本研究由华中农业大学微量元素研究中心的Zhifeng Lu、Jianwei Lu团队联合土耳其萨班哲大学的Ismail Cakmak等学者共同完成，发表于《European Journal of Agronomy》2027年第183卷。研究通过在中国江西进贤和湖南安仁两个油菜主产区开展的田间试验，系统探讨了氮（nitrogen，N）与镁（magnesium，Mg）互作对油菜（Brassica napus L.）籽粒产量和氮利用效率（nitrogen use efficiency，NUE）的影响及其生理机制。
一、研究背景与目的
油菜是全球第二大油料作物，对氮肥需求高但氮利用效率普遍偏低。中国油菜生产主要集中在长江流域酸性土壤区域，土壤有效镁含量低，镁缺乏现象普遍。镁作为植物必需的矿质营养元素，在根系硝酸盐（NO₃⁻）吸收、氮同化酶活性以及韧皮部氨基酸运输中发挥关键作用。然而，在田间条件下镁供应如何调控油菜苗期氮吸收、同化与储存，进而影响全生育期氮利用效率和最终产量的定量关系尚不清晰。因此，本研究旨在阐明不同镁营养水平对油菜籽粒产量和氮利用效率的影响，并从根系形态、氮转运蛋白基因表达、氮同化酶活性以及苗期氮累积等角度揭示其生理基础，为氮镁协同管理提供科学依据。
二、研究设计与方法
研究于2021–2022和2022–2023两个生长季在江西进贤和湖南安仁两个试验点进行，每年更换田块，采用随机完全区组设计，设置3个施氮水平（0、180、270 kg N ha⁻¹，分别记为N0、N180、N270）和3个施镁水平（0、9、27 kg Mg ha⁻¹，分别记为Mg0、Mg9、Mg27），共9个处理组合，每个处理3次重复。供试油菜品种为长江流域主栽品种“大地199”。所有小区在播前统一施用磷（P）、钾（K）和硼（B）肥，氮肥以尿素形式按60%基施、20%越冬期追施、20%抽薹期追施分三次施用，镁肥以无水氯化镁（MgCl₂）形式一次性基施。
试验测定了多个层面的指标。在成熟期，测定了籽粒产量及产量构成因子（单株角果数、每角粒数、千粒重），并分析了植株各部位（茎秆、角果壁、种子）的氮和镁含量，计算氮利用效率（NUE）、氮吸收效率（nitrogen uptake efficiency，NUPE）、氮利用效率（nitrogen utilization efficiency，NUTE）、农学氮利用效率（agronomic N use efficiency，ANUE）和表观氮回收效率（apparent N recovery efficiency，ANRE）。在苗期（播种后约90天，越冬期前），于2022–2023生长季在进贤点采集植株样品，测定了根系形态参数（总根长、根直径、根表面积、根体积）、各器官无机氮（NO₃⁻和NH₄⁺）含量、氮同化关键酶（硝酸还原酶nitrate reductase，NR；谷氨酰胺合成酶glutamine synthetase，GS；谷氨酸合酶glutamate synthase，GOGAT）活性，以及根系硝酸盐转运蛋白基因（BnNRT1.1a、BnNRT1.1b、BnNRT2.1a、BnNRT2.1b）的相对表达量。此外，还设置了¹⁵N示踪微区试验（N180Mg0和N180Mg27处理），以评估苗期肥料氮在根与叶片之间的分配。
统计分析采用线性混合效应模型，将环境（地点-年份组合）、施氮量、施镁量及其互作作为固定效应，区组作为随机效应。多重比较采用LSD法，显著性水平设定为p < 0.05。
三、主要研究结果
产量结果表明，施氮使油菜产量提高约3倍。在N0条件下，施镁对籽粒产量无显著影响；但在N180和N270条件下，Mg27处理使产量分别提高15.3%和18.8%。计划互作对比显示，N270下镁的增产效应显著大于N180（差值131 kg ha⁻¹，p=0.001），表明氮与镁存在显著的交互效应。在产量构成因子中，单株角果数对产量变异的相对重要性最高，施镁在N180和N270下分别使单株角果数增加16.8%和20.9%。
养分吸收与利用效率方面，施镁在N0条件下仅使地上部氮累积量增加8.8%，而在N180和N270条件下增幅超过20%。施镁显著提高了NUPE（在N180和N270下分别提高8.1%和9.6%）和ANRE（分别提高7.7%和8.3%），但整体上降低了NUTE。NUE在施镁后平均提高1.35 kg kg⁻¹，表明镁对氮利用效率的改善主要源于氮吸收能力的增强，而非体内氮利用效率的提升。此外，施镁改变了氮和镁在地上部各器官的分配，使茎秆和角果壁中的分配比例增加，种子中的分配比例下降1.9%–5.8%，这在一定程度上解释了NUTE的降低。
苗期根系形态分析显示，在N0条件下施镁对根系形态无显著影响，但在N180和N270条件下，Mg27处理显著增加了总根长（8.8%–21.7%）、根直径（10.0%–16.7%）、根表面积（10.3%–26.2%）和根体积（7.3%–21.8%）。
无机氮含量和氮同化酶活性测定表明，在N180和N270条件下，施镁显著提高了根、茎、叶中NO₃⁻含量，同时降低了NH₄⁺含量。根系NR活性在施镁后平均提高21.1%，叶片NR活性提高16.5%。叶片GS和GOGAT活性在N180和N270下分别提高13.3%和19.9%以及15.9%和28.1%。
基因表达分析显示，施镁在N180和N270条件下显著上调了根系BnNRT1.1a（分别提高35.7%和53.2%）和BnNRT1.1b（分别提高35.9%和45.0%）的表达，但对BnNRT2.1a和BnNRT2.1b无显著影响。¹⁵N示踪结果进一步表明，施镁促进了苗期肥料氮向叶片的分配。
四、结论与科学价值
本研究证实了氮与镁在油菜产量形成中存在显著的交互效应，镁的增产作用依赖于充足的氮供应。在氮充足条件下，施镁通过改善根系构型、上调硝酸盐转运蛋白基因BnNRT1.1a和BnNRT1.1b表达、增强氮同化酶活性以及促进苗期氮素吸收与储存，显著提高了油菜籽粒产量和氮利用效率。单株角果数是产量响应的关键构成因子。研究还指出，由于本试验以MgCl₂形式供镁且未设置氯平衡对照，氯离子（Cl⁻）的潜在贡献不能完全排除。
本研究的科学价值在于揭示了镁调控油菜氮吸收与利用的早期生理机制，明确了苗期氮素有效储存对全生育期氮利用效率和最终产量的重要意义。从应用角度看，研究结果支持在长江流域镁缺乏土壤上实施氮镁协同管理策略，即在高氮投入条件下补充适量镁肥，有助于实现油菜高产与氮肥高效利用的双重目标。对于农业生产而言，这一发现为优化油菜养分管理、减少氮肥浪费及其环境风险提供了理论依据和实践指导。