旱地不同小麥品種產(chǎn)量與干物質(zhì)及氮磷鉀養(yǎng)分需求的關(guān)系

劉 璐，王朝輝,2*，刁超朋，王 森，李莎莎

（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)境重點實驗室，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)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

預(yù)計到2030年我國人口將增加到16億，屆時谷物總產(chǎn)要達到600～640 Mt才能保障糧食供給和糧食安全[1–2]。小麥作為我國的主要糧食作物，種植面積達2.43 × 107hm2，占糧食作物種植總面積的20%～27%，是全國近2/3人口的口糧。黃土高原旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)小麥種植面積占我國小麥種植面積的27%～29%[3–5]，是我國主要的旱地小麥產(chǎn)區(qū)[6]。選育高產(chǎn)高效小麥品種和優(yōu)化水肥管理是旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)的關(guān)鍵，但如果不掌握小麥品種的需肥規(guī)律，往往造成施肥不合理[7]，導(dǎo)致肥料利用率降低[8]，還會帶來環(huán)境問題。因此，掌握不同產(chǎn)量水平的小麥品種干物質(zhì)累積、養(yǎng)分需求與產(chǎn)量之間的關(guān)系，是旱地小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

小麥產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求量作為指導(dǎo)施肥的關(guān)鍵參數(shù)，近年來日益受到人們的關(guān)注。2007—2008年英國Sutton Bonington和Norwich兩地的籽粒需氮(N) 量分別為 30.0和22.7 kg/Mg[9]，在我國，對1985—1995年間田間試驗數(shù)據(jù)的分析表明，每形成1000 kg小麥籽粒產(chǎn)量的需氮量平均為24.6 kg[10]，其中西北旱地、黃淮海、長江中下游麥區(qū)的需氮量分別為28.4、29.8、26.0 kg/Mg[7]。對華北地區(qū)2000—2011年88個田間試驗結(jié)果的分析表明，從不施氮到過量施氮 (＞ 160 kg/hm2)，小麥籽粒需氮量從20.8增加至25.7 kg/Mg[11]?？梢姡←湹酿B(yǎng)分需求量存在明顯的地域差異，且因施肥量不同而異。在英國，對39個小麥品種的研究表明，其籽粒需氮量介于13.0～37.0 kg/Mg[12]；在墨西哥的試驗發(fā)現(xiàn)，施氮量150 kg/hm2時，10個小麥品種的需氮量為25.0～36.7 kg/Mg[13]，說明品種間養(yǎng)分需求量的差異不可忽視。對河北6個超高產(chǎn)小麥品種的研究發(fā)現(xiàn)，其籽粒平均產(chǎn)量為9131 kg/hm2，氮、磷 (P2O5)、鉀 (K2O) 需求量平均為 28.0、14.3和 22.6 kg/Mg[14–16]；對山東 3個高產(chǎn)品種的試驗發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量平均為7217 kg/hm2，氮、磷、鉀需求量平均為30.4、11.0和29.8 kg/Mg[17]；浙江品種‘119’的產(chǎn)量為3332 kg/hm2，氮、磷、鉀需求量分別為38.1、21.0、50.3 kg/Mg[18]。隨產(chǎn)量增加，小麥的養(yǎng)分需求量似乎表現(xiàn)出降低的趨勢，但對2000年后的國內(nèi)文獻數(shù)據(jù)分析表明，隨著籽粒產(chǎn)量的增加，小麥籽粒氮、磷需求量都呈增加趨勢[7,19]。在渭北旱塬關(guān)于‘晉麥47’、‘小偃22’等小麥品種[20]和華北平原關(guān)于‘石麥12’、‘石新828’等小麥品種[21]的研究發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒需鉀量隨著產(chǎn)量增加分別呈現(xiàn)出增加和降低兩種趨勢?？梢?，小麥的養(yǎng)分需求量因施肥、地域、品種等因素的變化而異，但與籽粒產(chǎn)量間的關(guān)系并無確切定論。

可見，關(guān)于小麥籽粒產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求量已引起廣泛重視，并從栽培、施肥、地域差異等方面進行了大量研究，但是對于小麥籽粒產(chǎn)量形成的養(yǎng)分需求量與品種間的關(guān)系，即具有不同產(chǎn)量水平的小麥品種的養(yǎng)分需求量究竟如何變化，雖有研究，但缺乏大量品種的系統(tǒng)比較。除養(yǎng)分以外，干物質(zhì)也是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，品種之間形成一定的產(chǎn)量對干物質(zhì)累積數(shù)量的需求有無差異，還未見報道。鑒于此，本文通過在黃土高原典型旱地的2年田間試驗，種植來自全國主要麥區(qū)和當(dāng)?shù)氐?23個小麥品種，研究了不同小麥品種籽粒產(chǎn)量與干物質(zhì)和養(yǎng)分需求量之間的關(guān)系，以期為西北旱地小麥品種選育和合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黃土高原典型旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)陜西省永壽縣御中村 (東經(jīng) 108°12′、北緯 34°44′)。冬小麥?zhǔn)窃摰刂饕Z食作物，通常于9月下旬或10月初播種，于次年6月中下旬收獲。無灌溉條件，作物生產(chǎn)的唯一水源為自然降水。土壤為土墊旱耕人為土，試驗開始前0—20 cm耕層土壤基本理化性狀：土壤pH為8.4，有機質(zhì)為12.9 g/kg，全氮為0.9 g/kg，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別為22.7和4.5 mg/kg，有效磷為16.9 mg/kg，速效鉀為123.4 mg/kg。試驗地點1992～2015多年平均降水量為529 mm，夏休閑季 (6月16日至9月30日) 平均為310 mm。試驗期間2013—2014年、2014—2015年的總降水分別為538和630 mm，生長季降水分別為246和256 mm。

1.2 田間試驗設(shè)計

田間試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為施肥和不施肥，副處理為123個小麥品種，主區(qū)大小為20 m ×12.5 m，主處理重復(fù)4次。施肥處理中僅施氮肥和磷肥，均作為基肥在播前一次性施入，然后旋耕、整地。氮肥用量150 kg/hm2，磷肥用量100 kg/hm2。氮肥肥源為尿素 (含N 46.4%)，磷肥肥源為過磷酸鈣(含P2O516%)。由于土壤不缺鉀，所以沒有施用鉀肥。供試小麥品種為來自全國不同麥區(qū)的123個小麥品種。小麥分別于2013年9月28—30日和2014年10月3—4日播種，均于次年6月18—20日收獲。采用常規(guī)平作，每個品種播種4行，行長2.0 m，行距20 cm，每行均勻點播80粒，株距2.5 cm。小麥生長期間無灌溉。病蟲草防治同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。

1.3 樣品采集與測定

在小麥成熟期，從每個品種的中間兩行隨機抽取30穗植株。具體方法：將植株連根拔起，于根莖結(jié)合部剪掉根系，地上部分為穗和莖葉，將30個穗全部裝入標(biāo)記好的小網(wǎng)袋，莖葉裝入標(biāo)記好的中網(wǎng)袋，風(fēng)干后稱重。將穗脫粒，稱量籽粒風(fēng)干重。每個副區(qū)中間2行中剩余的植株全部收割用作計產(chǎn)，小麥籽粒產(chǎn)量以烘干重表示。

取部分風(fēng)干的莖葉、穎殼和籽粒用蒸餾水沖洗干凈后，裝入已編號的紙袋，放入烘箱，在65℃下烘干至恒重，用德國萊馳MM400球磨儀將烘干的植物樣品粉碎。用濃H2SO4–H2O2法消煮粉碎的植物樣品，連續(xù)流動分析儀測定消解液中的氮和磷，火焰光度計測定消解液中的鉀。植物樣品的氮、磷、鉀含量均以烘干基表示。

1.4 數(shù)據(jù)計算與處理

養(yǎng)分吸收量指小麥?zhǔn)斋@期植株地上部累積的某種養(yǎng)分總量[22]。計算公式如下：

吸氮 (磷、鉀) 量 (kg/hm2) = (籽粒產(chǎn)量 × 籽粒養(yǎng)分含量 + 莖葉生物量 × 莖葉養(yǎng)分含量 + 穎殼生物量 ×穎殼養(yǎng)分含量)/1000

養(yǎng)分需求量指每形成1000 kg籽粒產(chǎn)量小麥地上部吸收的某種養(yǎng)分總量。計算公式如下：

需氮 (磷、鉀) 量 (kg/Mg) = 地上部吸氮 (磷、鉀)量/籽粒產(chǎn)量 × 1000

干物質(zhì)需求量指每形成1000 kg籽粒產(chǎn)量小麥地上部需累積的干物質(zhì)總量。計算公式如下：

干物質(zhì)需求量 (kg/Mg) = 地上部生物量/籽粒產(chǎn)量 × 1000

其中：小麥產(chǎn)量、生物量單位均為kg/hm2；養(yǎng)分含量單位均為g/kg。

數(shù)據(jù)整理用Microsoft Excel 2013，用SigmaPlot 12.5作圖，本文所用數(shù)據(jù)均來自施肥處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種的產(chǎn)量與生物量

對小麥籽粒產(chǎn)量 (圖1A) 的分析表明，品種間產(chǎn)量存在顯著差異，2014年介于4790～7713 kg/hm2，2015年介于5473～8531 kg/hm2，相同品種兩年平均介于5474～7891 kg/hm2，高低相差44%。不同品種小麥的生物量也存在較大差異 (圖1A)，2014年介于9383～18443 kg/hm2，2015年介于12096～18120 kg/hm2，相同品種兩年平均介于12194～17032 kg/hm2，高低相差40%。品種間籽粒產(chǎn)量與生物量呈顯著正相關(guān)，回歸分析表明，2014和2015年籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，生物量分別增加1629和1524 kg/hm2，兩年平均增加1577 kg/hm2。不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量 與收獲指數(shù)也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(圖1B)。2014年不同小麥品種的收獲指數(shù)介于37%～56%，2015年介于40%～52%，相同品種兩年平均介于38%～54%，高低相差39%?？梢姡煌←溒贩N的籽粒產(chǎn)量存在顯著差異，生物量隨籽粒產(chǎn)量提高而增加，高產(chǎn)品種具有較高的生物量和收獲指數(shù)，能將累積的干物質(zhì)更多地轉(zhuǎn)移到籽粒形成經(jīng)濟產(chǎn)量。

圖 1 冬小麥品種間籽粒產(chǎn)量與生物量 (A) 及收獲指數(shù)的關(guān)系 (B)Fig. 1 Relationships of winter wheat grain yield with biomass (A) and harvest index (B) for all tested cultivars[注（Note）：*表示回歸關(guān)系在0.05水平上顯著，2014和2015分別代表2013—2014年和2014—2015年的小麥生長季* indicates significant regression at P ＜ 0.05. 2014 and 2015 represent the winter wheat growing seasons of 2013–2014 and 2014–2015.]

2.2 不同小麥品種的干物質(zhì)需求量

不同小麥品種的干物質(zhì)需求量差異顯著，且與籽粒產(chǎn)量呈顯著負相關(guān) (圖2)。2014年不同小麥品種的干物質(zhì)需求量介于1785～2731 kg/Mg，2015年介于1928～2533 kg/Mg，相同品種兩年平均介于1873～2611 kg/Mg，高低相差39%?；貧w分析表明，小麥籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，兩年干物質(zhì)需求量分別減少86.5和100.0 kg/Mg，平均減少93.3 kg/Mg。進一步說明高產(chǎn)品種較低產(chǎn)品種能更高效地利用光合產(chǎn)物形成籽粒產(chǎn)量。

2.3 不同小麥品種的需氮量

圖3表明，不同小麥品種的地上部吸氮量差異顯著，且與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān) (圖3A)。2014年吸氮量介于135～239 kg/hm2，2015年介于153～245 kg/hm2，相同品種兩年平均介于159～231 kg/hm2，高低相差45%?；貧w分析表明，籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，吸氮量兩年分別增加16.6和15.7 kg/hm2，平均增加16.2 kg/hm2。不同小麥品種的需氮量與籽粒產(chǎn)量呈顯著負相關(guān) (圖3B)。2014年需氮量介于23.7～36.8 kg/Mg，2015年介于23.6～36.2 kg/Mg，相同品種兩年平均介于23.7～35.1 kg/Mg，高低相差48%。回歸分析表明，籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，兩年需氮量分別降低2.0和1.9 kg/Mg，平均降低1.95 kg/Mg。與需氮量不同，不同小麥品種的氮收獲指數(shù)與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān) (圖3C)。2014年氮收獲指數(shù)介于68%～88%，2015年氮收獲指數(shù)介于52%～80%，相同品種兩年平均介于62%～83%，高低相差34%。可見，小麥品種之間，隨產(chǎn)量增加，地上部吸氮量增加，需氮量降低，但氮收獲指數(shù)增加，這表明高產(chǎn)小麥品種能吸收更多氮素，并將吸收的氮素更多地分配和轉(zhuǎn)移到籽粒，能利用單位數(shù)量的氮形成更多的籽粒產(chǎn)量，有著較高的氮素吸收和利用效率。

圖 2 冬小麥品種間籽粒產(chǎn)量與干物質(zhì)需求量的關(guān)系Fig. 2 Relationship between winter wheat grain yield and the dry matter requirement for all cultivars

圖 3 冬小麥品種間籽粒產(chǎn)量與地上部吸氮量、需氮量以及氮收獲指數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationships of winter wheat grain yield with the aboveground N uptake, N requirement and N harvest index for all cultivars

2.4 不同小麥品種的需磷量

圖4表明，不同小麥品種的地上部吸磷量與籽粒產(chǎn)量也呈顯著正相關(guān) (圖4 A)。2014年吸磷量介于 16.5～29.9 kg/hm2，2015 年介于 22.2～33.8 kg/hm2，相同品種兩年平均介于21.3～29.5 kg/hm2，高低相差38%。回歸分析表明，籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，兩年吸磷量分別增加2.3和2.7 kg/hm2，平均增加2.5 kg/hm2。不同小麥品種的需磷量存在較大差異，并隨籽粒產(chǎn)量的增加而顯著降低 (圖4B)，2014年需磷量介于2.9～4.5 kg/Mg，2015年介于3.4～4.8 kg/Mg，相同品種兩年平均介于3.2～4.5 kg/Mg，高低相差41%。回歸分析表明，籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，兩年需磷量均降低0.2 kg/Mg。不同小麥品種的磷收獲指數(shù)均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān) (圖4C)，2014年的磷收獲指數(shù)介于81%～93%，2015年介于72%～90%，相同品種兩年平均介于75%～90%，高低相差20%。可見，隨小麥品種的產(chǎn)量提高，吸磷量增加，需磷量降低，磷收獲指數(shù)增加，高產(chǎn)小麥品種能吸收更多的磷素，并將吸收的磷素更多地分配和轉(zhuǎn)移到籽粒，利用單位數(shù)量的磷形成更多的籽粒產(chǎn)量，有著較高的磷素吸收和利用效率。

2.5 不同小麥品種的需鉀量

圖 4 冬小麥品種間籽粒產(chǎn)量與地上部吸磷量、需磷量以及磷收獲指數(shù)的關(guān)系Fig. 4 Relationships of winter wheat grain yield with the aboveground P uptake, P requirement and P harvest index for all cultivars

圖 5 冬小麥品種間籽粒產(chǎn)量與地上部吸鉀量、需鉀量以及鉀收獲指數(shù)的關(guān)系Fig. 5 Relationships of winter wheat grain yield with the aboveground K uptake, K requirement and K harvest index for all cultivars

分析表明，小麥品種的地上部吸鉀量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān) (圖 5 A)。2 0 1 4年吸鉀量介于74.5～143.4 kg/hm2，2015 年介于 74.1～140.7 kg/hm2，相同品種兩年平均介于79.1～136.9 kg/hm2，高低相差73%?；貧w分析表明，籽粒產(chǎn)量每增加1000 kg/hm2，兩年吸鉀量分別增加12.7 kg/hm2和12.9 kg/hm2，平均增加12.8 kg/hm2。小麥品種的需鉀量隨籽粒產(chǎn)量增加有降低趨勢，但兩者相關(guān)并不顯著(圖5 B)。2014年需鉀量介于12.3～21.4 kg/Mg，2015年介于11.1～19.8 kg/Mg，相同品種兩年平均介于11.9～19.9 kg/Mg，高低相差67%。鉀收獲指數(shù)隨著籽粒產(chǎn)量的增加而增加，2015年相關(guān)顯著，但2014年相關(guān)不顯著 (圖5C)。2014年鉀收獲指數(shù)介于15%～32%，2015年介于19%～38%，相同品種兩年平均介于20%～37%，高低相差85%?？梢?，小麥的吸鉀量隨產(chǎn)量增加而增加，需鉀量降低，鉀收獲指數(shù)增加，說明高產(chǎn)小麥品種能吸收更多的鉀素，并更多地分配和轉(zhuǎn)移到籽粒，形成更多的籽粒產(chǎn)量，有著較高的鉀素吸收和利用效率。

2.6 典型小麥品種的干物質(zhì)與養(yǎng)分需求分析

將試驗中兩年籽粒平均產(chǎn)量排在前四位的品種與當(dāng)?shù)仄贩N比較 (表1)，發(fā)現(xiàn)4個高產(chǎn)品種的平均產(chǎn)量均顯著高于當(dāng)?shù)氐?個小麥品種，但高產(chǎn)品種之間及當(dāng)?shù)仄贩N之間的產(chǎn)量差異均不顯著。高產(chǎn)品種的生物量和收獲指數(shù)也高于當(dāng)?shù)仄贩N。與此相反，高產(chǎn)品種的干物質(zhì)需求量和氮、磷、鉀需求量卻低于當(dāng)?shù)仄贩N，而且在高產(chǎn)品種和當(dāng)?shù)仄贩N之間，也呈現(xiàn)出產(chǎn)量越高干物質(zhì)和養(yǎng)分需求量越低的趨勢，與前述干物質(zhì)及養(yǎng)分需求量與籽粒產(chǎn)量的負相關(guān)關(guān)系相一致。

表 1 高產(chǎn)小麥品種與當(dāng)?shù)匦←溒贩N的產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)、干物質(zhì)與養(yǎng)分需求量的比較Table 1 Comparison of different traits between high-yield and local winter wheat cultivars

3 討論

3.1 小麥產(chǎn)量與干物質(zhì)需求量的關(guān)系

連續(xù)兩年研究發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)小麥品種產(chǎn)量較高的主要原因在于干物質(zhì)形成量高，向籽粒的轉(zhuǎn)移量高，但形成單位籽粒產(chǎn)量需要的干物質(zhì)量卻小，即利用干物質(zhì)形成籽粒產(chǎn)量的能力較高。本試驗結(jié)果表明，相同小麥品種兩年平均產(chǎn)量高低相差44%，生物量相差40%，產(chǎn)量和生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。對西北的陜西、山西、甘肅三省180個農(nóng)戶的調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，生物量每增加1000 kg/hm2，籽粒產(chǎn)量就增加430 kg/hm2[23]；在華北平原的研究表明，拔節(jié)期灌水一次較不灌水可使生物量增加114%，相應(yīng)的籽粒產(chǎn)量增加225%[24]，與本研究結(jié)論一致。說明無論優(yōu)化灌水，還是采用育種手段，增加小麥?zhǔn)斋@期的干物質(zhì)積累是籽粒產(chǎn)量提高的關(guān)鍵。本研究還發(fā)現(xiàn)，兩年平均收獲指數(shù)介于38%～54%，收獲指數(shù)與籽粒產(chǎn)量也呈顯著正相關(guān)。墨西哥8個小麥品種的研究結(jié)果表明，籽粒產(chǎn)量介于6000～7800 kg/hm2，收獲指數(shù)介于35%～46%，兩者呈顯著正相關(guān) (R2= 0.81，P ＜ 0.05)[25]，與本研究結(jié)果基本一致。而在西北旱地9個小麥品種的研究結(jié)果表明，籽粒產(chǎn)量高低相差2100 kg/hm2，收獲指數(shù)相差卻不大，在43%左右[26]。對美國5類小麥的研究發(fā)現(xiàn)，籽粒產(chǎn)量介于4100～8300 kg/hm2，收獲指數(shù)介于33%～61%，平均為45%，產(chǎn)量和收獲指數(shù)間也無顯著相關(guān)[27]。在過去幾十年里，育種學(xué)家通過對籽粒產(chǎn)量和矮桿性狀的長期選擇，小麥的收獲指數(shù)已經(jīng)由原來的30%提高至45%，有些品種甚至達到了50%[28]。與此相比，本研究收獲指數(shù) (46%) 已經(jīng)相對較高，雖然仍小于理論最大收獲指數(shù) (64%)[29]，但進一步提高的難度增加，意味著小麥產(chǎn)量進一步提高將主要取決于干物質(zhì)累積量的增加[28–31]。渭北旱塬不同施肥和栽培模式的研究也表明，頂凌追肥、壟覆溝播、高密壟覆溝播栽培的小麥籽粒產(chǎn)量較農(nóng)戶產(chǎn)量分別提高5.8%、8.7%和17%，收獲指數(shù)卻分別降低1.5%、0.6%和3.8%，而干物質(zhì)累積量分別提高8.1%、16%和29%，說明促進干物質(zhì)累積對提高籽粒產(chǎn)量具有重要作用[32]。本研究中，籽粒產(chǎn)量增加了44%，干物質(zhì)需求量卻降低了39%，干物質(zhì)需求量隨籽粒產(chǎn)量的增加而降低，兩者呈顯著負相關(guān)。意大利3個小麥品種的研究也表明，品種Svevo的籽粒產(chǎn)量最高為7200 kg/hm2，較Simeto高37%，較Creso高67%，而地上部干物質(zhì)對籽粒產(chǎn)量的貢獻率卻是Svevo最低，為1/5，Creso最高為1/2，Simeto居中為1/3[33]，與本研究結(jié)論一致。這說明產(chǎn)量高的品種能利用更少的干物質(zhì)形成籽粒產(chǎn)量，也就是單位產(chǎn)量的干物質(zhì)需求量更低。

本研究中兩年產(chǎn)量均高于當(dāng)年平均產(chǎn)量的4個高產(chǎn)品種產(chǎn)量平均為7300 kg/hm2，高于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)小麥品種平均產(chǎn)量 (6500 kg/hm2)。個別品種，如運旱22-33、偃展4110、隆平203、新麥26在2015年經(jīng)歷了低溫干旱后籽粒產(chǎn)量仍較高，可達7800 kg/hm2以上，表現(xiàn)出高產(chǎn)和適應(yīng)性強的特點，但仍低于英國在1970～1995年間育出的8個小麥品種，其最低產(chǎn)量為8000 kg/hm2[34]。隨著城鎮(zhèn)化進程加快以及耕地面積減少，提高糧食單產(chǎn)水平是滿足未來我國糧食需求的主要途徑。因此，在培育高產(chǎn)高效小麥品種的過程中，不僅要選取干物質(zhì)需求量低，即能用更少的干物質(zhì)來形成單位產(chǎn)量的品種，也要維持或提高品種的現(xiàn)有收獲指數(shù)，提高生物量，協(xié)調(diào)籽粒產(chǎn)量和生物量、收獲指數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)小麥產(chǎn)量進一步提高。

3.2 小麥產(chǎn)量與養(yǎng)分需求量的關(guān)系

本研究表明，高產(chǎn)小麥品種具有較高的地上部氮、磷、鉀吸收量和養(yǎng)分收獲指數(shù)，但氮、磷需求量卻較低。即高產(chǎn)品種能吸收更多的氮、磷，并將吸收的養(yǎng)分更多地分配和轉(zhuǎn)移到籽粒中，利用單位數(shù)量的氮、磷形成更多的籽粒產(chǎn)量，有較高的養(yǎng)分吸收和利用能力。結(jié)果表明，小麥籽粒產(chǎn)量由5474增至7891 kg/hm2時，地上部氮、磷、鉀吸收量分別從159 kg/hm2增至231 kg/hm2、21.3 kg/hm2增至29.5 kg/hm2、79.1 kg/hm2增至136.9 kg/hm2。且氮、磷、鉀吸收量均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。西班牙南部4個地點高、低產(chǎn)小麥品種的研究表明，高產(chǎn)小麥和低產(chǎn)小麥品種的籽粒產(chǎn)量平均為3700和3000 kg/hm2，地上部吸氮量分別為118和98 kg/hm2[35]。浙江衢州的試驗結(jié)果表明，施磷量從0增至400 kg/hm2時，小麥籽粒產(chǎn)量從3200 kg/hm2增至5700 kg/hm2，地上部吸磷量從12.9 kg/hm2增至25.7 kg/hm2[36]。全國范圍的研究發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒產(chǎn)量從 ＜ 4500 kg/hm2增加到 ＞ 7500 kg/hm2時，地上部吸鉀量從97.2 kg/hm2增至201.9 kg/hm2，且籽粒產(chǎn)量與地上部吸鉀量呈顯著正相關(guān)[37]。這均與本研究結(jié)果一致，說明通過施肥、育種等措施增加籽粒產(chǎn)量的同時，地上部氮、磷、鉀吸收量也提高。關(guān)于小麥產(chǎn)量與氮、磷收獲指數(shù)的關(guān)系報道不一致。陜西楊凌不同施肥水平的試驗發(fā)現(xiàn)，施氮量由0增至320 kg/hm2時，籽粒產(chǎn)量由1988 kg/hm2增至6313 kg/hm2，而氮收獲指數(shù)卻無顯著差異，在77%左右；施磷量由0增至150 kg/hm2，籽粒產(chǎn)量由2056 kg/hm2增至5971 kg/hm2，磷收獲指數(shù)也無顯著差異，在87%左右[38]。我國北方85個田間試驗數(shù)據(jù)也表明，籽粒產(chǎn)量從 ＜ 4500 kg/hm2到 ＞10500 kg/hm2時，氮收獲指數(shù)基本維持在77%左右[11]。全國范圍的研究也表明，籽粒產(chǎn)量由 ＜ 4500 kg/hm2到 ＞ 9000 kg/hm2，磷收獲指數(shù)也無顯著變化，基本維持在80%左右[39]，而鉀收獲指數(shù)卻呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢[37]。本試驗中，從低產(chǎn)到高產(chǎn)，氮、磷、鉀收獲指數(shù)分別從62%增至83%、75%增至90%、20%增至37%。氮、磷、鉀收獲指數(shù)均與籽粒產(chǎn)量存在正相關(guān)關(guān)系。與前人研究結(jié)果不盡一致，除研究區(qū)域不同外，主要應(yīng)與養(yǎng)分投入或管理不同引起的作物養(yǎng)分吸收利用差異有關(guān)[40–41]。英國12個品種的研究表明，小麥籽粒產(chǎn)量由2900 kg/hm2增至4600 kg/hm2時，氮收獲指數(shù)由74%增至82%，認(rèn)為氮收獲指數(shù)隨籽粒產(chǎn)量的增加而增加[41]，與本研究結(jié)果一致。說明通過選擇適宜品種，可以在產(chǎn)量提高的同時提高養(yǎng)分利用效率。

本研究表明，不同小麥品種籽粒產(chǎn)量由5474 kg/hm2增至7891 kg/hm2時，氮、磷需求量分別從35.1 kg/Mg降至23.7 kg/Mg、4.5 kg/Mg降至3.2 kg/Mg，氮磷需求量均與當(dāng)年籽粒產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)。對西班牙兩個小麥品種的研究表明，高產(chǎn)小麥的需氮量低于低產(chǎn)小麥，分別為33 kg/Mg和37 kg/Mg[35]，與本研究結(jié)果基本一致。不同學(xué)者在不同試驗條件下的研究結(jié)果不盡相同。統(tǒng)計2000—2011年河北等四省187個農(nóng)戶小麥試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冬小麥籽粒產(chǎn)量從 ＜ 4000 kg/hm2到10000～12000 kg/hm2時，需氮量從22.9 kg/Mg增至27.6 kg/Mg，需磷量從6.4 kg/Mg增至7.6 kg/Mg，隨產(chǎn)量增加，氮、磷需求量呈現(xiàn)出增加的趨勢[42]。黃土高原南部旱地不同施肥水平的試驗也表明，施氮量介于0～320 kg/hm2時，籽粒產(chǎn)量介于1988～6313 kg/hm2，需氮量由20.9 kg/Mg增至33.8 kg/Mg[38]。與本研究結(jié)果不同，主要原因可能與施肥量有關(guān)。施肥量增加會促進作物對養(yǎng)分的吸收及其在營養(yǎng)器官中的累積，從而影響籽粒對養(yǎng)分的有效利用，導(dǎo)致養(yǎng)分需求量增加[42]。本研究是在同一地點、同一施肥量下多個品種的對比試驗，結(jié)果表明高產(chǎn)品種不僅有較高的養(yǎng)分吸收量，還有較高的養(yǎng)分收獲指數(shù)，說明目前生產(chǎn)中應(yīng)用的高產(chǎn)品種不僅養(yǎng)分吸收能力強，而且將吸收的養(yǎng)分轉(zhuǎn)運到籽粒形成產(chǎn)量的能力也較強，這可能是高產(chǎn)品種養(yǎng)分需求量低，即利用較少養(yǎng)分就能形成較高產(chǎn)量的重要原因。我國836個田間試驗文獻數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)鉀肥用量在48～150 kg/hm2之間時，籽粒產(chǎn)量從 ＜ 4500 kg/hm2到 ＞ 7500 kg/hm2，需鉀量從23.8 kg/Mg降至20.2 kg/Mg，認(rèn)為需鉀量隨產(chǎn)量的增加有所降低[37]。印度統(tǒng)計1970—1998年22個地點的田間試驗結(jié)果，表明籽粒產(chǎn)量為1600～5900 kg/hm2，需鉀量介于10.4～54.6 kg/Mg，但未明確籽粒產(chǎn)量和需鉀量間的關(guān)系[43]。本研究中，從低產(chǎn)到高產(chǎn)，需鉀量從19.9 kg/Mg降至11.9 kg/Mg，需鉀量隨籽粒產(chǎn)量增加而降低?？赡艿脑蚴俏急焙弟寥棱浰毓?yīng)充足[44]，即使不施鉀肥，土壤本身的鉀素也不會限制作物對鉀的吸收，這也從另一方面說明西北旱地鉀素投入不是高產(chǎn)小麥品種選育需考慮的重要限制因子，即高產(chǎn)品種僅依靠從土壤中吸收的鉀素就可以形成較高的籽粒產(chǎn)量，因此其鉀素需求較低，即利用單位質(zhì)量鉀素形成籽粒產(chǎn)量的能力較強?？梢?，選育高產(chǎn)小麥品種，需要明確區(qū)域產(chǎn)量與養(yǎng)分供求的關(guān)系，保障地上部充足的養(yǎng)分吸收量，并促進養(yǎng)分向籽粒的轉(zhuǎn)移，達到高產(chǎn)和養(yǎng)分高效的雙重目的。

4 結(jié)論

不同小麥品種的干物質(zhì)與養(yǎng)分需求量存在明顯差異。干物質(zhì)需求量、氮磷需求量與籽粒產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)，需鉀量也隨籽粒產(chǎn)量增加而降低，但兩者間負相關(guān)關(guān)系并不顯著。較高的生物量和收獲指數(shù)、較低的干物質(zhì)需求量和養(yǎng)分需求量是高產(chǎn)品種的重要特征。在實際生產(chǎn)中，不僅要選育高產(chǎn)高效小麥品種，提高生物量，協(xié)調(diào)籽粒產(chǎn)量與生物量、養(yǎng)分吸收量和收獲指數(shù)的關(guān)系，也要根據(jù)高產(chǎn)品種的養(yǎng)分需求規(guī)律，結(jié)合區(qū)域土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和氣候特點，科學(xué)合理施肥，保證作物有充足的養(yǎng)分吸收量，并向籽粒高效轉(zhuǎn)移，使高產(chǎn)品種的產(chǎn)量潛力得以充分發(fā)揮。

致謝：感謝國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系功能研究室和綜合試驗站的科研人員在品種收集方面提供的支持與幫助。

[1]Miao Y X, Stewart B A, Zhang F S. Long-term experiments for sustainable nutrient management in China. A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2011, 31(2): 397–414.

[2]Zhu Z L, Chen D L. Nitrogen fertilizer use in China-Contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 63(2/3):117–127.

[3]Gao Y J, Li Y, Zhang J C, et al. Effects of mulch, N fertilizer, and plant density on wheat yield, wheat nitrogen uptake, and residual soil nitrate in a dryland area of China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 85(2): 109–121.

[4]Turner N C, Li F M, Xiong Y C, et al. Agricultural ecosystem management in dry areas: challenges and solutions[J]. Plant and Soil,2011, 347(1): 1–6.

[5]中華人民共和國國家統(tǒng)計局. 中國統(tǒng)計年鑒[M]. 北京: 中國統(tǒng)計出版社, 2013.National Bureau of Statistics of China. China statistical yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 2013.

[6]Cui Z L, Zhang F S, Chen X P, et al. In-season nitrogen management strategy for winter wheat: Maximizing yields, minimizing environmental impact in an over-fertilization context[J]. Field Crops Research, 2010, 116(1/2): 140–146.

[7]車升國, 袁亮, 李燕婷, 等. 我國主要麥區(qū)小麥氮素吸收及其產(chǎn)量效應(yīng)[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(2): 287–295.Che S G, Yuan L, Li Y T, et al. N uptake and yield response of wheat in main wheat production regions of China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(2): 287–295.

[8]張福鎖, 王激清, 張衛(wèi)峰, 等. 中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J]. 土壤學(xué)報, 2008, 45(5): 915–924.Zhang F S, Wang J Q, Zhang W F, et al. Nutrient use efficiencies of major cereal crops in China and measures for improvement[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5): 915–924.

[9]Gaju O, Allard V, Martre P, et al. Identification of traits to improve the nitrogen-use efficiency of wheat genotypes[J]. Field Crops Research, 2011, 123(2): 139–152.

[10]Liu M Q, Yu Z R, Liu Y H, et al. Fertilizer requirements for wheat and maize in China: the QUEFTS approach[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2006, 74(3): 245–258.

[11]Yue S C, Meng Q F, Zhao R F, et al. Change in nitrogen requirement with increasing grain yield for winter wheat[J]. Agronomy Journal,2012, 104(6): 1687–1693.

[12]Barraclough P B, Howarth J R, Jones J, et al. Nitrogen efficiency of wheat: Genotypic and environmental variation and prospects for improvement[J]. European Journal of Agronomy, 2010, 33(1): 1–11.

[13]Ortiz-Monasterio R J I, Sayre K D, Rajaram S, et al. Genetic progress in wheat yield and nitrogen use efficiency under four nitrogen rates[J]. Crop Science, 1997, 37: 898–904.

[14]黨紅凱, 李瑞奇, 李雁鳴, 等. 超高產(chǎn)冬小麥對氮素的吸收、積累和分配[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19(5): 1037–1047.Dang H K, Li R Q, Li Y M, et al. Absorption, accumulation and distribution of nitrogen in winter wheat under super highly yielding conditions[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(5):1037–1047.

[15]黨紅凱, 李瑞奇, 李雁鳴, 等. 超高產(chǎn)栽培條件下冬小麥對磷的吸收、積累和分配[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 18(3): 531–541.Dang H K, Li R Q, Li Y M, et al. Absorption, accumulation and distribution of phosphorus in winter wheat under super highly yielding conditions[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012,18(3): 531–541.

[16]黨紅凱, 李瑞奇, 李雁鳴, 等. 超高產(chǎn)冬小麥對鉀的吸收、積累和分配[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19(3): 1037–1047.Dang H K, Li R Q, Li Y M, et al. Absorption, accumulation and distribution of potassium in winter wheat under super highly yielding conditions[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(3):1037–1047.

[17]于振文, 田奇卓, 潘慶民, 等. 黃淮麥區(qū)冬小麥超高產(chǎn)栽培的理論與實踐[J]. 作物學(xué)報, 2002, 28(5): 577–585.Yu Z W, Tian Q Z, Pan Q M, et al. Theory and practice on cultivation of super high yield of winter wheat in the wheat fields of Yellow River and Huaihe River districts[J]. Acta Agronomica Sinica,2002, 28(5): 577–585.

[18]張國平. 小麥干物質(zhì)積累和氮磷鉀吸收分配的研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 1984, (5): 222–225.Zhang G P. Research on absorption and distribution of nitrogen,phosphorus and potassium and accumulation of dry matter in winter wheat[J]. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences, 1984, (5):222–225.

[19]車升國, 袁亮, 李燕婷, 等. 我國主要麥區(qū)小麥產(chǎn)量形成對磷素的需求[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(4): 869–876.Che S G, Yuan L, Li Y T, et al. Phosphorous requirement for yield formation of wheat in main wheat production regions of China[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(4): 869–876.

[20]曹寒冰，王朝輝, 師淵超, 等. 渭北旱地冬小麥監(jiān)控施氮技術(shù)的[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(19): 3826–3838.Cao H B, Wang Z H, Shi Y C, et al. Optimization of nitrogen fertilizer recommendation technology based on soil test for winter wheat on Weibei dryland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014,47(19): 3826–3838.

[21]Niu J F, Zhang W F, Ru S H, et al. Effects of potassium fertilization on winter wheat under different production practices in the North China Plain[J]. Field Crops Research, 2013, 140(1): 69–76.

[22]何剛, 王朝輝, 李富翠, 等. 地表覆蓋對旱地小麥氮磷鉀需求及生理效率的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(9): 1657–1671.He G, Wang Z H, Li F C, et al. Nitrogen, phosphorus and potassium requirement and their physiological efficiency for winter wheat affected by soil surface managements in dryland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(9): 1657–1671.

[23]馬小龍, 佘旭, 王朝輝, 等. 旱地小麥產(chǎn)量差異與栽培、施肥及主要土壤肥力因素的關(guān)系[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(24): 4757–4771.Ma X L, She X, Wang Z H, et al. Yield variation of winter wheat and its relation to cultivation, fertilization, and main soil fertility factors[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(24): 4757–4771.

[24]Zhang X Y, Chen S Y, Sun H Y, et al. Dry matter, harvest index,grain yield and water use efficiency as affected by water supply in winter wheat[J]. Irrigation Science, 2008, 27(1): 1–10.

[25]Sayre K D, Rajaram S, Fischer R A. Yield potential progress in short bread wheats in northwest Mexico[J]. Crop Science, 1997, 37(1): 36.

[26]周玲, 王朝輝, 李生秀. 旱地條件下冬小麥產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀對養(yǎng)分投入的響應(yīng)[J]. 作物學(xué)報, 2010, 36(7): 1192–1197.Zhou L, Wang Z H, Li S X. Grain yield and agronomic traits of winter wheat varieties in response to fertilization in dryland[J]. Acta Agronomica Sinica, 2010, 36(7): 1192–1197.

[27]Jing D, Bean B, Brown B, et al. Harvest index and straw yield of five classes of wheat[J]. Biomass & Bioenergy, 2016, 85: 223–227.

[28]劉兆曄, 于經(jīng)川, 楊久凱, 等. 小麥生物產(chǎn)量、收獲指數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系的研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2006, 22(2): 182–184.Liu Z Y, Yu J C, Yang J K, et al. The research on the relationship between biomass, harvest index and grain yield[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22(2): 182–184.

[29]Foulkes M J, Slafer G A, Davies W J, et al. Raising yield potential of wheat. III. Optimizing partitioning to grain while maintaining lodging resistance[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(2): 469–486.

[30]Reynolds M, Bonnett D, Chapman S C, et al. Raising yield potential of wheat. I. Overview of a consortium approach and breeding strategies[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(2): 439–452.

[31]Ye Y L, Wang G L, Huang Y F, et al. Understanding physiological processes associated with yield-trait relationships in modern wheat varieties[J]. Fuel & Energy Abstracts, 2011, 124(3): 316–322.

[32]薛澄, 王朝輝, 李富翠, 等. 渭北旱塬不同施肥與覆蓋栽培對冬小麥產(chǎn)量形成及土壤水分利用的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44(21):4395–4405.Xue C, Wang Z H, Li F C, et al. Effects of different fertilization and mulching cultivation methods on yield and soil water use of winter wheat on Weibei dryland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011,44(21): 4395–4405.

[33]Arduini I, Masoni A, Ercoli L, et al. Grain yield, and dry matter and nitrogen accumulation and remobilization in durum wheat as affected by variety and seeding rate[J]. European Journal of Agronomy, 2006,25(4): 309–318.

[34]Shearman V J, Sylvesterbradley R, Scott R K, et al. Physiological processes associated with wheat yield progress in the UK[J]. Crop Science, 2005, 45(1): 175–185.

[35]López-Bellido R J, Castillo J E, López-Bellido L. Comparative response of bread and durum wheat cultivars to nitrogen fertilizer in a rainfed Mediterranean environment: soil nitrate and N uptake and efficiency[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2007, 80(2):121–130.

[36]Teng W, Deng Y, Chen X P, et al. Characterization of root response to phosphorus supply from morphology to gene analysis in fieldgrown wheat[J]. Journal of Experimental Botany, 2013, 64(5):1403–1411.

[37]Zhan A, Zou C Q, Ye Y L, et al. Estimating on-farm wheat yield response to potassium and potassium uptake requirement in China[J].Field Crops Research, 2016, 191: 13–19.

[38]孟曉瑜. 底墑和氮磷用量對旱地冬小麥產(chǎn)量形成、養(yǎng)分水分利用的影響 [D]. 陜西楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2011.Meng X Y. Effect of soil moisture before sowing and nitrogen and phosphorus rates on dryland winter wheat yield formation, nutrient and water use[D]. Yangling, Shannxi: MS Thesis of Northwest A&F University, 2011.

[39]Zhan A, Chen X P, Li S Q, et al. Changes in phosphorus requirement with increasing grain yield for winter wheat[J]. Agronomy Journal,2015, 107(6): 2003–2010.

[40]Fageria N K. Nitrogen harvest index and its association with crop yields[J]. Journal of Plant Nutrition, 2014, 37: 795–810.

[41]Austin R B, Bingham J, Blackwell R D, et al. Genetic improvements in winter wheat yields since 1900 and associated physiological changes[J]. The Journal of Agricultural Science, 1980, 94(3):675–689.

[42]串麗敏. 基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的小麥推薦施肥方法研究 [D].北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文, 2013.Chuan L M. Methodology of fertilizer recommendation based on yield response and agronomic efficiency for wheat[D]. Beijing: PhD Dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2013.

[43]Pathak H, Aggarwal P K, Roetter R, et al. Modelling the quantitative evaluation of soil nutrient supply, nutrient use efficiency, and fertilizer requirements of wheat in India[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2003, 65(2): 105–113.

[44]劉榮樂, 金繼運, 吳榮貴, 等. 我國北方土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)鉀素循環(huán)特征及秸稈還田與施鉀肥的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2000,6(2): 123–132.Liu R L, Jin J Y, Wu R G, et al. The characteristics of potassium cycle and the influence of straw mulching and potassium application in soil-crop system in northern of China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2000, 6(2): 123–132.