土壤基础生产力与玉米产量及氮肥利用效率的关系及其生理生态机制

Concurrent improvement in maize grain yield and nitrogen use efficiency (NUE) is currently of critical importance in theoretical and technical area, mining the potential of soil productivity is one of the primary pathways to reach it. Our current study takes clarifying the eco-physiological mechanism of inherent soil productivity consequences on yield and NUE of maize as the breakthrough point. A positioning networked field experiment involves fields with different inherent soil productivity and/or with different soil improvement strategies will be conducted, and yield formation and nitrogen uptake and utilization will be tested on temporal dimension (pre-anthesis and post-anthesis) and spatial dimension (aboveground and underground), so as to clarifying the relationship between inherent soil productivity and yield and/or NUE, furthermore, the critical physiological mechanism and key ecological factor(s) underlying the relationship will be expounded systematically. The results of this research will strongly support the synchronous improvement in maize yield, nitrogen use efficiency and environmental protection relying on improvement of inherent soil productivity.

本研究立足于玉米产量和氮肥利用效率（NUE）协同提高的技术需求，以挖掘土壤生产潜力为切入点，以明确土壤基础生产力（ISP）与玉米产量及NUE关系及其生理生态机制为突破口，在不同基础生产力土壤和不同地力培肥模式下，从玉米产量形成和氮素吸收利用的时间（花前和花后）和空间（地上和地下）两个维度，系统解析土壤基础生产力影响玉米产量和NUE的基本规律及其关键生理基础和生态主控因子，为依靠地力提升促进玉米持续增产、资源增效和环境安全提供理论支撑。

定量化解析（土壤基础生产力）ISP与玉米产量及NUE的关系及其生态生理机制，探讨影响ISP的主控因子，将为依靠地力提升实现玉米产量与NUE协同提升提供基础性依据。本研究立足于内蒙古自治区从东到西较大跨度下ISP的差异，采用多生态区定位联网试验，通过土壤管理模式×密度×施氮量交互，创造不同氮效率群体，系统分析了ISP与产量和NUE的关系及其土壤生态与作物生理过程。主要研究结果如下：.1、提升ISP可实现玉米产量和氮肥效率协同提高。当ISP提升到8.7 t/ha以上时，可实现产量和PFPN同步提高；当ISP提升到10 t/ha以上时，可实现产量与NUE同步提高。高密和低氮群体在较高ISP水平下可获得较高产量，说明提升ISP是增密减氮增产的重要基础。.2、土壤有机质含量、有效氮含量、土壤氮矿化量、土壤氮表观损失（N losses）与水分利用效率（WUE）是影响ISP和施氮产量主要因素；而NUE主要受土壤氮矿化量、N losses和WUE影响；土壤有机质含量间接影响土壤有效氮水平、氮素矿化能力和水分涵养能力，是影响ISP的核心。IISP模式显著提高土壤氮矿化量（16.0%），显著降低N losses（11.4%），显著提高WUE（12.9%），其较佳的土壤水氮环境是其高产高效的重要基础。.3、ISP低于10 t/ha时，土壤供氮能力不足使施氮产量增速低于ISP增速，NUE随ISP明显降低；ISP提高到10 t/ha以上时，土壤供氮能力不是制约因子后，ISP提升协同优化了源库比和花后营养器官碳氮转运能力，通过提高千粒重和氮肥生理效率实现产量和NUE协同提高。通过地力提升实现玉米产量和氮效率协同提高需要结合增密减氮等其他措施，发挥其与氮密的综合互作效应。.4、基于当前玉米产量水平，若使产量与PFPN协同提高15%， ISP需提高到10 t/ha，在此情境下土壤氮矿化量和WUE将达99.1 kg/ha和27.2kg/(ha.mm)，N losses则为117.3 kg/ha；所需施氮量为206.1kg/ha，将节氮46.4%。若使产量与PFPN协同提高30%，ISP需提高至11.6 t/ha，此时土壤氮矿化量和WUE将达119.4 kg/ha和32.7kg/(ha.mm)，而N losses将降低至96.7kg/ha；所需施氮量则降低为176.1kg/ha，将节氮67.4%。