北方麥區(qū)小麥產量與蛋白質含量變化對土壤硝態(tài)氮的響應

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西北農林科技大學資源環(huán)境學院/農業(yè)農村部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學/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量和籽粒蛋白質含量具有重要作用。我國小麥生產目前仍以中小農戶為主，盡管農戶已經意識到“高投入不一定高產出”，但為保證小麥產量，多數(shù)農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年農業(yè)農村部制定了《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“要繼續(xù)開展農業(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、內蒙古、黑龍江等省區(qū)，播種面積357萬hm2，產量1 567萬t，分別占全國小麥播種總面積和總產的 17.6%和 13.7%，是我國主要的小麥產區(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 個農戶的小麥施肥調研發(fā)現(xiàn)，農戶氮肥用量介于 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]。寧夏吳忠市的調查表明，農戶春小麥的習慣施氮量300—360 kg·hm-2，遠遠超過了產量需求。巴彥淖爾市測土施肥推薦氮肥為 42—70 kg·hm-2，但農戶的小麥氮肥用量介于 150—450 kg·hm-2[11]。可見，大力推進氮肥減施，是這一地區(qū)小麥豐產優(yōu)質高效和環(huán)境綠色友好發(fā)展的關鍵。【前人研究進展】氮肥減施引起的小麥產量和蛋白質含量變化一直受到人們關注。華北平原121個點的試驗表明，與農戶施氮325 kg·hm-2相比，施氮 128 kg·hm-2時，小麥產量（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，兩個品種小麥產量均顯著增加[15]。河北邯鄲，施氮 139 kg·hm-2時小麥產量 6 165 kg·hm-2，比施氮 300 kg·hm-2增產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，小麥籽粒產量降低[18]。氮肥減施也會影響小麥籽粒蛋白質含量。德國盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，減氮25%，小麥籽粒蛋白質含量降低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，小麥籽粒蛋白質含量還有不同程度增加[24]。可見，氮肥用量對小麥籽粒產量和蛋白質含量的影響，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量和蛋白質含量的變化，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)量變化與小麥產量及蛋白質含量的關系，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。【擬解決的關鍵問題】為了明確氮肥減施引起的小麥產量與蛋白質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量、蛋白質含量變化與土壤硝態(tài)氮殘留量的關系，為解決農戶過量施肥，減少和防止土壤硝態(tài)氮過量殘留，實現(xiàn)小麥豐產優(yōu)質綠色可持續(xù)生產提供依據(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土層土壤理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗包括5個處理：農戶施肥（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）。農戶處理的施肥量為調研得到的試驗所在地 30個以上農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、農藥施用方式與農戶一致。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、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。小麥產量為各小區(qū)實際收獲結果。產量與養(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，分析小麥產量與蛋白質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)合國糧農組織和世界衛(wèi)生組織推薦[30]，籽粒蛋白質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 結果

2.1 農戶麥田1 m土層土壤硝態(tài)氮殘留

北方麥區(qū)農戶麥田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%。當農戶硝態(tài)氮殘留量在<55、55—100、100—200、200—300 和 >300 kg·hm-2時，農戶施氮量分別為 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 小麥籽粒產量與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

分析小麥產量與土壤硝態(tài)氮殘留量的關系（圖2-a）表明，小麥產量介于521—10 117 kg·hm-2，平均6 001 kg·hm-2，研究區(qū)域小麥產量與土壤硝態(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，農戶施肥、監(jiān)控施肥、監(jiān)控無氮3個處理的平均產量分別為 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時小麥產量最高，且顯著高于硝態(tài)氮殘留<55和 100—200 kg·hm-2的產量，與硝態(tài)氮殘留介于200—300、>300 kg·hm-2時的產量無顯著差異。說明硝態(tài)氮殘留量低時，小麥產量較低，但硝態(tài)殘留量過高并不能持續(xù)提高小麥產量，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。

與農戶施肥的小麥產量相比（圖 2-b），不同硝態(tài)氮殘留梯度下，監(jiān)控施肥產量提高0.7%—6.1%，但兩者差異沒有達到顯著水平，監(jiān)控、農戶施肥的產量平均分別為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，減產不顯著；殘留>300 kg·hm-2時，監(jiān)控無氮顯著減產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。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，同時維持與農戶施肥一樣高的小麥產量，不施氮會有減產的風險，特別是在土壤硝態(tài)氮殘留量<55 kg·hm-2時減產幅度最大。

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。可見，監(jiān)控施肥可以在降低氮肥用量的同時維持了與農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 小麥產量三要素與土壤硝態(tài)氮殘留的關系

對小麥產量三要素（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。可見，監(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，籽粒蛋白質含量最高，顯著高于其他各殘留水平時的蛋白質含量。說明小麥籽粒的蛋白質含量可隨土壤硝態(tài)氮殘留量的增加而提高。

對比不同土壤硝態(tài)氮殘留情況下農戶和監(jiān)控施肥的蛋白質含量的平均值發(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。可見，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戶施肥處理分別減少27、29、64、70、93 kg·hm-2，相當于比農戶減施氮肥22%、12%、32%、27%和 35%。整體來看，農戶和監(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%）。與農戶施肥相比（圖4-b），監(jiān)控施肥處理的氮肥偏生產力分別提高35.6%、3.8%、104.9%、46.6%和87.6%，農戶和監(jiān)控施肥的氮肥偏生產力平均分別為29.1和45.7 kg·kg-1，監(jiān)控施肥較農戶施肥顯著提高 57.1%。可見，采用監(jiān)控施肥技術可以在保持與農戶產量一致的前提下，顯著減少氮肥用量，提高了氮肥的產量形成能力。

對氮肥吸收效率的分析表明（圖4-c），農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量及其均值均最高。從干物質累積分配來看，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。從小麥產量構成來看，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量的形成，硝態(tài)氮殘留量過高或過低都不利于產量形成。黑龍江的試驗研究顯示，當硝態(tài)氮殘留量達到70 kg·hm-2時小麥產量達到最高，過高或過低時產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時的產量顯著高于殘留為144 kg·hm-2時的產量[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，產量就越高[36]。在陜西旱地麥區(qū)2年6個農戶的試驗表明，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17.0%[37]。可見，調控麥田土壤的硝態(tài)氮殘留對小麥穩(wěn)產增產有重要意義，實際生產中，應將麥田土壤硝態(tài)氮殘留調控在55—100 kg·hm-2的合理范圍內。

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，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]分析了我國當前農業(yè)生產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。但殘留量小于55 kg·hm-2時，應合理使用氮肥，否則存在減產風險。可見，應結合土壤硝態(tài)氮殘留情況，確定合理的氮肥用量，實現(xiàn)小麥豐產穩(wěn)產，同時調控和減少土壤硝態(tài)氮殘留。

3.2 氮肥減施下小麥蛋白質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，還可以保證小麥的品質。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含量為 108 g·kg-1，小麥品質明顯降低，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量，反而導致土壤硝態(tài)氮殘留，也不會顯著增加蛋白質含量，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)控施肥較農戶施肥減氮25.2%，籽粒產量增加3.1%，籽粒氮含量增加2.5%。可見，氮肥施用不僅要保證小麥產量，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。

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%），不僅籽粒產量和蛋白質含量沒有顯著差異，氮肥吸收效率和偏生產力均顯著高于農戶。在其他研究中也有類似結果。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，在保證小麥豐產優(yōu)質的情況下，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，都在生產中廣泛應用。兼顧作物產量形成的養(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)作物豐產優(yōu)質和高效綠色生產。

4 結論

在我國北方麥區(qū)，科學減施氮肥仍是小麥豐產優(yōu)質高效生產的關鍵。監(jiān)控施肥與農戶施肥相比氮肥減少55 kg·hm-2（26%），產量為 5 885 kg·hm-2，比農戶施肥增產3.1%，籽粒蛋白質含量為132.4 g·kg-1，與農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，均不會減產和降低籽粒蛋白質含量，同時小麥氮肥吸收效率與氮肥偏生產力顯著提高。維持北方麥區(qū)小麥較高的產量和蛋白質含量，收獲期1 m土層硝態(tài)氮殘留量應介于55—100 kg·hm-2。基于小麥目標產量、籽粒蛋白質含量和土壤硝態(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（西北農林科技大學），仇會芳（陜西永壽農業(yè)技術推廣中心），楊珍珍（陜西彬縣農業(yè)技術推廣中心），蘭濤（陜西大荔農業(yè)技術推廣中心），張花梅（陜西合陽農業(yè)技術推廣中心），梁永強（陜西蒲城農業(yè)技術推廣中心），劉斌俠（陜西岐山農業(yè)技術推廣中心），強大勇（陜西乾縣農業(yè)技術推廣中心），李廷亮、孫敏（山西農業(yè)大學），黨建友、周懷平（山西省農業(yè)科學院），柴守璽（甘肅農業(yè)大學），魯清林、孫建好、王勇、趙剛（甘肅省農業(yè)科學院），郭鑫年、沈強云（寧夏農林科學院），王西娜（寧夏大學），李松齡（青海省農林科學院），陳署晃、雷鈞杰（新疆農業(yè)科學院），李俊華（石河子大學），張磊（新疆農墾科學院），賈立國、張永平（內蒙古農業(yè)大學），張久明、鄭淑琴（黑龍江省農業(yè)科學院）在試驗實施、栽培信息調研及樣品采集等方面給予的大力支持與幫助。