长江中下游稻茬小麦产量差形成的干物质生产机理及其对氮肥的响应

High yield and high efficiency is the main target in wheat production, and study of yield gap is the effective way to investigate crop yield limiting factors and improve yield and resource use efficiency. Biomass production is the basis for wheat yield formation, and nitrogen fertilizer is the main influence factor on biomass production. The objectives of this study are to disclose the yield gap of wheat under rice-wheat rotation system, elucidate mechanisms of biomass production of wheat and its response to nitrogen fertilizer, and clarify how to regulate nitrogen managements to improve yield and nitrogen use efficiency. Based on field experiment, the methods of yield gap are used in this study. We will construct different yield levels of wheat by nitrogen application, to study the rule of dry matter accumulation and translocation and photosynthetic characteristics of flag leaves and their responses to nitrogen fertilizer, and to investigate the rule of nitrogen accumulation by plant and the differences in nitrogen use efficiency of wheat; on the other hand, combine with the survey of farmers' wheat production and wheat growth model, we will analyze the yield gap between average farmer yield and maximum farmer yield, maximum farmer yield and high experiment yield, high experiment yield and yield potential step by step, to discuss the differences in nitrogen application among farmers and their effects on dry matter accumulation, yield and nitrogen use efficiency of wheat. Our study will provide theoretical foundation for the high yield and high nitrogen use efficiency breeding and crop management in wheat under rice-wheat rotation system.

高产高效是小麦生产的主要目标，研究产量差是探索作物产量限制因素及提升单产和资源利用效率的有效途径。干物质生产是小麦产量形成的基础，氮肥是影响干物质生产的主要因素。本研究采用产量差的研究方法，以田间试验为基础，一方面通过氮肥运筹构建稻茬小麦不同产量水平，深入研究各产量水平的干物质积累与转运规律和旗叶光合特性及其对氮肥的响应，以及植株氮素积累规律和氮肥利用效率差异；另一方面，结合农户产量统计和小麦生长模型，逐级分析均产农户与高产农户，高产农户与高产试验，高产试验与产量潜力之间的3级产量差，探讨农户间氮肥运筹差异及其对小麦干物质积累与产量和氮肥利用效率的影响。本研究旨在揭示稻茬小麦产量差及产量提升空间，阐明不同产量水平下稻茬小麦干物质生产机理及其与氮肥的关系，明确提高稻茬小麦产量与氮肥利用效率的氮肥调控途径。本研究将为稻茬小麦高产与高氮肥利用效率育种和栽培管理提供理论支持。

本项目针对长江中下游稻茬小麦产量不高，制约因素不明等关键科学问题，采用产量差的研究方法探索进一步提升该区域小麦产量的新途径。本研究由大田试验、农户调查和模型模拟三部分组成，各部分相互关联。研究结果表明，农户与高产试验间的小麦产量差为1.6-2.8 t/ha，其中单位面积穗数较低是农户小麦产量低的主要原因。分析两种管理模式下小麦产量形成过程可知，农户小麦播期较早、氮肥施用量偏高和施用时期不合理，导致后期群体结构差，降低了最终单位面积穗数和干物质积累量，从而降低了产量。通过大田试验验证和分析表明，推迟该区域小麦播期至11月初，调控种植密度为300 株/m2左右，施氮量至220-260 kg/ha，调整氮肥追施时期为拔节期，施用比例为40%-50%，可获得6000 kg/ha的籽粒产量。此外，研究还发现，APSIM模型能够较准确的模拟长江中下游地区冬小麦生育期、产量及生物量，在该区域具有较好的适应性。通过模型模拟初步发现，从1975年至2015年，我国长江中下游平原小麦播种至开花期和全生育期均呈缩短趋势，但小麦籽粒产量呈现稳步上升趋势，品种间处存在差异。本项目还研究了黄淮海平原与长江中下游平原小麦能量利用的差异，结果表明黄淮海平原小麦生产系统全生育期内能量的输入与输出分别为37.5-57.4和170.9-263.9 GJ/ha，与传统的灌溉方式相比，优化灌溉模式可显著降低能量的投入，提高能量的输出能力，其净能量、能量利用效率和能量生产力分别提高8.2%、15.6%和14.9%。本项目初步探明了长江中下游稻茬小麦生产中存在的关键制约因子，并提出了一套进一步提升该区域小麦产量的技术途径。项目资助发表论文5篇，其中被SCI收录4篇，中文核心期刊1篇。申请国家发明专利一项。培养在读研究生3人，职称晋升1人。项目投入经费21万元，支出20.5万元，各项支出均与调整后预算相符，剩余经费将用于本项目研究的后续支出。