氮硫共限制及化学计量比调控面包小麦产量与养分利用效率

《Field Crops Research》：Nitrogen and sulfur co-limitation and stoichiometry modulate yield and nutrient use efficiency of bread wheat

　　

摘要 背景：氮（N）和硫（S）缺乏会降低小麦产量和籽粒品质，目前关于氮和硫缺乏对面包小麦产量的单独影响已有较多研究，但二者共限制效应尚缺乏系统性认识。 目的：基于共限制和化学计量学框架，量化冬小麦产量、产量差及养分利用效率随氮、硫施肥水平的变化规律。 方法：在美国堪萨斯州8个雨养环境中开展裂裂区设计试验，设置3个氮水平（64~173 kg N ha?1）、4个硫水平（0~44 kg S ha?1）及3个冬小麦品种。以营养吸收量为基础估算最大产量，参考最大产量所需最小养分吸收量计算养分限制指数，并根据拔节期、开花期地上部及成熟期籽粒和秸秆的养分浓度估算化学计量比。 结果：不同处理组合下产量变幅为0.9~5.9 Mg ha?1。施氮增产幅度为?0.6~1.9 Mg ha?1，且在两个环境中表现出明显的硫依赖性：低氮条件下施硫增产1.1~1.9 Mg ha?1，高氮条件下增产2.1~3.3 Mg ha?1。产量与养分吸收的二次平台模型显示，最大产量为5.1±0.3 Mg ha?1，对应氮吸收量为143±6 kg N ha?1、硫吸收量为11.2±0.3 kg S ha?1。虽然仅有两个环境表现出施硫直接增产，但在六个环境（即硫响应环境）中，处理组与对照组的产量差与硫胁迫指数差呈显著相关。产量差为0~4 Mg ha?1，在氮、硫响应环境中受二者共限制，在其余环境主要受氮限制。氮、硫利用效率在氮、硫胁迫下均下降，但响应不对称，其中硫利用效率（Sulfur Use Efficiency, SUE）主要受氮胁迫加剧的影响而降低。茎伸长期、开花期及成熟期的秸秆和籽粒中氮硫浓度比分别为7.9±6.5、9.9±7.0、9.3±7.6和14.3±7.0时，氮硫共限制效应达到最大。 结论：共限制理论可有效用于解析小麦产量、产量差及养分利用效率的氮硫限制机制。 意义：在有机质含量较低的麦田，同时优化氮、硫管理比单一养分决策更有利于实现高产。

本研究发表于《Field Crops Research》，针对美国堪萨斯州冬小麦生产中氮（N）、硫（S）肥管理不足导致的产量受限问题，突破传统Liebig最小因子定律的单养分限制视角，引入共限制理论与化学计量学方法，量化氮硫交互作用对小麦产量、产量差及养分利用效率的影响。研究背景在于，堪萨斯州作为美国最大的冬小麦产区，其种植面积约310万公顷，年产量约800万吨，分别占全国总量的27%和23%，但田间调查显示氮、硫肥管理是商业麦田最主要的产量限制因素。氮作为作物生长的核心营养元素，其管理对产量形成的作用已被广泛研究，涉及施用量、位置、时期和肥料类型等多个维度，且氮利用效率（Nitrogen Use Efficiency, NUE）受轮作制度、基因型和环境条件共同调控。近年来，随着土壤有机质下降及《清洁空气法》实施导致大气硫酸盐沉降减少，土壤有效硫供应不足问题日益凸显，硫在氨基酸合成、叶绿素生成及小麦加工品质形成中的作用逐渐受到重视。已有研究表明氮硫交互可显著影响小麦产量和蛋白质含量，但缺乏从共限制角度的系统解析，难以指导多养分协同管理。

研究人员在堪萨斯州8个雨养环境中开展三年田间试验，采用裂裂区设计，设置3个氮水平（64、118、173 kg N ha^?1）、4个硫水平（0、15、29、44 kg S ha^?1）及3个主栽冬小麦品种，结合环境气象数据、植株养分动态及产量构成进行分析。关键技术方法包括：在8个典型雨养站点连续多年布设控制试验，测定生育期植株氮硫浓度及积累量，构建产量—养分吸收的二次平台模型估算最大产量及对应养分阈值；以最大产量所需最小养分吸收量为基准计算氮、硫限制指数，量化不同环境下的共限制程度；基于拔节期、开花期地上部及成熟期籽粒、秸秆的氮硫浓度计算化学计量比，解析最佳配比特征。

研究结果如下：

1. 1.
   产量响应特征：跨环境产量变幅为0.9~5.9 Mg ha^?1，施氮增产效应存在显著硫依赖性，在两个硫响应环境中，低氮和高氮条件下施硫分别增产1.1~1.9 Mg ha^?1和2.1~3.3 Mg ha^?1。
2. 2.
   最大产量与养分阈值：二次平台模型表明，最大产量可达5.1±0.3 Mg ha^?1，对应氮吸收量143±6 kg N ha^?1、硫吸收量11.2±0.3 kg S ha^?1。
3. 3.
   产量差的限制因素：产量差为0~4 Mg ha^?1，在氮、硫响应环境中表现为氮硫共限制，其余环境主要受氮限制。
4. 4.
   养分利用效率的不对称响应：氮、硫利用效率在双胁迫下均下降，但硫利用效率下降主要由氮胁迫加剧驱动，表现出明显的响应不对称性。
5. 5.
   化学计量比特征：茎伸长期、开花期、成熟期秸秆和籽粒的氮硫浓度比分别为7.9±6.5、9.9±7.0、9.3±7.6和14.3±7.0时，氮硫共限制效应最强。

讨论部分指出，氮硫共限制对小麦产量的促进作用符合生态共限制理论，突破了单养分限制框架的局限性。研究证实，同步优化氮硫管理可通过提高养分回收效率而非单纯利用率来提升产量，尤其在低有机质土壤中效果更为显著。结论部分强调，共限制理论为解析小麦产量形成的多养分调控机制提供了有效工具，建议生产中将氮硫协同管理作为提升产量潜力的重要策略。