长期施氮对黄土高原春玉米产量稳定性、氮素利用效率及表观氮盈余的影响

《Agronomy》：Long-Term Nitrogen Fertilization Shapes Yield Stability, Nitrogen Use Efficiency, and Apparent Nitrogen Surplus in Spring Maize on the Loess Plateau of China

　　

不合理的长期施氮威胁着黄土高原玉米生产的可持续性，然而不同施氮量对产量稳定性、器官水平氮分配以及氮平衡的长期影响仍不清楚。本研究建立了一项为期10年（2011–2020年）的田间试验，设置5个施氮水平（0、90、180、270和360 kg N ha-1），供试玉米品种为先玉335。每年成熟期测定籽粒产量、器官生物量和氮含量，并计算可持续产量指数（SYI）、氮收获指数（NHI）、氮素利用效率（NUE）和表观氮盈余（ANS）。结果表明，10年平均产量在N270 kg ha-1处理下达最高值。N0处理呈现先逐渐下降后趋于稳定的趋势。SYI在N270 kg N ha-1处理下最高（0.836），而NUE随施氮量增加持续下降。NHI在整个研究期间保持相对稳定。N180处理的ANS达到47.0 kg N ha-1，而N270和N360处理的ANS远超80 kg N ha-1的阈值，分别达到129.2和222.6 kg N ha-1，这反映了产量与环境风险之间的权衡，而非单纯的产量最大化。综上所述，综合考量产量、稳定性、NUE和ANS，研究人员推荐黄土高原春玉米的最适施氮量为180–186 kg ha-1，该施氮量可实现高产稳产、可接受的NUE和低环境风险的协同效应。

研究背景与目的

氮素是限制作物生长和产量形成的主要养分元素，对保障全球粮食安全至关重要。然而，长期过量施氮不仅无法持续增产，反而会降低氮素利用效率（NUE）、增加生产成本并加剧环境氮损失，如土壤硝态氮淋洗、氧化亚氮排放和水体富营养化等。尽管已有研究表明优化施氮管理可实现高产高效，但针对黄土高原春玉米体系，长期不同施氮梯度下同时兼顾产量、NUE和田间氮平衡的综合评估仍十分匮乏。为此，研究人员提出两个假设：（1）长期施氮条件下，随着施氮量增加，产量稳定性先升后降，而过量供氮无法进一步提高氮收获指数（NHI）；（2）通过整合产量水平、产量稳定性、NUE和表观氮盈余（ANS），可以识别出平衡产量、效率和环境风险的最优施氮量。本研究旨在量化长期施氮下产量稳定性的动态变化，阐明干物质和氮素在器官间的分配如何导致NUE下降，并评估产量、稳定性、NUE与ANS之间的权衡关系，从而为区域春玉米提供基于证据的氮素管理策略。

研究方法与技术路线

研究人员于2011年至2020年在山西农业大学东阳试验站（位于黄土高原）开展了为期10年的田间定位试验。试验设5个施氮水平：0、90、180、270和360 kg N ha^-1，采用不平衡不完全区组设计，其中N0和N90处理重复4次，N180、N270和N360处理重复5次。供试品种为先玉335，尿素为氮源，基追比为3:7。每年成熟期进行破坏性取样和测产，测定各器官生物量和氮含量，并计算可持续产量指数（SYI）、氮收获指数（NHI）、氮素利用效率（NUE）和表观氮盈余（ANS）。统计分析采用线性混合效应模型（LMMs），将年份、施氮量及其交互作用作为固定效应，并以区组内嵌套的小区作为随机截距，以处理重复测量数据的非独立性。

研究结果

3.1 籽粒产量与稳定性

10年平均产量随施氮量增加而上升，在N270处理下达到峰值（10.4 Mg ha^-1），但N180、N270和N360处理的产量轨迹高度重叠，无显著差异。N0处理产量在2015年前逐年下降后趋于稳定。变异系数（CV）随施氮量增加从N0的22.26%持续降至N360的15.58%，表明高施氮降低了年际产量波动。然而，可持续产量指数（SYI）呈单峰响应，从N0的0.514升至N270的0.836后降至N360的0.802，后者因平均产量下降所致。综合来看，N180和N270处理表现最佳。

3.2 干物质积累与器官分配

地上部总生物量随施氮量增加至N270达到最大值（18.90 Mg ha^-1），N360略有下降。N270处理不仅平均生物量最高，其CV也最低（9.7%），而N360的CV回升至9.92%。回归分析表明，籽粒生物量与总生物量的相关性最强（R2=0.786），其次为茎秆（R2=0.321）和叶片（R2=0.216），穗轴最弱（R2=0.157）。

3.3 氮素吸收、器官分配与利用效率

总吸氮量与籽粒氮积累呈强正相关（R2=0.921），而与叶片（R2=0.324）和茎秆（R2=0.320）的相关性中等，与穗轴极弱（R2=0.032）。NHI在N0处理下随时间显著下降，而在所有施肥处理中保持稳定。NUE随施氮量增加持续降低，且高施氮处理（N360）的NUE年际下降趋势最为明显（R2=0.367）。

3.4 表观氮盈余与环境风险

ANS随施氮量增加由负转正：N0为-81.5 kg N ha^-1（氮亏缺），N90接近平衡（-21.0 kg N ha^-1），N180为47.0 kg N ha^-1（低于环境风险阈值80 kg N ha^-1），而N270和N360分别高达129.2和222.6 kg N ha^-1，远超阈值。

3.5 产量、效率与盈余的综合优化

产量与ANS呈二次曲线关系，在ANS处于中间范围时产量达最大，超过阈值后不再增加甚至略降。NUE随ANS增加而下降。值得注意的是，实现最大产量90%（N₉₀）所需的施氮量在研究期间以每年9.35 kg N ha^-1的速度显著递增。

讨论与结论

本研究表明，长期施氮下春玉米产量在超过180 kg N ha^-1后进入饱和平台，这与穗粒数的遗传上限有关。过量施氮（N360）导致更多氮滞留于营养器官而非转运至籽粒，表现为NHI稳定而NUE持续下降。ANS在N180处理下低于环境风险阈值，而在N270及以上处理则大幅超标，揭示了产量与效率之间的明确权衡。特别值得关注的是，N₉₀以每年9.35 kg N ha^-1的速度递增，表明长期连作下作物氮需求逐步上升，亟需适应性动态管理策略。综合产量、稳定性、NUE和ANS，研究人员推荐黄土高原春玉米的最适施氮量为180–186 kg N ha^-1。该范围可实现高产稳产、可接受的NUE和较低潜在环境风险的协同效应。