鄧麗娟，焦小強

氮管理對冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的整合分析

鄧麗娟，焦小強

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100093

【】氮是影響小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的關(guān)鍵因素之一，然而產(chǎn)量的不斷提升一定程度上稀釋了籽粒的蛋白質(zhì)含量，小麥高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)難以協(xié)同實現(xiàn)。因此如何通過優(yōu)化氮管理實現(xiàn)小麥增產(chǎn)和籽粒品質(zhì)的協(xié)同提升是小麥可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。搜集了1990—2017年間發(fā)表的2 758個氮管理措施對小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)品質(zhì)影響的研究案例，利用整合分析的方法，評估了氮肥管理方式對小麥產(chǎn)量和籽粒的影響，并且結(jié)合氮流動分析方法，提出了綜合氮管理措施實現(xiàn)小麥提質(zhì)增效的方案。1990—2017年間，總體來講，增施氮肥小麥產(chǎn)量提高了42%±1.2%，籽粒蛋白質(zhì)含量提高了19%±0.7%；隨著施氮量的增加，小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)在施用量200—250 kg N·hm-2時最顯著，而籽粒蛋白質(zhì)的增加效應(yīng)在施氮量384 kg N·hm-2時最顯著；小麥產(chǎn)量提高和籽粒蛋白質(zhì)提升在基追比為1—2時效應(yīng)最顯著。與施氮量＞300 kg N·hm-2相比，將施氮量控制在200—250 kg N·hm-2能有效降低氮損失，提高氮利用效率。在其他管理措施一致的條件下，與單一優(yōu)化氮肥用量或基追比相比，同時優(yōu)化氮肥用量和基追比使氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)提高8%—30%，提質(zhì)效應(yīng)提高19%—21%。增施氮肥能夠?qū)崿F(xiàn)小麥產(chǎn)量提高和籽粒蛋白質(zhì)含量提升，不同施氮量和基追比對施氮的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)均有顯著影響，同時優(yōu)化施氮量和基追比的綜合氮管理措施不僅能協(xié)同實現(xiàn)小麥高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)，還能降低環(huán)境排放，這為未來的小麥可持續(xù)生產(chǎn)管理提供了案例支撐。

氮肥；小麥；產(chǎn)量；蛋白質(zhì)含量；物質(zhì)流分析；整合分析

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)侨蛑饕蠹Z食作物之一，其蛋白質(zhì)含量也高于水稻、玉米等其他主要谷物[1]。隨著人口的不斷增長，預(yù)計到2050年，全球糧食需求量將提高70%—100%，人類對作物蛋白質(zhì)的需求將增加110%[2-3]。氮是小麥生長的必需元素，氮投入是影響小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的關(guān)鍵因素[4]，因此優(yōu)化氮肥管理是保障小麥增產(chǎn)提質(zhì)的重要措施之一。然而在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)民往往采用過量氮供應(yīng)的方式追求產(chǎn)量的提高。過量氮肥投入會導(dǎo)致氮以NO3-的形式淋洗進入到地下水中造成污染[5-6]、以NxO的形式反硝化或者NH3的形式揮發(fā)進入到大氣中加劇氣候變化[7-8]、大量的氮素殘留在土壤中會引起農(nóng)田土壤酸化[9]。不合理施用氮肥在造成資源和環(huán)境問題的同時，也阻礙了小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的提升[4]。合理的氮管理對于提高氮利用效率、降低氮污染以及提升籽粒氮具有重要作用[10-11]。因此明確氮管理對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，構(gòu)建合理的氮管理體系對實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和籽粒的協(xié)同提升具有重要意義。【前人研究進展】目前針對施氮對小麥的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)已開展大量研究。VALKAMA等[12-13]通過整合芬蘭的氮肥試驗分析了氮肥對小麥產(chǎn)量和的影響，結(jié)果表明施氮使小麥產(chǎn)量增加61%，同時使籽粒蛋白質(zhì)含量提高了21%。WANG等[14]通過整合中國華北平原的氮肥試驗，得出施氮對小麥產(chǎn)量具有顯著的正向影響。XUE等[15]的研究表明，增加氮肥投入可以顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量。與此同時，氮肥施用方式也會影響小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量。比如增加氮肥使用次數(shù)、降低基追比例都有助于小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提升[16]。然而，現(xiàn)有研究也表明小麥產(chǎn)量與籽粒蛋白質(zhì)含量之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系[1,4]，在我們通過施氮提高了小麥產(chǎn)量的同時，籽粒蛋白質(zhì)含量反而逐漸降低。【本研究切入點】目前研究大部分關(guān)注在單一管理措施對小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的影響。然而，綜合氮管理措施能否協(xié)同實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的提升，并不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此本研究收集了國內(nèi)近40年以來氮肥提高小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的大田試驗數(shù)據(jù)，利用整合分析的方法，定量了在不同土壤肥力和施肥方式下施氮對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量提升的貢獻，評估了綜合氮管理措施對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響及其對小麥可持續(xù)生產(chǎn)的作用。本文旨在探索一個系統(tǒng)的氮管理策略使小麥增產(chǎn)和提質(zhì)效應(yīng)協(xié)同實現(xiàn)，同時保障小麥的可持續(xù)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)庫的建立

通過Web of Science、中國知網(wǎng)（CNKI）等檢索工具，利用“氮（nitrogen）”“冬小麥（winter wheat）”“產(chǎn)量（Yield）”“蛋白質(zhì)含量（protein concentration）”為關(guān)鍵詞搜索文獻。所選用的文獻必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）試驗地點屬于中國大陸，試驗材料為冬小麥；

（2）試驗為室外進行的大田試驗；

（3）試驗必須包含相同條件下的對照和施氮處理（即PK和NPK），施氮處理中必須有明確的施氮量；

（4）蛋白質(zhì)含量必須為凱氏法測定；

（5）研究內(nèi)容至少包含產(chǎn)量或蛋白質(zhì)含量中的一項。

從文獻中獲得的指標(biāo)包括：試驗地點、試驗時間、土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)（土壤有機質(zhì)、土壤速效氮、土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤pH）、化學(xué)氮磷鉀肥投入量、氮肥基追比、作物產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量等。通過Getdata軟件對文獻中用圖表形式報道的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，最后累計錄入文獻共計122篇，籽粒產(chǎn)量數(shù)據(jù)共計1 589組，蛋白質(zhì)含量數(shù)據(jù)共計1 169組。試驗?zāi)攴菘缍葟?990到2017年，其中1990—1999年、2000—2009年、2010—2017年數(shù)據(jù)組分別占總數(shù)據(jù)組的6%、70%和24%，并且有93%數(shù)據(jù)組的試驗地點位于華北平原地區(qū)。

1.2 解釋變量與響應(yīng)變量

文獻中的小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量為響應(yīng)變量；解釋變量包括氮肥施用量、基追比、對照組產(chǎn)量水平、對照組籽粒蛋白質(zhì)含量、土壤有機質(zhì)含量、土壤全氮含量、土壤堿解氮含量和土壤速效磷含量。參考全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分布情況對解釋變量進行分組如表1。

1.3 Meta分析

采用反應(yīng)比（R）的對數(shù)作為效應(yīng)值（E）來描述施氮對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響[12-13]。公式如下：

E=ln（R）=ln（X1/X0） （1）

式中，X1和X0分別為產(chǎn)量/籽粒蛋白質(zhì)含量的處理組和對照組平均值。

若E值的95%置信區(qū)間與0重疊，則認為施氮的效應(yīng)不顯著，反之則認為施氮的效應(yīng)顯著[17]。在亞組分析中，若不同分組內(nèi)E值的95%置信區(qū)間重疊，則認為組間差異不顯著，反之則認為組間差異顯著[17]。

對上述反應(yīng)比反向轉(zhuǎn)化為百分比變化率[18]，公式如下：

Response（%）=（X1/X0-1）×100% （2）

為檢測數(shù)據(jù)的異質(zhì)性，采用Egger tests和Nfs（Fail-safe N）進行異質(zhì)性檢驗，當(dāng)＞0.05或Nfs＞5n+10，認為數(shù)據(jù)不存在偏倚[19]。如表2所示，本研究的數(shù)據(jù)不存在偏倚。

1.4 氮流動分析

基于物質(zhì)流分析模型[20-21]定量了不同施氮量區(qū)間小麥種植體系中的氮流動[21-22]。基于“輸入=輸出+盈余”的物質(zhì)守恒原理，采用如下計算：整個系統(tǒng)的輸入（Ninput）等于產(chǎn)出（Nuptake）加上庫存（Nstock）。

表2 異質(zhì)性檢驗結(jié)果

輸入包括化肥（Nfertilizer）、種子（Nseed）、灌溉（Nirrigation）、大氣沉降（Ndeposition）和生物固氮（Nbiological）；庫存是投入與產(chǎn)出之間的差異，包括小麥生產(chǎn)中的氮損失（反硝化（Ndenitrification）、氮淋洗（Nleaching）和氨揮發(fā)（NNH3））、土壤的氮盈余（Nresidues）和秸稈氮積累（Nstraw）；產(chǎn)出為籽粒氮吸收（Nuptake）。

計算公式如下：

Ninput=Nuptake+ Nstock（3）

Nuptake=-14+41Y0.77（4）

Ndenitrification=0.54e0.0063S（5）

Nleaching=13.59e0.009S（6）

NNH3=0.17Nrate-4.95 （7）

S= Nrate- Nuptake（8）

Nstraw=Mstraw×Ns（9）

NUE= Nuptake/ Ninput（10）

式中，Y為籽粒產(chǎn)量，Nuptake為小麥籽粒氮吸收量，Nstock為氮庫存變化量，Ninput為氮投入量，S為氮過剩量，Nrate為施氮量，Mstraw秸稈質(zhì)量，Ns為秸稈氮含量。NUE為小麥種植系統(tǒng)的氮利用效率。公式（4）—（7）參考CHEN等[22]的研究結(jié)果。種子、灌溉、大氣沉降和生物固氮的氮輸入以文獻參數(shù)值[23]代入計算。以上公式均以kg·hm-2為單位進行計算。

1.5 統(tǒng)計分析

為進一步探究施氮量與籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的關(guān)系，對施氮量和籽粒產(chǎn)量、施氮量和籽粒蛋白質(zhì)含量進行回歸分析。采用獨立樣本T檢驗比較各指標(biāo)兩組間的差異（＜0.05）。

本研究通過Rstudio進行meta分析，采用Bootstrap的方法，采樣4 999次，定量各因子對小麥增產(chǎn)和籽粒蛋白質(zhì)含量的貢獻；通過SPSS 22.0（version 22.0, IBM）進行統(tǒng)計分析，通過Excel進行氮流動分析并利用Esankey（version 4.1, Hamburg, Germany）繪制了氮流動圖，利用Sigmaplot 10.0（Version 10.0，Systat Software Inc., San Jose, CA, USA）和Excel繪制文中其他圖表。

2 結(jié)果

2.1 施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響

基于2 758個樣本的整合分析結(jié)果表明，整體而言，1990—2017年間，相對于不施氮處理，施氮使產(chǎn)量顯著提高了42.0%±1.2%（n=1 589；平均施氮量為212 kg·hm-2）（圖1-A）。施氮的增產(chǎn)效應(yīng)隨著氮肥施用量的增加先升高后降低，當(dāng)施氮量達到284 kg·hm-2時，氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)達到最大值（圖1-A）。而當(dāng)?shù)适┯昧吭?00—250 kg·hm-2區(qū)間時，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最大為46.6%±2.2%，且與250—300 kg·hm-2區(qū)間相比，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)差異不顯著（圖1-A）。

相對于不施氮處理，施氮顯著提高了小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，提高幅度達到18.9%±0.7%（n=1 169；平均施氮量為212 kg·hm-2）（圖1-B）。不同施氮量水平下籽粒蛋白質(zhì)含量對施氮的響應(yīng)程度存在顯著差異（圖1-B），并且響應(yīng)程度隨著施氮量的增加而增加，當(dāng)?shù)适┯昧吭?00—250 kg·hm-2區(qū)間時，施氮的提質(zhì)效應(yīng)為20.9%±1.2%，當(dāng)施氮量＞300 kg·hm-2，施氮的提質(zhì)效應(yīng)最大為29.5%±2.9%。另外，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，施氮量與施氮的提質(zhì)效應(yīng)呈二次模型關(guān)系（＜0.01），當(dāng)施氮量達到375 kg·hm-2時，氮肥對籽粒蛋白質(zhì)含量的增加效應(yīng)不再隨施氮量的增加而增加。（圖2-B）。

圖1 不同施氮量對小麥產(chǎn)量（A）和籽粒蛋白質(zhì)含量（B）的影響

圖2 不同施氮量對小麥的增產(chǎn)（A）/提質(zhì)（B）的影響

2.2 不同亞組下施氮對小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響

2.2.1 不同氮肥基追比對小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響 不同氮肥基追比下施氮對產(chǎn)量的影響程度存在一定差異（圖3-A）。當(dāng)?shù)嗜炕┗蛘咦肥r，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)分別為39.4%±3.1%和17.4%±0.8%。當(dāng)基追比等于1時，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)為33.3%±1.5%。當(dāng)基肥施氮量小于追肥施氮量（基追比＜1）時，增產(chǎn)效應(yīng)為26.2%±3.2%。當(dāng)基肥施用量大于追肥施用量（基追比＞1）時，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)顯著提高，且當(dāng)基追比在1—2之間時（平均施氮量為210 kg·hm-2），施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最高，為76.3%±1.9%。

不同氮肥基追比下施氮對籽粒蛋白質(zhì)含量的影響程度存在一定差異（圖3-B）。當(dāng)?shù)嗜炕┗蛘咦肥r，施氮的提質(zhì)效應(yīng)分別為12.5%±2.5%和14.8%± 3.6%。當(dāng)基追比等于1時，施氮的提質(zhì)效應(yīng)為16.3%± 1.0%。當(dāng)基肥施氮量小于追肥施氮量（基追比＜1）時，提質(zhì)效應(yīng)為23.4%±3.6%。當(dāng)基追比＞2時，施氮的提質(zhì)效應(yīng)為16.0%±1.4%。當(dāng)基追比為1—2時（平均施氮量為208 kg·hm-2），施氮的提質(zhì)效應(yīng)最為顯著，高達28.1%±1.4%。

圖3 不同基追比下施氮對小麥產(chǎn)量（A）和籽粒蛋白質(zhì)含量（B）的影響

2.2.2 不同對照組產(chǎn)量/蛋白質(zhì)含量水平下施氮對小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響 不同對照組產(chǎn)量水平下施氮對產(chǎn)量的影響程度存在顯著差異（圖4-A）。隨著不施氮產(chǎn)量水平的逐漸升高，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)顯著下降。當(dāng)不施氮產(chǎn)量≤3 t·hm-2（平均施氮量為186 kg·hm-2），施氮的增產(chǎn)效應(yīng)為88.0%±4.0%，而當(dāng)不施氮產(chǎn)量＞8 t·hm-2（平均施氮量為222 kg·hm-2），施氮的增產(chǎn)效應(yīng)僅有8.0%±1.6%，下降了91%。

不同對照組蛋白質(zhì)含量水平下施氮對籽粒蛋白質(zhì)含量的影響程度存在顯著差異（圖4-B）。隨著不施氮蛋白質(zhì)含量水平的逐漸升高，施氮的提質(zhì)效應(yīng)顯著下降。當(dāng)不施氮蛋白質(zhì)含量≤10%時（平均施氮量為212 kg·hm-2），施氮的提質(zhì)效應(yīng)為28.9%±1.2%，而當(dāng)不施氮蛋白質(zhì)含量＞14%（平均施氮量為218 kg·hm-2），施氮的提質(zhì)效應(yīng)僅為6.4%±1.3%，下降了77.9%。

2.2.3 不同土壤肥力下施氮對小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響 在不同土壤肥力指標(biāo)下，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)變化有所不同（圖5-A）。施氮的增產(chǎn)效應(yīng)隨土壤有機質(zhì)（SOM）含量的增加而增加，但在不同的土壤有機質(zhì)含量水平下無顯著性差異。隨著土壤全氮（TN）含量的增加，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)呈現(xiàn)降低的趨勢，但組間也無顯著性差異。而在不同的土壤堿解氮（AN）含量下施氮的增產(chǎn)效應(yīng)顯著不同，隨著土壤堿解氮含量的提高，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)顯著提高。當(dāng)堿解氮含量≤60 mg·kg-1時，施氮的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)最顯著，高達50.7%±4.1%；當(dāng)堿解氮含量＞90 mg·kg-1時，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)只有32.4%±2.1%。在不同的土壤速效磷含量下施氮的增產(chǎn)效應(yīng)不同，當(dāng)速效磷含量＞20 mg·kg-1時，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)顯著降低，只有38.6%±3.0%。

圖4 不同空白組產(chǎn)量/蛋白質(zhì)含量水平下施氮對小麥產(chǎn)量（A）和籽粒蛋白質(zhì)含量（B）的影響

圖5 不同土壤肥力下施氮對小麥產(chǎn)量（A）和籽粒蛋白質(zhì)含量（B）的影響

在不同土壤肥力指標(biāo)下，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量對施氮的響應(yīng)程度變化也有所不同（圖5-B）。施氮的提質(zhì)效應(yīng)在不同的土壤有機質(zhì)（SOM）、全氮（TN）和有效磷（AN）含量水平下無顯著性差異。而隨著土壤堿解氮（AN）含量的提高，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)顯著提高。當(dāng)堿解氮含量≤60 mg·kg-1時，施氮的提質(zhì)效應(yīng)最顯著為22.1%±2.3%。當(dāng)堿解氮含量＞90 mg·kg-1時，施氮的提質(zhì)效應(yīng)只有15.3%±1.2%。

2.3 氮管理對施氮的提質(zhì)增產(chǎn)效應(yīng)的影響

小麥種植系統(tǒng)氮流動特征在不同氮投入量水平下有顯著不同（圖6）。當(dāng)施氮量在200—250 kg·hm-2區(qū)間內(nèi)，小麥種植系統(tǒng)平均氮投入為279 kg·hm-2，而當(dāng)施氮量處于＞300 kg·hm-2區(qū)間內(nèi)，平均氮投入為411 kg·hm-2?；实斎氲脑黾邮侵饕?，從229 kg·hm-2增加到367 kg·hm-2，占總氮投入的90%。相比200—250 kg·hm-2區(qū)間，當(dāng)施氮量＞300 kg·hm-2，小麥產(chǎn)量和籽粒氮吸收量分別提高1.5%和1.8%；氮損失總量增加了1.2倍，其中淋洗、反硝化氮損失量分別增加了2.4和1.3倍，氨揮發(fā)損失氮量增加了70%；土壤氮殘留從1.3 kg·hm-2增加到了77.4 kg·hm-2；氮利用效率從64%下降到43%。

與優(yōu)化施氮量（OPTN）或氮肥基追比（OPTB）的單一措施相比，施氮量和施氮方式綜合優(yōu)化的氮管理（OPTN+B）能顯著提高施氮的增產(chǎn)和提質(zhì)效應(yīng)（圖7）。在空白組產(chǎn)量為4—5 t·hm-2水平的前提下，單一的將施氮量控制在200—250 kg·hm-2區(qū)間或者將基追比控制在1—2之間，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)分別為54.5%和65.5%。若將施氮量和氮肥基追比同時優(yōu)化，其增產(chǎn)效應(yīng)能達到70.6%（圖7-A）。在空白組籽粒蛋白質(zhì)含量為10%—12%水平的前提下，單一的將施氮量控制在200—250 kg·hm2區(qū)間或者將基追比控制在1—2之間，施氮的提質(zhì)效應(yīng)分別為23.7%和24.1%，若將施氮量和基追比同時優(yōu)化，施氮的提質(zhì)效應(yīng)能達到28.7%（圖7-B）。

3 討論

3.1 施氮對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

氮管理對于小麥產(chǎn)量的形成具有重要影響[4]。作物需要吸收氮來形成具有光合作用的冠層，小麥產(chǎn)量的形成主要依賴于光合作用的產(chǎn)物，其促進了作物的營養(yǎng)生長和生殖生長。增加氮供應(yīng)能促進冠層生物量的生產(chǎn)，進而增強光合作用，推動了產(chǎn)量的增加[1]。本研究通過對1990—2017年，2 758個樣本的分析結(jié)果表明，施用氮肥可以使得小麥增產(chǎn)42%，略低于VALKAMA等[13]搜集的在芬蘭地區(qū)施氮使小麥增產(chǎn)61%的研究結(jié)果。這極有可能是中國過量施用化肥導(dǎo)致土壤肥力提升造成的，與本研究中隨土壤肥力提升，增產(chǎn)效應(yīng)逐漸降低相似（圖4-A）?；A(chǔ)土壤肥力是顯著影響氮肥增產(chǎn)效應(yīng)的主要因子之一，這與FAN等[24]的研究結(jié)果相似。

圖6 不同施氮量區(qū)間的小麥種植系統(tǒng)氮流動特征（A：施氮量200—250 kg·hm-2；B：施氮量＞300 kg·hm-2；單位：kg·hm2）

OPTN：優(yōu)化施氮量；OPTB：優(yōu)化基追比；OPTN+B：施氮量和基追比綜合優(yōu)化

氮同時也是影響小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的主要因子之一[1]。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮能使小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增加19%，這與VALKAMA等[12]的研究結(jié)果相接近。籽粒蛋白質(zhì)的氮一部分來源于小麥從土壤中獲取氮的再轉(zhuǎn)運分配，另一部分則來源于營養(yǎng)器官中積累的氮的再轉(zhuǎn)化[1,4,25]。因此，合理施用氮肥是調(diào)控小麥籽粒品質(zhì)的重要措施之一。

同時本研究發(fā)現(xiàn)，施氮對小麥增產(chǎn)提質(zhì)的作用效果顯著受到氮肥用量的影響。當(dāng)施氮量為200—250 kg N·hm-2時，氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)達到最大值（47%）（圖1-A），這與WANG等[14]基于對華北平原的6 470個樣本的整合分析結(jié)果相接近。然而氮肥提高籽粒蛋白質(zhì)含量的效應(yīng)隨著施氮量的增加而提高，本研究中在施氮量為384 kg N·hm-2時達到最優(yōu)（圖1-B）。由此可見，協(xié)同實現(xiàn)氮肥增產(chǎn)和蛋白質(zhì)含量增加的最佳氮肥供應(yīng)是當(dāng)前小麥氮管理所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。主要原因在于籽粒產(chǎn)量主要是淀粉積累的結(jié)果，蛋白質(zhì)僅占谷物干重的10%—15%。淀粉積累的增加會在一定程度上導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量的稀釋[25]?？梢姡c實現(xiàn)小麥高產(chǎn)相比，小麥品質(zhì)的提升對氮的需求更大。

然而，氮肥用量的提升勢必會造成氮肥利用效率的進一步降低?？沙掷m(xù)農(nóng)業(yè)要求在實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)提升的同時，大幅度提高氮利用效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的威脅。農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的需求要在2020年實現(xiàn)全國氮肥利用效率提高到40%[26]。大量研究結(jié)果表明，過量施用氮肥不僅對產(chǎn)量的提升沒有顯著的效果，還使得氮損失量成倍增加，環(huán)境問題愈發(fā)嚴重[5-6, 8-9,27]。在本研究中，與實現(xiàn)氮最優(yōu)增產(chǎn)效應(yīng)相比，實現(xiàn)最優(yōu)的氮提高蛋白質(zhì)品質(zhì)效應(yīng)的條件下，氮肥回收率從64%下降到43%（圖6）。因此在實現(xiàn)高品質(zhì)小麥生產(chǎn)的同時，對農(nóng)田氮高效利用造成了很大的挑戰(zhàn)。

3.2 多技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的氮管理體系實現(xiàn)小麥的提質(zhì)增效

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)優(yōu)化氮肥施用量以后，再優(yōu)化氮肥的施用方式能分別實現(xiàn)小麥產(chǎn)量提高70.6%，籽粒蛋白質(zhì)含量提高28.7%（圖7）。這意味著通過氮肥優(yōu)化可以在提高氮肥利用效率的同時，提高小麥籽粒品質(zhì)，表明優(yōu)化氮肥管理是協(xié)同實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的有效途徑之一，這與ZHANG等[28]的田間試驗結(jié)果是一致的。優(yōu)化氮管理之所以能實現(xiàn)小麥質(zhì)量和品質(zhì)協(xié)同提升，可能是因為氮供應(yīng)的增加促進了小麥的有效分蘗，進而促進了高生物量的積累，實現(xiàn)高產(chǎn)[1]。另外，葉片是實現(xiàn)小麥氮分配的主要器官，其通過光合作用形成的大部分碳水化合物被運輸?shù)礁狄员３指递^高的吸收能力，使得后期增加氮供應(yīng)能更有效地被根系吸收進而轉(zhuǎn)運到籽粒中積累更多的氮[29]。與此同時，葉片積累的氮在作物臨近收獲時能快速轉(zhuǎn)運到籽粒中，進一步提高籽粒蛋白質(zhì)含量[30]。這種正反饋機制可能是實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量協(xié)同提升的關(guān)鍵，并且有研究表明，籽粒蛋白質(zhì)含量與發(fā)育后期氮吸收量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[31]。因此，合理的優(yōu)化施氮量并將氮肥分次施用能更有效的將氮分配到籽粒中，緩解小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量之間的權(quán)衡關(guān)系。

多技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的氮管理體系是實現(xiàn)小麥提質(zhì)增效的綠色措施之一。優(yōu)化施氮量是農(nóng)田氮管理中常見的措施之一，Z?RB等表明在不損失質(zhì)量和數(shù)量的情況下減少氮肥的使用（最多可達20%—40%）是可以實現(xiàn)的[1]。低氮投入能夠?qū)⒌獡p失控制在施氮量的20%以內(nèi)，這與JU等[27]的研究結(jié)果相接近。在此基礎(chǔ)上，將最佳施氮量分次施用，使施氮量在時間上與作物需求同步，能顯著提高氮利用效率[1,16,32-33]。值得注意的是，氮肥分次施用需將基追比控制在1—2之間時效果最為顯著（圖3），這可能是因為在小麥發(fā)育成熟期，根系活力下降，對氮的吸收能力隨之降低[1]，同時土壤中氮素過剩也可能是后期氮供應(yīng)不宜過高的原因之一[28]。因此明確合理的施氮量并根據(jù)季節(jié)和根區(qū)進行氮管理不僅能減少資源浪費和成本投入，也避免了高氮投入帶來的環(huán)境風(fēng)險[34-35]，有助于實現(xiàn)小麥的可持續(xù)生產(chǎn)。

綜上所述，在小麥生產(chǎn)過程中，通過優(yōu)化施氮量降低氮的環(huán)境排放[27,36]；氮肥分次施用并結(jié)合基追比優(yōu)化，實現(xiàn)養(yǎng)分供需的時空匹配提高氮利用效率[4,16]；同時結(jié)合土壤特性，通過土壤-作物綜合管理體系滿足作物對氮的需求[35]，進而才能協(xié)調(diào)小麥產(chǎn)量和質(zhì)量之間的平衡發(fā)展，促進小麥的可持續(xù)生產(chǎn)（圖8）。

圖8 綜合的氮管理體系模式圖

4 結(jié)論

本研究通過對全國1990—2017年2 758個樣本的分析結(jié)果表明，施氮能使小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量分別提高42%和19%，但也受到施氮量和基追比的影響。施氮的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)分別在施氮量為200— 250 kg·hm-2和＞300 kg·hm-2時最顯著，均在基追比為1—2時效應(yīng)達到最大。相比于單一優(yōu)化措施，同時優(yōu)化氮肥用量和基追比的氮管理措施能使氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)提高8%—30%，提質(zhì)效應(yīng)提高19%—21%?？梢姸嗉夹g(shù)協(xié)同優(yōu)化的氮管理體系能夠協(xié)同實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的提升，意味著綜合的氮管理措施有助于實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和質(zhì)量“雙高”的目標(biāo)。

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A Meta-Analysis of Effects of Nitrogen Management on Winter Wheat Yield and Quality

DENG LiJuan, JIAO XiaoQiang

College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 100093

【】Nitrogen (N) is one of the key factors affecting wheat yield and grain protein concentration. However, the continuous improvement of wheat yield diluted the protein concentration of the grain to some extent, so it was difficult to achieve high yield and high quality in wheat. How to achieve synergistic improvement of wheat yield and grain quality through optimized N management is the key to sustainable wheat production. 【】This study collected 2 758 research cases on wheat yield and protein quality published between 1990 and 2017, and the effects of N management on winter wheat yield and quality were evaluated by using meta-analysis and combined with N flow analysis methods. Combined with N flow analysis method, a comprehensive N management measure is proposed to improve wheat quality and efficiency. 【】 From 1990 to 2017, the wheat yield increased by 42%±1.2% and the grain protein concentration increased by 19%±0.7% by applying N fertilizer. With the increase of N application rate, both wheat yield and grain protein concentration showed an increasing and then decreasing trend. The effect of N application on increasing yield was most significant when the N application rate was 200-250 kg·hm-2, and the effect of increasing grain protein concentration was most significant when the N application rate was 384 kg·hm-2. The effects of increasing wheat yield and increasing grain protein concentration were most significant when the dressing ratio was 1-2. In comparison with the N application rate ＞300 kg·hm-2, controlling the N application rate at 200-250 kg·hm-2could effectively reduce N loss and improve N use efficiency. Under the same conditions as other management measures, compared with a single optimized N application rate or N application dressing ratio, a comprehensive optimization of N application rate and basal-dressing ratio could increase the yield-increasing effect of N application by 8%-30%, and the quality-improving effect could increase by 19%-21%. 【】 Increasing N application can realize the wheat yield and grain protein concentration increase, different N application rate and the dressing ratio have a significant effect on yield and quality improvement. The integrated N management measures of comprehensive optimization of N application rate and dressing ratio can not only synergistically achieve the goals of high yield and good quality of wheat, but also reduce environmental emissions, which provides case support for sustainable wheat production management in the future.

nitrogen fertilizer; wheat; yield; grain protein concentration;material flow analysis; meta-analysis

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.009

2020-07-27；

2020-09-23

國家留學(xué)基金委（留金美[2019]13043）、云南省科技人才和平臺計劃（院士工作站）（2019IC026）

鄧麗娟，E-mail：302757175@qq.com。通信作者焦小強，E-mail：xqjiao526@126.com

（責(zé)任編輯 李云霞）