高密度种植结合精准分期调控协同提升玉米产量与氮素可持续性

《European Journal of Agronomy》：Achieving synergistic improvements in maize yield and nitrogen use sustainability through a novel high-density production system enabled by precision stage-specific regulation

本研究针对中国集约化农业中粮食安全与环境污染的双重挑战，提出并验证了高密度生产系统结合精准分期调控（HD-PSR）的新范式。通过三年田间试验发现，该系统在243.8–306.4 kg N ha?1的氮肥用量下实现14.7–16.5 t ha?1的产量平台，同时将N2O排放因子降至0.3%–0.9%，显著低于IPCC默认值。研究揭示了HD-PSR通过分次施肥避免土壤矿质氮累积，使N2O排放与施氮量呈线性而非指数关系，为作物生产可持续强化提供了系统解决方案。

　　

在全球人口持续增长和气候变化加剧的背景下，如何保障粮食安全同时减少农业对环境的影响已成为当今世界面临的重大挑战。中国作为世界主要的农业国家，用不到全球9%的耕地养活了近20%的人口，但这一成就的背后是巨大的资源环境代价——中国消耗了全球约30%的氮肥，而氮肥利用率仅为35%-40%，远低于国际先进水平的50%-65%。这种"高投入、低效率"的生产模式导致了严重的环境问题，包括水体富营养化、土壤酸化和温室气体排放等，其中氧化亚氮（N₂O）作为一种增温潜势是二氧化碳298倍的强效温室气体，其排放问题尤为突出。

玉米作为中国三大主粮之一，对氮肥响应敏感，传统种植模式下往往需要通过增加氮肥投入来追求高产，但这又进一步加剧了环境压力。高密度种植是提高玉米单产的有效途径，但单纯增加种植密度往往会导致植株间竞争加剧，出现"前期徒长、中期弱势、后期早衰"等问题，反而限制产量潜力的发挥，并可能增加氮素损失。如何突破这一瓶颈，实现玉米产量与氮素利用效率的协同提升，是当前农业可持续发展亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，石河子大学的研究团队在《European Journal of Agronomy》上发表了一项创新性研究，提出了"高密度生产系统结合精准分期调控（HD-PSR）"的新模式。该研究基于三年（2022-2024）田间试验，设置了0-765 kg N ha^?1的宽梯度氮肥处理，系统评估了氮肥用量对玉米产量、氮肥偏生产力（PFP_N）、植株氮素动态（吸收、分配和再转运）、土壤残留氮及N₂O排放的影响。

研究采用的关键技术方法包括：基于滴灌的精准水肥一体化技术，实现氮肥分次施用；静态箱-气相色谱法监测N₂O排放通量；凯氏定氮法测定植株和土壤氮含量；以及主成分分析和偏最小二乘回归等多元统计方法解析产量与氮素利用的关系。试验在内蒙古通辽市科尔沁区进行，土壤为草甸黑钙土，供试玉米品种为适宜高密度种植的"迪卡159"，种植密度为90,000株 ha^?1。

3.1 籽粒产量和氮肥偏生产力

研究发现，HD-PSR系统下玉米籽粒产量对氮肥用量的响应呈现明显的平台效应。当氮肥用量达到243.8-306.4 kg ha^?1时，产量进入平台期，稳定在14.7-16.5 t ha^?1之间。而氮肥偏生产力（PFP_N）则随氮肥用量的增加持续下降，表明过量施氮会降低氮素利用效率。这一结果明确了在该系统下经济合理的氮肥用量范围。

3.2 土壤氮储量

土壤氮储量对氮肥用量的响应符合二次模型，表现为边际收益递减。当氮肥用量超过600-800 kg ha^?1时，土壤氮储量趋于稳定，表明土壤氮库接近饱和状态。值得注意的是，40-60 cm土层的氮储量变异性显著高于表层土壤，且这种变异性随施肥年限延长而加剧，提示长期过量施肥会增加深层土壤氮素淋溶风险。

3.3 氮素吸收、分配和再转运

植株各器官的氮素吸收量表现为籽粒 > 叶片 > 茎秆，籽粒氮分配比例占61%-75%。氮素再转运量随氮肥用量增加而增加，但在达到一定阈值后趋于稳定。多元分析表明，茎秆氮吸收（Nup_s）是影响产量的最重要因素，而氮素利用效率则同时受氮素吸收和再转运过程的共同调控。

3.4 N₂O排放

与传统报道的指数增长关系不同，本研究中N₂O累积排放量和排放因子（EF）均与氮肥用量呈显著线性关系。排放因子稳定在0.3%-0.9%的较低范围，远低于IPCC的默认值1%。这种线性关系归因于分次施肥避免了土壤矿质氮的累积，从而抑制了微生物N₂O排放的脉冲式增加。

3.5 肥料氮的去向

施入氮肥的主要去向为土壤残留氮（4.0%-76.5%），其次为作物吸收（16.7%-36.8%）和N₂O排放（0.2%-0.8%）。随着氮肥用量的增加，作物吸氮比例下降，而土壤残留氮比例显著上升。

3.6 综合效益指数

通过综合效益指数（CBI）分析，考虑产量优先（权重0.7）、平衡（权重0.5）和环境优先（权重0.3）三种情景，得出兼顾高产和低排放的协同最优氮肥用量约为289 kg ha^?1。该用量可实现98.7%的最高产量，同时将N₂O排放控制在较低水平。

研究结论表明，HD-PSR系统通过高密度种植与全生育期生理导向精准调控的深度融合，成功实现了玉米产量与氮素可持续利用的协同提升。该系统通过分次施肥维持土壤氮素处于非饱和状态，将N₂O排放响应从指数关系转变为线性关系，从根本上改变了氮素损失路径。这一创新模式为禾谷类作物生产的可持续强化提供了可行的系统途径，对推动中国乃至全球农业绿色高质量发展具有重要意义。