黑麦草-白三叶草混播草地优化施硫(S)肥可减少硝态氮(NO3?-N)淋溶损失并提高牧草产量及氮(N)携出量

《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Optimising Sulphur Fertilisation in Ryegrass–White Clover Swards Reduces Leached Nitrate Nitrogen Losses, While Increasing Plant Yield and Nitrogen Off-Take

　　

背景：减少氮(N)素向水体的流失、降低对无机化肥的依赖并维持农业生产力是许多地区农场的关键目标。多年生黑麦草(Lolium perenne)–白三叶草(Trifolium repens)混播草地为减少农场无机N肥需求提供了机会。优化黑麦草–白三叶草混播草地的硫(S)营养有望优化生物固氮(BNF, Biological Nitrogen Fixation)及产量，并潜在降低硝态氮(NO3?-N)淋溶，但该潜力迄今鲜有研究关注。 目的：检验在两种无机N施用量水平下，提高黑麦草–白三叶草混播草地S肥施用量会增加牧草产量、N携出量及N:S比值的假设，并检验S施用对NO3?-N淋溶及表观生物固氮(BNF)的影响。 方法：研究人员开展了土柱渗漏计(lysimeter)研究。除对照外所有处理均接受150 kg N ha?1year?1的牛粪浆(CS, Cattle Slurry，有机N)，分两次于春季施用。设置两种无机肥N施用量：0和150 kg ha?1year?1。两种无机N水平下分别设置S施用量0、15、30和45 kg ha?1；150 kg N ha?1year?1水平下增设60 kg S ha?1处理。 结果：不施无机肥N时，牛粪浆配合施用15 kg S ha?1使产量达最大值12,425 kg DM ha?1，且较零S处理减少28%的NO3?-N淋溶；而30 kg S ha?1使牧草N携出量达最大值435 kg N ha?1。施150 kg无机N ha?1时，牛粪浆配合45 kg S ha?1使牧草产量达最大值14,041 kg DM ha?1、N携出量达442 kg N ha?1，且较零S处理减少34%的NO3?-N淋溶。无论无机N或S施用量如何，黑麦草组分的N:S比值始终低于白三叶草组分。 结论：优化S施用可提高牧草产量、N携出量及表观BNF，同时减少N向水体的流失。但过量S施用(>45 kg ha?1)抑制产量且不能减少淋溶N损失，表明S营养需根据生产潜力进行定制。

本文对发表于《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》的文献"Optimising Sulphur Fertilisation in Ryegrass–White Clover Swards Reduces Leached Nitrate Nitrogen Losses, While Increasing Plant Yield and Nitrogen Off-Take"进行解读总结。

研究背景：随着大气硫(S)沉降因空气质量改善而大幅减少，草地生态系统缺S现象增多，S成为限制植物氮(N)利用效率及豆科共生固氮——生物固氮(BNF, Biological Nitrogen Fixation)的关键因子。黑麦草(Lolium perenne)–白三叶草(Trifolium repens)混播草地可通过白三叶草的BNF减少对进口无机N肥的依赖，符合欧盟Farm to Fork战略及European Green Deal减N目标。然而S供应对混播草地生产力、N:S比值动态及硝态氮(NO₃^?-N)淋溶的影响研究极少，且白三叶草组分的最优N:S比亦不明确，存在明显知识空白。因此研究人员开展本研究，探讨不同无机N水平下S肥优化对混播草地产量、N携出、BNF及NO₃^?-N淋溶的影响。

主要关键技术方法：研究人员采用随机完全区组设计的土柱渗漏计(lysimeter)试验，设两种无机N水平（0和150 kg N ha^?1year^?1，钙铵硝CAN为源）与多梯度无机S水平（0、15、30、45 kg S ha^?1，kieserite为源；150 N水平另设60 kg S ha^?1），所有非对照处理基施牛粪浆(CS, Cattle Slurry)共150 kg总N ha^?1与20 kg总S ha^?1。生长季分7次刈割并分离黑麦草与白三叶草组分测定干物质(DM, Dry Matter)产量及植株全N、全S（LECO CNS 928 干燃烧法），计算N携出量、S携出量、表观肥料S回收率(AFSR, Apparent Fertiliser Sulphur Recovery)及表观BNF（扣除土壤矿化N估算值60 kg N ha^?1与CS贡献N携出量）。收集渗漏液测定总N(TN, Total Nitrogen)、NO₃^?-N及硫酸根(SO₄^2?-S)浓度，采用SAS 9.3 GLIMMIX进行重复测量方差分析及回归分析。

研究结果：

3.1 Climatic Conditions（气候条件）：研究期2023年年降雨1295 mm接近30年均值，但2023年2月极干旱、6月极暖，秋季10月降雨异常偏多；2024年春降雨高于长期均值。大部分NO₃^?-N淋溶发生于秋冬季植物休眠且降雨增大时。

3.2 The Effect of CS, Inorganic Fertiliser N and S Rate on the Herbage Yield, Herbage N and S off-Take and N:S Ratio of a Ryegrass–White Clover Sward over the Course of the Growing Season（CS、无机N与S施用量对生长季混播草地牧草产量、N与S携出量及N:S比值的影响）：CS显著提高早春产量；随生育进程，适量S（低N水平15 kg S ha^?1，高N水平45 kg S ha^?1）提升中后期产量与N携出量，过高S无额外增益。白三叶草植株全N浓度始终高于黑麦草，黑麦草S浓度响应S施肥更明显且高于白三叶草（≈0.15%）。增施S降低两物种N:S比值，但黑麦草N:S始终低于白三叶草且不随S水平趋同。

3.3 The Effect of CS and Inorganic N and S Rate on Annual Herbage Yield and N and S Off-Take of a Ryegrass–White Clover Sward（CS与无机N、S施用量对混播草地年产草量及N、S携出量的影响）：CS使年产草量较对照提高1917 kg DM ha^?1（达11549 kg DM ha^?1）。零无机N+CS下，15 kg S ha^?1使年产草量最高（12425 kg DM ha^?1），30 kg S ha^?1使N携出量最高（435 kg N ha^?1）；150 kg N ha^?1+CS下，45 kg S ha^?1使年产草量最高（14041 kg DM ha^?1）及N携出量最高（442 kg N ha^?1），60 kg S ha^?1则减产。表观肥料S回收率(AFSR)在最低S用量（15 kg S ha^?1）时最高（零N水平60%，150 N水平67%），随S增量下降。CS中S当季表观利用率仅约12.5%，土壤本身可供给约21 kg S ha^?1year^?1。

3.4 The Effect of Treatments on Nutrient Leached Losses（各处理对养分淋溶损失的影响）：对照NO₃^?-N淋溶最低（33 kg NO₃^?-N ha^?1）。零无机N水平下15 kg S ha^?1（产量最优处理）NO₃^?-N淋溶最低（39 kg ha^?1，较零S降28%），TN淋溶42 kg ha^?1；150 kg N ha^?1水平下45 kg S ha^?1（产量最优处理）NO₃^?-N淋溶最低（38 kg ha^?1，较零S降34%），TN淋溶39 kg ha^?1。60 kg S ha^?1处理NO₃^?-N与TN淋溶均最高（分别为66与66 kg ha^?1），且该处理SO₄^2?-S淋溶也最大（97 kg ha^?1）。零无机N下各处理渗漏水NO₃^?-N浓度未超过饮用水标准（11.3 mg NO₃^?-N L^?1）；150 N水平下零S与60 kg S处理短暂超标。

讨论与结论翻译：本研究表明，在低大气S沉降背景下，优化黑麦草–白三叶草混播草地S营养可获显著增产与环境效益。零无机N+CS下15 kg S ha^?1使产草量最大，并使年N携出量较零S显著提高41 kg N ha^?1；30 kg S ha^?1使年N携出量再增17 kg N ha^?1。150 kg 无机N ha^?1下45 kg S ha^?1使年产草量最大（14041 kg DM ha^?1）并使N携出量较零S提高80 kg N ha^?1。但S增至60 kg ha^?1抑制N携出量（降67 kg N ha^?1）与年产草量（降1181 kg DM ha^?1），过量S可能干扰微量元素（如硒Se）吸收。施150 kg 无机N ha^?1较零无机N全年产草量仅微增218 kg DM ha^?1，因零N处理白三叶草比例更高、BNF补偿了N输入差异（估算表观BNF可达295 kg N ha^?1，30 kg S ha^?1处理），但外加无机N会降低白三叶草占比从而抑制BNF。植株分析显示白三叶草N浓度高于黑麦草、S浓度低于黑麦草，黑麦草N:S比始终更低，说明两物种对S需求/响应不同，需保证白三叶草S供应以免受竞争抑制。优化S使产量最大之处理同步具最低NO₃^?-N淋溶，证实Aspel等曾在单播黑麦草中报道的S益处同样适用于混播草地；过量S则增加SO₄^2?-S淋溶且无益于减产或减N淋溶。结论：本试验首次表明优化S施用可部分解耦N投入与NO₃^?-N淋失的关系。适量S提高无/低无机N输入下黑麦草–白三叶草混播草地产草量与表观BNF并减少水体N流失；超过产量最大化S阈值则无此效益。鉴于农业系统减N排压及低S沉降时代S对混播草地生产力的正面作用，结果具农艺与环境意义。虽需在不同土壤类型进一步研究混播草地适宣S率尤其是S对BNF影响，但明确S肥是借助黑麦草–白三叶草混播体系提效增产、减N入水并降低无机N依赖的工具。