《European Journal of Agronomy》：Optimized crop management enhances sweet maize yield and reduces reactive nitrogen losses in a rainfall-uneven, water-sensitive region of Southwest China
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Ying菲宇|潘硕|范志伟|王兴邦|吕志兵|田志明|胡晓康|Kadambot.H.M. Siddique|张富锁|丛文峰中国农业大学资源与环境科学学院，教育部植物-土壤相互作用重点实验室，养分利用与管理国家重点实验室，北京100193摘要在降雨不均的流域中，实现高作物生产力同时
Ying菲宇|潘硕|范志伟|王兴邦|吕志兵|田志明|胡晓康|Kadambot.H.M. Siddique|张富锁|丛文峰
中国农业大学资源与环境科学学院，教育部植物-土壤相互作用重点实验室，养分利用与管理国家重点实验室，北京100193
摘要
在降雨不均的流域中，实现高作物生产力同时减少活性氮（Nr）流失对粮食安全和水质至关重要，因为不均匀的降雨会加剧氮流失和水体富营养化的风险。因此，迫切需要有效的管理策略来在维持作物生产力的同时减少Nr流失。在中国西南部的洱海流域进行了一项为期四个季节的田间试验（两个干旱季节，两个雨季），以量化甜玉米系统中一氧化二氮（N?O）排放和硝酸盐（NO??）淋溶的季节性动态，并评估优化作物管理策略的有效性。结果表明，与干旱季节相比，雨季甜玉米的产量下降了7.7%，地上氮吸收量减少了15.6%，而一氧化二氮的累积排放量增加了3.79倍（平均每公顷9.76公斤氮），硝酸盐的淋溶量增加了4.65倍（平均每公顷186.0公斤氮）。与传统的农民种植方式相比，结合减少化肥施用量和高密度种植的优化作物管理方式（OMF+HD和MCF+HD）在两个季节都显著提高了产量并减少了活性氮流失，两种优化策略之间没有显著差异。在雨季，优化管理方式使产量增加了13.2–26.4%，同时一氧化二氮排放量减少了41.3–52.6%，硝酸盐淋溶量减少了19.1–52.6%。在干旱季节，产量增加了13.8–35.2%，一氧化二氮排放量减少了44.8–50.3%，硝酸盐淋溶量减少了47.5–53.9%。此外，产量和Nr流失受到氮施用量、种植密度、植物氮吸收量以及土壤性质（硝酸盐-氮、总氮、微生物碳和氮）的影响，并存在明显的季节性变化。总体而言，优化作物管理（减少化肥施用量并结合高密度种植）在降雨不均和水分敏感的地区提高了甜玉米的生产力，同时减少了N?O排放和硝酸盐淋溶，展示了实现高产量和低Nr流失的可行途径。
引言
氮肥在维持全球粮食生产和推动产量增长方面不可或缺（Foley等，2011年；Tilman等，2011年；Schulte-Uebbing等，2022年）。过去五十年里，全球氮肥用量增加了近十倍，其中中国约占消费量的31%，每年增加0.7太克氮（Lu和Tian，2017年）。然而，当氮肥施用量超过作物需求或施用时机不当会导致氮在土壤中积累并通过一氧化二氮（N?O）排放和硝酸盐淋溶流失（Ladha等，2020年）。一氧化二氮是一种比二氧化碳强273倍的温室气体，其主要来源于农业活动，农业活动贡献了人为N?O排放量的50–60%（Ravishankara等，2009年；Kanter等，2013年；Shcherbak等，2014年）。硝酸盐（NO??）淋溶是另一种主要的氮流失途径，特别是在气候变化导致强降雨事件频发的情况下（Jalali，2005年；Jia等，2023年）。在降雨量较大的地区，化肥引起的硝酸盐淋溶可超过季节氮施用量的20–30%，威胁地下水质量并促进富营养化（Yao等，2021年；Zhang等，2025年）。这些挑战凸显了需要在维持作物生产力的同时减少气体氮流失和氮淋溶的策略的必要性。
优化养分管理，如4R养分管理框架所示，通过协调化肥施用量、施用时间、来源和位置与作物需求，提高了氮的利用效率（Johnston和Bruulsema，2014年；Ladha等，2020年）。基于这一原则，优化作物管理是一种更全面的综合策略，结合了改进的养分管理措施和农艺措施，如减少氮肥施用量、使用高效肥料和优化种植密度，从而同时保持高产量并减少活性氮流失（Chen等，2014年；You等，2024年）。在这种框架下，减少氮肥施用量和使用高效肥料有助于调节土壤中氮的有效性，并改善土壤供应与作物需求之间的时间同步（Elrys等，2023年）。有机-无机肥料结合使用进一步通过调节土壤pH值、氮的有效性和微生物硝化-反硝化过程来减少N?O排放和硝酸盐淋溶（Du等，2023年；Hei等，2023年；Xie等，2024年）。同时，优化种植密度可以提高氮吸收量并减少无机氮残留，抑制N?O的产生和硝酸盐淋溶（Yao等，2018年；Hou等，2020年；Guo等，2025年；Sciarresi等，2025年）。尽管对综合农艺策略的关注日益增加，但很少有研究系统地评估结合优化施肥和高密度种植是否可以在维持作物生产力的同时缓解降雨引起的氮流失。此外，关于农业氮流失直接影响下游水质的水敏感流域的证据也非常有限。因此，对于不同降雨季节的综合作物管理的协同效应仍需进一步量化。
中国西南部的洱海流域为研究这些问题提供了典型背景。作为国家指定的水源保护区，该流域经历了严重的藻类生长，农业非点源污染被认为是主要的污染源。农业氮流失是这个生态敏感流域水质退化的主要驱动因素（Hou等，2023年；Wang等，2024a；Zou等，2023年）。此外，该地区的亚热带高原季风气候特征是降雨分布极不均匀，极端降水事件频繁发生，这加剧了土壤水分波动，增加了作物系统对N?O排放和硝酸盐淋溶的脆弱性（Lu等，2015年）。甜玉米每年种植两次，生长周期约为90天，是保障粮食供应、农民收入和生态可持续性的重要作物（Ying等，2025年）。因此，了解不同降雨季节下甜玉米生产的氮流失机制并评估综合农艺策略对于在这种水分敏感环境中平衡作物生产力和环境可持续性至关重要。
为了填补这一知识空白，我们进行了一项为期四个季节的田间试验，比较了结合优化施肥和高密度种植的综合作物管理策略与当地农民的传统种植方式。具体目标包括：（1）研究雨季和干旱季节N?O排放和硝酸盐淋溶的季节性动态；（2）量化优化管理对减少氮流失的潜力；（3）确定产量、N?O排放和硝酸盐淋溶的主要驱动因素，并评估其季节性变化。通过整合多个降雨季节的生产力和环境指标，本研究为在设计高产量、低排放的玉米生产系统提供了基于实地的证据和机制洞察，适用于降雨不均的水敏感地区。
片段
地点描述
田间试验在中国云南省大理市万桥镇（东经100° 07' 52''，北纬25° 48' 39''）的洱海流域进行了四个连续的甜玉米生长季节（2023–2025年）。该地区具有亚热带高原季风气候，分为明显的干旱季节（3月至6月）和雨季（7月至10月）（图1）。2015–2025年的年平均气温为16.3°C（范围：10.3–22.6°C），年平均降水量为1017.3毫米，其中干旱季节降水量为236.8毫米
甜玉米产量、产量构成、氮吸收量和氮利用效率
不同处理和季节之间甜玉米产量、收获穗数、每穗粒数和百粒重存在显著差异（图2A；补充表2）。在所有季节中，优化作物管理处理（OMF+HD和MCF+HD）的表现始终优于传统种植方式（FP）。OMF+HD处理的产量增加了13.8%至35.2%，MCF+HD处理的产量增加了13.2%至30.9%（图2B–E）。这两种优化处理还使收获穗数增加了22.5%（OMF+HD）
强降雨会降低甜玉米的生产力，并增加土壤中N?O的排放和硝酸盐的淋溶
研究表明，强降雨会降低甜玉米的生产力，同时增加土壤中N?O的排放和硝酸盐的淋溶。在四个生长季节中，雨季的产量平均比干旱季节低7.7%（图2）。收获时的地上氮吸收量也呈现出类似的趋势，尤其是在优化管理下（OMF+HD和MCF+HD）（补充图2）。虽然早期降雨可以支持幼苗的建立（补充表2）
结论
研究表明，不均匀且强烈的降雨显著降低了甜玉米的生产力，同时增加了土壤中N?O的排放和硝酸盐的淋溶。在四个生长季节中，雨季的玉米产量低于干旱季节，活性氮流失更多，这凸显了水分变化与氮循环之间的密切关联。结合优化施肥和高密度种植的综合作物管理一致提高了产量
作者贡献声明
**Ying菲宇**：撰写－原始草稿、撰写－审阅与编辑、调查、可视化、数据分析、概念化。**潘硕**：调查、方法学。**范志伟**：调查、方法学。**王兴邦**：撰写－审阅与编辑、概念化。**吕志兵**：调查。**田志明**：调查。**胡晓康**：资源准备、概念化。**Kadambot H.M. Siddique**：概念化、撰写－审阅与编辑。**张富锁**：资源准备、资金获取
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所述的工作。
致谢
本工作得到了云南省重大科学技术项目（202202AE090034）和云南省科学技术厅（202304BQ040005、202305AF150055）的支持。
