黄土高原旱地小麦产量形成中残留氮素稳定性及其对产量的关键影响

本研究针对中国“化肥零增长行动”实施后土壤残留养分可持续供应能力不足的问题，通过六年田间试验探究了黄土高原旱地小麦体系中残留氮、磷、钾的转化动态。研究发现残留氮库稳定性显著低于磷钾，其中NO3-N和轻组有机氮(LFON)通过调控穗数和穗粒数驱动产量形成，为优化旱地农田施肥策略提供了理论依据。

　　

在中国实施“化肥零增长行动”后，农业领域面临着一个关键挑战：如何在不施用过量化肥的情况下维持作物高产。虽然大量研究关注于用有机肥替代化肥，但人们却忽视了一个隐藏的宝藏——土壤中长期积累的残留养分。这些残留养分究竟能支撑多久的作物生产？它们的供应能力如何？特别是在中国黄土高原旱地小麦产区，这个问题显得尤为迫切。

为了解答这些问题，山西农业大学的科研团队进行了一项长达六年的田间试验，研究成果发表在《Journal of Integrative Agriculture》上。他们设置了五种不同的施肥处理：农民习惯施肥(FF)、调控施肥(RF)、以及调控施肥基础上分别不施氮(RF-N)、不施磷(RF-P)和不施钾(RF-K)，系统研究了小麦产量形成、土壤氮磷钾各组分的变化及其与产量的关系。

研究团队通过长期田间定位试验，采用土壤养分分级提取技术分析了不同形态氮(矿物氮、轻组有机氮LFON、重组有机氮HFON、溶解有机氮DON、易氧化有机氮EON)、磷(H₂O-P、NaHCO₃-P、NaOH-P、HCl-P、残留磷)和钾(水溶性钾WSK、交换性钾EK、非交换性钾NEK、矿物钾MK)组分，并运用相关分析明确了各养分组分与产量构成因素的关系。

小麦产量对养分缺失的敏感性表现为N>P>K

研究发现，不施氮处理(RF-N)的小麦产量在六年内平均比全养分调控施肥(RF)降低22.0%，且达到统计学显著水平(P<0.05)。相比之下，不施磷和不施钾处理的产量下降幅度较小，表明氮素对产量形成的影响最为关键。

土壤氮库稳定性最低且各组分变化显著

在RF-N处理下，矿物氮、轻组有机氮(LFON)和重组有机氮(HFON)相对于RF处理和2018年初始水平呈现持续下降趋势。而溶解有机氮(DON)和易氧化有机氮(EON)则呈现先下降后上升的变化 pattern，反映了氮素各组分之间的相互转化过程。

土壤磷库以稳定形态为主

RF-P处理下，H₂O-P、NaHCO₃-P和NaOH-P分别比RF处理降低了40.0%、51.5%和10.3%(P<0.05)，而HCl-P、残留磷和全磷(TP)保持稳定，表明土壤磷库中以较为稳定的形态为主。

土壤钾库变化主要发生在活性组分

不施钾处理(RF-K)使水溶性钾(WSK)降低了10.9%(P<0.05)，而交换性钾(EK)、非交换性钾(NEK)、矿物钾(MK)和全钾(TK)与RF处理相比无显著变化，说明钾素缺失主要影响活性钾库。

残留氮组分与产量形成要素密切相关

研究发现硝酸盐氮(NO₃-N)和轻组有机氮(LFON)显著影响穗数和每穗粒数这两个关键产量构成因素，从而驱动最终产量的形成。

研究结果表明，在连续依赖残留养分供应的情况下，土壤氮库的稳定性明显低于磷库和钾库。这一发现揭示了残留氮素在旱地小麦生产中的特殊地位：既是产量形成的关键驱动因子，又是最不稳定的养分库。特别值得注意的是，硝酸盐氮(NO₃-N)和轻组有机氮(LFON)作为关键的活性氮库，通过调控穗数和穗粒数直接决定了最终产量水平。

这项研究深化了我们对土壤残留养分持续供应能力的认识，为优化旱地农业生态系统施肥策略提供了重要理论依据。在化肥减量背景下，如何高效利用土壤残留氮素同时保持其可持续供应能力，成为未来旱地农业绿色发展的关键课题。研究结果提示，在制定施肥策略时应特别关注氮素的管理，因为其不仅对产量影响最大，而且也是最容易耗竭的残留养分。该研究为实现化肥减量目标下的粮食安全生产提供了科学支撑，对推动旱地农业可持续发展具有重要意义。