氮肥施用率对饲料燕麦产量、光合特性及氮素利用效率的影响研究

《Biology》：Effects of Nitrogen-Application Rate on Forage Oat Yield, Photosynthetic Characteristics, and Nitrogen-Use Efficiency

　　

研究人员在中国北方科尔沁沙地研究了氮肥（N）施用水平（0、75、150、225和300 kg N ha^?1，记为N0–N4）对饲料燕麦（Avena sativa L.）、光合特性及氮素利用效率的影响。研究采用Mantel检验（Mantel tests）和弦图（chord diagrams）分析各性状间的相关性。结果表明，株高、茎叶比、干草产量、叶绿素含量及抽穗期光合指标均呈单峰响应，在N3（225 kg N ha^?1）处理下达最高值（p < 0.05）。N3处理在灌浆期的干物质产量、抽穗期的净光合速率（net photosynthetic rate, Pn）及总叶绿素含量（Total Chl）较N0分别提高了74.52%、101.65%和62.18%。N3的氮素贡献率（nitrogen contribution ratio, NFCR）达到42.70%，较N1提高了60.59%。氮素吸收效率（nitrogen uptake efficiency, NUpE）在N3处理下达到峰值，较N1提高了21.50%。N3处理在农学、光合及氮素利用效率性状上表现出最佳综合性能，实现了产量与氮素利用效率的协调平衡，可作为该区域高产饲料燕麦生产的适宜施氮量。

内蒙古科尔沁沙地是中国北方重要的牲畜养殖与饲草料栽培区，燕麦（Avena sativa L.）是该区域主要的谷类与饲草植物。然而，风沙土（Arenosol）肥力不足、保水保肥能力弱，严重制约了牧草生产与品质提升。氮素（N）作为决定作物生产力的关键大量元素（macronutrient），对全球谷物增产的贡献率达30–50%，合理施氮可显著促进燕麦产量形成。但氮素需求量因区域环境而异，且过量施氮会导致环境污染、氮素饱和、土壤酸化及植物生长受抑。现有研究多集中于燕麦品种适应性、种植模式、密度及肥料类型，而施氮水平与叶片光合性能、氮素利用效率及饲草产量之间的内在关联机制仍缺乏系统解析；同时，氮素调控产量形成的生理机制及过量氮素抑制生产力的生理约束尚不明确。因此，研究人员在科尔沁沙地开展了不同氮肥梯度下饲料燕麦的田间试验，以期为该区域燕麦氮肥高效管理提供理论依据与实践指导。

研究人员以内蒙古通辽市科尔沁沙地农牧业科技示范园为试验基地，以晚熟饲料燕麦品种'Baylor'为供试材料，设置0、75、150、225和300 kg N ha^?1共5个氮肥梯度（N0–N4），系统测定了不同生育期的农学性状、抽穗期光合生理指标及氮素利用效率参数。结果表明，随施氮量增加，燕麦株高、茎叶比、干物质产量、叶绿素含量、光合气体交换参数及氮素相关效率指标均呈单峰响应（unimodal response），在225 kg N ha^?1（N3）处理下综合表现最优，各项指标达峰值；继续增施至300 kg N ha^?1后，上述性状受到抑制。据此，研究人员建议将该区域饲料燕麦生产的施氮量控制在150–225 kg N ha^?1，以实现饲草高产与氮素利用效率的协同提升，并降低氮素淋溶风险。

本试验于2023年4月至7月在内蒙古通辽市进行，试验地为Arenosol土（风沙土）。采用单因素随机区组设计，设5个氮肥处理，3次重复，小区面积25 m²（5 m × 5 m）。供试品种为'Baylor'，磷肥（P₂O₅ 100 kg·ha^?1）和钾肥（K₂O 120 kg·ha^?1）作基肥一次施用，氮肥按60%基施、40%拔节期追施。分别于拔节期、抽穗期和灌浆期测定株高、茎叶比（stem-to-leaf ratio）和干物质产量（dry matter yield）；抽穗期采用LI-6400便携式光合作用系统测定净光合速率（net photosynthetic rate, Pn）、气孔导度（stomatal conductance, Gs）、胞间CO₂浓度（intercellular CO₂ concentration, Ci）和蒸腾速率（transpiration rate, Tr），并采用95%（v/v）乙醇浸提-分光光度法测定叶绿素a（chlorophyll a, Chl a）、叶绿素b（chlorophyll b, Chl b）和总叶绿素（total chlorophyll, Total Chl）。灌浆期采集地上部植株，经浓硫酸消煮后采用半微量凯氏定氮法（semi-micro Kjeldahl technique）测定全氮含量，计算氮素贡献率（nitrogen contribution ratio, NFCR）、农学氮素利用效率（agronomic nitrogen use efficiency, ANUE）、氮素 partial factor productivity（PFPN）和氮素吸收效率（nitrogen uptake efficiency, NUpE）。数据分析采用IBM SPSS Statistics 27.0进行单因素随机区组方差分析（Tukey HSD检验，α = 0.05），并利用R 4.3.1软件进行Pearson相关分析、Mantel检验及弦图（chord diagram）绘制，通过Z-score标准化消除指标量纲差异。

在农学性状方面，株高、茎叶比和干物质产量均随施氮量增加呈先升后降的单峰响应，各生育期均在N3处理下达最大值，拔节期、抽穗期和灌浆期株高较N0分别提高80.53%、46.51%和46.00%，干物质产量较N0分别提高77.96%、95.66%和74.52%。在光合生理方面，抽穗期叶绿素a、b及总叶绿素含量、净光合速率、胞间CO₂浓度、蒸腾速率和气孔导度均呈单峰分布，N3处理下各指标显著高于其他处理，其中净光合速率、胞间CO₂浓度、蒸腾速率和气孔导度较N0分别提高101.65%、22.42%、81.16%和348.9%。在氮素利用效率方面，氮素贡献率和氮素吸收效率随施氮量增加先升后降，N3处理下二者较N1分别显著提高60.59%和21.50%；农学氮素利用效率和氮素 partial factor productivity 则随施氮量增加持续下降，在N1处理下达最大值。Mantel检验表明，氮素利用效率指标矩阵与农学性状、光合指标矩阵均高度相关（p < 0.001），且氮素利用效率的Mantel's r最高，表明氮素利用特性是调控燕麦生长和产量的关键驱动因子；弦图分析进一步揭示，N3处理下农学、光合及氮素利用效率性状的协同关系最强，而N4高氮处理下各指标关联强度同步下降，反映出高氮对燕麦生长发育的抑制作用。

研究指出，氮素是限制植物发育和生物质积累的关键元素。本研究中常规种植密度下的单因素最优施氮量225 kg N ha^?1，低于高密度条件下的报道值，但更符合当地生产实际；同时高于晋北地区报道值，这可能与该区域土壤水肥保持能力较强有关。通过Mantel检验和弦图分析，研究突破了传统相关分析局限，将沙地燕麦氮肥管理策略从单纯追求叶片光合最大化转向氮素供应与作物氮素吸收动态同步的新范式。在光合与产量关系上，施氮通过促进抽穗期叶绿素合成和光合气体交换参数提升，进而增加干物质积累；但当施氮量超过225 kg N ha^?1后，光合参数与产量同步受到抑制，推测高氮可能导致冠层郁闭、降低光能转化效率。Mantel分析显示抽穗期光合指标与后期农学性状及产量显著正相关，证实了抽穗期光合性能对中后期生长发育的生理关联。关于氮素利用效率，研究认为沙地风沙土保肥能力弱，高氮存在淋溶风险，因此推荐施氮范围为150–225 kg N ha^?1，以协调产量与氮素利用效率。此外，本研究仅评价了地上部农学指标，未测定土壤理化性质，且仅采用单一品种、单一地点试验，光合生理指标也仅在抽穗期测定，难以反映全生育期动态变化；未来需开展多年、多点、多品种试验，加强全生育期动态监测及土壤理化性质测定。基于上述多维研究结果，在五个施氮处理中，225 kg N ha^?1处理在株高、光合生理特性、氮素利用效率及饲料燕麦产量方面综合表现最优，超过该施氮量后，燕麦的生长发育、氮素利用及光合作用同步下降。因此，225 kg N ha^?1被确定为该品种在科尔沁沙地的最适施氮量；实际生产中建议将施氮量控制在150–225 kg N ha^?1，以维持区域饲料生产并降低氮素淋溶环境风险，避免过量施氮导致的奢侈氮吸收和光合效率下降，最终实现目标区域饲料燕麦产量与氮素利用效率的协同提升。