减量灌溉下有机肥替代化学氮肥提升玉米产量与品质的生理机制研究

为解决干旱区水资源短缺与化肥过量使用导致的作物产量品质下降问题，中国科学院研究人员开展有机肥替代化学氮肥结合减量灌溉对玉米产量形成的影响研究。结果表明：减量20%灌溉（I1, 3,240 m3 ha?1 ）下25%有机氮替代（F2）可提升籽粒产量13.0%，改善氨基酸（+60.4%）和维生素B（+30.6%）含量，其机制与增强光合生理（净光合速率+43.8%）和氮素转运（氮积累量+5.4%）相关。该研究为干旱区节水减肥增效提供科学方案。

　　

在全球气候变化与水资源短缺的双重压力下，干旱区农业生产面临严峻挑战。中国西北地区作为典型的旱作农业区，长期依赖高投入的化学肥料和灌溉维持产量，导致水资源浪费、土壤退化及农产品品质下降。如何通过优化水肥管理实现"减量增效"，成为当前农业可持续发展的核心命题。

针对这一难题，中国科学院的研究团队在2021-2023年开展了一项创新性田间试验。研究聚焦玉米这一全球重要粮食作物，探索在减量灌溉背景下有机肥替代化学氮肥对产量和品质的协同提升机制。论文发表在《Journal of Integrative Agriculture》，揭示了水肥协同调控作物生理生态的新途径。

研究采用裂区试验设计，设置2个灌溉水平（常规灌溉I2：4,050 m³
ha^?1
；减量20%灌溉I1：3,240 m³
ha^?1
）和5种有机氮替代比例（F1：纯化肥；F2-F5：25%-100%替代）。通过测定光合参数（如净光合速率Pn）、关键酶活性（包括丙酮酸磷酸双激酶PPDK、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PEPCK和Rubisco）及氮素转运特征，系统解析水肥互作效应。

产量与品质的协同提升
减量灌溉单独处理（I1F1）导致玉米减产，但25%有机氮替代（I1F2）实现逆转：籽粒产量和生物量分别较常规处理（I2F1）提升13.0%和8.9%。品质改善更为显著，籽粒蛋白质增加10.0%，必需氨基酸和维生素B含量激增60.4%和30.6%，秸秆粗脂肪和粗蛋白分别提高23.1%和5.6%。这表明适度有机替代可突破水肥限制的"天花板效应"。

光合生理的突破性发现
I1F2处理通过双重机制优化光能利用：在生殖关键期（R2-R4阶段）叶面积指数（LAI）和叶面积持续期（LAD）分别提高6.2%和4.1%，同时净光合速率飙升43.8%。分子层面，PPDK、PEPCK和Rubisco活性同步提升9.8%-10.5%，说明有机氮改善了碳同化关键酶的稳定性。

氮素转运的精准调控
研究首次发现25%有机氮替代的"窗口效应"：在营养生长期（R1前）维持氮转运量，而在生殖生长期（R1后）促进氮吸收5.6%和积累5.4%。这种阶段性调控避免了纯化肥的"爆发式供氮"缺陷，实现氮素高效利用。

该研究证实，减量20%灌溉配合25%有机氮替代（I1F2）是最优模式，其通过"光合增强-酶活激活-氮素精准转运"三位一体机制，实现产量品质双提升。这一发现不仅为干旱区节水农业提供技术范式，更从生理生态角度阐明了有机-无机肥配施的科学依据。未来研究可进一步解析根际微生物在水肥耦合中的作用，推动绿色农业理论创新。