本研究由Zhenkun Cui、Yu Shi（通讯作者）、Zhenwen Yu、Yongli Zhang及Zhen Zhang共同完成，作者单位均来自山东农业大学农学院/小麦改良国家重点实验室及农业农村部作物生理生态与耕作重点实验室。研究论文《Combining optimized irrigation with reduced N fertilization increases wheat N use efficiency by increasing soil N cycling and plant N uptake》于2025年9月17日被《The Crop Journal》接收（DOI: https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.09.020），聚焦华北平原小麦生产体系中的水氮协同优化管理。

学术背景

华北平原（North China Plain, NCP）作为中国主要小麦产区，长期面临氮肥利用率（Nitrogen Use Efficiency, NUE）低下（低于欧美水平）与资源过度投入的双重挑战。农民常规施氮量（＞250 kg ha⁻¹）远超作物需求，导致氮素损失（如淋溶、气态挥发）和环境风险。既往研究证实，灌溉与施氮通过调控土壤氮循环（Soil N Cycling）和作物氮吸收（Plant N Uptake）影响NUE，但传统灌溉模式（如畦灌）未能基于土壤墒情动态调控，且水氮互作机制尚不明确。本研究通过田间试验与15N示踪技术，旨在：（1）明确优化灌溉（土壤含水量补至田间持水量的65%-85%）与减量施氮（150-270 kg ha⁻¹）对土壤微生物群落、氮代谢酶活性及小麦根系构型的调控效应；（2）量化肥料氮去向（15N fate）与NUE提升的生理生态机制；（3）提出兼顾产量、经济效益与环境可持续的水氮管理方案。

研究方法与流程

1. 试验设计

采用裂区设计，主区为3个灌溉水平（I1:65%、I2:75%、I3:85%田间持水量，于拔节期和开花期补给0-40 cm土层），副区为3个施氮量（N150、N210、N270 kg ha⁻¹），共9个处理，3次重复。试验田位于山东济宁（35°40’N, 116°41’E），土壤为Haplic Luvisols，供试品种为济麦22。

2. 数据采集与分析

• 土壤氮循环：开花期测定0-60 cm土层硝态氮（NO₃⁻-N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、微生物生物量氮（SMBN），并分析脲酶（Urease）、蛋白酶（Protease）、硝酸还原酶（Nitrate Reductase）活性。采用16S rRNA测序（V3-V4区，引物375F/806R）解析根际微生物群落结构，重点关注反硝化（Denitrification）、硝化（Nitrification）相关菌群。
  
• 根系形态与活性：开花期通过根系扫描仪（WinRHIZO软件）量化根干重密度（RWD）、根长密度（RLD）、根表面积密度（RSD），并测定根系活力（TTC还原法）。
  
• 氮素利用与去向：通过15N标记微区试验（PVC管隔离），量化基肥与追肥氮在植株-土壤系统中的分配比例（NDFbasal、NDFtopdressing、NDFsoil），计算氮素吸收率（Uptake N）、残留率（Residual N）及损失率（Loss N）。
  
• 产量与效益：成熟期测定籽粒产量、氮肥偏生产力（NPFP）、氮肥利用率（NUE）及净收益，采用TOPSIS法进行综合评价。
  

3. 统计方法

使用多元方差分析（ANOVA）、Duncan多重比较检验及偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析水氮互作对关键指标的影响路径。

主要结果

1. 土壤氮循环优化

   • I2（75%田间持水量）处理显著提升蛋白酶与脲酶活性（较I1/I3提高17.5%-30.8%），促进有机氮矿化；而I3处理因厌氧环境增加硝酸还原酶活性（较I2高22.6%），加剧反硝化菌群（如Proteobacteria）富集（图2-3）。
     
   • N210处理较N270减少反硝化菌丰度53.3%，降低肥料氮损失率16.3%（图S6），表明适度减氮可抑制氮素气态损失。
     

2. 根系响应与氮吸收

   • I2N210组合在20-60 cm土层实现最优根系构型（RLD提高26.4%，RSD提高30.8%），促进深层氮素吸收（图4）。根系活力与叶片相对含水量（LRWC）呈正相关（R²=0.72），证实水分优化可缓解氮胁迫。
     
   • 15N示踪显示，N210处理提高追肥氮吸收率11.4%，但基肥氮因施用过早仍存在较高损失率（图S5-S6），提示需优化基追比。
     

3. 产量与NUE协同提升

   • I2N210处理两年平均籽粒产量达9,276-9,804 kg ha⁻¹，较N270增产4.5%，NUE提高6.2%，净收益增加5.8%（表1）。
     
   • PLS-PM路径分析（图6）表明，水氮协同通过“土壤酶活性→根际菌群→氮形态有效性→根系吸收”链式路径提升NUE，其中根系形态对氮积累的直接效应系数达0.58。
     

结论与价值

本研究提出将灌溉量控制在75%田间持水量配合210 kg N ha⁻¹施氮量，可实现华北平原小麦生产的“减氮增效”：
- 科学价值：阐明了水氮管理通过调控根际微生物功能与根系塑性提高NUE的生理生态机制，为土壤-作物系统建模提供参数。
- 应用价值：该方案较农民常规施氮（270 kg ha⁻¹）减少22%氮肥用量，同时降低氮素淋溶风险（40-60 cm土层NO₃⁻-N减少27.1%），兼具经济与环境效益。

研究亮点

1. 方法创新：首次结合15N示踪与微生物组测序量化水氮互作对肥料氮去向的影响，揭示反硝化菌群丰度与硝酸还原酶活性的剂量效应。
   
2. 结论突破：明确I2N210为水氮阈值组合，突破传统“高水高氮”模式下NUE提升瓶颈。
   
3. 技术可操作性：基于土壤墒情的灌溉策略（公式计算补水量）便于田间推广，为智慧农业提供实践依据。
   

其他发现

• 基肥氮损失率较高（微区试验达35%），提示未来可通过添加硝化抑制剂或有机替代进一步优化（参考文献48-50）。
  
• 根际微生物共现网络分析显示，I2处理具有更高的节点连接密度（图S2），表明适度水分胁迫可增强微生物互作稳定性。