量化土壤氮素有效性与玉米氮素吸收的时间异步性：精准农业的关键突破

《Plant and Soil》：Quantifying the timing asynchrony between soil nitrogen availability and maize nitrogen uptake

在温带一年生作物系统中，土壤无机氮（N）有效性与植物氮吸收的不同步被认为是氮肥利用效率低和环境氮损失的主要原因。爱荷华州立大学的研究人员测量了土壤无机氮库大小和玉米氮吸收量，建立模型量化二者异步性。结果表明玉米氮吸收高峰滞后，此研究为优化氮肥管理提供依据。

　　在温带地区，许多种植玉米等暖季一年生作物的农业生态系统中，存在着一个棘手的问题：土壤氮素供应与作物氮素需求的时间不同步。在一年中的大部分时间里，肥料和土壤有机质（SOM）微生物矿化提供的植物可利用氮输入速率，超过了植物对氮的需求速率。这种不同步在玉米氮吸收高峰到来之前的早春时期尤为突出，导致了大量的土壤矿化氮和氮肥损失到环境中。为了保证植物生长不受氮限制，农民不得不施加过量的氮肥，但这又进一步加剧了氮素利用效率低下的问题，作物在生长季节仅能吸收大约一半的施氮量。因此，如何实现土壤氮素供应与作物氮素需求的同步，成为提高氮肥利用效率、减少环境氮污染的关键。

爱荷华州立大学的研究人员 Yunjiao Zhu、Sotirios V. Archontoulis 和 Michael J. Castellano 针对这一问题展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Plant and Soil》杂志上，为解决土壤氮素管理难题提供了新的思路和方法。

研究人员通过收集 9 个站点年份（2015 - 2017）的数据，这些数据涵盖了美国爱荷华州的五个不同地点，每个地点的管理方式都有所不同，包括不同的种植时间、施氮量和地下排水系统等。他们采用了两种主要的技术方法：一是对土壤和作物进行测量，在不同深度（0 - 30cm 和 30 - 60cm）定期采集土壤样本，测定土壤硝酸盐（NO3??）和铵（NH4+?）的含量，同时对作物进行破坏性和非破坏性采样，测量玉米的总氮吸收量；二是数据分析，将土壤无机氮含量和作物氮含量与累积生长度日（GDD）进行关联分析，利用四参数逻辑模型来描述土壤无机氮库大小和玉米氮吸收的动态变化。

研究结果如下：

1. 模型拟合与差异分析：累积 GDD 能够很好地解释土壤无机氮消耗和玉米氮吸收的绝对和相对模式。四参数逻辑模型在各个站点年份都能准确描述土壤无机氮浓度、玉米氮同化与 GDD 之间的关系。标准化值在三年间的模型拟合效果优于绝对值，但每个站点年份中标准化值和绝对值的R2相似。
2. 氮吸收与消耗的时间差异：从模型结果来看，玉米氮吸收达到最大值一半时的 GDD 值，与土壤无机氮库大小减少到最大值一半时的 GDD 值存在显著差异。标准化数据和绝对值的差异都在 130GDD 以上，表明玉米氮吸收和土壤无机氮消耗之间存在明显的异步性。而且，土壤无机氮消耗速率的峰值总是早于玉米氮吸收速率的峰值，绝对值得出的差异为 92GDD，标准化值为 185GDD。
3. 氮素来源的变化：在大约 500GDD 之后，玉米氮吸收的累积量超过了土壤无机氮消耗的累积量，这意味着作物可能从其他未被测量的土壤无机氮库中获取氮素，推测可能来自持续的 SOM 矿化，且该矿化过程与植物氮需求同步性较好。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次描述了土壤无机氮消耗与玉米氮吸收之间的定量关系，将 GDD 模型的应用扩展到描述土壤无机氮消耗。研究结果有助于改进种植系统过程模型，指导基于系统的方法使玉米氮需求与土壤氮供应更好匹配，帮助农民优化氮肥管理。通过调整施肥时间，如采用分次施肥等策略，可以减少早期氮素损失，提高氮素利用效率，降低环境影响，优化作物产量。此外，研究还发现植物氮吸收速率可能超过 0 - 30cm 土壤层无机氮消耗速率，未来研究可通过设置未施肥或非种植地块，进一步区分肥料和 SOM 来源的氮对植物可利用氮的贡献，从而更全面地了解农业生态系统中的氮动态。这一研究为精准农业中土壤氮素管理提供了重要的理论依据和实践指导，有望推动农业可持续发展。