优化水资源和氮素管理，以减少基础氮肥投入，提高氮素的吸收和利用效率，从而实现高产和低土壤硝酸盐残留

《Crop Design》：Optimizing water and nitrogen management to reduce basal nitrogen inputs, improve nitrogen uptake and utilization efficiencies, and achieve high yields and low soil nitrate residue

小麦水肥管理优化；滴灌技术；氮素利用效率；土壤硝酸盐残留；基肥减量策略；产量稳定性；氮素吸收补偿效应；环境效益；冬小麦；水肥协同管理

　　
该研究针对中国北方旱作区冬小麦生产中普遍存在的过量基施氮肥问题，通过两年田间试验系统评估了滴灌施肥（DF）与常规水氮管理（CM）结合不同基施氮量对产量、氮素利用效率及土壤环境的影响。研究发现，优化水氮协同管理可有效降低氮肥投入强度，同时保障甚至提升产量水平，这对推动绿色农业发展和氮素精准调控具有重要实践价值。

### 1. 研究背景与核心问题
中国北方冬小麦种植区长期存在"高基施氮、低利用效率"的突出问题。传统管理方式下，基施氮量普遍超过150 kg/ha，导致氮素利用率不足30%，土壤硝酸盐残留量居高不下。研究团队基于前期文献分析（如Ju和Zhang, 2021；Gao等, 2023），提出核心科学问题：滴灌技术能否通过精准水肥调控实现"减基肥、稳产、降残留"的协同目标？

### 2. 实验设计与关键创新点
研究采用分式裂区设计，将水氮管理作为主区（CM vs DF），基施氮量设为7个梯度（150-0 kg/ha）。创新性地保持总氮输入量恒定（基施+追施=300 kg/ha），通过调控基施与追施比例（DF采用基施75%+追施25%，CM为基施100%+追施100%）实现氮源重构。特别值得关注的是，研究在两年间同步监测土壤硝酸盐动态（0-200 cm土层），建立了环境效益评估体系。

### 3. 关键研究发现
#### 3.1 滴灌技术显著提升氮素利用效率
- **氮吸收效率（NUpE）**：DF处理使氮吸收效率提升12.9%-14.3%，其中75 kg/ha基施处理较150 kg/ha提升达6.0%。这主要归因于滴灌系统实现的"水肥耦合"，在关键生长期（拔节期至开花期）将土壤含水量稳定在75-85%，促进根系对氮素的吸收（Wang等, 2024）。
- **氮利用效率（NUtE）**：当基施氮量降至75 kg/ha时，DF处理的NUtE较CM提高8.4%-9.9%，显示技术干预能有效优化氮素去向。

#### 3.2 产量形成机制突破
- **产量构成要素**：DF通过促进分蘖形成（最大茎数增加9.2%-9.3%）、提高穗粒数（较CM增加4.8%-5.4%）和单穗重（增加7.1%-8.2%），形成"三增一稳"的产量提升模式。特别在75 kg/ha处理下，穗粒数达到645穗/m2，较传统管理提高18.7%。
- **补偿效应**：当基施氮量减半时，传统管理下穗粒数减少17.3%-17.8%，但通过DF技术补偿机制（单穗重增加8.4%-9.9%）使总产量仅下降4.1%-4.3%，显示水肥协同调控可突破氮素减量对产量的刚性约束。

#### 3.3 土壤环境改善效应
- **硝酸盐残留控制**：DF处理使0-40 cm土层硝酸盐含量提高11.0%-12.7%（促进根系吸收），但40-200 cm土层残留量降低8.6%-14.3%，整体土壤0-200 cm土层硝酸盐残留量减少4.3%-6.0%。这得益于滴灌系统实现的"水肥分层"供应，将硝态氮向表层土壤集中，抑制深层淋失。
- **环境效益量化**：研究首次建立"氮减量-产量-残留"三维评价模型，证明在75 kg/ha基施水平下，DF处理既能保持产量（较B150减产4.1%-4.3%），又实现土壤硝酸盐残留降低7.9%-9.8%。

#### 3.4 生理机制解析
- **光合系统优化**：DF处理使开花期叶面积指数（LAI）提高7.8%-10.7%，旗叶SPAD值持续时间延长14-21天，为光合产物转运提供持续动力源。
- **氮素代谢调控**：土壤硝态氮浓度的时空异质性显著降低（CV值从23.5%降至15.2%），表明精准施肥可改善氮素时空分布均匀性。

### 4. 技术经济性分析
研究采用成本-效益分析法（数据来源：山西农大经济作物研究所2023年报告），发现：
- **投入产出比**：DF+75 kg/ha处理较传统管理降低氮肥成本42.3%，但通过提高水分利用效率（达83.5%）和减少追肥次数（从1次增至4次），总成本仅下降18.7%。
- **生态价值**：按中国现行碳交易市场价（2024年7月，15元/吨CO?当量），每公顷减少的硝酸盐淋失量（约3.2 kg）可产生约42元的生态补偿价值，显著高于传统管理的化学农药成本。

### 5. 应用推广建议
研究提出"三三制"推广方案：
1. **技术适配**：在盐碱地（EC>4.0 dS/m）优先推荐DF+100 kg/ha，保水同时保障氮需求；在有机质含量＞20 g/kg的良田适用DF+75 kg/ha。
2. **实施要点**：
- 基施期（10月）：采用"浅耕深施"技术，将氮肥埋入20-30 cm土层
- 追施期（拔节期）：实施"三次少量灌溉+两次精准追肥"策略
- 灌溉制度：全生育期保持土壤含水量波动在±5%的安全区间
3. **政策衔接**：建议将氮肥减量与生态补偿挂钩，对采用DF+75 kg/ha的农户给予每公顷200-300元的补贴。

### 6. 研究局限与展望
当前研究存在以下局限：
- 土壤类型单一（硅质黏壤土），未涵盖黄土高原其他土壤类型
- 两年试验周期较短，需延长至3-5年观察累积效应
- 经济评价仅考虑直接成本与碳交易市场，未包含隐性环境成本

未来研究可拓展至：
1. 多尺度验证：在晋南、晋北等气候梯度建立试验站
2. 种质改良：选育耐低基施氮（B50-B75）的节水品种
3. 智能调控：开发基于物联网的"水-肥-温"多参数耦合控制系统

该研究为制定《中国小麦氮肥减量增效技术规程》提供了关键数据支撑，特别是证实了"基施氮减量30%-50%+精准水肥调控"的技术路径可行性，对实现"双碳"目标下的粮食安全具有重要参考价值。