中國玉米百千克籽粒地上部吸氮量的空間差異及驅動因素

王丹丹，陳煥軒，張翀，巨曉棠

中國玉米百千克籽粒地上部吸氮量的空間差異及驅動因素

王丹丹，陳煥軒，張翀，巨曉棠

海南大學熱帶農林學院，海口 570228

【目的】定量中國不同農業生態區和不同產量水平條件下的玉米百千克籽粒地上部吸氮量（N100），分析氣候、土壤、品種和施肥因素對玉米N100的影響，為確定合理施氮量提供科學依據。【方法】將中國分為東北、西北、華北平原、長江中下游平原、西南和東南6大農作區，搜集1980—2022年發表的349篇符合要求的文獻，通過數據統計分析不同區域和不同產量水平條件下的玉米N100，并分析采用統一和區域化的N100計算出的理論施氮量差異，采用皮爾遜相關系數（pearson correlation coefficient）、隨機森林（random forest）模型和整合分析（Meta-analysis）方法分析氣候、土壤和施肥因素對玉米N100的影響，揭示導致中國玉米N100空間差異的原因。【結果】優化處理條件下，中國春玉米N100顯著低于夏玉米，分別為2.21和2.46；不同農業生態區玉米N100存在顯著差異，分別為2.19（東北春玉米）、2.12（西北春玉米）、2.54（西北夏玉米）、2.45（華北夏玉米）、2.77（長江中下游春玉米）、2.38（長江中下游夏玉米）和2.39（西南玉米區）。依據本研究全國玉米平均N100（2.34）計算的理論施氮量與采用區域化的N100計算得到的理論施氮量相差-22—31 kg N·hm-2。地上部吸氮量、產量、年均氣溫是影響玉米N100的最重要因素；N100隨產量增加呈顯著二次曲線降低的趨勢（＜0.01），籽粒產量可以很好地預測N100；品種顯著影響玉米N100，中國常見的玉米品種鄭單958、先玉335和登海605的N100分別為2.42、2.12和2.39，新品種玉米N100顯著低于老品種。施用氮肥顯著增加了玉米N100，且在施氮量200—300 kg N·hm-2時，施氮肥引起的N100增加效應最大。單施緩控釋肥、深施氮肥、減少氮肥基施比例以及增加施氮次數均顯著增加了玉米N100。【結論】在利用N100進行合理施氮量計算時，需要考慮不同農業生態區N100的顯著差異，以得到更加準確的推薦施氮量，玉米N100的驅動因素主要為作物地上部吸氮量、產量和年均氣溫的變異。

玉米；百千克籽粒地上部吸氮量；產量水平；合理施氮量；農業生態區

0 引言

【研究意義】玉米是重要的谷類作物，在糧食安全方面發揮著至關重要的作用[1]。玉米產量約占中國糧食總產量的40%，是播種面積最大的糧食作物[2]。施用化肥，特別是氮肥，是保證玉米高產穩產的重要措施，氮肥對作物產量和品質的形成起著關鍵作用[3-4]。不合理施氮不僅難以提高玉米產量，還會造成環境污染，危害糧食安全[5]。因此，研究確定兼顧糧食高產和環境友好的合理施氮量推薦方法具有重要意義。【前人研究進展】為確定合理施氮量，前人提出了一系列方法，可概括為土壤和/或植株測試類方法，以田間氮肥試驗為基礎的肥料效應函數法[6]。由于缺乏有效測試指標、推薦結果在時間和空間上的適用性受限等原因，導致上述方法難以在實際中應用。基于長期研究和總結，朱兆良[6]提出了區域平均適宜施氮量的概念和方法。區域平均適宜施氮量雖然能將大多數田塊施氮量控制在合理的范圍，但也需要在不同生產條件和階段進行大量的田間試驗[4]。巨曉棠[4]根據肥料-土壤-作物體系中主要氮素通量的關系，發展了確定合理施氮量的新方法——理論施氮量，即理論施氮量=目標產量/100×百千克收獲物需氮量。可以看出，在確定了百千克收獲物需氮量后，理論施氮量是目標產量的唯一函數。理論施氮量不需要測定土壤有效氮，農戶根據自己地塊的目標產量即可確定施氮量。在當前生產條件下，中國小麥、玉米和水稻的百千克籽粒地上部吸氮量（N100）分別為2.8、2.3和2.4[4]。研究表明，水稻N100在中國不同區域存在差異，其原因主要是土壤、氣候和管理等因素的變異[5, 7]。【本研究切入點】利用固定的N100來計算理論施氮量可能會造成偏差，中國玉米分布區域廣泛，因土壤、氣候和人為管理因素等方面的不同，不同農業生態區玉米的需肥特點和吸氮量存在顯著差異[8]。因此，玉米N100需要在不同的土壤-作物-氣候-管理條件下進行率定，才能使計算出的理論施氮量更加符合合理施氮量。【擬解決的關鍵問題】本研究通過收集近40年來已發表的有關中國玉米N100的大田試驗數據，定量不同農業生態區、不同產量水平和不同品種下的玉米N100，量化采用統一和區域化的N100計算出的理論施氮量差異。分析氣候、土壤和施肥等因素對玉米N100的影響，評估田間氮肥管理對玉米N100的影響，為理論施氮量計算中國不同農業生態區玉米的推薦施氮量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 中國農業生態區劃分

根據中國綜合農業區劃和中國農作制，將中國分為6大農作區[9]，分別是東北（黑龍江、吉林、遼寧）、西北（新疆、內蒙古、甘肅、寧夏、陜西、山西）、華北平原（北京、天津、河北、山東、河南）、長江中下游平原（湖北、湖南、安徽、江西、江蘇、浙江、上海）、西南（四川、重慶、云南、貴州、廣西）和東南（廣東、福建、海南）。其中，西藏、青海、臺灣、香港、澳門和東南因為缺乏有效數據，不包括在本研究中。

1.2 數據庫的建立

從Web of Science和中國知網檢索發表于1980年1月至2022年7月的文章，檢索主題為：玉米（maize or corn）、產量（yield）和氮（nitrogen）。文獻篩選標準如下：（1）試驗是在中國進行的大田試驗，不包括室內和盆栽試驗；（2）試驗處理的重復次數至少為3次；試驗的年限至少包含一個完整的玉米種植季；（3）試驗結果必須報道百千克籽粒地上部吸氮量（N100），或可以計算出百千克籽粒地上部吸氮量（N100）的產量（Y）和地上部吸氮量（Nuptake）數據，其中，N100=Nuptake/Y×100。經過篩選，共獲得349篇符合要求的文獻。

從文獻中提取的信息包括：試驗地點、試驗時間、氣象條件（年均氣溫、年均降雨）、土壤性質（土壤有機質、土壤有機碳、土壤全氮、土壤pH等）、田間管理（品種、施肥量、肥料類型、施肥方式、施肥時期等）、參數數據（籽粒產量、籽粒含水量、地上部吸氮量和N100等）。如文獻數據以圖形展示，則利用GetData Graph Digitizer 2.24軟件（version 2.24, http://getdata-graph-digitizer.com）提取圖形的數據。若文獻中有缺失的氣象信息，則從國家氣象科學數據中心（http://data. cma.cn）獲取。

1.3 數據分類和預處理

將文獻中的處理分為優化處理與非優化處理，優化處理（optimized，OP）包括：文獻中明確的優化處理以及施氮量為150—250 kg N·hm-2的處理[4]。將除優化處理之外的所有處理均作為非優化處理（non-optimized，NOP）。根據所調查的文獻，籽粒產量有2種表示方法：一是烘干重（在60 ℃—80 ℃烘干至恒重）；二是含有一定水分的標準產量（曬干重或風干重）。若文獻中指出籽粒產量為標準產量，但未說明含水量，取14%[10]。烘干產量和標準產量的換算公式為：烘干產量（t·hm-2）=標準產量×（1-14%）。本研究玉米籽粒產量統一以烘干重表示。將玉米分為春玉米、夏玉米和西南玉米區，其中，春玉米主要分布在東北和西北，夏玉米主要分布在華北和長江中下游[11]。將玉米品種分為新品種和老品種，新/老品種的劃分以審定日期為準，2000年（含）以前審定的為老品種，2000年以后審定的為新品種。提取調查文獻數據庫中樣本量最多的8個品種，分析不同品種下玉米N100的差異。

將氮肥管理分為如下幾組：（1）施氮量：以不施氮肥作為對照，施加氮肥作為處理，并將施氮量（nitrogen rate，NR，kg N·hm-2）分為5個梯度，即NR≤100、100＜NR≤200、200＜NR≤300、300＜NR≤400和NR＞400來分析不同施氮水平對產量、地上部吸氮量和N100的影響。除施氮與否外，處理組和對照組的其他田間管理保持一致；（2）氮肥類型：以單施尿素作為對照，尿素添加硝化抑制劑、尿素與緩/控釋氮肥配施、單施緩/控釋氮肥、尿素與糞肥配施、單施糞肥作為處理，處理組和對照組的施氮量等其他田間管理保持一致；（3）施氮方式：研究的施氮方式包括：施氮深度、基肥比例和施氮次數，其中，以施氮深度≤3 cm作為對照，氮肥深施≥10 cm作為處理；以100%基施作為對照，基肥比例≤75%作為處理；以一次施氮作為對照，分次施氮作為處理；處理組和對照組的施氮量和氮肥類型等其他田間管理均保持一致。

1.4 數據分析

使用對數響應比來評估優化處理對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的影響，通過以下公式計算[12]：

In=In（t/c） （1）

式中，t和c分別代表處理組和對照組的變量平均值，In表示效應量，優化管理措施的影響程度以（（-1）×100）的百分比形式表示。

由于本研究數據庫中約有50%數據均值的標準差未被報道。而且，利用數據均值標準差的方法計算權重有時會出現權重被過度估算的問題[13]。因此，本研究通過試驗處理重復次數來計算效應量的權重[14]：

=(t×c) / (t+c) （2）

式中，t和c分別表示處理組和對照組的處理重復數。

通過MetaWin 2.1軟件進行Meta分析[15]。采用卡方檢驗（Chi-square test）進行異質性檢驗，若檢驗結果＞0.05，說明不同處理間或不同研究結果間具有同質性，可選用固定效應模型計算合并統計量，否則采用隨機效應模型[16]。本研究選用隨機效應模型。通過隨機抽樣的方式（bootstrapping）迭代4 999次計算95%的置信區間，若置信區間與0值線相交，認為優化管理措施的影響不顯著，反之亦然[17]。

運用SPSS軟件26.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）進行數據分析和顯著性檢驗，利用檢驗和單因素方差分析鄧肯檢驗（Duncan，＜0.05）比較不同農業生態區和不同品種的玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100的差異。利用皮爾遜相關系數分析籽粒產量、地上部吸氮量和N100與氣候、土壤和施肥因素的關系。利用隨機森林模型計算各因素對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的重要性，采用R語言中的軟件包“Random Forest”進行分析[18-19]。采用Excel 2019進行數據統計整理，利用Origin 2022軟件作圖。

2 結果

2.1 數據分布

圖1所示，優化處理下，玉米籽粒產量均值為8.60 t·hm-2，主要分布在7.07—9.84 t·hm-2；地上部吸氮量均值為198 kg·hm-2，主要分布在157—232 kg·hm-2；N100均值為2.34，主要分布在1.97—2.64。非優化處理下，玉米籽粒產量均值為7.35 t·hm-2，主要分布在5.43—9.04 t·hm-2；地上部吸氮量均值為167 kg·hm-2，主要分布在115—210 kg·hm-2；N100均值為2.28，主要分布在1.88—2.59。分布檢驗表明優化處理和非優化處理的玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100均符合正態分布（＜0.01），滿足數據分析的必要條件。

OP：優化處理；NOP：非優化處理；M、SE和n分別表示平均值、標準誤和樣本量；曲線為數據的高斯分布，P為顯著性檢驗。下同

2.2 不同農業生態區玉米的籽粒產量、地上部吸氮量和N100

優化處理條件下，中國春玉米籽粒產量平均為9.37 t·hm-2，夏玉米產量為8.25 t·hm-2，春玉米顯著高于夏玉米。其中，西北春玉米產量顯著較高，為10.03 t·hm-2；其次為東北春玉米、華北夏玉米和長江中下游夏玉米，產量分別為9.04、8.70和7.70 t·hm-2；西北夏玉米、長江中下游春玉米和西南玉米區顯著較低，分別為6.95、7.10和7.18 t·hm-2（圖2-A）。中國春玉米地上部吸氮量平均為204 kg N·hm-2，夏玉米為200 kg N·hm-2。不同區域玉米地上部吸氮量表現為華北夏玉米（211 kg N·hm-2）＞西北春玉米（208 kg N·hm-2）＞東北春玉米（196 kg N·hm-2）＞長江中下游春玉米（194 kg N·hm-2）＞長江中下游夏玉米（184 kg N·hm-2）＞西北夏玉米（172 kg N·hm-2）＞西南玉米區（169 kg N·hm-2）（圖2-B）。中國春玉米N100平均為2.21，夏玉米N100為2.46，春玉米顯著低于夏玉米。其中，長江中下游春玉米N100顯著較高，為2.77；其次為西北夏玉米、華北夏玉米、長江中下游夏玉米和西南玉米區，N100分別為2.54、2.45、2.38和2.39；東北春玉米和西北春玉米顯著較低，分別為2.19和2.12（圖2-C）。

China：中國；NEC：東北；NWC：西北；NCP：華北平原；MLYR：長江中下游平原；SWC：西南；SP：春玉米；SU：夏玉米。圖中紅線和黑線分別表示平均值和中值。盒狀邊界表示75%和25%的四分位數。大寫字母對比中國春玉米和夏玉米的差異，小寫字母對比春/夏玉米在不同農業生態區的差異。不同的大寫/小寫字母表示存在差異顯著（P＜0.05）。括號內的數值代表樣本數。下同

非優化處理條件下，中國春玉米籽粒產量平均為7.70 t·hm-2，夏玉米產量為7.40 t·hm-2，春玉米顯著高于夏玉米。其中，西北春玉米產量顯著較高，為8.77 t·hm-2；其次為東北春玉米、華北夏玉米和長江中下游夏玉米，產量分別為7.03、7.86和7.14 t·hm-2；西北夏玉米、長江中下游春玉米和西南玉米區顯著較低，分別為5.89、6.31和5.94 t·hm-2（圖3-A）。中國春玉米地上部吸氮量平均為165 kg N·hm-2，夏玉米為177 kg N·hm-2，春玉米顯著低于夏玉米。不同區域玉米地上部吸氮量表現為西北春玉米（189 kg N·hm-2）＞華北夏玉米（185 kg N·hm-2）＞長江中下游夏玉米（180 kg N·hm-2）＞長江中下游春玉米（157 kg N·hm-2）＞西北夏玉米（146 kg N·hm-2）＞東北春玉米（141 kg N·hm-2）＞西南玉米區（137 kg N·hm-2）（圖3-B）。中國春玉米N100平均為2.16，夏玉米N100為2.40，春玉米顯著低于夏玉米。其中，西北夏玉米、長江中下游春玉米、長江中下游夏玉米N100顯著較高，分別為2.56、2.54和2.54；其次為華北夏玉米和西南玉米區、N100分別為2.33和2.32；東北春玉米和西北春玉米顯著較低，分別為1.98和2.20（圖3-C）。

圖3 非優化處理下不同農業生態區玉米的籽粒產量、地上部吸氮量和N100

2.3 地上部吸氮量和N100與籽粒產量的關系

優化處理和非優化處理條件下，作物吸氮量隨著產量增加呈顯著線性增長（＜0.01）（圖4-A—B）。優化處理條件下，N100隨著產量增加呈顯著二次曲線降低的趨勢（＜0.01）（圖4-C）。非優化處理下，N100和作物產量無明確數量關系，可能是非優化處理包含的處理較多，存在混合效應（圖4-D）。總之，在合理的氮素管理措施下，作物產量可以很好地預測N100。

圖4 地上部吸氮量和N100與籽粒產量的關系

2.4 不同農業生態區玉米的理論施氮量

為了量化采用統一和區域化的N100計算出的理論施氮量差異，將本研究的全國平均N100（2.34）和區域化的N100（2.12—2.77）兩類數據，分別與各區域玉米目標產量（烘干產量）相結合，計算得到中國不同農業生態區玉米理論施氮量，利用公式理論施氮量[4]=目標產量/100×N100。依據本研究全國玉米平均N100（2.34）計算的理論施氮量與采用區域化的N100計算得到的理論施氮量相差-22—31 kg N·hm-2（圖5）。

2.5 不同玉米品種的籽粒產量、地上部吸氮量和N100

優化處理條件下，新/老品種玉米的籽粒產量、地上部吸氮量和N100呈顯著性差異，新品種玉米產量顯著高于老品種，而其地上部吸氮量和N100顯著低于老品種（圖6）。不同品種玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100也存在顯著性差異，N100表現為正紅505（2.70）＞鄭單958（2.42）＞登海605（2.39）＞隆平206（2.32）≈川單418（2.32）＞先玉335（2.12）＞陜單609（1.94）＞良玉99（1.91）（圖7）。

2.6 土壤-氣候-管理因素對玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100的影響

皮爾遜相關分析表明，玉米籽粒產量與年均氣溫和年均降雨存在顯著的負相關，與土壤pH和施肥量（N、P2O5和K2O）呈顯著正相關（≤0.01）。地上部吸氮量與年均降雨呈顯著負相關，與土壤pH、施肥量（N、P2O5和K2O）和籽粒產量呈顯著正相關（≤0.01）。玉米N100與年均氣溫、年均降雨、施肥量（N和P2O5）和地上部吸氮量呈顯著正相關，與土壤全氮和籽粒產量呈顯著負相關（≤0.01）（圖8）。

N100=2.34：本研究優化處理條件下中國玉米平均N100；N100=2.12—2.77：本研究優化處理條件下不同農業生態區玉米N100，China、China-SP、China-SU、NEC-SP、NWC-SP、NWC- SU、NCP-SU、MLYR-SP、MLYR-SU和SWCM分別為2.34、2.21、2.46、2.19、2.12、2.54、2.45、2.77、2.38和2.39

Old：老品種；New：新品種 Old: Old variety; New: New variety

通過隨機森林模型分析了土壤-氣候-管理因素對玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100的相對重要性。施氮量對作物產量的重要性最高（圖9-A）。作物吸氮量主要受產量和施氮量的影響（圖9-B）。由于N100是由作物地上部吸氮量和產量計算得來，上述兩因素對N100起決定性作用（圖9-C），這與上述作物產量能夠預測N100的結果相互印證（圖4-C）。此外，N100主要受年均氣溫的影響（圖9-C）。

2.7 氮肥管理對玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100的影響

Meta分析結果表明，不同施氮水平對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的影響均存在顯著性差異。與不施氮處理相比，施氮處理顯著增加了43.23%、61.08%和17.85%的籽粒產量、地上部吸氮量和N100，且在施氮量200—300 kg N·hm-2時，施氮引起的籽粒產量、地上部吸氮量和N100的增加效應最大（圖10-A—C）。

ZD958：鄭單958；XY335：先玉335；ZH505：正紅505；SD609：陜單609；LP206：隆平206；LY99：良玉99；DH605：登海605；CD418：川單418；括號內的數值代表樣本數

MAT：年均氣溫；MAP：年均降雨；SOC：土壤有機碳含量；TN：土壤全氮含量；pH：土壤酸堿度；N rate：施氮量；P2O5 rate：施磷量；K2O rate：施鉀量；Yield：籽粒產量；Nuptake：地上部吸氮量；N100：百千克籽粒地上部吸氮量。*、**、***分別表示在0.05、0.01、0.001水平上的顯著相關。下同

與單施尿素相比，尿素添加硝化抑制劑（U+NI）、尿素與緩/控釋肥配施（U+SCRF）、尿素與糞肥配施（U+M）以及單施緩/控釋肥（SCRF）均顯著增加了籽粒產量和地上部吸氮量，而單施糞肥對籽粒產量有負作用（圖11-A—B）。與單施尿素相比，N100在單施緩/控釋肥處理下顯著增加了2.33%，而尿素添加硝化抑制劑、尿素與緩控釋肥配施、尿素與糞肥配施和單施糞肥處理對N100的影響均不顯著（圖11-C）。

圖9 不同因素對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的相對重要性

點和誤差線分別代表增加的百分比和95%置信區間。如果誤差線沒有跨越零線表示處理和對照存在顯著差異。括號內的數字表示樣本量。下同

與氮肥表施（施氮深度≤3 cm）相比，深施氮肥（施氮深度≥10 cm）顯著增加了籽粒產量、地上部吸氮量和N100，增幅分別為5.61%、11.16%和5.55%；隨著施氮深度的增加，其對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的增加效應有減小的趨勢（圖12-A—C）。與氮肥基施（基肥100%）相比，減少基肥比例（基肥比例≤75%）顯著增加了籽粒產量、地上部吸氮量和N100，增幅分別為5.25%、7.51%和2.25%；隨著基肥比例的減少，其對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的增加效應有增大的趨勢（圖12-A—C）。與一次施氮相比，分次施氮（施氮次數≥2）顯著增加了籽粒產量、地上部吸氮量和N100，增幅分別為6.37%、9.74%和3.36%；3次及3次以上施氮處理的籽粒產量、地上部吸氮量和N100顯著高于2次施氮（圖12-A—C）。

3 討論

3.1 中國主要農業生態區玉米籽粒產量和N100的空間差異及原因

優化處理下中國玉米籽粒產量為8.60 t·hm-2（烘干產量），對應標準產量為10.00 t·hm-2，與XU等[20]研究結果9.90 t·hm-2（2001—2015年）相近，但高于吳良泉[21]報道的氮磷鉀優化配施下的8.80 t·hm-2（2005—2010年）。由于本研究數據主要來源2000— 2022年的田間試驗，籽粒產量較高可能源于近年來玉米品種的更新和農田管理措施的優化[22]，本研究也表明新品種玉米產量顯著高于老品種（圖6-A）。優化處理下不同農業生態區玉米產量表現出明顯的空間差異（圖2-A），中國春玉米籽粒產量顯著高于夏玉米，這與戴明宏等[23]和武良[24]的研究結果一致。氣候和輪作制度是影響產量區域分布差異的主要因素[20]，春玉米主要分布在東北和西北，而夏玉米多分布在華北和長江中下游區域，北方春玉米因日均溫較低而具有較長的生育期，晝夜溫差較大，有助于干物質的積累和產量的提高[20, 23, 25]。本文研究結果也表明，年均氣溫與玉米產量呈顯著負相關關系（圖8）。

U+NI：尿素添加硝化抑制劑；U+SCRF：尿素與緩控釋肥配施；SCRF：單施緩控釋肥；U+M：尿素與糞肥配施；M：單施糞肥

圖12 不同施氮方式對籽粒產量、地上部吸氮量和N100的影響

優化處理條件下，中國玉米N100為2.34（以烘干產量計），若按標準產量計為2.01（籽粒含水量14%），與XU等[26]的1.97（n=4 806，籽粒含水量15.50%）接近，但低于LIU等[27]的2.58（n=521，未說明籽粒含水量），原因是LIU等[27]使用的是1985—1995年的數據，N100的差異可能來自近年來玉米品種的更新，新品種玉米普遍具有較低的N100[28-29]，這也與本研究結果一致（圖6-C）。春玉米N100顯著低于夏玉米N100，可能是由于春玉米較高的產量水平導致。受溫度、降水和氮素管理等因素影響，不同區域玉米N100存在顯著差異。優化處理下中國不同農業生態區玉米N100基本處于前人研究范圍內，即1.40—2.58[7-8, 22, 26-27, 30-33]。通過隨機森林模型分析發現，除產量和地上部吸氮量外，年均氣溫、年均降雨和施氮量對玉米N100的影響較大（圖9-C），且均與玉米N100呈顯著正相關（圖8）。而西南區玉米N100偏低的可能原因是其地處丘陵山區，且降雨豐沛，光照不足，晝夜溫差小，不利于玉米干物質的積累和養分的吸收[25]，所以該區域玉米產量和N100都比較低。

采用全國統一的N100計算得出的理論施氮量與采用區域化的N100計算得到的理論施氮量相差-22—31 kg N·hm-2，表明采用統一的N100容易在某些區域高估、而在另一些區域低估理論施氮量。因此，在利用N100計算理論施氮量時，不僅應考慮區域間目標產量的差異，也應該充分考慮N100在不同土壤-氣候-管理條件下的差異，以得到更加準確的區域推薦施氮量。

3.2 優化處理下玉米N100與籽粒產量的關系

優化模式下的作物參數（產量、吸氮量和N100）能夠為推薦施氮提供依據。本研究結果表明，優化處理條件下，玉米地上部吸氮量隨產量增加呈上升趨勢，而N100隨產量增加呈下降趨勢，這說明玉米產量水平與其本身氮素吸收能力密切相關[34]。產量提高的主要原因是收獲指數的提高和總生物量的增加[29, 33]。玉米N100隨產量提高而降低主要是由于收獲指數的提高和植株氮濃度的降低造成的，特別是籽粒氮濃度的降低[22, 29, 33, 35]。研究表明，玉米產量的提高伴隨籽粒氮濃度的降低，造成這種隨產量提高而籽粒氮濃度呈下降趨勢的生理基礎，是隨著產量的提高，籽粒中氮的累積速率要小于碳水化合物的累積速率，從而造成對氮的稀釋作用[22, 36]。

本研究不僅量化了中國玉米N100的空間差異（圖2-C），又發現了N100與作物產量呈顯著的二次曲線負相關關系（圖4-C），表明作物產量可以用來預測N100。這是因為作物產量本身也受到土壤-氣候-管理的綜合影響，和N100的影響因素相似。此外，作物吸氮量與作物產量呈顯著正相關關系（圖4-A—B）[26]，而N100由上述2個參數計算得來。由于理論施氮量是目標產量和N100兩個參數的函數[4]，若作物產量可以用來預測N100，那么理論施氮量可以簡化為目標產量的唯一函數，即fer=0.0883-2.42+36.8，其中，fer為理論施氮量（kg N·hm-2），為玉米籽粒產量（t·hm-2），該算式可以在不同區域的田間試驗中進一步驗證。

3.3 氮肥管理對玉米籽粒產量、地上部吸氮量和N100的影響

施用氮肥顯著增加了玉米N100，且在施氮量200—300 kg N·hm-2時，施氮肥引起的N100增加效應最大。這說明過量施氮不利于玉米的增產和品質的提升，主要是因為過量施氮會增加作物倒伏和病蟲害的風險[37]。玉米N100主要受收獲指數和籽粒氮濃度的影響[22, 29, 33, 35]。施氮量過高不利于氮素向籽粒中運移，從而帶來了籽粒氮濃度的降低和N100的下降[38]。緩/控釋氮肥具有養分釋放與作物吸收同步的優點，滿足了玉米生育期的養分需求，促進玉米氮素積累和產量形成[39-40]。本研究結果表明緩/控釋氮肥可顯著增加玉米N100，可能原因是緩/控釋氮肥養分連續供應可滿足玉米生育后期的氮素供應，促進氮素向籽粒中運移，增加了玉米籽粒中氮素含量，有助于玉米N100的提升[38, 41]。

深施氮肥可增加玉米根系的養分含量，促進根系生長，優化根系空間分布，有利于植株對于氮素的吸收利用和產量的提高[42-43]。本研究結果表明，適當深施氮肥（施氮深度為10—20 cm）對玉米產量、地上部吸氮量和N100的增加效應明顯高于過度深施氮肥（施氮深度≥20 cm），說明氮肥過度深施并不利于玉米氮素吸收和產量的形成，一方面可能是由于發育健全的玉米功能根群主要集中在5—20 cm土層[42]，適當深施氮肥縮短了肥料與根系的接觸距離，有利于根系的發育；另一方面可能是由于過度深施氮肥導致玉米根系早期發育受阻，難以獲取氮素，而且較深土層的氮素更容易發生淋洗損失[44]。本研究減少基肥施氮比例或分次施氮均能顯著增加玉米產量、地上部吸氮量和N100。因為玉米生長前期若施氮量過大，會因超過玉米吸收能力和土壤固持能力，造成肥料的損失。減少基肥施氮比例或分次施氮在滿足玉米生育前期對氮素需求的同時，又及時彌補了玉米開花期至成熟期氮素虧缺，與玉米生育期的氮素需求相匹配，減少氮素損失，提高玉米對氮素的吸收和產量的增長[40]。

4 結論

中國不同農業生態區玉米N100存在顯著性差異，北方春玉米N100顯著低于南方夏玉米。N100與作物產量呈顯著的二次曲線負相關關系，可以用作物產量來預測N100。新品種玉米N100顯著低于老品種。年均氣溫、年均降雨量和施氮量是影響玉米N100的主要因素，且均與玉米N100呈正相關關系。緩控釋肥單施、氮肥深施、減少氮肥基施比例以及增加施氮次數均顯著增加了玉米N100。在計算不同農業生態區玉米理論施氮量時，應充分考慮N100在不同區域的差異，以得到更加準確的推薦施氮量。

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Spatial Differences and Driving Factors of Aboveground Nitrogen Uptake in per Hundred Kilograms Grain of Maize in China

WANG DanDan, CHEN HuanXuan, ZHANG Chong, JU XiaoTang

College of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228

【Objective】We aim to quantify aboveground nitrogen (N) uptake in per hundred kilograms grain (N100) of maize in different agro-ecological zones at different yield levels in China, and analyze the effects of climate, soil, variety and N fertilization on N100of maize, thus to provide a scientific basis for determining rational N fertilizer rate. 【Method】We divided Chinese cropland into six major regions, i.e., northeast, northwest, North China Plain, middle and lower Yangtze River, southwest, and southeast, and collected 349 peer-reviewed papers published during 1980-2022 to analyze the spatial variation of N100and its changes at different yield levels, and compared the differences in calculated theoretical N rate between constant and region-specific N100. The effects of climate, soil and fertilization on N100were analyzed using Pearson correlation coefficient, Random forest model and Meta-analysis, to reveal the causes of spatial variation in N100. 【Result】Under the optimized N management, N100of spring maize was significantly lower than that of summer maize which were 2.21 and 2.46, respectively; and there were significant differences in N100of maize among different agro-ecological zones, which were 2.19 (Northeast spring maize), 2.12 (Northwest spring maize), 2.54 (Northwest summer maize), 2.45 (North China Plain summer maize), 2.77 (Middle and Lower Yangtze River spring maize), 2.38 (Middle and Lower Yangtze River summer maize), and 2.39 (Southwestern maize zone), respectively. The difference between calculated the theoretical N rate based on the national average N100(2.34) and that based on regional-specific N100was -22-31 kg N·hm-2. Aboveground N uptake, yield, and mean annual temperature were the most important factors affecting N100. The N100showed a significant quadratic decrease with increasing yield (<0.01), and grain yield was a good predictor of N100. Varieties significantly affected maize N100, the N100of common Chinese maize varieties Zhengdan 958, Xianyu 335, and Denghai 605 are 2.42, 2.12, and 2.39, respectively. New varieties had a significant lower N100than old varieties. The application of N fertilizer significantly increased the N100of maize, and the greatest increase effect of N100caused by N fertilizer application was observed at 200-300 kg N·hm-2. Once application of slow and controlled release fertilizer, deep placement, reduction of the ratio of basal N fertilization and increasing the frequency of N fertilizer application all significantly increased N100.【Conclusion】When calculate the rational N fertilization, we need to considerate the regional differences of N100, thus to obtain accurate fertilizer N rate, and the N100of maize is mainly driven by variation in aboveground N uptake, yield and mean annual temperature.

maize; aboveground N uptake in per hundred kilograms grain; yield levels; rational N fertilization; agro-ecological zones

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.20.006

2023-02-01；

2023-04-01

海南省重點研發計劃（ZDYF2021XDNY184）、海南省重大科技計劃（ZDKJ2021008）、海南省自然科學基金（422RC597）、海南大學啟動經費（KYQD(ZR)-20098）

王丹丹，E-mail：wdandan0929@163.com。通信作者張翀，E-mail：zhangchong@hainanu.edu.cn。通信作者巨曉棠，E-mail：juxt@cau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩，李莉）