玉米种植系统中氮磷钾硫养分平衡调控对农业可持续性与环境足迹的影响研究

本研究针对农业生态系统中养分流动缺乏整体认知的问题，通过两年田间试验系统评估了孟加拉国老布拉马普特拉河冲积土玉米(Zea mays L.)种植体系下氮(N)、磷(P)、钾(K)、硫(S)的输入输出路径。研究人员采用裂区设计，探究作物残体(CR)与不同施肥水平(包括农民实践FP、推荐剂量RD及125%RD)的交互效应，发现CR结合RD可改善土壤养分平衡，其中P、S分别实现22和13 kg ha-1 正平衡，而N、K负平衡减少。关键发现包括：挥发、反硝化和淋洗导致27-37%、5-7%和4-5%的N损失，灌溉与降雨贡献2.9-5.1 kg ha-1 养分输入。该研究为优化施肥策略、减少环境足迹提供了量化依据，对实现粮食安全与生态平衡具有重要指导意义。

　　

在当今全球粮食安全与生态环境双重压力下，农业可持续发展面临严峻挑战。其中，作物养分管理失衡导致的资源浪费和环境污染尤为突出。以玉米为例，作为全球三大主粮之一，其高产栽培需要大量养分投入，但传统施肥方式常造成氮磷流失引发水体富营养化、温室气体排放加剧气候变化等问题。更棘手的是，不同养分如氮(N)、磷(P)、钾(K)、硫(S)在土壤中的行为机制各异——氮素易通过氨(NH₃
)挥发、反硝化生成氧化亚氮(N₂
O)等途径损失，磷钾则易随径流淋失。这些未被作物利用的养分不仅降低生产效率，更成为威胁生态安全的"隐形杀手"。然而，现有研究多聚焦单一养分或短期效应，缺乏对玉米系统中多养分协同循环的系统认知，这严重制约了精准施肥技术的开发。

针对这一科学瓶颈，孟加拉农业大学联合德国吉森大学的研究团队在《Heliyon》发表了一项突破性研究。他们通过两年田间试验，首次全面量化了南亚典型冲积土玉米系统的养分收支平衡，创新性地揭示了作物残体还田与分级施肥对养分循环的调控机制。研究采用裂区设计，主区设无残体(NR)与30cm残体(CR)两种处理，副区包含对照(CL)、农民实践(FP)、推荐剂量(RD: 225-60-80-30 kg N-P-K-S ha^-1
)及125%RD四个水平。通过整合静态箱法测NH₃
挥发、气相色谱分析N₂
O排放、渗漏仪收集淋溶液等先进技术，构建了涵盖降水输入、生物固氮、作物吸收等多路径的完整养分账本。

关键发现一：环境输入不可忽视
数据显示，年降雨和灌溉贡献了2.9-5.7 kg ha^-1
的各类养分，其中降雨氮输入达4.46 kg ha^-1
，相当于推荐施氮量的2%。这一发现提醒我们，在制定施肥方案时需考虑环境本底值。

关键发现二：残体还田改变养分命运
CR处理使NH₃
挥发增加7.5%，但显著降低钾素输出14-21%。通过同位素推导估算，生物固氮贡献12.1 kg N ha^-1
，证实了残体促进微生物固持-释放的"缓冲器"作用。

关键发现三：平衡施肥的黄金比例
RD+CR组合使P、S分别实现22和13 kg ha^-1
正平衡，同时将N、K亏缺降至-4和-8 kg ha^-1
。而125%RD处理虽提高产量，却导致P、S过量积累34.5-36.5 kg ha^-1
，凸显"增氮钾减磷硫"的优化空间。

关键发现四：损失路径定量解析
创新性量化显示：淋洗损失占施肥总量的3-8%，其中K最易迁移；NH₃
挥发和反硝化分别贡献27-37%和5-7%的N损失。多元回归证实挥发是降低氮利用率(NUE)的主因(r=0.65)。

这项研究的意义远超出数据本身。它首次建立了南亚玉米体系的养分流动模型，为制定区域特异性施肥标准提供了科学依据。特别是提出的"25%法则"（即N、K增施25%同时P、S减量25%），在保证产量前提下可使养分收支趋近平衡。从更大视角看，该研究为联合国可持续发展目标(SDGs)中"零饥饿"和"清洁水源"的协同实现提供了技术路径——通过精准调控养分循环，既能缓解土壤退化，又能降低约30%的活性氮排放，这对全球2.5亿公顷玉米种植区的绿色发展具有启示意义。

未来研究可结合¹⁵
N同位素示踪技术进一步解析N₂
排放机制，并开发基于养分平衡的智能推荐系统。正如作者强调的，农业可持续发展需要从"产量单目标"转向"产量-土壤-环境"多目标优化，而这项研究正是迈向该愿景的重要里程碑。