水分与氮素调控玉米根系生长对经济收益及资源利用效率的影响机制

针对西北干旱区玉米水氮利用效率低的问题，中国农业大学团队通过两年田间试验，探究不同灌溉量（60%-100% ETc）和施氮量（0-320 kg ha-1）对玉米根系生长、经济收益及水氮生产率的影响。研究发现W2N3组合（80% ETc+240 kg ha-1）能显著提升经济收益（增幅7.12-76.95%）和水生产力，深层根系（40-80 cm）发育是关键驱动因素。该研究为干旱区玉米水氮精准管理提供了理论依据。

　　

在西北干旱区的玉米生产中，水肥资源利用效率低下始终是制约农业可持续发展的瓶颈。随着全球气候变化加剧，极端天气频发导致土壤水分有效性降低，而当地农民习惯采用大水大肥的粗放管理模式，不仅造成资源浪费，还引发土壤退化等问题。更关键的是，作为作物"地下工厂"的根系，其如何响应水氮调控并影响产量形成的机制尚不明确。中国农业大学的研究团队在《Agricultural Water Management》发表的研究，首次揭示了玉米根系动态生长与水氮输入的量化关系，为干旱区节水增效种植提供了新思路。

研究采用双因素随机区组设计，设置3个灌溉梯度（W1:60% ETc、W2:80% ETc、W3:100% ETc）和5个施氮水平（N0-N4:0-320 kg ha^-1），通过根系扫描系统(WinRHIZO Pro)获取形态参数，结合β模型量化根系生长动态，并建立经济收益(EI)与水生产力(WP)的预测模型。

3.1 玉米生产力
W2灌溉下经济收益较W1/W3提升2.06-38.84%，N3处理较其他施氮水平增加7.12-76.95%。交互分析显示水氮协同效应显著影响生物量积累，但存在年际波动。

3.2 土壤水分利用
W2处理的水生产力(WP)达4.09 kg m^-3，较W3提高11.44%，而N3处理的灌溉水生产力(IWP)最优（4.46 kg m^-3）。表明适度水分亏缺可激发作物抗旱潜能。

3.3 植株氮素利用
全量灌溉(W3)与低氮(N1)组合获得最高氮肥偏生产力(NPFP:62.5 kg kg^-1)，反映过量施氮反而降低氮素利用效率。

3.4 根系形态动态
β模型精准拟合根系生长曲线(R²>0.9)，W3N3处理的最大根长密度(w_max)达175.35 cm，生长速率(c_m)较对照提升34.09%。

3.5 根冠协同
根冠比随水氮增加呈单峰曲线，W3N3处理达峰值3.91%，证实资源优化分配对产量形成的关键作用。

3.6 根系空间分布
N3处理促使40-80 cm土层根长密度增加27%，而N4导致浅层根系富集，揭示适量氮素促进根系下扎的生物学机制。

3.7 优化管理区间
通过多项式模型推导，灌溉量345-364 mm、施氮量160-319 kg ha^-1可同步实现95%以上最大EI和WP值。

该研究创新性地将根系生长动力学与资源利用效率相关联，证实80% ETc+240 kg ha^-1为西北玉米最优水氮组合。深层根系发育（40-80 cm）作为关键调控靶点，其与水分生产力的强相关性(r=0.82)为抗旱育种提供了新方向。研究建立的预测模型可直接指导田间实践，对实现"藏粮于技"战略具有重要实践价值。未来需结合分子生物学手段，进一步解析根系可塑性调控的遗传基础。