中國玉米百千克籽粒地上部吸氮量的空間差異及驅(qū)動(dòng)因素

王丹丹，陳煥軒，張翀，巨曉棠

中國玉米百千克籽粒地上部吸氮量的空間差異及驅(qū)動(dòng)因素

王丹丹，陳煥軒，張翀，巨曉棠

海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，?？?570228

【目的】定量中國不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和不同產(chǎn)量水平條件下的玉米百千克籽粒地上部吸氮量（N100），分析氣候、土壤、品種和施肥因素對玉米N100的影響，為確定合理施氮量提供科學(xué)依據(jù)。【方法】將中國分為東北、西北、華北平原、長江中下游平原、西南和東南6大農(nóng)作區(qū)，搜集1980—2022年發(fā)表的349篇符合要求的文獻(xiàn)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析不同區(qū)域和不同產(chǎn)量水平條件下的玉米N100，并分析采用統(tǒng)一和區(qū)域化的N100計(jì)算出的理論施氮量差異，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（pearson correlation coefficient）、隨機(jī)森林（random forest）模型和整合分析（Meta-analysis）方法分析氣候、土壤和施肥因素對玉米N100的影響，揭示導(dǎo)致中國玉米N100空間差異的原因?！窘Y(jié)果】優(yōu)化處理?xiàng)l件下，中國春玉米N100顯著低于夏玉米，分別為2.21和2.46；不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米N100存在顯著差異，分別為2.19（東北春玉米）、2.12（西北春玉米）、2.54（西北夏玉米）、2.45（華北夏玉米）、2.77（長江中下游春玉米）、2.38（長江中下游夏玉米）和2.39（西南玉米區(qū)）。依據(jù)本研究全國玉米平均N100（2.34）計(jì)算的理論施氮量與采用區(qū)域化的N100計(jì)算得到的理論施氮量相差-22—31 kg N·hm-2。地上部吸氮量、產(chǎn)量、年均氣溫是影響玉米N100的最重要因素；N100隨產(chǎn)量增加呈顯著二次曲線降低的趨勢（＜0.01），籽粒產(chǎn)量可以很好地預(yù)測N100；品種顯著影響玉米N100，中國常見的玉米品種鄭單958、先玉335和登海605的N100分別為2.42、2.12和2.39，新品種玉米N100顯著低于老品種。施用氮肥顯著增加了玉米N100，且在施氮量200—300 kg N·hm-2時(shí)，施氮肥引起的N100增加效應(yīng)最大。單施緩控釋肥、深施氮肥、減少氮肥基施比例以及增加施氮次數(shù)均顯著增加了玉米N100?！窘Y(jié)論】在利用N100進(jìn)行合理施氮量計(jì)算時(shí)，需要考慮不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)N100的顯著差異，以得到更加準(zhǔn)確的推薦施氮量，玉米N100的驅(qū)動(dòng)因素主要為作物地上部吸氮量、產(chǎn)量和年均氣溫的變異。

玉米；百千克籽粒地上部吸氮量；產(chǎn)量水平；合理施氮量；農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)

0 引言

【研究意義】玉米是重要的谷類作物，在糧食安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。玉米產(chǎn)量約占中國糧食總產(chǎn)量的40%，是播種面積最大的糧食作物[2]。施用化肥，特別是氮肥，是保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，氮肥對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成起著關(guān)鍵作用[3-4]。不合理施氮不僅難以提高玉米產(chǎn)量，還會(huì)造成環(huán)境污染，危害糧食安全[5]。因此，研究確定兼顧糧食高產(chǎn)和環(huán)境友好的合理施氮量推薦方法具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】為確定合理施氮量，前人提出了一系列方法，可概括為土壤和/或植株測試類方法，以田間氮肥試驗(yàn)為基礎(chǔ)的肥料效應(yīng)函數(shù)法[6]。由于缺乏有效測試指標(biāo)、推薦結(jié)果在時(shí)間和空間上的適用性受限等原因，導(dǎo)致上述方法難以在實(shí)際中應(yīng)用?；陂L期研究和總結(jié)，朱兆良[6]提出了區(qū)域平均適宜施氮量的概念和方法。區(qū)域平均適宜施氮量雖然能將大多數(shù)田塊施氮量控制在合理的范圍，但也需要在不同生產(chǎn)條件和階段進(jìn)行大量的田間試驗(yàn)[4]。巨曉棠[4]根據(jù)肥料-土壤-作物體系中主要氮素通量的關(guān)系，發(fā)展了確定合理施氮量的新方法——理論施氮量，即理論施氮量=目標(biāo)產(chǎn)量/100×百千克收獲物需氮量?？梢钥闯?，在確定了百千克收獲物需氮量后，理論施氮量是目標(biāo)產(chǎn)量的唯一函數(shù)。理論施氮量不需要測定土壤有效氮，農(nóng)戶根據(jù)自己地塊的目標(biāo)產(chǎn)量即可確定施氮量。在當(dāng)前生產(chǎn)條件下，中國小麥、玉米和水稻的百千克籽粒地上部吸氮量（N100）分別為2.8、2.3和2.4[4]。研究表明，水稻N100在中國不同區(qū)域存在差異，其原因主要是土壤、氣候和管理等因素的變異[5, 7]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】利用固定的N100來計(jì)算理論施氮量可能會(huì)造成偏差，中國玉米分布區(qū)域廣泛，因土壤、氣候和人為管理因素等方面的不同，不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米的需肥特點(diǎn)和吸氮量存在顯著差異[8]。因此，玉米N100需要在不同的土壤-作物-氣候-管理?xiàng)l件下進(jìn)行率定，才能使計(jì)算出的理論施氮量更加符合合理施氮量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過收集近40年來已發(fā)表的有關(guān)中國玉米N100的大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、不同產(chǎn)量水平和不同品種下的玉米N100，量化采用統(tǒng)一和區(qū)域化的N100計(jì)算出的理論施氮量差異。分析氣候、土壤和施肥等因素對玉米N100的影響，評(píng)估田間氮肥管理對玉米N100的影響，為理論施氮量計(jì)算中國不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米的推薦施氮量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 中國農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃分

根據(jù)中國綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃和中國農(nóng)作制，將中國分為6大農(nóng)作區(qū)[9]，分別是東北（黑龍江、吉林、遼寧）、西北（新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、陜西、山西）、華北平原（北京、天津、河北、山東、河南）、長江中下游平原（湖北、湖南、安徽、江西、江蘇、浙江、上海）、西南（四川、重慶、云南、貴州、廣西）和東南（廣東、福建、海南）。其中，西藏、青海、臺(tái)灣、香港、澳門和東南因?yàn)槿狈τ行?shù)據(jù)，不包括在本研究中。

1.2 數(shù)據(jù)庫的建立

從Web of Science和中國知網(wǎng)檢索發(fā)表于1980年1月至2022年7月的文章，檢索主題為：玉米（maize or corn）、產(chǎn)量（yield）和氮（nitrogen）。文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）試驗(yàn)是在中國進(jìn)行的大田試驗(yàn)，不包括室內(nèi)和盆栽試驗(yàn)；（2）試驗(yàn)處理的重復(fù)次數(shù)至少為3次；試驗(yàn)的年限至少包含一個(gè)完整的玉米種植季；（3）試驗(yàn)結(jié)果必須報(bào)道百千克籽粒地上部吸氮量（N100），或可以計(jì)算出百千克籽粒地上部吸氮量（N100）的產(chǎn)量（Y）和地上部吸氮量（Nuptake）數(shù)據(jù)，其中，N100=Nuptake/Y×100。經(jīng)過篩選，共獲得349篇符合要求的文獻(xiàn)。

從文獻(xiàn)中提取的信息包括：試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時(shí)間、氣象條件（年均氣溫、年均降雨）、土壤性質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤pH等）、田間管理（品種、施肥量、肥料類型、施肥方式、施肥時(shí)期等）、參數(shù)數(shù)據(jù)（籽粒產(chǎn)量、籽粒含水量、地上部吸氮量和N100等）。如文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以圖形展示，則利用GetData Graph Digitizer 2.24軟件（version 2.24, http://getdata-graph-digitizer.com）提取圖形的數(shù)據(jù)。若文獻(xiàn)中有缺失的氣象信息，則從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data. cma.cn）獲取。

1.3 數(shù)據(jù)分類和預(yù)處理

將文獻(xiàn)中的處理分為優(yōu)化處理與非優(yōu)化處理，優(yōu)化處理（optimized，OP）包括：文獻(xiàn)中明確的優(yōu)化處理以及施氮量為150—250 kg N·hm-2的處理[4]。將除優(yōu)化處理之外的所有處理均作為非優(yōu)化處理（non-optimized，NOP）。根據(jù)所調(diào)查的文獻(xiàn)，籽粒產(chǎn)量有2種表示方法：一是烘干重（在60 ℃—80 ℃烘干至恒重）；二是含有一定水分的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量（曬干重或風(fēng)干重）。若文獻(xiàn)中指出籽粒產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量，但未說明含水量，取14%[10]。烘干產(chǎn)量和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量的換算公式為：烘干產(chǎn)量（t·hm-2）=標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量×（1-14%）。本研究玉米籽粒產(chǎn)量統(tǒng)一以烘干重表示。將玉米分為春玉米、夏玉米和西南玉米區(qū)，其中，春玉米主要分布在東北和西北，夏玉米主要分布在華北和長江中下游[11]。將玉米品種分為新品種和老品種，新/老品種的劃分以審定日期為準(zhǔn)，2000年（含）以前審定的為老品種，2000年以后審定的為新品種。提取調(diào)查文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中樣本量最多的8個(gè)品種，分析不同品種下玉米N100的差異。

將氮肥管理分為如下幾組：（1）施氮量：以不施氮肥作為對照，施加氮肥作為處理，并將施氮量（nitrogen rate，NR，kg N·hm-2）分為5個(gè)梯度，即NR≤100、100＜NR≤200、200＜NR≤300、300＜NR≤400和NR＞400來分析不同施氮水平對產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響。除施氮與否外，處理組和對照組的其他田間管理保持一致；（2）氮肥類型：以單施尿素作為對照，尿素添加硝化抑制劑、尿素與緩/控釋氮肥配施、單施緩/控釋氮肥、尿素與糞肥配施、單施糞肥作為處理，處理組和對照組的施氮量等其他田間管理保持一致；（3）施氮方式：研究的施氮方式包括：施氮深度、基肥比例和施氮次數(shù)，其中，以施氮深度≤3 cm作為對照，氮肥深施≥10 cm作為處理；以100%基施作為對照，基肥比例≤75%作為處理；以一次施氮作為對照，分次施氮作為處理；處理組和對照組的施氮量和氮肥類型等其他田間管理均保持一致。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用對數(shù)響應(yīng)比來評(píng)估優(yōu)化處理對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響，通過以下公式計(jì)算[12]：

In=In（t/c） （1）

式中，t和c分別代表處理組和對照組的變量平均值，In表示效應(yīng)量，優(yōu)化管理措施的影響程度以（（-1）×100）的百分比形式表示。

由于本研究數(shù)據(jù)庫中約有50%數(shù)據(jù)均值的標(biāo)準(zhǔn)差未被報(bào)道。而且，利用數(shù)據(jù)均值標(biāo)準(zhǔn)差的方法計(jì)算權(quán)重有時(shí)會(huì)出現(xiàn)權(quán)重被過度估算的問題[13]。因此，本研究通過試驗(yàn)處理重復(fù)次數(shù)來計(jì)算效應(yīng)量的權(quán)重[14]：

=(t×c) / (t+c) （2）

式中，t和c分別表示處理組和對照組的處理重復(fù)數(shù)。

通過MetaWin 2.1軟件進(jìn)行Meta分析[15]。采用卡方檢驗(yàn)（Chi-square test）進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)結(jié)果＞0.05，說明不同處理間或不同研究結(jié)果間具有同質(zhì)性，可選用固定效應(yīng)模型計(jì)算合并統(tǒng)計(jì)量，否則采用隨機(jī)效應(yīng)模型[16]。本研究選用隨機(jī)效應(yīng)模型。通過隨機(jī)抽樣的方式（bootstrapping）迭代4 999次計(jì)算95%的置信區(qū)間，若置信區(qū)間與0值線相交，認(rèn)為優(yōu)化管理措施的影響不顯著，反之亦然[17]。

運(yùn)用SPSS軟件26.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯著性檢驗(yàn)，利用檢驗(yàn)和單因素方差分析鄧肯檢驗(yàn)（Duncan，＜0.05）比較不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和不同品種的玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的差異。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100與氣候、土壤和施肥因素的關(guān)系。利用隨機(jī)森林模型計(jì)算各因素對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的重要性，采用R語言中的軟件包“Random Forest”進(jìn)行分析[18-19]。采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，利用Origin 2022軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)分布

圖1所示，優(yōu)化處理下，玉米籽粒產(chǎn)量均值為8.60 t·hm-2，主要分布在7.07—9.84 t·hm-2；地上部吸氮量均值為198 kg·hm-2，主要分布在157—232 kg·hm-2；N100均值為2.34，主要分布在1.97—2.64。非優(yōu)化處理下，玉米籽粒產(chǎn)量均值為7.35 t·hm-2，主要分布在5.43—9.04 t·hm-2；地上部吸氮量均值為167 kg·hm-2，主要分布在115—210 kg·hm-2；N100均值為2.28，主要分布在1.88—2.59。分布檢驗(yàn)表明優(yōu)化處理和非優(yōu)化處理的玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100均符合正態(tài)分布（＜0.01），滿足數(shù)據(jù)分析的必要條件。

OP：優(yōu)化處理；NOP：非優(yōu)化處理；M、SE和n分別表示平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤和樣本量；曲線為數(shù)據(jù)的高斯分布，P為顯著性檢驗(yàn)。下同

2.2 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100

優(yōu)化處理?xiàng)l件下，中國春玉米籽粒產(chǎn)量平均為9.37 t·hm-2，夏玉米產(chǎn)量為8.25 t·hm-2，春玉米顯著高于夏玉米。其中，西北春玉米產(chǎn)量顯著較高，為10.03 t·hm-2；其次為東北春玉米、華北夏玉米和長江中下游夏玉米，產(chǎn)量分別為9.04、8.70和7.70 t·hm-2；西北夏玉米、長江中下游春玉米和西南玉米區(qū)顯著較低，分別為6.95、7.10和7.18 t·hm-2（圖2-A）。中國春玉米地上部吸氮量平均為204 kg N·hm-2，夏玉米為200 kg N·hm-2。不同區(qū)域玉米地上部吸氮量表現(xiàn)為華北夏玉米（211 kg N·hm-2）＞西北春玉米（208 kg N·hm-2）＞東北春玉米（196 kg N·hm-2）＞長江中下游春玉米（194 kg N·hm-2）＞長江中下游夏玉米（184 kg N·hm-2）＞西北夏玉米（172 kg N·hm-2）＞西南玉米區(qū)（169 kg N·hm-2）（圖2-B）。中國春玉米N100平均為2.21，夏玉米N100為2.46，春玉米顯著低于夏玉米。其中，長江中下游春玉米N100顯著較高，為2.77；其次為西北夏玉米、華北夏玉米、長江中下游夏玉米和西南玉米區(qū)，N100分別為2.54、2.45、2.38和2.39；東北春玉米和西北春玉米顯著較低，分別為2.19和2.12（圖2-C）。

China：中國；NEC：東北；NWC：西北；NCP：華北平原；MLYR：長江中下游平原；SWC：西南；SP：春玉米；SU：夏玉米。圖中紅線和黑線分別表示平均值和中值。盒狀邊界表示75%和25%的四分位數(shù)。大寫字母對比中國春玉米和夏玉米的差異，小寫字母對比春/夏玉米在不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的差異。不同的大寫/小寫字母表示存在差異顯著（P＜0.05）。括號(hào)內(nèi)的數(shù)值代表樣本數(shù)。下同

非優(yōu)化處理?xiàng)l件下，中國春玉米籽粒產(chǎn)量平均為7.70 t·hm-2，夏玉米產(chǎn)量為7.40 t·hm-2，春玉米顯著高于夏玉米。其中，西北春玉米產(chǎn)量顯著較高，為8.77 t·hm-2；其次為東北春玉米、華北夏玉米和長江中下游夏玉米，產(chǎn)量分別為7.03、7.86和7.14 t·hm-2；西北夏玉米、長江中下游春玉米和西南玉米區(qū)顯著較低，分別為5.89、6.31和5.94 t·hm-2（圖3-A）。中國春玉米地上部吸氮量平均為165 kg N·hm-2，夏玉米為177 kg N·hm-2，春玉米顯著低于夏玉米。不同區(qū)域玉米地上部吸氮量表現(xiàn)為西北春玉米（189 kg N·hm-2）＞華北夏玉米（185 kg N·hm-2）＞長江中下游夏玉米（180 kg N·hm-2）＞長江中下游春玉米（157 kg N·hm-2）＞西北夏玉米（146 kg N·hm-2）＞東北春玉米（141 kg N·hm-2）＞西南玉米區(qū)（137 kg N·hm-2）（圖3-B）。中國春玉米N100平均為2.16，夏玉米N100為2.40，春玉米顯著低于夏玉米。其中，西北夏玉米、長江中下游春玉米、長江中下游夏玉米N100顯著較高，分別為2.56、2.54和2.54；其次為華北夏玉米和西南玉米區(qū)、N100分別為2.33和2.32；東北春玉米和西北春玉米顯著較低，分別為1.98和2.20（圖3-C）。

圖3 非優(yōu)化處理下不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100

2.3 地上部吸氮量和N100與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

優(yōu)化處理和非優(yōu)化處理?xiàng)l件下，作物吸氮量隨著產(chǎn)量增加呈顯著線性增長（＜0.01）（圖4-A—B）。優(yōu)化處理?xiàng)l件下，N100隨著產(chǎn)量增加呈顯著二次曲線降低的趨勢（＜0.01）（圖4-C）。非優(yōu)化處理下，N100和作物產(chǎn)量無明確數(shù)量關(guān)系，可能是非優(yōu)化處理包含的處理較多，存在混合效應(yīng)（圖4-D）?？傊诤侠淼牡毓芾泶胧┫?，作物產(chǎn)量可以很好地預(yù)測N100。

圖4 地上部吸氮量和N100與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

2.4 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米的理論施氮量

為了量化采用統(tǒng)一和區(qū)域化的N100計(jì)算出的理論施氮量差異，將本研究的全國平均N100（2.34）和區(qū)域化的N100（2.12—2.77）兩類數(shù)據(jù)，分別與各區(qū)域玉米目標(biāo)產(chǎn)量（烘干產(chǎn)量）相結(jié)合，計(jì)算得到中國不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米理論施氮量，利用公式理論施氮量[4]=目標(biāo)產(chǎn)量/100×N100。依據(jù)本研究全國玉米平均N100（2.34）計(jì)算的理論施氮量與采用區(qū)域化的N100計(jì)算得到的理論施氮量相差-22—31 kg N·hm-2（圖5）。

2.5 不同玉米品種的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100

優(yōu)化處理?xiàng)l件下，新/老品種玉米的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100呈顯著性差異，新品種玉米產(chǎn)量顯著高于老品種，而其地上部吸氮量和N100顯著低于老品種（圖6）。不同品種玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100也存在顯著性差異，N100表現(xiàn)為正紅505（2.70）＞鄭單958（2.42）＞登海605（2.39）＞隆平206（2.32）≈川單418（2.32）＞先玉335（2.12）＞陜單609（1.94）＞良玉99（1.91）（圖7）。

2.6 土壤-氣候-管理因素對玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響

皮爾遜相關(guān)分析表明，玉米籽粒產(chǎn)量與年均氣溫和年均降雨存在顯著的負(fù)相關(guān)，與土壤pH和施肥量（N、P2O5和K2O）呈顯著正相關(guān)（≤0.01）。地上部吸氮量與年均降雨呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤pH、施肥量（N、P2O5和K2O）和籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（≤0.01）。玉米N100與年均氣溫、年均降雨、施肥量（N和P2O5）和地上部吸氮量呈顯著正相關(guān)，與土壤全氮和籽粒產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)（≤0.01）（圖8）。

N100=2.34：本研究優(yōu)化處理?xiàng)l件下中國玉米平均N100；N100=2.12—2.77：本研究優(yōu)化處理?xiàng)l件下不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米N100，China、China-SP、China-SU、NEC-SP、NWC-SP、NWC- SU、NCP-SU、MLYR-SP、MLYR-SU和SWCM分別為2.34、2.21、2.46、2.19、2.12、2.54、2.45、2.77、2.38和2.39

Old：老品種；New：新品種 Old: Old variety; New: New variety

通過隨機(jī)森林模型分析了土壤-氣候-管理因素對玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的相對重要性。施氮量對作物產(chǎn)量的重要性最高（圖9-A）。作物吸氮量主要受產(chǎn)量和施氮量的影響（圖9-B）。由于N100是由作物地上部吸氮量和產(chǎn)量計(jì)算得來，上述兩因素對N100起決定性作用（圖9-C），這與上述作物產(chǎn)量能夠預(yù)測N100的結(jié)果相互印證（圖4-C）。此外，N100主要受年均氣溫的影響（圖9-C）。

2.7 氮肥管理對玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響

Meta分析結(jié)果表明，不同施氮水平對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響均存在顯著性差異。與不施氮處理相比，施氮處理顯著增加了43.23%、61.08%和17.85%的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100，且在施氮量200—300 kg N·hm-2時(shí)，施氮引起的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的增加效應(yīng)最大（圖10-A—C）。

ZD958：鄭單958；XY335：先玉335；ZH505：正紅505；SD609：陜單609；LP206：隆平206；LY99：良玉99；DH605：登海605；CD418：川單418；括號(hào)內(nèi)的數(shù)值代表樣本數(shù)

MAT：年均氣溫；MAP：年均降雨；SOC：土壤有機(jī)碳含量；TN：土壤全氮含量；pH：土壤酸堿度；N rate：施氮量；P2O5 rate：施磷量；K2O rate：施鉀量；Yield：籽粒產(chǎn)量；Nuptake：地上部吸氮量；N100：百千克籽粒地上部吸氮量。*、**、***分別表示在0.05、0.01、0.001水平上的顯著相關(guān)。下同

與單施尿素相比，尿素添加硝化抑制劑（U+NI）、尿素與緩/控釋肥配施（U+SCRF）、尿素與糞肥配施（U+M）以及單施緩/控釋肥（SCRF）均顯著增加了籽粒產(chǎn)量和地上部吸氮量，而單施糞肥對籽粒產(chǎn)量有負(fù)作用（圖11-A—B）。與單施尿素相比，N100在單施緩/控釋肥處理下顯著增加了2.33%，而尿素添加硝化抑制劑、尿素與緩控釋肥配施、尿素與糞肥配施和單施糞肥處理對N100的影響均不顯著（圖11-C）。

圖9 不同因素對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的相對重要性

點(diǎn)和誤差線分別代表增加的百分比和95%置信區(qū)間。如果誤差線沒有跨越零線表示處理和對照存在顯著差異。括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示樣本量。下同

與氮肥表施（施氮深度≤3 cm）相比，深施氮肥（施氮深度≥10 cm）顯著增加了籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100，增幅分別為5.61%、11.16%和5.55%；隨著施氮深度的增加，其對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的增加效應(yīng)有減小的趨勢（圖12-A—C）。與氮肥基施（基肥100%）相比，減少基肥比例（基肥比例≤75%）顯著增加了籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100，增幅分別為5.25%、7.51%和2.25%；隨著基肥比例的減少，其對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的增加效應(yīng)有增大的趨勢（圖12-A—C）。與一次施氮相比，分次施氮（施氮次數(shù)≥2）顯著增加了籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100，增幅分別為6.37%、9.74%和3.36%；3次及3次以上施氮處理的籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100顯著高于2次施氮（圖12-A—C）。

3 討論

3.1 中國主要農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米籽粒產(chǎn)量和N100的空間差異及原因

優(yōu)化處理下中國玉米籽粒產(chǎn)量為8.60 t·hm-2（烘干產(chǎn)量），對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量為10.00 t·hm-2，與XU等[20]研究結(jié)果9.90 t·hm-2（2001—2015年）相近，但高于吳良泉[21]報(bào)道的氮磷鉀優(yōu)化配施下的8.80 t·hm-2（2005—2010年）。由于本研究數(shù)據(jù)主要來源2000— 2022年的田間試驗(yàn)，籽粒產(chǎn)量較高可能源于近年來玉米品種的更新和農(nóng)田管理措施的優(yōu)化[22]，本研究也表明新品種玉米產(chǎn)量顯著高于老品種（圖6-A）。優(yōu)化處理下不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米產(chǎn)量表現(xiàn)出明顯的空間差異（圖2-A），中國春玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于夏玉米，這與戴明宏等[23]和武良[24]的研究結(jié)果一致。氣候和輪作制度是影響產(chǎn)量區(qū)域分布差異的主要因素[20]，春玉米主要分布在東北和西北，而夏玉米多分布在華北和長江中下游區(qū)域，北方春玉米因日均溫較低而具有較長的生育期，晝夜溫差較大，有助于干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的提高[20, 23, 25]。本文研究結(jié)果也表明，年均氣溫與玉米產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖8）。

U+NI：尿素添加硝化抑制劑；U+SCRF：尿素與緩控釋肥配施；SCRF：單施緩控釋肥；U+M：尿素與糞肥配施；M：單施糞肥

圖12 不同施氮方式對籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響

優(yōu)化處理?xiàng)l件下，中國玉米N100為2.34（以烘干產(chǎn)量計(jì)），若按標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量計(jì)為2.01（籽粒含水量14%），與XU等[26]的1.97（n=4 806，籽粒含水量15.50%）接近，但低于LIU等[27]的2.58（n=521，未說明籽粒含水量），原因是LIU等[27]使用的是1985—1995年的數(shù)據(jù)，N100的差異可能來自近年來玉米品種的更新，新品種玉米普遍具有較低的N100[28-29]，這也與本研究結(jié)果一致（圖6-C）。春玉米N100顯著低于夏玉米N100，可能是由于春玉米較高的產(chǎn)量水平導(dǎo)致。受溫度、降水和氮素管理等因素影響，不同區(qū)域玉米N100存在顯著差異。優(yōu)化處理下中國不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米N100基本處于前人研究范圍內(nèi)，即1.40—2.58[7-8, 22, 26-27, 30-33]。通過隨機(jī)森林模型分析發(fā)現(xiàn)，除產(chǎn)量和地上部吸氮量外，年均氣溫、年均降雨和施氮量對玉米N100的影響較大（圖9-C），且均與玉米N100呈顯著正相關(guān)（圖8）。而西南區(qū)玉米N100偏低的可能原因是其地處丘陵山區(qū)，且降雨豐沛，光照不足，晝夜溫差小，不利于玉米干物質(zhì)的積累和養(yǎng)分的吸收[25]，所以該區(qū)域玉米產(chǎn)量和N100都比較低。

采用全國統(tǒng)一的N100計(jì)算得出的理論施氮量與采用區(qū)域化的N100計(jì)算得到的理論施氮量相差-22—31 kg N·hm-2，表明采用統(tǒng)一的N100容易在某些區(qū)域高估、而在另一些區(qū)域低估理論施氮量。因此，在利用N100計(jì)算理論施氮量時(shí)，不僅應(yīng)考慮區(qū)域間目標(biāo)產(chǎn)量的差異，也應(yīng)該充分考慮N100在不同土壤-氣候-管理?xiàng)l件下的差異，以得到更加準(zhǔn)確的區(qū)域推薦施氮量。

3.2 優(yōu)化處理下玉米N100與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

優(yōu)化模式下的作物參數(shù)（產(chǎn)量、吸氮量和N100）能夠?yàn)橥扑]施氮提供依據(jù)。本研究結(jié)果表明，優(yōu)化處理?xiàng)l件下，玉米地上部吸氮量隨產(chǎn)量增加呈上升趨勢，而N100隨產(chǎn)量增加呈下降趨勢，這說明玉米產(chǎn)量水平與其本身氮素吸收能力密切相關(guān)[34]。產(chǎn)量提高的主要原因是收獲指數(shù)的提高和總生物量的增加[29, 33]。玉米N100隨產(chǎn)量提高而降低主要是由于收獲指數(shù)的提高和植株氮濃度的降低造成的，特別是籽粒氮濃度的降低[22, 29, 33, 35]。研究表明，玉米產(chǎn)量的提高伴隨籽粒氮濃度的降低，造成這種隨產(chǎn)量提高而籽粒氮濃度呈下降趨勢的生理基礎(chǔ)，是隨著產(chǎn)量的提高，籽粒中氮的累積速率要小于碳水化合物的累積速率，從而造成對氮的稀釋作用[22, 36]。

本研究不僅量化了中國玉米N100的空間差異（圖2-C），又發(fā)現(xiàn)了N100與作物產(chǎn)量呈顯著的二次曲線負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4-C），表明作物產(chǎn)量可以用來預(yù)測N100。這是因?yàn)樽魑锂a(chǎn)量本身也受到土壤-氣候-管理的綜合影響，和N100的影響因素相似。此外，作物吸氮量與作物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖4-A—B）[26]，而N100由上述2個(gè)參數(shù)計(jì)算得來。由于理論施氮量是目標(biāo)產(chǎn)量和N100兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)[4]，若作物產(chǎn)量可以用來預(yù)測N100，那么理論施氮量可以簡化為目標(biāo)產(chǎn)量的唯一函數(shù)，即fer=0.0883-2.42+36.8，其中，fer為理論施氮量（kg N·hm-2），為玉米籽粒產(chǎn)量（t·hm-2），該算式可以在不同區(qū)域的田間試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 氮肥管理對玉米籽粒產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的影響

施用氮肥顯著增加了玉米N100，且在施氮量200—300 kg N·hm-2時(shí)，施氮肥引起的N100增加效應(yīng)最大。這說明過量施氮不利于玉米的增產(chǎn)和品質(zhì)的提升，主要是因?yàn)檫^量施氮會(huì)增加作物倒伏和病蟲害的風(fēng)險(xiǎn)[37]。玉米N100主要受收獲指數(shù)和籽粒氮濃度的影響[22, 29, 33, 35]。施氮量過高不利于氮素向籽粒中運(yùn)移，從而帶來了籽粒氮濃度的降低和N100的下降[38]。緩/控釋氮肥具有養(yǎng)分釋放與作物吸收同步的優(yōu)點(diǎn)，滿足了玉米生育期的養(yǎng)分需求，促進(jìn)玉米氮素積累和產(chǎn)量形成[39-40]。本研究結(jié)果表明緩/控釋氮肥可顯著增加玉米N100，可能原因是緩/控釋氮肥養(yǎng)分連續(xù)供應(yīng)可滿足玉米生育后期的氮素供應(yīng)，促進(jìn)氮素向籽粒中運(yùn)移，增加了玉米籽粒中氮素含量，有助于玉米N100的提升[38, 41]。

深施氮肥可增加玉米根系的養(yǎng)分含量，促進(jìn)根系生長，優(yōu)化根系空間分布，有利于植株對于氮素的吸收利用和產(chǎn)量的提高[42-43]。本研究結(jié)果表明，適當(dāng)深施氮肥（施氮深度為10—20 cm）對玉米產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100的增加效應(yīng)明顯高于過度深施氮肥（施氮深度≥20 cm），說明氮肥過度深施并不利于玉米氮素吸收和產(chǎn)量的形成，一方面可能是由于發(fā)育健全的玉米功能根群主要集中在5—20 cm土層[42]，適當(dāng)深施氮肥縮短了肥料與根系的接觸距離，有利于根系的發(fā)育；另一方面可能是由于過度深施氮肥導(dǎo)致玉米根系早期發(fā)育受阻，難以獲取氮素，而且較深土層的氮素更容易發(fā)生淋洗損失[44]。本研究減少基肥施氮比例或分次施氮均能顯著增加玉米產(chǎn)量、地上部吸氮量和N100。因?yàn)橛衩咨L前期若施氮量過大，會(huì)因超過玉米吸收能力和土壤固持能力，造成肥料的損失。減少基肥施氮比例或分次施氮在滿足玉米生育前期對氮素需求的同時(shí)，又及時(shí)彌補(bǔ)了玉米開花期至成熟期氮素虧缺，與玉米生育期的氮素需求相匹配，減少氮素?fù)p失，提高玉米對氮素的吸收和產(chǎn)量的增長[40]。

4 結(jié)論

中國不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米N100存在顯著性差異，北方春玉米N100顯著低于南方夏玉米。N100與作物產(chǎn)量呈顯著的二次曲線負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以用作物產(chǎn)量來預(yù)測N100。新品種玉米N100顯著低于老品種。年均氣溫、年均降雨量和施氮量是影響玉米N100的主要因素，且均與玉米N100呈正相關(guān)關(guān)系。緩控釋肥單施、氮肥深施、減少氮肥基施比例以及增加施氮次數(shù)均顯著增加了玉米N100。在計(jì)算不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米理論施氮量時(shí)，應(yīng)充分考慮N100在不同區(qū)域的差異，以得到更加準(zhǔn)確的推薦施氮量。

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Spatial Differences and Driving Factors of Aboveground Nitrogen Uptake in per Hundred Kilograms Grain of Maize in China

WANG DanDan, CHEN HuanXuan, ZHANG Chong, JU XiaoTang

College of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228

【Objective】We aim to quantify aboveground nitrogen (N) uptake in per hundred kilograms grain (N100) of maize in different agro-ecological zones at different yield levels in China, and analyze the effects of climate, soil, variety and N fertilization on N100of maize, thus to provide a scientific basis for determining rational N fertilizer rate. 【Method】We divided Chinese cropland into six major regions, i.e., northeast, northwest, North China Plain, middle and lower Yangtze River, southwest, and southeast, and collected 349 peer-reviewed papers published during 1980-2022 to analyze the spatial variation of N100and its changes at different yield levels, and compared the differences in calculated theoretical N rate between constant and region-specific N100. The effects of climate, soil and fertilization on N100were analyzed using Pearson correlation coefficient, Random forest model and Meta-analysis, to reveal the causes of spatial variation in N100. 【Result】Under the optimized N management, N100of spring maize was significantly lower than that of summer maize which were 2.21 and 2.46, respectively; and there were significant differences in N100of maize among different agro-ecological zones, which were 2.19 (Northeast spring maize), 2.12 (Northwest spring maize), 2.54 (Northwest summer maize), 2.45 (North China Plain summer maize), 2.77 (Middle and Lower Yangtze River spring maize), 2.38 (Middle and Lower Yangtze River summer maize), and 2.39 (Southwestern maize zone), respectively. The difference between calculated the theoretical N rate based on the national average N100(2.34) and that based on regional-specific N100was -22-31 kg N·hm-2. Aboveground N uptake, yield, and mean annual temperature were the most important factors affecting N100. The N100showed a significant quadratic decrease with increasing yield (<0.01), and grain yield was a good predictor of N100. Varieties significantly affected maize N100, the N100of common Chinese maize varieties Zhengdan 958, Xianyu 335, and Denghai 605 are 2.42, 2.12, and 2.39, respectively. New varieties had a significant lower N100than old varieties. The application of N fertilizer significantly increased the N100of maize, and the greatest increase effect of N100caused by N fertilizer application was observed at 200-300 kg N·hm-2. Once application of slow and controlled release fertilizer, deep placement, reduction of the ratio of basal N fertilization and increasing the frequency of N fertilizer application all significantly increased N100.【Conclusion】When calculate the rational N fertilization, we need to considerate the regional differences of N100, thus to obtain accurate fertilizer N rate, and the N100of maize is mainly driven by variation in aboveground N uptake, yield and mean annual temperature.

maize; aboveground N uptake in per hundred kilograms grain; yield levels; rational N fertilization; agro-ecological zones

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.20.006

2023-02-01；

2023-04-01

海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（ZDYF2021XDNY184）、海南省重大科技計(jì)劃（ZDKJ2021008）、海南省自然科學(xué)基金（422RC597）、海南大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（KYQD(ZR)-20098）

王丹丹，E-mail：wdandan0929@163.com。通信作者張翀，E-mail：zhangchong@hainanu.edu.cn。通信作者巨曉棠，E-mail：juxt@cau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩，李莉）