精准微喷施肥技术能够提高小麦产量，并在不同土壤肥力条件下减少活性氮的损失

《Field Crops Research》：Precision micro-sprinkling fertigation enhances wheat yield and reduces reactive nitrogen losses under varying soil fertility

华北平原小麦水氮协同管理对产量及氮素损失的影响研究。通过两年田间试验，对比传统灌溉与微喷灌结合不同氮肥用量（0-270 kg N/ha），发现微喷灌显著提升小麦产量（提高6.2%-9.5%）、氮肥利用率（NUE）达42.3%-48.6%，同时减少氮素损失（总损失降低32.4%-38.7%）。在中等（M）和高肥力（H）土壤条件下，最佳氮用量分别为180 kg/ha和210 kg/ha，此时产量与氮素利用效率达到最佳平衡点。土壤硝态氮与铵态氮含量及持水孔隙度与氮素损失呈显著正相关（p<0.01）。TOPSIS分析表明，微喷灌结合中等氮肥用量能有效协调产量、资源利用与环境保护需求。

　　在华北平原，作为中国主要的粮食生产区域之一，冬季小麦的产量占据了全国总产量的70%以上，因此对国家粮食安全具有重要的战略意义。然而，该地区长期高强度的农业生产活动导致了多种挑战，包括土壤肥力分布不均、过量氮肥施用以及不合理的灌溉与养分管理方式，这些问题严重影响了农业生态系统的可持续性，同时对作物产量和环境质量构成了威胁。因此，探索有效的灌溉与氮肥管理措施，以提高小麦产量并减少氮素损失，成为当前研究的重点。

研究指出，氮肥的施用是维持作物产量的关键因素之一。然而，当氮肥施用量超过作物需求时，往往并不能显著提升产量，反而会导致大量的氮素盈余，并通过多种途径造成氮素损失。全球范围内，大约有40%的氮肥被环境所损失，主要通过硝酸盐（NO??）淋溶、径流以及氨（NH?）、氧化亚氮（N?O）、一氧化氮（NO）和氮气（N?）的排放。因此，如何在保证产量的同时，减少氮肥的施用量，成为农业可持续发展的关键问题。特别是在中国，小麦生产中的氮肥平均施用量超过了250公斤/公顷，这远高于全球平均水平，而氮肥利用效率（NUE）却相对较低。此外，分散的小农户耕作模式加剧了土壤肥力的空间差异，使得统一的氮肥推荐难以实施，进而增加了氮肥的损失风险。

为了协调农业生产力与环境可持续性，有必要根据区域土壤特性制定精准的氮肥与灌溉管理措施，以实现产量最大化的同时减少氮素引起的生态破坏。研究表明，先进的灌溉方法在提高水肥利用效率（WUE）和减少氮素损失方面具有潜力。这些方法通过调节土壤水分、微生物活动和酶促反应过程，可以有效控制氮素的转化和迁移。例如，滴灌和喷灌技术相比传统的沟灌和淹灌技术，能够减少氮素损失并提高水资源利用效率。同时，研究表明，在优化的灌溉频率下，氮肥施用率为195公斤/公顷时，可以实现比135公斤/公顷和240公斤/公顷更好的农业和资源利用效率。

在本研究中，为了更全面地评估不同氮肥施用方法和灌溉方式对产量和氮素损失的影响，我们设计了一项为期两年的田间试验，分别在中等土壤肥力（M）和高土壤肥力（H）条件下进行。试验设置了不同的氮肥施用方案（包括0、150、180、210、240、270公斤/公顷），以及两种主要的水肥管理方式：传统氮肥撒施配合边沟灌溉（T）和微喷灌施肥（F）。试验的主要目标是评估不同氮肥施用方法和灌溉方式对小麦产量、反应性氮（Nr）损失、水肥利用效率（WUE）、氮肥利用效率（NUE）以及土壤氮素平衡的影响，并通过综合评价方法，寻找在不同土壤肥力条件下最优化的水肥管理策略。

试验结果显示，与传统氮肥撒施配合边沟灌溉相比，微喷灌施肥显著提高了植物氮素积累、籽粒产量、氮肥利用效率和水肥利用效率，同时有效降低了反应性氮损失。氮素损失与氮肥施用量之间存在显著的正相关关系，并且受土壤肥力的影响。在中等土壤肥力条件下，总氨气挥发、氧化亚氮排放和硝酸盐淋溶分别占反应性氮损失的60.62%、3.95%和35.43%；而在高土壤肥力条件下，这三个因素分别占65.83%、4.42%和29.75%。这表明，在不同土壤肥力条件下，氮素损失的组成和比例存在差异。此外，土壤中的硝酸盐（NO??-N）和铵态氮（NH??-N）含量，以及土壤水分饱和度（WFPS），均与施肥后氮素的转化和迁移密切相关。因此，合理调控这些土壤参数对于减少氮素损失至关重要。

为了进一步评估不同氮肥施用方法和灌溉方式对产量和氮素损失的综合影响，我们采用了技术对于理想解的相似性排序（TOPSIS）分析方法。结果显示，在中等土壤肥力条件下，氮肥施用量为180公斤/公顷并配合微喷灌施肥的处理，以及在高土壤肥力条件下，氮肥施用量为210公斤/公顷并配合微喷灌施肥的处理，能够在平衡产量、氮肥利用效率、水肥利用效率和氮素损失方面取得最佳效果。这表明，微喷灌施肥作为一种集成的水肥管理方式，能够在不同土壤肥力条件下有效减少氮肥的施用，同时保持较高的产量，并提高净收益。

研究还发现，土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）含量对氮素转化过程具有显著的调控作用。在SOC和TN含量较高的土壤中，微生物对氮素的固定和异养硝化速率更高，这使得微生物固定与自养硝化在氮素转化过程中形成竞争关系，从而促进异养硝化路径，减少氧化亚氮的排放。相比之下，传统硝化-反硝化路径则会导致更多的氧化亚氮排放。因此，土壤肥力对氮素转化路径的选择具有重要影响，这为制定不同土壤肥力条件下的精准氮肥管理策略提供了理论依据。

本研究的创新之处在于，它不仅关注了单一维度的氮肥管理问题，如优化氮肥施用量或开发新型肥料，还尝试解决多目标之间的权衡问题。例如，如何在提高产量的同时减少氮素损失，如何在不同土壤肥力条件下实现最佳的水肥管理方案，以及如何量化不同管理措施对产量、氮素损失和水肥利用效率的影响，从而推荐合适的氮肥施用量。通过采用基于土壤肥力的水肥优化措施，我们希望能够突破传统的“一刀切”氮肥推荐模式，实现对不同肥力地块的精准调控，同时减少资源浪费和环境污染。

本研究的试验地点位于山东省济宁市兖州区小孟镇，该地区采用冬小麦-夏玉米轮作的耕作模式。试验持续了两年（2022–2023和2023–2024），研究区域面积约5公顷。试验期间，平均气温为13.6°C，年降水量为621.2毫米，其中约30%的降雨发生在小麦生长季节。该地区土壤肥力差异较大，因此选择中等和高土壤肥力地块作为试验对象，以更全面地评估水肥管理措施对不同土壤条件的影响。

在试验中，我们发现氮肥施用方法和灌溉方式对小麦产量具有显著影响。例如，在中等土壤肥力条件下，氮肥施用量为180公斤/公顷并配合微喷灌施肥的处理，显著提高了产量。而在高土壤肥力条件下，氮肥施用量为210公斤/公顷并配合微喷灌施肥的处理，同样取得了较高的产量。这些结果表明，微喷灌施肥不仅能够提高产量，还能有效减少氮素损失。此外，氮肥施用量对产量的影响存在一定的阈值效应，即在一定范围内，氮肥施用量的增加会显著提升产量，但超过一定限度后，产量增长趋于平缓，甚至可能下降。

试验还发现，氮肥施用量对氮素损失的影响具有非线性特征。在中等土壤肥力条件下，随着氮肥施用量的增加，氮素损失呈现二次增长趋势。这表明，氮肥施用量的增加不仅会提高产量，还会显著增加氮素损失，尤其是在土壤水分较高的情况下。因此，在制定氮肥施用方案时，需要综合考虑氮肥施用量、灌溉方式以及土壤水分状况，以实现最佳的产量与氮素损失之间的平衡。

此外，试验还评估了不同氮肥施用方法和灌溉方式对水肥利用效率的影响。结果显示，微喷灌施肥在提高水肥利用效率方面具有显著优势。这主要是因为微喷灌施肥能够更均匀地施加水分和氮肥，减少水分和氮肥的浪费，同时提高作物对水分和氮肥的吸收效率。相比之下，传统灌溉方式由于水分分布不均，容易导致水分和氮肥的过量施用，进而增加资源浪费和环境污染的风险。

在试验中，我们还发现，氮肥施用量对土壤氮素平衡具有重要影响。在中等土壤肥力条件下，氮肥施用量为180公斤/公顷并配合微喷灌施肥的处理，能够有效减少土壤中的氮素盈余。而在高土壤肥力条件下，氮肥施用量为210公斤/公顷并配合微喷灌施肥的处理，同样能够减少土壤氮素盈余。这些结果表明，微喷灌施肥不仅能够提高产量，还能有效减少氮素损失，从而改善土壤氮素平衡。

本研究的结果对于农业生产实践具有重要的指导意义。首先，微喷灌施肥作为一种集成的水肥管理方式，能够在不同土壤肥力条件下有效减少氮肥的施用，同时保持较高的产量。其次，该方法能够提高水肥利用效率，减少水资源和氮肥的浪费，从而提高农业生产的经济效益。此外，该方法还能减少氮素损失，改善土壤质量和生态环境，为实现农业可持续发展提供技术支持。

通过本研究，我们希望能够为农业生产者提供科学的水肥管理建议，帮助他们在不同土壤肥力条件下选择最合适的氮肥施用方法和灌溉方式。此外，本研究的结果也为政策制定者提供了参考，帮助他们制定更加科学合理的农业政策，以促进粮食安全和环境保护的协调发展。

本研究的成果表明，基于土壤肥力的精准氮肥与灌溉管理策略是实现农业可持续发展的有效途径。在未来的农业发展中，需要进一步推广这种策略，以提高农业生产的效率和可持续性。同时，还需要加强相关研究，探索更多适用于不同土壤肥力条件的水肥管理措施，以实现更加精准的农业管理。此外，还需要加强对农民的培训和指导，提高他们对水肥管理技术的理解和应用能力，从而实现农业生产的绿色转型。

在农业可持续发展的背景下，精准农业技术的应用成为提升农业生产效率和减少资源浪费的重要手段。本研究通过实地试验，验证了微喷灌施肥在提高产量和减少氮素损失方面的有效性，为精准农业技术的推广提供了科学依据。同时，研究还发现，氮肥施用量对氮素损失的影响具有显著的非线性特征，因此在制定氮肥施用方案时，需要结合土壤肥力状况和水资源条件，以实现最佳的水肥管理效果。

综上所述，本研究的结果表明，微喷灌施肥是一种有效的水肥管理策略，能够在不同土壤肥力条件下减少氮肥的施用，同时保持较高的产量，并提高农业生产的经济效益。通过采用基于土壤肥力的精准氮肥与灌溉管理措施，可以实现对不同肥力地块的精准调控，提高农业生产的可持续性。这些研究成果为未来的农业生产提供了重要的参考，同时也为农业政策的制定提供了科学依据。