《Soil Science Society of America Journal》：Impacts of 4R nitrogen management on soil health and residual soil nitrate across annual and perennial cropping systems
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氮（N）是作物生产中最重要且最昂贵的投入之一。低效氮管理降低盈利能力，并促进硝酸盐（NO3?）在地下水中的累积，对环境质量构成风险。4R养分管理框架（right source, right rate, right t
氮（N）是作物生产中最重要且最昂贵的投入之一。低效氮管理降低盈利能力，并促进硝酸盐（NO3?）在地下水中的累积，对环境质量构成风险。4R养分管理框架（right source, right rate, right time, right place；正确来源、正确用量、正确时间、正确位置）旨在通过四个组分优化肥料管理。然而，少有研究评估所有四个组分在不同种植系统中的组合效应。本研究量化了单个和整合4R氮实践如何影响四种主要西部作物系统——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（residual soil nitrate, RSN）。田间试验于2020—2023年在爱达荷州南部和犹他州北部的四个地点开展。处理包括氮用量（产量目标的50%、75%、100%和200%）、来源（尿素[46% N]、环境智能氮[environmentally smart nitrogen, ESN；42% N]、尿素硝酸铵[urea ammonium nitrate, UAN；32% N]）、时间（播种前、种植期和生育期内）和位置（撒施、条施和灌溉施肥）的组合。在4年后测定土壤健康指标（有机质、呼吸、高压灭菌柠檬酸盐可提取[autoclave citrate extractable, ACE]蛋白、高锰酸盐可氧化碳[permanganate oxidizable carbon, POXC]和团聚体稳定性）、土壤硝酸盐（0–120 cm）以及总氮和碳（0–60 cm）。在酸樱桃园，正确时间处理提高土壤呼吸和ACE蛋白，而用量和时间组合改善团聚体稳定性。在青贮玉米–小麦轮作中，氮位置，尤其条施，显著降低RSN，且若干4R处理提高团聚体稳定性。这些发现强调，4R氮管理实践具有地点特异性影响，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。
土壤健康受成土过程和与土地利用及管理实践相关的人为干扰影响。现代集约农业系统显著影响土壤化学、物理和生物性质；集约生产可改变土壤功能。已有研究表明，长期大量使用农化品、重型机械等可影响土壤微生物区系、微生物活性、土壤结构、养分矿化和压实等。土壤健康不能通过单一指标评价，而需综合物理、化学和生物指标。氮（N）管理是调节土壤生物活性、土壤有机质（soil organic matter, SOM）周转以及土壤碳氮储存的重要因素。长期适宜氮肥可促进土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）积累和微生物生物量提高，但当氮肥超过作物需求时，SOC平衡可能转为负值，残留无机氮增加并加速SOC矿化，微生物生物量也可能下降。4R养分管理（right source, right rate, right time, right place；正确来源、正确用量、正确时间、正确位置）是优化肥料管理的框架，但以往研究多关注一个或少数因素，较少综合评估四个组分，也较少评估其对土壤健康的影响。因此，研究人员在2020—2023年于爱达荷州南部和犹他州北部四个地点，针对酸樱桃、马铃薯、青贮玉米和小麦，评估单个和组合4R氮实践对残留土壤硝态氮（residual soil nitrate, RSN）、SOC、总氮（total nitrogen, TN）和土壤健康的影响。研究总体表明，4R氮管理对多数土壤健康指标影响有限，但在部分地点氮时间、用量和来源组合可改善土壤呼吸、ACE蛋白和/或团聚体稳定性；条施等位置策略可降低RSN；降低氮用量最一致地降低RSN且未降低生产力；ESN替代常规尿素在多数地点未降低RSN。该研究强调4R是指导原则而非结果保证，并为种植者优化氮管理、改善土壤健康和降低环境风险提供实践依据。
关键方法：2020—2023年在爱达荷州南部和犹他州北部四个地点开展田间试验，样本队列来源包括Kaysville, UT的酸樱桃园，Kimberly, ID的青贮玉米–小麦轮作，Rexburg, ID的小麦–马铃薯轮作，以及Grace, ID的马铃薯–小麦–小麦轮作。采用随机完全区组设计，4次重复，设置单因素及组合4R氮处理，包括氮用量、来源、时间和位置处理。4年后采集0–120 cm土壤RSN样，部分地点受限制为0–90或0–60 cm，并采集0–15 cm土壤健康样。测定SOM、24 h CO
2 burst土壤呼吸、ACE蛋白、POXC、湿筛团聚体稳定性、RSN、总有机碳（total organic carbon, TOC）和TN。使用SAS 9.4线性混合模型分别分析各地点，显著性水平为p < 0.10，均值分离用Fisher最小显著差法p < 0.05。
结果部分：3.1 4R氮管理对土壤呼吸的影响。方差分析显示，4R氮管理对土壤呼吸的影响仅在Kaysville酸樱桃园显著，其他地点不显著。在Kaysville，来源和时间组合（ST）的微生物活性最高，土壤呼吸为56.7 ppm C，显著高于两个用量和来源组合（RS 1、RS 2）、两个用量、来源和时间组合（RST 2、RST 1中的RS 1、RST 2等）以及未施肥对照。时间处理（T）和非限制处理与ST相当，且三者均高于对照。用量和时间组合（RT）、种植者标准实践（grower standard practice, GSP）、用量（R）、来源（S）、RST 1、RS 1、RST 2和RS 2与对照无显著差异。非限制氮处理为179 kg N ha
?1，其土壤呼吸高于所有含用量处理，说明降低氮用量不利于土壤呼吸。ST比RST 1高32.8%，比RST 2高60.6%。研究认为，当氮供应充足并与生物需求同步时，Kaysville土壤呼吸较高。
3.2 4R氮管理对ACE蛋白的影响。ACE蛋白仅在Kaysville酸樱桃园显著。时间处理（T）的ACE蛋白最高，为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。ESN和降低氮用量的处理未增加ACE蛋白。研究认为，将氮供应与作物及微生物需求同步，比单独调整用量和来源更能支持生物活性有机氮库。
3.3 4R氮管理对团聚体的影响。团聚体稳定性仅在Kimberly显著。Kimberly为青贮玉米–小麦轮作，RT处理的团聚体稳定性最高，为81.6%，与RST、S、GSP、对照、RSP、RS和TP相似，但显著高于RTP、ST、T、R、P、RSTP、RP、STP和低氮处理。RST和S的团聚体稳定性分别为71.4%和71.1%。未施肥对照为65.8%，与RSP、RS、TP、RTP、ST、T、R、P、RSTP、RP和STP相似，但显著高于低氮处理。研究认为，RT可能改善氮供应与作物生长同步性，增加根生物量、残体归还和微生物胶结剂，但对照也较高，说明氮管理单独不能解释团聚体稳定性响应，还受残体输入、轮作和地点土壤条件影响。
3.4 4R氮管理对RSN的影响。方差分析显示，总RSN在Grace（p = 0.577）和Rexburg（p = 0.659）无显著差异。在Kimberly，0–120 cm总RSN在4R氮管理处理间显著差异（p = 0.0002），未施肥对照最低，为7 kg ha
?1。氮位置对降低RSN影响最明显：用量和位置组合（RP）为15 kg ha
?1，时间和位置组合（TP）为28 kg ha
?1，用量、时间和位置组合（RTP）为22 kg ha
?1，用量、来源和位置组合（RSP）为26 kg ha
?1，单独正确位置（P）为28 kg ha
?1，这些与未施肥对照无显著差异。含ESN的处理如S（90 kg ha
?1）、SP（92 kg ha
?1）和RSP（26 kg ha
?1）相对较高，说明ESN未帮助降低RSN。在Kaysville，RSN也显著不同。未施肥对照最低，为37 kg ha
?1；次低为RS 2（61 kg ha
?1）和RT（94 kg ha
?1）。含时间处理的T（273 kg ha
?1）和ST（400 kg ha
?1）RSN最高；RST 1（189 kg ha
?1）和RST 2（149 kg ha
?1）也未降低RSN。S处理（101 kg N ha
?1，尿素+ESN）RSN为91 kg ha
?1，低于R处理（67 kg N ha
?1，尿素）的118 kg ha
?1。RS 2使用硫酸铵（ammonium sulfate, AS）90 kg N ha
?1（79来自AS+11来自尿素），RSN为61 kg ha
?1，是4R处理中最低。研究认为，位置可降低RSN，降低用量可降低RSN，来源效果混合，AS在部分地点比ESN更有效。
3.5 4R氮管理对土壤TN的影响。方差分析显示，土壤深度显著影响四个地点的TN浓度和TN含量；处理无显著影响，但Kimberly存在处理×深度显著交互。0–30 cm TN从T的0.107%到对照的0.09%。多数处理与对照相似，RS大于对照且等于T。30–60 cm，TP处理TN为0.06%，显著大于对照。TN含量无显著差异，0–30 cm为S的4.07 MT N ha
?1到SP的3.54 MT N ha
?1；30–60 cm为ST的2.42 MT N ha
?1到低氮处理的1.79 MT N ha
?1。TN在0–30 cm高于30–60 cm，反映表层施肥、残体输入和根系来源有机输入。研究认为，RSN是比总土壤氮更敏感的短期氮管理指标，TN在4年后相对稳定。
3.6 4R氮管理对TOC的影响。方差分析显示，土壤深度显著影响四个地点的TOC浓度，以及Kaysville和Rexburg的TOC含量；处理效应仅在Kaysville的TOC浓度显著（p = 0.0829）。0–30 cm TOC从S的0.83%到RS 2的0.7%；30–60 cm从S的0.50%到RST 2的0.30%。TOC含量无显著差异，0–30 cm为S的39 MT C ha
?1到RST 2的30 MT C ha
?1；30–60 cm为T的21 MT C ha
?1到RS 2的13 MT C ha
?1。研究认为，4R氮实践在4年研究期内对TOC浓度或含量影响很小，TOC受土壤固有性质和深度依赖的有机质分布影响更强，4年可能过短，难以检测总碳库变化。
讨论与结论部分表明：本研究评估了单一及组合4R氮管理实践对多个种植系统中若干土壤健康指标、RSN及土壤氮库和碳库的影响。肥料氮施用时间，无论单独施用还是与用量和来源组合，对土壤健康指标的正效应最强，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氮管理对土壤健康的总体影响有限。整合4R实践（用量、来源和时间组合）可显著影响土壤氮和碳动态。然而，提高氮用量并不总是转化为更高的土壤总氮或碳累积。氮位置在本研究中对土壤氮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佳氮肥管理；有效性可能受地点特异性因素影响，如土壤肥力、历史土壤NO
3?水平和作物种类。用ESN替代常规尿素在四个研究地点中的三个一般未降低RSN，Kaysville是唯一例外。ESN处理下RSN持续较高可能源于氮释放缓慢，未被作物完全利用（尤其分次施用时），导致随时间在土壤中累积。这强调，应用所有4R是一种指南，而非改善土壤和环境结果的保证。在本研究评估的所有氮管理策略中，降低氮用量显示降低RSN的最大潜力。因此，鼓励种植者基于RSN测试、过去作物和土壤历史、粪肥和残体养分信用以及现实的产量目标（yield goal, YG）来制定氮用量。总之，改善土壤健康最有效的4R氮策略是将适当氮时间与适当氮用量结合。为降低RSN，建议降低氮用量并结合合适位置。这些发现为种植者优化氮管理以构建土壤健康和减少环境影响提供实践指导。
