黃土高原旱地小麥產量差異與產量構成及氮磷鉀吸收利用的關系

馬小龍，王朝輝,2*，曹寒冰，佘 旭，何紅霞，包 明，宋慶赟，劉金山

（1 西北農林科技大學資源環境學院/農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2 西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

黃土高原旱地小麥產量差異與產量構成及氮磷鉀吸收利用的關系

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 西北農林科技大學資源環境學院/農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2 西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

【目的】針對我國黃土高原旱地小麥低產田塊多、分布范圍廣、農戶地塊間產量差異大的問題，探索影響旱地小麥產量的關鍵因素，為縮小產量差異、提高旱地小麥產量提供理論依據。【方法】對分布在我國黃土高原的山西、陜西旱地小麥主產區的282個農戶麥田0—100 cm土壤和小麥植株取樣分析。將小麥產量分為高、中、低三組，分析了小麥產量差異與產量構成、氮磷鉀吸收利用的關系。【結果】調查農戶冬小麥產量平均為3815 kg/hm2，中、低產組分別比高產組低32%和57% (P＜ 0.05)；高產組籽粒平均含氮量較低產組低7%，但磷鉀含量和莖葉氮磷鉀含量差異不顯著。與高產組相比，中、低產組生物量分別低27%和50%，收獲指數低5%和13%，穗數低15%和31%，穗粒數低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)。低產組氮收獲指數分別比高、中產組低5%和4%，磷收獲指數低4%和3%，鉀收獲指數低13%和8%。高產組小麥的需氮量較中、低產組分別低5%和12% (P＜ 0.05)，需磷量沒有顯著差異；高、中產組小麥的需鉀量亦無顯著差異，但分別較低產組顯著低5%和15%。高產組小麥的氮生理效率較中、低產組分別高4%和11%，產量分組間小麥的磷生理效率同樣沒有顯著差異；高、中產組小麥的鉀生理效率無顯著差異，分別較低產組顯著高16%和10%。【結論】黃土高原旱地農戶田塊小麥產量存在顯著差異，其中由氮素營養不同引起的干物質累積轉移、產量構成和養分吸收分配的變化是導致產量差異的重要原因。縮小旱地小麥產量差異的切入點在于氮素調控。基于作物產量形成的養分需求優化肥料投入，結合改進栽培，促進小麥干物質累積，提高穗數和穗粒數，從而實現產量普遍提升。

旱地；冬小麥；產量差異；產量構成；養分吸收利用

中國是世界小麥生產大國，也是消費大國。到2030年全國糧食消費需求將達7.5億噸，是目前糧食產量的1.5倍[1]，即糧食增長速度每年至少應保持在2%左右[2]才能滿足。從1990到2014年，我國小麥總產量增加29%，單產增加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，單產水平提高對保證我國糧食供需平衡至關重要。旱地，特別是西北地區的旱地將是我國未來農業生產的前沿，盡管該區降雨少、土壤肥力水平低，小麥種植面積卻占區域總耕地面積的56%左右[4]，平均產量約為3600 kg/hm2，地塊間產量變異介于1344～8419 kg/hm2[5]，巨大的產量差異為進一步挖掘產量潛力，提高區域總體產量提供了可能。因此，查明旱地小麥產量差異的形成原因，縮小高低產量間的差距，對保障區域和我國糧食安全具有重要意義。

分析產量差異形成的原因，確定制約糧食產量提高的關鍵因素，在世界范圍內受到普遍關注[6]。近年來，人們采用不同方法和技術從不同層面和角度認識糧食產量的差異及其形成的原因[7–9]。就小麥而言，在區域尺度的產量潛力的研究認為，北美、西歐、東歐和中亞、南美和地中海、南亞、東亞的實際產量僅為潛在產量的64%、79%、46%、43%、54%和72%，未來產量仍有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]的潛力產量與實際產量之差分別為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量達8.3 t/hm2，實際產量僅為潛力產量的61%[16]，黃土高原的光溫潛力產量平均為8.3 t/hm2[17]，而該地區多點田間試驗的平均產量僅為5.7 t/hm2[18]，相差46%。對農戶實際生產情況的調研表明，我國旱地小麥產量平均為3569 kg/hm2，不同地區間產量變化介于2143～4852 kg/hm2[19]，其中陜西渭北旱塬平均產量為3475 kg/hm2，農戶間的產量差異高達4000 kg/hm2[20]。可見，無論是實際產量與潛力產量，還是同一氣候條件不同地區之間，或是農戶之間均存在巨大的產量差異。

關于產量差異形成的原因，對全球氣候變化的研究發現，氣溫升高使小麥產量降低5%，降雨量減少使其產量降低1%，而大氣二氧化碳濃度升高使小麥產量增加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量降低5%[22]。品種是影響作物產量的另一重要因素，我國北方地區品種更替引起的穗粒重和收獲指數增加，使冬小麥產量在1960～2000年間提高32～72 kg/hm2[23]。病蟲害侵害常是作物減產的重要原因，2015年我國6682萬公頃小麥受病蟲害侵害，造成402萬噸產量損失[24]。在華北平原17年的玉麥輪作試驗表明，優化施肥可以有效縮小產量差異[25]。在加拿大，田間管理和品種選擇是雨養小麥產量變異的主要原因[26]。根據小麥生育期的降水情況調整播種密度是澳大利亞、西班牙等旱地雨養小麥產量差異縮小的關鍵[27]。在我國，以小農戶種植為主，產量變異來源于多個方面。對河北6縣362個農戶的調研結合田間試驗進行的研究表明，播期、施肥、灌溉時間及病蟲害防治是限制小麥產量的關鍵因素[28]。

本文研究了我國西北黃土高原的山西、陜西農戶田塊間小麥產量差異 (圖1) 與產量構成及養分吸收利用的關系，以期為提高該地區小麥產量水平提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

調研取樣工作于2014～2016年進行，涉及的282個農戶位于黃土高原典型旱作農業區的山西、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″)。冬小麥是這一區域的主要糧食作物，播種時間為9月下旬或10月初，收獲時間為6月。該區域年均氣溫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2015、2016年降雨分布見圖2。常規平作栽培 (行寬20 cm) 是該區域冬小麥栽培方式。前茬作物為春、夏玉米或冬小麥，一年一熟。

圖1 農戶冬小麥產量差異的研究模型Fig. 1 Research model of winter wheat yield variation of farmers

1.2 調查、取樣與測定方法

圖2 調研的六個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、陜西小麥種植農戶進行。樣點選擇方法：將各樣點的麥田按生產力水平分成高、中、低三類，在每類田塊中隨機抽取8～10個地塊作為研究對象，同時要求田塊面積在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個農戶的產量及相應數據，其中樣品采自垣曲魯家坡42戶、聞喜邱家嶺8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、永壽監軍30戶、千陽侯家坡30戶、耀州寺溝25戶。調查內容包括小麥品種 (表1)、肥料用量、機械使用、栽培管理措施、病蟲害防治等指標，并于冬小麥成熟期每20 cm為一層，采集各農戶田塊0—100 cm剖面土壤。各采樣地點農戶田塊的施肥量及土壤養分平均含量見表2。

表1 調研地點不同產量水平農戶選用的小麥品種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 冬小麥收獲時，在每個被調研農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，首先在其中隨機選擇3個1平方米的樣方，測定每個樣方內的小麥穗數，計算公頃穗數。然后采用“盲抽法”隨機采集包括100個穗的小麥植株，即不看麥穗大小，直接用手從10～20個樣點將小麥植株由基部連根拔起，同一小區的盲抽樣株混合后于根莖結合處剪掉根系，作為一個考種和化學分析樣品。將穗剪下裝入標記好的小網袋，莖葉全部裝入標記好的大網袋，綁緊袋口。風干后，稱量莖葉風干重、穗風干重，穗脫粒，稱量風干籽粒重，測定千粒重，計算穗粒數。植物樣品65oC烘至恒重后，測定風干莖葉、穎殼、籽粒的含水量，進而計算小麥的產量、生物量。小麥的生物量、產量、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，火焰光度計測定全鉀。

1.2.3 土壤取樣與測定 在小麥取樣區內隨機選擇3個樣點，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分析樣品，迅速裝入做好標記的塑料袋中帶回實驗室，待風干后分別過0.15 mm和1 mm篩。過0.15 mm的土樣用來測定有機質、全氮，過1 mm的土樣用來測定硝銨態氮、有效磷、速效鉀、pH。有機質用重鉻酸鉀外加熱法測定。硝銨態氮用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，火焰光度計測定。土壤pH用pH計測定。相關結果已另文發表[5]。

1.3 數據計算與統計分析

將282個農戶數據按產量高低排序，等樣本數分成高、中、低3組 (每組94個數據)。

籽粒產量 (kg/hm2) = 公頃穗數 × 穗粒數 × 千粒重/1000

生物量 (kg/hm2) = 產量/干物質收獲指數

干物質收獲指數 = 盲抽樣籽粒干重/盲抽樣地上部總干重 × 100 %

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

養分收獲指數 = 籽粒養分吸收量/地上部養分吸收量 × 100%[30]

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

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

式中：籽粒、莖葉養分含量單位為g/kg。

用Microsoft Excel 2016整理數據，GraphPad Prism 5.0作圖，SAS 8.1統計分析。

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 氮.3 e locatio質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 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OM施機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eans±點地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準量± 標肥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戶農經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Lo 11111111111110101010地一)ber)同為字)ongliang 數g數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Location 魯 邱i Q 上i S 東 西 合 白 御 監 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 結果與分析

2.1 不同田塊的小麥籽粒產量及氮磷鉀養分含量

2年6縣的調研表明 (表3)，該區域的小麥籽粒產量平均為3815 kg/hm2(n=282)，田塊間最高與最低產量相差8倍。不同產量等級間差異顯著，高、中、低產組的產量分別介于4557～9154 kg/hm2、3220～4553 kg/hm2、1143～3217 kg/hm2，中、低產組分別比高產組低32%和57%。與產量不同，研究區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，且高產組籽粒平均含氮量較低產組顯著降低7%，與中產組差異不顯著；不同產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。可見，西北旱地農戶田塊間的小麥產量存在顯著差異，與高產田塊相比，中低產田塊均有較大的增產潛力；除籽粒氮含量外，小麥籽粒的磷鉀含量和莖葉的氮、磷、鉀含量不因產量而變化。

2.2 不同田塊的小麥生物量及產量構成

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

2.3 不同田塊的小麥地上部養分吸收量及養分收獲指數

高、中、低3個產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、低產組比高產組分別降低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、低產組較高產組分別低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、低產組較高產組顯著低28%和50%。可見，要提高旱地小麥產量，作物吸收更多的氮、磷、鉀養分是關鍵。

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

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

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

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

2.4 不同田塊的小麥籽粒養分需求量及養分生理效率差異

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

進一步對養分生理效率的分析表明 (表5)，不同田塊的小麥籽粒產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，高產組氮生理效率較中、低產組分別高4%和11%；產量分組間小麥的磷生理效率同樣沒有顯著差異；高中產組小麥的鉀生理效率無顯著差異，分別較低產組顯著高16%和10%。

3 討論

3.1 旱地小麥的產量差異及其引起的養分含量變化

黃土高原旱地農戶地塊小麥產量低而不穩[5,20]。本研究結果顯示，當前該區域農戶田塊的小麥產量平均為3815 kg/hm2。這一產量水平僅實現了黃土高原旱地田間試驗產量的67%[18]，黃土高原光溫生產潛力的45%，氣候生產潛力的73%[17]。統計資料顯示，我國2015年小麥平均產量為5244 kg/hm2，與之相比，黃土高原旱地小麥有30%的增產潛力[32]。在調研的282個農戶產量中，低產田塊小麥平均產量為2494 kg/hm2，僅實現了中、高產田塊的64%和43%。可見黃土高原旱地農戶地塊的小麥產量有巨大的提升空間。

表5 不同產量水平小麥千公斤籽粒養分需求量及養分生理效率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量之間存在負相關關系[30,33–34]。本研究發現高產田塊小麥籽粒產量比低產田塊高130%，其含氮量卻比低產田塊降低7%，類似的產量增加而籽粒含氮量降低的關系，已有不少報道。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]，或說是由籽粒產量增加的速率大于養分累積速率導致的養分稀釋效應所致[34,36]。本研究中從低產到高產，籽粒產量增加130%，而籽粒吸氮量僅增加113%，進一步說明養分稀釋效應是產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文獻資料的分析發現籽粒氮含量隨產量水平的提高而升高[37]，不過類似的報道不多，其原因尚不明確。

關于小麥籽粒磷含量與產量關系的研究結果并不一致，且多是對多點試驗數據的總結。Zhan等[38]的分析表明籽粒磷含量隨產量增加而降低；車升國等[39]發現籽粒磷含量并不隨產量而變化，其含量基本在3.0 g/kg左右。本研究結果表明籽粒磷含量與產量無顯著的相關關系，磷含量基本在2.6 g/kg左右，低于車升國等報道的籽粒磷含量，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定，因此籽粒的磷含量也相對穩定且偏低。有研究表明，土壤速效鉀含量與小麥籽粒鉀含量密切相關[40]，但在本研究中高中低產田塊的小麥籽粒鉀含量基本在3.3 g/kg左右，與產量無關，但低于多點試驗數據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，即與土壤養分供應狀況有關。研究區域多數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量水平而言應屬供應充足，但由于在旱作雨養農業區，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，同時限制作物根系生長，導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量變化而顯著變化，保持相對穩定和較低的水平。

3.2 旱地小麥的產量差異與干物質累積、產量構成及養分吸收的關系

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

小麥產量水平與其氮磷鉀吸收利用能力密切相關。氮素是植物生長需要多、土壤供應相對較少、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量的基礎。本研究表明，高、中、低產田塊間小麥地上部氮、磷、鉀吸收量存在顯著差異，中、低產組吸氮量比高產組分別降低28%和51%；吸磷量分別降低32%和55%；吸鉀量分別降低28%和50%。進一步說明吸收更多的氮磷鉀養分是黃土高原旱地小麥產量提高的必要條件。作物地上部吸收的養分向籽粒轉移的能力用養分收獲指數表示。分析發現高、中產地塊小麥的氮磷鉀收獲指數均顯著高于低產地塊，說明高產地塊不僅地上部氮磷鉀吸收量高于低產地塊，而且將吸收的養分分配到籽粒中的能力更是強于低產地塊，這與前人研究結果一致[30,37–39,41]。因此，黃土高原旱地小麥籽粒產量因氮磷鉀養分吸收、轉移而變化，養分吸收量高，向籽粒轉移多的地塊產量亦高。

3.3 旱地不同產量水平的小麥對養分需求和利用規律

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

4 結論

黃土高原旱地農戶田塊小麥產量存在顯著差異。除籽粒氮含量隨產量的升高而降低外，小麥籽粒的磷、鉀含量和莖葉的氮、磷、鉀含量不因產量而變化。干物質累積轉移、產量構成和養分吸收分配是引起黃土高原旱地小麥產量差異的重要原因，即高的生物量、收獲指數、單位面積穗數、穗粒數、地上部氮磷鉀吸收量和養分收獲指數是高產田塊的重要特征。縮小旱地小麥田間的產量差異、實現中、低產小麥增產的切入點在于氮素調控，基于作物產量形成的養分需求差異協調肥料投入，同時結合優化栽培，促進小麥干物質累積，提高穗數和穗粒數，從而實現產量普遍提升。

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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

財政部、農業部現代農業產業技術體系建設專項（CARS-3-1-31）；國家公益性行業（農業）科研專項（201303104）；農業科研杰出人才培養計劃；國家自然科學基金項目（41401330）資助。

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

* 通信作者 E-mail：w-zhaohui@263.net