沼液替代化肥追肥提升半干旱雨养农田作物的水氮利用效率与产量

为解决半干旱地区雨养农业中水肥利用效率低下的问题，研究人员开展沼液(Biogas Slurry, BS)替代化学肥料(Chemical Fertilizers, CF)的追肥策略研究。通过两年田间试验证明，BS替代CF可显著提高土壤水分含量5%，短期增加根层铵态氮和硝态氮含量，促进玉米株高、茎粗和叶面积指数(LAI)增长约10%，SPAD值、干物质质量和氮吸收分别提升50%、30%和20%。最终使玉米产量、水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(PFPN)分别提高16.86-26.47%、4-6 kg/(ha·mm)和16.86-26.47%。该研究为半干旱地区可持续农业提供了创新性解决方案。

　　

在全球气候变化背景下，半干旱地区的农业生产面临严峻挑战——82%的耕地依赖不稳定的降雨，却贡献着全球60%的粮食产量。这些地区不仅水资源匮乏，传统化肥的单一施用还导致氮素利用率不足40%，形成"水-肥-产量"的三重困境。更棘手的是，常规的化肥基施方式容易因氨挥发和降雨淋失造成资源浪费，而有机肥虽能改良土壤，却难以实现精准的生育期调控。如何突破这些瓶颈，成为干旱区农业可持续发展的关键科学问题。

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的研究团队独辟蹊径，将目光投向沼气工程的副产品——沼液(Biogas Slurry, BS)。这种富含氮(3.5 g/L)和有机质(4.31 g/L)的液态肥料，通过滴灌系统可实现水肥一体化精准施用。研究人员在山西寿阳典型半干旱区开展两年田间试验，创新性地提出化学肥料替代追肥系统(Substitution Chemical Fertilizers Topdressing, SCFT)，设置0%、25%、50%、75%和100%五个BS替代梯度。研究结果发表在《Agricultural Water Management》上，为破解半干旱农业的"水肥困局"提供了新范式。

研究采用多维度技术路线：通过土壤剖面水分监测和流动分析仪(AA3)测定硝态氮/铵态氮动态；运用SPAD-502 Plus叶绿素仪和Logistic生长模型量化生理参数；结合全自动凯氏定氮仪(K-370)分析植株氮吸收；最终通过产量构成要素计算水分利用效率(WUE=Y/ET)和氮肥偏生产力(PFPN=Y/Nt)。所有数据均通过SPSS 26.0进行方差分析(ANOVA)和Duncan多重比较。

土壤水分和氮素分布特征

研究发现BS追肥产生"即时效应"和"持续效应"双重优势。滴灌施用后，玉米根区(0-40 cm)土壤含水量立即提升5%，且100%BS处理效果最显著。这种效应源于沼液粘度(13.7 mS/cm)导致的入渗延迟，以及有机质促进的土壤团聚体形成。氮素动态显示，BS替代使根区硝态氮浓度短期激增至60-90 mg/kg，较CF处理提高3倍，且铵态氮变化与土壤水分呈显著正相关。

作物生理生长动态响应

Logistic模型拟合揭示，100%BS处理使最大干物质积累速率(R_max)达7.64 g/d，较CF提高29.5%，并将旺盛生长期延长至63-65天。关键生长参数呈现剂量效应：BS替代率≥50%时，株高、茎粗和叶面积指数(LAI)同步增长10%，叶片SPAD值最高提升65.5%，印证了"形态-生理"协同优化机制。

产量与水氮利用效率

两年数据证实BS替代具有累积效应。100%BS处理在2022年实现产量12,557 kg/ha，较CF提高26.47%，水分利用效率(WUE)达28.88 kg/(ha·mm)。值得注意的是，氮肥偏生产力(PFPN)随替代比例线性增长，100%BS处理达44.85 kg/kg，且穗部氮吸收量提升69.66%，表明BS优化了"源-库"氮素分配。

这项研究开创性地构建了"沼液替代-滴灌追肥-效率提升"的技术链条，其科学价值体现在三方面：首先，揭示了BS通过调节土壤水分运移和氮素转化双重途径提升资源效率的机制；其次，证实了液态有机肥替代化学氮肥在雨养农业中的可行性；最后，建立的Logistic生长模型为精准调控作物生育期提供了量化工具。实践层面，该技术可使半干旱区玉米增产1/4的同时，减少化肥投入，对推动"碳中和"背景下的循环农业发展具有示范意义。未来研究需关注长期施用对土壤微生物组的影响，以及不同气候年型下的稳定性验证。