基于秸秆还田的长期氮管理策略能够改善土壌中的碳氮比例，并提高土壌灌溉区（Tumochuan Plain Irrigation District）玉米的氮利用效率

《Frontiers in Plant Science》：Long-term nitrogen management strategies based on straw return improve soil carbon and nitrogen fractions and nitrogen use efficiency of maize in the Tumochuan Plain Irrigation District

秸秆还田与氮肥配施协同提升土壤碳氮库及玉米产量和氮素利用效率，三年试验表明深翻还田（DPR）较传统耕作（RT）使产量、NUE、PFPN分别提高17.28%、18.24%、17.88%，最佳氮肥用量降至237.3 kg/ha（较常规减少20.89%），关键驱动因素为矿质氮（MN）、土壤质量指数（SQI）、干物质积累（DMA）。

　　近年来，随着农业技术的不断进步，作物产量持续上升，导致作物秸秆的产量也大幅增加。然而，传统的农业实践，如秸秆移除和过量施用氮肥，不仅造成了土壤肥力的退化，还使农业生产对人工氮输入产生了严重的依赖。秸秆还田作为一种简单而有效的管理方式，能够有效维持土壤有机质含量，提升土壤生物活性，改善土壤物理性质，提高土壤养分的可利用性。而长期单一施用氮肥则会导致氮肥利用效率（NUE）降低，同时也会削弱增产效果，过量施用氮肥更可能引发环境污染问题。因此，如何在秸秆还田的条件下合理调控氮肥施用量，成为实现农业可持续发展的重要课题。

为了探索这一问题，研究人员在内蒙古自治区包头市的土默川平原灌溉区开展了一项为期三年的田间试验。该试验采用分组设计，主要分为两种秸秆还田处理：深翻还田（DPR）和不还田（RT），并在每个处理下设置四个氮肥施用水平：常规施用（N3，300 kg ha?1）、减少15%（N2，255 kg ha?1）、减少30%（N1，210 kg ha?1）以及不施氮肥（N0，0 kg ha?1）。试验结果表明，相较于不还田处理，深翻还田显著提升了0–40厘米土壤层中的土壤可利用养分水平，包括碱解氮（AN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）。同时，秸秆还田显著增加了土壤中易氧化有机碳（EOC）、溶解性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）等可溶性碳氮成分的含量，这些成分对土壤肥力的提升和氮素循环具有重要作用。

氮肥的施用对土壤氮素供应能力有显著影响，特别是在秸秆还田的情况下，氮肥能够促进秸秆分解，从而释放更多可利用氮素。试验还发现，尽管氮肥施用量减少，但深翻还田仍能维持较高的土壤碳氮含量，以及作物产量和氮肥利用效率。例如，在减少氮肥30%的条件下，深翻还田处理的氮肥利用效率仍保持在较高水平，这表明在秸秆还田条件下，作物对氮肥的需求可能有所降低，从而为减少氮肥投入提供了可能。

研究进一步揭示了不同土壤碳氮成分对作物产量和氮肥利用效率的贡献。其中，矿物氮（MN）、土壤质量指数（SQI）和干物质积累（DMA）被发现是影响氮肥利用效率和作物产量的关键因素。具体而言，这些因素在氮肥利用效率中的相对贡献分别为9.39%、8.96%和8.49%，而在部分因子氮生产力（PFPN）中的贡献则分别为9.31%、9.18%和8.99%。这说明，除了直接的氮素供应外，土壤质量的改善和作物干物质积累的提升也在一定程度上促进了氮素的高效利用。

从长期来看，秸秆还田显著提高了土壤的有机碳和氮素含量。在三年的试验周期中，土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）的含量分别提高了26.97%和26.81%。这些结果表明，秸秆还田不仅有助于土壤碳氮的积累，还能改善土壤结构，增强土壤的持水能力和养分循环效率。同时，研究还发现，随着秸秆还田的进行，氮肥的最优施用量逐步下降。例如，在2023年的试验中，深翻还田条件下，氮肥的最优施用量为237.3 kg ha?1，较常规施用量减少了20.89%。这表明，通过合理调控氮肥施用量，可以在保持作物产量和氮肥利用效率的同时，显著降低氮肥的投入。

此外，试验还通过主成分分析（PCA）和随机森林模型分析了土壤碳氮成分、土壤肥力、作物干物质积累、产量和氮肥利用效率之间的关系。分析结果显示，土壤质量指数（SQI）和矿物氮（MN）对作物产量和氮肥利用效率的影响最为显著，而其他可溶性碳氮成分则通过促进微生物活动和加速养分释放间接影响作物产量和氮肥利用效率。这表明，土壤肥力的提升和氮素的可利用性是作物高产和高效利用氮肥的重要保障。

值得注意的是，虽然氮肥的减少在一定程度上影响了作物产量，但在秸秆还田的条件下，这种影响被显著缓解。例如，在减少30%氮肥的情况下，深翻还田处理的作物产量仅下降了3.96%，而在不还田处理中，氮肥减少30%则导致产量下降超过10%。这说明，秸秆还田不仅能够提高土壤的氮素供应能力，还能在一定程度上补偿氮肥减少带来的产量损失。这种现象可能与秸秆中富含氮素以及其促进微生物分解的特性有关。

研究还指出，土壤中不同碳氮成分的动态变化对于氮肥利用效率和作物产量具有重要影响。例如，土壤中的易氧化有机碳（EOC）和溶解性有机碳（DOC）对氮素的释放和作物的吸收具有敏感反应，因此它们可以作为评估土壤氮素动态变化的重要指标。而微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）则反映了土壤中微生物的活性和氮素转化能力。这些成分的含量在氮肥施用较多的条件下显著增加，但在氮肥减少时则有所下降。然而，即使在氮肥减少的情况下，秸秆还田仍然能够维持较高的微生物活性，从而促进氮素的释放和作物的吸收。

研究还探讨了氮肥施用量与作物产量之间的关系。结果显示，氮肥施用量的增加在一定程度上提高了作物产量，但当施用量超过一定阈值后，产量的增长趋于平缓甚至出现下降。这种现象可能与氮素过量导致的土壤氮素损失有关，例如氮素淋失和挥发。因此，确定最佳的氮肥施用量对于实现作物高产和氮肥高效利用至关重要。试验中采用的线性-平台模型显示，深翻还田条件下，氮肥的最优施用量为237.3 kg ha?1，这一数值比常规施用量降低了20.89%。这一发现为农业实践中的氮肥管理提供了理论依据，即在秸秆还田的条件下，可以适当减少氮肥施用量，而不影响作物产量和氮肥利用效率。

从可持续农业的角度来看，秸秆还田与氮肥管理的结合能够有效提升土壤肥力，改善农业生态系统的稳定性，同时减少对化学氮肥的依赖，降低农业对环境的负面影响。这不仅有助于提高农业生产的经济效益，还符合当前绿色农业的发展趋势。然而，该研究也指出了其局限性，例如，研究范围较为有限，未涉及微生物群落的动态变化，以及未对氮素的环境损失进行系统评估。因此，未来的研究应进一步扩展到更多区域和更长的时间尺度，并结合微生物功能和氮素流失的分析，以更全面地理解土壤质量和氮肥利用效率之间的相互作用。

总体而言，本研究揭示了秸秆还田与氮肥管理的协同作用，为实现农业可持续发展提供了重要的理论和实践支持。在实际应用中，农民可以根据土壤条件和作物需求，合理调整氮肥施用量，以提高氮肥利用效率，减少氮肥投入，同时保持作物产量和土壤肥力。此外，研究结果还表明，长期秸秆还田能够显著改善土壤质量，提高土壤的碳氮含量，促进微生物活动，从而形成一个良性循环，有利于农业生态系统的稳定发展。