《Frontiers in Plant Science》：Nitrogen uptake from soil residual fertilizer by subsequent crops: regulatory effects of previous nitrogen application rate and subsequent irrigation regime
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引言： 土壤残留肥料氮（SRFN）是一种重要的氮资源，可被后茬作物再利用。
方法： 本研究在两种作物轮作体系（“小白菜-小白菜”和“小白菜-番茄”）下开展了两个独立的1?N示踪试验，以探究前茬施氮量（80、120、160 kg N/ha）和后茬灌
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引言： 土壤残留肥料氮（SRFN）是一种重要的氮资源，可被后茬作物再利用。
方法： 本研究在两种作物轮作体系（“小白菜-小白菜”和“小白菜-番茄”）下开展了两个独立的1?N示踪试验，以探究前茬施氮量（80、120、160 kg N/ha）和后茬灌溉制度（小白菜：田间持水量的60%、70%、80%；番茄：50%-60%-60%、60%-70%-70%、70%-80%-80%）对后茬作物吸收利用SRFN的影响。
结果： 结果表明，施用肥料氮的2.48%–8.95%被后茬作物吸收。在不同前茬施氮量下，后茬小白菜和番茄的最大1?N吸收量分别达到3.97 kg/ha和10.46 kg/ha。在灌溉制度中，下限为70%（小白菜）和60%-70%-70%（番茄）的处理最显著地促进了根系干物质积累（p < 0.05），分别使SRFN吸收量增加0.45–1.01 kg/ha和1.94–2.56 kg/ha，并实现了最高的肥料氮再利用效率（分别为4.05%和8.95%）。相关性分析进一步揭示，作物对SRFN的吸收利用效率与SRFN在土壤中的分布、形态和数量以及后茬作物的根系生物量密切相关。
讨论： 综上所述，前茬施氮量和后茬灌溉制度通过影响土壤SRFN状况和根系生长来调控后茬作物对SRFN的吸收利用。“小白菜-番茄”轮作结合60%-70%-70%灌溉下限在促进作物吸收利用SRFN方面最为有效。
论文解读文章
一、研究背景与问题
设施栽培在全球范围内克服了自然条件的限制，实现了蔬菜的跨区域和反季节种植。在中国，设施蔬菜栽培面积约占农作物总栽培面积的12%，且随着政策引导和资本投入仍在不断扩大。然而，设施栽培条件下气温与地温协同性差，导致土壤氮素养分释放滞后于作物需求，因此设施栽培中必须施用比露地栽培更多的氮肥以保证作物产量，这导致了更高的氮肥投入和更大的土壤氮肥残留。研究表明，中国设施栽培的纯氮施用量是露地栽培的数倍甚至数十倍。由于缺乏雨水淋洗，大量肥料氮滞留在土壤中，引发土壤酸化、盐渍化、养分失衡以及亚硝酸盐和氨对作物的毒害等一系列问题，阻碍了设施农业的可持续发展。
然而，土壤残留肥料氮（SRFN）也是后茬作物不可忽视的氮素营养资源。已有研究表明，后茬作物对SRFN的再利用效率可达14%和20%。SRFN的作物再利用可能与其数量、位置和形态密切相关。矿化作用是SRFN在土壤中的重要转化途径，可促进土壤有机氮转化为作物偏好的矿质氮，有利于作物再利用更多SRFN。此外，SRFN的再利用还可能受后茬作物吸收能力的影响，如何发挥作物的生物学潜力以提高SRFN利用效率值得研究。
田间管理措施在调控SRFN去向中发挥重要作用。然而，以往关于水氮的研究主要集中于当季施用肥料氮（AFN），以提高当季的AFN利用效率为首要目标，对SRFN的关注有限。灌溉可能影响氮素的运移转化和作物根系发育，而施肥则影响SRFN的残留状态。因此，施肥或灌溉可能影响后茬作物对SRFN的再利用。本研究旨在探究前茬不同施氮量（试验I）或后茬不同灌溉策略（试验II）是否会影响后茬作物对SRFN的再利用，以期为通过常规田间管理措施生态化消减SRFN提供理论依据。
二、研究设计与关键技术方法
本研究由两个独立试验组成，分别于2023年和2024年在福建省云霄县老区果园技术推广示范基地（23°57′38″ N, 117°20′5″ E）开展。试验采用“小白菜-小白菜”和“小白菜-番茄”两种轮作模式作为平行背景。2023年试验研究了前茬不同施氮量（80、120、160 kg N/ha，使用丰度为19.6%的1?N标记尿素）对SRFN再利用的影响；2024年试验研究了后茬不同灌溉下限（小白菜：60%、70%、80%田间持水量；番茄：50%-60%-60%、60%-70%-70%、70%-80%-80%）对SRFN再利用的影响。试验在60 cm深PVC隔板划分的1.2 m × 1.2 m小区中进行，每小区种植9株作物，采用滴灌方式供水。
研究采用的主要关键技术方法包括：1?N同位素示踪技术（用于定量追踪肥料氮在土壤-作物系统中的去向）、剖面土壤水分传感器（PR2，用于每日监测0–20、20–40、40–60 cm土层水分含量）、凯氏定氮法（用于测定植物全氮含量）、质谱仪（Finnigan-Mat-251，用于测定土壤和植物样品中1?N原子百分超）以及SPSS 17.0软件进行方差分析和Duncan多重比较。
三、主要研究结果
3.1 不同灌溉策略对土壤剖面水分含量的影响
后茬作物生育期内，0–20 cm土层土壤水分含量变化最为动态，20–40 cm次之，40–60 cm变化最小。不同灌溉策略下全生育期平均土壤水分含量的差异主要体现在0–20 cm和20–40 cm土层。在0–20 cm深度，PW1、PW2和PW3的平均土壤含水量分别为25.5%、26.9%和28.7%，处理间差异显著（p < 0.05）；TW1（25.1%）、TW2（26.8%）和TW3（28.3%）之间也存在显著差异。在40–60 cm深度，不同处理间平均土壤含水量几乎没有差异，但番茄栽培土壤中该深度的水分波动比小白菜土壤更为明显，这主要归因于番茄作为深根作物其根系可延伸至40–60 cm甚至更深，且生育期长达约120天，蒸腾作用强烈。
3.2 施氮量或灌溉策略对SRFN（1?N）数量与形态的影响
2023年试验中，前茬AFN用量显著影响后茬作物种植后土壤各层残留1?N。较高的AFN用量导致更高的总1?N残留量，以及相应更高的矿质1?N和有机1?N残留量。在小白菜-小白菜轮作背景下，0–20 cm土层总1?N残留量为17.9–30.7 kg/ha，其中矿质1?N占45%–54%；在小白菜-番茄轮作背景下，总1?N残留量为12.2–24.4 kg/ha。两种轮作背景下，较低的SRFN量对应较高的矿质1?N比例。
2024年试验中，前茬AFN固定为120 kg N/ha。小白菜-小白菜背景下0–20 cm土层总1?N残留量为24.7–26.2 kg/ha，小白菜-番茄背景下为17.9–21.2 kg/ha。在小白菜-小白菜背景下，较高的灌溉下限导致0–20 cm或20–40 cm土层总1?N残留量略高，但40–60 cm土层总1?N残留量较低，表明高频少量灌溉有助于将更多SRFN保留在浅层和中层土壤中。在小白菜-番茄背景下，TW2处理下0–20 cm土层总1?N残留量最高（21.2 kg/ha），而20–40 cm土层在TW3下最高（22.3 kg/ha）。两种轮作背景下，W2灌溉下限在0–20 cm或20–40 cm土层均产生最大的矿质1?N残留量。
3.3 施氮量或灌溉策略对后茬作物生物量积累与1?N再利用的影响
前茬AFN从N1增加到N2对后茬小白菜生物量无显著影响，但从N1增加到N3时，后茬小白菜生物量显著增加（p < 0.05），地上部和地下部均表现一致。然而，三种AFN用量下后茬番茄各器官生物量无显著差异。三种灌溉策略中，W2对提高小白菜整株、叶片和根系生物量效果最显著，PW2处理下整株（1404.2 kg/ha）、叶片（1368.0 kg/ha）和根系（36.2 kg/ha）生物量均显著高于PW1。对番茄而言，TW2处理下根系和果实生物量显著高于其他两种处理，整株生物量积累也处于最高水平。
前茬AFN从N1增加到N2时，小白菜和番茄整株及各器官的1?N积累量均显著增加（p < 0.05），但从N2增加到N3时增加不显著。小白菜和番茄整株最高1?N吸收量分别出现在PN3和TN3处理，达到3.97 kg/ha和10.46 kg/ha。三种灌溉策略下，PW2处理使小白菜整株及各器官1?N吸收量最高；番茄在TW2处理下整株、叶片、根系、茎和果实的1?N吸收量均显著高于其他处理，分别为10.74、4.52、0.54、0.92和4.76 kg/ha。
3.4 1?N平衡与分配
前茬AFN用量显著影响SRFN。第一茬作物种植后，土壤中残留1?N总量为40.0–83.2 kg/ha，处理间差异显著。后茬作物种植后，小白菜和番茄系统中土壤残留1?N分别为34.4–68.8 kg/ha和31.1–64.2 kg/ha；后茬作物吸收分别为3.0–4.0 kg/ha和7.1–10.5 kg/ha；小白菜-小白菜和白菜-番茄系统的1?N损失分别为2.5–10.4 kg/ha和1.8–8.5 kg/ha。后茬不同灌溉策略对土壤总1?N的二次残留无显著影响，但显著影响作物1?N再吸收量和1?N损失量。
就前茬SRFN在后茬作物种植过程中的去向而言，小白菜-小白菜系统中80.3%–86.0%的1?N滞留在土壤中，小白菜-番茄系统中为72.3%–79.8%。当小白菜作为后茬作物时，5.4%–8.6%的SRFN被再利用；当番茄作为后茬作物时，13.9%–19.1%的SRFN被再利用。提高前茬AFN用量降低了后茬作物吸收1?N的比例，增加了1?N损失比例。W2灌溉策略显著提高了小白菜和番茄的植物1?N比例，但对1?N损失比例无显著影响。
3.5 1?N再利用率和损失率
不同前茬AFN用量下，后茬小白菜的1?N再利用率为2.48%–3.79%，番茄为6.54%–8.87%。较高的AFN用量导致后茬作物较低的1?N再利用率。不同灌溉策略下，W2最显著地提高了1?N再利用率，小白菜和番茄在W2下的再利用率分别达到4.05%和8.95%。前茬AFN增加时，无论作物类型如何，后茬作物种植期间的1?N损失率均显著增加。小白菜-小白菜和白菜-番茄系统的最高损失率分别出现在PN3和TN3处理，达到6.5%和5.3%。三种灌溉处理中，W1同时增加了小白菜和番茄的1?N损失率，PW1和TW1下的1?N损失率分别为5.35%和2.88%，均显著高于各自处理组中的其他处理。
3.6 1?N再利用与潜在影响因素的关联
在不同前茬SRFN条件下，后茬作物的1?N再利用率与土壤总1?N含量、各土层1?N含量及矿质1?N含量呈负相关。然而，作物1?N再利用量与0–20 cm土层总1?N、0–20 cm土层矿质1?N和20–40 cm土层矿质1?N显著正相关（p < 0.01），小白菜的相关系数分别为0.81、0.86和0.82，番茄分别为0.81、0.86和0.83。当SRFN条件相同时，后茬作物的1?N再利用率与根系生物量呈显著正相关（p < 0.05），小白菜和番茄的相关系数分别为0.79和0.73。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出，设施栽培中作物种植密集且连续，无机AFN投入量高且频繁，过量AFN可导致氧化亚氮等温室气体排放增加，并可能引起设施土壤酸化、盐渍化和肥力下降。本研究尝试利用易于实施的常规田间管理措施（如灌溉或施肥）来生态化消减SRFN。研究还指出，番茄作为深根作物，其较发达的根系可能通过根孔优先流促进携带1?N的水分运移，这解释了番茄栽培土壤深层水分波动更明显的现象。较高的单次灌溉定额倾向于促进1?N向深层土壤迁移，可能增加1?N损失风险；而高频少量灌溉有利于维持浅层土壤水分，减少SRFN的淋溶损失。
研究结论为：前茬施氮量和后茬灌溉制度通过影响土壤SRFN状况和根系生长来调控后茬作物对SRFN的吸收利用。“小白菜-番茄”轮作结合60%-70%-70%灌溉下限在促进作物吸收利用SRFN方面最为有效，该组合下番茄对肥料氮的再利用率达到8.95%，为通过优化轮作和灌溉管理实现设施栽培中残留肥料氮的生态化消减提供了实践路径。
