在广袤的农田里，土壤中的氮元素就像植物生长的 “粮食”，对农作物的茁壮成长起着关键作用。土壤有机氮的转化能为作物提供大量氮素，然而，植物在获取这些氮素时，却要与微生物等 “竞争者” 抢夺 。而且，过量的氮素还会引发一系列环境问题，像土壤酸化、水体富营养化等。同时，土壤氮矿化（Nmin）的速率受到多种因素的影响，气候、土壤性质、管理措施等都在其中 “搅局”，导致其难以准确量化。更麻烦的是，在大平原地区，水资源的不确定性越来越高，水和氮对土壤氮矿化的交互影响却鲜有人研究 。在这样的背景下，为了搞清楚不同氮和水的供应情况是如何改变土壤氮动态以及植物的反应，美国农业部农业研究服务局（USDA Agricultural Research Service）等机构的研究人员展开了深入研究。
研究人员在美国科罗拉多州阿克伦的美国农业部大平原研究中心进行了一场田间实验。他们采用了裂区实验设计，设置了两种水分处理（100% 作物蒸散量（ET）的全水和 70% ET 的限水）和三种氮肥处理（低氮 22kg/ha-1、适宜氮 224kg/ha-1、过量氮 275kg/ha-1） 。实验过程中，他们运用了多种技术方法。比如，通过中子探针测量土壤含水量，利用水均衡法计算蒸散量来精准控制灌溉量；采用 PVC 管和离子交换树脂（IER）原位培养土壤芯来测量净氮矿化；使用比色法分析无机氮浓度；通过采集玉米地上部分样本测定氮含量和积累量等。
在研究结果方面，氮和水的交互作用显著影响着土壤无机氮的有效性和净氮矿化。整个生长季内，在低氮处理时，两种水分处理下的可提取无机氮（EIN）值相近，而在适宜氮和过量氮处理时，限水处理的 EIN 值更高。从营养生长 16 期到生理成熟期（V16 - R6），这种趋势也很明显。在净氮矿化方面，从 VT 到 R6 阶段，全水处理下，低氮处理的净氮矿化最高，随着氮肥增加而降低；限水处理下，低氮和适宜氮时净氮矿化接近零，过量氮时则有积累。
土壤酶活性也受到氮和水的影响。L - 亮氨酸氨基肽酶（LAP）和 β - 1,4 - N - 乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）这两种与氮获取相关的酶活性，都随着氮肥的增加而上升。不过，酶活性在生长季内和生长季间都有变化，并且与水分有效性有关，LAP 和 NAG 活性分别在 2022 年生长季的 R1/R2 和 R6 阶段（限水处理下）出现最低值 。而且，LAP 活性在季末和玉米氮吸收高峰期与玉米季末氮吸收量呈正相关。
玉米的氮吸收和产量同样受到影响。2022 年生长季玉米的总氮吸收量比 2021 年更高，氮肥和水分有效性的增加都能提高玉米氮吸收量，但二者不存在交互作用。在产量方面，氮肥对产量的影响取决于水分有效性。全水处理下，适宜氮和过量氮处理的产量比低氮处理大幅增加；限水处理下，产量增加幅度较小。
研究还发现，净氮矿化和玉米氮吸收速率在整个生长季呈现不同的变化规律。净氮矿化在生长季早期达到峰值，之后下降，且不受水分和氮素单独影响，也无交互作用；玉米氮吸收速率随着氮肥增加而增加，在 R1 阶段达到峰值，全水处理下除 V12 外，氮吸收速率更高 。随着生长季推进和玉米氮吸收增加，土壤可提取无机氮减少，限水时后期土壤可提取无机氮增加，2022 年的土壤可提取无机氮比 2021 年更高。
综合来看，该研究揭示了净氮矿化、土壤酶活性和玉米氮吸收对氮和水处理的不同反应，凸显了植物 - 土壤 - 微生物相互作用在控制土壤氮循环中的复杂性 。进一步量化总氮矿化，明确不同氮源对玉米氮利用的贡献，有助于改进土壤氮和肥料管理。合理管理氮素，避免过量供应，在水资源日益有限的情况下，对减少氮损失、实现高产至关重要。这一研究成果发表在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》上，为农业生产中的氮素管理提供了宝贵的科学依据，有助于推动精准农业的发展，实现农业的可持续发展。
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