均匀播种结合基于关键氮素稀释曲线的氮素管理方法，可以提高冬小麦的产量和氮素利用效率

《Field Crops Research》：Uniform sowing combined with critical nitrogen dilution curve-based nitrogen management improves yield and nitrogen use efficiency in winter wheat

精准氮肥管理在冬小麦生产中的应用研究

　　

赵凯南|刘广雅|张玉彤|南振武|冯波|刘安康|张振旺|李胜东

山东省农业科学院作物研究所，济南250100，中国

摘要

背景

优化小麦的氮（N）管理需要可靠的诊断工具和适应性的农艺措施。明确不同播种模式下作物的氮响应，并建立可靠的临界氮浓度稀释曲线（CNDC），对于黄淮海地区的精准氮肥施用至关重要。均匀播种是一种新型集成技术，结合了旋耕、精准播种和一次性双重压实，能够形成更加均匀的植株群体。然而，其在实际田间条件下的综合效果与基于CNDC的氮管理之间的相互作用仍缺乏量化研究。

方法

一项为期三年的田间试验评估了两种播种方法（传统播种和均匀播种）以及五种氮肥施用量（0、90、150、210和270公斤/公顷）对产量形成、氮利用效率以及贝叶斯算法推导出的CNDC适用性的影响。

结果

推导出的CNDC（Nc = 2.17 DM^-0.13）表现出令人满意的预测准确性，均方根误差（RMSE）为0.09，平均绝对误差（NRMSE）为10.43%，平均绝对误差（MAE）为0.08，用于氮营养指数（NNI）的预测。与传统播种相比，在210公斤/公顷的氮肥施用量下，均匀播种使整个生长周期内的氮含量保持接近最佳水平，而传统播种下的NNI通常处于次优状态。生理参数，包括SPAD、净光合速率（Pn）和叶面积指数（LAI），在均匀播种条件下显著改善，并与产量呈正相关。尽管氮吸收效率和部分因子生产力随氮肥施用量的增加而下降，但在均匀播种条件下两者仍保持较高水平。氮农艺效率在210公斤/公顷的氮肥施用量时达到峰值，且高于传统播种。在三个生长季节中，与相同氮肥施用量下的传统播种相比，均匀播种使谷物产量增加了9.2%，氮吸收效率增加了24.4%，氮农艺效率增加了43.1%，部分因子生产力增加了9.2%。

结论

结合基于CNDC诊断框架确定的最佳氮肥施用量（本研究中为210公斤/公顷），均匀播种改善了作物的氮状况，增强了生理表现，并提高了谷物产量和氮利用效率。这种综合策略为黄淮海地区及其他生态相似地区的小麦生产提供了可靠且具有区域适用性的精准氮管理框架。

引言

确保稳定的粮食增产是全球粮食安全的基础（Barrett, 2010），其中小麦（Triticum aestivum L.）在养活世界人口方面发挥着关键作用。中国贡献了全球约17%的小麦产量，因此可持续的产量提升成为国家优先事项（FAO, 2020; Liu et al., 2016）。实现这一目标依赖于优化核心农艺措施，尤其是播种方法和氮肥管理，这些措施共同决定了作物群体结构、生长和最终产量（Zhao et al., 2013; Li et al., 2015）。然而，小农户为了追求高产量往往过量施用氮肥，这不仅降低了氮利用效率，还增加了环境风险，包括氮损失和相关污染（Cui et al., 2018; Gu et al., 2013; Zhang et al., 2019）。因此，开发同时提高生产力和氮利用效率的策略对于绿色农业发展至关重要。

播种方法通过调节作物空间分布和资源捕获方式，显著影响小麦的生长。仍广泛使用的传统条播方法往往导致种子分布不均、行内竞争激烈以及无效分蘖比例高，从而限制了产量潜力（Wang et al., 2024）。相比之下，双压精密均匀播种（uniform sowing）将旋耕、精准播种和播种前后的压实结合在一次操作中完成。这种方法提高了播种均匀性，促进了幼苗的快速建立和早期生长活力，并形成了更高效的车冠结构，为产量突破提供了有希望的途径（Ding et al., 2024）。尽管有证据表明均匀播种有利于植株均匀性，但其与精准氮管理（特别是基于CNDC的策略）的交互作用在田间条件下的研究仍较为有限。

精准氮肥施用依赖于对作物氮状况的准确诊断。临界氮浓度稀释曲线（CNDC）最初由Lemaire等人（1984年）提出，已成为多种作物氮诊断的常用工具。然而，CNDC参数会因基因型、环境和管理措施的不同而有所差异，因此需要针对特定地区和系统进行校准（Du et al., 2020; Wang et al., 2020）。传统的CNDC构建方法通常基于视觉评估或统计阈值对氮受限和非受限地块进行主观分组（Justes et al., 1994; Zhao et al., 2014）。这种预分类可能引入偏差，忽略分组过程中的不确定性，并降低所得曲线的可重复性。贝叶斯统计建模提供了一种稳健的替代方法，它直接拟合原始数据，无需预分组，量化参数不确定性，并提高模型可靠性（Makowski et al., 2020）。该框架已应用于玉米、番茄和马铃薯（Cheng et al., 2022; Soratto et al., 2022; Ma et al., 2025）。对于小麦，Makowaski等人（2020）证明了贝叶斯分析在评估CNDC参数不确定性方面的有效性。因此，本研究的新颖之处不在于贝叶斯方法本身，而在于利用这一框架来测试不同播种方法是否改变CNDC参数，以及是否可以在冬小麦不同播种系统中应用统一的CNDC。

氮的可用性调节关键生理过程——叶绿素含量（SPAD）、净光合速率（Pn）和叶面积指数（LAI），这些因素共同决定了产量（Gebbing and Schnyder, 1999; Yan et al., 2017）。由于超过95%的小麦生物量来自光合作用，因此冠层结构和光利用效率至关重要（Gallagher and Biscoe, 1978; Richards et al., 2019）。均匀播种可以改善冠层内的光截获和分布，可能增强光合作用性能并延缓叶片衰老。然而，均匀播种如何与氮供应相互作用以调节这些生理特性和氮利用效率仍缺乏量化研究。

因此，本研究的目标是：a) 使用贝叶斯方法建立并验证小麦的临界氮浓度稀释曲线，并测试其在不同播种方法下的适用性；b) 确定能够同时最大化产量和氮利用效率的最佳播种方法和氮肥施用量组合；c) 量化氮肥施用量对生理参数（SPAD、Pn、LAI）、产量和氮利用相关参数的影响，特别关注播种方法与氮肥施用量之间的相互作用。研究结果旨在为黄淮海地区及其他生态相似地区的小麦生产提供可靠且因地制宜的播种和精准氮管理整合框架。

实验地点

这项为期三年的田间试验于2021年10月至2024年6月在山东省农业科学院的济阳实验基地进行，该基地位于中国暖温带大陆性季风区。该地区的年平均气温为12.8°C，年累计日照时间为2430.6小时，无霜期为195天。表层土壤（0-20厘米）的初始性质如下：有机质13.0克/千克；总氮1.2克/千克；碱解氮101.6毫克/千克；Olsen-P 37.3毫克/千克；

谷物产量及其组成部分

氮肥施用量和播种方法对所有三个生长季节的谷物产量及其组成部分均有显著影响（表1）。氮肥施用量和播种方法之间的交互作用对穗数、每穗粒数和谷物产量有显著影响，但对1000粒重和收获指数没有影响。在相同的氮肥施用量下，均匀播种始终优于传统播种，产生了更多的穗数、每穗粒数和1000粒重，最终也提高了谷物产量。

贝叶斯推导出的临界氮浓度稀释曲线的可靠性和普适性

本研究采用的贝叶斯方法基于Makowski等人（2020）建立的方法论框架，他们首次使用法国实验数据证明了该方法在小麦中估算临界氮浓度稀释曲线（CNDC）的适用性。我们的研究通过将其应用于黄淮海地区三个生长季节中两种不同播种方法（传统播种与均匀播种）之间的CNDC参数比较，扩展了这一方法的应用范围。结果显示

结论

本研究使用贝叶斯建模方法为黄淮海地区的冬小麦建立了可靠的临界氮浓度稀释曲线（CNDC），表达式为Nc = 2.17 DM^-0.13。该曲线能够准确诊断作物的氮状况，验证指标（RMSE=0.09，NRMSE=10.43%，MAE=0.08）证实了其在不同播种方法和生长季节下的稳健性。将双压精密均匀播种与210公斤/公顷的氮肥施用量相结合被证明是有效的

作者贡献声明

李胜东：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。张振旺：撰写 – 原稿撰写，方法论，数据整理。刘安康：正式分析。冯波：正式分析。刘广雅：调查，正式分析。赵凯南：撰写 – 原稿撰写，调查，正式分析。南振武：调查。张玉彤：方法论，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省农业科学院的农业科技创新项目（CXGC2026A07）、国家现代农业产业技术体系（CARS-03–22）、山东省小麦产业技术体系（SAIT-01–07）以及陕西省智能农田系统建设与工程示范项目（2024PT-ZCK-60）的财政支持。