聚天冬氨酸尿素（PASP-urea）富集表层土壤硝态氮并优化根系构型提高水稻氮素利用效率

《Agriculture》：Polyaspartic Acid-Urea Enriches Nitrate in Topsoil and Optimizes Root Architecture to Improve Nitrogen Use Efficiency in Rice

　　

常规氮肥常受制于有效期短、氮损失率高和氮素利用效率（nitrogen use efficiency, NUE）低等问题。新型氨基酸类肥料，如聚天冬氨酸（polyaspartic acid, PASP）尿素，为减少氮损失和提高作物NUE提供了有前景的解决方案。为评价PASP-尿素在稻田中的效果，研究人员于2019年和2020年利用两个水稻品种蜀恢498和多恢1开展了田间和盆栽试验。研究设置了三种施肥处理：PASP-尿素、常规尿素和不施尿素对照。通过分析土壤和植株氮含量、根系构型、基因表达和籽粒产量，该研究探讨了PASP-尿素施用、土壤硝态氮分布和根系构型配置之间的关系。与常规尿素相比，PASP-尿素在分蘖肥施用后30天使两个水稻品种0–10 cm土层的硝态氮浓度显著提高45.8–81.4%。同时，它显著上调了硝态氮转运蛋白NRT1.1A和NRT1.1B的表达，并促进了根系在富含硝态氮的表层土壤中的更大分布。这种根系分布模式促进了水稻植株对氮素的吸收和利用。因此，PASP-尿素使籽粒产量提高6.7–11.7%，氮肥农学效率（nitrogen agronomic efficiency, NAE）、氮肥回收效率（nitrogen recovery efficiency, NRE）和氮肥偏生产力（nitrogen partial factor productivity, PFP）分别提高15.2–25%、17.8–49.6%和6.8–11.2%。这些结果表明，PASP-尿素提高了NUE，并且与表层土壤硝态氮浓度升高、硝态氮吸收基因上调和根系构型重塑相关，为可持续水稻生产提供了一种可行策略。

氮素是作物多种有机化合物的核心组分，并关联叶片光合作用、干物质积累和穗形成等关键农艺性状，直接影响作物产量，因此施氮肥是增产的主要手段。中国每年氮肥施用量（以纯氮计）约2000万吨，但当季利用率仅为30–35%。常规氮肥容易通过挥发、淋洗和反硝化损失，不仅降低农业效益，还加剧环境污染，提高氮素利用效率成为可持续农业的核心挑战。聚天冬氨酸（PASP）尿素是一种新型氨基酸类肥料，由聚天冬氨酸与尿素按质量比3:1000喷涂制成，含氮量46%，成本低且工艺简单，已在中国多种作物上应用。以往研究多聚焦PASP-尿素对地上部的影响，但其如何通过改变土壤氮素空间分布和根系构型来提高水稻氮素利用效率尚不清楚。为此，研究人员于2019年和2020年在四川成都温江试验基地（30°43′N，103°52′E）开展田间和盆栽试验，以蜀恢498和多恢1为材料，设置PASP-尿素、常规尿素和不施尿素三种处理，系统比较了土壤氮素时空动态、根系构型、氮代谢基因表达、氮素积累及氮肥利用率，试图揭示PASP-尿素提高水稻产量和氮素利用效率的机制。

研究人员采用的主要技术方法包括：田间随机完全区组设计与平行盆栽试验；按0–10、10–20、20–30 cm分层采集土壤，用KCl浸提测定硝态氮（NO₃^?）和铵态氮（NH₄⁺）含量；利用淋溶柱和酸海绵收集装置测定氮淋洗与氨挥发损失；对根系进行垂直剖面挖掘、清洗、分层称重以统计根构型；提取根尖RNA进行实时荧光定量PCR（RT-qPCR）分析氮代谢相关基因表达；成熟期测定产量和产量构成，并计算氮积累量及氮肥农学效率、氮肥回收效率和氮肥偏生产力。样本均来自上述温江试验基地的田间与盆栽水稻。

**3.1 PASP-尿素改善土壤供氮**

通过盆栽试验动态监测各土层无机氮含量，结果显示，与常规尿素相比，PASP-尿素处理在分蘖肥施用后15天开始显著提高0–10 cm浅层土壤的硝态氮含量，25天左右达到峰值；2019年两个品种的硝态氮含量提高60.7–79.8%，2020年提高45.8–81.4%。铵态氮在施肥后前25天以常规尿素处理较高，30天后PASP-尿素处理相对更高。利用无水稻的淋溶装置监测30天发现，PASP-尿素处理的总硝态氮淋洗损失为42.23 kg/ha，较常规尿素显著降低39.4%；氨挥发总量为18.34 kg/ha，降低26.1%；同时土壤残留硝态氮和铵态氮含量分别高61.1%和11.5%。这表明PASP-尿素能够减少氮素淋洗和挥发损失，并在分蘖肥后15–60天维持浅层土壤较高的硝态氮浓度。

**3.2 PASP-尿素增强根系氮吸收能力**

田间和盆栽的根构型观察与根干重统计显示，PASP-尿素处理下两个水稻品种的根系更集中于0–10 cm浅层土壤，而常规尿素处理的根系多分布于10–20 cm深层。田间条件下，PASP-尿素处理0–10 cm土层根干重在2019年分别显著提高27.8%（蜀恢498）和35.7%（多恢1），2020年两者均显著提高20.7%；盆栽试验中根干重增幅为14.9–25.2%。这表明PASP-尿素改变了根系垂直分布，促进浅层根系生物量积累。基因表达分析显示，PASP-尿素处理显著上调了硝态氮吸收和转运相关基因NRT1.1A、NRT1.1B、NRT2.3b和NLP3的表达，而铵态氮吸收基因无显著差异；全生育期分析中NRT1.1A和NRT1.1B自施肥后15天持续上调。此外，氮响应转录因子OsMADS57和OsMADS25的表达也显著升高，与硝态氮诱导的根系伸长和浅层分布相关。

**3.3 PASP-尿素对产量和效率的提升**

全生育期氮积累监测表明，PASP-尿素处理在分蘖肥后15天开始氮积累量显著高于常规尿素；拔节期（施肥后30天）氮积累量在2019年提高25.6–27.0%，2020年提高23.1–27.2%，成熟期总氮积累量最终高11.2–14.4%，且多恢1表现更明显。产量与氮效率方面，PASP-尿素处理在2019年使籽粒产量提高6.7–11.2%，2020年提高7.3–10.5%；氮肥农学效率（NAE）在2019年提高34.7–49.7%，2020年提高23.8–36.4%；氮肥回收效率（NRE）在2019年提高15.2–25.0%，2020年提高19.8–24.5%；氮肥偏生产力（PFP）在2019年提高6.8–11.2%，2020年提高7.4–10.5%。产量构成分析显示，PASP-尿素主要通过增加有效穗数来提高产量，有效穗数增加9.0–14.0%，有效穗率也显著提高。

讨论部分指出，健壮的根系对水稻产量和氮素利用效率有决定性作用。PASP-尿素使表层土壤硝态氮富集与浅层根系分布增加呈正相关，同时上调硝态氮转运基因和氮响应转录因子，提示局部硝态氮累积可能刺激根系在表层增殖。浅层根系构型也有利于磷素的获取，因为有效磷主要存在于表层土壤。PASP分子链富含羧基和酰胺基，可能通过配位作用保留养分，延长土壤无机氮存留时间，从而减少淋洗和挥发损失，并在中后期持续供氮。研究结论认为，PASP-尿素通过提高浅层土壤硝态氮含量和保留能力、上调硝态氮吸收转运关键基因（NRT1.1A、NRT1.1B）及相关转录因子（OsMADS57、OsMADS25），并优化根系在浅层土壤的分布构型，显著提高了氮肥利用率并使籽粒产量增加6.7–11.7%。研究人员推测，这种氮素吸收和产量的提升可能来自土壤硝态氮有效性提高、转运蛋白基因表达上调和浅层根系构型优化的协同作用。但本研究为单点试验，相关机制仍需在不同环境条件和土壤类型中通过多点试验进一步验证。