張青松，盧殿君，岳善超，占愛，崔振嶺

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華北地區(qū)高產(chǎn)冬小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求特征

張青松1，盧殿君2，岳善超3，占愛3，崔振嶺1

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；3西北農(nóng)林科技大學(xué)/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

【目的】明確華北地區(qū)高產(chǎn)冬小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求特征及其與籽粒產(chǎn)量的定量關(guān)系，為高產(chǎn)冬小麥實(shí)時(shí)養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐?！痉椒ā吭谶m宜氮磷鉀養(yǎng)分供應(yīng)條件下，通過華北地區(qū)多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建冬小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求特征大數(shù)據(jù)，量化該區(qū)冬小麥地上部氮磷鉀養(yǎng)分吸收量與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，定量單位籽粒產(chǎn)量的氮磷鉀養(yǎng)分需求量?！窘Y(jié)果】在適宜施氮條件下，華北地區(qū)生產(chǎn)冬小麥籽粒的氮素需求量平均為24.3 kg·t-1，單位籽粒氮素需求量隨著籽粒產(chǎn)量的提高而有所降低。當(dāng)產(chǎn)量水平在＜4.5 t·hm-2和6.0—7.5 t·hm-2，籽粒氮素需求量從27.1 kg·t-1降低到24.5 kg·t-1，這是由收獲指數(shù)的升高和籽粒氮濃度的降低造成的；當(dāng)產(chǎn)量水平在6.0—7.5 t·hm-2和9.0—10.5 t·hm-2，籽粒氮素需求量從24.5 kg·t-1降低到22.7 kg·t-1，這是由籽粒氮濃度的降低造成的；當(dāng)產(chǎn)量水平＞10.5 t·hm-2，單位籽粒氮素需求量趨于穩(wěn)定，不再變化。在適宜施磷條件下，生產(chǎn)冬小麥籽粒的磷素需求量平均為4.5 kg·t-1，單位籽粒磷素需求量隨著籽粒產(chǎn)量的提高而降低，從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2的4.7 kg·t-1下降到產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2的4.2 kg·t-1，這是由收獲指數(shù)的升高和籽粒磷濃度的降低造成的。在適宜施鉀條件下，生產(chǎn)冬小麥籽粒的鉀素需求量平均為21.1 kg·t-1，單位籽粒鉀素需求量隨著籽粒產(chǎn)量的提高而降低，從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2的23.8 kg·t-1下降到產(chǎn)量水平＞7.5 t·hm-2的20.2 kg·t-1，這是由收獲指數(shù)的升高和籽粒鉀濃度的降低造成的。冬小麥在拔節(jié)至揚(yáng)花階段呈現(xiàn)最大的干物質(zhì)累積與養(yǎng)分吸收速率。【結(jié)論】華北地區(qū)在適宜的氮磷鉀養(yǎng)分供應(yīng)條件下，冬小麥氮磷鉀需求量隨產(chǎn)量的提高而增加。隨著產(chǎn)量的提高，冬小麥單位籽粒產(chǎn)量的氮素、磷素和鉀素需求量下降，這種趨勢(shì)主要是由收獲指數(shù)的增加和籽粒氮、磷、鉀濃度的降低造成的。對(duì)于不同產(chǎn)量水平的冬小麥，高產(chǎn)水平下冬小麥在拔節(jié)期后具有較高的干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收速率。

冬小麥；產(chǎn)量水平；籽粒產(chǎn)量；養(yǎng)分需求量；干物質(zhì)累積；華北地區(qū)

0 引言

【研究意義】冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，協(xié)同實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)與養(yǎng)分資源高效是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)需要充分的養(yǎng)分投入，但在實(shí)際生產(chǎn)中往往存在養(yǎng)分的不合理施用問題[1-2]。對(duì)華北平原1997—2007年的農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在冬小麥生產(chǎn)中農(nóng)民習(xí)慣施氮量大于300 kg·hm-2，遠(yuǎn)高于作物實(shí)際氮素需求（160 kg·hm-2）[3]。養(yǎng)分的不合理施用尤其是過量投入導(dǎo)致養(yǎng)分利用率低，進(jìn)而引起了一系列的環(huán)境問題[4-5]。在高產(chǎn)體系中養(yǎng)分投入遠(yuǎn)高于作物養(yǎng)分需求的現(xiàn)象影響了人們對(duì)作物養(yǎng)分需求的準(zhǔn)確理解，農(nóng)民容易產(chǎn)生高養(yǎng)分投入才能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的誤解。因此，明確高產(chǎn)冬小麥的養(yǎng)分需求特征，對(duì)協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)與養(yǎng)分資源的高效利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái)的研究報(bào)道表明，小麥的產(chǎn)量和養(yǎng)分需求關(guān)系受生長(zhǎng)環(huán)境、基因型和養(yǎng)分管理等的影響[6-11]。LIU等[7]通過匯總1985—1995年全國(guó)多點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果表明，生產(chǎn)1 t小麥籽粒的氮素、磷素和鉀素需求量分別為15.1—50.5 kg（平均值25.8 kg）、2.6—6.8 kg（平均值3.7 kg）和11.5—57.5 kg（平均值23.3 kg），其中小麥籽粒產(chǎn)量的變化范圍為0.35—8.73 t·hm-2。黨紅凱等[12-14]在高產(chǎn)條件下對(duì)冬小麥養(yǎng)分吸收特征進(jìn)行了研究。但養(yǎng)分的不足或過量施用都會(huì)影響著作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，養(yǎng)分供應(yīng)不足時(shí)限制作物生長(zhǎng)和養(yǎng)分的吸收；而養(yǎng)分的過量投入，則有可能導(dǎo)致作物對(duì)養(yǎng)分的奢侈吸收[15]。因此，過量養(yǎng)分投入條件下，作物養(yǎng)分需求可能會(huì)被高估，而在養(yǎng)分施用不足的情況下，作物的養(yǎng)分需求可能會(huì)被低估。過去關(guān)于在適宜養(yǎng)分供應(yīng)條件下的養(yǎng)分需求特征的研究較少。為準(zhǔn)確估計(jì)高產(chǎn)冬小麥的養(yǎng)分需求，需要明確在適宜養(yǎng)分供應(yīng)條件下冬小麥的養(yǎng)分吸收量與產(chǎn)量的關(guān)系?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人基于特定地點(diǎn)或大樣本數(shù)據(jù)對(duì)冬小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求量與產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，但在適宜養(yǎng)分投入條件下的研究和總結(jié)尚不充分?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建華北地區(qū)冬小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求特征大數(shù)據(jù)，明確高產(chǎn)冬小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求特征及其與籽粒產(chǎn)量的定量關(guān)系，以期為該區(qū)高產(chǎn)冬小麥的實(shí)時(shí)養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 試驗(yàn)點(diǎn)分布區(qū)域與土壤信息 氮磷鉀養(yǎng)分需求特征數(shù)據(jù)均為華北地區(qū)多年多點(diǎn)農(nóng)戶和田間試驗(yàn)大樣本數(shù)據(jù)，試驗(yàn)點(diǎn)分布于北京、河南、河北、山東、山西、陜西和江蘇。試驗(yàn)點(diǎn)的具體信息這里不單獨(dú)列出。試驗(yàn)點(diǎn)的土壤類型包括潮土、褐土、棕壤，0—30 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量為6.7—23.6 g·kg-1，全氮為0.1—1.3 g·kg-1，速效磷為2.4—49.1 mg·kg-1，速效鉀為62—1 203 mg·kg-1，pH為7.7—8.4。試驗(yàn)包括長(zhǎng)期定位試驗(yàn)、氮磷鉀養(yǎng)分水平試驗(yàn)、播期播量試驗(yàn)和高產(chǎn)攻關(guān)試驗(yàn)等，本研究相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)包含4個(gè)處理：空白處理、氮磷鉀用量?jī)?yōu)化處理、氮磷鉀施用不足處理（小于優(yōu)化用量處理）和氮磷鉀施用過量處理（大于優(yōu)化用量處理）。試驗(yàn)點(diǎn)土壤與試驗(yàn)設(shè)計(jì)等其他信息詳見相關(guān)報(bào)道[16-18]。

1.1.2 氮素需求特征數(shù)據(jù)收集 氮素需求特征數(shù)據(jù)為大樣本數(shù)據(jù)，分為兩部分：第一部分?jǐn)?shù)據(jù)用來(lái)分析冬小麥氮素需求隨產(chǎn)量變化特征，數(shù)據(jù)來(lái)源于2000—2011年本課題組及土壤-作物系統(tǒng)綜合管理協(xié)作網(wǎng)的合作單位在我國(guó)北方小麥主產(chǎn)區(qū)開展的田間試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)地點(diǎn)為北京市東北旺鄉(xiāng)、河北省曲周縣、山東省惠民縣和泰安市、河南省蘭考縣和溫縣、山西省的洪洞縣和永濟(jì)市，數(shù)據(jù)庫(kù)共包含429組數(shù)據(jù)。第二部分?jǐn)?shù)據(jù)用于分析不同產(chǎn)量水平冬小麥干物質(zhì)累積與氮素養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)特征，數(shù)據(jù)來(lái)自于2008—2012年田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為河北省曲周縣中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站，共收集501組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖1和圖2所有氮肥處理均為適宜施氮條件下的處理，氮肥施用總量在54—270 kg N·hm-2，圖3數(shù)據(jù)包括了所有的施氮處理，氮肥施用總量范圍為0—300 kg N·hm-2。所有試驗(yàn)在播種前施用了過磷酸鈣（0—150 kg P2O5·hm-2）和氯化鉀（0—120 kg K2O·hm-2）。氮肥形態(tài)為尿素，分別在播種前和拔節(jié)期施用。

1.1.3 磷素需求特征數(shù)據(jù)收集 磷素需求特征數(shù)據(jù)為大樣本數(shù)據(jù)，來(lái)自2000—2013年集中收集的1 232組農(nóng)戶和田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，地點(diǎn)為河北、河南、山東、陜西和江蘇。試驗(yàn)點(diǎn)的詳細(xì)資料這里不詳細(xì)列出。氮肥分別在播前和拔節(jié)期施用，磷肥和鉀肥全部在播種前施用，所有磷肥處理均為適宜施磷條件下的處理，施磷量從50 kg P2O5·hm-2到150 kg P2O5·hm-2。為了進(jìn)一步理解不同生育時(shí)期產(chǎn)量和地上部生物量與磷素需求之間的關(guān)系，從試驗(yàn)中挑選了178組分別測(cè)定了小麥返青期（GS25）、拔節(jié)期（GS30）、揚(yáng)花期（GS60）和成熟期（GS100）的生物量和地上部磷濃度。

1.1.4 鉀素需求特征數(shù)據(jù)收集 鉀素需求特征數(shù)據(jù)為大樣本數(shù)據(jù)，來(lái)自2005—2009年收集的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)地點(diǎn)為河北、山東、陜西和江蘇共209組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)點(diǎn)的詳細(xì)資料這里不詳細(xì)列出。所有試驗(yàn)點(diǎn)鉀肥處理均為適宜施鉀條件下的處理，施鉀量48—150 kg K2O·hm-2。

以上試驗(yàn)點(diǎn)的種植模式為冬小麥-冬小麥，或冬小麥-玉米，或冬小麥-水稻。所有試驗(yàn)點(diǎn)均選用適宜當(dāng)?shù)胤N植條件的高產(chǎn)小麥品種，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3—4次。各試驗(yàn)小區(qū)面積20—300 m2不等。冬小麥在每年10月上旬到中旬播種，第二年6月中旬收獲。在小麥整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)及時(shí)做好田間管理，沒有明顯的干旱脅迫和病蟲草害發(fā)生。

1.2 試驗(yàn)點(diǎn)樣品采集與分析

1.2.1 氮素需求特征數(shù)據(jù)樣品處理與分析 在冬小麥越冬期（GS23）、拔節(jié)期（GS30）、揚(yáng)花期（GS60）和成熟期（GS100）等關(guān)鍵生育時(shí)期，每個(gè)小區(qū)收割1 m2的小麥地上部植株樣品，于烘箱75℃烘干至恒重，稱量計(jì)算干物質(zhì)累積量，然后樣品粉碎，用凱氏定氮法測(cè)定植株氮濃度。成熟期收割6 m2小麥植株，脫粒，籽粒烘干，并計(jì)算籽粒產(chǎn)量（含水量14%）。取部分樣品粉碎，用凱氏定氮法測(cè)定植株氮素濃度。

1.2.2 磷素需求特征數(shù)據(jù)樣品處理與分析 分別在返青期（GS25）、拔節(jié)期（GS30）、揚(yáng)花期（GS60）和成熟期（GS100）選取長(zhǎng)勢(shì)均勻、長(zhǎng)0.5 m的兩行樣方。植株樣品放入70℃烘箱烘干稱重，取部分樣品粉碎用于測(cè)定植株磷含量。成熟期收獲整個(gè)小區(qū)項(xiàng)目植株以測(cè)定生物量和籽粒產(chǎn)量（含水量13%）。植株用H2SO4和H2O2消化，并用釩鉬黃比色法測(cè)定磷濃度。

1.2.3 鉀素需求特征數(shù)據(jù)樣品處理和分析 小麥植株樣品于成熟期選取長(zhǎng)勢(shì)均勻、長(zhǎng)0.5 m的兩行樣方取樣。地上部植株放入75℃烘箱中烘干稱重以測(cè)定生物量，并測(cè)定籽粒產(chǎn)量（含水量13%），取部分樣品粉碎用于測(cè)定植株鉀含量。植株用H2SO4和H2O2消化，鉀濃度使用火焰光度法（Cole-Parmer 2655-00, Vernon Hills, IL）進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

地上部氮、磷、鉀的需求量和籽粒產(chǎn)量的關(guān)系用SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行擬合繪圖，干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收的動(dòng)態(tài)特征由Microsoft office excel 2013進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 高產(chǎn)冬小麥氮素需求特征

2.1.1 冬小麥氮素需求隨產(chǎn)量變化的特征 地上部需氮量與小麥籽粒產(chǎn)量呈顯著的冪函數(shù)相關(guān)，地上部需氮量隨籽粒產(chǎn)量的提高而增加，89%地上部需氮量的變化歸結(jié)為籽粒產(chǎn)量的變化（圖1-A）。為進(jìn)一步明確地上部需氮量與產(chǎn)量的關(guān)系，將數(shù)據(jù)按產(chǎn)量水平分為6組（表1）：＜4.5 t·hm-2、4.5—6.0 t·hm-2、6.0—7.5 t·hm-2、7.5—9.0 t·hm-2、9.0—10.5 t·hm-2和＞10.5 t·hm-2。收獲指數(shù)平均為45.6%，各產(chǎn)量水平下收獲指數(shù)平均分別為39.2%、43.6%、46.5%、46.4%、47.6%和48.4%，收獲指數(shù)隨產(chǎn)量的提高而增加（圖2-A），各產(chǎn)量水平下平均氮收獲指數(shù)在77.4%左右（圖2-B）。籽粒氮濃度平均為21.8 g·kg-1，各產(chǎn)量水平的平均籽粒氮濃度分別為24.1、22.5、22.1、21.3、20.0和20.6 g·kg-1，隨著產(chǎn)量水平的提高而降低（圖2-C）；平均秸稈氮濃度在產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2時(shí)為4.7 g·kg-1，產(chǎn)量水平＞4.5 t·hm-2時(shí)則在5.3 g·kg-1左右（圖2-D）。籽粒氮素需求量平均為24.3 kg·t-1，各產(chǎn)量水平下籽粒氮素需求量平均分別為27.1、25.0、24.5、23.8、22.7和22.5 kg·t-1，每噸籽粒氮素需求量隨著產(chǎn)量水平的提高而降低（圖1-B）。冬小麥每噸籽粒氮素需求量隨產(chǎn)量水平增加而降低的趨勢(shì)可分為3個(gè)階段。第一階段為從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2到6.0—7.5 t·hm-2，該階段內(nèi)小麥產(chǎn)量的提高是收獲指數(shù)和地上部生物量共同提高的結(jié)果。在此階段，產(chǎn)量提高67.5%（由4.0 t·hm-2提高到6.7 t·hm-2），而地上部生物量提高40.4%（從8.9 t·hm-2提高到12.5 t·hm-2），收獲指數(shù)提高18.6%。由于收獲指數(shù)從39.2%增加到46.5%，同時(shí)籽粒氮濃度從24.1 g·kg-1降低到22.1 g·kg-1，導(dǎo)致籽粒氮素需求從27.1 kg·t-1降低到24.5 kg·t-1。第二階段為產(chǎn)量水平從6.0—7.5 t·hm-2到9.0—10.5 t·hm-2，在此階段收獲指數(shù)穩(wěn)定在47.0%，產(chǎn)量的提高主要是由于地上部生物量的提高。籽粒氮濃度從22.1 g·kg-1降低到20.0 g·kg-1，導(dǎo)致籽粒氮素需求從24.5 kg·t-1降低到22.7 kg·t-1。第三階段為產(chǎn)量水平從9.0—10.5 t·hm-2到＞10.5 t·hm-2，產(chǎn)量的提高主要是由于地上部生物量的提高，而收獲指數(shù)不變。由于籽粒氮濃度沒有太大變化，因此單位籽粒氮素需求也基本沒有變化。以上結(jié)果表明，地上部需氮量隨籽粒產(chǎn)量的提高而增加，但每噸籽粒氮素需求量隨著產(chǎn)量水平的提高而降低，這種趨勢(shì)主要是由收獲指數(shù)和籽粒氮濃度的變化引起的。

表1 優(yōu)化施氮處理不同產(chǎn)量水平下的產(chǎn)量數(shù)據(jù)分布[16]

修改自YUE等[16]。實(shí)線表示擬合曲線，虛線表示95%預(yù)測(cè)區(qū)間，***顯著性為0.001（A）。實(shí)線表示中值，虛線表示平均值（B）

修改自YUE等[16]。實(shí)線表示中值，虛線表示平均值

2.1.2 不同產(chǎn)量水平冬小麥干物質(zhì)累積與氮素養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)特征 圖3總結(jié)了＜7.0 t·hm-2，7.0—8.5 t·hm-2和＞8.5 t·hm-23個(gè)產(chǎn)量水平下越冬期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期和成熟期4個(gè)關(guān)鍵生育時(shí)期的平均干物質(zhì)累積與氮素養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)特征。從播種到拔節(jié)期之前，3個(gè)產(chǎn)量水平的干物質(zhì)累積和氮吸收速率無(wú)明顯差異（圖3）。進(jìn)入拔節(jié)期后，不同產(chǎn)量水平下的干物質(zhì)累積與氮素吸收量的差異逐漸增大，拔節(jié)至揚(yáng)花階段表現(xiàn)出最大的干物質(zhì)累積與養(yǎng)分吸收速率（圖3）。拔節(jié)至揚(yáng)花階段，產(chǎn)量水平＞8.5 t·hm-2時(shí)干物質(zhì)累積的變化量為9.0 t·hm-2，比7.0—8.5 t·hm-2和＜7.0 t·hm-2產(chǎn)量水平時(shí)的干物質(zhì)累積的變化量分別提高26%和70%；產(chǎn)量水平＞8.5 t·hm-2時(shí)氮素吸收變化量比7.0—8.5 t·hm-2與＜7.0 t·hm-2產(chǎn)量水平時(shí)的氮素吸收變化量分別提高12.8%（97 vs 86 kg N·hm-2）和79.6%（97 vs 54 kg N·hm-2）（圖3-B）。在成熟期，產(chǎn)量水平＞8.5 t·hm-2時(shí)的氮素吸收總量分別比7.0—8.5 t·hm-2和＜7.0 t·hm-2產(chǎn)量水平時(shí)的氮素吸收總量提高25.3%（238 vs 190 kg N·hm-2）和81.3%（238 vs 132 kg N·hm-2）。以上結(jié)果表明，冬小麥的干物質(zhì)累積量及累積速率和氮素養(yǎng)分吸收量及吸收速率在拔節(jié)期之后開始顯著增加，高產(chǎn)水平下冬小麥具有更高的養(yǎng)分吸收量和吸收速率。

2.2 高產(chǎn)冬小麥磷素需求特征

2.2.1 冬小麥磷素需求隨產(chǎn)量變化的特征 在適宜施磷條件下，小麥籽粒產(chǎn)量與地上部需磷總量呈顯著的冪函數(shù)相關(guān)（圖4-A），地上部86%磷素總吸收量的變化歸結(jié)為籽粒產(chǎn)量的變化。為進(jìn)一步明確籽粒產(chǎn)量和磷素需求之間的關(guān)系，將所有數(shù)據(jù)根據(jù)產(chǎn)量水平分為5組：＜4.5 t·hm-2（=422，平均產(chǎn)量2.4 t·hm-2），4.5—6.0 t·hm-2（=243，平均產(chǎn)量5.3 t·hm-2），6.0—7.5 t·hm-2（=361，平均產(chǎn)量6.7 t·hm-2），7.5—9.0 t·hm-2（=155，平均產(chǎn)量8.0 t·hm-2）和＞9.0 t·hm-2（=51，平均產(chǎn)量9.9 t·hm-2）。籽粒磷素需求量平均為4.5 kg·t-1，各產(chǎn)量水平下籽粒磷素需求量平均分別為4.7、4.5、4.5、4.4和4.2 kg·t-1（圖4-B），每噸籽粒磷素需求量隨產(chǎn)量水平的提高而降低，這可能是由收獲指數(shù)的增加和籽粒磷濃度的降低引起的（圖5-A，5-C）。5個(gè)產(chǎn)量水平下，收獲指數(shù)從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2時(shí)的45.7%上升到產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)的48.3%（圖5-A），籽粒磷濃度從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2時(shí)的3.8 g·kg-1降低到產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)的3.2 g·kg-1（圖5-C），而秸稈磷濃度從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2時(shí)的0.8 g·kg-1上升到產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)的0.9 g·kg-1（圖5-D）。上述結(jié)果表明，地上部需磷量隨籽粒產(chǎn)量的提高而增加，但每噸籽粒磷素需求量隨著產(chǎn)量水平的提高而降低，這種趨勢(shì)主要是由收獲指數(shù)的增加和籽粒磷濃度的降低引起的。

GS23、GS30、GS60與GS100分別代表越冬期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期與成熟期

修改自ZHAN等[17]。實(shí)線表示擬合曲線，虛線表示95%預(yù)測(cè)區(qū)間，***顯著性為0.001（A）。實(shí)線表示中值，虛線表示平均值（B）

修改自ZHAN等[17]。實(shí)線表示中值，虛線表示平均值

2.2.2 不同產(chǎn)量水平下冬小麥干物質(zhì)累積與磷素養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)特征 為了探究不同產(chǎn)量水平下冬小麥地上部干物質(zhì)累積和磷素養(yǎng)分吸收的動(dòng)態(tài)變化特征，從適宜施磷條件下選取178組數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)量水平將其分為4組：＜6.0 t·hm-2（=39）， 6.0—7.5 t·hm-2（=48），7.5—9.0 t·hm-2（=54）和＞9 t·hm-2（=37）。在冬小麥整個(gè)生育期，產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)的地上部干物質(zhì)累積和磷素吸收均大于其他3個(gè)產(chǎn)量水平（圖6）。從播種到返青期，地上部干物質(zhì)累積在產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)為0.9 t·hm-2，比其余3個(gè)產(chǎn)量水平高4.7%至75.5%。磷素吸收量在產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)為3.4 kg·hm-2，比其余3個(gè)產(chǎn)量水平高6.3%—112.5%。在返青期前，地上部干物質(zhì)累積量和磷素吸收量在6.0—7.5 t·hm-2、7.5—9.0 t·hm-2和＞9.0 t·hm-23個(gè)產(chǎn)量水平間無(wú)明顯差異，從返青期開始，地上部干物質(zhì)累積量和磷吸收量在3個(gè)產(chǎn)量水平間開始出現(xiàn)差異。各產(chǎn)量水平在拔節(jié)至揚(yáng)花階段表現(xiàn)出最大的干物質(zhì)累積與磷素吸收速率，在此階段，地上部干物質(zhì)累積量的變化量在7.5—9.0 t·hm-2和＞9.0 t·hm-2時(shí)分別為6.2 t·hm-2和7.0 t·hm-2，磷素吸收的變化量分別為13.1和12.7 kg·hm-2。在成熟期，產(chǎn)量水平＞9.0 t·hm-2時(shí)的干物質(zhì)累積和磷素吸收量分別為18.9 t·hm-2和34.2 kg·hm-2，分別比其余3個(gè)產(chǎn)量水平高29.5%—100.2%和25.6%—97.7%。以上結(jié)果表明，冬小麥的干物質(zhì)累積與磷素養(yǎng)分吸收量在返青期之后開始顯著增加，高產(chǎn)水平下冬小麥具有更高的養(yǎng)分吸收量和吸收速率。

修改自ZHAN等[17]。GS25、GS30、GS60與GS100分別代表返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期與成熟期

2.3 高產(chǎn)冬小麥鉀素需求特征

在適宜施鉀條件下，小麥籽粒產(chǎn)量與地上部鉀素總吸收量呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的關(guān)系（圖7-A），地上部65%鉀素總吸收量的變化歸結(jié)為籽粒產(chǎn)量的變化。為明確籽粒產(chǎn)量和鉀素需求之間的關(guān)系，將所有數(shù)據(jù)根據(jù)產(chǎn)量水平分為4組：＜4.5 t·hm-2（=71，平均產(chǎn)量3.0 t·hm-2），4.5—6.0 t·hm-2（=42，平均產(chǎn)量5.4 t·hm-2），6.0—7.5 t·hm-2（=39，平均產(chǎn)量6.8 t·hm-2）和＞7.5 t·hm-2（=57，平均產(chǎn)量8.2 t·hm-2）。籽粒鉀素需求量平均為21.1 kg·t-1，各產(chǎn)量水平下籽粒鉀素需求量的平均值分別為23.8、22.5、21.6和20.2 kg·t-1，每噸籽粒鉀素需求量隨產(chǎn)量水平的提高而降低（圖7-B），這可能是由收獲指數(shù)的升高和籽粒鉀濃度的降低引起的（圖8-A，8-C）。收獲指數(shù)平均為47.0%，隨著產(chǎn)量水平的增加，收獲指數(shù)從產(chǎn)量水平＜4.5 t·hm-2時(shí)的45.5%增加到產(chǎn)量水平＞7.5 t·hm-2時(shí)的48.6%（圖8-A）。＜4.5 t·hm-2，4.5—6.0 t·hm-2，6.0—7.5 t·hm-2和＞7.5 t·hm-24組產(chǎn)量水平下鉀收獲指數(shù)的平均值分別為23.6%、23.0%、19.8%和20.2%（圖8-B）；籽粒鉀濃度的平均值分別為4.7、4.5、4.3和4.0 g·kg-1，籽粒鉀濃度隨著產(chǎn)量水平的提高而降低（圖8-C）。然而，秸稈鉀濃度隨著產(chǎn)量水平的提高而升高，4組產(chǎn)量水平下的秸稈鉀濃度平均值分別為14.1、15.4、15.8和16.2 g·kg-1（圖8-D）。上述結(jié)果表明，地上部需鉀量隨籽粒產(chǎn)量的提高而增加，但每噸籽粒磷素需求量隨著產(chǎn)量水平的提高而降低，這種趨勢(shì)主要是由收獲指數(shù)的升高和籽粒鉀濃度的降低引起的。

3 討論

單位籽粒養(yǎng)分需求量是指導(dǎo)作物養(yǎng)分管理的一個(gè)重要參數(shù)。LIU等[7]統(tǒng)計(jì)的1985—1995年的田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，籽粒的氮素、磷素和鉀素養(yǎng)分需求量分別為15.1—50.5 kg·t-1（平均值為25.8 kg·t-1）、2.6—6.8 kg·t-1（平均值為3.7 kg·t-1）和11.5—57.5 kg·t-1（平均值為23.3 kg·t-1）；黨紅凱等[12]在2004—2006年產(chǎn)量范圍為8.8—9.6 t·hm-2的試驗(yàn)結(jié)果顯示，籽粒的氮素、磷素和鉀素的需求量分別為26.3—31.3 kg·t-1、5.5—7.5 kg·t-1和16.6—21.6 kg·t-1；于振文等[19]對(duì)1996—1998年黃淮冬小麥區(qū)的研究結(jié)果顯示，產(chǎn)量范圍為9.5—9.8 t·hm-2的籽粒的氮素、磷素和鉀素的需求量分別為23.7—29.3 kg·t-1、4.1—4.3 kg·t-1和24.0—27.3 kg·t-1，而在產(chǎn)量范圍6.3—7.8 t·hm-2報(bào)道的籽粒的氮素、磷素和鉀素的需求量分別為28.5—34.0 kg·t-1、4.6—4.9kg·t-1和24.2—25.3 kg·t-1。在本研究中，基于華北地區(qū)適宜施氮、施磷和施鉀條件下的平均產(chǎn)量分別為7.2、5.2和5.6 t·hm-2，生產(chǎn)籽粒的氮素、磷素和鉀素的需求量的變化范圍為22.5—27.1 kg·t-1（平均值24.3 kg·t-1）、4.2—4.7 kg·t-1（平均值4.5 kg·t-1）和20.2—23.8 kg·t-1（平均值21.1 kg·t-1）。本研究結(jié)果在范圍上與上述研究是較為一致的，不同結(jié)果的差異可能是由于品種、田間管理、研究區(qū)域等的不同造成的[7,19-21]。例如，于振文等[19]和潘慶民等[20]的研究結(jié)果表明，產(chǎn)量潛力為9.0 t·hm-2的小麥品種比產(chǎn)量潛力為7.5 t·hm-2的品種具有更高的氮素生產(chǎn)力。LIU等[21]的研究表明，在華北、長(zhǎng)江中下游和西北3個(gè)麥區(qū)，每噸籽粒氮素、磷素和鉀素需求量均有一定的差異。

修改自ZHAN等[18]。實(shí)線表示擬合曲線，虛線表示95%預(yù)測(cè)區(qū)間，***顯著性為0.001（A）。實(shí)線表示中值，虛線表示平均值（B）

修改自ZHAN等[18]。實(shí)線表示中值，虛線表示平均值 Modified according ZHAN et al.[18]. The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively

本研究表明，華北地區(qū)冬小麥每噸籽粒的氮素、磷素和鉀素的需求量隨著產(chǎn)量的增加而降低，黨紅凱等[13]和于振文等[19]的研究結(jié)果也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。但是，也有研究[22-23]顯示，隨著冬小麥產(chǎn)量的增加每噸籽粒養(yǎng)分需求量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。串麗敏[22]的研究表明，隨著產(chǎn)量的增加，冬小麥每噸籽粒的氮素、磷素和鉀素的需求量均表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，車升國(guó)等[23]對(duì)我國(guó)2000年以后不同區(qū)域的大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)分析，結(jié)果表明冬小麥單位籽粒需磷量隨著產(chǎn)量范圍的增加而升高，上述結(jié)果與本研究的結(jié)果不同。出現(xiàn)這種差異的原因可能是隨著產(chǎn)量的增加，養(yǎng)分的吸收利用效率發(fā)生變化和小麥植株內(nèi)的養(yǎng)分在不同器官間的轉(zhuǎn)移分配不同造成的。例如，在車升國(guó)等[23]的研究中，隨著小麥產(chǎn)量的增加，小麥籽粒磷濃度基本維持在3.1 g·kg-1左右，但是秸稈磷濃度卻從0.5 g·kg-1增加到1.2 g·kg-1，每噸籽粒增加的磷素需求量主要是源于秸稈磷濃度的增加。但本研究中，隨著產(chǎn)量的增加，籽粒磷濃度從3.8 g·kg-1降低到3.2 g·kg-1，但是秸稈磷濃度僅從0.8 g·kg-1增加到了0.9 g·kg-1。許多研究[9,24-26]表明，品種、水肥管理、栽培措施等都會(huì)對(duì)小麥的養(yǎng)分吸收與分配產(chǎn)生影響，另外，研究的區(qū)域、年代和氣候條件等的不同，可能最終導(dǎo)致了不同 研究間的差異。

拔節(jié)-開花階段是小麥生長(zhǎng)和調(diào)控的重要階段[27]，該階段是小麥干物質(zhì)累積速率和養(yǎng)分吸收速率最快的階段，也是決定小麥產(chǎn)量的重要時(shí)期[28-29]。YE等[30]的研究表明高產(chǎn)小麥品種的生物量與養(yǎng)分吸收的差異主要出現(xiàn)在拔節(jié)期以后，表明該階段養(yǎng)分管理的重要性。本研究表明干物質(zhì)累積和氮磷養(yǎng)分吸收速率在此階段達(dá)到最大。黨紅凱等[14]的研究顯示，高產(chǎn)冬小麥鉀素的最大吸收速率也在拔節(jié)至開花階段達(dá)到峰值。拔節(jié)期后，部分分蘗開始消亡，養(yǎng)分需求隨著有效莖蘗的快速增長(zhǎng)而迅速增加，植株內(nèi)部穗與莖對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)增加，此階段養(yǎng)分資源在各器官的累積與分配顯著影響小麥的產(chǎn)量，進(jìn)而決定了最終產(chǎn)量的高低[31-32]。本研究通過不同產(chǎn)量水平下的干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收特征的比較，表明在此階段高產(chǎn)水平下的冬小麥展現(xiàn)出高的干物質(zhì)累積與養(yǎng)分需求。因此，在拔節(jié)至揚(yáng)花階段保證充足的氮磷鉀養(yǎng)分供應(yīng)是實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)的重要措施。

本文在探究華北地區(qū)冬小麥養(yǎng)分需求特征時(shí)，選擇分別在適宜供氮、供磷和供鉀的條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，盡量消除因氮素、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)不足或過量對(duì)作物養(yǎng)分吸收造成的影響。但在實(shí)際生產(chǎn)中，作物的生長(zhǎng)環(huán)境受到水分和土壤性狀、氣候因素以及管理的綜合制約。大樣本數(shù)據(jù)下的結(jié)果為華北地區(qū)冬小麥的精準(zhǔn)養(yǎng)分管理提供了參考，但在生產(chǎn)中仍要根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)情況做出適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)論

適宜施氮、施磷和施鉀條件下，冬小麥對(duì)氮素、磷素和鉀素的需求量與籽粒產(chǎn)量之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，隨著產(chǎn)量水平的提高，華北地區(qū)冬小麥氮、磷、鉀需求量增加，但單位籽粒氮、磷、鉀養(yǎng)分需求量下降，這種趨勢(shì)主要是由收獲指數(shù)的升高和籽粒氮、磷、鉀濃度的降低造成的。這意味著高產(chǎn)條件下，冬小麥的氮、磷、鉀養(yǎng)分的需求并不隨產(chǎn)量的提高而等比例增加，這為華北地區(qū)高產(chǎn)冬小麥養(yǎng)分管理提供了理論基礎(chǔ)。拔節(jié)至揚(yáng)花階段是冬小麥干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收速率最大的階段，對(duì)于不同產(chǎn)量水平的冬小麥，高產(chǎn)水平下冬小麥具有較高的干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收速率。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Characteristics of N, P and K Nutrient Demand of High-yielding Winter Wheat in North China Plain

ZHANG QingSong1, LU DianJun2, YUE ShanChao3, ZHAN Ai3, CUI ZhenLing1

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193;2Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008;3Northwest A&F University/State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】The objective of this study was to clarify the characteristics of N, P and K nutrient demand of high-yielding winter wheat and to identity the relationship between N, P and K requirements and grain yield, so the results of the study could provide theoretical basis and technical support for in-season nutrient management of high-yielding winter wheat in North China Plain. 【Method】Under the optimal nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment, some databases of nutrient demand of winter wheat was created by collecting on-farm experiments in different places and in many years to evaluate the relationship between aboveground N, P and K uptake and grain yield to quantify N, P and K requirements per ton grain yield in North China Plain.【Result】For the optimal N fertilizer treatment, the average Nrequirement per ton grain in North China Plain was 24.3 kg and it declined with increasing grain yield. For the yield ranges between <4.5 t·hm-2and 6.0 to 7.5 t·hm-2, the Nrequirement per ton grain decreased from 27.1 kg to 24.5 kg due to increasing harvest index and decreasing grain N concentration. For the yield ranges between 6.0 to 7.5 t·hm-2and 9.0 to 10.5 t·hm-2, the Nrequirement per ton grain decreased from 24.5 kg to 22.7 kg due to decreasing grain N concentration. For the yield ranges >10.5 t·hm-2, the Nrequirement per ton grain tended to be stable and changed little. Under the optimal P fertilizer treatment, the average Prequirement per ton grain was 4.5 kg, and it declined from 4.7 kg in the yield range of <4.5 t·hm-2to 4.2 kg in the yield range of >9.0 t·hm-2due to the increasing harvest index and the diluting effect of declining grain P concentrations.Under the optimal K fertilizer treatment,the average Krequirement per ton grain was 21.1 kg and it declined with increasing grain yield, it decreased from 23.8 kg with <4.5t·hm-2to 20.2 kg with >7.5 t·hm-2, which was attributed to the increase of the harvest index and decline in grain potassium concentrations. The largest variation in dry matter and nutrient accumulation occurred from the stem elongation stage to anthesis stage.【Conclusion】Under the optimal nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment in North China Plain, the N, P and K uptake requirement increased with increasing grain yield. The average N, P and K requirement per ton grain declined with increasing grain yield, which was attributed to the increase of the harvest index and decline in grain N, P and K concentrations. For different yield levels of winter wheat, there was higher dry matter accumulation rate and nutrient uptake rate after the stem elongation stage of high yield levels.

winter wheat; yield level; grain yield; nutrient requirement; dry matter accumulation; North China Plain

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.003

2018-01-19；

2018-06-05

國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303103）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31522050）

張青松，E-mail：zhangqscau@163.com。通信作者崔振嶺，Tel：010-62733454；E-mail：zhenlingcui@163.com