华北地区高产冬小麦氮磷钾养分需求特征

张青松，卢殿君，岳善超，占爱，崔振岭



华北地区高产冬小麦氮磷钾养分需求特征

张青松1，卢殿君2，岳善超3，占爱3，崔振岭1

（1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；3西北农林科技大学/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100）

【目的】明确华北地区高产冬小麦氮磷钾养分需求特征及其与籽粒产量的定量关系，为高产冬小麦实时养分管理提供理论依据和技术支撑。【方法】在适宜氮磷钾养分供应条件下，通过华北地区多年多点田间试验数据构建冬小麦氮磷钾养分需求特征大数据，量化该区冬小麦地上部氮磷钾养分吸收量与籽粒产量的关系，定量单位籽粒产量的氮磷钾养分需求量。【结果】在适宜施氮条件下，华北地区生产冬小麦籽粒的氮素需求量平均为24.3 kg·t-1，单位籽粒氮素需求量随着籽粒产量的提高而有所降低。当产量水平在＜4.5 t·hm-2和6.0—7.5 t·hm-2，籽粒氮素需求量从27.1 kg·t-1降低到24.5 kg·t-1，这是由收获指数的升高和籽粒氮浓度的降低造成的；当产量水平在6.0—7.5 t·hm-2和9.0—10.5 t·hm-2，籽粒氮素需求量从24.5 kg·t-1降低到22.7 kg·t-1，这是由籽粒氮浓度的降低造成的；当产量水平＞10.5 t·hm-2，单位籽粒氮素需求量趋于稳定，不再变化。在适宜施磷条件下，生产冬小麦籽粒的磷素需求量平均为4.5 kg·t-1，单位籽粒磷素需求量随着籽粒产量的提高而降低，从产量水平＜4.5 t·hm-2的4.7 kg·t-1下降到产量水平＞9.0 t·hm-2的4.2 kg·t-1，这是由收获指数的升高和籽粒磷浓度的降低造成的。在适宜施钾条件下，生产冬小麦籽粒的钾素需求量平均为21.1 kg·t-1，单位籽粒钾素需求量随着籽粒产量的提高而降低，从产量水平＜4.5 t·hm-2的23.8 kg·t-1下降到产量水平＞7.5 t·hm-2的20.2 kg·t-1，这是由收获指数的升高和籽粒钾浓度的降低造成的。冬小麦在拔节至扬花阶段呈现最大的干物质累积与养分吸收速率。【结论】华北地区在适宜的氮磷钾养分供应条件下，冬小麦氮磷钾需求量随产量的提高而增加。随着产量的提高，冬小麦单位籽粒产量的氮素、磷素和钾素需求量下降，这种趋势主要是由收获指数的增加和籽粒氮、磷、钾浓度的降低造成的。对于不同产量水平的冬小麦，高产水平下冬小麦在拔节期后具有较高的干物质累积和养分吸收速率。

冬小麦；产量水平；籽粒产量；养分需求量；干物质累积；华北地区

0 引言

【研究意义】冬小麦是我国主要粮食作物之一，协同实现冬小麦高产与养分资源高效是近年来国内外研究的热点。在集约化的农业生产体系中，实现作物高产需要充分的养分投入，但在实际生产中往往存在养分的不合理施用问题[1-2]。对华北平原1997—2007年的农户调研数据显示，在冬小麦生产中农民习惯施氮量大于300 kg·hm-2，远高于作物实际氮素需求（160 kg·hm-2）[3]。养分的不合理施用尤其是过量投入导致养分利用率低，进而引起了一系列的环境问题[4-5]。在高产体系中养分投入远高于作物养分需求的现象影响了人们对作物养分需求的准确理解，农民容易产生高养分投入才能实现高产的误解。因此，明确高产冬小麦的养分需求特征，对协同实现作物高产与养分资源的高效利用具有重要意义。【前人研究进展】近年来的研究报道表明，小麦的产量和养分需求关系受生长环境、基因型和养分管理等的影响[6-11]。LIU等[7]通过汇总1985—1995年全国多点的试验结果表明，生产1 t小麦籽粒的氮素、磷素和钾素需求量分别为15.1—50.5 kg（平均值25.8 kg）、2.6—6.8 kg（平均值3.7 kg）和11.5—57.5 kg（平均值23.3 kg），其中小麦籽粒产量的变化范围为0.35—8.73 t·hm-2。党红凯等[12-14]在高产条件下对冬小麦养分吸收特征进行了研究。但养分的不足或过量施用都会影响着作物对养分的吸收，养分供应不足时限制作物生长和养分的吸收；而养分的过量投入，则有可能导致作物对养分的奢侈吸收[15]。因此，过量养分投入条件下，作物养分需求可能会被高估，而在养分施用不足的情况下，作物的养分需求可能会被低估。过去关于在适宜养分供应条件下的养分需求特征的研究较少。为准确估计高产冬小麦的养分需求，需要明确在适宜养分供应条件下冬小麦的养分吸收量与产量的关系。【本研究切入点】前人基于特定地点或大样本数据对冬小麦氮磷钾养分需求量与产量关系进行了大量的研究，但在适宜养分投入条件下的研究和总结尚不充分。【拟解决的关键问题】通过多年多点田间试验数据构建华北地区冬小麦氮磷钾养分需求特征大数据，明确高产冬小麦氮磷钾养分需求特征及其与籽粒产量的定量关系，以期为该区高产冬小麦的实时养分管理提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 试验点分布区域与土壤信息 氮磷钾养分需求特征数据均为华北地区多年多点农户和田间试验大样本数据，试验点分布于北京、河南、河北、山东、山西、陕西和江苏。试验点的具体信息这里不单独列出。试验点的土壤类型包括潮土、褐土、棕壤，0—30 cm土层的有机质含量为6.7—23.6 g·kg-1，全氮为0.1—1.3 g·kg-1，速效磷为2.4—49.1 mg·kg-1，速效钾为62—1 203 mg·kg-1，pH为7.7—8.4。试验包括长期定位试验、氮磷钾养分水平试验、播期播量试验和高产攻关试验等，本研究相关的试验设计包含4个处理：空白处理、氮磷钾用量优化处理、氮磷钾施用不足处理（小于优化用量处理）和氮磷钾施用过量处理（大于优化用量处理）。试验点土壤与试验设计等其他信息详见相关报道[16-18]。

1.1.2 氮素需求特征数据收集 氮素需求特征数据为大样本数据，分为两部分：第一部分数据用来分析冬小麦氮素需求随产量变化特征，数据来源于2000—2011年本课题组及土壤-作物系统综合管理协作网的合作单位在我国北方小麦主产区开展的田间试验。具体的试验地点为北京市东北旺乡、河北省曲周县、山东省惠民县和泰安市、河南省兰考县和温县、山西省的洪洞县和永济市，数据库共包含429组数据。第二部分数据用于分析不同产量水平冬小麦干物质累积与氮素养分吸收动态特征，数据来自于2008—2012年田间试验，试验地点为河北省曲周县中国农业大学曲周实验站，共收集501组试验数据。图1和图2所有氮肥处理均为适宜施氮条件下的处理，氮肥施用总量在54—270 kg N·hm-2，图3数据包括了所有的施氮处理，氮肥施用总量范围为0—300 kg N·hm-2。所有试验在播种前施用了过磷酸钙（0—150 kg P2O5·hm-2）和氯化钾（0—120 kg K2O·hm-2）。氮肥形态为尿素，分别在播种前和拔节期施用。

1.1.3 磷素需求特征数据收集 磷素需求特征数据为大样本数据，来自2000—2013年集中收集的1 232组农户和田间试验数据，地点为河北、河南、山东、陕西和江苏。试验点的详细资料这里不详细列出。氮肥分别在播前和拔节期施用，磷肥和钾肥全部在播种前施用，所有磷肥处理均为适宜施磷条件下的处理，施磷量从50 kg P2O5·hm-2到150 kg P2O5·hm-2。为了进一步理解不同生育时期产量和地上部生物量与磷素需求之间的关系，从试验中挑选了178组分别测定了小麦返青期（GS25）、拔节期（GS30）、扬花期（GS60）和成熟期（GS100）的生物量和地上部磷浓度。

1.1.4 钾素需求特征数据收集 钾素需求特征数据为大样本数据，来自2005—2009年收集的田间试验数据，试验地点为河北、山东、陕西和江苏共209组试验数据。试验点的详细资料这里不详细列出。所有试验点钾肥处理均为适宜施钾条件下的处理，施钾量48—150 kg K2O·hm-2。

以上试验点的种植模式为冬小麦-冬小麦，或冬小麦-玉米，或冬小麦-水稻。所有试验点均选用适宜当地种植条件的高产小麦品种，随机区组设计，每个处理重复3—4次。各试验小区面积20—300 m2不等。冬小麦在每年10月上旬到中旬播种，第二年6月中旬收获。在小麦整个生长季节内及时做好田间管理，没有明显的干旱胁迫和病虫草害发生。

1.2 试验点样品采集与分析

1.2.1 氮素需求特征数据样品处理与分析 在冬小麦越冬期（GS23）、拔节期（GS30）、扬花期（GS60）和成熟期（GS100）等关键生育时期，每个小区收割1 m2的小麦地上部植株样品，于烘箱75℃烘干至恒重，称量计算干物质累积量，然后样品粉碎，用凯氏定氮法测定植株氮浓度。成熟期收割6 m2小麦植株，脱粒，籽粒烘干，并计算籽粒产量（含水量14%）。取部分样品粉碎，用凯氏定氮法测定植株氮素浓度。

1.2.2 磷素需求特征数据样品处理与分析 分别在返青期（GS25）、拔节期（GS30）、扬花期（GS60）和成熟期（GS100）选取长势均匀、长0.5 m的两行样方。植株样品放入70℃烘箱烘干称重，取部分样品粉碎用于测定植株磷含量。成熟期收获整个小区项目植株以测定生物量和籽粒产量（含水量13%）。植株用H2SO4和H2O2消化，并用钒钼黄比色法测定磷浓度。

1.2.3 钾素需求特征数据样品处理和分析 小麦植株样品于成熟期选取长势均匀、长0.5 m的两行样方取样。地上部植株放入75℃烘箱中烘干称重以测定生物量，并测定籽粒产量（含水量13%），取部分样品粉碎用于测定植株钾含量。植株用H2SO4和H2O2消化，钾浓度使用火焰光度法（Cole-Parmer 2655-00, Vernon Hills, IL）进行测定。

1.3 数据统计与分析

地上部氮、磷、钾的需求量和籽粒产量的关系用SigmaPlot 10.0软件进行拟合绘图，干物质积累和养分吸收的动态特征由Microsoft office excel 2013进行绘图。

2 结果

2.1 高产冬小麦氮素需求特征

2.1.1 冬小麦氮素需求随产量变化的特征 地上部需氮量与小麦籽粒产量呈显著的幂函数相关，地上部需氮量随籽粒产量的提高而增加，89%地上部需氮量的变化归结为籽粒产量的变化（图1-A）。为进一步明确地上部需氮量与产量的关系，将数据按产量水平分为6组（表1）：＜4.5 t·hm-2、4.5—6.0 t·hm-2、6.0—7.5 t·hm-2、7.5—9.0 t·hm-2、9.0—10.5 t·hm-2和＞10.5 t·hm-2。收获指数平均为45.6%，各产量水平下收获指数平均分别为39.2%、43.6%、46.5%、46.4%、47.6%和48.4%，收获指数随产量的提高而增加（图2-A），各产量水平下平均氮收获指数在77.4%左右（图2-B）。籽粒氮浓度平均为21.8 g·kg-1，各产量水平的平均籽粒氮浓度分别为24.1、22.5、22.1、21.3、20.0和20.6 g·kg-1，随着产量水平的提高而降低（图2-C）；平均秸秆氮浓度在产量水平＜4.5 t·hm-2时为4.7 g·kg-1，产量水平＞4.5 t·hm-2时则在5.3 g·kg-1左右（图2-D）。籽粒氮素需求量平均为24.3 kg·t-1，各产量水平下籽粒氮素需求量平均分别为27.1、25.0、24.5、23.8、22.7和22.5 kg·t-1，每吨籽粒氮素需求量随着产量水平的提高而降低（图1-B）。冬小麦每吨籽粒氮素需求量随产量水平增加而降低的趋势可分为3个阶段。第一阶段为从产量水平＜4.5 t·hm-2到6.0—7.5 t·hm-2，该阶段内小麦产量的提高是收获指数和地上部生物量共同提高的结果。在此阶段，产量提高67.5%（由4.0 t·hm-2提高到6.7 t·hm-2），而地上部生物量提高40.4%（从8.9 t·hm-2提高到12.5 t·hm-2），收获指数提高18.6%。由于收获指数从39.2%增加到46.5%，同时籽粒氮浓度从24.1 g·kg-1降低到22.1 g·kg-1，导致籽粒氮素需求从27.1 kg·t-1降低到24.5 kg·t-1。第二阶段为产量水平从6.0—7.5 t·hm-2到9.0—10.5 t·hm-2，在此阶段收获指数稳定在47.0%，产量的提高主要是由于地上部生物量的提高。籽粒氮浓度从22.1 g·kg-1降低到20.0 g·kg-1，导致籽粒氮素需求从24.5 kg·t-1降低到22.7 kg·t-1。第三阶段为产量水平从9.0—10.5 t·hm-2到＞10.5 t·hm-2，产量的提高主要是由于地上部生物量的提高，而收获指数不变。由于籽粒氮浓度没有太大变化，因此单位籽粒氮素需求也基本没有变化。以上结果表明，地上部需氮量随籽粒产量的提高而增加，但每吨籽粒氮素需求量随着产量水平的提高而降低，这种趋势主要是由收获指数和籽粒氮浓度的变化引起的。

表1 优化施氮处理不同产量水平下的产量数据分布[16]

修改自YUE等[16]。实线表示拟合曲线，虚线表示95%预测区间，***显著性为0.001（A）。实线表示中值，虚线表示平均值（B）

修改自YUE等[16]。实线表示中值，虚线表示平均值

2.1.2 不同产量水平冬小麦干物质累积与氮素养分吸收动态特征 图3总结了＜7.0 t·hm-2，7.0—8.5 t·hm-2和＞8.5 t·hm-23个产量水平下越冬期、拔节期、扬花期和成熟期4个关键生育时期的平均干物质累积与氮素养分吸收动态特征。从播种到拔节期之前，3个产量水平的干物质累积和氮吸收速率无明显差异（图3）。进入拔节期后，不同产量水平下的干物质累积与氮素吸收量的差异逐渐增大，拔节至扬花阶段表现出最大的干物质累积与养分吸收速率（图3）。拔节至扬花阶段，产量水平＞8.5 t·hm-2时干物质累积的变化量为9.0 t·hm-2，比7.0—8.5 t·hm-2和＜7.0 t·hm-2产量水平时的干物质累积的变化量分别提高26%和70%；产量水平＞8.5 t·hm-2时氮素吸收变化量比7.0—8.5 t·hm-2与＜7.0 t·hm-2产量水平时的氮素吸收变化量分别提高12.8%（97 vs 86 kg N·hm-2）和79.6%（97 vs 54 kg N·hm-2）（图3-B）。在成熟期，产量水平＞8.5 t·hm-2时的氮素吸收总量分别比7.0—8.5 t·hm-2和＜7.0 t·hm-2产量水平时的氮素吸收总量提高25.3%（238 vs 190 kg N·hm-2）和81.3%（238 vs 132 kg N·hm-2）。以上结果表明，冬小麦的干物质累积量及累积速率和氮素养分吸收量及吸收速率在拔节期之后开始显著增加，高产水平下冬小麦具有更高的养分吸收量和吸收速率。

2.2 高产冬小麦磷素需求特征

2.2.1 冬小麦磷素需求随产量变化的特征 在适宜施磷条件下，小麦籽粒产量与地上部需磷总量呈显著的幂函数相关（图4-A），地上部86%磷素总吸收量的变化归结为籽粒产量的变化。为进一步明确籽粒产量和磷素需求之间的关系，将所有数据根据产量水平分为5组：＜4.5 t·hm-2（=422，平均产量2.4 t·hm-2），4.5—6.0 t·hm-2（=243，平均产量5.3 t·hm-2），6.0—7.5 t·hm-2（=361，平均产量6.7 t·hm-2），7.5—9.0 t·hm-2（=155，平均产量8.0 t·hm-2）和＞9.0 t·hm-2（=51，平均产量9.9 t·hm-2）。籽粒磷素需求量平均为4.5 kg·t-1，各产量水平下籽粒磷素需求量平均分别为4.7、4.5、4.5、4.4和4.2 kg·t-1（图4-B），每吨籽粒磷素需求量随产量水平的提高而降低，这可能是由收获指数的增加和籽粒磷浓度的降低引起的（图5-A，5-C）。5个产量水平下，收获指数从产量水平＜4.5 t·hm-2时的45.7%上升到产量水平＞9.0 t·hm-2时的48.3%（图5-A），籽粒磷浓度从产量水平＜4.5 t·hm-2时的3.8 g·kg-1降低到产量水平＞9.0 t·hm-2时的3.2 g·kg-1（图5-C），而秸秆磷浓度从产量水平＜4.5 t·hm-2时的0.8 g·kg-1上升到产量水平＞9.0 t·hm-2时的0.9 g·kg-1（图5-D）。上述结果表明，地上部需磷量随籽粒产量的提高而增加，但每吨籽粒磷素需求量随着产量水平的提高而降低，这种趋势主要是由收获指数的增加和籽粒磷浓度的降低引起的。

GS23、GS30、GS60与GS100分别代表越冬期、拔节期、扬花期与成熟期

修改自ZHAN等[17]。实线表示拟合曲线，虚线表示95%预测区间，***显著性为0.001（A）。实线表示中值，虚线表示平均值（B）

修改自ZHAN等[17]。实线表示中值，虚线表示平均值

2.2.2 不同产量水平下冬小麦干物质累积与磷素养分吸收动态特征 为了探究不同产量水平下冬小麦地上部干物质累积和磷素养分吸收的动态变化特征，从适宜施磷条件下选取178组数据，根据产量水平将其分为4组：＜6.0 t·hm-2（=39）， 6.0—7.5 t·hm-2（=48），7.5—9.0 t·hm-2（=54）和＞9 t·hm-2（=37）。在冬小麦整个生育期，产量水平＞9.0 t·hm-2时的地上部干物质累积和磷素吸收均大于其他3个产量水平（图6）。从播种到返青期，地上部干物质累积在产量水平＞9.0 t·hm-2时为0.9 t·hm-2，比其余3个产量水平高4.7%至75.5%。磷素吸收量在产量水平＞9.0 t·hm-2时为3.4 kg·hm-2，比其余3个产量水平高6.3%—112.5%。在返青期前，地上部干物质累积量和磷素吸收量在6.0—7.5 t·hm-2、7.5—9.0 t·hm-2和＞9.0 t·hm-23个产量水平间无明显差异，从返青期开始，地上部干物质累积量和磷吸收量在3个产量水平间开始出现差异。各产量水平在拔节至扬花阶段表现出最大的干物质累积与磷素吸收速率，在此阶段，地上部干物质累积量的变化量在7.5—9.0 t·hm-2和＞9.0 t·hm-2时分别为6.2 t·hm-2和7.0 t·hm-2，磷素吸收的变化量分别为13.1和12.7 kg·hm-2。在成熟期，产量水平＞9.0 t·hm-2时的干物质累积和磷素吸收量分别为18.9 t·hm-2和34.2 kg·hm-2，分别比其余3个产量水平高29.5%—100.2%和25.6%—97.7%。以上结果表明，冬小麦的干物质累积与磷素养分吸收量在返青期之后开始显著增加，高产水平下冬小麦具有更高的养分吸收量和吸收速率。

修改自ZHAN等[17]。GS25、GS30、GS60与GS100分别代表返青期、拔节期、扬花期与成熟期

2.3 高产冬小麦钾素需求特征

在适宜施钾条件下，小麦籽粒产量与地上部钾素总吸收量呈现出指数函数的关系（图7-A），地上部65%钾素总吸收量的变化归结为籽粒产量的变化。为明确籽粒产量和钾素需求之间的关系，将所有数据根据产量水平分为4组：＜4.5 t·hm-2（=71，平均产量3.0 t·hm-2），4.5—6.0 t·hm-2（=42，平均产量5.4 t·hm-2），6.0—7.5 t·hm-2（=39，平均产量6.8 t·hm-2）和＞7.5 t·hm-2（=57，平均产量8.2 t·hm-2）。籽粒钾素需求量平均为21.1 kg·t-1，各产量水平下籽粒钾素需求量的平均值分别为23.8、22.5、21.6和20.2 kg·t-1，每吨籽粒钾素需求量随产量水平的提高而降低（图7-B），这可能是由收获指数的升高和籽粒钾浓度的降低引起的（图8-A，8-C）。收获指数平均为47.0%，随着产量水平的增加，收获指数从产量水平＜4.5 t·hm-2时的45.5%增加到产量水平＞7.5 t·hm-2时的48.6%（图8-A）。＜4.5 t·hm-2，4.5—6.0 t·hm-2，6.0—7.5 t·hm-2和＞7.5 t·hm-24组产量水平下钾收获指数的平均值分别为23.6%、23.0%、19.8%和20.2%（图8-B）；籽粒钾浓度的平均值分别为4.7、4.5、4.3和4.0 g·kg-1，籽粒钾浓度随着产量水平的提高而降低（图8-C）。然而，秸秆钾浓度随着产量水平的提高而升高，4组产量水平下的秸秆钾浓度平均值分别为14.1、15.4、15.8和16.2 g·kg-1（图8-D）。上述结果表明，地上部需钾量随籽粒产量的提高而增加，但每吨籽粒磷素需求量随着产量水平的提高而降低，这种趋势主要是由收获指数的升高和籽粒钾浓度的降低引起的。

3 讨论

单位籽粒养分需求量是指导作物养分管理的一个重要参数。LIU等[7]统计的1985—1995年的田间试验结果显示，籽粒的氮素、磷素和钾素养分需求量分别为15.1—50.5 kg·t-1（平均值为25.8 kg·t-1）、2.6—6.8 kg·t-1（平均值为3.7 kg·t-1）和11.5—57.5 kg·t-1（平均值为23.3 kg·t-1）；党红凯等[12]在2004—2006年产量范围为8.8—9.6 t·hm-2的试验结果显示，籽粒的氮素、磷素和钾素的需求量分别为26.3—31.3 kg·t-1、5.5—7.5 kg·t-1和16.6—21.6 kg·t-1；于振文等[19]对1996—1998年黄淮冬小麦区的研究结果显示，产量范围为9.5—9.8 t·hm-2的籽粒的氮素、磷素和钾素的需求量分别为23.7—29.3 kg·t-1、4.1—4.3 kg·t-1和24.0—27.3 kg·t-1，而在产量范围6.3—7.8 t·hm-2报道的籽粒的氮素、磷素和钾素的需求量分别为28.5—34.0 kg·t-1、4.6—4.9kg·t-1和24.2—25.3 kg·t-1。在本研究中，基于华北地区适宜施氮、施磷和施钾条件下的平均产量分别为7.2、5.2和5.6 t·hm-2，生产籽粒的氮素、磷素和钾素的需求量的变化范围为22.5—27.1 kg·t-1（平均值24.3 kg·t-1）、4.2—4.7 kg·t-1（平均值4.5 kg·t-1）和20.2—23.8 kg·t-1（平均值21.1 kg·t-1）。本研究结果在范围上与上述研究是较为一致的，不同结果的差异可能是由于品种、田间管理、研究区域等的不同造成的[7,19-21]。例如，于振文等[19]和潘庆民等[20]的研究结果表明，产量潜力为9.0 t·hm-2的小麦品种比产量潜力为7.5 t·hm-2的品种具有更高的氮素生产力。LIU等[21]的研究表明，在华北、长江中下游和西北3个麦区，每吨籽粒氮素、磷素和钾素需求量均有一定的差异。

修改自ZHAN等[18]。实线表示拟合曲线，虚线表示95%预测区间，***显著性为0.001（A）。实线表示中值，虚线表示平均值（B）

修改自ZHAN等[18]。实线表示中值，虚线表示平均值 Modified according ZHAN et al.[18]. The solid and dashed lines indicate median and mean, respectively

本研究表明，华北地区冬小麦每吨籽粒的氮素、磷素和钾素的需求量随着产量的增加而降低，党红凯等[13]和于振文等[19]的研究结果也表现出类似的趋势。但是，也有研究[22-23]显示，随着冬小麦产量的增加每吨籽粒养分需求量呈现出上升的趋势。串丽敏[22]的研究表明，随着产量的增加，冬小麦每吨籽粒的氮素、磷素和钾素的需求量均表现出上升的趋势，车升国等[23]对我国2000年以后不同区域的大量田间试验数据进行了总结分析，结果表明冬小麦单位籽粒需磷量随着产量范围的增加而升高，上述结果与本研究的结果不同。出现这种差异的原因可能是随着产量的增加，养分的吸收利用效率发生变化和小麦植株内的养分在不同器官间的转移分配不同造成的。例如，在车升国等[23]的研究中，随着小麦产量的增加，小麦籽粒磷浓度基本维持在3.1 g·kg-1左右，但是秸秆磷浓度却从0.5 g·kg-1增加到1.2 g·kg-1，每吨籽粒增加的磷素需求量主要是源于秸秆磷浓度的增加。但本研究中，随着产量的增加，籽粒磷浓度从3.8 g·kg-1降低到3.2 g·kg-1，但是秸秆磷浓度仅从0.8 g·kg-1增加到了0.9 g·kg-1。许多研究[9,24-26]表明，品种、水肥管理、栽培措施等都会对小麦的养分吸收与分配产生影响，另外，研究的区域、年代和气候条件等的不同，可能最终导致了不同 研究间的差异。

拔节-开花阶段是小麦生长和调控的重要阶段[27]，该阶段是小麦干物质累积速率和养分吸收速率最快的阶段，也是决定小麦产量的重要时期[28-29]。YE等[30]的研究表明高产小麦品种的生物量与养分吸收的差异主要出现在拔节期以后，表明该阶段养分管理的重要性。本研究表明干物质累积和氮磷养分吸收速率在此阶段达到最大。党红凯等[14]的研究显示，高产冬小麦钾素的最大吸收速率也在拔节至开花阶段达到峰值。拔节期后，部分分蘖开始消亡，养分需求随着有效茎蘖的快速增长而迅速增加，植株内部穗与茎对养分的竞争增加，此阶段养分资源在各器官的累积与分配显著影响小麦的产量，进而决定了最终产量的高低[31-32]。本研究通过不同产量水平下的干物质累积和养分吸收特征的比较，表明在此阶段高产水平下的冬小麦展现出高的干物质累积与养分需求。因此，在拔节至扬花阶段保证充足的氮磷钾养分供应是实现冬小麦高产的重要措施。

本文在探究华北地区冬小麦养分需求特征时，选择分别在适宜供氮、供磷和供钾的条件下的试验数据进行研究，尽量消除因氮素、磷、钾养分供应不足或过量对作物养分吸收造成的影响。但在实际生产中，作物的生长环境受到水分和土壤性状、气候因素以及管理的综合制约。大样本数据下的结果为华北地区冬小麦的精准养分管理提供了参考，但在生产中仍要根据当地生产情况做出适当调整。

4 结论

适宜施氮、施磷和施钾条件下，冬小麦对氮素、磷素和钾素的需求量与籽粒产量之间存在着显著的相关关系，随着产量水平的提高，华北地区冬小麦氮、磷、钾需求量增加，但单位籽粒氮、磷、钾养分需求量下降，这种趋势主要是由收获指数的升高和籽粒氮、磷、钾浓度的降低造成的。这意味着高产条件下，冬小麦的氮、磷、钾养分的需求并不随产量的提高而等比例增加，这为华北地区高产冬小麦养分管理提供了理论基础。拔节至扬花阶段是冬小麦干物质累积和养分吸收速率最大的阶段，对于不同产量水平的冬小麦，高产水平下冬小麦具有较高的干物质累积和养分吸收速率。

[1] CHEN X P, CUI Z L, VITOUSEK P M, CASSMAN K G, MATSON P A, BAI J S, MENG Q F, HOU P, YUE S C, RÖMHELD V, ZHANG F S. Integrated soil-crop system management for food security., 2011, 108(16): 6399-6404.

[2] 彭雪松. 河南省小麦玉米化肥施用状况与应用效果研究[D]. 郑州: 河南农业大学, 2012.

PENG X S. Study on chemical fertilizer consumption and application effect on wheat and maize in Henan province[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2012. (in Chinese)

[3] CUI Z L, CHEN X P, ZHANG F S. Current nitrogen management status and measures to improve the intensive wheat-maize system in China., 2010, 39(5/6): 376-384.

[4] GUO J H, LIU X J, ZHANG Y, SHEN J L, HAN W X, ZHANG W F,CHRISTIE P, GOULDING K W, VITOUSEK P M, ZHANG F S. Significant acidification in major Chinese croplands., 2010, 327(5968): 1008-1010.

[5] LIU X J, DUAN L, MO J M, DU E Z, SHEN J L, LU X K, ZHANG Y, ZHOU X B, HE C N, ZHANG F S. Nitrogen deposition and its ecological impact in China: An overview., 2011, 159(10): 2251-2264.

[6] 马政华, 寇长林, 康利允. 分层供水施磷对冬小麦产量和氮、磷、钾养分吸收及其在不同器官分配的影响. 中国农学通报, 2015, 31(27): 15-21.

MA Z H, KOU C L, KANG L Y. Influence of water supply and phosphorus application in different depth on yield and nutrient accumulation and distribution of winter wheat., 2015, 31(27): 15-21. (in Chinese)

[7] LIU M Q, YU Z R, LIU Y H, KONIJN N T. Fertilizer requirements for wheat and maize in China: the QUEFTS approach., 2006, 74(3): 245-258.

[8] GIULIANI M M, GIUZIO L, CARO A D, FLAGELLA Z. Relationships between nitrogen utilization and grain technological quality in durum wheat: I. nitrogen translocation and nitrogen use efficiency for protein., 2011, 103(5): 1487-1494.

[9] CHUAN L M, HE P, PAMPOLINO M F, JOHNSTON A M, JIN J Y, XU X P, ZHAO S C, QIU S J, ZHOU W. Establishing a scientific basis for fertilizer recommendations for wheat in China:Yield response and agronomic efficiency., 2013, 140(1): 1-8.

[10] HE P, LI S T, JIN J Y, WANG H T, LI C J, WANG, Y L, CUI R Z. Performance of an optimized nutrient management system for double-cropped wheat-maize rotations in North-Central China., 2009, 101(6): 1489-1496.

[11] ZHANG H M, YANG X Y, HE X H, XU M G, HUANG S M, LIU H, WANG B R. Effect of long-term potassium fertilization on crop yield and potassium efficiency and balance under wheat-maize rotation in China., 2011, 21(2): 154-163.

[12] 党红凯, 李瑞奇, 李雁鸣, 孙亚辉, 张馨文, 刘梦星. 超高产冬小麦对氮素的吸收、积累和分配. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(5): 1037-1047.

DANG H K, LI R Q, LI Y M, SUN Y H, ZHANG X W, LIU M X. Absorption, accumulation and distribution of nitrogen in super-highly yielding winter wheat., 2013, 19(5): 1037-1047. (in Chinese)

[13] 党红凯, 李瑞奇, 李雁鸣, 张馨文, 孙亚辉. 超高产栽培条件下冬小麦对磷的吸收、积累和分配. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(3): 531-541.

DANG H K, LI R Q, LI Y M, ZHANG X W, SUN Y H. Absorption, accumulation and distribution of phosphorus in winter wheat under super-highly yielding conditions., 2012, 18(3): 531-541. (in Chinese)

[14] 党红凯, 李瑞奇, 李雁鸣, 孙亚辉, 张馨文, 孟建. 超高产冬小麦对钾的吸收、积累和分配. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 274-287.

DANG H K, LI R Q, LI Y M, SUN Y H, ZHANG X W, MENG J. Absorption, accumulation and distribution of potassium in super highly-yielding winter wheat., 2013, 19(2): 274-287. (in Chinese)

[15] FOWLER D B. Crop nitrogen demand and grain protein concentration of spring and winter wheat., 2003, 95(2): 260-265.

[16] YUE S C, MENG Q F, ZHAO R F, YE Y L, ZHANG F S, CUI Z L, CHEN X P. Change in nitrogen requirement with increasing grain yield for winter wheat., 2012, 104(6): 1687-1693.

[17] ZHAN A, CHEN X P, LI S Q, CUI Z L. Changes in phosphorus requirement with increasing grain yield for winter wheat., 2015, 107(6): 2003-2010.

[18] ZHAN A, ZOU C Q, YE Y L, LIU Z H, CUI Z L, CHEN X P. Estimating on-farm wheat yield response to potassium and potassium uptake requirement in China., 2016, 191: 13-19.

[19] 于振文, 田奇卓, 潘庆民, 岳寿松, 王东, 段藏禄, 段玲玲, 王志军, 牛运生. 黄淮麦区冬小麦超高产栽培的理论与实践. 作物学报, 2002, 28(5): 577-585.

YU Z W, TIAN Q Z, PAN Q M, YUE S S, WAGN D, DUAN Z L, DUAN L L, WANG Z J, NIU Y S. Theory and practice on cultivation of super high yield of winter wheat in the wheat fields of Yellow River and Huaihe River districts., 2002, 28(5): 577-585. (in Chinese)

[20] 潘庆民, 于振文, 王月福, 田奇卓. 公顷产9000 kg小麦氮素吸收分配的研究. 作物学报, 1999, 25(5): 541-547.

PAN Q M, YU Z W, WANG Y F, TIAN Q Z. Studies on uptake and distribution of nitrogen in wheat at the level of 9000 kg per hectare., 1999, 25(5): 541-547. (in Chinese)

[21] LIU X Y, HE P, JIN J Y, ZHOU W, SULEWSKI G, PHILLIPS S. Yield gaps, indigenous nutrient supply, and nutrient use efficiency of wheat in China., 2011, 103(5): 1452-1463.

[22] 串丽敏. 基于产量反应和农学效率的小麦推荐施肥方法研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2013.

CHUAN L M. Methodology of fertilizer recommendation based on yield response and agronomic efficiency for wheat[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2013. (in Chinese)

[23] 车升国, 袁亮, 李燕婷, 林治安, 李燕青, 赵秉强, 沈兵. 我国主要麦区小麦产量形成对磷素的需求. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(4): 869-876.

CHE S G, YUAN L, LI Y T, LIN Z A, LI Y Q, ZHAO B Q, SHEN B. Phosphorous requirement for yield formation of wheat in main wheat production regions of China., 2016, 22(4): 869-876. (in Chinese)

[24] 张法全, 王小燕, 于振文, 王西芝, 白洪立. 公顷产10000 kg小麦氮素和干物质积累与分配特性. 作物学报, 2009, 35(6): 1086-1096.

ZHANG F Q, WANG X Y, YU Z W, WANG X Z, BAI H L. Characteristics of accumulation and distribution of nitrogen and dry matter in wheat at yield level of ten thousand kilograms per hectare., 2009, 35(6): 1086-1096. (in Chinese)

[25] HU C X, WANG Y H. Variation among wheat varieties in characteristics of potassium uptake and distribution, and potassium nutrition efficiency., 2000, 19(3): 233-239.

[26] 徐明杰, 董娴娴, 刘会玲, 张丽娟, 巨晓棠. 不同管理方式对小麦氮素吸收、分配及去向的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(5): 1084-1093.

XU M J, DONG X X, LIU H L, ZHANG L J, JU X T. Effects of different management patterns on uptake, distribution and fate of nitrogen in wheat., 2014, 20(5): 1084-1093. (in Chinese)

[27] MENG Q F, YUE S C, CHEN X P, CUI Z L, YE Y L, MA W Q, TONG Y A, ZHANG F S. Understanding dry matter and nitrogen accumulation with time-course for high-yielding wheat production in China., 2013, 8(7): e68783.

[28] BOATWRIGHT G O, HAAS H J. Development and composition of spring wheat as influenced by nitrogen and phosphorus fertilization., 1961, 53(1): 33-36.

[29] XU Z Z, YU Z W, ZHAO J Y. Theory and application for the promotion of wheat production in China: past, present and future., 2013, 93(10): 2339-2350.

[30] YE Y L, WANG G L, HUANG Y F, ZHU Y J, MENG Q F, CHEN X P,ZHANG F S, CUI Z L. Understanding physiological processes associated with yield–trait relationships in modern wheat varieties., 2011, 124(3): 316-322.

[31] ARISNABARRETA S, MIRALLES D J. Critical period for grain number establishment of near isogenic lines of two- and six-rowed barley., 2008, 107(3): 196-202.

[32] REYNOLDS M P, PELLEGRINESCHI A, SKOVMAND B. Sink- limitation to yield and biomass: a summary of some investigations in spring wheat., 2005, 146(1): 39-49.

（责任编辑 李云霞）

Characteristics of N, P and K Nutrient Demand of High-yielding Winter Wheat in North China Plain

ZHANG QingSong1, LU DianJun2, YUE ShanChao3, ZHAN Ai3, CUI ZhenLing1

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193;2Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008;3Northwest A&F University/State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】The objective of this study was to clarify the characteristics of N, P and K nutrient demand of high-yielding winter wheat and to identity the relationship between N, P and K requirements and grain yield, so the results of the study could provide theoretical basis and technical support for in-season nutrient management of high-yielding winter wheat in North China Plain. 【Method】Under the optimal nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment, some databases of nutrient demand of winter wheat was created by collecting on-farm experiments in different places and in many years to evaluate the relationship between aboveground N, P and K uptake and grain yield to quantify N, P and K requirements per ton grain yield in North China Plain.【Result】For the optimal N fertilizer treatment, the average Nrequirement per ton grain in North China Plain was 24.3 kg and it declined with increasing grain yield. For the yield ranges between <4.5 t·hm-2and 6.0 to 7.5 t·hm-2, the Nrequirement per ton grain decreased from 27.1 kg to 24.5 kg due to increasing harvest index and decreasing grain N concentration. For the yield ranges between 6.0 to 7.5 t·hm-2and 9.0 to 10.5 t·hm-2, the Nrequirement per ton grain decreased from 24.5 kg to 22.7 kg due to decreasing grain N concentration. For the yield ranges >10.5 t·hm-2, the Nrequirement per ton grain tended to be stable and changed little. Under the optimal P fertilizer treatment, the average Prequirement per ton grain was 4.5 kg, and it declined from 4.7 kg in the yield range of <4.5 t·hm-2to 4.2 kg in the yield range of >9.0 t·hm-2due to the increasing harvest index and the diluting effect of declining grain P concentrations.Under the optimal K fertilizer treatment,the average Krequirement per ton grain was 21.1 kg and it declined with increasing grain yield, it decreased from 23.8 kg with <4.5t·hm-2to 20.2 kg with >7.5 t·hm-2, which was attributed to the increase of the harvest index and decline in grain potassium concentrations. The largest variation in dry matter and nutrient accumulation occurred from the stem elongation stage to anthesis stage.【Conclusion】Under the optimal nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer treatment in North China Plain, the N, P and K uptake requirement increased with increasing grain yield. The average N, P and K requirement per ton grain declined with increasing grain yield, which was attributed to the increase of the harvest index and decline in grain N, P and K concentrations. For different yield levels of winter wheat, there was higher dry matter accumulation rate and nutrient uptake rate after the stem elongation stage of high yield levels.

winter wheat; yield level; grain yield; nutrient requirement; dry matter accumulation; North China Plain

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.003

2018-01-19；

2018-06-05

国家公益性行业（农业）科研专项（201303103）、国家自然科学基金（31522050）

张青松，E-mail：zhangqscau@163.com。通信作者崔振岭，Tel：010-62733454；E-mail：zhenlingcui@163.com