《Resources, Conservation and Recycling》：Divergent long-term effect of synthetic and organic fertilizer inputs on grain nitrogen content and its impact on nitrogen use efficiency assessment
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•长期田间试验揭示了施肥对籽粒氮含量的动态响应。•粪肥与化肥配施在维持籽粒氮含量和产量方面优于单施化肥氮。•籽粒氮含量恒定假设会导致小麦和玉米系统中氮利用效率（NUE）估算的偏差。•籽粒氮含量的监测有助于准确评估氮利用效率并实现可持续的氮管理。引言为应对不断增长的全球粮食需求
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长期田间试验揭示了施肥对籽粒氮含量的动态响应。
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粪肥与化肥配施在维持籽粒氮含量和产量方面优于单施化肥氮。
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籽粒氮含量恒定假设会导致小麦和玉米系统中氮利用效率（NUE）估算的偏差。
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籽粒氮含量的监测有助于准确评估氮利用效率并实现可持续的氮管理。
引言
为应对不断增长的全球粮食需求，提高作物产量一直是核心目标。然而，籽粒氮含量的变化——作为蛋白质含量和营养质量的重要指标——一直缺乏充分表征（Z?rb 等，2018；Zhou 等，2021）。籽粒蛋白质（如白蛋白和球蛋白）具有较高的营养价值以及结构和代谢功能，而麦谷蛋白（醇溶蛋白和醇溶麦谷蛋白）则决定了面粉质量（Shewry 和 Halford，2002）。氮是蛋白质的重要组成部分，因此，籽粒氮含量通常通过固定的无量纲转换因子（小麦：5.70，玉米：6.25，水稻：5.95）来估算籽粒蛋白质含量（Han 等，2022；Shu 和 Jaquie，2024）。因此，籽粒氮含量是籽粒蛋白质含量的有效替代指标，也是蛋白质相关营养质量的指示物（Segarra 等，2023；Zhang 等，2021）。尽管其重要性显著，但大多数研究仍聚焦于优化氮管理以提高籽粒产量（Xia 等，2017；Zhang 等，2020；Cai 等，2023），往往忽略了其对籽粒氮含量的影响。
籽粒氮含量的变化与氮投入密切相关，这影响了植物体内氮的分配、转运和再利用，尤其是灌浆期氮的再动员效率（Ma 等，2022；Mondal 等，2023）。尽管合成氮肥的施用直接影响氮的积累和作物产量，但并不总能同时实现高产量和高籽粒蛋白质含量的双重目标（Mosleth 等，2015；Lollato 等，2019）。过量的合成氮输入甚至可能导致非籽粒器官中氮的富集，从而降低籽粒氮含量和氮利用效率（Biswas 和 Ma，2016；Walsh 等，2022）。合成氮肥与有机肥料的配合施用长期以来被认为是一种优化氮形态、延缓氮释放和提高氮利用效率的有效策略（Salehi 等，2017；Salehi 等，2018；Salehi 等，2019）。有机肥料不仅有助于土壤氮库的形成和微生物活性的刺激，还能帮助在时间和空间上协调氮的供给与作物需求，最终影响灌浆期氮的转运和积累（Geisseler 等，2021；Curtright 等，2024）。
尽管已有研究探讨了合成肥和有机肥对籽粒氮含量的影响，但大多数研究仍基于短期田间试验（≤5年）。虽然这些研究可为年度管理决策提供参考，但并不能准确描述施肥管理的长期效应（Mondal 等，2023；Biswas 和 Ma，2016；Walsh 等，2022；Wang 等，2023）。这一局限性在合成肥与有机肥配施的背景下尤为突出，因为能否同时实现可持续的高产和籽粒氮含量的增加仍存在不确定性。长期田间试验（≥10年）是评估和开发有效养分管理措施以支撑可持续作物生产的重要工具，因为它们能够揭示不同施肥管理下土壤肥力、作物产量和籽粒氮含量的长期变化（Richter 等，2007；K?rschens 等，2013；van Grinsven 等，2022）。因此，在长期试验中追踪籽粒氮含量可为制定兼顾生产力和营养质量的施肥策略提供可靠依据。
此外，监测不同施肥处理下籽粒氮含量的长期动态变化，对于估算氮利用效率和氮收支至关重要。在大多数研究中，在更广泛空间尺度上量化氮收支和氮利用效率通常依赖于粮农组织（FAO）参考的固定籽粒氮含量值，这些值通常取自联合国粮食及农业组织发布的全球作物特定平均值（FAO，2022）。然而，这种方法可能会在氮利用效率评估中引入偏差，因为籽粒氮含量并非静态的，会随时间和施肥方式的变化而变化。例如，Ciampitti 和 Vyn（2012）报道，玉米籽粒中的氮含量从1940–1990年间的13.3 g kg?1下降至1991–2011年间的12.0 g kg?1（15.5%水分含量），平均下降了15.5%。然而，籽粒氮含量的变异对氮利用效率估算的影响程度尚未得到明确评估。因此，了解长期施肥下籽粒氮含量的动态变化及其对氮利用效率的影响，对于提高大规模氮利用效率评估的准确性以及指导氮管理至关重要。
为填补上述知识空白，本研究利用中国11个长期施肥试验超过20年的数据，分析了小麦和玉米的籽粒氮含量。这些试验包含九种施肥处理：(1) 对照（不施肥，CK）；(2) 合成磷钾肥（PK）；(3) 单施合成氮（N）；(4) 合成氮钾肥（NK）；(5) 合成氮磷肥（NP）；(6) 合成氮磷钾肥（NPK）；(7) 合成氮磷钾肥加粪肥（NPKm）；(8) 仅靠粪肥施入高氮量或总氮量（hNPKm）；(9) 合成氮磷钾肥加秸秆还田（NPKs）。我们提出以下假设：(i) 长期施氮可增加小麦和玉米的籽粒氮含量，但不同施肥方案下增幅和时间趋势存在差异；(ii) 长期有机肥配施比单施合成氮肥能更持久地提高籽粒氮含量；(iii) 假设籽粒氮含量恒定会在氮利用效率估算中引入系统性偏差。为验证这些假设，我们量化了长期施肥对这两种作物籽粒氮含量的影响，考察了施肥效应随时间的变化，并比较了使用FAO参考的固定籽粒氮含量与观测值计算氮利用效率的差异。为避免结果报告中的混淆，我们将氮利用效率报告为0至1之间的数值，并将相对变化以百分比表示。
各节摘要
长期施肥试验
本研究使用了在中国各地农用地建立的11个长期施肥试验的数据集，这些试验于1979年至1991年间启动（补充图1a和补充表1）。这些试验旨在研究长期施用合成肥和有机肥对土壤肥力和作物产量的影响。其中两个站点位于东北地区：哈尔滨（HEB）和公主岭（GZL）；三个站点位于西北地区：乌鲁木齐（UMQ）、平凉
施氮处理对籽粒氮含量和产量的影响
总体而言，长期施氮显著提高了籽粒氮含量（图1）和作物产量（图2）。施氮处理（即N、NK、NP、NPK、NPKm、hNPKm和NPKs）下小麦的平均籽粒氮含量达到22.3 g kg?1（95%置信区间：22.0–22.6 g kg?1），高于全球平均水平（20.0 g kg?1），与对照处理相比增加了19%（95%置信区间：18%–21%）（图1a和补充图2）。同时，产量提高了263%（95%置信区间：236%–289%）
优化氮管理以可持续提高籽粒氮含量
本研究揭示了中国籽粒氮含量与国际基准之间的差距，凸显了在提高产量的同时增加籽粒氮含量的挑战。总体而言，多站点、长期不同施肥试验的结果显示，中国小麦和玉米的平均籽粒氮含量分别为21.4 g kg?1（范围：10.3至37.0 g kg?1）和12.5 g kg?1（范围：3.3至19.6 g kg?1）（补充图2和3）。值得注意的是，小麦的数值接近
结论
本研究基于长期多站点数据，提供了有力的证据表明，施氮显著提高了作物产量和籽粒氮含量，但在持续施用化肥的条件下，这些效益在小麦中随时间推移而减弱，在玉米中趋于稳定。粪肥与化肥的配施使产量和籽粒氮含量实现了持续且协调的增长，凸显了其在维持长期生产力和蛋白质相关营养
CRediT 作者贡献声明
任克宇：撰写初稿、可视化、形式化分析、数据整理。徐明岗：撰写—审稿与编辑、资源提供、数据整理。张文娟：撰写—审稿与编辑、资源提供。段英华：撰写—审稿与编辑、资源提供、项目管理、资金获取、数据整理、概念构思。张鑫：撰写—审稿与编辑、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究由中国农业科学院科技创新工程（CAAS-CSAL-202302）、中国农业农村发展长期试验网络（CLENARD-DAC-AR和CLENARD-HY）以及美国国家科学基金会（OISE-2330502、CNS-1739823、CBET-2047165和CBET-2025826）资助。
任克宇|徐明岗|张文娟|段英华|张鑫
