《European Journal of Agronomy》：Towards sustainable potato production in China: Optimizing nitrogen and water management with 5R strategies
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中国土豆生产氮素与水分管理失衡制约可持续发展。研究整合"正确灌溉"形成5R营养管理策略，通过系统分析139项试验数据，揭示最佳氮用量约200 kg N/ha，分次深施及高效肥料可提升产量16.6%-19%，氮素利用率达126.9 kg/kg，同时灌溉优化使水利用效率提升139.8%-148.6%，氮流失减少23.3%-51.6%。该成果构建了5R技术框架，为精准水肥协同管理提供科学依据。
潘兆龙|姜蓉|范代佳|宋大平|谢汉友|王希雅|周伟|何平|何文天
中国北京农业科学院植物营养资源与环境研究所，北京100097
摘要
氮（N）和水分管理的不平衡限制了中国马铃薯生产的可持续发展。尽管4R养分管理策略对优化马铃薯生产至关重要，但在传统的4R实践中，水分管理往往被忽视。因此，整合氮和水分的优化对于提高马铃薯生产的可持续性和保障国家粮食安全至关重要。通过将“正确的灌溉”纳入现有的4R养分管理框架，本研究提出了一种创新的5R养分管理策略。通过对139项研究进行系统回顾和元分析，定量评估了基于5R的实践对农艺和环境的影响，重点关注马铃薯产量、氮利用效率（NUE）、氮的部分因子生产力（PFPN）、灌溉水利用效率（IWUE）和活性氮（Nr）的损失。我们的研究结果表明，全国范围内最佳的氮施用量约为200公斤氮/公顷，这一数值可以通过养分专家系统准确量化。分次施肥（基肥+追肥）相比仅施用基肥能显著提高产量，其中在块茎发育和膨大阶段分别施用25-50%的氮肥效果最佳。将氮肥施用在距植株10-15厘米深的土层中可显著提高氮利用效率。使用NH??氮、高效肥料（EEFs）和尿素硝酸铵溶液（UAN）分别比传统尿素提高了16.6%、10.8%和6.2%的产量。其中，硝化抑制剂（NI）、脲酶抑制剂（UI）、NI和UI的联合使用以及聚合物包膜尿素（PCU）显著提高了马铃薯产量和PFPN。与传统的沟灌相比，优化的灌溉方法（滴灌和喷灌）使产量提高了19.0%，灌溉水利用效率提高了139.8-148.6%，并显著减少了活性氮的损失23.3-51.6%。本研究提出了马铃薯生产的5R养分优化管理概念和框架，通过系统量化不同优化措施对马铃薯产量、氮利用效率和环境影响的作用，为马铃薯种植中的合理养分管理和因地制宜的生产实践提供了科学依据。
引言
马铃薯（Solanum tuberosum L.）因其高营养价值、耐旱性和适应边缘土壤的能力，被全球公认为第四大重要粮食作物，仅次于小麦、水稻和玉米（Qiu等人，2016年）。鉴于其农业重要性，中国于2015年推出了“马铃薯作为主食”的战略（Liu等人，2021年）。到2023年，中国的马铃薯种植面积占全球的27.2%（460万公顷），产量占全球总量的24.4%（9349万吨），超过了所有其他国家（FAO，2023年）。然而，中国的平均马铃薯产量为20.5吨/公顷，低于全球平均水平22.8吨/公顷，仅为欧洲和美国主要生产国的一半（FAO，2023年）。虽然马铃薯的产量潜力主要由品种特性决定（Kleinwechter等人，2016年），但实际田间产量通常不到田间试验中相同品种产量的三分之一。这种产量差距主要是由于农业实践不佳和水分及养分管理效率低下造成的（Mueller等人，2012年）。在中国，马铃薯种植的年养分消耗量是美国的八倍，是欧洲国家的十倍以上（IFA，2022年）。然而，中国的平均氮利用效率仅为36.7%，某些西北地区的这一比例甚至低于30%（Xie等人，2025年）。过量的养分投入未能提高单位面积的产量，反而导致通过NO??氮淋溶、氨（NH?）挥发和一氧化二氮（N?O）排放造成了大量的氮损失（Zhang等人，2024年）。这些氮损失会对非农业生态系统的多样性和大气成分产生负面影响，从而引发环境和人类健康问题（Wang等人，2022年）。这些损失还严重阻碍了中国多个地区的马铃薯可持续生产（Wang等人，2017年）。因此，建立高效、精确且环保的施肥技术对于确保高产量的马铃薯生产和环境安全至关重要。
4R原则强调肥料施用的正确用量、正确时间、正确来源和正确位置（Li等人，2019年）。这些指导原则已被广泛采纳为优化马铃薯生产中氮管理的关键理论基础（He等人，2022年）。先前的研究表明，应用4R氮管理策略可以有效提高马铃薯块茎产量、品质和养分利用效率（Jiang等人，2023年；Tsibart等人，2024年）。例如，Ning等人（2023年）分析了中国主要马铃薯生产区的田间试验数据，指出适当的氮肥施用量（166-254公斤氮/公顷）对于提高马铃薯产量、改善肥料利用效率和减少氮肥损失至关重要。Rens等人（2018年）通过田间实验表明，氮肥施用时间可以显著影响马铃薯块茎产量和品质。Guo等人（2023年）发现，增加NH??氮的施用量可以提高马铃薯产量，而NH??氮与双氰胺（DCD）的联合使用作为硝化抑制剂则进一步提高了马铃薯块茎产量。Niedziński等人（2024年）报告称，与表面施用氮肥相比，适当深施氮肥（10-20厘米）可使氮利用效率提高2.8-13.5%，同时显著减少土壤中N?O的排放量约14.0%。此外，基于科学的灌溉是有效促进马铃薯生产的关键因素之一（Wang等人，2021年）。与漫灌相比，滴灌和喷灌技术使马铃薯产量提高了4.1-13.6%，有效增强了水分与氮的相互作用，并提高了水分利用效率1.1-32.1%（Si等人，2024年）。因此，全面优化氮肥4R管理实践和灌溉方法是进一步提高中国马铃薯生产的科学策略。
然而，关于4R实践对马铃薯农艺效应的综合性研究仍然有限。此外，当前的4R策略评估大多没有充分整合灌溉方法的影响，通常只关注其中一个或两个“R”原则。因此，本研究的目的是通过将“正确灌溉”的原则纳入传统的4R框架，系统量化各种5R策略对马铃薯农艺和环境效益的影响，并为中国马铃薯生产开发一个全面的理论框架，从而为全国范围内的可持续马铃薯种植提供科学基础。
数据收集
根据中国马铃薯种植的特点及其行政区划，我们将全国划分为六个主要马铃薯种植区域：1）东北地区（NE：黑龙江、吉林、辽宁）；2）西北地区（NW：甘肃、内蒙古、宁夏、青海、陕西、新疆）；3）华北地区（NC：河北、山东、山西、河南）；4）长江中下游地区（MLYR：安徽、浙江、湖北、湖南、江西、江苏）；5）东南地区（SE：福建）
正确用量
回归分析显示，随着氮肥施用量的增加，马铃薯产量也随之增加，在氮肥施用量为202.7公斤氮/公顷时达到30.3兆克的平台值，相应的氮的部分因子生产力（PFPN）为126.9公斤氮/公斤（图2A和2B）。元分析也表明，马铃薯产量与氮肥施用量之间存在线性-平台关系，平台值出现在氮肥施用量为194.7公斤氮/公顷时
结论
本研究系统评估了中国马铃薯生产的氮和水分管理策略。通过整合现有研究成果，确定实施5R养分管理原则（正确用量、正确时间、正确来源、正确位置和正确灌溉）可以显著提高马铃薯产量并改善资源利用效率。
CRediT作者贡献声明
潘兆龙：正式分析、可视化、写作 - 原稿准备。
姜蓉：方法学、资金获取、写作 - 审稿与编辑。
范代佳：验证、写作 - 审稿与编辑。
宋大平：写作 - 审稿与编辑。
谢汉友：验证、调查。
王希雅：写作 - 审稿与编辑。
周伟：方法学、资金获取。
何平：概念化、方法学、资金获取。
何文天：监督、资金获取、写作 - 审稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究的资金支持来自国家自然科学基金（32202610）、北京农业科学院（YXQN202405、ZHS202302）、CARS专项基金（09-P31）和智能施肥项目。
