全 文 ：氮肥施用对冬小麦产量、品质和氮素表观损失
的影响研究 3
崔振岭1 　石立委2 　徐久飞2 　李俊良2 　张福锁1 　陈新平1 3 3
(1 中国农业大学资源与环境学院 ,北京 100094 ;2 莱阳农学院农学系 ,莱阳 265200)
【摘要】　通过田间小区试验 ,对施用氮肥造成的冬小麦产量、品质和环境效应进行了研究. 结果表明 ,4 个
试验点最高产量施 N 量分别为 0、0、79 和 118 kg·hm - 2 ,最高籽粒粗蛋白质含量施 N 量分别为 122、100、
127 和 174 kg·hm - 2 ,小麦收获后 0～90 cm 土壤剖面硝态氮残留量随施 N 量的增加呈极显著线性增加 ,
而 N 表观损失则呈指数增加. 在最高产量施 N 量条件下 ,小麦收获后 0～90 cm 土层硝态氮残留保持 86～
115 kg·hm - 2 ,N 表观损失为 2～32 kg·hm - 2 ,低于最高籽粒粗蛋白含量施 N 量时的土壤剖面硝态氮残留
量 (106～168 kg·hm - 2)和 N 表观损失量 (14～56 kg·hm - 2) . 综合考虑冬小麦产量、品质和环境安全 ,最高
产量施 N 和氮肥施用的环境效应可以通过优化施 N 进行协调.
关键词 　优化氮肥管理 　土壤硝态氮残留 　N 表观损失 　粗蛋白含量
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 11 - 2071 - 05 　中图分类号 　S14311 　文献标识码 　A
Effects of N fertilization on winter wheat grain yield and its crude protein content and apparent N losses. CU I
Zhenling1 ,SHI Liwei2 , XU Jiufei2 ,L I J unliang2 , ZHAN G Fusuo1 , CHEN Xinping1 (1 College of Resource and
Envi ronmental Sciences , China A gricultural U niversity , Beijing 100094 , China ; 2 Depart ment of A gronomy ,
L aiyang College of A gronomy , L aiyang 265200 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (11) :2071～2075.
Field experiments were conducted at four sites in 2002 to study the effects of N fertilization on winter wheat
yield and its crude protein content and apparent N losses. The results showed that at these sites ,the N application
rate for maximum grain yield was 0 ,0 ,79 and 118 kg·hm - 2 ,and that for maximum grain crude protein content
was 122 ,100 ,127 and 174 kg·hm - 2 ,respectively. The residual nitrate2N content in 0～90 cm soil layer after
harvest was linearly increased ,while the apparent N losses during wheat growth season was exponentially in2
creased with increasing N application rate. Under the N application rate for maximum yield ,soil residual nitrate2
N content ranged from 86 to 115 kg·hm - 2 and apparent N losses ranged from 2 to 32 kg·hm - 2 ,which were
much lower than the residual nitrate2N content (106～168 kg·hm - 2) and apparent N losses(14～56 kg·hm - 2)
when the maximum grain crude protein content was achieved. The results showed that the maximum wheat grain
yield and the environment effects of N fertilization could be harmonized by an optimized N application rate ,but ,
if considering the importance of wheat grain protein ,more research in the future should be needed.
Key words 　Optimized N management , Soil nitrate2N content , Apparent N losses ,Crude protein content .3 国家自然科学基金项目 (30390084 ,30270772) 、国家重点基础研究
发展规划项目 ( G1999011808)和国家“十五”科学技术攻关重大专项
资助项目 (2002BA516A02) .3 3 通讯联系人.
2004 - 11 - 30 收稿 ,2005 - 03 - 25 接受.
1 　引 　　言
冬小麦作为我国华北平原最重要的粮食作物之
一 ,在国家粮食安全中具有举足轻重的地位. 不断增
加水肥特别是氮肥的投入 ,是该地区 30 年来小麦单
产不断提高的重要措施之一. 然而近年来研究表明 ,
华北平原冬小麦生产中氮肥施用的增产效果趋于降
低 ,而氮肥对环境的污染趋于加重. 在华北平原的高
产地区 ,如山东省桓台县和河南省温县 ,小麦、玉米
轮作周期的施 N 量分别为 652 和 587 kg·hm - 2 ,其
中大部分氮肥施在小麦季[6 ] . 我们在山东惠民县
(中产地区)的实地调查结果也表明 ,农民在冬小麦
季的习惯施 N 量为 369 kg·hm - 2 ,远远超过了作物
达到当前产量的 N 需求量. 过量的施 N 造成山东、
河南等地严重的地下水硝酸盐污染[6 ] .
发达国家减少氮肥污染的主要对策除了改进施
肥技术和方法外 ,适当降低产量目标以减少氮肥施
用量是常用措施. Sexton 等[15 ]研究认为 ,达到最高
产量 95 %的施 N 量为兼顾玉米产量、经济效益和生
态效益的施 N 量. 我国人多地少 ,只有逐年提高作
物单产 ,才能缓解土地日益减少而人口逐年增长引
起的对粮食需求的压力. 因此 ,在提高施肥的增产效
应和经济效益的同时 ,最大限度地降低施肥对环境
的负面作用 ,成为我国农业可持续发展的必然要求 ,
应 用 生 态 学 报 　2005 年 11 月 　第 16 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Nov. 2005 ,16 (11)∶2071～2075
而建立一套高产高效与环境保护等多目标并重的推
荐施肥方法 ,是解决这一问题的关键[4 ] . Raun 等[14 ]
提出了土壤2植物系统对土壤剖面硝态氮累积起缓
冲作用的概念 ,即土壤2植物系统能够在达到最高产
量施 N 量时 ,抑制土壤剖面硝态氮的累积. 国内学
者也提出兼顾产量、经济和生态效益的安全合理施
N 量或生态适宜施 N 量的概念[5 ,19 ,20 ] . 然而 ,在相
当多的生产条件下 ,获得作物高产和减少 N 淋洗存
在一定的矛盾. N 淋洗往往随施 N 量增加而增
加[11 ,12 ] . 另外 ,随着产量水平的提高和人们生活水
平的改善 ,小麦蛋白质含量等品质指标越来越受到
人们的重视. 有关施 N 增加冬小麦产量和籽粒蛋白
质含量的报道很多 ,但产量与籽粒蛋白质能否同步
达到最高值的研究结果却很不一致[8 ,17 ,23 ] . 为此 ,
本研究通过多点不同 N 水平的田间试验 ,对施用氮
肥造成的冬小麦产量、品质和环境效应进行了初步
探讨 ,以期为冬小麦氮肥的合理施用提供理论依据.
2 　材料与方法
试验于 2002 年 10 月～2003 年 6 月在山东惠民淄角镇
闫家河村 ( YH1 和 YH2)和西李村 (XL1 和 XL2) 进行. 供试土
壤均为壤质潮土 ,试验地的基本理化性状见表 1. 冬小麦于
2002 年 10 月 3～10 日播种 ;2003 年 4 月 6～9 日拔节期施
肥灌水 ;6 月 7～13 日收获. 小麦品种 YH1 和 XL2 为鲁麦 23
改良系 , YH2 为滨麦 6 号 ,XL1 为淄麦 12.
表 1 　试验地基本理化性状
Table 1 Chemical properties of the soil at four experimental sites
地点
Sites
有机质
Organic
matter
(g·kg - 1)
全氮
Total
N
(g·kg - 1)
速效磷
Olsen2P
(mg·kg - 1)
交换性钾
NH4Ac2K
(mg·kg - 1)
土壤剖面无机氮
Soil mineral N (kg·hm - 2)
0～30 cm 30～60 cm 60～90 cm 0～90 cm
YH1 10115 0170 12 101 77 61 74 212
YH2 10116 0178 15 116 73 61 84 218
XL1 12146 0175 20 104 54 57 54 165
XL2 10111 0188 12 131 42 44 39 125
　　试验为裂区设计 ,在高土壤 Nmin残留地块 ( YH1 和 YH2)
设 3 个基肥水平 ,即播前 0～30 cm 土壤供 N 水平 (土壤剖面
无机氮 + 化学氮)为 75、100 和 125 kg·hm - 2 . 在播前测定土
壤剖面无机氮含量 ,不足部分由化学氮肥补齐. 土壤供 N 水
平 75 kg·hm - 2实际上设为不施 N 处理. 在低土壤 Nmin残留
地块 (XL1 和 XL2) 设 3 个基肥水平 ,即播前 0～30 cm 土壤
供 N 水平为 50、75 和 100 kg·hm - 2 ,不足部分由化学氮肥补
齐 ,土壤供 N 水平 50 kg·hm - 2实际上设为不施 N 处理. 每
个基肥水平在冬小麦拔节期分为 4 个裂区 ,分别追 N 0、50、
100 和 150 kg·hm - 2 ,因此每个试验都是 3 ×4 = 12 个处理 ,4
次重复 ,共计 48 个小区. 小区面积 40 m2 ,播前施用 120
(P2O5)和 90 kg·hm - 2 ( K2O) 作为底肥 ,基施 N 肥为播前撒
施后翻耕 ,追肥为冬小麦拔节期撒施后灌水. 试验所用氮、
磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾. 小麦播种量为 225
kg·hm - 2 ,行距为 20～25 cm. 冬小麦播种时没有灌水 ,冬前
除 YH2 点没有灌水外 ,其它田块灌水 100 mm. 由于 2003 年
4 月份降雨过多 ,除 XL2 点在小麦拔节和灌浆各灌 1 次水
外 ,其它试验只在拔节期结合施肥灌水 100 mm.
在冬小麦收获期每小区取长势均匀的 1 m2 样方 2 个 ,
收获脱粒后烘干计产 (冬小麦籽粒产量以 15 %水分计) . 同
时取 2 个 1 m 样段地上部植株 ,烘干后脱粒 ,计算收获指数 ,
通过籽粒产量和收获指数计算小麦茎秆产量. 烘干的籽粒和
茎秆样品粉碎后混合均匀 ,H2 SO42H2O2 联合消煮 ,凯式定氮
法测定样品的全 N 含量.
在冬小麦播前和收获后 ,每小区取 3 个点土壤样品 ,取
样深度为 0～30、30～60 和 60～90 m. 新鲜土样带回实验室
后立即过 5 mm 筛 ,充分混匀后取 2010～3010 g 放入铝盒
中 ,105 ℃下烘干测定土壤水分 ,另取 1210 g 鲜土 ,加入 100
ml 0101 mol·L - 1CaCl2 浸提液振荡 60 min ,过滤后采用流动
分析 ( TRAAS22000)法测定土壤硝态氮和铵态氮. 本文中使
用的有关计算公式为 :N 表观矿化 (kg·hm - 2) = 不施 N 区地
上部吸 N 量 + 收获后土壤 Nmin - 播前土壤 Nmin ;N 表观损失
(kg·hm - 2) = 播前 Nmin + 施 N 量 + 表观矿化量 - 施 N 区地
上部吸 N 量2收获后 Nmin ,其中土壤 Nmin以 0～90 cm 土层为
准 ;籽粒粗蛋白含量 ( %) = 籽粒全 N 含量 ×517
试验数据均采用 Excel 进行处理 ,回归分析采用 SAS
6112 程序[3 ] .
3 　结果与分析
311 　氮肥施用对冬小麦籽粒产量的影响
在 YH1 和 YH2 试验点 ,施 N 对冬小麦籽粒产
量没有任何影响 ,这与两试验点播前土壤无机氮过
高 (0～90 cm 土壤剖面无机氮含量分别为 212 和
218 kg·hm - 2)有关. 在 XL1 和 XL2 试验点 ,在一定
施 N 量范围内冬小麦籽粒产量随施 N 量增加而增
加 ,当施 N 量增加到一定量时 ,产量不再随施 N 量
的增加而增加. 线性 + 平台模型可以很好地拟合
XL1 和 XL2 试验点冬小麦籽粒产量对施 N 量的反
应 ,其最高产量施 N 量分别为 79 和 118 kg·hm - 2
(图 1) .
312 　氮肥施用对冬小麦籽粒粗蛋白质含量的影响
在一定施 N 量范围内 ,冬小麦籽粒粗蛋白含量
随施 N 量的增加呈线性增加 ,当施 N 量达到一定量
后 ,籽粒粗蛋白含量不再随施 N 量的增加而增加.
其最高籽粒粗蛋白含量施 N 量分别为 122、100、127
和 174 kg·hm - 2 ,高于小麦最高产量施 N 量. 小麦
籽粒粗蛋白含量最低保持在 10 %～11 % ,在最高产
量施 N 量时 ,籽粒粗蛋白含量为 12 %～13 % ,若继
续增加施N量 ,籽粒粗蛋白含量最高可达13 %～
2702 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
图 1 　氮肥施用对冬小麦籽粒产量的影响
Fig. 1 Effect of N application on the grain yield of winter wheat in four
experiments.
图 2 　氮肥施用对冬小麦籽粒粗蛋白含量的影响
Fig. 2 Effect of N application on the grain crude protein content of win2
ter wheat in four experiments.
14 %(图 2) .
313 　氮肥施用对土壤剖面硝态氮残留量的影响
冬小麦收获后 0～90 cm 土层剖面硝态氮残留
量随施 N 量的增加呈极显著线性增加 (图 3) . 相同
施 N 量条件下 , YH1 和 YH2 试验点的土壤残留硝
态氮量要高于 XL1 和 XL2 试验点. 根据土壤硝态氮
残留量与施 N 量关系 ,在最高产量施 N 量条件下 ,
YH1 、YH2 、XL1 和 XL2 试验点冬小麦收获后 0～90
cm 土壤硝态氮残留量分别为 87、111、86 和 115 kg·
hm - 2 ;在最高籽粒粗蛋白含量施 N 量条件下 ,冬小
麦收获后土壤硝态氮残留量分别为159、168、106和
图 3 　氮肥施用对 0～90 cm 土层硝态氮残留量的影响
Fig. 3 Effect of N application on residual nitrate2N content in 0～90 cm
soil layer.
154 kg·hm - 2 ,高于最高产量施 N 量时的土壤硝态
氮残留量.
314 　氮肥施用对 N 表观损失的影响
从 N 表观损失与施 N 量的关系可以看出 ,在低
施 N 量范围内 ,施 N 并没有大幅度地增加 N 表观
损失量 ,只有当施 N 量超过一定范围后 ,N 表观损
失才会急剧增加 ,指数模型可以很好的模拟 N 表观
损失与施 N 量的关系. 根据 N 表观损失与施 N 量
关系式 ,在最高产量施 N 量条件下 , YH1 、YH2 、XL1
和 XL2 试验点 N 表观损失分别为 32、13、2 和 18 kg
·hm - 2 ;在最高籽粒粗蛋白含量施 N 量条件下 , N
表观损失分别为 56、34、14 和 29 kg·hm - 2 ,远高于
最高产量施 N 量时的 N 表观损失.
315 　产量、品质和环境综合效应
协调作物高产、优质和环境保护的施 N 量一直
是氮肥推荐研究的热点和难点. 由图 5 可以看出 ,在
高 Nmin残留土壤上 ( YH1 和 YH2 点) ,土壤供 N 量
(包括播前土壤无机氮和小麦生育期 N 表观矿化
量)为 236 kg·hm - 2 ,施用氮肥仅能在一定范围内提
高小麦籽粒粗蛋白含量 ,并不能增加产量 ,但会造成
N 表观损失量的急剧上升 ;在低 Nmin残留土壤上
(XL1 和 XL2 点) ,土壤供 N 量 (包括播前土壤无机
氮和小麦生育期 N 表观矿化量) 为 175 kg·hm - 2 ,
在一定范围内施用氮肥对作物增产和提高籽粒粗蛋
白含量具有明显的效果 ,且 N 表观损失量不高 ,但
如果过量施 N ,仍能造成 N 表观损失的急剧增加
(图 5) .
370211 期 　　　　　　　　　　崔振岭等 :氮肥施用对冬小麦产量、品质和氮素表观损失的影响研究 　　　　　　　　　　　
图 4 　氮肥施用对 N 表观损失量的影响
Fig. 4 Effect of N application on apparent N losses in four experiments.
图 5 　不同 Nmin土壤条件下氮肥施用的产量、品质和环境效应
Fig. 5 Integrated effects of N fertilization on wheat grain yield , quality
and environment under the condition of different soil N min.
a)高 Nmin残留土壤 High residual Nmin soil ; b) 低 Nmin残留土壤 Low
residual Nmin soil. 1)相对产量 Relative yield ;2) 籽粒粗蛋白含量 Grain
crude protein content ;3) N 表观损失量 Apparent N losses.
4 　讨 　　论
研究表明 ,因灌溉不当或夏季集中降雨造成的
土壤硝态氮淋失是我国华北平原 N 损失的重要途
径之一[4 ] . 土壤硝态氮淋失量主要受到土壤剖面中
可溶性 N 数量和分布的影响[1 ,10 ] . 土壤剖面中可溶
性 N 数量和分布又受到施 N 量[2 ]和灌水量[9 ]的影
响. 从环境安全角度而言 ,作物收获后土壤硝态氮残
留越少越好 ,但实际上为了保证作物的正常生长 ,土
壤硝态氮不可能无限制地减少. 因此 ,氮肥推荐的原
则是将作物生长期间或收获后根层土壤无机氮保持
在一个合理的范围 ,上限不足以引起 N 大量的淋洗
损失 ,下限不至于影响作物的正常生长. 在本研究
中 ,最高产量施 N 量条件下 ,小麦收获后 0～90 cm
土层硝态氮残留保持在 86～115 kg·hm - 2 ,与欧盟
规定大田作物收获后 0～90 cm 土壤硝态氮不超过
90～100 kg·hm - 2的标准[7 ]相近 ,保证了小麦季低
的 N 表观损失量 (2～32 kg·hm - 2) ,避免了下茬作
物生育期内 N 大量淋失的可能.
Macy 将作物产量与籽粒 N 浓度的关系归结为
3 个阶段 ,在 N 极度缺乏阶段 ,增加氮肥用量 ,提高
作物产量 ,但对籽粒 N 浓度没有影响 ;继续增加氮
肥用量 ,则作物产量和籽粒 N 浓度共同增加 ;如果
再增加氮肥用量 ,产量不再变化 ,而籽粒 N 浓度仍
旧增加[13 ] . 有关兼顾小麦高产和优质适宜施 N 量
的研究很多[7 ,16 ,21 ,22 ] ,但不同研究者所获得的施 N
量并不一样 ,这主要是受到土壤、气候条件、栽培管
理和小麦品种的影响. 在本研究条件下 ,最高产量施
N 时小麦籽粒粗蛋白浓度保持在 12 %～13 % ,若继
续增加施 N 量 ,籽粒粗蛋白含量最高可达到 13 %～
14 % ,而此时土壤剖面硝态氮残留量和 N 表观损失
都将增加. 对于普通小麦而言 ,在环境安全的前提
下 ,追求产量和经济效益的最大化应是首选 ;对于优
质小麦而言 ,则应进一步从氮肥分配方面着手 ,探讨
产量、品质和环境协调的可能性. 研究表明 ,产量相
近而籽粒蛋白质含量差异较大的小麦品种 N 吸收
的差异主要表现在开花后[18 ] ,前 N 后移或后期补
氮将有助于小麦后期的 N 吸收 ,增加产量和籽粒蛋
白质含量[21 ] .
研究结果表明 ,在本研究条件下 ,达到冬小麦最
高产量时的施 N 量和 N 表观损失都较低 ,而如果要
达到最高蛋白质含量 ,施 N 量和 N 损失都会显著增
加. 若想减少 N 用量和 N 损失 ,必须在后期的 N 调
控上进行更深入的研究. 土壤初始无机氮含量对优
化氮肥用量具有极大的影响 ,在协调作物产量、品质
和环境效应的氮肥管理中是必须考虑的一个重要因
素.
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作者简介 　崔振岭 ,男 ,1978 年生 ,博士生. 主要从事养分资
源管理方面的研究. E2mail :cuizl @cau. edu. cn
570211 期 　　　　　　　　　　崔振岭等 :氮肥施用对冬小麦产量、品质和氮素表观损失的影响研究