馬悅，田怡，苑愛靜，王浩琳，李永華，黃婷苗，黃寧，李超，黨海燕，邱煒紅，何剛，王朝輝, ?，石美?

1西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學/旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌712100

0 引言

【研究意義】氮肥施用對增加小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量具有重要作用。我國小麥生產(chǎn)目前仍以中小農(nóng)戶為主，盡管農(nóng)戶已經(jīng)意識到“高投入不一定高產(chǎn)出”，但為保證小麥產(chǎn)量，多數(shù)農(nóng)戶仍會選擇高的氮投入[1]，過量或高量氮投入常會帶來諸多的負面環(huán)境影響，如土壤礦質(zhì)氮殘留、硝態(tài)氮淋溶、含氮溫室效應氣體排放等[2-4]。因此，2015年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，2019年發(fā)布的中央一號文件中強調(diào)“要繼續(xù)開展農(nóng)業(yè)節(jié)肥行動，實現(xiàn)化肥使用量負增長”。我國北方麥區(qū)包括山西、陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江等省區(qū)，播種面積357萬hm2，產(chǎn)量1 567萬t，分別占全國小麥播種總面積和總產(chǎn)的 17.6%和 13.7%，是我國主要的小麥產(chǎn)區(qū)[5]。同時，在這一地區(qū)，小麥過量施肥問題相當嚴重[6-8]，特別是氮肥。連續(xù) 5 年對渭北旱地 1 261 個農(nóng)戶的小麥施肥調(diào)研發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶氮肥用量介于 33—454 kg·hm-2，平均 188 kg·hm-2，施氮不合理占69.0%[9]。對新疆87個縣調(diào)查表明，南疆化肥施用量平均為474 kg·hm-2，北疆化肥施用量平均為 318 kg·hm-2，平均氮施用量 206.7 kg·hm-2[10]。寧夏吳忠市的調(diào)查表明，農(nóng)戶春小麥的習慣施氮量300—360 kg·hm-2，遠遠超過了產(chǎn)量需求。巴彥淖爾市測土施肥推薦氮肥為 42—70 kg·hm-2，但農(nóng)戶的小麥氮肥用量介于 150—450 kg·hm-2[11]?？梢?，大力推進氮肥減施，是這一地區(qū)小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效和環(huán)境綠色友好發(fā)展的關鍵?！厩叭搜芯窟M展】氮肥減施引起的小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量變化一直受到人們關注。華北平原121個點的試驗表明，與農(nóng)戶施氮325 kg·hm-2相比，施氮 128 kg·hm-2時，小麥產(chǎn)量（平均 5 900 kg·hm-2）保持不變，但0—90 cm土層硝態(tài)氮殘留降低38%[12]。在陜西楊凌，施氮量由320 kg·hm-2減少一半時，產(chǎn)量沒有降低[13]。渭北旱地，施氮量從300 kg·hm-2減少到225 kg·hm-2時，產(chǎn)量增加11%，0—1 m土層硝態(tài)氮殘留量分別為182和139 kg·hm-2，差異達到顯著水平[14]。山東泰安，施氮量從300 kg·hm-2減少到180 kg·hm-2時，兩個品種小麥產(chǎn)量均顯著增加[15]。河北邯鄲，施氮 139 kg·hm-2時小麥產(chǎn)量 6 165 kg·hm-2，比施氮 300 kg·hm-2增產(chǎn)35%，主要是因為土壤基礎肥力較高，過高的土壤氮素抑制了小麥生長和產(chǎn)量形成，施氮 300 kg·hm-2時69%的氮肥殘留在土壤中[16]。但也有減氮引起產(chǎn)量降低的報道。在北京，施氮量從120 kg·hm-2降到60 kg·hm-2時，小麥籽粒產(chǎn)量降低，原因為減少氮肥容易引起土壤供氮不足[17]。在河南鄭州和開封，施氮量從 240 kg·hm-2降到 180 kg·hm-2時，小麥籽粒產(chǎn)量降低[18]。氮肥減施也會影響小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。德國盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，減氮25%，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量降低5%[19]。陜西渭北旱塬，施氮量從240 kg·hm-2降到160 kg·hm-2時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量顯著降低，0—300 cm土壤剖面硝態(tài)氮殘留量減少135 kg·hm-2[20]。甘肅清水，施氮量從300 kg·hm-2減少到一半時，不同的耕作方式的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量均降低[21]。但在黃土高原的多點試驗發(fā)現(xiàn)，施氮量從 240 kg·hm-2降到 120 kg·hm-2時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量保持不變[22]。在美國也有報道，施氮量從 289 kg·hm-2降到 155 kg·hm-2時，并未降低小麥籽粒蛋白質(zhì)含量[23]。甚至在山西太谷還發(fā)現(xiàn)，施氮量從 300 kg·hm-2降到 225 kg·hm-2時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量還有不同程度增加[24]。可見，氮肥用量對小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響，因不同地點的土壤養(yǎng)分情況不同而異。【本研究切入點】氮肥減施引起小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的變化，既與氮肥施用量有關，也會與土壤中殘留的氮素數(shù)量有關。然而，當前研究較多的是關于施氮數(shù)量變化與小麥產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量的關系，沒有充分考慮土壤的氮素情況。且當前研究多集中于單一地點，大區(qū)域多點試驗較少?！緮M解決的關鍵問題】為了明確氮肥減施引起的小麥產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量變化對土壤氮素的響應，在北方麥區(qū)43個地點布置試驗，研究了氮肥減施后小麥籽粒的產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量變化與土壤硝態(tài)氮殘留量的關系，為解決農(nóng)戶過量施肥，減少和防止土壤硝態(tài)氮過量殘留，實現(xiàn)小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)綠色可持續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點分布于山西、陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江8個省區(qū)。其中，15個春小麥試驗點分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、新疆北部和甘肅中部，種植制度為一年一熟，3—4月份播種小麥，當年7—9月份收獲；冬小麥28個地點，分布在山西、陜西、新疆部分地區(qū)和甘肅隴東，每年9月下旬至10上旬播種小麥，來年5月底到7月初收獲，種植制度為一年一熟或兩熟。各省區(qū)降水、氣溫與0—20 cm土層土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設計

試驗包括5個處理：農(nóng)戶施肥（FF），監(jiān)控施肥（RF），監(jiān)控無氮（RF-N），監(jiān)控無磷（RF-P），監(jiān)控無鉀（RF-K）。農(nóng)戶處理的施肥量為調(diào)研得到的試驗所在地 30個以上農(nóng)戶的小麥氮磷鉀用量的平均值。監(jiān)控施肥處理的施肥量采用監(jiān)控施肥技術確定[1,25-26]。監(jiān)控無氮、無磷、無鉀處理分別為不施氮、磷、鉀肥，其他肥料用量同監(jiān)控施肥處理。田間排列采用完全隨機區(qū)組設計，每個處理重復3次，小區(qū)面積≥300 m2，各試驗點均種植當?shù)刂髟云贩N，種植、灌溉、農(nóng)藥施用方式與農(nóng)戶一致。各地點的氮磷鉀肥用量見表1。

表1 北方麥區(qū)各試驗地點0—20 cm 土層的基本理化性質(zhì)、降水、氣溫和肥料用量Table 1 Basic 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

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品采集與測定 小麥收獲期，每個小區(qū)選取5個樣點，使用土鉆取0—100 cm的土層，每20 cm為一層，同層混勻后裝入自封袋，同時測定土壤容重[27-28]。將土壤放置在陰涼通風處風干后，磨碎過 1 mm與0.15 mm的篩子。土壤硝、銨態(tài)氮，有效磷，速效鉀，pH使用過1 mm篩土樣測定，土壤有機質(zhì)和全氮使用過0.15 mm篩的土樣測定。土壤pH用pH計測定，水土比為2.5﹕1。硝、銨態(tài)氮，有效磷分別用1 mol·L-1KCl，0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，振蕩后過濾，連續(xù)流動分析儀測定濾液氮磷養(yǎng)分。速效鉀用 1 mol·L-1NH4OAc浸提，振蕩后過濾，火焰光度計測定濾液中的鉀。有機質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測定。全氮用濃硫酸加混合催化劑（K2SO4﹕CuSO4=10﹕1）消煮，連續(xù)流動分析儀測定消煮液中氮。

1.3.2 植物樣品采集與測定 小麥收獲期，每個小區(qū)隨機采集 100穗的小麥全株[1,20]，自然風干后，人工脫粒分為籽粒、莖葉、穎殼。取部分籽粒、莖葉、穎殼用自來水和蒸餾水分別漂洗3次，65℃烘至恒重，測定風干樣品的含水量。烘干樣品用氧化鋯球磨儀磨成粉狀，測定養(yǎng)分含量[29]。植物全氮用 H2SO4-H2O2消解，連續(xù)流動分析儀測定消煮液。小麥產(chǎn)量為各小區(qū)實際收獲結(jié)果。產(chǎn)量與養(yǎng)分含量均以干重為基數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

1.4.1 土壤硝態(tài)氮殘留量分組 將所有處理按照該地點農(nóng)戶施肥處理的土壤硝態(tài)氮殘留量從低到高排列，分為<55、55—100、100—200、200—300、>300 kg·hm-25個組，分析小麥產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量變化對不同處理與不同梯度下的土壤硝態(tài)氮殘留的響應。

1.4.2 相關指標及計算

式中，系數(shù)5.83來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織推薦[30]，籽粒蛋白質(zhì)與全氮含量單位均為g·kg-1。

續(xù)表1 Continued table 1

（2）（3）（4）式中，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥吸收效率、氮素利用效率單位均為kg·kg-1，地上部吸氮量與產(chǎn)量單位為 kg·hm-2，施氮量單位為 kg·hm-2。

（5）式中，1 m土層硝態(tài)氮殘留量單位為kg·hm-2，Ti為土層厚度（cm），Di為土壤容重（g·cm-3），Ci為對應土層土壤硝態(tài)氮濃度（mg·kg-1），10為轉(zhuǎn)化系數(shù)。

數(shù)據(jù)處理采用 Microsoft Excel 2016，作圖采用ArcGIS 10.2與 Origin 2018，統(tǒng)計分析采用 SPSS Statistics 23.0。多重比較采用 LSD（Least Significant Difference）法，差異顯著水平為 0.05（P＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)戶麥田1 m土層土壤硝態(tài)氮殘留

北方麥區(qū)農(nóng)戶麥田1 m土層土壤硝態(tài)氮殘留普遍較高（圖 1-a），介于 18—457 kg·hm-2，平均為 151 kg·hm-2。分析表明，43個地點中，硝態(tài)氮殘留量小于55 kg·hm-2的有5 個，介于 55—100 kg·hm-2的有 10 個，占35%，超過200 kg·hm-2的有11個，占26%。當農(nóng)戶硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300 和 >300 kg·hm-2時，農(nóng)戶施氮量分別為 124、235、196、254、268 kg·hm-2（圖1-b）。除硝態(tài)氮殘留介于100—200 kg·hm-2外，施氮量隨硝態(tài)氮殘留量的增加而逐漸增加。從分布的區(qū)域看，殘留量小于100 kg·hm-2的地點主要分布在黃土高原旱區(qū)的隴東、寧南、汾渭平原、內(nèi)蒙東部及黑龍江；超過200 kg·hm-2的點主要分布在新疆綠洲、河西走廊和內(nèi)蒙灌區(qū)。可見，施氮量和灌水是影響土壤硝態(tài)氮殘留的重要因素。

2.2 小麥籽粒產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

分析小麥產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮殘留量的關系（圖2-a）表明，小麥產(chǎn)量介于521—10 117 kg·hm-2，平均6 001 kg·hm-2，研究區(qū)域小麥產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮殘留無顯著相關。進一步從土壤不同硝態(tài)氮殘留梯度的小麥產(chǎn)量變化來看，當土壤硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300 和 >300 kg·hm-2時，農(nóng)戶施肥、監(jiān)控施肥、監(jiān)控無氮3個處理的平均產(chǎn)量分別為 4 252、7 186、4 835、6 105、6 011 kg·hm-2，硝態(tài)氮殘留介于55—100 kg·hm-2時小麥產(chǎn)量最高，且顯著高于硝態(tài)氮殘留<55和 100—200 kg·hm-2的產(chǎn)量，與硝態(tài)氮殘留介于200—300、>300 kg·hm-2時的產(chǎn)量無顯著差異。說明硝態(tài)氮殘留量低時，小麥產(chǎn)量較低，但硝態(tài)殘留量過高并不能持續(xù)提高小麥產(chǎn)量，硝態(tài)氮殘留在55—100 kg·hm-2時較適合北方麥區(qū)的小麥生產(chǎn)。

與農(nóng)戶施肥的小麥產(chǎn)量相比（圖 2-b），不同硝態(tài)氮殘留梯度下，監(jiān)控施肥產(chǎn)量提高0.7%—6.1%，但兩者差異沒有達到顯著水平，監(jiān)控、農(nóng)戶施肥的產(chǎn)量平均分別為5 885和5 708 kg·hm-2，平均相差3.1%。不施氮肥，會顯著降低小麥產(chǎn)量。當土壤硝態(tài)氮殘留量<55和55—100 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮小麥產(chǎn)量分別比監(jiān)控施肥降低為34.2%和11.4%；殘留為100—300 kg·hm-2時，減產(chǎn)不顯著；殘留>300 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮顯著減產(chǎn)25.5%。主要原因是硝態(tài)氮殘留大于300 kg·hm-2的試驗點均為施氮量高于 300 kg·hm-2，且主要為灌溉麥區(qū)。在灌水條件下，特別是在一些綠洲灌區(qū)小麥整個生育期要進行7—8次灌水，不施氮肥加上大量、多次灌溉，會造成土壤氮素大量淋溶[32]，引起作物缺氮，從而減產(chǎn)。可見，監(jiān)控施肥能夠顯著減少不同硝態(tài)氮殘留水平時的氮肥用量，同時維持與農(nóng)戶施肥一樣高的小麥產(chǎn)量，不施氮會有減產(chǎn)的風險，特別是在土壤硝態(tài)氮殘留量<55 kg·hm-2時減產(chǎn)幅度最大。

2.3 小麥生物量、收獲指數(shù)與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

分析土壤不同硝態(tài)氮殘留梯度的小麥地上部生物量變化（表2）發(fā)現(xiàn)，當硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300 和 >300 kg·hm-2時，介于 55—100 kg·hm-2時各處理的平均地上部生物量最高，為14 954 kg·hm-2，比殘留<55 和 100—200 kg·hm-2時高 51.2%和28.2%，與殘留 200—300、>300 kg·hm-2時無顯著差異。與農(nóng)戶施肥相比，不同硝態(tài)氮殘留梯度下監(jiān)控施肥的地上部生物量提高 0.9%—12.5%，硝態(tài)氮殘留100—200 kg·hm-2時監(jiān)控施肥顯著高于農(nóng)戶施肥。不施氮肥，會顯著降低小麥地上部生物量。當土壤硝態(tài)氮殘留量在<55和55—100 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮的生物量分別比監(jiān)控施肥降低 34.3%和 8.1%；殘留為>300 kg·hm-2時，降低不顯著?？梢姡O(jiān)控施肥可以在降低氮肥用量的同時維持了與農(nóng)戶施肥相同水平相當或較高的小麥生物量，不施氮會顯著降低小麥地上部生物量，特別是在土壤硝態(tài)氮殘留量<55 kg·hm-2時降低幅度最大。

小麥收獲指數(shù)的分析（表 2）發(fā)現(xiàn)，當硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300 和 >300 kg·hm-2時，收獲指數(shù)平均值分別為 42.3%、48.9%、41.6%、45.1%、44.7%，硝態(tài)氮殘留量為 55—100 kg·hm-2時平均收獲指數(shù)最高，顯著高于<55、100—200和＞300 kg·hm-2時的收獲指數(shù)。說明硝態(tài)氮殘留量低時，小麥收獲指數(shù)較低，但硝態(tài)氮殘留量過高或過低均會降低小麥收獲指數(shù)。在不同的硝態(tài)氮殘留梯度下，農(nóng)戶施肥、監(jiān)控施肥、監(jiān)控無氮三者之間的收獲指數(shù)差異均不顯著，說明在土壤硝態(tài)氮殘留相同時施氮量不影響小麥的收獲指數(shù)。

表2 北方麥區(qū)1 m土層不同土壤硝態(tài)氮殘留下地上部生物量和收獲指數(shù)Table 2 Biomass and harvest index of wheat at different nitrate N residue levels in 0-100 cm soil layer in northern wheat production region of China

2.4 小麥產(chǎn)量三要素與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

對小麥產(chǎn)量三要素（表 3）的分析發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮殘留介于55—100 kg·hm-2時各處理的平均穗數(shù)、穗粒數(shù)最高，比硝態(tài)氮殘留量為<55、100—200、200—300 kg·hm-2時平均穗數(shù)顯著提高9.3%—37.3%，平均穗粒數(shù)比硝態(tài)氮殘留>300 kg·hm-2時顯著提高18.8%。不同硝態(tài)氮殘留梯度之間，平均千粒重無顯著差異。說明硝態(tài)氮殘留量低時，不利于小麥穗數(shù)增加，小麥穗數(shù)較低，殘留過高甚至顯著降低小麥的穗數(shù)與穗粒數(shù)，小麥千粒重對土壤硝態(tài)氮響應不明顯。

表3 北方麥區(qū)1 m土層不同土壤硝態(tài)氮殘留下產(chǎn)量三要素Table 3 Grain yield components of wheat at different nitrate N residue levels in 0-100 cm soil layer in northern wheat production region of China

與農(nóng)戶施肥相比（表 3），不同硝態(tài)氮殘留梯度下，監(jiān)控施肥的穗數(shù)提高1.8%—12.0%，但兩者差異沒有達到顯著水平，監(jiān)控施肥、農(nóng)戶施肥的平均穗數(shù)分別為 473×104·hm-2和 439×104·hm-2，相差 3.1%。與監(jiān)控施肥相比，監(jiān)控無氮顯著降低小麥穗數(shù)。當硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300和>300 kg·hm-2時，降低4.7%—36.7%，在硝態(tài)氮殘留為100—200 kg·hm-2時差異達到顯著。監(jiān)控施肥的穗粒數(shù)較農(nóng)戶施肥增減不一，但兩者差異沒有達到顯著水平，平均分別為每穗30和31粒，僅相差0.7%。與監(jiān)控施肥相比，當硝態(tài)氮殘留<55 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮的穗粒數(shù)增加12.9%，但差異不顯著；當殘留介于 55—100、100—200、200—300 和 >300 kg·hm-2時，監(jiān)控較監(jiān)控無氮增加 1.6%—9.7%，其中殘留55—100 kg·hm-2時差異顯著。不同硝態(tài)氮殘留梯度下，農(nóng)戶施肥、監(jiān)施肥控、監(jiān)控無氮三者的千粒重差異不顯著，從整體來看，農(nóng)戶施肥的千粒重顯著高于監(jiān)控施肥處理，但僅高2.0%，監(jiān)控施肥與監(jiān)控無氮無顯著差異?？梢姡O(jiān)控施肥有利于北方麥區(qū)小麥的穗數(shù)增加，但對穗粒數(shù)和千粒重影響較小或不顯著，不施氮會引起穗數(shù)顯著減少。

2.5 小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

北方麥區(qū)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與土壤硝態(tài)氮殘留量亦無顯著相關（圖3-a）。小麥籽粒蛋白質(zhì)含量介于64.2—196.5 g·kg-1，平均為 130.8 g·kg-1。當硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300 和>300 kg·hm-2時（圖 3-b），3個處理的蛋白質(zhì)含量平均值分別為121.1、122.0、134.9、129.1、147.0 g·kg-1。硝態(tài)氮殘留量>300 kg·hm-2時，籽粒蛋白質(zhì)含量最高，顯著高于其他各殘留水平時的蛋白質(zhì)含量。說明小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量可隨土壤硝態(tài)氮殘留量的增加而提高。

對比不同土壤硝態(tài)氮殘留情況下農(nóng)戶和監(jiān)控施肥的蛋白質(zhì)含量的平均值發(fā)現(xiàn)（圖 3-b），兩者沒有顯著差異，平均分別為134.6和132.4 g·kg-1。當土壤硝態(tài)氮殘留量<55、55—100和 100—200 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮會顯著降低小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，分別降低為19.4%、4.9%和 6.8%；當硝態(tài)氮殘留介于 200—300和>300 kg·hm-2時，降低不顯著。說明當土壤硝態(tài)氮殘留>200 kg·hm-2時，即使不施氮肥，小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量也不會降低。

2.6 小麥氮素吸收利用與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

分析小麥地上部吸氮量和籽粒吸氮量（表 4）發(fā)現(xiàn)，當硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm-2時，各處理平均值變化趨勢一致，硝態(tài)氮殘留55—100 kg·hm-2時，與200—300和>300 kg·hm-2無顯著差異，顯著高于<55、100—200 kg·hm-2時的吸氮量平均值。各處理的氮收獲指數(shù)平均值在硝態(tài)氮殘留<55、55—100 kg·hm-2時較高，但不同殘留梯度間差異不顯著?？梢?，硝態(tài)氮殘留量<55 kg·hm-2時，小麥氮素吸收較低；殘留>300 kg·hm-2時地上部吸氮量和籽粒吸氮量較高，但氮收獲指數(shù)較低，硝態(tài)氮殘留55—100 kg·hm-2時具有較高的地上部吸氮量、籽粒吸氮量及氮收獲指數(shù)，適合北方麥區(qū)小麥氮素吸收利用。

與農(nóng)戶施肥（表 4）相比，不同硝態(tài)氮殘留梯度下，監(jiān)控施肥的小麥地上部吸氮量、籽粒吸氮量、氮收獲指數(shù)有增有減，但兩者差異未達顯著水平。與監(jiān)控施肥相比，在土壤硝態(tài)氮殘留<200 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮降低小麥地上部和籽粒吸氮量，分別減少10.6%—53.4%和9.1%—55.4%。無論土壤硝態(tài)氮殘留高低，農(nóng)戶施肥、監(jiān)控施肥、監(jiān)控無氮3個處理的氮收獲指數(shù)差異均不顯著。因此，監(jiān)控施肥雖然減少的肥料用量，但并不影響小麥的氮素吸收利用能力，能使小麥達到與農(nóng)戶施肥相同的氮素吸收利用效果；而不施氮會顯著降低小麥地上部和籽粒吸氮量，不利于小麥的氮素吸收。

表4 北方麥區(qū)1 m土層不同土壤硝態(tài)氮殘留下地上部吸氮量、籽粒吸氮量、氮收獲指數(shù)Table 4 N 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

2.7 小麥減氮增效效果與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

當土壤硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300和 >300 kg·hm-2時（圖4-a），監(jiān)控施肥的氮肥用量平均比農(nóng)戶施肥處理分別減少27、29、64、70、93 kg·hm-2，相當于比農(nóng)戶減施氮肥22%、12%、32%、27%和 35%。整體來看，農(nóng)戶和監(jiān)控施肥的氮肥用量平均分別為214和159 kg·hm-2，監(jiān)控施肥減氮55 kg·hm-2（26%）。與農(nóng)戶施肥相比（圖4-b），監(jiān)控施肥處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別提高35.6%、3.8%、104.9%、46.6%和87.6%，農(nóng)戶和監(jiān)控施肥的氮肥偏生產(chǎn)力平均分別為29.1和45.7 kg·kg-1，監(jiān)控施肥較農(nóng)戶施肥顯著提高 57.1%。可見，采用監(jiān)控施肥技術可以在保持與農(nóng)戶產(chǎn)量一致的前提下，顯著減少氮肥用量，提高了氮肥的產(chǎn)量形成能力。

對氮肥吸收效率的分析表明（圖4-c），農(nóng)戶施肥處理的氮肥吸收效率均小于1.0 kg·kg-1，平均為0.84 kg·kg-1。除了硝態(tài)氮殘留量為 55—100 kg·hm-2時，監(jiān)控施肥的氮肥吸收效率為0.97 kg·kg-1外，其余均大于1.0 kg·kg-1，平均為 1.36 kg·kg-1。當土壤硝態(tài)氮殘留量<100 kg·hm-2時，農(nóng)戶和監(jiān)控施肥的氮肥吸收效率差異不顯著；硝態(tài)氮殘留量為 100—200、200—300和>300 kg·hm-2時，監(jiān)控施肥的氮肥吸收效率分別比農(nóng)戶施肥處理顯著提高 109.6%、57.7%和88.9%。整體來看，監(jiān)控施肥的氮肥吸收效率比農(nóng)戶提高 61.5%。可見，監(jiān)控施肥條件下小麥有效地利用了土壤殘留的硝態(tài)氮，高效地形成籽粒產(chǎn)量，提高氮素利用效率。

對小麥氮素利用效率的分析進一步表明（圖4-d），不同土壤硝態(tài)氮殘留水平下，農(nóng)戶與監(jiān)控施肥的小麥氮素利用效率差異不顯著，其平均值分別為 35.7和35.1 kg·kg-1，差異亦未達顯著水平。

3 討論

3.1 氮肥減施下小麥產(chǎn)量與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

研究發(fā)現(xiàn)，在我國北方麥區(qū)當土壤硝態(tài)氮殘留介于55—100 kg·hm-2時，無論是旱地，還是灌區(qū)，不同施肥情況下的小麥產(chǎn)量及其均值均最高。從干物質(zhì)累積分配來看，當土壤硝態(tài)殘留低于55 kg·hm-2時，地上部生物量和收獲指數(shù)降低是其產(chǎn)量低的主要原因；當土壤硝態(tài)殘留介于100—200 kg·hm-2時，地上部生物量和收獲指數(shù)也顯著降低；土壤硝態(tài)殘留大于 200 kg·hm-2時，地上部生物量和收獲指數(shù)雖有降低趨勢，但差異不顯著。氮素是作物生長和產(chǎn)量形成的關鍵營養(yǎng)元素。江華波等[33]發(fā)現(xiàn)缺氮和過量氮素盈余都會抑制小麥地上部生長。從小麥產(chǎn)量構(gòu)成來看，當土壤硝態(tài)氮殘留小于55 kg·hm-2時，穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重降低是產(chǎn)量降低的主要原因；當硝態(tài)氮殘留大于 100 kg·hm2時，穗數(shù)、穗粒數(shù)顯著下降是產(chǎn)量沒能持續(xù)增加的主要原因。這說明并非土壤硝態(tài)氮殘留量越高就越有利于小麥產(chǎn)量的形成，硝態(tài)氮殘留量過高或過低都不利于產(chǎn)量形成。黑龍江的試驗研究顯示，當硝態(tài)氮殘留量達到70 kg·hm-2時小麥產(chǎn)量達到最高，過高或過低時產(chǎn)量均有不同程度降低[34]。在華北平原，硝態(tài)氮殘留為 81 kg·hm2時的產(chǎn)量顯著高于殘留為144 kg·hm-2時的產(chǎn)量[35]，另一項華北平原的研究也顯示，硝態(tài)氮殘留為173、120、159和147 kg·hm-2時，小麥產(chǎn)量分別為 6 287、7 285、7 917、7 461 kg·hm-2，說明并非硝態(tài)氮殘留越高，產(chǎn)量就越高[36]。在陜西旱地麥區(qū)2年6個農(nóng)戶的試驗表明，硝態(tài)氮殘留量37.0 kg·hm-2比殘留為 112 kg·hm-2時小麥平均增產(chǎn)17.0%[37]?？梢姡{(diào)控麥田土壤的硝態(tài)氮殘留對小麥穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)有重要意義，實際生產(chǎn)中，應將麥田土壤硝態(tài)氮殘留調(diào)控在55—100 kg·hm-2的合理范圍內(nèi)。

另外，減少和防止土壤硝態(tài)氮過量殘留對保護生態(tài)環(huán)境同樣至關重要。歐盟國家規(guī)定作物收獲后 0—90 cm 土層硝態(tài)氮殘留量應小于50 kg·hm-2，以保護生態(tài)環(huán)境[38]，但要兼顧作物高產(chǎn)，收獲后 0—90 cm土層硝態(tài)氮應為 90—100 kg·hm-2[39]。在黃土高原旱地，章孜亮等[37]提出了農(nóng)田土壤硝態(tài)氮殘留的安全閾值，發(fā)現(xiàn)小麥收獲時1 m土層的硝態(tài)氮殘留不宜超過 55 kg·hm-2，否則在小麥收獲后土壤殘留的硝酸鹽會在夏季淋溶到 1 m以下土層。華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系中，崔振嶺等[40]通過大量田間試驗總結(jié)得出，收獲后 0—90 cm土層硝態(tài)氮應維持在90—100 kg·hm-2；巨曉棠等[41]分析了我國當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適宜氮素盈余情況，認為北方旱地小麥收獲后 0—100 cm土層的硝態(tài)氮殘留量應不超過100 kg·hm-2。在本研究中，當土壤硝態(tài)氮殘留量大于100 kg·hm-2時，旱作條件下或科學的肥水管理條件下，一年不施氮不會導致小麥減產(chǎn)。但殘留量小于55 kg·hm-2時，應合理使用氮肥，否則存在減產(chǎn)風險?？梢?，應結(jié)合土壤硝態(tài)氮殘留情況，確定合理的氮肥用量，實現(xiàn)小麥豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，同時調(diào)控和減少土壤硝態(tài)氮殘留。

3.2 氮肥減施下小麥蛋白質(zhì)含量變化與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

研究發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮殘留介于55—100 kg·hm-2時，小麥蛋白質(zhì)含量比硝態(tài)氮殘留量大于100 kg·hm-2時顯著降低，但其地上部和籽粒吸氮量、氮素收獲指數(shù)均比后者高，同時具有最高的籽粒產(chǎn)量、地上部生物量，這說明硝態(tài)氮殘留介于55—100 kg·hm-2時，由于產(chǎn)量提高導致的養(yǎng)分稀釋效應，使其籽粒硝態(tài)氮含量降低。然而，與農(nóng)戶施肥相比，雖然監(jiān)控施肥的氮肥用量減少55 kg·hm-2（26%），但小麥籽粒蛋白質(zhì)含量并顯著變化，平均為132.4 g·kg-1。說明監(jiān)控土壤的硝態(tài)氮殘留情況，合理推薦氮肥用量不僅可以維持小麥豐產(chǎn)，還可以保證小麥的品質(zhì)。當硝態(tài)氮殘留小于55 kg·hm-2時，不施氮時小麥籽粒蛋白質(zhì)含量為 108 g·kg-1，小麥品質(zhì)明顯降低，主要原因是地上部和籽粒吸氮量顯著降低。氮肥用量是影響小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的主要因素，貢獻程度可達67%[24]，但一味增加施氮量不僅不會提高產(chǎn)量，反而導致土壤硝態(tài)氮殘留，也不會顯著增加蛋白質(zhì)含量，特別是當土壤硝態(tài)氮殘留量大于100 kg·hm-2時更是如此。山東惠民縣4個地塊的試驗顯示，隨著施氮量的增加，籽粒蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)線性加平臺的趨勢[42]。在江蘇南京有同樣發(fā)現(xiàn)，籽粒蛋白質(zhì)含量增加到一定程度后不再增加繼續(xù)上升[43]。呂敏娟等[44]研究發(fā)現(xiàn)，當冬小麥氮肥施用量超過 270 kg·hm-2后，籽粒蛋白質(zhì)含量趨于穩(wěn)定，甚至會出現(xiàn)降低的趨勢。在東北地區(qū)的試驗發(fā)現(xiàn)，過量施氮導致黑土區(qū)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量從140.0 g·kg-1降低到132.6 g·kg-1，降低5.6%[45]。還有文獻顯示，適量減氮還能增加小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。渭北旱地兩年6縣30個地塊的田間試驗顯示[26]，監(jiān)控施肥較農(nóng)戶施肥減氮25.2%，籽粒產(chǎn)量增加3.1%，籽粒氮含量增加2.5%?？梢?，氮肥施用不僅要保證小麥產(chǎn)量，還應根據(jù)土壤的硝態(tài)氮殘留情況合理確定氮肥用量，兼顧小麥品質(zhì)。

3.3 北方麥區(qū)小麥氮肥減肥增效的潛力

研究發(fā)現(xiàn)，北方麥區(qū)小麥氮肥用量具有巨大的減肥增效潛力，尤其是硝態(tài)氮殘留量大于100 kg·hm-2的麥田。在 43個試驗點中，硝態(tài)氮殘留量大于 100 kg·hm-2的有28個，占65.1%。當硝態(tài)氮殘留量100—200、200—300和大于300 kg·hm-2時，監(jiān)控施肥比農(nóng)戶施肥的氮肥投入分別減少 64、70、93 kg·hm-2，平均減少70 kg·hm-2（31.4%），不僅籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量沒有顯著差異，氮肥吸收效率和偏生產(chǎn)力均顯著高于農(nóng)戶。在其他研究中也有類似結(jié)果。山東泰安一項研究顯示，隨著施氮量的增加，小麥對氮肥的響應度減弱，氮肥偏生產(chǎn)力、氮素利用率顯著降低[46]。山西晉南旱塬 5年的定位試驗顯示，氮肥用量減少7.5—99.0 kg·hm-2后，氮肥偏生產(chǎn)力提高21%—210%，平均提高 120%[47]。陜西楊凌連續(xù)5年的田間試驗發(fā)現(xiàn)，施氮量介于0—320 kg·hm-2時，施氮量每增加100 kg·hm-2，氮肥偏生產(chǎn)力降低 22.2 kg·kg-1[13]。甘肅武威的春小麥試驗也發(fā)現(xiàn)，過量施氮肥后氮肥偏生產(chǎn)力呈降低趨勢[48]。合理減施氮肥必須考慮土壤的氮素供應能力。當土壤硝態(tài)氮殘留較低時，補充足夠的氮肥，硝態(tài)氮殘留量較高時，需減施氮肥，在保證小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的情況下，減少和防止硝態(tài)氮殘留、淋溶或徑流損失，污染生態(tài)環(huán)境。目前，確定氮肥推薦用量的方法有許多，除傳統(tǒng)的土壤肥力指標法、肥料效應函數(shù)法、養(yǎng)分平衡法等外，還有養(yǎng)分資源綜合管理技術[49]、根層養(yǎng)分調(diào)控技術[50-52]、養(yǎng)分專家系統(tǒng)[53]、氮素總量控制－實時監(jiān)控技術[54-55]，以及本研究中采用小麥監(jiān)控施肥技術[26,56-57]等，都在生產(chǎn)中廣泛應用。兼顧作物產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求和土壤的養(yǎng)分供給能力，確定合理的肥料用量，才能有效解決生產(chǎn)實際中存在的過量施肥，特別是氮肥過量的問題，實現(xiàn)作物豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和高效綠色生產(chǎn)。

4 結(jié)論

在我國北方麥區(qū)，科學減施氮肥仍是小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的關鍵。監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比氮肥減少55 kg·hm-2（26%），產(chǎn)量為 5 885 kg·hm-2，比農(nóng)戶施肥增產(chǎn)3.1%，籽粒蛋白質(zhì)含量為132.4 g·kg-1，與農(nóng)戶施肥處理相比無顯著差異。硝態(tài)氮殘留在55—100 kg·hm-2時，產(chǎn)量達到最高，硝態(tài)氮殘留量過高并不能持續(xù)提高小麥產(chǎn)量。當土壤硝態(tài)氮殘留量小于100 kg·hm-2時，不施氮肥小麥產(chǎn)量會顯著降低，當土壤硝態(tài)氮殘留量小于200 kg·hm-2時，不施氮肥會顯著降低籽粒蛋白質(zhì)含量。采用監(jiān)控施肥技術合理減施氮肥，無論土壤硝態(tài)氮殘留多少，均不會減產(chǎn)和降低籽粒蛋白質(zhì)含量，同時小麥氮肥吸收效率與氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高。維持北方麥區(qū)小麥較高的產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，收獲期1 m土層硝態(tài)氮殘留量應介于55—100 kg·hm-2?；谛←溎繕水a(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量和土壤硝態(tài)氮監(jiān)控，確定合理的氮肥用量，對實現(xiàn)小麥氮肥減施、綠色生產(chǎn)有重要意義。

致謝：感謝參加國家重點研究計劃項目“北方小麥化肥農(nóng)藥減施技術集成研究與示范”實施的黃冬琳、李紫燕、張樹蘭、鄭險峰（西北農(nóng)林科技大學），仇會芳（陜西永壽農(nóng)業(yè)技術推廣中心），楊珍珍（陜西彬縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心），蘭濤（陜西大荔農(nóng)業(yè)技術推廣中心），張花梅（陜西合陽農(nóng)業(yè)技術推廣中心），梁永強（陜西蒲城農(nóng)業(yè)技術推廣中心），劉斌俠（陜西岐山農(nóng)業(yè)技術推廣中心），強大勇（陜西乾縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心），李廷亮、孫敏（山西農(nóng)業(yè)大學），黨建友、周懷平（山西省農(nóng)業(yè)科學院），柴守璽（甘肅農(nóng)業(yè)大學），魯清林、孫建好、王勇、趙剛（甘肅省農(nóng)業(yè)科學院），郭鑫年、沈強云（寧夏農(nóng)林科學院），王西娜（寧夏大學），李松齡（青海省農(nóng)林科學院），陳署晃、雷鈞杰（新疆農(nóng)業(yè)科學院），李俊華（石河子大學），張磊（新疆農(nóng)墾科學院），賈立國、張永平（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學），張久明、鄭淑琴（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院）在試驗實施、栽培信息調(diào)研及樣品采集等方面給予的大力支持與幫助。