本研究由云南大学国际河流与生态安全研究所的王锐、中国农业大学资源与环境科学学院的李荣与徐玖亮（通讯作者）等学者合作完成，发表于 Field Crops Research 期刊2026年第349卷，文章编号110714。研究地点位于中国西南部高原湖泊流域的云南省大理市古生村，试验于2023–2024和2024–2025两个油菜-水稻轮作周期内开展。
该研究属于农业资源与环境科学领域，聚焦氮肥在轮作系统中的季节性优化分配问题。背景在于：当前集约化农业中氮肥利用效率普遍偏低，过量或不协调的施氮会降低肥料氮回收率，并增加氨挥发、径流和淋溶等环境损失风险。以往氮管理多局限于单季作物，而油菜-水稻轮作作为中国亚热带地区典型的水旱轮作体系，其季节间干湿交替会显著改变土壤理化性质与氮素转化过程，因此从轮作尺度重新分配周年氮投入具有重要科学和实践意义。研究旨在评估在固定周年施氮量330 kg N ha⁻¹条件下，将更多氮肥分配至油菜季、同时减少水稻季施氮，是否能同步提高系统生产力、肥料氮回收率并降低环境氮损失。
试验共设置五个处理：CK为不施氮对照；T1为农民常规施氮，油菜季210 kg N ha⁻¹、水稻季180 kg N ha⁻¹，周年总施氮量390 kg N ha⁻¹；T2、T3、T4为优化处理，周年总施氮量固定为330 kg N ha⁻¹，油菜/水稻季施氮分配分别为150/180、180/150和210/120 kg N ha⁻¹。磷钾肥投入各处理保持一致。试验采用随机区组设计，每个处理设三个重复小区，小区面积60 m²，独立排灌。油菜品种为云油杂15号，水稻品种为云粳37号。油菜采用直播，水稻采用人工移栽。水稻季实行淹水-湿润交替灌溉，成熟前约15天排水；油菜季仅在施肥时按需灌溉。收获后秸秆按当地习惯移除，不还田。
在第二个轮作周期（2024–2025年）开展了¹⁵N同位素示踪试验。每个T2–T4重复小区内设置两个封闭不锈钢微区（0.5 m × 0.5 m × 0.6 m），分别用于追踪油菜季和水稻季肥料氮的去向。微区1中油菜季施用¹⁵N标记尿素，水稻季施用普通尿素；微区2则相反。标记尿素丰度为10 atom%。微区内磷、钾、硼肥用量及种植密度与田间保持一致。作物成熟后采集整株样品（包括根系），按器官分开，测定全氮含量和¹⁵N丰度。收获后采集0–20 cm土层土样，测定土壤全氮和¹⁵N丰度。利用氮肥来源比例（ndff）、植物¹⁵N吸收量、土壤残留肥料¹⁵N、¹⁵N利用效率及¹⁵N未回收比例等公式计算肥料氮在作物吸收、土壤残留和未回收部分之间的分配。
氨挥发采用通气法测定，每次施肥后初期每2–3天采样一次，之后每5–7天一次。淋溶液通过多孔淋溶管收集，管深40 cm，代表20–40 cm土层的淋溶过程；施肥后隔日采集，共四次，之后每10天一次。径流水通过田间径流管收集，每次产生地表径流时采样。水样总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定。由于油菜季降雨较少，未产生可测量的径流或淋溶事件。产量测定时在每小区中央收获6 m²，油菜籽粒折算至8%标准含水量，稻谷折算至14%。油菜考种包括单株角果数、每角粒数和千粒重；水稻考种包括单位面积穗数、每穗粒数、结实率和千粒重。数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0处理，年份和氮处理作为固定因子进行双因素方差分析，处理间均值比较采用Duncan法（p < 0.05）。
主要结果显示，在固定周年施氮量下，增加油菜季施氮比例可显著提高油菜产量而不降低水稻产量。与水稻优先的T2相比，T4在两个轮作周期分别使油菜产量提高42.96%和49.80%，周年系统产量分别提高16.45%和15.83%。T4在2023–2024和2024–2025的周年产量分别为14.14和15.48 t ha⁻¹，明显高于T2的12.14和13.36 t ha⁻¹。水稻产量在T2、T3、T4间无显著差异，说明将水稻季施氮从180 kg N ha⁻¹降至120 kg N ha⁻¹不会减产。氮肥偏生产力（PFP_N）和农学效率（AE_N）均随氮素向油菜季转移而提高，T4的平均PFP_N达到44.88 kg grain kg⁻¹ N，显著高于T2的38.64。
环境损失方面，T4相比T2在周年尺度上显著降低了氨挥发、径流和淋溶损失。2023–2024年T4周年氨挥发累积损失为15.48 kg N ha⁻¹，比T2的24.51 kg N ha⁻¹降低36.84%；2024–2025年降低32.66%。水稻季氨挥发远高于油菜季，是周年氨挥发的主要贡献期。径流氮损失在2023–2024年T2、T3、T4分别为2.42、2.33和2.11 kg N ha⁻¹，处理间差异不显著；但在2024–2025年，T4为3.11 kg N ha⁻¹，比T2的4.22 kg N ha⁻¹显著降低26.30%。20–40 cm土层淋溶氮损失也表现出类似规律：T4在两年分别比T2降低18.34%和16.41%。农民常规处理T1由于两季施氮均较高，其氨挥发、径流和淋溶损失总体最高。
¹⁵N示踪结果进一步揭示了机制。2024–2025年，油菜对当季肥料氮的吸收量表现为T4 > T3 > T2，且大部分回收的¹⁵N分配至籽粒。水稻对当季肥料氮的吸收在各处理间无显著差异，但对前季油菜残留肥料氮的吸收随油菜季施氮量增加而增加，T3和T4显著高于T2。在轮作尺度上，周年作物对肥料氮的总吸收量从T2的118.07 kg N ha⁻¹增加到T4的156.96 kg N ha⁻¹，累积肥料氮回收率从35.78%提高到47.56%。未回收肥料氮比例从T2的51.41%下降到T4的38.99%。土壤残留肥料氮在三个处理间无显著差异，介于42.29–48.28 kg N ha⁻¹，相当于周年施氮量的12.81%–14.63%。这表明T4更高的肥料氮回收主要归因于作物吸收增加，而非土壤固定增加。
研究结论认为，在固定周年施氮量330 kg N ha⁻¹条件下，将更多氮肥分配至油菜季并减少水稻季施氮，可以同时提高油菜-水稻轮作系统的生产力和氮肥回收效率，并降低氨挥发、径流和淋溶等环境氮损失。T4（210/120 kg N ha⁻¹）在三个优化处理中综合表现最佳，其增产优势主要来自油菜产量的显著提升，同时水稻产量保持稳定。环境效益主要来自水稻季施氮量减少导致的损失降低，尽管油菜季施氮增加会略微提高该季氨挥发，但增幅远小于水稻季的降幅。研究还强调，¹⁵N示踪结果仅反映2024–2025单一年度的氮素去向，应作为过程性证据支持田间观测结论。
本研究的亮点在于：首次在油菜-水稻轮作体系中结合田间产量与环境损失直接测定和¹⁵N同位素示踪，系统评估季节性氮分配对肥料氮去向的影响；发现油菜季对氮素供给的响应远大于水稻季，水稻季存在较大的氮肥减施空间；证实将氮肥从高损失风险的水稻季向低损失风险的油菜季转移，可在不增加周年施氮总量的前提下实现增产与减排的协同。研究还指出，该结论受研究区高有机质土壤和特定气候条件影响，未来需在不同土壤有机质水平、降水分布和灌溉管理条件下进一步验证。