严寒半湿润环境中秋施与春施尿素对产量及土壤无机氮的影响

《Agronomy Journal》：Fall versus spring urea application impact on yield and soil inorganic nitrogen in frigid subhumid environments

　　

普遍认为，与春季施肥相比，秋季施用氮（N）肥会因过量N损失而导致较低产量。然而，这一假设主要基于高降雨区研究，而该类区域的N损失机制与半湿润环境明显不同。因此，本研究旨在评估在半湿润环境中，秋季与春季表面撒施尿素对玉米（Zea mays L.）产量、籽粒中来源于土壤和肥料的N含量、土壤残留无机N以及淋失损失的影响。于2021、2022和2023年开展的重复试验测定了：（1）籽粒产量；（2）秋季、春季及收获后土壤无机N；以及（3）利用¹⁵N天然丰度同位素技术测定籽粒中来源于土壤和肥料的N含量。结果表明，施肥时期并不影响：（1）跨年度玉米籽粒产量〔秋施为10.2 Mg ha^?1，春施为10 Mg ha^?1〕；（2）越冬后表层60 cm土壤中残留的无机N含量（秋施N中有84%分布于30 cm土层以内）；以及（3）籽粒中土壤来源N所占比例（跨年度为72%）。这些结果归因于秋施尿素的吸附（sorption）作用，并表明在该半湿润环境下，对于这种排水良好的严寒土壤，在土壤温度<10°C时于秋季表面撒施尿素，并不会增加N损失或降低产量。

该论文发表于《Agronomy Journal》，围绕严寒半湿润区玉米生产中氮肥适期管理这一核心农学问题展开。传统4R养分管理强调在“适宜的时间”施用“适宜的肥料”，但何为“适宜”具有显著的土壤—气候情境依赖性。既往反对秋施氮肥的依据，多来自高降雨、湿润环境，在这些区域中，硝态氮（NO₃^?）淋失和反硝化损失风险较高，因此秋施往往被视为高风险措施。然而，对于降水较少、冬季寒冷、土壤排水良好的半湿润地区，这一结论是否仍然成立，原有证据并不充分。尤其是一些研究忽略了无机氮在土壤中的吸附（sorption）与微生物固定（immobilization）过程，从而可能高估了氮素淋失或气态损失。基于此，研究人员针对一个严寒半湿润、粉质黏壤土且60–80 cm存在质地突变层的农田系统，比较了秋季与春季表面撒施尿素对玉米产量、土壤无机氮动态以及籽粒氮素来源的影响，试图澄清在特定生态区内秋施尿素是否可能成为兼顾经济性与环境可持续性的管理措施。

研究人员于2021—2023年连续3年在单一试验点开展田间重复试验，采用随机区组设计，设置施肥时期（秋施、春施）与施氮量（0与157 kg N ha^?1）处理，每处理4次重复。供试肥料为未添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂的颗粒尿素，秋施在土壤温度持续低于10°C后进行，春施则在玉米V3生长期前完成。研究测定籽粒产量、0–60 cm土层无机氮（NH₄⁺和NO₃^?）含量，并利用¹⁵N天然丰度同位素技术区分籽粒中肥料来源氮（NDFF，nitrogen derived from fertilizer）和土壤来源氮（NDFS，nitrogen derived from soil）。试验地点为玉米—大豆轮作免耕田，样本来源明确，且按秋施前、翌春施肥前及收获后分阶段采集土壤样品，结合方差分析评估年份、处理及其互作效应。

在研究结果部分，论文首先以“3.1 Environmental conditions and initial soil properties”说明试验的环境与土壤背景。研究显示，3个年度的春季温度和降雨存在波动，2022年春季偏冷而2023年偏暖；从播种到V3阶段的累计降水分别为139、200和120 mm，积温也存在差异。更关键的是，3个秋施时期的平均土壤温度分别仅为4.4°C、3.1°C和4.0°C，显著低于10°C阈值。这一环境特征为延缓尿素水解、硝化及相关损失过程提供了条件。土壤本身为排水良好的Brandt粉质黏壤土，0–60 cm为黄土母质，60–80 cm存在从粉质黏壤土向砾质层的质地突变，这一结构特征降低了生长季向更深层的水分运移风险，也为解释低淋失提供了土壤学依据。

在“3.2 Soil inorganic nitrogen”部分，研究人员比较了土壤无机氮在不同时间和土层中的分布变化。结果表明，秋施前0–60 cm土层无机氮含量在各年度分别为77、72和82 kg N ha^?1。到翌年春季、春施前测定时，秋施处理0–60 cm土层的无机氮较春施处理高64 kg N ha^?1，其中84%位于0–30 cm土层，相当于施入氮的41%。这说明秋施尿素并未在冬季大量迁移至深层土壤。尽管按表观收支仍有约103 kg N ha^?1未能通过KCl提取态无机氮解释，但作者结合该试验点既有研究认为，这部分“未计入”的氮主要并非源于硝酸盐淋失，而更可能与无机氮的吸附及部分微生物固定有关。收获后，无论秋施还是春施，0–60 cm范围内残留无机氮差异并不显著扩大，进一步支持秋施未增加明显损失的结论。

在“3.3 Fall and spring applied N impact on corn yields”部分，论文直接回答了生产上最关切的问题。统计分析显示，秋施与春施之间不存在显著的处理×年份互作效应；跨年度平均而言，秋施和春施玉米产量分别为10.2和10.0 Mg ha^?1，两者无显著差异，且均显著高于不施氮处理。籽粒吸氮量方面，秋施与春施总体相当，但2021年秋施处理略高于春施。进一步利用¹⁵N天然丰度技术分析发现，籽粒中肥料来源氮比例（NDFF%）在秋施与春施间并无显著差异，平均均为28%；相应地，土壤来源氮比例（NDFS%）平均均为72%。这一结果说明，无论秋施还是春施，玉米籽粒中的大部分氮均来源于土壤供氮，而并非直接来源于当季施入尿素。研究人员据此认为，在该试验条件下，施肥时期并未改变作物对土壤与肥料氮的综合利用格局。年度间差异则主要与降水条件有关，例如2022年从播种到抽雄（VT）阶段降水较高，因此产量最高；2021年较干燥，则作物对肥料氮的依赖程度更高。

在“3.4 Temperature impacts sorption and immobilization mechanisms”部分，作者进一步从机制层面对结果作出解释。研究强调，低温不仅降低尿素水解和硝化速率，也可能增强NH₄⁺在土壤中的吸附。文中结合已有研究指出，秋施条件下土壤温度较低，可能使施入尿素转化后的无机氮更多进入暂时不可提取的吸附态，从而减少其在冬季以NO₃^?形式发生淋失或气态损失；而到生长季，这部分氮又可逐渐重新转化为可提取态并被作物利用。相对地，春施处理中，微生物固定后再矿化可能是更重要的氮素缓释途径。作者还指出，不同氮转化反应对温度的敏感性不同，因此若过程模型未纳入无机氮吸附至黏土交换位点或土壤有机质（SOM，soil organic matter）的机制，可能会高估淋失与气态排放。

在“3.5 Identifying the ‘right’ practice”部分，论文将研究结果提升到4R管理与区域农业决策层面。作者指出，“正确”的管理措施不能脱离具体土壤、气候及经营背景而孤立讨论。本研究结果提示，在南达科他州这类严寒半湿润环境中，秋季在土壤温度稳定低于10°C时表面撒施尿素，可能是一种可行做法。这不仅未显示出增产劣势或更高的氮损失风险，还可能因秋季尿素价格和劳动力成本较低而具有经济吸引力。不过，作者同时明确提醒，这一结论并不适用于所有环境；在高降雨区、砂土、排水不良土壤或不同氮源条件下，结果可能完全不同。因此，该研究强调4R框架应采用更具场地特异性和气候特异性的指导原则。

综合讨论部分，论文的核心贡献在于纠正了“秋施氮肥必然导致更高损失和更低产量”的泛化认识。研究人员通过连续3年田间试验、土壤剖面无机氮监测及¹⁵N天然丰度分析表明，在寒冷、偏干且排水良好的半湿润土壤上，秋施尿素后未观察到显著的产量下降、表层60 cm残留无机氮异常降低或籽粒氮来源结构改变。研究还提示，吸附与固定—再矿化过程可能是理解这类环境中氮素去向的关键，若仅以淋失逻辑解释“未回收氮”，可能失之简单。其重要意义在于为区域化氮肥管理提供了证据支持，即在特定环境约束下，秋施并非一定违背高效与环保目标，反而可能兼具经营便利与成本收益。

研究结论可概括翻译如下：这项在单一地点开展、持续3年的半湿润地区研究表明，与春施氮肥相比，秋施氮肥在以下方面均未检测到统计学显著差异：（1）玉米产量；（2）收获后表层60 cm土壤中残留无机氮的数量；（3）籽粒中氮来源比例（各处理籽粒中土壤来源氮均≥61%）。这些结果归因于秋季特定的环境条件，即干燥和寒冷，以及试验地点的土壤特征，即60–80 cm间的质地突变降低了淋失风险。但必须指出，由于本研究仅为单点3年试验，其对半湿润严寒土壤系统的解释能力仍有限。研究同时表明，仍需进一步工作以判定何种措施才是“最佳”实践，未来试验应着重识别可纳入推荐指南、并可能使农户受益的场地特异性差异。本试验未观察到显著的硝酸盐淋失或产量损失，说明在某些情境下秋施可能具有经济优势，特别是在秋季肥料和劳动力成本较低，且农户担心春季土壤过湿与压实风险时。总体而言，研究结果说明，有必要进一步阐明环境条件、土壤性质与产量之间的关系模式，从而建立地方化养分管理建议，在优化产量的同时降低环境影响。