《Agricultural Water Management》：Optimizing within-event nitrogen fertigation timing enhances winter wheat productivity by coordinating soil N distribution with root development
编辑推荐：
：华北平原是中国最大的冬小麦产区，约占全国小麦产量的60%–80%。然而，长期以“高投入、高产出”为特征的集约化生产模式加剧了水资源短缺和面源污染，已成为该地区农业可持续发展的主要制约因素。滴灌施肥（drip fertigation）能够实现水肥在时空上的精准
：华北平原是中国最大的冬小麦产区，约占全国小麦产量的60%–80%。然而，长期以“高投入、高产出”为特征的集约化生产模式加剧了水资源短缺和面源污染，已成为该地区农业可持续发展的主要制约因素。滴灌施肥（drip fertigation）能够实现水肥在时空上的精准同步供应，在节水及提高作物产量和养分利用效率方面具有明显优势。然而，不合理的施肥方案会促进硝态氮向深层土壤淋溶，降低水分和氮素利用效率。施肥时序（fertigation timing），即单次灌水事件内清水与氮肥施用的先后顺序及相对历时，是影响土壤无机氮垂直分布的关键管理参数。以往研究多聚焦于土壤水氮运移过程，鲜有将根系动态与作物资源利用效率纳入统一分析框架。研究人员因此假设：在滴灌冬小麦系统中，将氮肥施用推迟至灌水事件中后期，可使更多硝态氮保留在浅层土壤，增加根系与氮素富集区的空间重叠程度，最终提高产量及水氮利用效率。为验证该假设，研究人员在华北平原开展了为期三年的冬小麦蒸渗仪（lysimeter）试验，系统考察了施肥时序如何层级调控土壤水氮分布、根系形态特征、冠层发育及植株水分养分吸收，进而协同提升产量与水肥利用效率。结果表明：在充分灌溉条件下，中后期施肥（T2、T3）使0–20 cm表层土壤硝态氮含量显著提高，诱导形成细根高密度表土表型，根氮空间匹配指数（Spatial Matching Index, SMI）升高，籽粒产量较前期施肥（T1）提高11.5%–19.5%，水分利用效率（WUE）提高8.9%–11.7%，氮肥偏生产力（NPFP）提高11.5%–19.5%。结构方程模型（SEM）证实根氮空间匹配是连接土壤氮素与产量形成的关键环节。在亏缺灌溉条件下，施肥时序对产量的影响不显著，表明水分不足会削弱施肥时序的调控效应。该研究为优化滴灌施肥管理提供了机理依据和实践指导。
论文解读
一、研究背景与问题
华北平原是中国最大的冬小麦产区，贡献全国约60%–80%的小麦产量。然而，长期“高投入、高产出”的集约化生产模式导致水资源短缺与面源污染问题日益严峻，已成为该区域农业可持续发展的主要瓶颈。滴灌施肥技术能够实现水肥在时空上的精准同步供应，在节水增产和提高养分利用效率方面优势显著，已在华北平原小麦、玉米等大田作物中广泛应用。但在实际生产中，氮肥常在灌水事件内的短时间内注入，其余时段仅灌清水，这种操作方式易造成局部氮素富集，其空间位置取决于施肥注入时机及后续水分运移过程。已有研究表明，随着施肥时机从灌水事件早期推迟至中后期，氮素富集区会从深层逐步上移至浅层。然而，施肥时序能否进一步影响根系的空间分布格局，进而通过根系与氮素的空间匹配调控产量与水肥利用效率，此前尚未在田间尺度滴灌冬小麦系统中得到实证检验。基于此，研究人员提出假设：在滴灌冬小麦系统中，将氮肥施用推迟至灌水事件中后期，可保留更多硝态氮于浅层土壤，增加根系与氮素富集区的空间重叠，最终提升产量及水氮利用效率。
二、研究内容与结论
为验证上述假设，研究人员于2021年10月至2024年6月在华北平原中国农业科学院七里营综合试验基地开展了为期三年的冬小麦蒸渗仪试验。试验采用裂区设计，主区设两个灌溉水平，即充分灌溉（W1，土壤含水量下限为田间持水量的65%）和亏缺灌溉（W2，下限为55%）；副区设三个灌水事件内氮肥施用时机，即前期施肥（T1，1/2N-1/2W）、中期施肥（T2，1/4W-1/2N-1/4W）和后期施肥（T3，3/8W-1/2N-1/8W）。供试品种为“周麦22”，总施氮量240 kg ha?1，基追比25:75，追肥分别于返青期、拔节期和开花期通过滴灌施入。试验系统测定了土壤水分与无机氮垂直分布、根系形态参数、冠层发育动态、植株氮磷吸收、产量及产量构成要素，并计算了空间匹配指数（SMI）及水分、氮磷利用效率指标。
研究得出以下主要结论：第一，施肥时序显著改变土壤硝态氮的垂直运移格局，中后期施肥（T2、T3）使硝态氮高效保留在0–20 cm表层，而前期施肥（T1）在充分灌溉下导致硝态氮向深层大量淋溶。第二，施肥时序诱导根系形态可塑性响应，T2和T3显著提高表层根长密度（RLD）和根表面积密度（RSAD），并在充分灌溉下形成细根高密度的表土根系表型；T1则促进根系向深层分布。第三，在充分灌溉条件下，T2和T3较T1使籽粒产量提高11.5%–19.5%，水分利用效率（WUE）提高8.9%–11.7%，氮肥偏生产力（NPFP）提高11.5%–19.5%；亏缺灌溉下施肥时序对产量的影响不显著。第四，结构方程模型（SEM）证实根氮空间匹配是连接土壤氮素供应与产量形成的关键中间环节。
三、主要技术方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，蒸渗仪（lysimeter）试验系统，试验在中国农业科学院七里营综合试验基地的遮雨棚蒸渗仪中进行，每个蒸渗仪面积2.0 m × 3.33 m、土深2.0 m，共18个蒸渗仪，土壤质地为壤土，容重1.51 g cm?3，田间持水量31.1%（体积含水率）；其二，裂区试验设计，以灌溉水平为主区、施肥时序为副区，共6个处理、每处理3次重复；其三，土壤水分与无机氮分层测定，在0–100 cm剖面分7个土层采样，分别采用烘干法和AA3连续流动分析仪测定；其四，根系形态分析，采用土钻取样、冲洗后经WinRHIZO软件扫描分析根长、直径、表面积等参数；其五，空间匹配指数（SMI）计算，以各土层硝态氮相对比例与根长密度相对比例的乘积表征根氮空间重叠程度；其六，偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM），分别对充分灌溉和亏缺灌溉处理构建模型，以5000次自助重抽样评估直接与间接效应。
四、研究结果
（一）土壤无机氮垂直分布
在2021–2022和2023–2024两个生长季的开花期测定中，施肥时序显著改变土壤硝态氮的垂直迁移格局，且年际间规律一致。后期施肥（T3）处理下，0–10 cm土层硝态氮浓度最高，随深度急剧下降；中期施肥（T2）表层硝态氮浓度居中，深层无明显累积；前期施肥（T1）表层硝态氮最低，但深层出现显著的下移累积。充分灌溉加剧了T1处理下的深层硝态氮累积，而T2和T3处理下深层硝态氮始终维持极低水平。铵态氮在各处理下均主要集中于0–10 cm土层，20 cm以下浓度一般低于3.0 mg kg?1，其中T3处理铵态氮浓度最高、T1最低。总体而言，中期和后期施氮可有效将无机氮保留在根系集中分布的上层土壤，减少硝态氮向下迁移。
（二）根系形态特征
开花期根系测定表明，根长密度（RLD）和根表面积密度（RSAD）随土层深度增加而递减，0–10 cm为根系主要分布层；平均根直径在表层较大，中层减小，深层略有回升。施肥时序显著影响根系生长，RLD和RSAD均表现为T3 > T2 > T1，且该规律在两种灌溉水平下一致。在40 cm以下深层，W1T1处理的RLD显著高于W1T2和W1T3，表明前期施肥促进根系深扎，而中后期施肥使根系集中于表土层。在充分灌溉条件下，T3处理表层根直径最小、T1最大；亏缺灌溉下各施肥时序间根直径无显著差异。总体而言，T2和T3处理显著增加了表层RLD和RSAD，并在充分灌溉下减小了根直径，形成了密集的细根系统。
（三）冠层发育与干物质积累
灌溉水平在三个生长季均极显著影响地上部生物量，并在两个生长季显著影响叶面积指数（LAI）；施肥时序在全部生长季显著影响生物量，但仅在2021–2022季显著影响LAI。年际与处理间交互效应不显著。充分灌溉下，T2和T3处理的LAI和生物量均高于T1，例如2022–2023季W1T2和W1T3的LAI较W1T1提高11.2%–12.0%，地上部生物量提高16.8%–18.7%；亏缺灌溉下T2和T3仍具一定优势，但增幅小于充分灌溉。充分灌溉整体上较亏缺灌溉产生更高的LAI和生物量。
（四）籽粒产量及产量构成
充分灌溉条件下，T2和T3处理的籽粒产量显著高于T1；亏缺灌溉条件下，各施肥时序间产量差异不显著，表明水分不足会削弱施肥时序的增产效应。以2021–2022季为例，W1T2和W1T3的产量分别为8763 kg ha?1和8176 kg ha?1，较W1T1的7333 kg ha?1显著提高。产量构成要素中，穗数对施肥时序的响应最为明显，T2和T3处理显著增加了穗数。
（五）水氮磷利用效率
充分灌溉下，中后期施肥显著提高了水分利用效率（WUE）和氮肥偏生产力（NPFP），增幅分别为8.9%–11.7%和11.5%–19.5%。亏缺灌溉下施肥时序对WUE和NPFP的影响不显著。结构方程模型（SEM）分析表明，在充分灌溉条件下，土壤表层氮素有效性通过促进根系发育、增加根氮空间匹配，进而驱动地上部生长和养分吸收，最终提高产量；根氮空间匹配被证实为连接土壤氮素供应与产量形成的关键中间环节。亏缺灌溉下该传导路径明显减弱。
五、讨论与结论
讨论部分指出，施肥时序通过调控土壤水氮运移方向，决定了氮素富集区的空间位置；根系对局部养分异质性具有形态可塑性响应，能够在养分富集区域增殖细根。中后期施肥将氮素保留在表层根系密集区，诱导形成细根高密度表土表型，提高了根氮空间匹配程度，从而增强了植株对水分和养分的吸收能力，最终协同提升产量与水肥利用效率。充分灌溉为根系增殖和养分吸收提供了充足的水分条件，使施肥时序的调控效应得以充分发挥；亏缺灌溉下水分胁迫限制了根系对表层氮素的响应能力，因此施肥时序的增产效应被削弱。该研究首次在田间尺度滴灌冬小麦系统中将施肥时序、土壤氮素空间分布、根系形态可塑性与产量形成纳入统一分析框架，证实了根氮空间匹配在其中的核心桥梁作用。
研究结论可概括为：在华北平原滴灌冬小麦生产中，将氮肥施用时机从灌水事件前期推迟至中后期（T2或T3），能够有效减少硝态氮向深层淋溶，促进表层根系增殖，提高根氮空间匹配程度，在充分灌溉条件下可使籽粒产量提高11.5%–19.5%，水分利用效率提高8.9%–11.7%，氮肥偏生产力提高11.5%–19.5%。该研究为优化滴灌施肥管理、实现华北平原冬小麦节水减肥增效提供了明确的机理依据和可操作的技术路径。
