我国小麦和玉米相对产量差时空变异及其对氮肥的响应

申哲，韩天富，曲潇林，马常宝，王慧颖，柳开楼，黄晶,4，都江雪，张璐,4，刘立生,4，李继文，张会民,4

我国小麦和玉米相对产量差时空变异及其对氮肥的响应

申哲1，韩天富1，曲潇林2，马常宝2，王慧颖2，柳开楼3，黄晶1,4，都江雪1，张璐1,4，刘立生1,4，李继文1，张会民1,4

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，北京 100081；2农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西进贤 331717；4中国农业科学院衡阳红壤实验站/湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，湖南祁阳 426182

【目的】探究近15—20 年我国小麦和玉米相对产量差的时空变异特征、影响因素以及不同地力水平下相对产量差对氮肥的响应，为氮肥的合理施用及实现小麦和玉米的高产稳产提供理论依据。【方法】基于农业农村部耕地土壤质量监测数据，用施肥区与无肥区作物产量之差代表由肥料投入和由此引起的土壤性质改变所贡献的相对产量（RY），利用高产农户统计法获取最高相对产量（HRY）、平均相对产量（ARY）和相对产量差（GRY），根据无肥区产量划分低、中、高基础地力水平，量化不同基础地力水平下小麦、玉米相对产量差与氮肥用量的关系，并结合随机森林模型探讨施肥和土壤因素对相对产量差影响的重要程度。【结果】全国小麦的HRY为3.83—6.75 t·hm-2，ARY为2.10—3.42 t·hm-2，GRY为1.73—3.33 t·hm-2，相对产量差占最高相对产量的44.64%—49.06%。小麦HRY、ARY和GRY均是华北区＞长江中下游区＞西北区＞西南区。玉米的HRY为6.53—8.20 t·hm-2，ARY为3.37—4.12 t·hm-2，GRY为3.16—4.08 t·hm-2，相对产量差占最高相对产量的44.78%—50.52%。玉米HRY、ARY和GRY均是东北区＞华北区＞西南区＞西北区。除华北区外，各个区域HRY和GRY均随监测时间的延长呈上升趋势。除西北区外，在低、中地力土壤上GRY随着氮肥施用量的增加而降低，而在高地力土壤上，下降不显著。华北区小麦和玉米、长江中下游区小麦和东北区玉米在低、中地力土壤均出现了氮肥施用平衡点。整体而言，在低、中地力土壤上，氮肥施用量和土壤有机质含量是影响小麦和玉米GRY相对重要的因子；高地力土壤上，钾肥用量对长江中下游和华北区的GRY影响较大，有机质含量对西北和西南区的GRY影响显著。【结论】土壤地力水平越高，施用氮肥降低相对产量差的效应越低，高地力土壤应适当减施氮肥。为保证作物增产的同时避免氮肥的浪费和环境风险，建议氮肥施用量不宜超过其平衡点，即华北平原低、中地力土壤上小麦氮肥推荐施用量分别为260.6和159.2 kg·hm-2，玉米分别为262.6和246.0 kg·hm-2；长江中下游区低、中地力土壤上小麦分别为199.5和187.5 kg·hm-2；东北区低、中地力水平土壤上玉米分别为259.5和228.0 kg·hm-2。西南区低、中地力和西北区低地力土壤，应适当增加氮肥投入。此外，长江中下游和华北区高地力土壤上还应注重施用钾肥，西北、西南区应当将提升土壤有机质作为增产的主要措施。

小麦；玉米；相对产量；相对产量差；氮肥

0 引言

【研究意义】小麦和玉米作为我国主要粮食作物，产量约占全国粮食总产量的59.9%[1]，在保障粮食安全中发挥重要作用。要满足不断增长的人口对粮食的需求，2030年我国粮食总产必须在现有基础上增加 40%以上，单产提高 45%以上，即年均增长率要达到 2.0%[2]。然而，近些年来主要粮食作物单产的增长率出现了停滞或下降的趋势[3]，生产潜力并没有得到完全发挥，潜在产量和实际产量的差距依然较大[4]。氮素是影响小麦、玉米产量最重要的限制因子[5]，氮肥施用在提高作物产量方面发挥着重要作用[6]。但是，与粮食高产的国家相比，我国小麦和玉米生产存在单产不高、氮肥投入过高的现象[7]，并由此导致了土壤酸化、面源污染、温室气体排放等环境恶化问题[8]。因此，深入探究小麦和玉米的产量潜力和产量差及其对氮肥的响应，对提升粮食生产能力、保障粮食和资源环境安全具有重要的现实意义。【前人研究进展】联合国粮农组织数据表明，肥料对全球粮食产量的贡献率为40%—60%[9]。我国学者也对肥料增产效果作了大量研究：何萍等[10]在北方七省的研究表明，氮肥、磷肥和钾肥分别使玉米增产1.89、0.95和0.97 t·hm-2，氮肥增产效果更明显；徐春丽等[11]对西南地区玉米施肥产量进行研究，发现2006—2018年间常规施肥贡献的相对产量平均为3.3 t·hm-2，相对产量潜力最高可达7.3 t·hm-2；LIU等[12]对2000—2008年间我国华北、长江中下游、西北地区小麦产量进行统计，得到这三个区域的相对产量分别为2.65、3.77和1.74 t·hm-2。总结发现，不同区域施肥对作物的增产效应存在较大差异，原因主要是土壤地力显著影响作物对养分的利用。曾祥明等[13]发现土壤基础地力提高，氮肥增产效果下降。因此在部分地区盲目增加氮肥用量，并不会使作物产量达到生产潜力，反而会造成一系列环境问题[14]。当前学者也关注对作物产量差的研究，多采用作物模型模拟法、田间试验产量和高产农户统计法来定量作物生产潜力，从而计算出产量差[15]。这种以绝对产量计算出的产量差受气候、作物管理措施、土壤肥力、病虫草害、水分供应等多种因素的影响，难以精准地找到限制因子从而缩小产量差。为此，本研究借鉴产量差这一概念，以相对产量代替绝对产量表征施肥的增产效应，最高相对产量代表某一地区单位面积土地上，在当前的气候条件及管理水平下，能够通过施肥引起的最大增产量，主要受肥料投入和地力水平的影响；相对产量差指农民通过施肥达到的实际增产量与最大增产量（最高相对产量）之间的差距，相对产量差表征施肥的增产潜力。【本研究切入点】我国小麦和玉米种植范围广，由于气候、种植制度和土壤类型的差异，导致不同地区相对产量及其影响因素差别较大。当前多数研究尺度范围和时间跨度较小，不能准确评估全国尺度小麦、玉米相对产量的时空演变规律；同时，由于没有引入相对产量差，未能回答各区域是否还可通过施肥来实现增产以及增产潜力的问题。氮肥投入有利于缩减相对产量差，而目前关于土壤基础地力、作物相对产量差和氮肥施用之间的关系仍不明确。【拟解决的关键问题】本研究基于农业农村部耕地质量监测近15—20年的田间试验数据，选取不施肥和农民常规施肥处理，用施肥区与无肥区小麦、玉米产量之差代表由肥料投入和由此引起的土壤性质改变所贡献的相对产量，并利用高产农户统计法量化最高相对产量、平均相对产量和相对产量差。从全国尺度上分析小麦和玉米相对产量差的时空变异特征及影响因素，进而探究不同地力水平下相对产量差对氮肥的响应，旨在更精准、有针对性地为氮肥的合理施用并实现小麦和玉米的高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

分析数据来源于1988年以来的农业农村部耕地质量监测田间试验数据。由于1998年以前的监测点位较少，可能无法代表各个区域当年的产量水平，故本研究选取1998—2019年间的监测数据进行分析。以小麦和玉米等旱地作物为主的监测点位主要分布在以下5个区域：华北区（北京、天津、河北、河南、山东和山西，270个点），西北区（内蒙古、陕西、甘肃、宁夏、青海和新疆，67个点），东北区（黑龙江、吉林和辽宁，240个点），长江中下游区（湖北、湖南、安徽、江苏、上海和浙江，137个点），西南区（重庆、四川、贵州、云南和广西，69个点），共计783个点位。华北和西南区为小麦-玉米轮作；西北除陕西为小麦-玉米轮作外其他省份为小麦或玉米单作，东北区为玉米单作，长江中下游区为水稻-小麦轮作。

各监测点位由我国农业部门综合考虑不同农业生产区的实际情况（包括土壤肥力、施肥、灌溉、种植类型和产量水平等）进行布置，且均由当地农技推广部门进行统一管理。同时，由于耕地属性和生产方式的变化，各区域的耕地监测也在不断进行动态调整，在全国尺度上具有较好的代表性和权威性。各监测点设置无肥区（不施入任何肥料）和常规施肥区（根据当地农民施肥习惯确定）两个处理，每个小区面积不低于 334 m2，为防止水肥横向转移，小区间用水泥板或者其他材料做挡板。不施肥处理和施肥处理除了肥料投入不同外，其他管理措施均相同。

1.2 数据收集和分析

每一季作物成熟后均采用去边行后实打实收的方法测定产量[16-17]。本研究以施肥区与无肥区作物产量之差代表由肥料投入和由此引起的土壤地力提升所贡献的相对产量（relative yield, RY, t·hm-2），并利用高产农户统计法量化最高相对产量（high relative yield, HRY, t·hm-2）、平均相对产量（average relative yield, ARY, t·hm-2）和相对产量差（relative yield gap, GRY, t·hm-2），相对产量差表征施肥的增产潜力。具体计算公式如下：

F-NF（1）

RY=（2）

式中，代表相对产量，F和NF分别代表施肥区和无肥区的作物产量，RY指相对产量差，代表最高相对产量，为该区域农户相对产量前5%的平均值[18]，代表平均相对产量，是该地区所有农户相对产量的平均值，上述指标的单位均为t·hm-2。基础地力水平根据无肥区产量来划分，前25%为高地力水平，后25%为低地力水平，中间50%为中地力水平[13]。统计数据表明，1998—2010年我国谷物的单位面积化肥用量持续上升且变异较大，2010年之后保持平稳且略有下降[19]，故用近10年（2010—2019年）的监测数据拟合相对产量差与氮肥施用量之间的关系，为当前氮肥合理施用量的推荐提供依据。

每年最后一季作物收获后，各监测点采集0—20 cm土层土样，按照全国农业技术推广服务中心《土壤分析技术规范》[20]测定土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等各项指标。

试验数据用Excel 2019整理，小麦和玉米相对产量差的年际变化及其对氮肥的响应均采用SigmaPlot14.0软件进行绘图和拟合，使用R 3.5.2中“随机森林（random forest）”软件包分析各因素对小麦和玉米相对产量差的贡献度。由于部分年份数据缺失和偏少的原因，仅华北区小麦和玉米相对产量差包含近20年（1998—2019年）的年际变化，其他区域均为近15年（2004—2019年）。

2 结果

2.1 小麦和玉米相对产量和相对产量差的时空变异特征

全国小麦的最高相对产量为3.83—6.75 t·hm-2，平均相对产量为2.10—3.42 t·hm-2，占最高相对产量的50.94%—55.36%。相对产量差为1.73—3.33 t·hm-2，占最高相对产量的44.64%—49.06%。从空间变异上来看，小麦最高相对产量和相对产量差均是华北区（6.75和3.42 t·hm-2）＞长江中下游区（5.79和2.70 t·hm-2）＞西北区（4.36和1.98 t·hm-2）＞西南区（3.83和1.73 t·hm-2）。从时间变化上来看，除华北地区的相对产量差变化趋势不显著外，各个区域小麦最高相对产量、平均相对产量和相对产量差均呈上升趋势（图1，＜0.05）。

全国玉米的最高相对产量为6.53—8.20 t·hm-2，平均相对产量为3.37—4.12 t·hm-2，占最高相对产量的49.48%—55.22%。相对产量差为3.16—4.08 t·hm-2，占最高相对产量的44.78%—50.52%。从空间变异上来看，玉米的相对产量和相对产量差均是东北区（8.20和4.08 t·hm-2）＞华北区（7.23和3.70 t·hm-2）＞西南区（6.82和3.22 t·hm-2）＞西北区（6.53和3.16 t·hm-2）。各个区域玉米的最高相对产量和相对产量差呈现显著上升的趋势（＜0.05），平均相对产量呈上升或不变的趋势（图2）。

2.2 不同地力水平下小麦和玉米相对产量差对氮肥的响应

根据无肥区产量划分不同地力水平，并进一步用线性和双直线模型拟合不同地力水平下小麦和玉米的相对产量差与氮肥用量的关系（图3和图4）。除西北地区外，其他区域中、低地力土壤的相对产量差随着氮肥用量增加而显著降低，低地力土壤上相对产量差下降幅度大，中地力土壤下降幅度小。通过方程拟合结果可知，部分区域出现了氮肥用量的平衡点，当施用量大于平衡点时，相对产量差趋于稳定，说明大于平衡点时较难通过提高氮肥用量进一步提高作物产量，故氮肥施用量不宜超过其平衡点。而在高地力土壤上，相对产量差与氮肥用量无显著相关性。

对小麦而言，华北低地力土壤氮肥施用的平衡点为260.6 kg·hm-2，对应的相对产量差为2.31 t·hm-2；中地力土壤氮肥施用的平衡点为159.2 kg·hm-2，此时相对产量差为4.00 t·hm-2。长江中下游低、中地力土壤氮肥施用的平衡点分别为199.5和187.5 kg·hm-2，对应的相对产量差分别为2.20和3.17 t·hm-2。而在西北和西南，小麦的氮肥用量未出现相应的平衡点。从线性模型的拟合结果来看，在西南地区氮肥对低地力土壤小麦相对产量差降低效应高于中地力土壤，在西北地区氮肥投入仅对低地力土壤的相对产量差有降低作用，与中地力土壤的相对产量差无显著相关性（图3）。

西北2013年和西南2015年小麦监测点位较少，不具有代表性，故图中无该年份数据

对玉米而言，华北低地力、中地力土壤上玉米氮肥施用的平衡点分别为262.5和246.0 kg·hm-2，对应的相对产量差分别为2.55和3.39 t·hm-2；东北低、中地力土壤上氮肥用量的平衡点分别为259.5和228.0 kg·hm-2，对应的相对产量差分别为2.98和4.85 t·hm-2。与小麦的结果类似，西北和西南地区玉米的氮肥投入量未出现平衡点，在西南地区氮肥对低、中地力土壤上玉米相对产量差均有降低效应，但在西北地区氮肥投入仅对低地力土壤的相对产量差有降低作用（图4）。

2.3 不同地力水平下影响小麦和玉米相对产量差的因素

对小麦而言，除西北中地力土壤外，其他低、中地力土壤上，氮肥施用量和有机质均显著影响相对产量差。同时，pH和钾肥用量分别是影响长江中下游地区低地力土壤和西南地区中地力土壤小麦相对产量差的重要因素。而在高地力土壤上，钾肥用量和有机质分别对长江中下游和西南地区小麦相对产量差的影响程度较大，其他区域各因素作用均不显著（图5）。

除西北中地力土壤外，其他低、中地力土壤上，氮肥施用量均对玉米相对产量差有显著影响。同时，有机质显著影响华北地区低地力和西北、西南地区低、中地力土壤的玉米相对产量差；而在东北地区，磷肥用量是低、中地力水平下影响相对产量差的重要因素。高地力水平下，钾肥用量和有机质分别对华北和西北地区玉米相对产量差的影响程度较大（图6）。整体而言，相较于其他指标，氮肥用量和有机质的重要性相对较高。

3 讨论

3.1 小麦和玉米相对产量及相对产量差时空差异分析

本研究基于近15—20年农业农村部耕地质量监测数据，从全国尺度上分析了小麦和玉米相对产量差的时空变异特征，结果表明，全国小麦的相对产量差为1.73—3.33 t·hm-2，占最高相对产量的44.64%—49.06%。全国玉米的相对产量差为3.16— 4.08 t·hm-2，占最高相对产量的44.78%—50.52%，说明小麦和玉米通过施肥的增产潜力均较大。前人研究表明，我国小麦的增产潜力为45%，玉米的增产潜力为52%[4]，与本研究结果相近。李勤英等[21]基于我国冬小麦14个站点近25年（1990—2015）农业气象站的观测资料，发现提高肥料投入的增产潜力为0.53—3.12 t·hm-2，接近于本研究中北方冬小麦的相对产量差（1.98—3.33 t·hm-2）。徐春丽等[11]对西南地区玉米施肥产量进行研究，发现2006—2018年间常规施肥贡献的相对产量平均为3.3 t·hm-2，与本研究中西南地区的玉米平均相对产量3.70 t·hm-2相近。

华北2006年玉米监测点位较少，不具有代表性，故图中无该年份数据

在区域上，华北的小麦和东北的玉米相对产量差最高（分别为3.33和4.08 t·hm-2），通过改善养分管理实现增产的潜力（分别为49.06%和50.52%）最大；而西南和西北的小麦增产潜力（分别为44.64%和45.04%）、玉米（分别为47.21%和44.78%）增产潜力较小。前人的研究也表明，目前东北地区玉米的实际产量仅达到产量潜力的50%左右[22]，虽然黑土地区较高的基础地力保证了玉米的高产和稳产，但施肥量的减少降低了施肥的增产效果[23]；华北平原小麦产量潜力平均为8.1 t·hm-2，而农户实际产量仅达到潜在产量的56%[24]，黄少辉等[25]认为华北地区产量差大的主要原因为氮肥利用效率低，通过配方施肥可缩减产量差高达3.86 t·hm−2。西北地区较为干旱，水分是限制当地小麦和玉米产量的主要因子，故仅靠肥料投入来实现增产的潜力较小[26]。西南地区土壤供肥能力差，导致小麦和玉米增产潜力低。有研究表明西南地区旱地土壤有机质含量在近20年间呈稳中有降趋势[16]，且该区域氮肥、磷肥偏生产力较低[17,27]。从时间变异上看，各区域小麦和玉米的相对产量差均随着时间出现了不同程度的扩大趋势，这说明多数农户小麦和玉米平均相对产量增加速度小于高产农户相对产量增长速度，原因可能是部分区域基础设施水平低、肥料利用率低等。

T1和T2分别代表低、中地力土壤上的氮肥施用平衡点。图4同

图4 不同地力水平下玉米相对产量差与氮肥用量的关系

氮肥用量（NF）、磷肥用量（PF）、钾肥用量（KF）、土壤有机质含量（SOM）、有效磷含量（AP）、速效钾含量（AK）、全氮含量（TN）。*表示P＜0.05，**表示P＜0.01。图6同

图6 不同地力水平下各因素对玉米相对产量差的重要性分析

3.2 不同地力水平下小麦和玉米相对产量差对氮肥响应的差异

随着土壤地力的提高，土壤地力对产量的贡献率逐渐提高，对化肥的依赖程度逐渐降低。本文结果表明，对低、中地力土壤来说，小麦和玉米相对产量差随着氮肥用量的增加而降低，低地力水平上产量差下降幅度大，中地力水平下降幅度小。而在高地力土壤上，相对产量差随氮肥施用量的变化趋势不显著。这说明，土壤地力水平越高，供氮量越高，作物对土壤氮的依赖性越高，相应对肥料氮的依赖性越低，从而降低氮肥的增产效应。

此外，本研究发现部分区域（华北、东北和长江中下游）的低、中地力土壤上出现了氮肥施用量的平衡点，当施用量大于平衡点时，相对产量差趋于稳定，说明仅通过增施氮肥很难进一步提高产量，基于氮肥平衡点，可为相应区域推荐合理的氮肥用量，实现最大限度提高产量的同时避免氮肥的浪费和环境污染。对于小麦而言，氮肥施用量的平衡点在159.2—260.6 kg·hm-2之间；玉米氮肥施用量的平衡点在228.0—262.5 kg·hm-2之间。武良[28]总结了2005—2010 年农业农村部在全国组织实施的“3414”田间试验数据，提出各小麦主产区的推荐氮肥用量为108—199 kg·hm-2，玉米的推荐氮肥施用量为147—204 kg·hm-2。与之相比，本研究推荐的施氮量偏高，可能的原因包括：本研究是基于农业农村部的全国耕地质量监测平台，常规施肥区根据农户习惯确定氮肥用量，此用量一般高于测土配方施肥施用量；本文的推荐施肥量针对的是低、中地力土壤，有机质和土壤养分匮乏，合理增施氮肥可显著提高产量。西南地区低、中地力水平下，小麦和玉米的相对产量差随氮肥用量的升高而降低，且并未出现明显的平衡点，可通过合理增施氮肥实现增产。西北地区氮肥投入仅对低地力水平下的相对产量差有降低作用，与中地力土壤的相对产量差无显著相关性，进一步分析表明有机质是调控该区域小麦和玉米相对产量差的重要因素（图5和图6），这说明西北地区土壤有机质偏低，养分保蓄和供给能力差影响了氮肥的增产作用，应考虑增施有机肥。而高地力土壤上，随着氮肥用量增加，相对产量差几乎不变，应合理减施氮肥，减少资源浪费和环境风险。

3.3 不同地力水平下影响小麦和玉米相对产量差时空变化的因素

施肥是影响小麦和玉米相对产量差的主要因素。有关肥料投入对作物产量的调控作用已得到大量证实[29-30]。本研究结果表明，低、中地力水平下，除西北外，氮肥用量是影响其他区域小麦和玉米相对产量差的主要因子，这充分说明了施用氮肥对低、中地力土壤上粮食增产的重要意义。李勤英等[21]和CAO等[31]的研究均表明，氮肥用量是影响小麦产量差的最主要因素。然而，随着地力水平的提升，氮肥增产效率下降[13]。本文研究也表明，高地力水平下，氮肥用量并未显著影响各区域相对产量差，而钾肥用量对长江中下游小麦和华北玉米的相对产量差影响程度较大，说明在这两个区域的高地力土壤上提高氮肥投入已经无法达到增产效果，科学增施钾肥是提高产量的关键措施。长江中下游土壤钾素背景值较低[32]，在土壤基础地力已经较高的情况下，钾肥的增产效果更明显；而华北虽然钾素的背景值较高，但农民容易忽略钾肥的施用，前期也有研究表明钾肥在华北的增产效果较为显著[16,33]。因此，合理增施钾肥配合秸秆还田有利于提高长江中下游和华北高地力水平下作物的相对产量。

土壤是作物生产的基础，作物产量潜力和水肥调控的稳定发挥依赖良好的土壤条件。本研究结果表明，除东北外，其他区域的低、中地力土壤上，有机质均是影响相对产量差的重要因素，且在土壤较为贫瘠的西北和西南地区，有机质还显著影响高地力水平下的相对产量差。汤勇华等[34]、黄少辉等[35]对北方冬小麦基础地力和产量的研究也表明土壤有机质是影响产量差的重要因素。QIAO等[36]认为，我国玉米产量差主要来源于较低的土壤质量，而有机质是影响土壤质量产量差最重要的因子。有机质含量高的土壤一般含有较丰富的植物所需要的各种营养元素，且土壤物理结构较好，土壤微生物多样性较高[37]，使得土壤对产量贡献程度更高。同时，pH也是影响长江中下游低地力土壤小麦相对产量差的重要因素。蔡泽江等[38]依托南方红壤长期定位试验，得出pH降低使得作物遭受铝毒、吸收氮磷钾元素降低，造成减产的结论。同时，pH降低伴随着的碱解氮、有效钾、交换性钙等营养元素浓度的降低也是导致作物减产的主要原因[39]。本文结果表明，施肥和土壤养分均是影响小麦和玉米相对产量差的重要因素。然而，土壤和施肥管理之间的相互作用及其与作物产量的关系并没有被深入理解，还需要进一步研究。

4 结论

全国小麦和玉米的相对产量差分别为1.73—3.33和 3.16—4.08 t·hm-2。近15—20年，除华北地区外，其余区域的小麦和玉米相对产量差均呈逐年上升的趋势。华北地区的小麦和东北地区的玉米相对产量差最高，增产潜力大；而西南地区、西北地区小麦和玉米增产潜力较小。

氮肥施用量和土壤有机质是影响低、中地力水平下作物相对产量差的重要因素。地力水平越高，氮肥缩减相对产量差的效应越低。通过模型拟合，本研究明确了华北、东北和长江中下游地区的低、中地力土壤上氮肥施用量的平衡点。西南地区低、中地力水平下，小麦和玉米的相对产量差随氮肥用量的升高显著降低，可适当增加氮肥投入提高产量。西北地区氮肥施用量对相对产量差影响较西南地区的小，有机质是调控该区域小麦和玉米相对产量差的重要因素，建议增施有机肥。而高地力土壤上，施用氮肥对相对产量差无显著影响，建议合理减施氮肥，减少资源浪费和环境风险，长江中下游和华北高地力土壤上还应注重施用钾肥以达到增产稳产效果。

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Spatial-Temporal Variation of Relative Yield Gap of Wheat and Maize and Its Response to Nitrogen Fertilizer in China

1State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Cultivated Land Quality Monitoring and Protection Center, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125;3Jiangxi Institute of Redoil/National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Jinxian 331717, Jiangxi;4Red Soil Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences in Hengyang/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Hunan, Qiyang 426182, Hunan

【Objective】This study aimed to explore the spatial-temporal variation characteristics and influencing factors of relative yield gap of wheat and maize in China during the past 15-20 years and the response of relative yield gap to nitrogen fertilizer under different soil productivity levels, so as to provide a theoretical basis for rational application of nitrogen fertilizer and the realization of high and stable yield of wheat and maize.【Method】Based on the long-term monitoring database, the difference of wheat and maize yield between fertilized area and non-fertilized area was used to represent the relative yield (RY). The highest relative yield (HRY), the average relative yield (ARY) and the relative yield gap (GRY) were obtained by using the statistical of high-yielding households, the effects of fertilization and soil factors on the relative yield gap were determined used the random forest model, and soil productivity level was divided according to the yield of non-fertilized area. The relationship between the relative yield gap of wheat and maize and nitrogen application rate under different soil productivity levels was quantified.【Result】HRY of wheat in China was 3.83-6.75 t·hm-2, ARY was 2.10-3.42 t·hm-2, and GRYwas 1.73-3.33 t·hm-2, GRYaccounting for 44.64%-49.06% of HRY. HRY, ARY and GRYof wheat were north China＞middle-lower Yangtze Plain＞northwest China＞southwest China. HRY of maize in China was 6.53-8.20 t·hm-2, ARY was 3.37-4.12 t·hm-2, and GRYwas 3.16-4.08 t·hm-2, GRYaccounting for 44.78%-50.52% of HRY. HRY, ARY and GRYof maize were northeast China＞north China＞southwest China＞northwest China. Except for north China, HRY and GRYof wheat and maize increased with time. Except in northwest China, the GRYdecreased with the increase of nitrogen application rate in low and medium soil productivity, and the decrease amplitude was more significant in low soil productivity level, while the decrease of GRYwith nitrogen application rate in high soil productivity was not significant. Regionally, the balance points of nitrogen fertilizer application were found in wheat and maize in North China, wheat in middle-lower Yangtze Plain, and maize in northeast China at low and medium soil productivity. Overall, the nitrogen application rate and soil organic matter were relatively important influencing factors of GRYfor wheat and maize at low and medium soil productivity. Potassium application had a significant impact on the GRYin middle-lower Yangtze Plain and north China, while organic matter had a significant impact on the GRYin the northwest and southwest China under high soil productivity. 【Conclusion】N application and soil organic matter were important factors affecting the relative yield gap. The higher soil productivity level, the lower the effect of nitrogen fertilizer on reducing the relative yield gap. N fertilizer should be reduced appropriately in high productivity soil. In order to increase yield and avoid the waste of resource and environmental risks, it was suggested that the application rate of nitrogen fertilizer should not exceed its balance point. The recommended application rates of nitrogen fertilizer were 260.6 and 159.2 kg·hm-2for wheat and 262.5 and 246.0 kg·hm-2for maize at low and medium productivity levels in north China, respectively. In the middle-lower Yangtze Plain, 199.5 and 187.5 kg·hm-2were recommended for nitrogen application at low and medium productivity levels, respectively. In northeast China, the recommended amount of N fertilizer application was 259.5 and 228.0 kg·hm-2, respectively. Under low and medium productivity levels in southwest and northwest China, N fertilizer should be appropriately increased. The potassium fertilizer reasonable application should be paid more attention at high soil productivity in north China and middle-lower Yangtze Plain. The improvement of soil organic matter should be as the main measures to achieve high and stable yields in southeast and southwest China.

wheat; maize; relative yield; relative yield gap; nitrogen fertilizer

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.14.008

2022-07-11；

2022-11-15

国家自然科学基金（41671301）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（GY2022-13-5、G2022-02-2、G2022-02-3、G2022-02-10）、江西省重点研发计划项目（20202BBFL63006）、江西省“双千计划”项目（jxsq2020102116）、国家绿肥产业技术体系（CARS-22-Z09）

申哲，E-mail：18211097094@163.com。通信作者张会民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（责任编辑 李云霞）