冬小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其产量的持续稳定增长是保障区域乃至国家粮食安全的基石。品种遗传改良与栽培管理优化共同推动了小麦生产力的提升，但在长期育种进程中，产量增益背后的氮素吸收、转运与利用效率发生了怎样的变化？水氮互作如何调控这些生理过程？深入解析这一科学问题，对于协同实现高产高效、推动关中平原小麦产业绿色高质量发展具有重要意义。

针对上述关键科学问题，西北农林科技大学王东教授团队聚焦“关中平原1950年代以来冬小麦品种遗传改良的产量与氮素利用效率协同演化机制”，通过设置多灌溉与多氮素水平的田间试验，系统量化了70年品种更替过程中的遗传增益，深入解析了氮素积累、转运与利用的协同变化规律，为优化水氮管理策略、指导未来高氮效育种方向提供了重要的理论依据。

近期，西北农林科技大学王东教授团队完成的题为“Genetic improvement of grain yield and nitrogen use efficiency of winter wheat cultivars in the Guanzhong Plain since the 1950s”的研究在Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》，JIA）优先在线发表。

该研究以关中平原1950年代至2018年间陆续发布的8个代表性冬小麦品种为材料，设置无灌溉（W0）、越冬期单次灌溉（W1，每次600 m³/ha）和越冬+拔节期两次灌溉（W2，每次600 m³/ha）三种水分管理，以及不施氮（N0）、120 kg N/ha（N1）和240 kg N/ha（N2）三种氮素水平，通过2020–2021和2021–2022两个生长季的田间定位试验，系统测定了产量构成、氮素积累与转运、水分利用效率（WUE）及氮素利用效率（NUE）等指标，并采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）解析了遗传改良、水氮管理与产量形成的内在路径关系。

主要研究结果如下：

品种改良主导产量跃升： 穗数增加为首要贡献因子， 源库平衡制约粒数突破

70年品种更替使小麦产量累计提升50%–99%，年均绝对遗传增益达108.32 kg/ha（相对增益1.59%/年），其中品种改良对产量的总效应最大（PLS-SEM，R²=0.943，总效应0.94），主要通过提升水分利用效率（间接效应0.73）和氮素利用效率（间接效应0.37）驱动产量突破；产量提升与单位面积穗数的遗传增益（3.42穗/m²/年）密切相关，千粒重对产量的直接路径系数最高（0.72，P<<0.001）且环境稳定性极强，收获指数（HI）由0.32提升至0.47–0.52，但千粒重在部分处理下于2010年后进入平台期，而穗粒数在整体回归中未表现出显著遗传趋势，仅在特定水氮优化条件下呈现有限增益且PLS-SEM显示其对产量直接效应不显著，反映了源库平衡机制对产量进一步提升的潜在制约。

氮素"积累-转运"增强与"利用效率"降低的权衡机制

现代品种的氮素积累与转运能力显著增强，开花期、成熟期及籽粒氮积累70年累计增幅分别达52.09、125.87和122.43 kg/ha，氮收获指数（NHI）和氮转运量（NTA）分别累计提升16.26%和17.46%；然而，氮素利用效率（NutE）在多数水氮处理下呈下降趋势，70年间累计降低6.81%，研究揭示了“氮转运促进水分利用、但牺牲氮素利用效率”的生理权衡机制，即氮转运效率与水分利用效率正相关、与NutE负相关，且施氮量增加导致氮素偏生产力下降20%–36%，但灌溉可缓解约40%的高氮投入效率损失。

水氮协同管理可缓解效率损失，W1N2与W2N1为最优组合

综合评估确定的最优水氮组合为W1N2（越冬期单次灌溉+240 kg N/ha）和W2N1（越冬+拔节两次灌溉+120 kg N/ha），其产量遗传增益分别为73.90和73.77 kg/ha/年，适量灌溉配合优化施氮可在维持高产的同时部分抵消氮素利用效率的损失；未来育种应聚焦于协调氮素吸收、转运与利用的关系，通过挖掘高NutE且高NHI的种质资源，结合精准水氮调控，协同实现产量突破与资源高效利用。

七十年遗传改良驱动冬小麦在产量形成机制模式图

示意图表明品种改良使产量年均增益达1.59%、籽粒氮积累（NAG）年均提升1.22%，并协同提高了氮吸收效率（NUpE↑）、水分利用效率（WUE↑）及氮回收效率（RE↑）；然而，现代品种氮吸收与转运能力的增强（NupE↑、NTE↑）伴随氮素利用效率（NutE↓）降低与籽粒氮浓度（GNC）稀释，本质上反映了植株氮代谢由“外部吸收驱动”向“内部再动员依赖”的范式转换。未来育种需突破单一产量导向，通过协同优化氮素利用总效率（NUE）、氮收获指数（NHI）与籽粒氮浓度（GNC）的动态平衡，重塑源库氮素分配格局，以实现高产、高效与优质的协同增益。

西北农林科技大学农学院王东教授，王瑞副教授为该论文的通讯作者，博士研究生马丽娟为第一作者。本研究得到国家自然资源基金（32270277）和中国陕西省西部自然科学基础研究计划（2023-JC-QN-0192）的资助。

Cite the article: Lijuan Ma, Muhammad Fraz Ali, Caoyuan Zhao, Xiangyang Zhao, Rui Wang, Dong Wang. 2026. Genetic improvement of grain yield and nitrogen use efficiency of winter wheat cultivars in the Guanzhong Plain since the 1950s. Journal of Integrative Agriculture, Doi:10.1016/j.jia.2026.06.020

https://doi.org/10.1016/j.jia.2026.06.020

Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》, JIA）由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院与中国农学会主办，中国农业科学院农业信息研究所承办。综合性英文学术期刊，月刊。创刊于2002年，现任主编为中国科学院院士陈化兰。JIA主要栏目有作物科学、园艺、植物保护、动物科学、动物医学、农业生态环境、食品科学、农业经济与管理等。刊稿类型有综述、研究论文、简报以及评述等。全部论文在Elsevier-ScienceDirect (SD) 平台OA出版。最新SCI影响因子5.7，位于SCI-JCR农业综合学科Q1区。中国科学院分区农林科学1区。2016年以来先后获得中国科协等部委 “提升计划”“登峰计划”“卓越计划”项目支持。

支持单位：