水资源敏感区域甜玉米-蔬菜三熟种植系统可持续集约化综合管理策略

《Field Crops Research》：Integrated management strategies for sustainable intensification of a sweet maize–vegetable triple-cropping system in a water-sensitive region

　　

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  在一年三熟种植系统中定量评估了多条途径的氮磷损失。
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  以作物需求为驱动的综合管理策略提高了产量和作物氮磷吸收量。
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  综合管理策略平衡了养分收支并减少了氮磷环境足迹。
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  施肥管理和种植密度共同调控养分损失。

引言

农业可持续发展是全球面临的主要挑战，需要在作物生产系统实现可持续集约化的同时提高生产率并最小化环境影响（Tilman et al., 2011; Kamau et al., 2023）。氮磷肥料为全球粮食生产的显著增长提供了支撑，但其低效使用也使农业成为活性养分污染的最大来源之一（Steffen et al., 2015; Breitburg et al., 2018）。氮通过氨挥发、氧化亚氮排放、淋溶和径流等多种途径损失，而磷主要通过径流和淋溶流失（Zhang et al., 2015; Zou et al., 2022）。这些养分损失不仅降低了肥料利用效率，还加速水体富营养化并破坏水生生态系统（Carpenter and Bennett, 2011; Ockenden et al., 2017; Basu et al., 2022）。尽管许多研究探讨了养分管理对作物生产力或单一养分损失途径的影响，但基于田间试验、同时将作物生产力、养分吸收量、多条途径的氮磷损失、养分收支和环境足迹联系起来的研究证据仍然有限。填补这一知识空白对于设计既能维持高作物生产力又能降低集约化种植系统环境风险的管理策略至关重要。

甜玉米和蔬菜是高价值作物，在粮食安全、人类营养和农业发展方面发挥着重要作用（Wang et al., 2021; Ying et al., 2025）。在中国西南地区，有利的气候条件使一年三熟种植系统成为一种常见且集约化的生产模式（Li et al., 2026）。该地区是中国甜玉米和蔬菜的主要产区之一，约占全国甜玉米种植面积的15%和蔬菜种植面积的13%（Xue et al., 2023; Liu et al., 2025a）。为了最大化经济收益，农民往往过量施用氮磷肥料，很少考虑作物的养分需求，导致养分利用效率低、养分盈余量大，以及通过气体排放、淋溶和径流造成养分损失的风险升高（Ti et al., 2015; Bai et al., 2021; McDowell et al., 2024; Yang et al., 2025）。同时，不合理的农艺措施，如种植密度偏低，进一步限制了作物生产力，尽管养分投入较高（Wang et al., 2021; Guo et al., 2025）。因此，过度的肥料供应与不足的作物吸收能力可能共同加剧甜玉米—蔬菜—甜玉米一年三熟种植系统中的养分盈余和环境损失。

优化施肥管理被广泛认为是提高作物生产力同时减少环境影响的有效途径（Elrys et al., 2023）。通过优化施肥量、肥料类型、施肥时间和施肥位置实现施肥与作物养分需求的同步，可以提高养分利用效率并减少氮损失（Johnston and Bruulsema, 2014）。增效肥料（包括缓释肥料和稳定化肥料）显示出在提高作物产量的同时减少氨挥发、氧化亚氮排放和硝酸盐淋溶的潜力（Lam et al., 2022; Verburg et al., 2022; Suman et al., 2023; Wang et al., 2025）。同样，增效磷肥可以通过调控根际过程促进磷活化，从而提高磷的有效性和利用率（Jing et al., 2022; Luo et al., 2026）。然而，如果作物群体容量仍然不足，仅靠优化施肥可能无法完全解决养分盈余问题。增加种植密度可以改善冠层资源捕获能力，增强作物养分吸收，提高群体水平生产力，从而强化作物对肥料来源和土壤来源养分的吸收汇（Guo et al., 2025）。因此，将优化施肥管理与适当种植密度相结合是提高养分供应与作物养分需求之间耦合度的合理策略。

认识到单一措施存在的局限性，近期研究越来越多地关注同时优化多个农艺要素的综合管理策略。土壤—作物系统管理首次证明，协调优化施肥管理和作物群体可以显著提高玉米产量，而无需增加氮投入，从而提高养分利用效率并减少养分盈余（Chen et al., 2011）。在此基础上，"知识与产品"策略进一步将增效肥料与优化的作物管理措施相结合，在集约化蔬菜生产系统中同时减少了肥料投入、养分盈余和环境风险，同时维持或提高了作物生产力（Wang et al., 2021; Wang et al., 2026; Liu et al., 2025a）。最近，"根际共生体"概念强调协调植物—土壤—微生物相互作用，以增强养分获取和资源利用效率，为可持续作物生产提供了新的机遇（Shen et al., 2021; Zhu et al., 2024）。尽管取得了这些进展，大多数研究仍侧重于作物生产力、养分利用效率或单一的氮损失途径。在综合管理策略下同时量化作物生产力、多条氮磷损失途径、系统水平养分收支和环境足迹的全面田间评估仍然稀缺。

洱海流域是中国最重要的水敏感农业区之一，由于其对湖泊水质的直接影响，控制农业面源污染是该地区的首要管理重点（Wang et al., 2024; Liu et al., 2025b; Xu et al., 2025）。该地区集约化的甜玉米—蔬菜轮作以高肥料投入和多个种植周期为特征，大幅增加了通过气体排放、淋溶和径流造成氮磷损失的风险（Xue et al., 2023; Ying et al., 2025）。然而，很少有研究在连续年度周期的同一田间试验中，原位监测作物生产力、多条氮磷损失途径、系统水平养分收支和环境足迹。这限制了我们在作物系统尺度上判断综合管理能否将生产力与养分损失解耦的能力。

为填补这些知识空白，我们在2023年至2025年间在中国西南地区的洱海流域开展了为期两年的田间试验，以农民实践为基准，评估结合优化施肥管理（包括施肥量、肥料类型和施肥时间）与增加种植密度的综合管理策略。我们假设，这些综合管理策略将提高作物生产力和养分吸收量，减少多条途径的氮磷损失，并改善系统水平养分收支和环境足迹。具体而言，本研究的目标是：（1）量化不同管理策略对甜玉米—茎菜—甜玉米一年三熟种植系统中作物产量和养分吸收量的影响；（2）表征通过氨挥发、氧化亚氮排放、淋溶和径流等多条途径的氮磷损失；（3）评估不同管理策略下的系统水平养分收支和环境足迹。我们的发现提供了一个全面的基于田间的框架，用于在水敏感地区通过同时提高生产力、改善养分利用效率和减少氮磷损失来实现可持续集约化。

各节摘录

研究地点

田间试验于2023年7月至2025年7月在中国云南省大理市万桥镇（100°07′E, 25°48′N）进行。建立了为期两年的甜玉米—茎菜—甜玉米轮作试验，以评估优化管理策略对作物生产力、养分损失和环境绩效的影响。试验地点位于洱海流域，这是一个全国指定的水保护区，以集约化蔬菜种植为特征……

鲜重产量及植物氮磷吸收量

年系统产量受处理、年份及其交互作用的显著影响（P < 0.001；表2）。与农民实践相比，在2023—2024种植季，优化施肥+高密度和控释肥+高密度分别将年鲜重产量提高了8.8%和9.4%。产量优势在2024—2025年更为显著，与农民实践相比，优化施肥+高密度和控释肥+高密度分别将年鲜重产量提高了17.1%和23.2%；控释肥+高密度在该周期中所有处理中产生了最高年产量（……

维持高生产力不需要高肥料投入

高肥料投入常被用作集约化种植系统中确保高生产力的主要策略（Bai et al., 2020; Qasim et al., 2021; Zhou et al., 2022; Li et al., 2024）。然而，越来越多的证据表明，这种投入驱动的做法可能导致产量收益递减、养分利用效率低下和大量养分盈余，特别是在长期施肥和有机质添加已积累大量土壤养分储量的系统中（Qasim……

结论

本研究证明，甜玉米—茎菜轮作中农民的常规实践代表了一种高投入、养分盈余的生产模式，养分回收率低，环境损失大。过度的氮磷投入并未转化为成比例的生产力提升，反而产生了大量养分盈余，并增加了通过径流、淋溶、氨挥发和氧化亚氮排放造成的损失。不同养分的优势损失途径有所差异，其中……

CRediT作者贡献声明

殷飞宇：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿撰写，可视化，调查研究，形式化分析，数据整理，概念构思。潘硕：方法学，调查研究。范志伟：方法学，调查研究。吕志兵：方法学，调查研究。智博雅：方法学，概念构思。胡小康：资源获取，概念构思。Kadambot.H.M. Siddique：撰写—审阅与编辑。Prakash Lakshmanan：撰写—审阅与编辑。张福锁：监督指导，资源获取，项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由云南省重大科技项目（编号：202202AE090034）和云南省科技厅（编号：202304BQ040005，202305AF150055）资助。

殷飞宇|潘硕|范志伟|吕志兵|智博雅|胡小康|Kadambot.H.M. Siddique|Prakash Lakshmanan|张福锁|丛文峰