《Field Crops Research》：Evaluating the efficacy of late nitrogen application: Physiological and environmental perspectives
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本项研究聚焦于玉米“晚季”分次施氮策略。研究人员通过在多地区开展的三年田间试验，旨在量化在V13时期施用不同比例氮肥对玉米产量和氮回收效率的影响，并探究氮源与施用方式、环境因素（土壤与天气）及作物营养状态如何调控该效应。研究结果揭示了晚施氮肥的增产效果高度依赖于环境对吐丝后氮吸收的承载能力以及作物在吐丝期的氮营养状态，为精准制定分次施氮管理方案、提升氮肥利用效率提供了关键的科学依据。
在北美玉米主产区，为了提高氮肥利用效率、减少因过早施肥导致的环境损失，将氮肥分次施用已成为越来越普遍的做法。特别是随着高间隙作业机械、矮秆玉米杂交种的推广，以及在吐丝后仍能吸收较多氮素的现代杂交种的出现，在作物冠层封闭后（如V10期之后）进行“晚季”分次施氮引起了广泛兴趣。这种做法不仅能缓解春播季节的劳动压力，还能为根据当季生长情况调整施肥量提供更长的决策窗口，从而更好地匹配作物需氮量与土壤供氮量。然而，现实情况是，晚施氮肥对产量的影响在不同年份或地点（即不同“环境”）间差异巨大，这让农民在采用此策略时面临不确定性。有时晚施氮能增产，有时却会导致减产。减产风险通常与吐丝期前后作物遭遇氮胁迫、或施肥后天气干旱影响氮素有效性有关。那么，核心问题就变成了：在什么环境下晚施氮是安全且有益的？又是什么关键因素决定了最终的产量响应？
为了解答这些问题，由Jongwon Kang等人组成的研究团队在《Field Crops Research》上发表了一项历时三年、横跨加拿大安大略省和美国中西部五个地点的系统性田间研究。他们的目标是：1）量化将不同比例（20%、50%、70%）的氮肥从播种推迟到V13期施用对产量、氮吸收及氮利用效率的影响，并检验晚施氮的施用方法（氮源与施用位置）是否会改变这些响应；2）利用与处理无关的指标，对晚施氮的产量响应进行环境分类；3）找出主导这些分类指标的土壤和天气关键因子；4）阐明吐丝期作物氮营养状态影响晚施氮产量响应的生理机制。
研究人员开展了一项为期三年（2021-2023年）的多地点田间试验。试验采用裂区或条区设计，设置了三种氮肥分配策略（总氮量179 kg N ha-1，分别在播种时施用20%、50%或70%，剩余部分在V13期施用）和六种V13期施氮方法（尿素或尿素硝酸铵溶液的表施或注射，表施处理分加或不加脲酶抑制剂），共计四个重复。在每个试验点，还额外设置了不施氮的对照小区和氮肥用量梯度试验，以确定农学最适氮肥用量。研究期间，系统测定了作物在吐丝期和生理成熟期的生物量、氮吸收量、籽粒产量及其构成（穗粒数和千粒重），并计算了氮肥回收效率、氮肥利用效率、氮营养指数等一系列指标。同时，收集了各试验点的土壤性质和详细的气象数据。数据分析采用了混合线性模型、主成分分析、弹性网络回归等多种统计方法，以解析不同因素间的复杂关系。
3.1 天气条件
研究发现，11个试验点-年份（即“环境”）经历了广泛的气象条件变化，生长季平均温度、累积降雨量和光热商差异显著，这为研究环境效应提供了良好背景。
3.2 分次施氮策略和施氮方法对产量和氮吸收的影响
总体而言，随着V13期施氮比例的增加（即播种时施氮比例从70%降至20%），籽粒产量、吐丝期氮吸收量、氮肥回收效率和吐丝期氮营养指数均呈现下降趋势。例如，平均产量从70%前置处理的14.6 Mg ha-1降至20%前置处理的13.6 Mg ha-1。然而，这种响应具有环境特异性。在某些环境下（如Ridgetown 2022和2023年），50%前置处理的产量反而最高。重要的是，氮肥施用方法（尿素或UAN，表施或注射，是否加抑制剂）对产量、氮吸收和氮利用效率参数均无显著影响，尽管已知这些方法会导致氮挥发损失的巨大差异。
3.3 基于NNI差异和零氮区PostN的环境分类
为预测不同环境的响应，研究引入了两个与处理无关的关键指标：NNI差异（70%前置与20%前置处理在吐丝期的氮营养指数之差，反映不同施氮策略造成的作物氮营养状态差异）和零氮区PostN（零氮小区在吐丝后的氮吸收量，反映环境自身支持吐丝后氮吸收的内在能力）。通过主成分分析，所有环境被划分为四类：高NNI差异/高PostN、高NNI差异/低PostN、低NNI差异/高PostN、低NNI差异/低PostN。
分析发现，在高NNI差异的环境中，推迟施氮从未导致增产。并且，当PostN也较低时，减产尤为严重（平均-2.4 Mg ha-1）。而在低NNI差异的环境中，若PostN较高，则推迟施氮通常不会造成减产；若PostN较低，则仍可能出现小幅减产。
3.4 影响NNI差异和PostN的土壤与天气变量
通过弹性网络回归分析，揭示了主导这两个分类指标的关键因子。NNI差异主要受V13至吐丝期降雨的均匀性和总量影响，降雨越均匀、总量越大，不同施氮策略导致的氮营养状态差异越小。零氮区PostN则主要与土壤粘粒含量和阳离子交换量呈负相关，即粘重土壤不利于吐丝后氮吸收；同时，吐丝后降雨的均匀性对其有正向影响。
3.5 奢侈性氮吸收在决定晚施氮响应中的潜在作用
研究深入探讨了吐丝期氮营养状态影响产量的生理机制。通过分析不同NNI阈值下产量对PostN的依赖关系发现：随着吐丝期氮营养状况的改善，产量对PostN的依赖度迅速下降。同时，作物的潜在产量（在PostN为零时的假设产量）持续上升，这种上升在NNI超过充足水平（>1.0）后仍在继续。路径分析表明，在NNI较低时（<0.84），PostN主要通过增加穗粒数来增产；当NNI较高时（>0.84），PostN则对穗粒数和千粒重均有贡献。这说明，早期充足的氮供应（即使达到奢侈吸收水平）可通过提高潜在产量和降低对后期氮吸收的依赖，来缓冲因环境PostN能力不足带来的减产风险。
研究结论与意义
本研究得出结论，晚施氮肥（V13期）是否导致减产，很大程度上取决于环境对吐丝后氮吸收的承载能力。通过早期供应充足的氮肥，使作物氮吸收达到甚至超过充足水平，可以降低作物对吐丝后氮吸收的依赖，从而减少因环境PostN能力低而带来的减产风险。研究构建了一个基于NNI差异和零氮区PostN的环境分类框架，能有效预测不同环境下晚施氮的产量响应。其中，NNI差异由V13至吐丝期的降雨模式主导，而零氮区PostN则与土壤粘粒含量和吐丝后降雨均匀性密切相关。
这项研究的重要意义在于，它将作物生理状态（氮营养指数）与环境固有属性（支持吐丝后氮吸收的能力）相结合，为“晚季”分次施氮管理提供了可预测、可操作的决策框架。研究指出，在制定晚施氮策略时，不应仅仅考虑减少氮损失，还需评估特定环境下降雨模式和土壤特性所决定的PostN潜力，以及早期施氮是否足以使作物度过关键的吐丝期。这对于在变化气候和多样土壤条件下，实现玉米生产的氮肥高效利用、稳定产量和降低环境风险具有重要的理论与实践价值。此外，研究发现氮肥施用方法对农学结果无显著影响，这提示在接近农学最适施氮量时，为减少挥发而选择特定施用方法的经济性需要重新评估，但该结论可能不适用于施氮量更高或更低的情况。
