氮肥深度优化提升半干旱区覆膜玉米产量与氮素利用效率的机制研究

《The Crop Journal》：Maize yield and nitrogen use efficiency are increased by optimizing nitrogen fertilizer depth under film mulching in semiarid region

为解决半干旱区玉米氮肥利用效率低、产量提升受限的问题，研究人员通过定位试验探究氮肥施用深度对春玉米光合生长动态、产量形成及氮素利用的影响。研究发现25 cm深施可显著提高土壤全氮储量、净光合速率及根系活力，使玉米产量和氮肥利用率分别提升7.11%-8.79%和11.25%-33.19%，并通过15N同位素示踪证实其减少氮素残留与损失。该研究为半干旱区农业绿色增产提供了精准施肥策略。

　　

在占中国粮食产量近半壁江山的旱作农业区，农民为追求高产往往盲目增施氮肥，但这一做法不仅难以持续提升产量，反而导致严重的氮素损失，加剧环境污染。氮肥深施作为优化氮素垂直分布、促进作物根系生长的高效策略，虽已被广泛研究，但因地理气候条件、作物类型及管理措施的差异，不同研究推荐的适宜施肥深度存在较大分歧。例如，向日葵在15 cm深施时氮素吸收效果最佳，油菜适宜深度为10 cm，而水稻仅需7.5 cm即可实现高效氮回收。这种不一致性严重制约了深施技术在半干旱区的规模化应用。为此，西北农林科技大学研究团队在《The Crop Journal》发表论文，通过两年田间试验结合¹⁵N同位素示踪，系统解析了氮肥深度对春玉米产量与氮素利用效率的调控机制。

研究团队在甘肃省定西（半干旱易旱区）和静宁（典型半干旱区）设置0 cm（D0）、5 cm（D5）、15 cm（D15，常规对照）、25 cm（D25）和35 cm（D35）5个氮肥深施处理，采用双垄沟全膜覆盖栽培模式，测定土壤氮储量、光合参数、根系伤流液成分、干物质积累及氮素分配等指标。关键技术方法包括：①田间定位试验与微区¹⁵N标记结合；②根系伤流液采集与氮形态分析；③光合特性测定系统（LI-6800）；④土壤-植物系统氮素命运追踪技术。

3.1 根系活力

施肥深度显著影响玉米抽雄期根系活力（P< 0.05）。过深（D35）或过浅（D0、D5）施肥均降低根系伤流速率及伤流液中NO₃^?-N和NH₄⁺-N浓度，而D25处理使三者较D15平均提升7.48%、7.52%和19.06%。静宁站点因降水较多，根系活力指标均高于定西（图2）。

3.2 光合特性

D25处理显著优化玉米抽雄期功能叶净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r）和胞间CO₂浓度（C_i）。在定西，D25较D15使上述参数分别提高12.87%、7.93%、4.63%和7.96%；静宁站点除P_n外增幅更显著（图3）。

3.3 氮素吸收与利用效率

D25处理显著提升玉米植株氮素吸收量（P< 0.05），其中籽粒氮积累量在定西和静宁分别增加39.38%和26.20%。氮肥利用率（NUE）在D25时达到峰值，定西和静宁较D15分别提升33.19%和11.25%。其他氮利用指标（农艺效率、偏生产力等）均以D25最优（图4）。

3.4 干物质积累与产量形成

D25促进玉米生殖生长阶段（VT-R6）干物质积累，定西和静宁成熟期干物质量较D15分别增加7.04%和5.33%。回归分析显示，最大干物质积累的适宜深度为定西21.23 cm、静宁20.00 cm。D25通过增加穗粒数和百粒重使籽粒产量提高7.11%-8.89%，净收益提升16.69%-17.09%（表1）。

3.5 土壤氮储量与氮肥去向

D25处理使0-40 cm土层全氮储量显著增加，且通过¹⁵N示踪明确其促进氮素植株吸收（定西+8.71%，静宁+10.21%），降低土壤残留和环境损失（图5）。PLS-PM路径分析表明，根系伤流液NO₃^?-N浓度、蒸腾速率和伤流速率是驱动产量的关键因子，而籽粒氮吸收量和NH₄⁺-N浓度主导NUE提升（图6）。

本研究证实氮肥深施至25 cm可通过增强光合性能与根系活力，协调土壤-作物系统氮素供需，实现产量与氮效的协同提升。区域差异分析表明，典型半干旱区（静宁）最优深度（21.64 cm）较半干旱易旱区（定西，23.49 cm）浅1.85 cm，凸显了基于降水条件优化施肥深度的必要性。该研究为半干旱区玉米绿色增产提供了理论依据，但深施技术的规模化应用需配套机械改进与农户培训，长期生态效应仍需持续监测。