中國(guó)主要麥區(qū)農(nóng)戶小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求與產(chǎn)量的關(guān)系

黃倩楠，王朝輝,2，黃婷苗，侯賽賓，張翔，馬清霞，張欣欣

（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(yíng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一，也是中國(guó)重要的商品糧和戰(zhàn)略儲(chǔ)備糧，在保障國(guó)家糧食安全方面有著舉足輕重的作用。中國(guó)小麥產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)的21%，單產(chǎn)達(dá)5 244 kg·hm-2[1]。化學(xué)肥料施用是保障小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，但已有研究表明中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)化肥投入已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前產(chǎn)量的養(yǎng)分需求[2-3]。過(guò)量施用化肥并不能帶來(lái)持續(xù)增產(chǎn)，相反會(huì)造成資源浪費(fèi)，養(yǎng)分利用效率降低，地下水污染等問(wèn)題[4-7]?？偟膩?lái)看，中國(guó)小麥種植區(qū)域分布廣且主要是小農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)，養(yǎng)分管理不合理現(xiàn)象普遍存在[8-11]，有的過(guò)量，有的不足[12-15]。解決農(nóng)戶的科學(xué)施肥問(wèn)題，是解決中國(guó)施肥過(guò)量問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，明確農(nóng)戶小麥的養(yǎng)分吸收利用和需求規(guī)律，對(duì)保證中國(guó)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)化肥的科學(xué)合理減施有重大意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】氮磷鉀是作物必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是肥料三要素。作物氮、磷、鉀養(yǎng)分需求量一直是研究的熱點(diǎn)，特別是對(duì)小麥的養(yǎng)分需求量與產(chǎn)量、施肥量、品種、區(qū)域環(huán)境的關(guān)系已有不少研究。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨小麥產(chǎn)量提高，需氮量從27.9 kg升高到30.5 kg[16]（文中需氮量均指生產(chǎn)1 000 kg小麥籽粒的需氮量，需磷或鉀量同此），需磷量由4.1 kg升高到5.2 kg[17]。但與之相反，位于中國(guó)北方5個(gè)冬小麥主產(chǎn)區(qū)的田間試驗(yàn)研究表明，在推薦施肥條件下，隨產(chǎn)量增加，需氮量反而從27.1 kg降低到24.5 kg[18]，需磷量從4.7 kg降低至4.2 kg[19]，需鉀量從23.8 kg降低至20.2 kg[20]?？梢?jiàn)，對(duì)于作物產(chǎn)量與養(yǎng)分需求量的關(guān)系，有不同結(jié)論。施肥量也是引起作物養(yǎng)分需求變化的重要因素，中國(guó)北方5個(gè)冬小麥主產(chǎn)區(qū)的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，隨氮肥用量增加，需氮量由20.8 kg升高到25.7 kg[18]。位于河北省曲周試驗(yàn)站的磷肥用量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨磷肥用量增加，需磷量由3.8 kg升高到4.2 kg[21]。在江蘇、山東等地的鉀肥用量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨施鉀量增加，需鉀量由18.9 kg升高到21.9 kg[20]。作物品種不同，養(yǎng)分需求特性也不同。位于墨西哥的10個(gè)不同小麥品種的田間試驗(yàn)表明需氮量變化介于 23.0—37.0 kg[22]。分別在英國(guó)和法國(guó)進(jìn)行的16個(gè)冬小麥品種試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)需氮量變化介于14.4—31.1 kg之間[23]。澳大利亞的9個(gè)冬小麥品種試驗(yàn)的需磷量介于1.9—5.3 kg之間[24]。不同區(qū)域的土壤、降雨等氣候因子存在差異，因而作物生長(zhǎng)與養(yǎng)分需求也存在差異。文獻(xiàn)資料分析表明，黃淮海、長(zhǎng)江中下游和西北春麥區(qū)的需氮量分別為29.8、26.0和28.4 kg[16]，需磷量分別為：5.0、4.4和4.1 kg[17]。【本研究切入點(diǎn)】以往對(duì)于小麥養(yǎng)分需求規(guī)律的研究多是基于一個(gè)地點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果，或不同年份、不同地點(diǎn)田間試驗(yàn)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)條件并不完全與農(nóng)戶實(shí)際生產(chǎn)狀況一致，有關(guān)農(nóng)戶小麥的養(yǎng)分吸收利用與需求還缺乏研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本文連續(xù)兩年在中國(guó)主要麥區(qū)開(kāi)展多點(diǎn)農(nóng)戶調(diào)研，結(jié)合對(duì)小麥植株的取樣測(cè)定分析，研究中國(guó)春麥、旱作、麥玉和稻麥4個(gè)典型小麥種植區(qū)域農(nóng)戶小麥產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成要素，各器官的氮磷鉀養(yǎng)分含量，養(yǎng)分吸收量和需求量，以期明確不同區(qū)域農(nóng)戶小麥產(chǎn)量形成與養(yǎng)分吸收利用和需求的關(guān)系，為解決農(nóng)戶過(guò)量施肥，實(shí)現(xiàn)中國(guó)小麥生產(chǎn)科學(xué)合理減肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)及分布

于2015、2016年在中國(guó)主要麥區(qū)進(jìn)行調(diào)研與取樣，包括河北、山西、內(nèi)蒙古、黑龍江、江蘇、安徽、山東、河南、湖北、四川、重慶、云南、陜西、甘肅、寧夏、新疆等16個(gè)省區(qū)，調(diào)研并采集512個(gè)農(nóng)戶及代表性田塊的小麥樣品，品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，小麥種植為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)模式。各地樣點(diǎn)數(shù)量根據(jù)其小麥種植面積大小確定，在春麥、旱作、麥玉、稻麥4個(gè)典型小麥種植區(qū)域樣點(diǎn)數(shù)分別為47、86、264、115個(gè)。春麥區(qū)主要包括內(nèi)蒙古、黑龍江、寧夏、新疆，一年一熟，通常在3—4月份播種小麥，當(dāng)年的7—8月份收獲；旱作區(qū)包括山西、陜西、甘肅南部，一年一熟、二熟或二年三熟，小麥于每年的9月下旬至10上旬播種，來(lái)年6月末與7月初收獲；麥玉區(qū)包括山東、河南、河北、江蘇和安徽北部，一年二熟，一般在10月上旬到中旬播種小麥，次年的5月末至6月初收獲；稻麥區(qū)主要包括湖北、重慶、云南、四川、江蘇、浙江和安徽南部，一年二熟或三熟，小麥于每年的 10月下旬至 11月上旬播種，次年的 4月末至5月初收獲，各麥區(qū)降水和0—20 cm土層土壤理化性狀見(jiàn)表1。

表1 各麥區(qū)降雨量及0—20 cm土層土壤理化性狀Table 1 Precipitation and 0-20 cm soil layer nutrient status of different main wheat production regions

1.2 樣品采集與測(cè)定

1.2.1 樣品采集 由國(guó)家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系分布在全國(guó)主產(chǎn)區(qū)的綜合試驗(yàn)站隨機(jī)選取當(dāng)?shù)刂鳟a(chǎn)縣有代表性的種植戶，采用問(wèn)卷形式走訪調(diào)研農(nóng)戶小麥播種、產(chǎn)量、施肥和管理，并采集農(nóng)戶代表性田塊的小麥植株和0—100 cm土層的土壤樣品。

于小麥?zhǔn)斋@前5 d左右采樣，在選定的田塊中間選擇長(zhǎng)10 m、寬5 m，小麥長(zhǎng)勢(shì)均勻的區(qū)域作為樣區(qū)。首先，在采樣區(qū)內(nèi)均勻選取3個(gè)位置，測(cè)定田塊的小麥穗數(shù)。然后，采用“盲抽法”在樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集100穗小麥全株[25]，在根莖結(jié)合處將根剪除，地上部裝入網(wǎng)袋，作為分析樣品。接著在采樣區(qū)內(nèi)小麥行間均勻選取3個(gè)點(diǎn)，20 cm為一層，采集0—100 cm土層的土壤樣品，同一層次、3個(gè)點(diǎn)的土壤捏碎、混勻后取500 g裝入樣品袋，作為1個(gè)分析樣品。

1.2.2 樣品的處理與測(cè)定 植株樣品風(fēng)干后分為莖葉、穗，分別稱重，手工脫粒后稱量風(fēng)干籽粒重。分別取50 g籽粒和剪碎混勻的莖葉、30 g穎殼，用自來(lái)水和蒸餾水分別快速漂洗3次，裝入標(biāo)記好的信封，65℃烘干至恒重，測(cè)定風(fēng)干莖葉、穎殼、籽粒的含水量。烘干的籽粒、莖葉、穎殼用組織混合研磨儀（MM400，德國(guó)萊馳，氧化鋯研磨罐和研磨球）磨細(xì)，用于化學(xué)分析。準(zhǔn)確稱取粉碎樣品 0.20—0.25 g，濃H2SO4-H2O2法紅外消解植物樣品，連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國(guó)）測(cè)定消解液中的氮和磷含量，火焰光度計(jì)（M410， 英國(guó)Sherwood）測(cè)定消解液中的鉀含量。千粒重采用數(shù)粒板法測(cè)定。千粒重和氮磷鉀含量均以烘干重表示。

土壤樣品風(fēng)干后分別過(guò)1 mm和0.15 mm篩子。1 mm的土樣用來(lái)測(cè)定pH、硝銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀，0.15 mm的土樣用來(lái)測(cè)定有機(jī)質(zhì)、全氮。土壤pH用pH計(jì)測(cè)定，水土比為1∶2.5。硝銨態(tài)氮用 1 mol·L-1的KCl浸提, 速效磷用 0.5 mol·L-1的 NaHCO3浸提，均用連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國(guó)）測(cè)定。速效鉀用 1mol·L-1的NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定[26]。有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。全氮用濃硫酸加混合催化劑（K2SO4∶CuSO4=10∶1）消煮、續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國(guó)）測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 產(chǎn)量計(jì)算及等級(jí)劃分 農(nóng)戶小麥的穗粒數(shù)由采集的100株小麥籽粒重量和穗數(shù)、千粒重計(jì)算得到，收獲指數(shù)由其籽粒和地上部生物量計(jì)算求得。農(nóng)戶小麥的產(chǎn)量（取樣測(cè)定產(chǎn)量）由公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重求得，測(cè)定產(chǎn)量除以收獲指數(shù)計(jì)算出農(nóng)戶小麥生物量。產(chǎn)量、生物量均以烘干重表示。

對(duì)調(diào)研獲得的農(nóng)戶小麥產(chǎn)量和取樣所得的測(cè)定產(chǎn)量按麥區(qū)進(jìn)行方差分析（ SPSS 17，P＜0.05），若兩者差異不顯著，文中產(chǎn)量數(shù)據(jù)采用取樣測(cè)定產(chǎn)量，否則，以各地調(diào)研所得產(chǎn)量為基準(zhǔn)矯正取樣測(cè)定的產(chǎn)量（式1），并用矯正后產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析。式中，產(chǎn)量單位均為t·hm-2。

圖1 農(nóng)戶小麥產(chǎn)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與等級(jí)劃分Fig. 1 Grading standard and grade divisions for wheat yield of farms in major wheat production regions

為了分析不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥的養(yǎng)分吸收利用和需求與產(chǎn)量的關(guān)系，將小麥產(chǎn)量從高到低分為：高產(chǎn)、偏高、中產(chǎn)、偏低、低產(chǎn)5級(jí)。由于麥區(qū)間產(chǎn)量差異較大，對(duì)各麥區(qū)產(chǎn)量等級(jí)的劃分也因地而異，劃分標(biāo)準(zhǔn)為：以該麥區(qū)的平均產(chǎn)量為中心，分別上下浮動(dòng)10%、30%，形成5個(gè)等級(jí)（圖1）。

1.3.2 相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算

以上各式中器官養(yǎng)分含量單位為 g·kg-1；養(yǎng)分吸收量單位為 kg·hm-2；養(yǎng)分需求量單位為 kg·Mg-1；生物量、產(chǎn)量單位為t·hm-2。

數(shù)據(jù)處理方法：用 Microsoft Excel 2013 整理數(shù)據(jù)，Arcgis 10.2作圖，SPSS Statistics 17.0 統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶的小麥產(chǎn)量、生物量與產(chǎn)量構(gòu)成

對(duì)512個(gè)農(nóng)戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)（表2），中國(guó)各麥區(qū)的小麥籽粒產(chǎn)量存在顯著差異，以麥玉區(qū)最高，其次為春麥、稻麥區(qū)，旱作區(qū)最低，各區(qū)平均介于 4.0—7.7 t·hm-2，全國(guó)平均 6.4 t·hm-2。麥區(qū)間莖葉、地上部生物量也存在顯著差異，產(chǎn)量越高莖葉與地上部生物量越大，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，春麥、旱作、麥玉、稻麥區(qū)產(chǎn)量分別增加225%、191%、151%和165%，莖葉生物量增加179.5%、94.6%、80.0%、75.0%，地上部生物量增加 198.5%、129.3%、110.4%、113.3%。收獲指數(shù)也因麥區(qū)而異，且隨產(chǎn)量增加而增加，均值介于42.1%—47.7%，從低產(chǎn)到高產(chǎn)，4個(gè)麥區(qū)收獲指數(shù)分別增加11.6%、26.0%、16.7%和24.2%。不同麥區(qū)公頃穗數(shù)存在較大差異，產(chǎn)量較高的麥玉和春麥區(qū)顯著高于稻麥和旱作區(qū)，當(dāng)產(chǎn)量由低產(chǎn)增至高產(chǎn)時(shí)，各麥區(qū)穗數(shù)分別增加143.8%、68.1%、61.3%和53.4%。麥區(qū)內(nèi)穗粒數(shù)隨產(chǎn)量增加而遞增，各麥區(qū)平均介于27.7—33.8粒，麥玉、稻麥區(qū)穗粒數(shù)顯著高于春麥和旱作區(qū)，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，4個(gè)麥區(qū)分別增加 32.0%、49.3%、13.8%和104.8%，但春麥區(qū)差異未達(dá)顯著水平；各麥區(qū)小麥籽粒千粒重平均介于39.5—41.6 g，變幅較小，但麥玉區(qū)顯著高于其他麥區(qū)，由低產(chǎn)到高產(chǎn)春麥、麥玉、稻麥區(qū)分別增加18.4%、15.2%、15.6%，旱作區(qū)卻降低7.3%。

可見(jiàn)，中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥籽粒產(chǎn)量、生物量存在顯著差異，生物量越大、公頃穗數(shù)越多產(chǎn)量越高，同時(shí)隨產(chǎn)量增加收獲指數(shù)逐漸增加。分析各麥區(qū)產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，公頃穗數(shù)是造成這種差異的關(guān)鍵農(nóng)學(xué)指標(biāo)，其次是穗粒數(shù)。

表2 中國(guó)各麥區(qū)農(nóng)戶小麥產(chǎn)量、生物量與產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Wheat grain yield, biomass and yield components of farmers in major wheat production regions of China

2.2 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥氮吸收、利用、需求與產(chǎn)量的關(guān)系

各麥區(qū)農(nóng)戶的小麥氮素吸收利用均隨產(chǎn)量而變化（表3）。麥區(qū)間籽粒、莖葉含氮量有顯著差異，春麥、旱作、麥玉、稻麥區(qū)小麥籽粒含氮量均值分別為22.6、21.4、23.0和20.1 g·kg-1，莖葉含氮量均值分別為4.6、4.7、5.4和4.2 g·kg-1，僅麥玉區(qū)籽粒含氮量隨產(chǎn)量增加而顯著降低，其他麥區(qū)內(nèi)，隨產(chǎn)量增加莖葉氮含量均無(wú)顯著變化。4個(gè)麥區(qū)地上部吸氮量平均分別為 172.2、110.5、223.2和 135.2 kg·hm-2，麥區(qū)間與同一麥區(qū)內(nèi)地上部吸氮量均隨產(chǎn)量增加顯著增加，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，4個(gè)麥區(qū)分別顯著增加 210.3%、143.5%、115.5%和 145.6%。氮收獲指數(shù)也因區(qū)域而異，4個(gè)麥區(qū)平均分別為79.8%、76.5%、79.2%和80.7%， 由低產(chǎn)到高產(chǎn)，旱作、麥玉、稻麥區(qū)分別顯著增加11.8%、8.4%和9.1%，春麥區(qū)無(wú)顯著變化?？梢?jiàn)，隨產(chǎn)量增加，僅麥玉區(qū)的籽粒含氮量降低，各麥區(qū)莖葉含氮量無(wú)顯著變化；4個(gè)麥區(qū)地上部吸氮量均顯著增加；旱作、麥玉、稻麥區(qū)氮收獲指數(shù)顯著增加。

本研究發(fā)現(xiàn)，全國(guó)范圍內(nèi)農(nóng)戶小麥需氮量平均為28.1 kg·Mg-1，春麥、旱作、麥玉和稻麥區(qū)均值分別為28.6、28.3、29.3、和25.0 kg·Mg-1（表3），稻麥區(qū)顯著低于其他3個(gè)麥區(qū)。產(chǎn)量由低產(chǎn)增至高產(chǎn)，旱作區(qū)和麥玉區(qū)小麥需氮量顯著降低，分別為 16.9%和14.6%，春麥和稻麥區(qū)有降低的趨勢(shì)，但差異未達(dá)顯著水平?？梢?jiàn)，在中國(guó)農(nóng)戶小麥籽粒產(chǎn)量形成的需氮量及其與產(chǎn)量的關(guān)系因區(qū)域而異。

表3 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥氮吸收、利用與需求Table 3 N uptake, utilization and requirement of wheat in major wheat production regions of China

2.3 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥磷吸收、利用、需求與產(chǎn)量的關(guān)系

各麥區(qū)農(nóng)戶小麥磷素吸收利用存在差異，與產(chǎn)量的關(guān)系因麥區(qū)而異（表 4）。麥區(qū)間籽粒磷含量存在較大差異，春麥、旱作、麥玉、稻麥區(qū)小麥籽粒含磷量均值分別為3.7、2.7、3.4和3.4 g·kg-1，春麥區(qū)顯著高于其他3個(gè)麥區(qū)，旱作區(qū)最低。由低產(chǎn)到高產(chǎn)，春麥區(qū)籽粒磷含量顯著增加 19.4%，而其他麥區(qū)籽粒磷含量無(wú)顯著變化。4個(gè)麥區(qū)莖葉磷含量平均分別為0.6、0.3、0.5和0.5 g·kg-1，亦是旱作區(qū)最低，其他麥區(qū)無(wú)顯著差異，產(chǎn)量由低產(chǎn)增至高產(chǎn)時(shí)，春麥區(qū)莖葉磷含量增加50%，但差異未達(dá)顯著水平，旱作和麥玉無(wú)顯著變化，而稻麥區(qū)顯著降低 33.3%。4個(gè)麥區(qū)地上部吸磷量分別為27.4、12.7、31.0和21.6 kg·hm-2，麥區(qū)間差異顯著，隨產(chǎn)量增加地上部吸磷量顯著增加，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，4個(gè)麥區(qū)分別增加 297.2%、168.1%、123.5%和 125%。麥區(qū)間磷收獲指數(shù)無(wú)顯著差異，4個(gè)麥區(qū)平均分別為84.7%、84.9%、85.5%和85.8%，同一麥區(qū)內(nèi)，產(chǎn)量由低產(chǎn)增至高產(chǎn)時(shí)，旱作、麥玉和稻麥區(qū)磷收獲指數(shù)分別顯著增加 10.4%、6.1%和11.5%，春麥區(qū)無(wú)顯著變化。可見(jiàn)，隨產(chǎn)量增加，春麥區(qū)籽粒磷含量顯著增加，而其他麥區(qū)無(wú)顯著變化；春麥區(qū)莖葉磷含量有增加趨勢(shì)，稻麥區(qū)顯著降低，旱作和麥玉區(qū)無(wú)顯著變化；各麥區(qū)地上部吸磷量均顯著增加；旱作、麥玉和稻麥區(qū)磷收獲指數(shù)均顯著增加，春麥區(qū)無(wú)顯著變化。

結(jié)果表明，全國(guó)農(nóng)戶小麥需磷量平均為4.0 kg·Mg-1，春麥、旱作、麥玉和稻麥區(qū)均值分別為4.5、3.2、4.1和4.1 kg·Mg-1（表4），春麥區(qū)顯著高于其他麥區(qū)，麥玉和稻麥區(qū)無(wú)顯著差異，旱作區(qū)最低。產(chǎn)量從低產(chǎn)增至高產(chǎn)時(shí)，麥玉和稻麥區(qū)分別顯著降低 11.4%、17.8%，旱作區(qū)需磷量降低了 8.6%，差異亦未達(dá)顯著水平，春麥區(qū)雖然低產(chǎn)時(shí)需磷量最低3.7 kg·Mg-1，但產(chǎn)量從偏低水平提高到高產(chǎn)時(shí)，需磷量也顯著降低了21.4%。可見(jiàn)，中國(guó)農(nóng)戶小麥的需磷量波動(dòng)范圍較大，區(qū)域差異明顯，但總體來(lái)看隨產(chǎn)量增加而降低。

表4 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥磷吸收、利用與需求Table 4 P uptake, utilization and requirement of wheat in major wheat production regions of China

2.4 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥鉀吸收、利用、需求與產(chǎn)量的關(guān)系

小麥鉀素吸收利用對(duì)產(chǎn)量的響應(yīng)也因麥區(qū)而異（表5）。春麥、旱作、麥玉和稻麥區(qū)籽粒含鉀量平均分別為4.1、3.5、4.2和4.2 g·kg-1，旱作區(qū)顯著低于其他麥區(qū)。4個(gè)麥區(qū)莖葉鉀含量平均分別為17.5、9.7、16.9和12.4 g·kg-1，春麥和麥玉區(qū)顯著高于其他麥區(qū)，旱作區(qū)最低，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，旱作和麥玉區(qū)莖葉含鉀量分別顯著增加36.9%和18.7%，春麥和稻麥區(qū)無(wú)顯著變化。4個(gè)麥區(qū)地上部吸鉀量平均分別為160.2、68.3、178.6和 98.8 kg·hm-2，亦是春麥和麥玉區(qū)顯著高于其他麥區(qū)，旱作區(qū)最低，產(chǎn)量由低產(chǎn)增到高產(chǎn)時(shí)，各麥區(qū)地上部吸鉀量分別增加 210.4%、185.5%、121.0%和120.6%。鉀收獲指數(shù)在麥區(qū)間差異顯著，4個(gè)麥區(qū)平均分別為 16.7%、22%、19%和24.5%，同一麥區(qū)內(nèi)隨產(chǎn)量增加，鉀收獲指數(shù)無(wú)顯著變化。可見(jiàn)，各麥區(qū)高低產(chǎn)間籽粒鉀含量差異不顯著；旱作和麥玉區(qū)莖葉鉀含量隨產(chǎn)量增加顯著提高；各麥區(qū)吸鉀量隨產(chǎn)量增加顯著增加；鉀收獲指數(shù)不隨產(chǎn)量而變化。

表5 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥鉀吸收、利用與需求Table 5 K uptake, utilization and requirement of wheat in major wheat production regions of China

本研究表明，中國(guó)農(nóng)戶小麥需鉀量平均為 21.5 kg·Mg-1，各麥區(qū)存在較大差異，春麥、旱作、麥玉和稻麥區(qū)均值分別為26.5、17.1、23.3和18.8 kg·Mg-1（表5），當(dāng)產(chǎn)量由低產(chǎn)增至高產(chǎn)時(shí)，4個(gè)麥區(qū)需鉀量分別降低4.0%、4.4%、12.7%和19.9%，僅稻麥區(qū)差異達(dá)顯著水平?？梢?jiàn)，中國(guó)主要麥區(qū)農(nóng)戶小麥需鉀量區(qū)域差異明顯，對(duì)產(chǎn)量的響應(yīng)因麥區(qū)而異，但總體呈降低趨勢(shì)。

3 討論

3.1 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥需氮量與產(chǎn)量的關(guān)系

農(nóng)戶田塊的實(shí)際取樣表明，中國(guó)小麥平均產(chǎn)量為 6.4 t·hm-2，需氮量為 28.1 kg·Mg-1，4 個(gè)麥區(qū)的需氮量平均分別為28.6、28.3、29.3和25.0 kg·Mg-1，其中稻麥區(qū)的需氮量顯著低于其他3個(gè)麥區(qū)。大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)小麥平均產(chǎn)量為6.2 t·hm-2，需氮量為28.7 kg·Mg-1，其中西北冬春兼播麥區(qū)、麥玉和稻麥區(qū)需氮量均值分別為 28.4、29.8、26.0 kg·Mg-1[16]，也是稻麥區(qū)較低。本文農(nóng)戶調(diào)研結(jié)果與此接近且區(qū)域間變化趨勢(shì)一致。但位于中國(guó) 5個(gè)省的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳施氮量條件下，小麥平均產(chǎn)量為7.2 t·hm-2，需氮量為24.3 kg·Mg-1[18]，產(chǎn)量結(jié)果比本研究偏高，而需氮量偏低，可能是由于田間試驗(yàn)中優(yōu)化了施氮量，提高了作物利用單位氮素養(yǎng)分形成籽粒產(chǎn)量的能力，也說(shuō)明農(nóng)戶田塊的小麥氮素生產(chǎn)力還有提高的潛力。

本文調(diào)研結(jié)果表明，中國(guó)農(nóng)戶的小麥需氮量與產(chǎn)量的關(guān)系因區(qū)域而異。隨產(chǎn)量增加，旱作區(qū)和麥玉區(qū)小麥需氮量分別顯著降低 16.9%和 14.6%，春麥和稻麥區(qū)有降低的趨勢(shì)，但差異未達(dá)顯著水平。原因在于，在旱作和麥玉區(qū)，隨籽粒產(chǎn)量增加，地上部吸氮量雖顯著增加，但兩者的增幅卻不一樣，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，地上部吸氮量分別增加 143.5%和 115.5%，產(chǎn)量卻分別增加 190.5%和 151.1%，產(chǎn)量增幅較大，因而兩者相比使得需氮量降低。同時(shí)，盡管這兩個(gè)麥區(qū)的氮收獲指數(shù)隨產(chǎn)量增加而分別增加 26.0%和 16.7%，但也小于產(chǎn)量的增幅，結(jié)果是旱作區(qū)的籽粒、莖葉氮含量未能隨產(chǎn)量增加而提高，麥玉區(qū)籽粒氮含量甚至顯著降低。與本研究結(jié)果相似，位于中國(guó)5個(gè)省的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)量由小于 4.5 t·hm-2增加至7.5 t·hm-2時(shí)，需氮量從 27.1 kg·Mg-1降低到 24.5 kg·Mg-1[18]。洛桑試驗(yàn)站39個(gè)小麥品種的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)產(chǎn)量由 2.1 t·hm-2增至 11.8 t·hm-2時(shí)，需氮量由 37 kg·Mg-1降至13 kg·Mg-1[28]。多點(diǎn)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳施氮條件下，隨小麥產(chǎn)量增加，產(chǎn)量增加的幅度大于生物量增加幅度，且籽粒氮含量隨產(chǎn)量增加而降低，莖葉氮含量不變，結(jié)果使地上部吸氮量的增速小于產(chǎn)量增速，最終需氮量降低[18]。也有研究發(fā)現(xiàn)，隨產(chǎn)量增加需氮量增加[16,29]，原因在于隨產(chǎn)量增加籽粒、莖葉氮含量均增加，導(dǎo)致地上部吸氮量與產(chǎn)量呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，且地上部吸氮量增幅大于產(chǎn)量增幅[16]，導(dǎo)致地上部吸收單位養(yǎng)分所能產(chǎn)生籽粒產(chǎn)量降低，結(jié)果使作物形成單位產(chǎn)量所需的氮素隨產(chǎn)量增加而增加[29]。然而，也有人認(rèn)為，需氮量變化跟氮肥用量多少有關(guān)，位于中國(guó)5個(gè)省的氮肥用量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨施氮量增加，小麥產(chǎn)量與籽粒氮含量并未持續(xù)增加，而秸稈中的含量卻逐漸增加，最終導(dǎo)致了需氮量遞增[18,30]。位于黃土高原南部的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)也表明，由不施氮增至施氮320 kg N·hm-2時(shí)，需氮量由 19.5 kg·Mg-1增加至 29.2 kg·Mg-1[31]。因此，優(yōu)化小麥氮肥用量，不僅要考慮所在區(qū)域，還需考慮小麥的氮素需求與產(chǎn)量及施氮量之間的關(guān)系，針對(duì)區(qū)域和不同農(nóng)戶田塊的產(chǎn)量水平，確定實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)量的適宜需氮量，才能合理、有效地減少氮肥投入，緩解中國(guó)小麥生產(chǎn)氮肥施用過(guò)量所帶來(lái)經(jīng)濟(jì)成本和生態(tài)環(huán)境壓力。

3.2 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥需磷量與產(chǎn)量的關(guān)系

本研究表明，中國(guó)農(nóng)戶小麥籽粒產(chǎn)量形成的需磷量平均為4.0 kg·Mg-1，4個(gè)麥區(qū)平均分別為4.5、3.2、4.1和4.1 kg·Mg-1，春麥區(qū)顯著高于其他麥區(qū)。綜合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，中國(guó)小麥需磷量平均為4.6 kg·Mg-1，西北冬春兼播麥區(qū)、麥玉和稻麥區(qū)均值分別為 4.1、5.0、4.4 kg·Mg-1，麥玉區(qū)高于其他麥區(qū)[17]，數(shù)值較本研究偏高。中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)2000—2008年的田間試驗(yàn)綜合分析表明，最佳施肥條件下，小麥需磷量平均為 4.8 kg·Mg-1，西北冬春兼播麥區(qū)、麥玉和稻麥區(qū)平均分別為4.8、4.8和5.2 kg·Mg-1，稻麥區(qū)最高[32]，也較本文偏高。這兩篇文獻(xiàn)的全國(guó)小麥平均產(chǎn)量分別是6.2和6.4 t·hm-2，卻與本文相近。可見(jiàn)，相同的產(chǎn)量水平下，試驗(yàn)條件下的小麥需磷量與農(nóng)戶實(shí)際情況存在差異。農(nóng)戶的需磷量偏低說(shuō)明實(shí)際生產(chǎn)中小麥可以較低的磷吸收量生產(chǎn)較高的產(chǎn)量，因此基于試驗(yàn)結(jié)果向農(nóng)戶推薦施磷量時(shí)，可能會(huì)造成施肥偏高。

調(diào)研表明，中國(guó)各麥區(qū)小麥的需磷量與產(chǎn)量的關(guān)系因麥區(qū)而異，但總體上隨產(chǎn)量增加，需磷量降低，其中麥玉和稻麥區(qū)從低產(chǎn)到高產(chǎn)，分別顯著降低11.4%和17.8%。本研究中，以麥玉和稻麥區(qū)的農(nóng)戶實(shí)際調(diào)研為例，隨小麥產(chǎn)量增加，地上部吸磷量也顯著增加，但二者增加幅度不同，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，地上部吸磷量分別增加123.5%和125%，產(chǎn)量分別增加151%和 165%，產(chǎn)量增幅較大，因而二者相比得到的需磷量降低。另外，由低產(chǎn)到高產(chǎn)時(shí)，麥玉和稻麥區(qū)的磷收獲指數(shù)分別增加6.1%和11.5%，也小于產(chǎn)量增幅，結(jié)果是兩個(gè)麥區(qū)的籽粒磷含量未能隨產(chǎn)量增加而提高，稻麥區(qū)莖葉磷含量甚至顯著降低。但是，對(duì)2000—2011年國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的分析發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量由小于 4.0 t·hm-2增至 10—12 t·hm-2時(shí)，需磷量從 6.5 kg·Mg-1增至 7.6 kg·Mg-1[29]，2000 年后文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的另一類似分析也發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量由小于4.5 t·hm-2增至大于 8.5 t·hm-2時(shí)，需磷量從 4.1 增至 5.2 kg·Mg-1，隨產(chǎn)量增加需磷量增加[17]。2000—2013年位于黃淮海多點(diǎn)的田間試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，在最佳施磷條件下，產(chǎn)量由小于4.5 t·hm-2增至大于 9 t·hm-2時(shí)，需磷量卻從 4.5 kg·Mg-1降至4.2 kg·Mg-1[19]，隨產(chǎn)量增加需磷量降低。可見(jiàn)，區(qū)域范圍、試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)或文獻(xiàn)來(lái)源不同，結(jié)果會(huì)存在差異。ZHAN等[19]認(rèn)為，在施磷量適宜的條件下，籽粒磷、莖葉磷含量不隨產(chǎn)量而增加是需磷量降低的原因。也有研究發(fā)現(xiàn)，隨產(chǎn)量增加莖葉磷含量增加，導(dǎo)致地上部吸磷量與產(chǎn)量呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，地上部吸磷量增幅大于產(chǎn)量增幅[17]，從而使作物形成單位產(chǎn)量所需的磷素?cái)?shù)量增加[29]。同時(shí)，施磷量也是影響需磷量的一個(gè)重要原因，ZHAN等[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施磷量的增加，籽粒磷含量并未持續(xù)增加，而作物吸收的磷累積在秸稈中，最終導(dǎo)致了需磷量逐漸增加。位于河北省曲周的磷肥用量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨磷肥用量增加，籽粒和秸稈磷含量均逐漸增加，結(jié)果使需磷量由 3.8 kg·Mg-1升高到 4.2 kg·Mg-1[21]，因此，考慮區(qū)域差異，針對(duì)不同農(nóng)戶田塊的實(shí)際產(chǎn)量，結(jié)合土壤的磷素供應(yīng)能力差異，確定適宜的小麥磷需求量，推薦磷肥用量，才能有效調(diào)控磷肥投入，避免磷肥過(guò)量施用。

3.3 中國(guó)不同麥區(qū)農(nóng)戶小麥需鉀量與產(chǎn)量的關(guān)系

研究表明，中國(guó)農(nóng)戶小麥需鉀量平均為 21.5 kg·Mg-1，4個(gè)麥區(qū)均值分別為 26.5、17.1、23.3和18.8 kg·Mg-1，春麥區(qū)顯著高于其他麥區(qū)，旱作和稻麥區(qū)相近，顯著低于其他麥區(qū)。中國(guó)2000—2008年的田間試驗(yàn)表明，最佳施肥條件下，全國(guó)小麥需鉀量平均為20.0 kg·Mg-1，其中西北春冬兼播麥區(qū)、麥玉和稻麥區(qū)分別為28.7、18.1和20.7 kg·Mg-1，也是春麥區(qū)最高[32]。但同期的另一多點(diǎn)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)卻表明，不同氮磷鉀肥配比條件下，中國(guó)小麥平均需鉀量為25 kg·Mg-1[33]，高于本文結(jié)果。印度多點(diǎn)試驗(yàn)的小麥平均需鉀量為28.5 kg·Mg-1[34]，也明顯偏高?？梢?jiàn)，區(qū)域、試驗(yàn)條件不同，小麥需鉀量會(huì)有較大差異。春麥區(qū)需鉀量顯著高于其他麥區(qū)，可能與春麥區(qū)土壤速效鉀含量（表1）高于其他麥區(qū)有關(guān)，而土壤供鉀能力增加會(huì)引起小麥需鉀量提高[20]。另外，春麥區(qū)小麥莖葉含鉀量偏高，收獲指數(shù)低于其他麥區(qū)，大量鉀素在莖葉累積，也應(yīng)是其需鉀量提高的一個(gè)重要原因。

中國(guó)主要麥區(qū)小麥需鉀量不僅區(qū)域差異明顯，對(duì)產(chǎn)量的響應(yīng)因麥區(qū)而異，但總體來(lái)看隨產(chǎn)量增加而降低，其中稻麥區(qū)，從低產(chǎn)到高產(chǎn)，需鉀量顯著降低了20%。原因也在于隨產(chǎn)量增加，小麥地上部吸鉀量雖顯著增加，但二者增加的幅度不同，由低產(chǎn)到高產(chǎn)，地上部吸鉀量增加 120.6%，產(chǎn)量卻增加了 164.5%。由于產(chǎn)量增幅較大，因而二者相比得到的需鉀量降低。同時(shí)，從低產(chǎn)到高產(chǎn)，稻麥區(qū)小麥的鉀收獲指數(shù)也未顯著增加，因此籽粒和莖葉鉀含量均未顯著變化。中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)的田間試驗(yàn)也表明，推薦施鉀條件下，產(chǎn)量由小于 4.5 t·hm-2增加至大于 7.5 t·hm-2，需鉀量由23.8 kg·Mg-1降低至 20.2 kg·Mg-1，需鉀量隨產(chǎn)量增加而降低[20]，與本文結(jié)果一致。1990—2008年的多點(diǎn)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在麥玉輪作體系中，因施肥處理不同，產(chǎn)量由 4.0 t·hm-2增至 4.4 t·hm-2時(shí)，小麥需鉀量由18.2 kg·Mg-1增至27.5 kg·Mg-1[33]?；?000—2011年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn)，冬小麥產(chǎn)量由小于4 t·hm-2增至 10—12 t·hm-2時(shí)，需鉀量由 15.2 kg·Mg-1增至 36.3kg·Mg-1[29]，也與本文結(jié)果不同。ZHAN等[19]認(rèn)為，在推薦施鉀量條件下，隨產(chǎn)量增加，籽粒鉀含量降低是造成需鉀量隨產(chǎn)量增加而降低的原因。也有研究發(fā)現(xiàn)，施鉀量是引起需鉀量變化的一個(gè)重要因素。在江蘇、山東等地的鉀肥用量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨施鉀量增加，需鉀量由18.9 kg升高到21.9 kg[20]。其原因是隨施鉀量增加，小麥地上部吸鉀量增加，然而被吸收的鉀大量在莖葉中累積，降低了作物利用鉀素形成產(chǎn)量的效率，導(dǎo)致需鉀量增加[27,29]。因此，在推薦小麥的鉀肥用量時(shí)，不僅要考慮特定區(qū)域的農(nóng)戶小麥產(chǎn)量水平，還需考慮土壤中的速效鉀含量，因地制宜，在土壤供鉀豐富的地區(qū)，應(yīng)避免作物需鉀量高而導(dǎo)致的過(guò)量施鉀問(wèn)題，在土壤供鉀缺乏的地區(qū)，應(yīng)避免作物需鉀量低而導(dǎo)致的施鉀不足對(duì)作物產(chǎn)量的影響。

4 結(jié)論

4.1 連續(xù)兩年的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國(guó)農(nóng)戶小麥產(chǎn)量平均為6.4 t·hm-2，春麥、旱作、麥玉和稻麥區(qū)平均分別為6.0、4.0、7.7和5.5 t·hm-2，區(qū)域差異顯著；農(nóng)戶小麥氮、磷、鉀需求量平均分別為28.1、4.0和21.5 kg·Mg-1，春麥、旱作、麥玉和稻麥區(qū)氮需求量平均分別為28.6、28.3、29.3和 25.0 kg·Mg-1，磷需求量分別為 4.5、3.2、4.1和4.1 kg·Mg-1，鉀需求量分別為26.5、17.1、23.3和 18.8 kg·Mg-1。

4.2 養(yǎng)分需求量與產(chǎn)量的關(guān)系因麥區(qū)而異，但總的來(lái)看，隨產(chǎn)量增加，小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分需求量呈降低趨勢(shì)。可見(jiàn)，在小麥生產(chǎn)中，需針對(duì)不同區(qū)域及農(nóng)戶田塊產(chǎn)量水平，依據(jù)作物養(yǎng)分需求與產(chǎn)量和施肥量的關(guān)系，結(jié)合土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，確定合理的養(yǎng)分需求量和施肥量，避免肥料施用過(guò)量或不足。

致謝：感謝國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥體系各試驗(yàn)站的科研人員對(duì)調(diào)研信息收集及樣品采集給予的大力支持與幫助。