一年生黑麦草和高羊茅的关键氮浓度不受磷缺乏的影响

《European Journal of Agronomy》：Critical nitrogen concentration of annual ryegrass and tall fescue is not affected by phosphorus deficiency

氮临界浓度（Nc）曲线在磷（P）缺乏下的稳定性研究。通过乌拉圭和阿根廷多地点田间试验，分析不同N和P肥量组合对 annual ryegrass和tall fescue的影响，发现P缺乏不影响Nc曲线形态，支持其作为可靠诊断工具的结论。

　　

R. Cuadro|C.I. Borrajo|M.A. Marino|P. Cicore|A. Hirigoyen|P.M. Errecart|G.A. Berone|F.A. Lattanzi

乌拉圭国家农业研究学院（INIA）牧草与饲料研究领域，INIA Tacuarembó实验站，5号公路386公里处，Tacuarembó 45000

摘要

氮（N）和磷（P）的缺乏通常会限制农业生态系统中的植物生长。虽然临界氮浓度（Nc）稀释曲线被广泛用于评估作物和牧草的氮状况，但尚不清楚在磷缺乏的情况下这些曲线是否仍然有效。本研究评估了磷缺乏对氮浓度稀释曲线的影响。为此，在乌拉圭和阿根廷的多个地点进行了九项田间试验，冬季和春季分别施用了不同的氮和磷施肥组合，试验对象为一年生黑麦草（Lolium multiflorum L.）和高羊茅（L. arundinaceum (Schreb.) Darbysh.）。结果表明，无论在何处，磷缺乏都不会改变氮浓度稀释曲线，这一结论得到了频率主义和贝叶斯统计方法的支持。氮浓度稀释曲线几乎不受磷可用性影响的一个推论是，在给定的氮营养状况下，磷缺乏导致的氮吸收减少主要是由于地上生物量积累减少。我们的研究结果表明，在各种土壤和气候条件下，氮浓度稀释曲线基本不受磷可用性的影响，这进一步证明了其作为可靠诊断工具的适用性。

引言

植物生长受到营养缺乏的限制。在陆地和水生生态系统中，氮（N）和磷（P）常常共同限制初级生产力（Harpole等人，2011年；Seghouani等人，2024年）。在农业生态系统中，为了应对营养缺乏问题，通常会施用肥料，尤其是在湿润和半湿润气候条件下。然而，施肥不足或过量都会带来问题，因为氮和磷在盈利能力、生产力和环境影响之间存在权衡（Tilman等人，2002年；Lemaire等人，2008年）。因此，需要有效的决策支持工具来促进氮和磷的可持续管理，平衡粮食生产、农场盈利和污染风险（Jouany等人，2021年）。

在基于牧草的动物生产中，天气变化、土壤异质性和多样的管理方式都会带来不确定性，这影响了牧草对氮和磷的需求以及土壤中这些养分的供应。准确诊断营养缺乏是任何旨在优化施肥时间和程度的决策过程的前提（Lemaire和Ciampitti，2020年）。

对于氮而言，临界氮浓度（Nc）的概念——即植物生长速率达到最大值所需的最低氮浓度（Greenwood等人，1991年）——为量化氮缺乏提供了坚实的基础。地上生物量中氮和干物质（DM）积累之间的成熟异速生长关系导致氮浓度逐渐稀释。数学上，这种关系通常表示为：

Nc = A? * SB ?₂

其中SB表示每公顷干物质的生物量（Mg DM ha?1），A?是氮浓度为1 Mg DM ha?1时的比例参数，A?是描述氮浓度随生物量增加而下降的速率的异速生长参数（Lemaire和Sallette，1984年）。

在氮营养状况最佳的情况下，作物和牧草的氮浓度稀释曲线在不同环境和农艺措施下得出的A?和A?值趋于一致。这导致了“参考”氮浓度曲线（Nref；例如Greenwood等人，1990年；Justes等人，1994年；Fernández等人，2021年）的建立。氮营养指数（NNI）——即实际植物氮浓度[Na]与氮浓度Nc的比值（Lemaire和Meynard，1997年）——在作物和牧草中得到了广泛认可（Marino等人，2004年；Ziadi等人，2008a年；Agnusdei等人，2010年），包括混合草场（Louarn等人，2021年）。

一些研究表明，当氮以外的因素限制牧草生长时，氮浓度值可能与参考氮浓度曲线不同（Bélanger等人，2001年；Agnusdei等人，2010年；Errecart等人，2014年）。然而，使用大型数据集进行的贝叶斯重新分析表明，水分胁迫的影响可能被低估了。当考虑参数不确定性时，没有确凿证据表明水分可用性会影响氮浓度曲线（Ciampitti等人，2021年；Fernández等人，2021年）。另一方面，Yao等人（2023年）指出，氮浓度曲线参数可能因基因型、环境和管理之间的相互作用而变化（G×E×M）。因此，关于氮浓度曲线在农业生态和管理条件下的稳定性仍存在争议。

最近，Fontana等人（2025年）的研究表明，磷、钾和硫的临界稀释曲线在不同基因型×环境×管理（G×E×M）相互作用下的稳定性也有所不同，同时发现氮缺乏会一致降低这些养分的临界浓度。这表明基因型×环境×管理之间的相互作用和多养分限制可能会影响临界稀释曲线的稳定性和解释。

多项研究表明，任何特定养分的可用性和响应可能取决于其他养分的可用性（Lemaire等人，2019年；Briat等人，2020年）。在作物中，氮×磷相互作用似乎符合多重限制假说（Harpole等人，2011年；Seghouani等人，2024年），涉及直接机制（植物投入含氮化合物以获取磷，反之亦然）和间接机制（一种元素影响另一种元素的可用性）。目前尚不清楚这种生态生理机制是否会导致受磷限制的作物中氮浓度Nc的变化。实际上，我们尚未看到关于磷缺乏与磷充足条件下氮浓度Nc差异的研究。

本研究的目的是评估磷缺乏对一年生和多年生牧草——一年生黑麦草（L. multiflorum）和高羊茅（L. arundinaceum (Schreb.) Darbysh.）——在不同环境条件下的氮浓度Nc的影响，以确定当磷限制牧草生长时氮浓度曲线是否会发生变化。为此，在三年间，冬季和春季，在阿根廷和乌拉圭四个土壤中氮和磷肥施用量不同的地点进行了系列田间试验。

实验地点描述

本研究的实验数据来自2020年至2022年在乌拉圭（亚热带半湿润气候）和阿根廷布宜诺斯艾利斯南部（温带湿润气候）进行的田间试验。所有地点的土壤中可提取的磷含量均低于牧草生长所需的临界阈值（Bordoli，1998年）。

在乌拉圭，六个实验分别在三个地点进行：Pereda位于典型Hapludert土壤上；Ríos位于Pachic Argiudoll土壤上；La Magnolia位于典型Hapludult土壤上。

氮和磷施肥对生物量生产的影响

每日生物量（GR）在不同地点和季节间存在差异。对于这两种牧草，所有未施肥的对照组处理组的GR明显低于不受氮或磷限制的处理组（p < 0.05，图S4）。2022年春季，Ríos和Pereda两个地点的未施肥对照组GR最低（图S4）。在氮和磷不受限的情况下，高羊茅的GR范围为59至72公斤干物质/公顷/天；一年生黑麦草在2021年和2022年的相应值分别为45公斤干物质/公顷/天和47公斤干物质/公顷/天（Pereda地点）。

讨论

理解氮-磷共同限制植物生长方面的一个基本问题是磷缺乏是否会影响氮浓度Nc。通过在不同地点、季节和土壤类型下，对一年生和多年生牧草物种进行多种氮和磷施肥率的实验，生成并分析了一个可靠的数据集（Justes等人，1994年；Makowski等人，2020年）。尽管不同地点之间生物量积累与氮浓度之间的关系存在差异

结论

准确诊断牧草的氮营养状况对于做出关于氮肥施用的明智决策至关重要。我们的研究表明，一年生和多年生C3牧草的氮浓度Nc及其临界氮需求在磷缺乏的范围内相对稳定。此外，这种稳定性在各种气候条件下都成立（前提是不存在水分缺乏），无论是冬季还是春季，无论是在完全营养生长的草场中还是其他情况下。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT将初稿从西班牙语翻译成英语。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资金支持

本研究得到了乌拉圭国家农业研究学院（INIA）和阿根廷国家农业技术学院（INTA）的支持。

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

本工作是Robin Cuadro在乌拉圭共和国大学攻读农业科学博士学位的部分内容。作者感谢Leticia Laplace和Sebastián López Valientes以及现场和实验室工作人员在田间试验和分析测定中的帮助，同时感谢Ricardo Pereda、Jose Luis Tuneu和Mariana Ríos，以及Rama-Arribere和Torresi家族提供实验场所的支持。