《The Crop Journal》：Optimization of N nutrition and fertilizer rate for dryland maize based on critical N dilution curve
编辑推荐：
本研究针对黄土高原雨养春玉米系统氮肥过量施用与降雨分布不均导致的产量-环境矛盾，通过建立密度×降雨交互作用下的临界氮稀释曲线(Nc)，提出基于可用氮供应(ANS)的氮管理框架。结果表明，当综合氮营养指数(NNIi)为1.0、ANS约300 kg ha?1时可实现产量最大化与硝酸盐残留最小化的平衡，为旱作农业可持续氮管理提供了新范式。
在黄土高原的广袤农田里，雨养春玉米的种植一直面临着严峻挑战。农民们为了追求高产往往过量施用氮肥，而高度不均的季节性降雨分布又使得作物氮需求与土壤氮供应难以精准匹配。这种矛盾导致了双重后果：一方面，当施氮量超过作物需求后，玉米产量并不会继续增加，呈现出明显的收益递减现象；另一方面，过量的氮肥以硝酸盐形式在土壤深层累积，经过长期连续施肥，0-3米土层中的NO3?-N残留量可超过714 kg ha?1，进而造成严重的地下水污染。调查显示，该地区76.3%的浅层含水层和51.9%的深层含水体中硝酸盐浓度已超过饮用水安全阈值(50 mg L?1)。这一严峻形势迫切需要开发精确的季节性诊断工具来指导氮肥管理。
临界氮稀释曲线(Nc)和氮营养指数(NNI)本是评估作物氮状况的关键工具，但其实际应用面临重大挑战。经典的玉米Nc模型(%Nc = 3.40 W?0.37)参数会因地理环境、年际气候、品种遗传和栽培管理措施而变化。在雨养系统中，种植密度和降雨分布是两个关键调控因子：密度通过调节冠层竞争和光氮资源分配直接影响氮稀释过程；降雨分布则通过水肥互作影响土壤养分有效性、叶片光合作用、根系活性、土壤氮迁移和植株氮积累。然而，这两个关键因子对Nc的联合影响尚不明确，成为重要的知识空白。
为了解决这一问题，内蒙古农业大学的研究团队在《The Crop Journal》上发表了最新研究成果。他们提出了一个大胆假设：即使在不同种植密度和降雨分布条件下，也能建立统一的旱地玉米临界氮稀释曲线。研究团队通过三年田间试验，系统探讨了密度×降雨互作对Nc曲线参数的影响，并评估了基于可用氮供应(ANS)的氮管理框架的可行性。
研究团队采用的关键技术方法包括：基于贝叶斯分类模型拟合临界氮稀释曲线，该方法无需预先将数据分为限氮和非限氮组，直接对原始数据进行拟合并量化参数不确定性；通过线性-平台回归模型建立植物氮浓度与生物量的关系；计算综合氮营养指数(NNIi)来表征作物整个生育期的氮状况；测定0-100 cm土层土壤硝态氮累积量，并建立不同深度土层硝态氮含量的相关关系。
3.1. 玉米临界氮稀释曲线的确定与评价
3.1.1. 拟合的临界氮稀释曲线
研究人员发现，在2018-2020年生长季，植物氮浓度随生物量增加(和植株年龄)而降低。拟合的Nc曲线不确定性主要受植物生物量变异驱动。在植物生物量为15 t ha?1时，置信区间宽度为植物氮含量的0.33%至0.80%；而在生物量为1 t ha?1时，宽度为0.32%至0.94%。
3.1.2. 估计参数值的不确定性
临界氮稀释曲线的参数A1和A2在种植密度×降雨情景间无显著统计学差异，其95%置信区间相互重叠。A1和A2的相对不确定性在所有处理中平均分别约为6.8%和12.5%。总体Nc曲线拟合的参数A1和A2的中位估计值分别为3.34和0.39。与各处理的Nc曲线相比，总体Nc曲线的置信区间在植物生物量水平为15 t ha?1和1 t ha?1时分别降至0.18%和0.20%。
3.1.3. 拟合与基准化的总体临界氮曲线
贝叶斯模型提供的植物氮浓度预测与经典模型在所有处理中一致。此外，本研究建立的临界氮稀释曲线在低生物量(<5 t ha?1)和高生物量(≥5 t ha?1)范围内均与经典参考曲线高度吻合。
3.1.4. 综合氮营养指数
不同氮肥供应(ANS)下不同种植密度间的NNIi值无显著统计学差异。NNIi随ANS增加而增加。在N1至N4处理中观察到两种种植密度间的NNIi差异，而N4和N5处理间无显著差异。所有密度在N4处理中均显示NNIi值非常接近1。当NNIi≥1.01(低密度)和≥1.04(高密度)时，相对产量(RY)达到最大值，否则下降。
3.2. 可用氮供应
0-40 cm和0-100 cm剖面的土壤残留硝态氮在所有处理中均随施氮量增加呈明显上升趋势。因此，残留氮在总可用氮供应(ANS)中所占比例很大，平均约为40.48%，在某些条件下可达100%。
3.3. 谷物产量、氮利用和硝酸盐残留对可用氮供应的响应
谷物产量和氮吸收在两种种植密度下均对增加的可用氮供应(ANS)产生协同响应，在N4施氮水平达到平台期。高密度种植系统持续增强这种协同作用，相较于低密度系统，产量和氮吸收分别提高8.79-16.74%和12.17-31.46%。此外，关键氮利用参数随ANS增加呈现明显趋势：单位谷物氮需求量呈单峰模式，生物量氮利用效率下降，土壤残留硝酸盐逐渐累积。值得注意的是，高密度种植使残留硝酸盐积累减少17.80-26.58%，同时氮利用效率较低密度制度提高7.00-16.22%。ANS与NNIi的关系可用指数方程描述，低密度和高密度的R2值分别为0.91和0.87。对应最大相对产量的ANS值在低密度和高密度下分别为311.55和341.22 kg N ha?1。
3.4. 适宜可用氮供应水平下的施氮指导
为满足作物氮需求同时减少谷物产量损失和降低土壤氮残留，研究人员利用低密度和高密度处理的RY、NutE和RN数据进行了回归分析。以实现RY最大化为目标，低密度和高密度下的ANS分别为298.68 kg N ha?1和306.22 kg N ha?1，对应的NutE值分别为112.21 kg kg?1和101.78 kg kg?1，RN值分别为77.34 kg N ha?1和63.43 kg N ha?1。基于RY最大化目标，低密度和高密度下的NNIi值分别为1.01和1.04，对应的ANS值分别为311.55 kg N ha?1和341.22 kg N ha?1。
在低密度种植处理下，将ANS从产量最大化阈值(298.68 kg N ha?1)提高到氮营养优化阈值(311.55 kg N ha?1)，有92.3%的概率将产量损失限制在1%以内。在高密度种植处理下，将ANS从306.22 kg N ha?1提高到341.22 kg N ha?1，这一概率超过99.9%。然而，即使在较低的产量最大化施氮量下，硝酸盐残留超过环境安全阈值(50 kg N ha?1)的概率仍然很高，约为65%。
由于ANS包括土壤氮源和肥料氮源，准确估算所有氮源对其应用至关重要。考虑到采集和测量NA0-100的成本，研究人员评估了NA0-40和NA0-100的关系。研究发现NA0-40与NA0-100之间存在线性相关，表明NA0-40可作为NA0-100的替代指标。利用这一信息，研究人员开发了增强的流程图，用于推荐不同种植密度下的最佳ANS。
研究的核心发现是，在试验期间的非水分限制条件下，降雨分布和种植密度不影响临界氮稀释(Nc)曲线的稳定性。这一现象的可能解释是，充足的水分供应导致作物氮状况主要受发育阶段控制，可能掩盖了水分胁迫下可能出现的密度效应。因此，研究结论明确将Nc曲线的稳定性限制在湿润环境中，这既澄清了经典模型的适用边界，也突出了一个关键局限性——其在干旱或正常降雨年份的普适性仍有待验证。
进一步的机制分析揭示了Nc曲线稳定性与明显的年际产量变异之间的机制解耦。Nc曲线本质上反映了氮浓度随生物量增加而稀释的过程，这一过程由植物冠层内结构组织与代谢组织比例的变化驱动，在非水分限制条件下保持稳定。相反，年际产量变异主要受灌浆期间气候敏感的源-库动态调控。这种机制解耦证实了Nc曲线是季节内植物氮状况的可靠诊断工具，独立于影响产量实现的气候驱动因子。
最后，对获得的Nc模型参数的详细分析支持上述结论。参数A1和A2的微小变异落在模型不确定性的预期范围内。具体而言，A1在低种植密度下略高，可能反映了单株结构组织(如叶鞘和中脉)比例较大；而A2在不同密度间保持稳定。这表明参数A1比A2对环境和管理因素更敏感。这些结果与贝叶斯框架量化的参数不确定性一致，进一步证实了模型在限定条件下的稳健性。
通过整合氮营养指数和可用氮供应分析，本研究确定了平衡黄土高原雨养春玉米系统产量与环境风险的施氮阈值。确定的临界NNIi值(低密度：1.01；高密度：1.04)及其对应的ANS阈值(低密度：311.55；高密度：341.22 kg N ha?1)与该地区先前研究结果高度吻合，验证了NNI作为诊断工具的可靠性。然而，一个关键发现是，不同种植密度下对应最优相对产量的临界ANS值非常接近(低密度：298.68；高密度：306.22 kg N ha?1)。这表明，虽然种植密度通过影响冠层氮获取能力改变了NNI的诊断标准，但从土壤氮供应角度看，相对统一的可用氮供应水平(约300 kg N ha?1)可以满足不同密度下的高产需求。
为将上述静态阈值转化为风险知情的决策工具以提供实践指导，本研究引入蒙特卡洛模拟进行概率权衡分析。模拟结果表明，将ANS提高至氮营养优化阈值可确保高概率(>92.3%)将产量损失限制在1%以下，为实践中采用相对较高施氮水平以充分满足作物氮需求提供了风险知情基础。然而，一个不可避免的矛盾是，即使在较低的产量最大化阈值下，土壤硝酸盐氮残留超过环境安全阈值(50 kg N ha?1)的概率仍然很大(约65%)。产量与环境目标之间的这种尖锐矛盾清楚地表明，任何仅针对产量优化的推荐都不可避免地伴随着显著的环境风险概率。因此，未来的氮管理策略应系统地将此类概率风险评估纳入决策，超越对单一最优值的依赖，转向采用风险加权的阈值区间。
为促进上述框架的实际田间应用，本研究证实了根据0-40 cm土层硝酸盐氮累积量(NA0-40)估算0-100 cm土层总硝酸盐氮累积量(NA0-100)的可行性。这种方法显著降低了传统深层采样的成本，增强了基于实时土壤氮供应(ANS)的动态管理策略的可操作性。
本研究开发的优化ANS推荐方法整合了作物氮需求、氮利用效率、土壤氮残留和产量目标，为该地区可持续高产玉米生产提供了一种新的管理途径。需要指出的是，当前的模拟主要量化了田间试验参数的不确定性。未来的风险评估模型可以通过纳入年际气候变异性和土壤水分动态等来源的不确定性来加强，从而支持开发更全面、动态的环境风险概率预测系统。此外，增加土壤样本数量将提高NA0-40-NA0-100关系曲线的普适性。
综上所述，这项研究不仅建立了适用于黄土高原雨养玉米的临界氮稀释曲线，还创新性地提出了基于可用氮供应的氮管理框架，为协调旱作农业产量目标与环境保护提供了科学依据和实践路径。NNIi为作物氮状况提供了准确诊断。研究人员建议在低密度和高密度种植下分别维持300 kg ha?1和320 kg ha?1的ANS，以实现产量最大化同时减轻淋溶风险。
