 m土层不同土壤硝态氮残留下地上部生物量和收获指数
Table 2Biomass and harvest index of wheat at different nitrate N residue levels in 0-100 cm soil layer in northern wheat production region of China

硝态氮残留 Nitrate N residue (kg·hm-2)	地上部生物量Aboveground biomass (kg·hm-2)				收获指数Harvest index (%)
	农户施肥 FF	监控施肥 RF	监控无氮 RF-N	平均 Average	农户施肥 FF	监控施肥 RF	监控无氮 RF-N	平均 Average
<55	10397 ab	11042 a	8223 b	9887 C	42.6 a	42.1 a	42.2 a	42.3 B
55-100	15244 a	15388 a	14230 b	14954 A	48.5 a	49.8 a	48.4 a	48.9 A
100-200	11470 b	11924 a	11612 ab	11669 BC	42.2 a	41.3 a	41.1 a	41.6 B
200-300	12539 a	14109 a	13578 a	13409 AB	45.9 a	44.9 a	44.6 a	45.1 AB
>300	14388 a	14722 a	12161 a	13757 AB	44.4 a	45.2 a	44.5 a	44.7 B
平均Average	12715 a	13257 a	12206 b		44.5 a	44.4 a	43.8 a

不同小写字母表示处理之间差异显著性（P<0.05）,不同大写字母表示不同硝态氮残留梯度之间差异显著性（P<0.05）。下同
Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at P<0.05, and different capital letters indicate significant differences between different soil nitrate N residues at P<0.05. The same as below

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小麦收获指数的分析（表2）发现,当硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,收获指数平均值分别为42.3%、48.9%、41.6%、45.1%、44.7%,硝态氮残留量为55—100 kg·hm^-2时平均收获指数最高,显著高于<55、100—200和>300 kg·hm^-2时的收获指数。说明硝态氮残留量低时,小麦收获指数较低,但硝态氮残留量过高或过低均会降低小麦收获指数。在不同的硝态氮残留梯度下,农户施肥、监控施肥、监控无氮三者之间的收获指数差异均不显著,说明在土壤硝态氮残留相同时施氮量不影响小麦的收获指数。

2.4 小麦产量三要素与土壤硝态氮残留的关系

对小麦产量三要素（表3）的分析发现,土壤硝态氮残留介于55—100 kg·hm^-2时各处理的平均穗数、穗粒数最高,比硝态氮残留量为<55、100—200、200—300 kg·hm^-2时平均穗数显著提高9.3%—37.3%,平均穗粒数比硝态氮残留>300 kg·hm^-2时显著提高18.8%。不同硝态氮残留梯度之间,平均千粒重无显著差异。说明硝态氮残留量低时,不利于小麦穗数增加,小麦穗数较低,残留过高甚至显著降低小麦的穗数与穗粒数,小麦千粒重对土壤硝态氮响应不明显。

Table 3
表3
表3北方麦区1 m土层不同土壤硝态氮残留下产量三要素
Table 3Grain yield components of wheat at different nitrate N residue levels in 0-100 cm soil layer in northern wheat production region of China

硝态氮残留 Nitrate N residue (kg·hm-2)	穗数Spike number (×104 ·hm-2)				穗粒数Grain per spike				千粒重1000 grain weight (g)
	农户施肥FF	监控施肥RF	监控无氮RF-N	平均Average	农户施肥FF	监控施肥RF	监控无氮RF-N	平均Average	农户施肥FF	监控施肥RF	监控无氮RF-N	平均Average
<55	404 a	452 a	331 a	396 C	27 a	30 a	34 a	30 AB	42.8 a	40.1 a	36.0 a	39.6 A
55-100	534 a	543 a	553 a	543 A	34 a	34 a	31 b	33 A	42.2 a	42.4 a	42.9 a	42.5 A
100-200	389 ab	415 a	387 b	397 C	30 a	28 ab	28 b	29 AB	42.1 a	42.2 a	44.2 a	42.8 A
200-300	415 a	468 a	447 a	443 BC	32 a	33 a	31 a	32 AB	45.9 a	42.6 a	44.1 a	44.2 A
>300	481 a	559 a	452 a	497 AB	29 a	28 a	26 a	28 B	42.7 a	41.3 a	41.2 a	41.7 A
平均Average	439 ab	473 a	435 b		31 a	30 a	29 b		42.8 a	42.0 b	42.7 ab

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与农户施肥相比（表3）,不同硝态氮残留梯度下,监控施肥的穗数提高1.8%—12.0%,但两者差异没有达到显著水平,监控施肥、农户施肥的平均穗数分别为473×10⁴·hm^-2和439×10⁴·hm^-2,相差3.1%。与监控施肥相比,监控无氮显著降低小麦穗数。当硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,降低4.7%—36.7%,在硝态氮残留为100—200 kg·hm^-2时差异达到显著。监控施肥的穗粒数较农户施肥增减不一,但两者差异没有达到显著水平,平均分别为每穗30和31粒,仅相差0.7%。与监控施肥相比,当硝态氮残留<55 kg·hm^-2时,监控无氮的穗粒数增加12.9%,但差异不显著;当残留介于55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,监控较监控无氮增加1.6%—9.7%,其中残留55—100 kg·hm^-2时差异显著。不同硝态氮残留梯度下,农户施肥、监施肥控、监控无氮三者的千粒重差异不显著,从整体来看,农户施肥的千粒重显著高于监控施肥处理,但仅高2.0%,监控施肥与监控无氮无显著差异。可见,监控施肥有利于北方麦区小麦的穗数增加,但对穗粒数和千粒重影响较小或不显著,不施氮会引起穗数显著减少。

2.5 小麦籽粒蛋白质含量与土壤硝态氮残留的关系

北方麦区小麦籽粒蛋白质含量与土壤硝态氮残留量亦无显著相关（图3-a）。小麦籽粒蛋白质含量介于64.2—196.5 g·kg^-1,平均为130.8 g·kg^-1。当硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和>300 kg·hm^-2时（图3-b）,3个处理的蛋白质含量平均值分别为121.1、122.0、134.9、129.1、147.0 g·kg^-1。硝态氮残留量>300 kg·hm^-2时,籽粒蛋白质含量最高,显著高于其他各残留水平时的蛋白质含量。说明小麦籽粒的蛋白质含量可随土壤硝态氮残留量的增加而提高。

图3

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图3北方麦区不同麦田小麦籽粒蛋白质含量与1 m土层土壤硝态氮残留量的关系（a）,籽粒蛋白质含量对氮肥减施的响应（b）

Fig. 3Relationships between wheat grain protein concentration and nitrate N residue in 0-100 cm soil layer (a), and the response of grain protein concentration to reduced N fertilizer (b) in northern wheat production region of China



对比不同土壤硝态氮残留情况下农户和监控施肥的蛋白质含量的平均值发现（图3-b）,两者没有显著差异,平均分别为134.6和132.4 g·kg^-1。当土壤硝态氮残留量<55、55—100和100—200 kg·hm^-2时,监控无氮会显著降低小麦籽粒蛋白质含量,分别降低为19.4%、4.9%和6.8%;当硝态氮残留介于200—300和>300 kg·hm^-2时,降低不显著。说明当土壤硝态氮残留>200 kg·hm^-2时,即使不施氮肥,小麦籽粒的蛋白质含量也不会降低。

2.6 小麦氮素吸收利用与土壤硝态氮残留的关系

分析小麦地上部吸氮量和籽粒吸氮量（表4）发现,当硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,各处理平均值变化趋势一致,硝态氮残留55—100 kg·hm^-2时,与200—300和>300 kg·hm^-2无显著差异,显著高于<55、100—200 kg·hm^-2时的吸氮量平均值。各处理的氮收获指数平均值在硝态氮残留<55、55—100 kg·hm^-2时较高,但不同残留梯度间差异不显著。可见,硝态氮残留量<55 kg·hm^-2时,小麦氮素吸收较低;残留>300 kg·hm^-2时地上部吸氮量和籽粒吸氮量较高,但氮收获指数较低,硝态氮残留55—100 kg·hm^-2时具有较高的地上部吸氮量、籽粒吸氮量及氮收获指数,适合北方麦区小麦氮素吸收利用。

Table 4
表4
表4北方麦区1 m土层不同土壤硝态氮残留下地上部吸氮量、籽粒吸氮量、氮收获指数
Table 4N uptake in aboveground part, grain N uptake, and N harvest index of wheat at different nitrate N residue levels in 0-100 cm soil layer in northern wheat production region of China

硝态氮残留 Nitrate N residue (kg·hm-2)	地上部吸氮量 N uptake in aboveground part (kg·hm-2)				籽粒吸氮量 Grain N uptake (kg·hm-2)				氮收获指数 N harvest index (%)
	农户施肥FF	监控施肥RF	监控无氮RF-N	平均Average	农户施肥FF	监控施肥RF	监控无氮RF-N	平均Average	农户施肥FF	监控施肥RF	监控无氮RF-N	平均Average
<55	124 a	123 a	81 b	109 C	105 a	103 a	68 b	92 C	84.0 a	85.5 a	83.7 a	83.4 A
55-100	192 a	194 a	164 b	183 A	157 a	160 a	137 b	151 A	83.1 a	83.1 a	83.7 a	83.1 A
100-200	150 a	148 a	134 b	144 BC	113 a	112 a	103 b	110 BC	76.2 a	75.9 a	77.4 a	76.5 A
200-300	166 a	188 a	160 a	171 AB	132 a	146 a	128 a	135 AB	79.4 a	77.0 a	79.8 a	78.7 A
>300	198 a	203 a	163 a	188 A	160 a	159 a	129 a	149 A	81.7 a	79.5 a	80.1 a	80.5 A
平均Average	164 a	168 a	142 b		131 a	133 a	114 b		79.7 a	78.9 a	80.2 a

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与农户施肥（表4）相比,不同硝态氮残留梯度下,监控施肥的小麦地上部吸氮量、籽粒吸氮量、氮收获指数有增有减,但两者差异未达显著水平。与监控施肥相比,在土壤硝态氮残留<200 kg·hm^-2时,监控无氮降低小麦地上部和籽粒吸氮量,分别减少10.6%—53.4%和9.1%—55.4%。无论土壤硝态氮残留高低,农户施肥、监控施肥、监控无氮3个处理的氮收获指数差异均不显著。因此,监控施肥虽然减少的肥料用量,但并不影响小麦的氮素吸收利用能力,能使小麦达到与农户施肥相同的氮素吸收利用效果;而不施氮会显著降低小麦地上部和籽粒吸氮量,不利于小麦的氮素吸收。

2.7 小麦减氮增效效果与土壤硝态氮残留的关系

当土壤硝态氮残留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时（图4-a）,监控施肥的氮肥用量平均比农户施肥处理分别减少27、29、64、70、93 kg·hm^-2,相当于比农户减施氮肥22%、12%、32%、27%和35%。整体来看,农户和监控施肥的氮肥用量平均分别为214和159 kg·hm^-2,监控施肥减氮55 kg·hm^-2（26%）。与农户施肥相比（图4-b）,监控施肥处理的氮肥偏生产力分别提高35.6%、3.8%、104.9%、46.6%和87.6%,农户和监控施肥的氮肥偏生产力平均分别为29.1和45.7 kg·kg^-1,监控施肥较农户施肥显著提高57.1%。可见,采用监控施肥技术可以在保持与农户产量一致的前提下,显著减少氮肥用量,提高了氮肥的产量形成能力。

图4

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图4北方麦区不同麦田1 m土层土壤硝态氮残留量下的施氮量（a）、氮肥偏生产力（b）、氮肥吸收效率（c）、氮素利用效率（d）

误差线表示均数标准差。*表示处理之间差异显著性（P<0.05）
Fig. 4Nitrogen rates (a), N partial factor productivity (b), N fertilizer uptake efficiency (c), and N utilization efficiency (d) at different nitrate N residue levels in 0-100 cm soil layer in northern wheat production region of China

The error bar indicates standard deviation.* indicate significant differences among treatments at P<0.05


对氮肥吸收效率的分析表明（图4-c）,农户施肥处理的氮肥吸收效率均小于1.0 kg·kg ^-1,平均为0.84 kg·kg ^-1。除了硝态氮残留量为55—100 kg·hm^-2时,监控施肥的氮肥吸收效率为0.97 kg·kg^-1外,其余均大于1.0 kg·kg^-1,平均为1.36 kg·kg ^-1。当土壤硝态氮残留量<100 kg·hm^-2时,农户和监控施肥的氮肥吸收效率差异不显著;硝态氮残留量为100—200、200—300和 >300 kg·hm^-2时,监控施肥的氮肥吸收效率分别比农户施肥处理显著提高109.6%、57.7%和88.9%。整体来看,监控施肥的氮肥吸收效率比农户提高61.5%。可见,监控施肥条件下小麦有效地利用了土壤残留的硝态氮,高效地形成籽粒产量,提高氮素利用效率。

对小麦氮素利用效率的分析进一步表明（图4-d）,不同土壤硝态氮残留水平下,农户与监控施肥的小麦氮素利用效率差异不显著,其平均值分别为35.7和35.1 kg·kg ^-1,差异亦未达显著水平。

3 讨论

3.1 氮肥减施下小麦产量与土壤硝态氮残留的关系

研究发现,在我国北方麦区当土壤硝态氮残留介于55—100 kg·hm^-2时,无论是旱地,还是灌区,不同施肥情况下的小麦产量及其均值均最高。从干物质累积分配来看,当土壤硝态残留低于55 kg·hm^-2时,地上部生物量和收获指数降低是其产量低的主要原因;当土壤硝态残留介于100—200 kg·hm^-2时,地上部生物量和收获指数也显著降低;土壤硝态残留大于200 kg·hm^-2时,地上部生物量和收获指数虽有降低趋势,但差异不显著。氮素是作物生长和产量形成的关键营养元素。江华波等^[33]发现缺氮和过量氮素盈余都会抑制小麦地上部生长。从小麦产量构成来看,当土壤硝态氮残留小于55 kg·hm^-2时,穗数、穗粒数、千粒重降低是产量降低的主要原因;当硝态氮残留大于100 kg·hm²时,穗数、穗粒数显著下降是产量没能持续增加的主要原因。这说明并非土壤硝态氮残留量越高就越有利于小麦产量的形成,硝态氮残留量过高或过低都不利于产量形成。黑龙江的试验研究显示,当硝态氮残留量达到70 kg·hm^-2时小麦产量达到最高,过高或过低时产量均有不同程度降低^[34]。在华北平原,硝态氮残留为81 kg·hm²时的产量显著高于残留为144 kg·hm^-2时的产量^[35],另一项华北平原的研究也显示,硝态氮残留为173、120、159和147 kg·hm^-2时,小麦产量分别为6 287、7 285、7 917、7 461 kg·hm^-2,说明并非硝态氮残留越高,产量就越高^[36]。在陕西旱地麦区2年6个农户的试验表明,硝态氮残留量37.0 kg·hm^-2比残留为112 kg·hm^-2时小麦平均增产17.0%^[37]。可见,调控麦田土壤的硝态氮残留对小麦稳产增产有重要意义,实际生产中,应将麦田土壤硝态氮残留调控在55—100 kg·hm^-2的合理范围内。

另外,减少和防止土壤硝态氮过量残留对保护生态环境同样至关重要。欧盟国家规定作物收获后 0—90 cm 土层硝态氮残留量应小于50 kg·hm^-2,以保护生态环境^[38],但要兼顾作物高产,收获后0—90 cm土层硝态氮应为90—100 kg·hm^-2[39]。在黄土高原旱地,章孜亮等^[37]提出了农田土壤硝态氮残留的安全阈值,发现小麦收获时1 m土层的硝态氮残留不宜超过55 kg·hm^-2,否则在小麦收获后土壤残留的硝酸盐会在夏季淋溶到1 m以下土层。华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系中,崔振岭等^[40]通过大量田间试验总结得出,收获后0—90 cm土层硝态氮应维持在90—100 kg·hm^-2;巨晓棠等^[41]分析了我国当前农业生产的适宜氮素盈余情况,认为北方旱地小麦收获后0—100 cm土层的硝态氮残留量应不超过100 kg·hm^-2。在本研究中,当土壤硝态氮残留量大于100 kg·hm^-2时,旱作条件下或科学的肥水管理条件下,一年不施氮不会导致小麦减产。但残留量小于55 kg·hm^-2时,应合理使用氮肥,否则存在减产风险。可见,应结合土壤硝态氮残留情况,确定合理的氮肥用量,实现小麦丰产稳产,同时调控和减少土壤硝态氮残留。

3.2 氮肥减施下小麦蛋白质含量变化与土壤硝态氮残留的关系

研究发现,土壤硝态氮残留介于55—100 kg·hm^-2时,小麦蛋白质含量比硝态氮残留量大于100 kg·hm^-2时显著降低,但其地上部和籽粒吸氮量、氮素收获指数均比后者高,同时具有最高的籽粒产量、地上部生物量,这说明硝态氮残留介于55—100 kg·hm^-2时,由于产量提高导致的养分稀释效应,使其籽粒硝态氮含量降低。然而,与农户施肥相比,虽然监控施肥的氮肥用量减少55 kg·hm^-2（26%）,但小麦籽粒蛋白质含量并显著变化,平均为132.4 g·kg^-1。说明监控土壤的硝态氮残留情况,合理推荐氮肥用量不仅可以维持小麦丰产,还可以保证小麦的品质。当硝态氮残留小于55 kg·hm^-2时,不施氮时小麦籽粒蛋白质含量为108 g·kg^-1,小麦品质明显降低,主要原因是地上部和籽粒吸氮量显著降低。氮肥用量是影响小麦籽粒蛋白质含量的主要因素,贡献程度可达67%^[24],但一味增加施氮量不仅不会提高产量,反而导致土壤硝态氮残留,也不会显著增加蛋白质含量,特别是当土壤硝态氮残留量大于100 kg·hm^-2时更是如此。山东惠民县4个地块的试验显示,随着施氮量的增加,籽粒蛋白质含量呈现线性加平台的趋势^[42]。在江苏南京有同样发现,籽粒蛋白质含量增加到一定程度后不再增加继续上升^[43]。吕敏娟等^[44]研究发现,当冬小麦氮肥施用量超过 270 kg·hm^-2后,籽粒蛋白质含量趋于稳定,甚至会出现降低的趋势。在东北地区的试验发现,过量施氮导致黑土区小麦籽粒蛋白质含量从140.0 g·kg^-1降低到132.6 g·kg^-1,降低5.6%^[45]。还有文献显示,适量减氮还能增加小麦籽粒蛋白质含量。渭北旱地两年6县30个地块的田间试验显示^[26],监控施肥较农户施肥减氮25.2%,籽粒产量增加3.1%,籽粒氮含量增加2.5%。可见,氮肥施用不仅要保证小麦产量,还应根据土壤的硝态氮残留情况合理确定氮肥用量,兼顾小麦品质。

3.3 北方麦区小麦氮肥减肥增效的潜力

研究发现,北方麦区小麦氮肥用量具有巨大的减肥增效潜力,尤其是硝态氮残留量大于100 kg·hm^-2的麦田。在43个试验点中,硝态氮残留量大于100 kg·hm^-2的有28个,占65.1%。当硝态氮残留量100— 200、200—300和大于300 kg·hm^-2时,监控施肥比农户施肥的氮肥投入分别减少64、70、93 kg·hm^-2,平均减少70 kg·hm^-2（31.4%）,不仅籽粒产量和蛋白质含量没有显著差异,氮肥吸收效率和偏生产力均显著高于农户。在其他研究中也有类似结果。山东泰安一项研究显示,随着施氮量的增加,小麦对氮肥的响应度减弱,氮肥偏生产力、氮素利用率显著降低^[46]。山西晋南旱塬5年的定位试验显示,氮肥用量减少7.5—99.0 kg·hm^-2后,氮肥偏生产力提高21%—210%,平均提高120%^[47]。陕西杨凌连续5年的田间试验发现,施氮量介于0—320 kg·hm^-2时,施氮量每增加100 kg·hm^-2,氮肥偏生产力降低22.2 kg·kg^-1[13]。甘肃武威的春小麦试验也发现,过量施氮肥后氮肥偏生产力呈降低趋势^[48]。合理减施氮肥必须考虑土壤的氮素供应能力。当土壤硝态氮残留较低时,补充足够的氮肥,硝态氮残留量较高时,需减施氮肥,在保证小麦丰产优质的情况下,减少和防止硝态氮残留、淋溶或径流损失,污染生态环境。目前,确定氮肥推荐用量的方法有许多,除传统的土壤肥力指标法、肥料效应函数法、养分平衡法等外,还有养分资源综合管理技术^[49]、根层养分调控技术^[50,51,52]、养分专家系统^[53]、氮素总量控制–实时监控技术^[54,55],以及本研究中采用小麦监控施肥技术^{[26, 56-57]}等,都在生产中广泛应用。兼顾作物产量形成的养分需求和土壤的养分供给能力,确定合理的肥料用量,才能有效解决生产实际中存在的过量施肥,特别是氮肥过量的问题,实现作物丰产优质和高效绿色生产。

4 结论

在我国北方麦区,科学减施氮肥仍是小麦丰产优质高效生产的关键。监控施肥与农户施肥相比氮肥减少55 kg·hm^-2（26%）,产量为5 885 kg·hm^-2,比农户施肥增产3.1%,籽粒蛋白质含量为132.4 g·kg^-1,与农户施肥处理相比无显著差异。硝态氮残留在55—100 kg·hm^-2时,产量达到最高,硝态氮残留量过高并不能持续提高小麦产量。当土壤硝态氮残留量小于100 kg·hm^-2时,不施氮肥小麦产量会显著降低,当土壤硝态氮残留量小于200 kg·hm^-2时,不施氮肥会显著降低籽粒蛋白质含量。采用监控施肥技术合理减施氮肥,无论土壤硝态氮残留多少,均不会减产和降低籽粒蛋白质含量,同时小麦氮肥吸收效率与氮肥偏生产力显著提高。维持北方麦区小麦较高的产量和蛋白质含量,收获期1 m土层硝态氮残留量应介于55—100 kg·hm^-2。基于小麦目标产量、籽粒蛋白质含量和土壤硝态氮监控,确定合理的氮肥用量,对实现小麦氮肥减施、绿色生产有重要意义。

致谢

感谢参加国家重点研究计划项目“北方小麦化肥农药减施技术集成研究与示范”实施的黄冬琳、李紫燕、张树兰、郑险峰（西北农林科技大学）,仇会芳（陕西永寿农业技术推广中心）,杨珍珍（陕西彬县农业技术推广中心）,兰涛（陕西大荔农业技术推广中心）,张花梅（陕西合阳农业技术推广中心）,梁永强（陕西蒲城农业技术推广中心）,刘斌侠（陕西岐山农业技术推广中心）,强大勇（陕西乾县农业技术推广中心）,李廷亮、孙敏（山西农业大学）,党建友、周怀平（山西省农业科学院）,柴守玺（甘肃农业大学）,鲁清林、孙建好、王勇、赵刚（甘肃省农业科学院）,郭鑫年、沈强云（宁夏农林科学院）,王西娜（宁夏大学）,李松龄（青海省农林科学院）,陈署晃、雷钧杰（新疆农业科学院）,李俊华（石河子大学）,张磊（新疆农垦科学院）,贾立国、张永平（内蒙古农业大学）,张久明、郑淑琴（黑龙江省农业科学院）在试验实施、栽培信息调研及样品采集等方面给予的大力支持与帮助。

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为明确砂姜黑土区小麦(Triticum aestivum)产量和品质形成的耕作方式及施氮量最优组合, 在大田试验条件下, 以深松、旋耕和常规耕作3种耕作方式为主区, 0、120、225、330 kg&middot;hm^&ndash;2 4个施氮量为副区, 研究了不同耕作方式及施氮量组合对小麦拔节后氮代谢、籽粒产量和蛋白质含量的影响。结果表明, 随着生育期的推进, 叶片谷氨酰胺合成酶活性、游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量均呈先升后降的趋势, 深松方式配合中高氮处理的峰值在花后10天, 而常规耕作和旋耕的4个施氮处理以及深松的低氮处理峰值多在开花期。与常规耕作和旋耕相比, 深松耕作显著降低了10&ndash;40 cm的土壤容重, 提高了土壤总空隙度和根干质量, 有利于中后期根系氮素吸收。耕作方式和施氮量对籽粒产量和蛋白质含量影响显著, 均以深松方式最高。3种耕作方式下小麦产量和蛋白质含量均随施氮量增加而增加, 籽粒产量以深松方式配合330 kg&middot;hm^&ndash;2施氮量最高, 而常规耕作和旋耕方式的产量在施氮量为225 kg&middot;hm^&ndash;2时达到最大。3种耕作方式下籽粒蛋白质含量均以施氮225 kg&middot;hm^&ndash;2最高。因此, 在砂姜黑土区宜采用深松耕作方式配合适宜的施氮量, 以改善土壤条件, 促进根系氮素吸收, 延长叶片功能期, 达到产量与蛋白品质提升之目的。
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为明确砂姜黑土区小麦(Triticum aestivum)产量和品质形成的耕作方式及施氮量最优组合, 在大田试验条件下, 以深松、旋耕和常规耕作3种耕作方式为主区, 0、120、225、330 kg&middot;hm^&ndash;2 4个施氮量为副区, 研究了不同耕作方式及施氮量组合对小麦拔节后氮代谢、籽粒产量和蛋白质含量的影响。结果表明, 随着生育期的推进, 叶片谷氨酰胺合成酶活性、游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量均呈先升后降的趋势, 深松方式配合中高氮处理的峰值在花后10天, 而常规耕作和旋耕的4个施氮处理以及深松的低氮处理峰值多在开花期。与常规耕作和旋耕相比, 深松耕作显著降低了10&ndash;40 cm的土壤容重, 提高了土壤总空隙度和根干质量, 有利于中后期根系氮素吸收。耕作方式和施氮量对籽粒产量和蛋白质含量影响显著, 均以深松方式最高。3种耕作方式下小麦产量和蛋白质含量均随施氮量增加而增加, 籽粒产量以深松方式配合330 kg&middot;hm^&ndash;2施氮量最高, 而常规耕作和旋耕方式的产量在施氮量为225 kg&middot;hm^&ndash;2时达到最大。3种耕作方式下籽粒蛋白质含量均以施氮225 kg&middot;hm^&ndash;2最高。因此, 在砂姜黑土区宜采用深松耕作方式配合适宜的施氮量, 以改善土壤条件, 促进根系氮素吸收, 延长叶片功能期, 达到产量与蛋白品质提升之目的。

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