《Food and Energy Security》：Early Planting and Optimized Nitrogen Rate Maximize Biomass Sorghum Yield and Profitability
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氮(N)肥施用量、施用时期及肥料种类可显著影响生物能源高粱的产量、经济效益及病害风险，但目前针对美国中大西洋地区早播与晚播系统中的上述管理效应仍缺乏充分认知。研究人员于2017至2019年在多个试验点开展了两项田间试验，以评估种植日期、侧施N肥用量及肥料种类对
氮(N)肥施用量、施用时期及肥料种类可显著影响生物能源高粱的产量、经济效益及病害风险，但目前针对美国中大西洋地区早播与晚播系统中的上述管理效应仍缺乏充分认知。研究人员于2017至2019年在多个试验点开展了两项田间试验，以评估种植日期、侧施N肥用量及肥料种类对生物能源高粱产量及相关性状的影响。试验1在早播(EP；全季种植系统)与晚播(LP；模拟双季种植系统)条件下设置0–224 kg N ha?1的侧施N肥梯度，并测算最经济施氮量(Most Economic Rate of Nitrogen, MERN)。试验2在不同种植日期下比较168 kg N ha?1用量的环境友好型氮肥(Environmentally Smart Nitrogen, ESN)与基施、侧施常规氮肥的效应。试验1结果显示，EP较LP显著提高干物质产量53%、株高18%，而LP的病害严重度降低8%；57 kg N ha?1的MERN可实现最高产量、偏因子生产率及氮素利用效率。试验2结果显示，EP较LP的干物质产量、株高、茎粗分别提高66%、19%与26%；基施常规氮肥与ESN的生物产量及茎粗无显著差异，但基施处理较ESN显著提高病害严重度。综合表明，EP配施57 kg N ha?1是实现生物能源高粱高产与农场收益最大化的核心策略。研究结果提示生产者应优先保障种植日期与MERN施氮量，而非过度关注肥料种类；在病害高发条件下，ESN可额外提供病害调控效益。
本研究发表于《Food and Energy Security》，针对美国中大西洋地区生物能源高粱生产体系中的氮素管理与种植制度优化问题展开系统探究。研究背景显示，植物基生物燃料作为化石能源的可持续替代路径，其规模化推广受限于原料供应的稳定性与环境友好性。生物能源高粱因具备高生物量、高糖含量及优异的水氮利用效率，被视为传统能源作物的优势替代种，但该区域生产中仍存在关键知识缺口：一是种植日期与氮素管理的互作效应不明确，二是常规氮肥一次性基施易导致氮素供应与作物需求不同步，引发氮素流失与温室气体排放，三是高氮投入可能加剧炭疽病等病害发生与倒伏风险，四是缓释氮肥在该区域的适用性尚未得到验证。上述问题直接制约了该区域生物能源高粱的生产效率与经济效益，因此亟需明确最优种植制度与氮素管理组合。
研究人员采用多环境田间试验设计，依托弗吉尼亚理工大学潮汐水农业研究与推广中心2017–2019年的三个站点（2017-Holland、2018-Holland、2019-Hare）开展研究，土壤类型涵盖壤土与壤质砂土，覆盖不同降水与积温条件。试验设置早播（5–6月，全季系统）与晚播（7月，模拟冬小麦后双季系统）两种种植日期，其中试验1设0、56、112、168、224 kg N ha?1共5个侧施氮肥梯度，试验2设零氮对照、基施常规氮肥、ESN、侧施常规氮肥4个处理，统一施氮量为168 kg N ha?1。通过测定干物质产量、株高、茎粗、叶片炭疽病严重度及茎秆倒伏率，结合线性平台模型测算最经济施氮量(MERN)，采用混合效应模型开展多因素方差分析与回归拟合。
研究结果部分，首先呈现气象条件特征：三年间气温与活动积温(Growing Degree Days, GDD)相对稳定，而降水量差异显著，2017年为干旱年（EP降水量636 mm），2018年为多雨年（EP降水量768 mm），2019年为平水年（EP降水量731 mm），对应作物胁迫指数(Crop Stress Index, CSI)分别为5、3、4，与30年平均水平（CSI=3）相比，2017与2019年胁迫程度略高。
试验1：侧施氮肥、种植日期及环境对农艺性状、病害与倒伏的影响。环境、种植日期与氮率均显著影响干物质产量，EP较LP增产53%，MERN为57 kg N ha?1，超过该阈值后产量无进一步提升；株高同样受环境与种植日期显著影响，EP较LP提高18%，但对氮率无响应；病害严重度随氮率呈线性上升，每增加1 kg N ha?1病害严重度提高0.03%，LP较EP降低病害严重度8%，但在2017年干旱条件下EP病害反而更低；倒伏率受环境与种植日期互作影响，EP下高氮处理（168–224 kg N ha?1）倒伏风险显著升高，每增加1 kg N ha?1倒伏率上升0.1%。
试验2：ESN与基施、侧施氮肥对农艺性状、病害与倒伏的影响。四环境综合分析显示，EP较LP增产66%、株高提高19%、茎粗增加26%；ESN与基施常规氮肥的产量、茎粗无显著差异，但基施处理的病害严重度显著高于ESN；两环境子集分析显示，不同氮施用时期的产量无显著差异，但侧施处理的倒伏率（89%）显著高于ESN（56%）与基施处理（61%）。
讨论部分指出，早播通过延长生育期与充分利用光热资源实现高产，但需警惕高氮下的病害与倒伏风险；MERN（57 kg N ha?1）可在保障产量的同时平衡经济效益与环境风险，过量施氮仅增加环境负荷而无产量增益；ESN的缓释特性使其在高病害压力下具备优势，但在高于MERN的施用量下未体现产量增益，未来需在MERN附近进一步验证其效应。研究结论强调，早播配施57 kg N ha?1是美国中大西洋地区生物能源高粱高产高效的核心策略，ESN可作为病害高风险场景的补充管理措施，该研究为实现生物能源生产的低投入、高抗逆与可持续发展提供了实证支撑。
