氮肥优化调控根构型提升大豆氮素积累与产量的机制研究

《Frontiers in Plant Science》：Optimizing root architecture with nitrogen fertilization to improve nitrogen accumulation and yield in soybean

本研究通过两年田间试验，揭示在新疆膜下滴灌条件下，结荚初期施用180 kg ha-1氮肥可通过优化根构型（提升根干重密度RDD、根长密度RLD和根表面积密度RSD）增强氮代谢关键酶（NR、GS/GOGAT）活性，促进氮素向地上部转运，最终实现氮肥利用率（NUE）与产量的协同提升，为干旱区大豆绿色高产提供理论依据。

　　

引言

新疆作为中国大豆高产区域，2025年创下单产7126.2 kg ha^-1的纪录，但氮肥利用率低等问题制约产量提升。优化氮肥施用策略可有效缓解此矛盾。氮素是调控大豆根系生长与产量形成的关键元素，根系作为氮吸收的主要器官，其构型直接决定氮素获取效率。本研究通过分析不同氮水平下春大豆根系形态、氮代谢及产量响应，旨在阐明根构型与氮素吸收利用的协同机制。

材料与方法

试验于2022-2023年在新疆乌鲁木齐三坪农场进行，采用裂区设计。主区为两个大豆品种（低产品种新大豆27号与高产品种新农豆2号），副区设4个氮水平（0、120、180、240 kg ha^-1），所有氮肥于结荚初期（R₃）一次性滴施。在R₂（盛花期）、R₄（盛荚期）、R₅（结荚初期）、R₆（鼓粒期）和R₈（成熟期）测定根系参数（RDD、RLD、RSD）、氮代谢酶（NR、GS、GOGAT）活性、植株氮积累量与产量。

结果

1. 1.
   根系构型动态
   氮肥显著影响0-60 cm土层根系形态，其中180 kg ha^-1处理在R₄-R₆期保持最高RDD、RLD和RSD，尤其在0-20 cm表层土壤中增幅显著（p < 0.05）。过量施氮（240 kg ha^-1）则抑制根系扩展。
2. 2.
   氮代谢酶活性
   根系NR、GS、GOGAT活性在R₄期达峰值，180 kg ha^-1处理显著提升酶活性，较无氮处理提高30%-50%，而高氮处理引发铵毒害，抑制酶活性。
3. 3.
   氮素积累特征
   根与地上部氮积累均呈“慢-快-慢”趋势，180 kg ha^-1处理延长快速积累期（Δt）并提高平均速率（V_t）。结构方程模型证实根系参数（RDD、RLD、RSD）通过正调控根氮积累（路径系数0.887、0.205、0.198），进而驱动地上部氮积累与产量形成。
4. 4.
   产量与氮肥利用率
   180 kg ha^-1处理产量最高，新农豆2号两年平均增产23.4%，主要归因于单株荚数与粒数增加。氮肥利用率（NUE）在180 kg ha^-1下达峰值（4.13-4.88 kg kg^-1），高氮处理虽提升百粒重但导致营养生长过旺，反而降低产量。

讨论

适宜氮量（180 kg ha^-1）通过协调根系形态建成与氮代谢效率，优化“源-库”关系，而高氮环境破坏GS/GOGAT循环，加剧碳氮代谢失衡。高产品种新农豆2号凭借发达根系与高效氮转运能力，实现产量与NUE协同提升。

结论

结荚初期施用180 kg ha^-1氮肥为新疆膜下滴灌大豆的最优管理策略，可通过促进根构型发育与氮代谢活力，实现高产高效目标。