《Field Crops Research》：Sustainable intensification of maize through improved nutrient and plant density management in a water-sensitive lake basin agroecosystem
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可持续农业路径：研究在云南洱海流域通过优化氮磷施肥（推荐量或减少30kg N/ha）与提高种植密度（8万-10万株/ha），使玉米产量分别增加16.7-17.2%和6.2-16.0%，同时氮磷流失减少25.4-59.3%和24.3-98.3%，验证了协同管理对高产低损的促进作用。
英飞宇|吕志兵|霍月文|陈聪|赵正雄|胡晓康|普拉卡什·拉克什马南|汉斯·兰伯斯|张福锁|丛文峰
教育部重点实验室（养分利用与管理）、植物-土壤相互作用重点实验室、中国农业大学资源与环境科学学院、国家农业绿色发展研究院，北京100193，中国
摘要
背景
在保护水资源的地区，实现高玉米产量同时最小化环境影响仍然是全球粮食安全和生态可持续性的主要挑战，因为养分流失会对水质造成风险。
目标
本研究旨在系统评估养分管理和种植密度对玉米产量、养分积累与再分配、养分径流以及环境足迹的影响，以确定在保护水资源地区提高玉米生产力同时减少环境影响的可持续农艺方法。
方法
在中国西南部的洱海湖流域进行了一项为期两年的田间试验。设置了四种处理方式：（1）不施用肥料（CK）；（2）农民常规施肥方式（FP，高氮磷钾投入且种植密度低）；以及两种优化处理方式：T1采用推荐的氮磷钾施肥量并结合更高的种植密度；T2保持与T1相同的种植密度，但氮肥减少30公斤/公顷，同时保持磷钾肥料不变。
结果
与FP处理相比，T1处理下的玉米产量增加了16.7–17.2%，T2处理下增加了6.2–16.0%，这主要是由于收获的玉米穗数和千粒重增加所致。T1处理还增强了抽丝前后的氮和磷积累，地上总氮和磷积累分别增加了4.9–21.4%和15.6–20.7%。从衰老叶片向籽粒中重新分配氮和磷的过程进一步促进了产量的提高。优化处理显著减少了养分流失：总氮径流减少了25.4–53.4%（T1处理）和31.0–59.3%（T2处理），主要通过减少硝酸盐氮（NO??N）、铵态氮（NH??N）和溶解态氮（DON）的排放；总磷径流减少了24.3–38.9%（T1处理）和25.5–26.6%（T2处理），主要是由于溶解态磷（TDP）的减少。此外，在高土壤磷条件下，T1处理减少了氮过剩量52.1–84.8%，并实现了磷的负盈余。氮和磷的足迹分别减少了57.3–87.4%和57.4–98.3%。
结论
优化养分管理并结合增加种植密度可以协同提高玉米产量，增强地上氮和磷的积累与再分配，并大幅减少养分径流、养分过剩和环境足迹。这些结果展示了一条实现高生产力和环境保护的实用“双赢”途径。
意义
本研究为在水资源敏感的农业生态系统中协调作物产量目标与环境可持续性提供了新的见解。研究结果为玉米生产的可持续集约化提供了一个可扩展的框架，既支持粮食安全又保护水资源。
引言
过去半个世纪中，合成肥料的密集使用极大地提高了全球粮食产量，但也导致了资源利用效率低下和环境退化。在中国，仅占全球耕地面积9%的土地上就消耗了全球30%以上的肥料，肥料过度使用仍然是实现可持续集约化的关键挑战（吴等，2018）。过量的氮（N）和磷（P）投入导致了肥料利用效率低下、土壤退化以及养分向环境中的流失，进而加剧了许多湖泊流域的富营养化（托伦特等，2007；朱等，2009；郭等，2010）。玉米是中国最大的粮食作物和主要饲料作物，但其产量近年来停滞不前，进口量却大幅增加（罗等，2023）。因此，在减少养分流失的同时提高玉米生产力对于维持粮食安全和环境质量至关重要。
优化养分管理是已被证明可以提高产量和减少养分流失的有效农艺方法（张等，2011；张等，2021a；埃尔里斯等，2023；易卜拉欣和侯，2023）。田间证据表明，根据作物需求施用适量的肥料可以增强冠层光合作用、干物质积累和养分吸收（陈等，2014）。高效肥料（EEFs），包括控释氮肥和硝化抑制剂或脲酶抑制剂，显示出同时提高氮利用效率和减少养分流失的潜力（胡等，2023；李等，2024；张等，2024）。然而，其效果很大程度上取决于特定地点的管理措施，可能涉及一些权衡，例如增加氨气（NH?）的挥发（兰姆等，2017）。因此，综合性的田间试验对于量化不同农业生态条件下养分管理策略对产量形成和养分动态的影响至关重要（弗兰克林等，2012；谭等，2013；单等，2015；张等，2021a）。
种植密度是影响玉米生产力的另一个重要因素（杜维克，2005）。通常情况下，随着种植密度的增加，玉米产量会提高，但超过某个最佳密度后，植株间的竞争会减少玉米穗的形成和籽粒灌浆（托卡特利迪斯等，2011；阿塞法等，2016；罗等，2020）。低种植密度往往导致单位面积收获的玉米穗数减少，而过高的种植密度则会加剧植株间的竞争，减少干物质积累，限制养分向玉米穗的分配，最终降低产量（托卡特利迪斯和库特鲁巴斯，2004；恰姆皮蒂和文，2011；邵等，2024）。在中等氮肥投入下增加种植密度已被证明可以提高产量潜力并提高养分利用效率，同时不增加环境风险（侯等，2020；吴等，2024）。高密度种植可以改善光照截获，并促进衰老叶片中的氮向发育中的玉米穗的再分配（段等，2023；刘等，2023）。这些生理和形态上的调整表明，养分管理和种植密度在实现农艺和环境目标方面具有显著的协同作用（余等，2024；朱等，2024a；朱等，2024b）。
中国西南部的洱海湖流域是一个水资源敏感且耕作集约化的地区。农业是该地区养分负荷的主要来源，贡献了湖泊总氮负荷的约97%和总磷负荷的93%（倪和王，2015；陈等，2021；赵等，2023）。尽管在控制富营养化方面取得了进展，但来自高投入系统（如玉米）的养分径流仍然是一个主要问题（邹等，2023）。先前的水稻和烟草系统研究表明，减少20%的肥料投入可以显著降低养分流失而不影响产量（江等，2022；王等，2024）。然而，关于如何同时优化该流域玉米的养分投入和种植密度，现有的田间证据仍然有限。
为了填补这一空白，我们在洱海湖流域进行了一项为期两年的田间试验，以评估养分管理和种植密度联合管理对玉米产量形成、养分积累与再分配以及养分径流的影响。具体目标包括：（1）量化不同养分管理和种植密度组合下的玉米产量及其构成部分；（2）评估这些管理措施下的氮（N）和磷（P）积累、分配和再分配；（3）评估氮和磷的径流损失及其组成特征；（4）确定在水资源敏感的农业生态系统中实现高玉米产量同时最小化环境足迹的综合管理策略。
研究地点
田间试验于2023年和2024年的生长季节在中国云南省大理市万桥镇进行（东经100°7′52″，北纬25°48′39″）。该地点位于洱海湖流域内，海拔1975米，距离洱海直线距离约为1.1公里。该地区具有亚热带高原季风气候，明显的干湿季节。2023年和2024年的年平均气温分别为16.7°C和16.6°C。
籽粒产量、产量构成成分和收获指数
不同处理方式之间的籽粒产量、产量构成成分和收获指数存在显著差异（表2）。2023年和2024年，T1处理的产量最高，分别为17.2吨/公顷和16.7吨/公顷，分别比FP处理提高了11.7%和14.8%。T2处理在2023年的产量为16.3吨/公顷，在2024年为16.8吨/公顷，分别比FP处理高出6.2%和16.0%。
T1和T2处理均显著提高了...
养分管理和种植密度对玉米籽粒产量及产量构成成分的影响
在中国西南部，农民普遍过量施用氮肥（N），通常超过300公斤/公顷，但这并不总是转化为更高的产量，反而导致氮利用效率低下和大量养分流失（陈等，2011；姚等，2021；侯等，2024）。在我们的研究中，农民常规施肥方式（FP）处理施用了300公斤/公顷的氮肥，并获得了相对较高的玉米产量。然而，由于土壤中残留了大量无机氮...
结论
与农民常规施肥方式（FP）相比，优化处理（T1和T2）通过减少养分投入和增加种植密度显著提高了玉米生产力，同时减少了养分流失、养分过剩和环境影响。T1和T2处理下的产量提高主要归因于玉米穗数和千粒重的增加，以及抽丝前后氮（N）和磷（P）的积累增强。此外...
作者贡献声明
英飞宇：撰写——初稿；撰写——审稿与编辑；调查；方法学；可视化；数据分析；概念化。
吕志兵：调查；方法学。
霍月文：方法学；概念化。
陈聪：调查。
赵正雄：资源支持；概念化。
胡晓康：资源支持；概念化。
普拉卡什·拉克什马南：撰写——审稿与编辑；方法学；概念化。
汉斯·兰伯斯：撰写——审稿与编辑；方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
我们感谢所有参与田间工作的同事。本工作得到了云南省重大科技项目（202202AE090034）、云南省科技厅项目（202304BQ040005、202305AF150055）的支持。
