馬小龍，王朝輝,2*，曹寒冰，佘 旭，何紅霞，包 明，宋慶赟，劉金山

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

黃土高原旱地小麥產(chǎn)量差異與產(chǎn)量構(gòu)成及氮磷鉀吸收利用的關(guān)系

馬小龍1，王朝輝1,2*，曹寒冰1，佘 旭1，何紅霞1，包 明1，宋慶赟1，劉金山1

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

【目的】針對我國黃土高原旱地小麥低產(chǎn)田塊多、分布范圍廣、農(nóng)戶地塊間產(chǎn)量差異大的問題，探索影響旱地小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，為縮小產(chǎn)量差異、提高旱地小麥產(chǎn)量提供理論依據(jù)。【方法】對分布在我國黃土高原的山西、陜西旱地小麥主產(chǎn)區(qū)的282個(gè)農(nóng)戶麥田0—100 cm土壤和小麥植株取樣分析。將小麥產(chǎn)量分為高、中、低三組，分析了小麥產(chǎn)量差異與產(chǎn)量構(gòu)成、氮磷鉀吸收利用的關(guān)系?！窘Y(jié)果】調(diào)查農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)量平均為3815 kg/hm2，中、低產(chǎn)組分別比高產(chǎn)組低32%和57% (P＜ 0.05)；高產(chǎn)組籽粒平均含氮量較低產(chǎn)組低7%，但磷鉀含量和莖葉氮磷鉀含量差異不顯著。與高產(chǎn)組相比，中、低產(chǎn)組生物量分別低27%和50%，收獲指數(shù)低5%和13%，穗數(shù)低15%和31%，穗粒數(shù)低19%和41% (P＜ 0.05)；地上部吸氮量低28%和51%，吸磷量低32%和55%，吸鉀量低28%和50% (P＜ 0.05)。低產(chǎn)組氮收獲指數(shù)分別比高、中產(chǎn)組低5%和4%，磷收獲指數(shù)低4%和3%，鉀收獲指數(shù)低13%和8%。高產(chǎn)組小麥的需氮量較中、低產(chǎn)組分別低5%和12% (P＜ 0.05)，需磷量沒有顯著差異；高、中產(chǎn)組小麥的需鉀量亦無顯著差異，但分別較低產(chǎn)組顯著低5%和15%。高產(chǎn)組小麥的氮生理效率較中、低產(chǎn)組分別高4%和11%，產(chǎn)量分組間小麥的磷生理效率同樣沒有顯著差異；高、中產(chǎn)組小麥的鉀生理效率無顯著差異，分別較低產(chǎn)組顯著高16%和10%。【結(jié)論】黃土高原旱地農(nóng)戶田塊小麥產(chǎn)量存在顯著差異，其中由氮素營養(yǎng)不同引起的干物質(zhì)累積轉(zhuǎn)移、產(chǎn)量構(gòu)成和養(yǎng)分吸收分配的變化是導(dǎo)致產(chǎn)量差異的重要原因?？s小旱地小麥產(chǎn)量差異的切入點(diǎn)在于氮素調(diào)控?；谧魑锂a(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求優(yōu)化肥料投入，結(jié)合改進(jìn)栽培，促進(jìn)小麥干物質(zhì)累積，提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量普遍提升。

旱地；冬小麥；產(chǎn)量差異；產(chǎn)量構(gòu)成；養(yǎng)分吸收利用

中國是世界小麥生產(chǎn)大國，也是消費(fèi)大國。到2030年全國糧食消費(fèi)需求將達(dá)7.5億噸，是目前糧食產(chǎn)量的1.5倍[1]，即糧食增長速度每年至少應(yīng)保持在2%左右[2]才能滿足。從1990到2014年，我國小麥總產(chǎn)量增加29%，單產(chǎn)增加64%，而播種面積卻減少22%[3]。針對人多地少、耕地面積或播種面積不斷下降的國情，單產(chǎn)水平提高對保證我國糧食供需平衡至關(guān)重要。旱地，特別是西北地區(qū)的旱地將是我國未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前沿，盡管該區(qū)降雨少、土壤肥力水平低，小麥種植面積卻占區(qū)域總耕地面積的56%左右[4]，平均產(chǎn)量約為3600 kg/hm2，地塊間產(chǎn)量變異介于1344～8419 kg/hm2[5]，巨大的產(chǎn)量差異為進(jìn)一步挖掘產(chǎn)量潛力，提高區(qū)域總體產(chǎn)量提供了可能。因此，查明旱地小麥產(chǎn)量差異的形成原因，縮小高低產(chǎn)量間的差距，對保障區(qū)域和我國糧食安全具有重要意義。

分析產(chǎn)量差異形成的原因，確定制約糧食產(chǎn)量提高的關(guān)鍵因素，在世界范圍內(nèi)受到普遍關(guān)注[6]。近年來，人們采用不同方法和技術(shù)從不同層面和角度認(rèn)識糧食產(chǎn)量的差異及其形成的原因[7–9]。就小麥而言，在區(qū)域尺度的產(chǎn)量潛力的研究認(rèn)為，北美、西歐、東歐和中亞、南美和地中海、南亞、東亞的實(shí)際產(chǎn)量僅為潛在產(chǎn)量的64%、79%、46%、43%、54%和72%，未來產(chǎn)量仍有30%～50%的增加空間[10]。此外，美國[11]、伊朗[12]、澳大利亞[13]、俄羅斯[14]、阿根廷[15]的潛力產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量之差分別為4.2、4.0、2.5、2.1和1.1 t/hm2。我國華北平原的氣候潛在產(chǎn)量達(dá)8.3 t/hm2，實(shí)際產(chǎn)量僅為潛力產(chǎn)量的61%[16]，黃土高原的光溫潛力產(chǎn)量平均為8.3 t/hm2[17]，而該地區(qū)多點(diǎn)田間試驗(yàn)的平均產(chǎn)量僅為5.7 t/hm2[18]，相差46%。對農(nóng)戶實(shí)際生產(chǎn)情況的調(diào)研表明，我國旱地小麥產(chǎn)量平均為3569 kg/hm2，不同地區(qū)間產(chǎn)量變化介于2143～4852 kg/hm2[19]，其中陜西渭北旱塬平均產(chǎn)量為3475 kg/hm2，農(nóng)戶間的產(chǎn)量差異高達(dá)4000 kg/hm2[20]。可見，無論是實(shí)際產(chǎn)量與潛力產(chǎn)量，還是同一氣候條件不同地區(qū)之間，或是農(nóng)戶之間均存在巨大的產(chǎn)量差異。

關(guān)于產(chǎn)量差異形成的原因，對全球氣候變化的研究發(fā)現(xiàn)，氣溫升高使小麥產(chǎn)量降低5%，降雨量減少使其產(chǎn)量降低1%，而大氣二氧化碳濃度升高使小麥產(chǎn)量增加3%[21]。分析我國1951～2002年間氣候變化表明，氣溫升高使全國小麥產(chǎn)量降低5%[22]。品種是影響作物產(chǎn)量的另一重要因素，我國北方地區(qū)品種更替引起的穗粒重和收獲指數(shù)增加，使冬小麥產(chǎn)量在1960～2000年間提高32～72 kg/hm2[23]。病蟲害侵害常是作物減產(chǎn)的重要原因，2015年我國6682萬公頃小麥?zhǔn)懿∠x害侵害，造成402萬噸產(chǎn)量損失[24]。在華北平原17年的玉麥輪作試驗(yàn)表明，優(yōu)化施肥可以有效縮小產(chǎn)量差異[25]。在加拿大，田間管理和品種選擇是雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量變異的主要原因[26]。根據(jù)小麥生育期的降水情況調(diào)整播種密度是澳大利亞、西班牙等旱地雨養(yǎng)小麥產(chǎn)量差異縮小的關(guān)鍵[27]。在我國，以小農(nóng)戶種植為主，產(chǎn)量變異來源于多個(gè)方面。對河北6縣362個(gè)農(nóng)戶的調(diào)研結(jié)合田間試驗(yàn)進(jìn)行的研究表明，播期、施肥、灌溉時(shí)間及病蟲害防治是限制小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[28]。

本文研究了我國西北黃土高原的山西、陜西農(nóng)戶田塊間小麥產(chǎn)量差異 (圖1) 與產(chǎn)量構(gòu)成及養(yǎng)分吸收利用的關(guān)系，以期為提高該地區(qū)小麥產(chǎn)量水平提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

調(diào)研取樣工作于2014～2016年進(jìn)行，涉及的282個(gè)農(nóng)戶位于黃土高原典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的山西、陜西兩省6縣，即山西洪洞、聞喜、垣曲，陜西合陽、永壽、千陽，東西橫跨400多公里 (東經(jīng)105°7′52″～111°43′19″)，南北間距 170 多公里 (北緯34°44′14″～36°23′2″)。冬小麥?zhǔn)沁@一區(qū)域的主要糧食作物，播種時(shí)間為9月下旬或10月初，收獲時(shí)間為6月。該區(qū)域年均氣溫6.6～14oC，年平均降雨量為466 mm，且60%～70%的降雨集中在夏季的7、8、9月，各地區(qū)2015、2016年降雨分布見圖2。常規(guī)平作栽培 (行寬20 cm) 是該區(qū)域冬小麥栽培方式。前茬作物為春、夏玉米或冬小麥，一年一熟。

圖1 農(nóng)戶冬小麥產(chǎn)量差異的研究模型Fig. 1 Research model of winter wheat yield variation of farmers

1.2 調(diào)查、取樣與測定方法

圖2 調(diào)研的六個(gè)縣的年降雨量及其在夏閑期和小麥生長期的分配Fig. 2 Precipitation and its distribution during the summer fallow and winter wheat growing seasons in the surveyed six counties

1.2.1 調(diào)查取樣 選擇分布在同一緯度、小麥種植面積較大的山西、陜西小麥種植農(nóng)戶進(jìn)行。樣點(diǎn)選擇方法：將各樣點(diǎn)的麥田按生產(chǎn)力水平分成高、中、低三類，在每類田塊中隨機(jī)抽取8～10個(gè)地塊作為研究對象，同時(shí)要求田塊面積在0.13公頃 (2畝) 以上，以保證種植和管理方式的代表性，共得到282個(gè)農(nóng)戶的產(chǎn)量及相應(yīng)數(shù)據(jù)，其中樣品采自垣曲魯家坡42戶、聞喜邱家?guī)X8戶、聞喜上院30戶、洪洞東梁5戶、洪洞西義30戶、合陽合家莊27戶、合陽白家莊30戶、永壽御駕宮25戶、永壽監(jiān)軍30戶、千陽侯家坡30戶、耀州寺溝25戶。調(diào)查內(nèi)容包括小麥品種 (表1)、肥料用量、機(jī)械使用、栽培管理措施、病蟲害防治等指標(biāo)，并于冬小麥成熟期每20 cm為一層，采集各農(nóng)戶田塊0—100 cm剖面土壤。各采樣地點(diǎn)農(nóng)戶田塊的施肥量及土壤養(yǎng)分平均含量見表2。

表1 調(diào)研地點(diǎn)不同產(chǎn)量水平農(nóng)戶選用的小麥品種Table 1 Wheat cultivars widely used by local farmers in different yield level

1.2.2 小麥植株取樣與測定 冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，在每個(gè)被調(diào)研農(nóng)戶的地塊劃出能代表該地塊小麥長勢的50 m2(10 m × 5 m) 采樣區(qū)，首先在其中隨機(jī)選擇3個(gè)1平方米的樣方，測定每個(gè)樣方內(nèi)的小麥穗數(shù)，計(jì)算公頃穗數(shù)。然后采用“盲抽法”隨機(jī)采集包括100個(gè)穗的小麥植株，即不看麥穗大小，直接用手從10～20個(gè)樣點(diǎn)將小麥植株由基部連根拔起，同一小區(qū)的盲抽樣株混合后于根莖結(jié)合處剪掉根系，作為一個(gè)考種和化學(xué)分析樣品。將穗剪下裝入標(biāo)記好的小網(wǎng)袋，莖葉全部裝入標(biāo)記好的大網(wǎng)袋，綁緊袋口。風(fēng)干后，稱量莖葉風(fēng)干重、穗風(fēng)干重，穗脫粒，稱量風(fēng)干籽粒重，測定千粒重，計(jì)算穗粒數(shù)。植物樣品65oC烘至恒重后，測定風(fēng)干莖葉、穎殼、籽粒的含水量，進(jìn)而計(jì)算小麥的產(chǎn)量、生物量。小麥的生物量、產(chǎn)量、千粒重均以烘干重表示。植物樣品粉碎后，采用H2SO4–H2O2法消解，連續(xù)流動分析儀 (AA3，SEAL公司，德國) 測定消解液中的全氮、全磷含量，火焰光度計(jì)測定全鉀。

1.2.3 土壤取樣與測定 在小麥取樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，以20 cm為一層，采取0—100 cm的土壤樣品，同層土壤均勻混合作為一個(gè)分析樣品，迅速裝入做好標(biāo)記的塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，待風(fēng)干后分別過0.15 mm和1 mm篩。過0.15 mm的土樣用來測定有機(jī)質(zhì)、全氮，過1 mm的土樣用來測定硝銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀、pH。有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測定。硝銨態(tài)氮用1 mol/L的KCl浸提，速效磷用0.5 mol/L的NaHCO3浸提，均用連續(xù)流動分析儀測定 (AA3，德國)。速效鉀用1 mol/L的NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)測定。土壤pH用pH計(jì)測定。相關(guān)結(jié)果已另文發(fā)表[5]。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

將282個(gè)農(nóng)戶數(shù)據(jù)按產(chǎn)量高低排序，等樣本數(shù)分成高、中、低3組 (每組94個(gè)數(shù)據(jù))。

籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2) = 公頃穗數(shù) × 穗粒數(shù) × 千粒重/1000

生物量 (kg/hm2) = 產(chǎn)量/干物質(zhì)收獲指數(shù)

干物質(zhì)收獲指數(shù) = 盲抽樣籽粒干重/盲抽樣地上部總干重 × 100 %

地上部養(yǎng)分吸收量 (kg/hm2) = [籽粒養(yǎng)分含量 ×籽粒產(chǎn)量+莖葉養(yǎng)分含量 × 莖葉生物量+穎殼養(yǎng)分含量 ×穎殼生物量]/1000[29]

養(yǎng)分收獲指數(shù) = 籽粒養(yǎng)分吸收量/地上部養(yǎng)分吸收量 × 100%[30]

籽粒產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求量 (kg/1000 kg) = 地上部養(yǎng)分吸收量/產(chǎn)量 × 1000[30]

籽粒產(chǎn)量形成的養(yǎng)分生理效率 (kg/kg) = 產(chǎn)量/地上部養(yǎng)分吸收量[31]

式中：籽粒、莖葉養(yǎng)分含量單位為g/kg。

用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)，GraphPad Prism 5.0作圖，SAS 8.1統(tǒng)計(jì)分析。

pH0.1 8.4 ±0.2 8.4 ±0.1 8.4 ±0.2 8.4 ±0.2 8.3 ±0.1 8.3 ±0.1 8.4 ±0.2 8.5 ±0.2 8.4 ±0.1 8.3 ±0.1 8.3 ±0.2 8.4 ±0.3 8.4 ±0.3 8.4 ±0.1 8.5 ±0.2 8.5 ±0.1 8.4 ±0.1 8.4 ±0.1 8.3 ±0.1 8.3 ±0.1 8.3 ±0.1 8.5 ±g/kg)(m鉀Avail.K 59.5 37.9 59.6 37.0 20.4 9.368.9 96.9 46.2 26.4 45.5 30.0 40.6 29.6 25.2 15.8 29.0 18.8 23.2 12.9 47.1 39.2效79.7±93.7±84.6±82.9±速125.4 ±100.7 ±128.2 ±103.2 ±102.7 ±111.9 ±138.7 ±129.1 ±153.8 ±101.0 ±138.2 ±103.3 ±104.7 ±124.6 ±101.7 ±128.9 ±107.5 ±106.6 ±g/kg).9.2.8 roperty (m ail.P 139.7149.95.92.7114.57.13.94.91.74.71.56.34.75.93.27.93.493.9效磷Av 7.5 ±14.1±7.6 ±14.3±8.2 ±4.0 ±3.8 ±14.6±5.5 ±12.2±3.1 ±11.3±9.0 ±2.7 ±9.1 ±20.1±5.9 ±14.8±6.2 ±12.8±6 ±23.2±有n.st statu Basic soil p g/kg)(m ± 15.9± 25.1± 16.3± 25.7 9.912.2± 15.3 2.52.47.2± 12.3 6.16.8± 12.3± 2.8± 6.4± 39.4± 3312.5± 15.1± 10.7± 16.6質(zhì) 氮.3 e locatio質(zhì)Mineral N utrien .4.4.8.7.7.9.0.5.7.0.4.6.5性101310136.4 ±7.3 ±206.3 ±5.2 ±4.6 ±187.6 ±7.3 ±10111214169.5 ±111411化 礦本sic soil n 理質(zhì) 壤性 土(g/kg)氮Total N 0.1 0.7 ±0.1 0.5 ±0.1 0.7 ±0.1 0.5 ±0.1 0.7 ±0.1 0.6 ±0.2 0.8 ±0.1 0.6 ±0.1 0.7 ±0.1 0.6 ±0.1 0.8 ±0.1 0.6 ±0.1 0.7 ±0.1 0.6 ±0.2 0.8 ±0.1 0.6 ±0.1 0.9 ±0.2 0.7 ±0.1 0.9 ±1.2 1.0 ±0.2 0.9 ±0.1 0.6 ±f farmersin thesam壤基ba 全位rates of farmersand土及g)/k量(g 2.51.92.61.82.61.42.32.34.32.62.22.22.22.23.52.51.31.51.51.43.43.9肥質(zhì)OM施機(jī)11.2±8.7 ±11.2±8.7 ±11.9±9.0 ±14.6±10.4±14.2±10.7±12.0±7.9 ±10.8±8.5 ±11.0±8.1 ±13.8±10.2±14.5±12.0±13.1±9.3 ±、有置deviationsforlandso塊(cm)er 200200200200200200200200200200200田層0——4 0——4 0——4 0——4 0——4 0——4 0——4 0——4 0——4 0——4 0——4standard戶lication土Soillay 2020202020202020202020農(nóng)eans±點(diǎn)地315524312834000樣0 learem采K2O 43±19±42±25±41±30±0 ±30±38±38±2 各11 ocation,fertilizer app Nutrientinput(kg/hm2)P2O571437425310150560019Datain tab表4 ±75±3 ±77±97±1 ±6 ±86±60±75±79± 差Table 2 L 15101411準(zhǔn)量± 標(biāo)肥111.7oE 35.2 oN124 ±72220417337538100104值施N 127 ±151 ±119 ±133 ±130 ±180 ±180 ±135 ±188 ±265 ±均平的塊田度緯e L atitude戶農(nóng)經(jīng)ngitud 1.3oE 35.3oN 1.4oE 35.3oN 1.6oE 36.4oN 1.6oE 36.4oN 0.1oE 35.2oN 0.0oE 35.3oN 8.2oE 34.7oN 8.3oE 34.6oN 7.1oE 34.7oN 9.0oE 34.9oN各點(diǎn)Lo 11111111111110101010地一)ber)同為字)ongliang 數(shù)g數(shù)0)yuan中Hejiazhuan本(樣(42)Baijiazhuang ple num ng(8)g 0)i (27)(30)(25)ujiago(3 0)(30)(5 ujiapo 5)(3表點(diǎn)am 坡 莊 莊 宮(3坡Ho (2igou：嶺iujialin地(S 家家院hang Lujiapo洪HongtongD梁iy義 家 家 駕ouY軍ouJianjun家 溝u S驗(yàn)Location 魯 邱i Q 上i S 東 西 合 白 御 監(jiān) 侯 寺ote）試垣Yuanqu曲 喜聞Wenx 喜聞Wenx 洞 洪HongtongX洞 合Heyang陽 合Heyang陽 永Yongsh壽 永Yongsh壽 千Qianyang陽 耀Yaozho州 （N注

2 結(jié)果與分析

2.1 不同田塊的小麥籽粒產(chǎn)量及氮磷鉀養(yǎng)分含量

2年6縣的調(diào)研表明 (表3)，該區(qū)域的小麥籽粒產(chǎn)量平均為3815 kg/hm2(n=282)，田塊間最高與最低產(chǎn)量相差8倍。不同產(chǎn)量等級間差異顯著，高、中、低產(chǎn)組的產(chǎn)量分別介于4557～9154 kg/hm2、3220～4553 kg/hm2、1143～3217 kg/hm2，中、低產(chǎn)組分別比高產(chǎn)組低32%和57%。與產(chǎn)量不同，研究區(qū)域不同田塊的小麥籽粒含氮量介于13.07～26.66 g/kg，含磷量介于1.79～3.71 g/kg，含鉀量介于2.53～4.53 g/kg，且高產(chǎn)組籽粒平均含氮量較低產(chǎn)組顯著降低7%，與中產(chǎn)組差異不顯著；不同產(chǎn)量水平間小麥籽粒的磷、鉀含量和莖葉的氮、磷、鉀含量差異均不顯著?？梢?，西北旱地農(nóng)戶田塊間的小麥產(chǎn)量存在顯著差異，與高產(chǎn)田塊相比，中低產(chǎn)田塊均有較大的增產(chǎn)潛力；除籽粒氮含量外，小麥籽粒的磷鉀含量和莖葉的氮、磷、鉀含量不因產(chǎn)量而變化。

2.2 不同田塊的小麥生物量及產(chǎn)量構(gòu)成

研究區(qū)域不同田塊的小麥地上部生物量、收獲指數(shù)也存在顯著差異 (表4)，與高產(chǎn)組相比，中、低產(chǎn)組生物量分別降低27%和50%，收獲指數(shù)分別降低5%和13%。就產(chǎn)量構(gòu)成而言，不同產(chǎn)量水平間的穗數(shù)、穗粒數(shù)存在顯著差異 (表4)，中、低產(chǎn)組穗數(shù)分別較高產(chǎn)組低15%和31%；穗粒數(shù)分別低19%和41%。高、中、低產(chǎn)組的千粒重差異不顯著?？梢?，在黃土高原旱地，增加單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，提高生物量和收獲指數(shù)是旱地中低產(chǎn)田小麥產(chǎn)量提高的關(guān)鍵。

2.3 不同田塊的小麥地上部養(yǎng)分吸收量及養(yǎng)分收獲指數(shù)

高、中、低3個(gè)產(chǎn)量分組之間小麥地上部的氮、磷、鉀吸收量存在顯著差異 (圖3)。3組小麥的地上部吸氮量分別介于112～246 kg/hm2、64～165 kg/hm2和28～131 kg/hm2，平均值分別為152 kg/hm2、110 kg/hm2和75 kg/hm2，中、低產(chǎn)組比高產(chǎn)組分別降低28%和51%；吸磷量分別介于10～33 kg/hm2、7～22 kg/hm2和 3～17 kg/hm2，平均值分別為18 kg/hm2、12 kg/hm2和8 kg/hm2，中、低產(chǎn)組較高產(chǎn)組分別低32%和55%；吸鉀量分別介于42～174 kg/hm2、37～141 kg/hm2和 18～84 kg/hm2，平均值分別為87 kg/hm2、63 kg/hm2和43 kg/hm2，中、低產(chǎn)組較高產(chǎn)組顯著低28%和50%?？梢?，要提高旱地小麥產(chǎn)量，作物吸收更多的氮、磷、鉀養(yǎng)分是關(guān)鍵。

表3 不同產(chǎn)量水平冬小麥籽粒產(chǎn)量及氮磷鉀養(yǎng)分含量Table 3 Grain yields and nutrient contents of winter wheat at different yield levels

表 4 黃土高原旱地農(nóng)戶田塊的冬小麥生物量及產(chǎn)量構(gòu)成差異Table 4 Winter wheat biomass and yield components differences among lands of farmers in the Loess Plateau

圖3 黃土高原旱地農(nóng)戶田塊間小麥地上部養(yǎng)分吸收量及養(yǎng)分收獲指數(shù)Fig. 3 Nutrient uptakes and nutrient harvest indices of winter wheat among high, middle and low yield levels

統(tǒng)計(jì)分析表明，高、中產(chǎn)量組的氮磷鉀收獲指數(shù)差異不顯著，但均顯著高于低產(chǎn)組 (圖3)。高、中、低產(chǎn)田塊的氮收獲指數(shù)平均分別為77%、76%和73%，低產(chǎn)組分別比高、中產(chǎn)組顯著降低5%和4%；磷收獲指數(shù)平均分別為86%、85%和82%，低產(chǎn)組比高、中產(chǎn)組顯著降低4%和3%；鉀收獲指數(shù)平均分別為23%、22%和20%，低產(chǎn)組比高、中產(chǎn)組顯著降低13%和8%。可見，從低產(chǎn)到高產(chǎn)，除需要提高小麥地上部氮磷鉀吸收量外，這些養(yǎng)分從營養(yǎng)體向籽粒分配和轉(zhuǎn)移的比例也需增加。

2.4 不同田塊的小麥籽粒養(yǎng)分需求量及養(yǎng)分生理效率差異

不同農(nóng)戶地塊形成1000 kg小麥籽粒產(chǎn)量的需氮量介于17.4～34.8 kg，需磷量介于2.1～4.8 kg，需鉀量介于9.3～29.1 kg。對不同產(chǎn)量分組的養(yǎng)分需求量分析表明，高中低組的小麥需氮量存在顯著差異(表5)，高產(chǎn)組需氮量較中、低產(chǎn)組分別低5%和12%；產(chǎn)量分組間小麥的需磷量沒有顯著差異；高、中產(chǎn)組小麥的需鉀量亦無顯著差異，但分別較低產(chǎn)組顯著低5%和15%。說明在黃土高原旱地高產(chǎn)條件下，形成單位小麥產(chǎn)量需要的氮鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)量要比低產(chǎn)條件下少。

進(jìn)一步對養(yǎng)分生理效率的分析表明 (表5)，不同田塊的小麥籽粒產(chǎn)量形成的氮磷鉀生理效率分別介于 20.0～49.6 kg/kg、183.3～508.3 kg/kg和26.5～125.3 kg/kg。高、中、低組的小麥氮生理效率也存在顯著差異，高產(chǎn)組氮生理效率較中、低產(chǎn)組分別高4%和11%；產(chǎn)量分組間小麥的磷生理效率同樣沒有顯著差異；高中產(chǎn)組小麥的鉀生理效率無顯著差異，分別較低產(chǎn)組顯著高16%和10%。

3 討論

3.1 旱地小麥的產(chǎn)量差異及其引起的養(yǎng)分含量變化

黃土高原旱地農(nóng)戶地塊小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)[5,20]。本研究結(jié)果顯示，當(dāng)前該區(qū)域農(nóng)戶田塊的小麥產(chǎn)量平均為3815 kg/hm2。這一產(chǎn)量水平僅實(shí)現(xiàn)了黃土高原旱地田間試驗(yàn)產(chǎn)量的67%[18]，黃土高原光溫生產(chǎn)潛力的45%，氣候生產(chǎn)潛力的73%[17]。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國2015年小麥平均產(chǎn)量為5244 kg/hm2，與之相比，黃土高原旱地小麥有30%的增產(chǎn)潛力[32]。在調(diào)研的282個(gè)農(nóng)戶產(chǎn)量中，低產(chǎn)田塊小麥平均產(chǎn)量為2494 kg/hm2，僅實(shí)現(xiàn)了中、高產(chǎn)田塊的64%和43%?？梢婞S土高原旱地農(nóng)戶地塊的小麥產(chǎn)量有巨大的提升空間。

表5 不同產(chǎn)量水平小麥千公斤籽粒養(yǎng)分需求量及養(yǎng)分生理效率Table 5 Winter wheat 1000 kg-grain nutrient requirement and nutrient physiological efficiency under high,middle and low yield levels

不少研究表明小麥籽粒氮含量與產(chǎn)量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[30,33–34]。本研究發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)田塊小麥籽粒產(chǎn)量比低產(chǎn)田塊高130%，其含氮量卻比低產(chǎn)田塊降低7%，類似的產(chǎn)量增加而籽粒含氮量降低的關(guān)系，已有不少報(bào)道。原因主要在于作物碳與氮同化不同步性，即碳同化速率大于氮同化[33,35]，或說是由籽粒產(chǎn)量增加的速率大于養(yǎng)分累積速率導(dǎo)致的養(yǎng)分稀釋效應(yīng)所致[34,36]。本研究中從低產(chǎn)到高產(chǎn)，籽粒產(chǎn)量增加130%，而籽粒吸氮量僅增加113%，進(jìn)一步說明養(yǎng)分稀釋效應(yīng)是產(chǎn)量增加后籽粒含氮量降低的主要原因。但車升國等對全國田間試驗(yàn)文獻(xiàn)資料的分析發(fā)現(xiàn)籽粒氮含量隨產(chǎn)量水平的提高而升高[37]，不過類似的報(bào)道不多，其原因尚不明確。

關(guān)于小麥籽粒磷含量與產(chǎn)量關(guān)系的研究結(jié)果并不一致，且多是對多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)。Zhan等[38]的分析表明籽粒磷含量隨產(chǎn)量增加而降低；車升國等[39]發(fā)現(xiàn)籽粒磷含量并不隨產(chǎn)量而變化，其含量基本在3.0 g/kg左右。本研究結(jié)果表明籽粒磷含量與產(chǎn)量無顯著的相關(guān)關(guān)系，磷含量基本在2.6 g/kg左右，低于車升國等報(bào)道的籽粒磷含量，原因可能在于本研究位于黃土高原旱地，大多數(shù)地塊的土壤有效磷偏低，介于12～15 mg/kg，含量不高變化也不大，且由于石灰性土壤中的肥料磷極易被固定，作物對磷的吸收利用相對較低且穩(wěn)定，因此籽粒的磷含量也相對穩(wěn)定且偏低。有研究表明，土壤速效鉀含量與小麥籽粒鉀含量密切相關(guān)[40]，但在本研究中高中低產(chǎn)田塊的小麥籽粒鉀含量基本在3.3 g/kg左右，與產(chǎn)量無關(guān)，但低于多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出的我國小麥籽粒平均鉀含量4.3 g/kg[41]。原因可能與磷的情況相似，即與土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況有關(guān)。研究區(qū)域多數(shù)地塊土壤速效鉀含量均在120 mg/kg左右，相對于較低的旱地小麥產(chǎn)量水平而言應(yīng)屬供應(yīng)充足，但由于在旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，小麥主要生長期在春季和初夏的旱季，土壤水分脅迫使得鉀離子的移動性降低，同時(shí)限制作物根系生長，導(dǎo)致小麥對鉀的吸收顯著下降[42]。因此作物并不能充分吸收土壤中鉀素，所以小麥籽粒鉀含量不隨產(chǎn)量變化而顯著變化，保持相對穩(wěn)定和較低的水平。

3.2 旱地小麥的產(chǎn)量差異與干物質(zhì)累積、產(chǎn)量構(gòu)成及養(yǎng)分吸收的關(guān)系

作物產(chǎn)量形成是一定生態(tài)環(huán)境條件下生物量與收獲指數(shù)協(xié)調(diào)、平衡的結(jié)果。已有研究表明，高產(chǎn)品種具有明顯高于低產(chǎn)品種的生物量[43–44]。本研究中，農(nóng)戶種植的小麥品種95%以上為近年來國家審定的品種，具備高產(chǎn)潛力，但高產(chǎn)田塊的干物質(zhì)累積量顯著高于中、低產(chǎn)田塊，說明干物質(zhì)累積量的差異是導(dǎo)致旱地小麥產(chǎn)量差異的重要原因，而非品種。在西北旱地的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小麥產(chǎn)量不以收獲指數(shù)為轉(zhuǎn)移[44–45]，但本研究發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)地塊的收獲指數(shù)顯著高于中低產(chǎn)地塊，原因可能是本研究不同于同一地點(diǎn)進(jìn)行的田間試驗(yàn)，不同地點(diǎn)的氣候、土壤，以及各農(nóng)戶的養(yǎng)分投入數(shù)量、田間管理差異，使得小麥的干物質(zhì)累積及其向籽粒的轉(zhuǎn)移不同。單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是構(gòu)成小麥產(chǎn)量的基本要素，三者之間存在著矛盾與競爭。本研究結(jié)果表明高產(chǎn)地塊的小麥單位面積穗數(shù)較中、低產(chǎn)地塊顯著高出18%和44%，穗粒數(shù)較中、低產(chǎn)地塊高出24%和70%，但高、中產(chǎn)地塊的千粒重卻低于低產(chǎn)地塊，這表明旱地不同農(nóng)戶地塊間小麥產(chǎn)量三要素中穗數(shù)和穗粒數(shù)差異是引起籽粒產(chǎn)量差異的重要原因，單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)較高的地塊產(chǎn)量亦高[44,46–47]，而高、中產(chǎn)田塊千粒重降低也正是其穗數(shù)和穗粒數(shù)提高引起的結(jié)果。

小麥產(chǎn)量水平與其氮磷鉀吸收利用能力密切相關(guān)。氮素是植物生長需要多、土壤供應(yīng)相對較少、供求之間存在尖銳矛盾的元素，提高植株吸氮量是提升小麥產(chǎn)量的基礎(chǔ)。本研究表明，高、中、低產(chǎn)田塊間小麥地上部氮、磷、鉀吸收量存在顯著差異，中、低產(chǎn)組吸氮量比高產(chǎn)組分別降低28%和51%；吸磷量分別降低32%和55%；吸鉀量分別降低28%和50%。進(jìn)一步說明吸收更多的氮磷鉀養(yǎng)分是黃土高原旱地小麥產(chǎn)量提高的必要條件。作物地上部吸收的養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)移的能力用養(yǎng)分收獲指數(shù)表示。分析發(fā)現(xiàn)高、中產(chǎn)地塊小麥的氮磷鉀收獲指數(shù)均顯著高于低產(chǎn)地塊，說明高產(chǎn)地塊不僅地上部氮磷鉀吸收量高于低產(chǎn)地塊，而且將吸收的養(yǎng)分分配到籽粒中的能力更是強(qiáng)于低產(chǎn)地塊，這與前人研究結(jié)果一致[30,37–39,41]。因此，黃土高原旱地小麥籽粒產(chǎn)量因氮磷鉀養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)移而變化，養(yǎng)分吸收量高，向籽粒轉(zhuǎn)移多的地塊產(chǎn)量亦高。

3.3 旱地不同產(chǎn)量水平的小麥對養(yǎng)分需求和利用規(guī)律

籽粒產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求量，揭示了作物形成籽粒產(chǎn)量對養(yǎng)分的需求情況，是推薦施肥量計(jì)算中的重要參數(shù)[37]；養(yǎng)分生理效率反映了作物利用吸收的養(yǎng)分形成籽粒產(chǎn)量的能力[29]。研究表明，高土高原旱地小麥籽粒氮鉀需求量與養(yǎng)分生理效率在高、低產(chǎn)量水平間表現(xiàn)出顯著的差異，而磷的需求量和生理效率沒有顯著差異。小麥籽粒產(chǎn)量水平從低產(chǎn)增加至高產(chǎn)，籽粒產(chǎn)量增加130%，而地上部吸氮、鉀量分別增加103%和101%，養(yǎng)分吸收量增加的幅度明顯小于籽粒產(chǎn)量增加的幅度，因此高產(chǎn)條件下，形成單位小麥產(chǎn)量需要的氮鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)量要比低產(chǎn)條件下低，而作物利用吸收的單位養(yǎng)分形成籽粒產(chǎn)量的生理效率比低產(chǎn)條件下高。關(guān)于小麥養(yǎng)分需求量、生理效率與產(chǎn)量水平的關(guān)系研究結(jié)果不盡一致，車升國等認(rèn)為隨產(chǎn)量水平的提高，氮、磷需求量增加、生理效率降低[37,39]，而Yue等[30]和Zhan等[38]研究結(jié)果與之相反，需氮、磷量隨產(chǎn)量的增加而降低，生理效率隨產(chǎn)量的增加而增加。關(guān)于鉀需求量、生理效率與產(chǎn)量關(guān)系的報(bào)道不多，Zhan等[41]發(fā)現(xiàn)需鉀量隨產(chǎn)量的增加而降低。造成這些差異的原因還有待于深入研究?？梢?，在黃土高原旱地高產(chǎn)栽培條件下，應(yīng)根據(jù)小麥的養(yǎng)分需求和利用特性，適當(dāng)調(diào)控氮鉀的投入數(shù)量，穩(wěn)定磷的投入數(shù)量，充分發(fā)揮品種和栽培優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)和肥料高效施用。

4 結(jié)論

黃土高原旱地農(nóng)戶田塊小麥產(chǎn)量存在顯著差異。除籽粒氮含量隨產(chǎn)量的升高而降低外，小麥籽粒的磷、鉀含量和莖葉的氮、磷、鉀含量不因產(chǎn)量而變化。干物質(zhì)累積轉(zhuǎn)移、產(chǎn)量構(gòu)成和養(yǎng)分吸收分配是引起黃土高原旱地小麥產(chǎn)量差異的重要原因，即高的生物量、收獲指數(shù)、單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、地上部氮磷鉀吸收量和養(yǎng)分收獲指數(shù)是高產(chǎn)田塊的重要特征?？s小旱地小麥田間的產(chǎn)量差異、實(shí)現(xiàn)中、低產(chǎn)小麥增產(chǎn)的切入點(diǎn)在于氮素調(diào)控，基于作物產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求差異協(xié)調(diào)肥料投入，同時(shí)結(jié)合優(yōu)化栽培，促進(jìn)小麥干物質(zhì)累積，提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量普遍提升。

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Yield variation of winter wheat and its relation to yield components, NPK uptake and utilization in drylands of the Loess Plateau

MA Xiao-long1, WANG Zhao-hui1,2*, CAO Han-bing1, SHE Xu1, HE Hong-xia1,BAO Ming1, SONG Qin-yun1, LIU Jin-shan1
(1 College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling, Shaanxi 712100, China;2 State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Northwest A&FUniversity, Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】In the Loess Plateau, Northwest China, low-fertility fields are widely distributed.Winter wheat yields are varied among farmers and field plots. Exploring the key factors affecting the yields is extremely important for increasing the yields and management level of winter wheat.【Methods】Samples of soils at 0–100 cm depth and winter wheat plants were collected in 282 farmers’ fields in Shanxi and Shaanxi Provinces, Northwest China. The winter wheat yields were divided into high, middle and low groups, the yield variations were correlated with yield components, NPK uptake and utilization.【Results】The mean grain yieldof winter wheat in surveyed farmers’ lands was 3815 kg/hm2, the average yields of the middle and low groups were respectively 32% and 57% lower than that of the high-yield group. The grain N content of the high-yielding group was 7% lower than that of the low-yielding group, the P and K contents of winter wheat grain and the N, P and K contents of stems and leaves showed no significant variance among the yield groups. Compared with the high-yielding group, the biomass in the middle and low yielding groups were 27% and 50% lower, the harvest indices of dry matter were 5% and 13% lower, the spike numbers were 15% and 31% lower, the kernel numbers were 19% and 41% lower, the aboveground N uptake were 28% and 51% lower, the P uptake were 32% and 55%lower, and the K uptake were 28% and 50% lower. The N harvest index in the low-yielding group was respectively 5% and 4%, the P harvest index 4% and 3%, and the K harvest index 13% and 8% lower than those in the high- and middle-yielding groups. The N requirements of the high-yielding group were respectively 5% and 12% lower than those of the middle and low yield groups, but no significant difference was observed for the P requirement among the groups, no significant difference between high and middle yield groups for K requirement was found, although they were respectively 5% and 15% lower than the low-yielding. The average of N physiological efficiency of the high-yielding group was 4% and 11% higher than those of the middle and low yield groups. For P physiological efficiency, there was no significant difference among yield levels. In addition,the average K physiological efficiency of the high and middle yield groups also showed no significant difference,but they were respectively 16% and 10% higher than that of the low-yielding group.【Conclusions】Winter wheat yields are varied significantly in farmers’ lands in the Loess Plateau. The main reason is from the differences in crop dry matter accumulation, yield formation, and N, P and K uptake and distribution caused primarily by the variable N nutrition status. To reduce the farmers’ wheat yield difference in this area, the key measures should be adopted to regulate the crop N nutrition and optimize the fertilizer input based on the crop nutrient requirements, meanwhile improve crop cultivation, promote dry matter accumulation in wheat plant,increase the ear number and grain number, and then achieve its yield increase in a large scale.

dryland; winter wheat; yield variation; yield components; nutrient uptake and utilization

2017–04–20 接受日期：2017–06–03

財(cái)政部、農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-3-1-31）；國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303104）；農(nóng)業(yè)科研杰出人才培養(yǎng)計(jì)劃；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401330）資助。

馬小龍（1989—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要從事植物營養(yǎng)與調(diào)控研究。E-mail：xiaolong029@126.com

* 通信作者 E-mail：w-zhaohui@263.net