标题：Recommendation of nitrogen, phosphorus and potassium balanced fertilizer based on soil status/soil availability and economic benefits of alfalfa in salt-affected soils of North China plain

译名：华北平原盐碱地紫花苜蓿基于土壤养分状况及经济效益的氮磷钾平衡施肥推荐

期刊：BMC Plant Biology

IF：4.8

通讯作者：Yupeng Xu

DOI：https://doi.org/10.1186/s12870-025-07786-y

研究创新性

该研究的核心创新点的在于突破了“施肥越多，产量越高”的传统误区，聚焦华北平原盐碱地这一特殊生境，通过五年长期定位试验（2015-2019），而非短期试点，系统分析了N、P、K三种肥料不同配比的综合效应，填补了“盐碱地苜蓿长期施肥配比”的研究空白。

与以往研究相比，其创新性主要体现在三点：一是首次将“产量、品质、土壤肥力、肥料利用效率、经济效益”五大指标结合，而非单一关注产量；二是明确了盐碱地环境下，苜蓿对N、P、K的吸收阈值，揭示了“适度施肥”对土壤-植物系统的协同提升作用；三是提出的N1P2K1（N5 kg·ha^-1、P₂O₅ 60 kg·ha^-1、K₂O 90 kg·ha^-1）施肥方案，兼顾了生产效益与生态可持续性，可直接应用于华北平原盐碱地苜蓿生产，解决了当地农民“施肥盲目”的痛点。

研究背景

紫花苜蓿是全球广泛种植的优质豆科牧草，在我国已成为主导栽培牧草，2026年前后我国紫花苜蓿种植面积已达6.3×105公顷。其具有产量高、抗逆性强、固氮改土的优势，是华北平原盐碱地改良与牧草产业发展的核心作物。

但当前华北平原盐碱地苜蓿生产面临两大关键困境：

1. 施肥不合理：为追求短期高产，农户普遍过度施用N、P、K肥料，导致土壤养分积累、板结，肥料利用效率低下（我国P利用率仅10~25%，K利用率35%~50%），同时引发NO₃^–淋溶、N₂O排放等环境问题；

2. 盐碱地制约：试验区域土壤pH 8.18、含盐量7.2 g·kg^-1，属于典型盐碱地，土壤中P易与阳离子结合形成沉淀，K易被土壤吸附固定，导致苜蓿难以吸收利用，进一步加剧施肥浪费与产量品质低下的矛盾。

基于此，研究团队提出假设：最优NPK配比可在提升苜蓿产量和品质的同时，改善土壤肥力、提高肥料利用效率、增加经济效益，进而开展了为期五年的长期试验，为盐碱地苜蓿精准施肥提供科学依据。

研究方法概述

本研究采用“随机完全区组设计”，在河北省黄骅市丰茂盛源试验站（38°08′N, 117°51′E）开展五年（2015-2019）长期田间试验，全程无灌溉，模拟华北平原自然生长条件，具体方法如下：

1. 试验材料与site条件

供试苜蓿品种为ZM-3（中国农科院畜牧所提供），2015年播种，播种量15 kg·ha^-1，播种深度2-3 cm，行距30 cm。试验地为粘土（WRB分类），0-20 cm土层初始理化性质：pH 8.18、有机质22.6 g/kg、碱解N 79.8 mg·kg^-1、Olsen-P 5.14 mg·kg^-1、速效K 179.5 mg·kg^-1、电导率1.8 dS·m^-1。试验区域为温带季风气候，生育期平均降水量567.8 mm，年平均气温12.9 ℃，年日照2461.9 h。

2. 施肥处理设计

设置3种肥料（N、P、K）、4个施肥水平（N：0、5、10、15 kg·ha^-1；P₂O₅：0、30、60、90 kg·ha^-1；K₂O：0、90、180、270 kg·ha^-1），共14个处理（含空白对照N0P0K0），每个处理3次重复（具体处理及施肥量见表1）。肥料来源：尿素（N≥46.4%）、磷酸铵（P₂O₅≥12%）、硫酸钾（K₂O≥52%），每年分两次施用（第一次收获后施50%作为基肥，第二、三、四次收获前施50%作为追肥）。

3. 测定指标与方法

（1）苜蓿生长与品质：每年在初花期（10%开花）收获4次（5、6、8、9月），测定鲜草产量、干草产量（鲜重×干鲜比）；烘干后测定粗蛋白（CP，凯氏定氮法）、中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF），并计算相对饲喂价值（RFV）。

（2）土壤肥力：每年播种前和最后一次收获后，采集0-20 cm土壤样品，测定速效N、Olsen-P、速效K含量，计算土壤养分变化量、养分平衡（输入-输出）。

（3）肥料利用效率：计算肥料回收率（FRE）、农艺效率（AE-F），评估不同处理的肥料利用效果。

（4）经济效益：计算各处理的肥料成本、苜蓿产值（按2.2元·kg^-1计算）、净收入，评估施肥方案的经济可行性。

（5）统计分析：采用SPSS 20.0进行方差分析（ANOVA），Duncan新复极差法进行多重比较（P<0.05），Excel和Origin 18.0绘制图表，回归分析探究施肥量与各项指标的关系。

结果深度解析

01.量化不同处理的综合表现

表2 明确了五年间每年4次收获的具体日期，整体集中在5-9月，且每年收获时间相对一致（如第一次收获多在5月中旬，第四次在9月上旬）。这一设计的核心目的是：控制“收获时间”这一干扰因素，确保不同年份、不同处理之间的产量和品质数据具有可比性，避免因收获时期差异导致的结果偏差——初花期是苜蓿产量和品质的最佳收获期，统一收获期能准确反映施肥处理的真实效果。

02.筛选最优品质的施肥配比

CP和RFV是苜蓿品质的核心指标：CP越高，蛋白质含量越高；RFV越高，牧草的适口性和营养价值越好（RFV≥120为优质牧草）。

1.年份影响：2015-2019年，苜蓿CP含量整体呈上升趋势（2015年平均约17-20%，2019年约19-22%），RFV呈“先升后降”趋势（2018年最高，2019年略有下降），说明苜蓿品质随生长年限变化，且施肥对品质的影响具有年度差异。

2.处理差异：

① CP含量最高的处理为N2P0K2（处理7），2019年达22.11%，但该处理无P施肥，长期会导致土壤P匮乏，不可持续；

② RFV最高的处理为N2P2K1（处理12）、N2P1K1（处理6）、N1P2K1（处理5），均在134-145之间，属于优质牧草；

③ 空白对照（N0P0K0）的CP和RFV虽未显著低于部分施肥处理，但长期无肥会导致土壤养分耗尽，产量和品质难以持续。

3.关键结论：适度N、P施肥可提升CP和RFV，过高K施肥（如K3，270 kg·ha^-1）会降低品质（如N2P2K3处理，2019年RFV仅126.83%）。

03.最优方案的经济可行性验证

经济效益是施肥方案推广的核心前提，表4通过“肥料成本、苜蓿产量、产值、净收入”四个指标，量化了14个处理的经济表现，核心解读如下：

1.净收入排名：N1P2K1（处理5）净收入最高（26882.20美元·ha^-1），其次是N1P1K2（26709.10美元·ha^-1）、N2P2K2（26716.08美元·ha^-1）；空白对照（N0P0K0）净收入最低（22525.88美元·ha^-1），说明合理施肥能显著提升经济效益。

2.成本与收益平衡：高肥处理（如N3P2K2、N2P3K2）的肥料成本更高，但产量并未显著提升，导致净收入反而低于中低肥处理——例如N2P3K2（处理10）肥料成本34.10美元·ha^-1，高于N1P2K1的22.74美元·ha^-1，但净收入低627.67美元·ha^-1，证明“过度施肥”不经济。

3.最优方案的经济优势：N1P2K1处理的肥料成本较低（仅22.74美元·ha^-1），但产量最高（80.83 t·ha^-1），最终实现净收入最大化，兼顾“低成本、高产出”，符合农户生产需求。

04.揭示N1P2K1处理为兼顾高产与稳产的最佳施肥模式

1. 年度变化：苜蓿产量呈“先升后降”趋势，2017-2018年达到峰值，2019年略有下降，符合苜蓿“生长3-4年达到高产期”的生长规律（与表S1、S2补充数据一致）。

2. 处理差异：

①各年份产量最优的处理有所不同，但N1P2K1（处理5）、N1P1K2（处理4）、N2P2K0（处理11）在五年间均表现优异，与空白对照（N0P0K0）差异显著（P<0.05）；

②高肥处理（N3P2K2、N2P3K2、N2P2K3）的产量与空白对照无显著差异，甚至在2018-2019年低于中低肥处理，证明“过度施肥”会抑制苜蓿生长。

3. 关键结论：N1P2K1处理在五年间产量稳定且整体最高，是兼顾产量稳定性和高产性的最优配比。

05.揭示N2P1K1与N2P3K2提升干物质积累及N1P2K1的最优协同效应

干鲜比（DFB）是苜蓿干草产量的核心影响因素，DFB越高，相同鲜重下干草产量越高，反映苜蓿的干物质积累能力。结合图3解读：

1. 年度变化：DFB呈“先升后降”趋势，2015-2017年上升，2018-2019年下降，与产量变化趋势一致，说明干物质积累与产量呈正相关。

2. 处理差异：

① 2015-2016年，空白对照（N0P0K0）的DFB最高，说明初期无肥条件下，苜蓿通过自身固氮积累干物质；

② 2017-2019年，N2P1K1（处理6）、N2P3K2（处理10）的DFB最高，与空白对照差异显著（P<0.05）；

③ N1P2K1（处理5）的DFB虽不是最高，但处于较高水平，且产量最高，说明其干物质积累与鲜重增长协同性最好。

3. 关键提示：高肥处理（如N2P2K3）的DFB较低，说明过度施肥会抑制干物质积累，导致干草产量下降。

06.N1P2K1处理实现土壤速效养分平衡与环境风险控制

图4展示了为期五年的施肥试验后，各处理组土壤速效养分的变化量（Δa=Fa−Fi，其中Fa为当年含量，Fi为初始含量）。

核心分析如下：

1. 速效氮（N）：处理11（N2P2K0）表现出最高的氮素积累量，表明缺钾条件下氮素易在土壤中富集；然而，长期缺钾将抑制苜蓿生长。相比之下，处理5（N1P2K1）的氮变化量适中，反映出该配比具有较高的氮利用效率，有效规避了氮素的过量累积风险。

2. 速效磷（P）：处理2（N0P2K2）、处理9（N2P2K2）及处理11（N2P2K0）均显示出显著的磷富集现象，证实施磷可大幅提升土壤速效磷含量。而处理5（N1P2K1）的磷变化量维持在适宜水平，避免了因磷过量导致的化学沉淀及土壤板结问题。

3. 速效钾（K）：处理6（N2P1K1）的钾变化量最高（42.10 mg·kg⁻¹），而处理13（N2P2K3）最低。这表明过量的钾肥投入反而导致钾在土壤中固化，难以被苜蓿吸收利用。处理5（N1P2K1）则实现了“土壤钾供给与作物吸收”的动态平衡。

综合结论：N1P2K1（处理5）能够同步维持土壤速效氮、磷、钾于合理阈值内，既满足了紫花苜蓿的生长需求，又有效防止了土壤养分过剩与环境风险。

07.N1P2K1处理实现土壤养分收支平衡与可持续利用

土壤养分平衡（B=Finput−Foutput）是评估施肥合理性的核心指标：正值表示养分积累，负值表示养分耗竭。

结合图5分析如下：

1. 氮平衡（N）：空白对照（CK）与处理2（N0P2K2）连续五年呈负值，表明缺氮导致土壤氮库被苜蓿持续消耗，长期将导致地力衰竭；处理14（N3P2K2）盈余最高（年均 12.5 kg·ha^-1），存在显著的环境淋溶风险；处理5（N1P2K1）平衡值趋近于零，实现了氮素输入输出动态平衡，最具可持续性。

2. 磷平衡（P）：无磷或低磷处理（如CK、处理7）均呈负值，反映了苜蓿对磷的高需求特性。适度施磷（如P2，60 kg·ha^-1）可有效维持正平衡。处理5（N1P2K1）表现为适量盈余，既满足作物需求，又规避了过量沉淀导致的土壤板结风险。

3. 钾平衡（K）：无钾处理（如CK、处理11）呈显著负值，显示土壤钾库被快速耗竭；高钾处理（处理13）则出现过量积累。处理5（N1P2K1）维持了适中的钾平衡，实现了土壤钾库与作物吸收的良性循环。

08.基于FRE视角的施肥优化：N1P2K1实现养分高效与成本控制

基于图6的FRE动态变化，对各养分回收特征解读如下：

1.氮回收率（FRE-N）：处理8（N2P1K2）、处理10（N2P3K2）及处理12（N2P2K1）表现出最高的FRE-N。这表明适度增施氮磷、控施钾肥可协同促进苜蓿对氮素的吸收利用效率。其中，处理5（N1P2K1）虽未达峰值，但其FRE-N维持在较高水平，实现了高效利用与投入成本的最佳权衡。

2.磷回收率（FRE-P）：处理8（N2P1K2）在2016–2019年间FRE-P持续为负，揭示该模式下磷消耗远超输入，长期将导致土壤磷库耗竭。相比之下，处理9（N2P2K2）的FRE-P最高，而处理5（N1P2K1）保持在适中区间，有效规避了磷素的奢侈吸收与资源浪费。

3.钾回收率（FRE-K）：处理13（N2P2K3）虽录得最高FRE-K，但鉴于其钾肥施用量严重超标，边际效益极低，不具备推广价值。处理5（N1P2K1）的FRE-K处于中等水平，结合其较低的钾投入量，其单位施肥量的实际钾利用效率最优，经济可行性最强。

09.基于AE视角的施肥优化：N1P2K1为增产与节肥的最优组合

基于图7的AE-F动态特征，解读如下：

1. 氮农艺效率（AE-N）：处理4（N1P1K2）与处理5（N1P2K1）的AE-N表现最为突出，约为其他处理的10倍以上。这表明适度减氮（N1）配合均衡的磷钾供应，能最大化氮肥的边际产出；反之，过量施氮（如N3）则显著稀释了氮肥的增产贡献。

2. 磷农艺效率（AE-P）：处理8（N2P1K2）与处理4（N1P1K2）的AE-P最高。值得注意的是，处理10（N2P3K2）的效率仅为处理8的1/3，证实磷肥存在显著的报酬递减律，适度施磷（P1、P2）是实现高产高效的临界点。

3. 钾农艺效率（AE-K）：处理5（N1P2K1）的AE-K表现最优，达到处理6（N2P1K1）的7倍。这揭示了“低钾投入（K1, 90 kg·ha^-1）具有极高的增产弹性”，而过高的钾投入会对增产效果产生抑制作用。

综合结论：N1P2K1（处理5）在氮、磷、钾三维农艺效率上均保持高位，确立了其作为“肥料增效与产量提升”双优模式的地位。

10.施肥量对苜蓿生产性能的非线性影响：适度施肥实现高产优质协同

回归分析核心揭示了“适度施肥增益，过量施肥受限”的普遍规律，具体解读如下：

1. 产量响应：产量与施肥量呈典型的抛物线关系（R2=0.72−0.77）。当施肥量超过特定阈值后，产量呈下降趋势。N1P1K2与N1P2K1等中低肥处理位于抛物线顶点，证实了“减量化施肥”是实现高产稳产的核心理念。

2. 干物质分配（干鲜比）：干鲜比同样遵循抛物线规律，N1P2K1处理位于峰值。这表明该处理促进了同化物向干物质的定向分配，实现了生物量积累与含水量的生理协同最优。

3. 粗蛋白含量（CP）：虽然CP峰值出现在N2P3K2等高肥处理，但这种提升伴随着肥料成本激增与边际效益锐减。相比之下，N1P2K1在保证较高CP的同时，兼具了经济可行性。

4. 相对饲喂价值（RFV）： RFV峰值对应N2P2K1、N2P1K1及N1P2K1处理。证实适度供应氮磷、限制钾投入的策略，能有效提升苜蓿的饲草品质与商品价值。

11.优化施肥下土壤-植物系统的养分运转机制与N1P2K1的调控效应

基于图9的概念模型，对养分调控机制解读如下：

1. 氮素转化与损失途径：尿素态氮（N肥）的输入虽能最大化根系养分供应，驱动苜蓿生长，但过量施氮会导致氮素以气态氮氧化物（NOₓ）形式挥发，不仅降低肥料利用率，亦加剧环境负荷。

2. 磷素的协同增效机制：适度施磷（P2）不仅能维持土壤磷库平衡，规避固定沉淀风险，更能激活根系对氮和钾的协同吸收，从而提升系统层面的肥料利用效率（FRE）。

3. 钾素的形态转化与有效性：土壤钾存在四种形态的动态转化。适度施钾（K1）能促进缓效钾向速效钾转化，供作物吸收；而过量施钾则导致钾离子在土壤中滞留积累，引发反馈抑制，降低根系吸收动力学效率。

机制性结论：该模型从微观层面解释了N1P2K1处理的优越性——通过“适度氮磷钾配比”，构建了“土壤养分有效供应-作物高效吸收-环境风险最小化”的三位一体协同体系。

总结：最优施肥方案与应用价值

该研究通过五年长期试验，得出核心结论：在华北平原盐碱地，N1P2K1（N 5 kg·ha^-1、P₂O₅ 60 kg·ha^-1、K₂O 90 kg·ha^-1）是紫花苜蓿的最优施肥方案，其核心优势的在于：

1. 产量最优：五年间产量稳定且最高（80.83 t·ha^-1），干物质积累能力强；

2. 品质优良：CP和RFV处于优质水平，满足畜禽饲喂需求；

3. 土壤友好：维持土壤速效N、P、K平衡，避免养分过量积累和土壤板结；

4. 效率最高：肥料回收率和农艺效率均处于较高水平，减少肥料浪费；

5. 经济效益显著：净收入最高（26882.20美元·ha^-1），兼顾低成本与高产出。

该研究的实用价值在于，为华北平原盐碱地苜蓿生产提供了可直接推广的精准施肥方案，解决了农户“施肥盲目、产量低、成本高、污染环境”的痛点，同时为我国盐碱地改良与牧草产业可持续发展提供了科学依据。后续研究可进一步结合灌溉条件、根系环境，优化施肥方案，扩大应用范围。

参考资料

1. Zhang Y, et al. (2025). Genome-wide identification of… BMC Plant Biology. DOI: 10.1186/s12870-025-07786-y