4R氮肥管理对一年生与多年生种植体系土壤健康及残留土壤硝态氮（RSN）的位点特异性影响

《Soil Science Society of America Journal》：Impacts of 4R nitrogen management on soil health and residual soil nitrate across annual and perennial cropping systems

　　

氮（N）是作物生产最重要且昂贵的投入之一。低效N管理降低盈利能力，并促进地下水中的硝酸盐（NO₃^?）累积，对环境质量构成风险。4R养分管理框架（4R nutrient stewardship framework）旨在通过应用四个组分优化肥料管理：正确用量（right rate）、正确来源（right source）、正确时间（right time）和正确位置（right place）。然而，很少有研究评估所有四个组分在不同种植体系中的综合效应。该研究量化了单项和整合4R氮肥实践如何影响四种主要西部作物体系——酸樱桃（Prunus cerasus）、马铃薯（Solanum tuberosum）、青贮玉米（Zea mays）和小麦（Triticum aestivum）——的土壤健康和残留土壤硝态氮（RSN）。田间试验于2020年至2023年在爱达荷州南部和犹他州北部的四个地点进行。处理包括N用量（产量目标[YG]的50%、75%、100%和200%）、来源（尿素[46% N]、环境友好型氮肥[ESN；42% N]、尿素硝酸铵[UAN；32% N]）、时间（预植、种植和生长季内）和位置（撒施、条带和滴灌施肥）的组合。在4年后测定土壤健康指标（有机质、呼吸、高压灭菌柠檬酸提取[ACE]蛋白、高锰酸盐可氧化碳[POXC]和团聚体稳定性）、土壤硝酸盐（0–120 cm）以及全N和C（0–60 cm）。在酸樱桃园中，正确时间处理提高土壤呼吸和ACE蛋白，而用量与时间组合改善团聚体稳定性。在青贮玉米–小麦轮作中，N位置，尤其是条带，显著降低RSN，且若干4R处理提高团聚体稳定性。这些发现突出4R氮肥管理实践具有位点特异性影响，且大多数4R实践单独或组合有时可提高团聚体稳定性和微生物呼吸并降低RSN。

论文解读：4R氮肥管理对一年生与多年生种植体系土壤健康及残留土壤硝态氮的影响

研究背景与问题：土壤健康受成土过程及土地利用和管理等人为扰动影响。现代集约化农业影响土壤化学、物理和生物学性质；集约耕作可致有机质损失和团聚体稳定性下降，重型机械可致心土紧实。N是作物生产重要且昂贵投入，但低效N管理降低盈利，并导致硝酸盐（NO₃^?）在地下水累积。4R养分管理（4R nutrient stewardship；正确来源、正确用量、正确时间、正确位置）被提出以优化肥料管理、提高养分利用效率（NUE）并减少环境损失。然而，以往研究多关注一个或少数因素，少综合评估四个组分，且少评估对土壤健康的影响。因此，研究人员在Intermountain West的饲料、谷物、蔬菜和水果作物中评估单项和组合4R氮肥实践对残留土壤硝态氮（RSN）、土壤有机碳（SOC）、土壤全氮（TN）和土壤健康的影响。

研究开展与总体结论：研究人员于2020—2023年在爱达荷州南部和犹他州北部四个地点，围绕酸樱桃（Prunus cerasus）、马铃薯（Solanum tuberosum）、青贮玉米（Zea mays）和小麦（Triticum aestivum）开展田间试验，设置单项和组合4R处理。结果表明，4R氮肥管理对大多数土壤健康指标影响有限；N时间对土壤健康指标影响最突出，在四个地点中的两个提高土壤呼吸、高压灭菌柠檬酸提取（ACE）蛋白和/或团聚体稳定性。在青贮玉米–小麦轮作中，N位置尤其是条带显著降低RSN，若干4R处理提高团聚体稳定性。降低N用量最一致地降低RSN。该研究强调4R效果具有位点特异性，所有4R组分是准则而非保证，为优化N管理、构建土壤健康和减少环境风险提供实践指导。

关键技术方法：采用多地点田间试验，样本来源为2020—2023年爱达荷州南部和犹他州北部四个地点：Kaysville, UT酸樱桃园；Kimberly, ID青贮玉米–小麦轮作；Rexburg, ID小麦–马铃薯轮作；Grace, ID马铃薯–小麦–小麦轮作及商业农场。试验为随机完全区组设计，4次重复，处理代表单项和组合4R：N用量为产量目标（YG）的多个比例，来源包括尿素、环境友好型氮肥（ESN）、尿素硝酸铵（UAN）、硫酸铵（AS）等，时间包括预植、种植、V6、旗叶、分次、晚分次、秋、融雪和萌芽，位置包括撒施、条带和滴灌施肥等。2023年秋采RSN（0—120 cm，Rexburg限60 cm、Kaysville限90 cm）、土壤健康（0—15 cm）及TN和总有机碳（TOC）（0—60 cm）。用SAS 9.4线性混合模型，p<0.10，Fisher LSD p<0.05。

研究结果：
3.1 4R氮肥管理对土壤呼吸的影响。方差分析显示，4R氮肥管理对土壤呼吸仅在Kaysville酸樱桃显著，其他地点不显著。在Kaysville，来源与时间组合（ST）具有最高微生物活性（土壤呼吸，56.7 ppm C），显著高于RS1、RST2、RS2和未施肥对照；时间（T）和非限制处理与ST相当，且三者均高于对照；RT、GSP、用量（R）、来源（S）、RST1、RST2、RS1、RS2与对照无显著差异。降低N用量不利于土壤呼吸，非限制N处理（179 kg N ha^?1）约为用量处理的3倍且呼吸高于所有含用量处理。ST较RST1高32.8%、较RST2高60.6%，后者N用量分别为67.2和56 kg N ha^?1。说明在N供给充足且与生物需求同步时，酸樱桃园土壤呼吸较高；多年生稳定根系和持续有机输入可能支持微生物活性。

3.2 对ACE蛋白的影响。ACE蛋白仅在Kaysville酸樱桃显著，其他地点不显著。T处理ACE蛋白最高（2.65 g kg^?1），显著高于未施肥对照，但与GSP、R、S和RT相似；其他处理与对照相似。含ESN和降低N用量的处理未提高ACE蛋白。说明将N供给与作物和微生物需求同步比单独调整用量或来源更能支持生物活性有机N库；降低用量可能限制生物活性N。

3.3 对团聚体稳定性的影响。团聚体稳定性仅在Kimberly显著，其他地点不显著。Kimberly青贮玉米–小麦轮作中，用量与时间组合（RT）团聚体稳定性最高（81.6%），与RST、S、GSP、对照、RSP、RS和TP统计相似，但显著高于RTP、ST、T、R、P、RSTP、RP、STP和低N处理。RST和S也较高（71.4%和71.1%），与中值处理无显著差异。未施肥对照为65.8%，与多个处理相似，但显著高于低N处理。表明RT可能通过改善N供给与作物生长同步，增加根生物量、残茬归还和微生物结合剂，促进大团聚体形成；但对照较高说明N管理并非唯一原因，残茬输入、轮作和位点土壤条件也重要。

3.4 对RSN的影响。RSN对4R处理的响应因地点而异。Grace和Rexburg无显著差异；Kimberly显著（p=0.0002）。Kimberly未施肥对照RSN最低（7 kg ha^?1）。N位置影响最大：RP（15 kg ha^?1）、TP（28 kg ha^?1）、RTP（22 kg ha^?1）、RSP（26 kg ha^?1）和单P（28 kg ha^?1）RSN较低，且与对照无显著差异，表明条带等placement可降低RSN。含ESN处理未帮助降低RSN，S（90 kg ha^?1）、SP（92 kg ha^?1）等RSN较高，可能因延迟释放与作物吸收不同步。Kaysville酸樱桃RSN也显著：对照最低37 kg ha^?1，RS2（61 kg ha^?1）和RT（94 kg ha^?1）较低；含时间处理T（273 kg ha^?1）和ST（400 kg ha^?1）最高；RST1（189 kg ha^?1）和RST2（149 kg ha^?1）未降低RSN。S（91 kg ha^?1）低于R（118 kg ha^?1），但ST等更高；RS2以AS替代ESN（90 kg N ha^?1：79来自AS+11来自尿素）为4R处理中最低RSN（61 kg ha^?1）。说明source可影响RSN，AS在某些地点优于ESN；在酸樱桃中N时间对RSN影响小，降低N用量可降低RSN。

3.5 对土壤TN的影响。所有地点土壤深度显著影响TN浓度和TN含量；处理总体不显著，但Kimberly存在处理×深度显著互作。0—30 cm，TN从T的0.107%到未施肥对照的0.09%；除RS外，其他处理与对照相似，RS大于对照且等于T。30—60 cm，TP（0.06% TN）显著大于对照，其他处理维持N库。TN含量无显著差异，0—30 cm范围4.07（S）至3.54 MT N ha^?1（SP），30—60 cm范围2.42（ST）至1.79 MT N ha^?1（低N）。多数处理0—30 cm TN高于30—60 cm，反映表层施肥、残茬和根系输入导致N库分层。说明4年后总土壤N库相对稳定，RSN比总N更敏感。

3.6 对TOC的影响。所有地点深度显著影响TOC浓度（%），Kaysville和Rexburg深度显著影响TOC含量；处理仅在Kaysville对TOC（%）显著（p=0.0829）。0—30 cm TOC为0.83%（S）至0.70%（RS2），30—60 cm为0.50%（S）至0.30%（RST2）。TOC含量无显著差异，0—30 cm为39（S）至30 MT C ha^?1（RST2），30—60 cm为21（T）至13 MT C ha^?1（RS2）。说明四年内4R氮肥实践对TOC影响小，TOC受固有土壤性质和深度依赖有机质分布控制，总C库变化慢。

讨论与结论翻译：讨论指出，4R对多数土壤健康指标影响有限；N时间单独或结合用量和来源在四个地点中的两个改善土壤呼吸、ACE蛋白和/或团聚体稳定性；整合4R可显著影响土壤N和碳动态，但提高N率不一定增加总土壤N或碳累积，N placement对土壤N和碳动态无显著影响。实施所有4R不总保证最优N管理，效果受土壤肥力、历史NO₃^?水平和作物种类等位点因素影响。用ESN替代常规尿素在四个地点中的三个未降低RSN，Kaysville例外；ESN处理下高RSN可能与缓慢释放未完全被作物利用、尤其分次施用导致土壤累积有关。所有4R是准则而非改善土壤和环境结果的保证。降低N用量最有潜力降低RSN，建议种植者基于RSN测试、过去作物和土壤历史、粪肥和残茬养分信用及现实YG确定N率。改善土壤健康最有效的4R氮肥方法是将合适N时间与适当N用量结合；降低RSN推荐降低N率配合合适placement。这些发现为种植者优化N管理、构建土壤健康和减少环境影响提供实践指导。

研究结论翻译：该研究评估了单项和组合4R氮肥管理实践对多个种植体系中选定土壤健康指标、RSN及土壤N库的影响。肥料N施用时间，无论单独或与用量和来源组合，对土壤健康指标具有最强正向效应，在四个研究地点中的两个提高了土壤呼吸、ACE蛋白和/或团聚体稳定性。然而，在所有地点，4R氮肥管理对土壤健康的总体影响有限。整合4R实践，即组合用量、来源和时间，可显著影响土壤N和碳动态。然而，提高N率并不总是转化为更高的总土壤N或碳累积。N placement在本研究中对土壤N和碳动态无显著影响。这些结果表明，实施所有4R组分并不总能确保最优N肥管理；有效性可能受位点特异性因素影响，如土壤肥力、历史土壤NO₃^?水平和作物种类。在研究的四个地点中的三个，用ESN替代常规尿素通常未降低RSN，Kaysville是唯一例外。ESN处理下高RSN持续存在，可能源于缓慢N释放未被作物完全利用（尤其用于分次施用时），导致N在土壤中随时间累积。这强调所有4R是准则，而非改善土壤和环境结果的保证。在本研究评估的所有N管理策略中，降低N施用量显示最大降低RSN的潜力。因此，鼓励种植者基于RSN测试、过去作物和土壤历史、粪肥和残茬养分信用以及现实YG确定N率。总之，改善土壤健康最有效的4R氮肥方法是将合适N时间与适当N施用率结合。为降低RSN，推荐降低N率并结合合适placement。这些发现为种植者优化N管理以构建土壤健康和减少环境影响提供实践指导。