控释肥替代优化源-流-库协调提升盐碱地玉米产量与水氮利用效率

《Journal of Agriculture and Food Research》：Controlled-release fertilizer substitution boosts maize yield and water-nitrogen use efficiency via optimizing source-sink characteristics in saline-alkali soil

　　

控释肥替代通过优化盐碱地源-库特征提升玉米产量与水氮利用效率

•以控释肥替代50%常规氮肥，通过优化盐碱地条件下玉米源-流-库的协调关系，提高了籽粒产量与水氮利用效率。•干物质转运效率、气孔导度（Gs）和谷氨酸合酶（GOGAT）活性是盐碱地玉米产量形成的核心调控因子。•50%控释肥氮素替代是宁夏黄灌区盐碱地玉米生产的最优氮素管理策略。

盐碱胁迫是限制中国西北干旱半干旱地区玉米生产的重要非生物因素。中国盐碱地面积约9913万公顷，其中40%以上分布于西北地区。宁夏黄灌区作为西北重要粮食生产基地，受气候干旱、蒸发强烈及次生盐渍化影响，约30%耕地为中轻度盐碱地，严重制约玉米产量提升与资源利用效率。玉米作为中国最重要的粮食作物，种植面积约4300万公顷，占粮食总产40%以上，对国家粮食安全具有不可替代作用。然而，盐碱胁迫通过抑制根系水分养分吸收、破坏光合结构和代谢过程，导致源活性降低、同化物运输受阻、库发育不良，最终造成大幅减产。常规尿素在盐碱地条件下存在前期释放过快、氨挥发和淋洗损失严重、后期供氮不足等问题，氮肥利用率较低。控释肥（CRF）通过聚合物包膜技术实现养分缓慢释放，能够匹配玉米全生育期需氮规律，减少氮素损失。已有研究表明，在宁夏银北灌区盐碱地增加种植密度会缩短叶片光合持续时间、降低花后干物质转运，限制库充实能力；在内蒙古河套灌区，高密度配合50%有机肥替代化肥可延缓叶片衰老、延长光合功能期，提高干物质转运效率。然而，控释肥等量替代氮肥如何调控盐碱地玉米源-流-库协调，并同步提升产量与水氮利用效率的生理机制尚不明确。

基于前期在宁夏黄灌区中度盐碱地开展的氮肥梯度试验确定的适宜施氮量（225–300 kg·ha^-1），研究人员于2024–2025年开展两年田间试验，设CK（不施氮）、T0（100%常规尿素）、T25（25%控释肥替代）、T50（50%替代）、T75（75%替代）、T100（100%控释肥）六个处理，系统研究不同替代比例下玉米源-流-库特征、籽粒灌浆特性、产量及水氮利用效率的变化规律。结果表明，T50处理综合表现最佳，与T0相比两年平均籽粒产量提高18.06%，氮肥农学效率（AEN）提高72.79%，氮肥吸收利用率（NRE）提高68.39%，氮肥回收效率（REN）提高40.40%，灌溉水生产力（IWP）提高18.06%。该研究明确了50%控释肥替代为宁夏黄灌区中度盐碱地春玉米生产的最优氮素管理策略，为盐碱地玉米精准氮素管理提供了理论依据。

关键技术方法如下：试验在宁夏石嘴山市平罗县宝丰镇（38°55′51″N，106°23′31″E）中度盐碱地进行，供试品种为先玉1225，种植密度90000株·ha^-1，宽窄行种植（70 cm+40 cm），全生育期定额灌溉2700 m³·ha^-1（分V6、V12、R3三次等量灌水）。氮磷钾用量分别为300、180、90 kg·ha^-1，控释肥为聚氨酯包膜尿素（释放期60天，包膜率约2.3%）。测定了源特征指标（叶面积指数LAI、光合参数SPAD/Pn/Tr/Gs/Ci、氮代谢酶NR/GDH/GS/GOGAT活性）、流特征指标（干物质转运率、籽粒贡献率）、库特征指标（Logistic方程拟合籽粒灌浆参数、产量构成）。统计方法采用双因素方差分析、Mantel检验、随机森林模型和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）解析替代比例与源-流-库特征、产量和水氮利用效率的关联路径。

研究结果如下：3.1 产量与氮肥利用效率：控释肥替代对玉米产量和水氮利用效率影响极显著（P<0.01），随替代比例升高，产量和氮效率指标均先升后降，T50处理表现最优，说明适度替代可同步实现增产增效。3.2 源特征：T50处理SPAD值提高11.65%、Pn提高18.43%、Ci降低3.95%，NR、GDH、GS和GOGAT活性分别提高64.95%、36.63%、22.07%和60.41%；T75处理LAI提高18.63%、LAD提高19.38%、CGR提高28.39%、Tr提高8.09%、Gs提高23.40%。表明不同替代比例分别优化了叶片生理功能与冠层源发育。3.3 流特征：T50处理干物质转运率提高76.06%，籽粒贡献率提高17.98%，茎和叶转运同步增强，说明适度替代促进了花前同化物向籽粒的高效转运。3.4 库特征：T50处理W_max提高25.38%、G_max提高32.48%、G_mean提高49.01%，T_max提前9天；穗重提高19.30%、穗粒数提高11.39%、穗粒重提高12.43%、百粒重提高10.58%，表明替代处理显著增强了库活力和库容量。3.5 源-库关系：T25处理粒叶比提高6.19%，T50处理重叶比提高1.01%，说明合理替代改善了源-库协调程度。3.6 Mantel检验：替代比例与LAI、LAD、SPAD等源指标显著相关，并对籽粒灌浆、干物质转运及水氮利用效率产生不同幅度的关联效应，呈现整体调控特征。3.7 随机森林模型：对籽粒产量贡献最大的因子依次为干物质转运率（DMTR）、气孔导度（Gs）、谷氨酸合酶（GOGAT）活性、穗粒重（GW）、平均灌浆速率（G_mean）和籽粒贡献率（CCR）；不同效率指标的关键调控因子各有侧重。3.8 结构方程模型：替代比例与源、流、库特征均呈正相关，其中与库特征的标准化路径系数最高（0.71**），源、流、库特征均与产量和水肥效率（WFE）正相关，库特征与籽粒产量的路径系数最高（0.76**），表明源-流-库特征是替代比例调控产量和水氮利用效率的重要关联路径。

讨论部分指出，不同替代比例对源、流、库的调控机制存在差异：T50通过缓释氮与速效氮的协调供应，在前期提供速效氮缓解盐胁迫并快速建成光合机构，中后期持续供氮维持叶片高生理活性，从而优化净光合速率和氮代谢水平；T75因缓释氮比例较高，后期供氮偏多易造成营养体徒长和延迟成熟，限制库器官建成；T0因氮素释放与玉米需氮节奏错位，后期供氮不足导致叶片早衰，削弱同化物转运能力；T100因前期供氮过慢，无法满足六叶期至十二叶期快速营养生长需求，限制群体叶面积建立。随机森林与结构方程模型进一步证实，干物质转运效率和库相关性状是驱动产量与水氮利用效率提升的核心生理过程，库特征在该调控路径中发挥中心作用。研究结论表明，控释肥替代常规氮肥通过优化氮素释放动态，形成“前期支撑—中期稳定—后期持续”的供氮模式，显著增强叶片光合能力和氮代谢水平，促进干物质向籽粒高效转运，提高籽粒灌浆速率和库活性，实现源-流-库系统协同调控，最终同步提升盐碱地玉米产量和水氮利用效率。50%替代比例（T50）综合表现最佳，是宁夏黄灌区中度盐碱地春玉米生产的最优氮素管理策略。