4R氮素管理对青贮玉米产量与饲用营养品质的影响

《Agronomy Journal》：Effects of 4R nitrogen management on corn silage production

　　

氮（N）是青贮玉米（Zea mays）生产中关键且成本最高的投入要素之一。过量施氮会因增加生产成本而降低种植者利润，并引发环境问题。4R养分管理框架的四项核心原则——正确来源（Source）、正确用量（Rate）、正确时间（Time）和正确位置（Place）——旨在优化氮素管理。以往评估青贮玉米氮素管理的大多数研究仅考察了单一或少数几项4R措施。本研究的目的是评估单因素、两因素、三因素及四因素组合的4R氮处理对爱达荷州金伯利地区青贮玉米产量和饲用营养品质的影响。研究设置了18个处理（包括未施肥对照[NFC]、种植者标准实践[GSP]、低氮处理以及15种4R氮措施的组合），采用随机完全区组设计，在三个生长季（2020、2022和2023年）内重复四次。结果表明，施用较低氮量的处理在产量和粗蛋白（CP）浓度上与高氮GSP（247–353 kg N ha-1）无统计学差异。此外，多种4R措施的组合并不总能比简单策略持续提升表现。因此，种植者可以在大幅减少施氮量的同时保持相当的生产力。然而，2022年施氮量对青贮玉米至关重要，表现为随着施氮量增加产量和粗蛋白呈线性增长，突显了显著的年度间变异性。因此，战略性4R氮素管理可以维持产量和粗蛋白浓度，但在爱达荷州灌溉青贮玉米生产中需要逐年进行精细调整。

论文解读文章

1. 研究背景与科学问题

氮（N）是青贮玉米生产中最关键且成本最高的投入要素之一。美国青贮玉米平均单产从2023年到2024年略有上升，爱达荷州位列全美玉米高产前六州，其大部分玉米用作青贮而非籽粒。高产的背后是高施氮量的驱动，因为玉米是美国最大的氮肥消费作物。然而，过量施氮不仅降低氮利用效率（NUE），还会导致地下水硝酸盐（NO₃^-）淋溶以及氨气（NH₃）和氧化亚氮（N₂O）向大气释放，危害人类健康、土壤和环境，同时也增加了种植者的生产成本并降低了利润。

尽管已有一些研究运用4R框架（正确来源、正确用量、正确时间、正确位置）来优化氮素管理，但大多数仅关注单一或少数几项4R措施。研究人员指出，施氮量并非影响玉米生长季氮有效性的唯一决定因素，各4R组分间的组合以及降水、前茬作物、耕作方式、氮形态、土壤类型和排水等级等场地因素同样重要。玉米在不同生长阶段对氮的需求有明显差异，将供氮与这些生理需求窗口对齐是最大化NUE和实现最优产量与营养品质的基础。然而，目前在美国西部尚缺乏直接在农场层面比较所有4R组分组合应用效果的试验。因此，本研究旨在全面评估单因素、两因素、三因素及四因素组合的4R氮处理对青贮玉米产量和营养品质的影响。

2. 主要技术方法概述

研究人员于2020、2022和2023年在爱达荷大学金伯利研究与推广中心（位于蛇河平原，海拔1196米）开展田间试验。试验地土壤为粉壤土（pH 8.15，阳离子交换量17.1 meq 100 g^-1，有机质1.265%），属于干旱土纲。试验采用随机完全区组设计，包含18个处理和4个重复，同一地块连续三年重复施用相同处理。18个处理基于4R养分管理组分及其组合，涵盖不同产量目标（YG）下的施用量（50%、75%、100% YG）、氮源（环境友好型氮肥ESN、尿素、尿素硝铵溶液UAN）、施用时间（播前、播种时、V6生长阶段）和施用位置（撒施、条施、叶面喷施）。气象数据来自AgriMet哥伦比亚-太平洋西北地区垦务局网站，积温（GDD）按基准温度10°C和上限30°C计算。饲草营养品质由Dairyland Laboratories Inc.通过湿化学法（2020年）和近红外反射光谱法（NIRS，2022-2023年）测定。统计分析采用SAS 9.4的线性混合效应模型，以处理和年份为固定效应，年份作为重复测量，采用一阶自回归协方差结构，块及其与固定效应的交互作用作为随机效应。

3. 研究结果

3.1 灌溉深度、天气与生长条件

2020、2022和2023年生长季总降水量分别为5.8 cm、8.2 cm和9.9 cm，2020年为干旱年，2023年为湿润年。总蒸散量则呈相反趋势：2020年（123.2 cm）> 2022年（118.8 cm）> 2023年（115 cm）。最高月降水量出现在2023年5月（5.2 cm），几乎等同于2020年整个生长季的总降水量。七月普遍几乎无降雨。生长季总GDD累积量相近，2022年最高（1444度日），其次为2020年（1443度日）和2023年（1435度日）。由于天气差异，2020年季节性灌溉最深（56.4 cm），2023年最浅（46.8 cm）。

3.2 青贮玉米产量对4R氮管理的响应

青贮玉米干物质产量范围为约9.46至26 Mg ha^-1，氮处理、年份及其交互作用均极显著（p < 0.001）。年均产量排序为2020 > 2022 > 2023，2023年较2020年和2022年分别下降23%和22%。与种植者标准实践（GSP）相比，2020年所有处理产量均无显著差异；但2022年低氮、P、SP、RTP、RP、NFC和RSP处理的产量显著下降24%-46%，其中RSP降幅最大（46%）；2023年降幅有所缩小但仍存在。对比分析表明，低氮、NFC、RSTP、STP和TP处理与GSP存在显著差异（p ≤ 0.05），产量增减幅度为-16%至+6%。施氮量与产量的关系在2022年和2023年呈显著正相关（R2分别为0.99和0.85），但在2020年不显著。在氮源方面，使用40%尿素+60% UAN（TP）、40% ESN+60% UAN（STP）和100% ESN（RSTP）的处理与100%尿素的GSP差异显著。在施用位置上，条施配置的STP、RSTP和TP以及撒施的低氮处理均与GSP差异显著。在施用时机上，分次施用策略（40%播前+60% V6）的STP、TP和RSTP与GSP的单次播前施用差异显著。与未施肥对照（NFC）相比，所有4R处理在三年中均表现出积极且一致的增产效果，增幅范围为0%至125%。

3.3 饲用营养品质对4R氮管理的响应

所有饲用营养指标在年份间均有显著差异（p < 0.050）。粗蛋白（CP）浓度受4R处理影响显著，且从2020年到2023年逐年递增，三年平均值为7.5%（范围5.8%-9.5%）。与GSP相比，2020年仅T和SP处理CP显著降低10%-13%；2022年有13个处理CP显著降低3%-39%；2023年则有5个处理（NFC、R、S、T和RT）CP显著升高15%-19%。对比分析显示，低氮、NFC、P、R、RS、RSP、RST和RSTP处理与GSP差异显著（p ≤ 0.05），CP变化幅度为-39%至+19%。施氮量与CP的相关性仅在2022年显著（R2 = 0.92）。与NFC相比，2022年有12个4R处理CP显著提高25%-63%，2023年仅有GSP和P处理CP显著低于NFC。中性洗涤纤维48小时消化率（NDFD₄₈）存在显著的年份×处理交互作用，仅在2022年RTP处理显著高于GSP和NFC（分别提高5%和6%），而ST处理显著低于两者（分别降低6%和5%）。其他营养指标如酸性洗涤纤维（ADF）、中性洗涤纤维（NDF）、总可消化养分（TDN）和淀粉与施氮量无显著相关性。

3.4 产量与粗蛋白的关系

2022年产量与CP含量呈强正相关（R2 = 0.81，p = 0.000），即高产量伴随高CP浓度；而在2020年和2023年，两者关系不显著。

4. 讨论与结论

研究表明，施氮量是4R框架中最关键的组分，但GSP所代表的200%产量目标的高氮水平往往超过玉米的生理需氮量。多数较低施氮量的处理（如R、RP、RT、RS、RTP和RSP）能产生与高氮GSP相当的产量，证明种植者可在不减产的前提下大幅减少氮肥投入。施用时机的分次施用策略（40%播前+60% V6）在某些情况下优于单次播前施用，但其效果高度依赖于特定年份的环境条件，如降水和土壤残留硝态氮水平。施用位置的条施处理（STP、RSTP和TP）与GSP的撒施存在显著差异，但单独播前条施（P）在2022年导致减产25%，说明集中条施若不能匹配作物需求可能增加风险。在氮源方面，40% ESN与60% UAN的混合处理在部分年份表现出增产优势，但100% ESN并未优于GSP，这可能与实施的ESN施用量下氮有效性较高有关。总体而言，多因素或多组分组合（如RSTP）并不总是优于简单策略，单因素减量处理往往同样有效。

研究还发现，CP浓度对4R处理响应显著但年度间不一致，2022年CP与施氮量呈强正相关，而2020年和2023年则不显著，说明环境条件强烈调控着氮管理对营养品质的影响。NDFD₄₈的显著年份×处理交互作用进一步证实了季节性变异的主导作用。

研究结论：这项为期三年的研究表明，4R处理和年份均显著影响产量和CP浓度，且年份×处理交互作用表明响应随生长季变化。施用量相对于来源、时间和位置，对产量和CP的影响最强且最一致。能够以最少氮肥量最稳定维持青贮玉米产量的处理是R、RP、RT、RS、RTP和RSP，这些处理在显著减少氮投入和成本的同时实现了与高氮GSP相当的产量。多项或全部4R组分的组合（如RSTP）并不总能比简单策略更优。年度间变异凸显了环境条件、管理和土壤特性对处理效果的影响。这些发现表明，战略性4R氮管理可以在减少氮投入的同时维持青贮玉米产量和饲用营养品质，支持爱达荷州灌溉玉米系统中更高效、更环保的施肥实践，但实施可能需要逐年调整以适应多变的环境条件。