协调的氮素施用位置和施用量优化能够增强根系与氮素之间的耦合作用，从而提高旱地玉米的氮素利用效率

《Soil and Tillage Research》：Coordinated nitrogen placement and rate optimization strengthen root–nitrogen coupling and improve nitrogen use efficiency in dryland maize

本研究在黄土高原旱作区，系统评估了施氮深度（5、15、25、35 cm）与剂量（158、191、225 kg N ha?1）对土壤氮时空分布、玉米根系构型及氮利用效率的影响。结果表明：深施（25-35 cm）结合15%减氮显著优化根系分布（RLD+21.59%, RSD+17.78%），提高氮吸收利用率（NPFP+23.1%, NUE+18.5%），干旱年深层根系贡献产量占比达67%（+23.6%），验证了深施减氮协同增效机制。提出雨养旱作区氮肥精准管理策略：干旱年深施（35 cm）+减氮15%，多雨年25 cm施氮。

　　

刘富|宁晓雨|杨佳明|韩子军|任云飞|王金霞|胡海波|周毅|尹晓刚|孙世坤|韩娟|廖云成|贾志宽|莫飞

西北农林科技大学农学院，中国陕西省杨凌市712100

摘要

土壤氮（N）的时空异质性显著影响根系结构，而根系结构又控制着作物的氮吸收和产量。这种根系-氮的相互作用在水分受限的干旱地区尤为重要，但目前仍知之甚少。我们研究了氮施用深度（5、15、25和35厘米）和施用量（158、191、225公斤/公顷）对黄土高原干旱地区春玉米土壤氮有效性、根系特征（根长密度、表面积密度、穿透深度和根冠比）、氮吸收、氮利用效率以及产量的综合影响，研究涵盖了两个不同的降雨季节。与传统氮管理方式（即5厘米深度施用225公斤/公顷氮）相比，减少氮施用量并将其施用于更深的层次（35或25厘米深度，施用191公斤/公顷氮）显著增加了根长和表面积，分别提高了21.59%和17.78%，从而促进了下层土壤资源的利用。相关分析和路径分析表明，氮施用带来的根系特征改善直接提升了氮利用效率，并稳定了玉米产量，尤其是在较干燥的生长季节，此时中层深度的根系（20-100厘米）是产量的主要贡献者；而在湿润年份，则浅层至中层根系（0-60厘米）起主导作用。我们提出了一种适应降雨变化的氮管理策略：在干旱季节将氮施用于35厘米深度，并减少15%的氮用量；在湿润年份则施用于25厘米深度。通过使氮的施用与环境条件同步，这种方法提高了资源利用效率，减少了氮损失，并在多种气候条件下改善了产量稳定性。

引言

随着耕地压力不断增加和生态限制的加剧（Tian等人，2024年），预计气候变化将显著降低玉米的生产力（Zhao等人，2017年；Zhang等人，2024年）。因此，确保玉米生产力的稳定和提高以及资源利用效率已成为全球粮食安全和可持续农业的关键目标。在各种农业投入中，氮（N）是植物生长和发育所必需的营养元素之一（Sun等人，2012年）。然而，过量施用氮和氮利用效率低下（NUE）仍然普遍存在，尤其是在中国的主要玉米生产区（Cheng等人，2020年；Wang等人，2022年；Liu等人，2025b年）。在中国北部的半干旱和干旱地区，玉米主要依靠雨养种植，土壤水分的时空变化进一步限制了作物根系的发育并降低了氮利用效率（Zhang等人，2019年）。作物根系在氮吸收、地上部生长调节和产量形成中起着至关重要的作用（Peng等人，2010年；Liu等人，2017年；Wang等人，2025年）。因此，开发能够协调养分可用性与根系结构的空间优化氮肥施用策略对于在降雨模式日益多变的情况下稳定产量至关重要（Aramburu-Merlos等人，2024年）。

根系决定了植物获取土壤养分和水分的能力，优化根系特征是提高作物生产力的有效策略（Zheng等人，2023年；Wang等人，2025年）。根系发育高度依赖于水分和养分的可用性。在玉米中，根系主要分布在0-0.6米的土壤层内，而在中国北部的传统浅层施肥实践中，养分往往集中在表层土壤中，导致养分可用性与根系分布不匹配（Guan等人，2014年）。此外，上层土壤中的养分积累通过挥发作用增加了氮的损失，从而降低了养分利用效率和产量（Mo等人，2016年；Wu等人，2021年）。研究表明，深层施用氮可以显著提高养分吸收效率和作物产量（Wu等人，2022b年；Wang等人，2023年；Liu等人，2025年）。这种做法延长了土壤无机氮的可用时间，并使其效果与根系生长的时空动态同步，从而促进了作物发育（Cheng等人，2020年；Lu等人，2021年）。改变氮的施用深度会改变NO₃^?-N的垂直分布，进而可能重塑根系结构（Wu等人，2022b年；Chen等人，2023年）。此外，降雨事件会影响下层土壤中氮的迁移和再分布（Wang等人，2022年）。因此，根系的形态特征和空间分布对深层氮施用引起的土壤无机氮变化可能会有不同的响应，这取决于土壤水分的可用性（Ke等人，2018年；Wang等人，2022年）。先前的研究表明，在水分受限条件下，深层氮施用的增产效果更为明显（Trapeznikov等人，2003年；Liu等人，2025b年）。在干旱期间，下层土壤中的水分成为关键资源（Rich等人，2016年），深层根系的存在与下层土壤中水分和氮的吸收呈正相关（Cheng等人，2020年；Wang等人，2022年）。因此，适当的氮施用深度对于促进深层根系生长、增强作物的抗旱性以及确保在降雨模式波动下的产量稳定性至关重要（Cheng等人，2020年；Liu等人，2025b年）。

此外，过量施用氮不仅会增加生产成本，还会通过挥发、淋溶和径流损失导致严重的环境问题。通常，氮的过量施用会抑制根系发育，导致施肥区附近根系过度增生，同时减少冠层根系的形成和总根长（RL）（Schneider和Lynch，2021年；Zheng等人，2023年）。相反，优化氮的施用可以改善根系密度和结构，从而提高玉米捕获土壤水分和养分的能力（Jia等人，2020年；Niu等人，2020年）。因此，通过优化施肥实践来调节根系生长和空间分布是提高作物产量和资源利用效率的有效方法（Cheng等人，2020年；Wang等人，2023年；Zheng等人，2023年）。新兴证据表明，适度减少氮施用量并结合深层施用可以改善根系特征、氮吸收和产量，同时减少环境损失（Cheng等人，2020年）。然而，大多数研究集中在浅层或中等深度（≤15厘米）的施用上，对于更深层次（25-35厘米）的施用对根系结构和产量的影响仍知之甚少。此外，在降雨条件多变的情况下，氮施用深度与氮施用量之间的相互作用对根系-土壤匹配的影响仍不甚清楚。这些协同作用可能对稳定干旱地区的产量和提高氮利用效率至关重要。

为了解决这些不足，本研究旨在评估氮施用深度（5、15、25、35厘米）和施用量（225、191和158公斤/公顷）对黄土高原干旱地区春玉米根系特征（根长密度、根表面积密度、穿透深度、根冠比）、氮吸收、氮利用效率指数（NPFP、NUE）和产量的交互作用。我们假设适度减少氮施用量并结合中层深度施用可以优化根系的空间配置，提高氮的吸收，并协同提高产量和氮利用效率。具体目标包括：（1）阐明不同氮施用量和深度对土壤NO₃^?-N空间分布的影响；（2）明确春玉米根系结构对深层氮施用减少的响应模式；（3）揭示深层氮施用减少如何调节产量形成并提高氮利用效率的机制。本研究旨在阐明空间氮管理影响根系-氮-产量动态的调控机制，为干旱地区的可持续玉米种植提供理论基础和实践策略。

实验地点描述

实验地点描述

实验于2022年和2023年在西北农林科技大学的曹新庄实验站（北纬34°17'59''，东经108°4′12''）进行，该站位于中国关中平原，海拔521米。该地区属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温为12.9℃，年日照时数为2463.8小时，年降水量约为630毫米，无霜期约为210天。

不同氮施用量和深度下的硝酸盐分布

2022年和2023年，0-100厘米土壤剖面中的平均NO₃^?-N含量分别为20.71毫克/千克和17.65毫克/千克，2022年的浓度高出17.31%（图2）。分层分析显示，2022年的表土层（0-20厘米）中NO₃^?-N含量为27.39毫克/千克，是2023年（10.10毫克/千克）的2.71倍。相比之下，2022年20-60厘米中层中的NO₃^?-N含量略低于2023年（分别为24.01毫克/千克和24.92毫克/千克，减少了3.62%）。

不同氮施用量和深度下的土壤硝酸盐空间分布

在春玉米抽丝期，0-100厘米土壤剖面中NO₃^?-N的垂直分布在不同年份之间存在显著差异（图2）。年际间降雨模式的变化对硝酸盐氮（NO₃^?-N）的淋溶和迁移起到了决定性作用（Zhao等人，2021年）。2022年的土壤NO₃^?-N含量平均比2023年高17.31%，其中表层（0-20厘米）的差异最为明显。

结论

本研究系统评估了不同氮（N）施用深度和施用量对黄土高原干旱地区春玉米根系结构、生物量积累、籽粒产量和氮利用效率（NUE）的影响。结果表明，深层施用氮并结合适度减少氮施用量显著改善了玉米根系的空间配置。这种改善促进了中层土壤中根系的活跃度。

CRediT作者贡献声明

刘富：概念化、方法论、数据分析、数据整理、初稿撰写、审稿与编辑。 宁晓雨：审稿与编辑。 杨佳明：审稿与编辑。 韩子军：审稿与编辑。 任云飞：审稿与编辑。 王金霞：审稿与编辑。 胡海波：审稿与编辑。 周毅：审稿与编辑。 尹晓刚：审稿与编辑。 孙世坤：审稿与编辑。 韩娟：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2025YFE0104600、2023YFD2302300）、国家自然科学基金（32272233）、国家自然科学基金联合资金（U25A6029）、陕西省重点研发计划（2024NC2-GJHX-22）以及西藏自治区科技项目（XZ202501ZY0057）的资助。