雨养蓖麻氮素管理：生产力、养分利用效率、经济效益、能量流动与碳足迹的综合分析

《Frontiers in Plant Science》：Nitrogen management in rainfed castor: a comprehensive analysis of productivity, nutrient use efficiency, economics, energy flow, and carbon footprint

　　

摘要 引言：氮素（N）是一种必需的植物营养元素，其利用效率最低且损失途径多样，这给雨养蓖麻的氮素管理带来了挑战。为此，研究人员在2022-2024年连续三个雨季（Kharif）开展了田间试验，以制定适用于雨养蓖麻种植的可推广氮素管理策略。 方法：本研究考察了八种氮素管理模块的影响，即推荐施肥量（RRF）（40-40-25 kg N-P2O5-K2O ha-1）、50%推荐基施氮量（RRBN）+播后30天和60天（DAS）喷施2 ml l-1纳米尿素、50% RRBN + 30和60 DAS喷施2%尿素、75% RRBN + 30和60 DAS喷施2 ml l-1纳米尿素、75% RRBN + 30和60 DAS喷施2%尿素、100% RRBN + 30和60 DAS喷施2 ml l-1纳米尿素、100% RRBN + 30和60 DAS喷施2%尿素，以及推荐磷钾肥施用量（RRPK）（00-40-25 kg N-P2O5-K2O ha-1），试验采用随机完全区组设计，设置三次重复。 结果与讨论：研究发现，土壤与叶面联合施氮对作物生产力的促进效果优于仅土壤施氮。2%尿素水溶液在叶面施氮方面优于纳米尿素（2 ml L-1）。具体而言，通过土壤施用100% RRBN（20 kg ha-1），随后在30和60 DAS喷施2%尿素，改善了蓖麻的生长和产量性状。由此产生了显著较高的种子产量（1546 kg ha-1）、含油量（42.7%）和蓖麻氮素吸收量（34.9 kg ha-1）。由于叶面施肥替代氮素的反向关系，其偏要素生产力（67.8-106 kg kg-1）较仅土壤施氮（32.5 kg kg-1）有所提高。叶面施肥消耗了土壤氮库，表现为正氮平衡指数（10.7-12.1）。此外，100% RRBN + 30和60 DAS喷施2%尿素不仅具有经济效益，还提高了能量（58,726 MJ ha-1）、碳（C）产出（1,947 kg-CE ha-1）、净能量和碳增益。这些研究结果表明，通过叶面施用部分替代氮素可优化雨养蓖麻的生产力、经济效益、能量和环境安全。

论文解读

一、研究背景与问题

蓖麻是印度重要的非食用油料作物，其种子含油量达35-50%，富含高质量蓖麻油酸（90%），是制药、化妆品、印染、涂料和高品质润滑油等产业的重要原材料。印度占全球蓖麻产量的约80%，种植面积约82.8万公顷，平均单产1.92吨/公顷，年产量约158.8万吨。然而，印度南部雨养地区的蓖麻单产（约0.5 t ha^-1）显著低于西北部灌溉条件（约2.2 t ha^-1）。在印度南部，蓖麻主要在雨季种植，降雨不稳定且伴有长期干旱期，这使得氮素管理尤为困难。大量研究表明，氮素胁迫是最主要的限产因素，可造成20-50%的严重产量损失。尽管氮素对蓖麻的生长发育至关重要，但传统土壤施用化学氮肥的方式利用效率极低，尿素在最佳田间条件下的利用效率很少超过30%。因此，亟需重新审视蓖麻的氮素管理策略。在此背景下，土壤与叶面联合施肥的养分管理模式成为有前景的解决方案。叶面施肥不仅能部分替代土壤施肥，还能减少径流和淋溶造成的养分损失，提高作物养分可利用性，并在干旱期缓解水分胁迫。然而，以往对雨养蓖麻氮素管理的研究多局限于生产力和经济效益分析，缺乏对利用效率、能量矩阵和碳足迹的综合评估。因此，本研究旨在对雨养蓖麻的作物表现、经济效益、能量分析和碳核算进行全面评估，以制定高效、气候适应性强的可持续农业技术。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员在印度卡纳塔克邦班加罗尔农业大学区域农业研究站蓖麻全印协作研究项目基地开展了为期三个连续雨季（2022-2024）的田间试验。试验地点位于北纬13.0781°、东经77.5792°，海拔930米，属热带稀树草原气候。试验土壤为典型雨养老成土（Alfisol），砂质黏壤土质地，有机碳含量中等（0.56%），pH 6.04，速效氮（366 kg ha^-1）和磷（28 kg ha^-1）含量中等，速效钾含量高（434 kg ha^-1）。试验采用随机完全区组设计，设置三次重复，共8个氮素管理模块处理，包括推荐施肥量（RRF）、不同比例推荐基施氮量（RRBN）配合纳米尿素或2%尿素叶面喷施的组合，以及仅施磷钾的对照处理。种植品种为杂交蓖麻'ICH-66'。研究测定了生长性状（株高、SPAD叶绿素读数、节数、总干物质产量）、叶面积指数（LAI）、产量性状（穗长、有效穗数、每穗蒴果数、百粒重）、种子产量和含油量（采用核磁共振波谱法NMRS测定）。同时计算了多种氮素利用效率指标，包括偏要素生产力（PFP）、氮平衡强度（NBI）、作物氮利用效率（NUE_Crop）、农学效率（AE）、肥料氮回收效率（F-NRE）、生理效率（PE）、氮利用效率（NUtE）、土壤氮利用效率（NUE_Soil）、氮吸收效率（NUpE）和产量氮利用效率（NUE_Yield）。此外还进行了经济分析、能量核算和碳足迹评估。

三、研究结果

3.1 生长和产量性状

研究表明，土壤与叶面联合施氮对作物生产力的促进效果优于仅土壤施氮。2%尿素水溶液在叶面施氮方面优于纳米尿素。具体而言，通过土壤施用100% RRBN（20 kg ha^-1），随后在30和60 DAS喷施2%尿素，显著改善了蓖麻的生长和产量性状，包括株高、SPAD读数、节数、总干物质产量和叶面积指数。该处理产生了显著较高的种子产量（1546 kg ha^-1）、含油量（42.7%）和油产量。

3.2 氮素吸收与利用效率

100% RRBN + 2%尿素叶面喷施处理实现了最高的蓖麻氮素吸收量（34.9 kg ha^-1）。由于叶面施肥替代氮素的反向关系，其偏要素生产力（67.8-106 kg kg^-1）较仅土壤施氮（32.5 kg kg^-1）有显著提高。叶面施肥消耗了土壤氮库，表现为正氮平衡指数（10.7-12.1）。各处理间的氮素利用效率指标存在显著差异，反映了不同氮素管理策略对作物氮素吸收和利用的影响。

3.3 经济效益

100% RRBN + 30和60 DAS喷施2%尿素处理不仅产量最高，还表现出良好的经济效益，净收益和效益成本比均优于其他处理，表明该氮素管理策略在雨养蓖麻生产中具有经济可行性。

3.4 能量和碳足迹分析

100% RRBN + 叶面喷施2%尿素处理显著提高了能量产出（58,726 MJ ha^-1）、碳产出（1,947 kg-CE ha^-1）、净能量和碳增益。这表明通过叶面部分替代氮素不仅提高了产量和经济效益，还优化了能量利用效率和碳足迹，有利于环境可持续性。

四、讨论与结论

研究结果表明，雨养蓖麻氮素管理中，土壤与叶面联合施氮策略优于传统仅土壤施氮方式。2%尿素叶面喷施的效果优于纳米尿素，这可能与尿素溶液更高的氮浓度和更好的叶面吸收效率有关。通过叶面部分替代土壤施氮，不仅维持了作物产量，还显著提高了氮素利用效率，减少了氮素损失，同时优化了能量和碳足迹指标。100% RRBN + 2%尿素叶面喷施被确定为雨养蓖麻最优的氮素管理策略，该策略在提高生产力、经济效益和环境可持续性方面均表现出色。这些发现为雨养蓖麻的氮素管理提供了科学依据，有助于制定气候适应性强的可持续农业技术，对提高印度乃至全球雨养蓖麻产业的可持续性具有重要意义。