Environ. Sci. Technol.丨中国主要种植体系氮素过剩调控指标研究

论文内容

研究背景：

氮(N)是促进作物生长发育的主要营养物质。它主要通过肥料、粪肥、土壤有机质矿化和作物残体输送给作物。目前，全球近一半人口的营养来自于使用氮肥种植的作物。然而，氮肥的不当使用可能导致作物产量和作物质量低下，并导致土壤退化和环境恶化，例如撒哈拉以南非洲的氮肥使用过少，导致作物产量低和土壤氮的开采；我国氮的使用过多，造成了严重的环境污染。因此，改善农业氮管理能够保持或提高土壤肥力，并最大限度地减少不利的环境影响，对于为不断增长的全球人口生产更有营养的食物至关重要。改善种植制度氮素管理的关键有利步骤之一是制定评价氮素管理绩效的关键指标和现实基准。在评价氮管理的众多指标中，有两个指标可能对政策有用，即氮利用效率(NUE)和氮过剩。NUE的功能定义有很多，本研究中使用的NUE概念侧重于所有N输入的效率。它以土壤氮平衡计算为基础，包括肥料、大气沉降和生物固氮等主要氮输入。一般来说，对于特定的种植制度，多年的低NUE是氮素对环境造成重大损害的标志：氮素利用率随施氮量的增加呈下降趋势，减少施氮量会提高氮素利用率，但不一定能达到目标产量。因此，将NUE与其他指标相结合对评价种植系统中氮肥管理的效果至关重要。在过去的30年里，针对中国各地不同的种植制度，人们进行了大量的研究，以根据产量响应曲线确定氮肥的经济最佳施用量。这些研究的结果现在可以用来建立氮肥管理指标和氮肥过剩基准。因此，本研究的目标是(1)建立最适施氮量下中国主要种植体系(小麦、玉米、水稻和油菜)的氮过剩基准；(2)评价当前农户耕作方式下的氮素剩余及相应的氮素收获和氮素利用率指标；(3)通过改进作物生产中的氮管理实践，提出实现氮过剩基准的有效途径。

研究内容：

本文将中国耕地划分为东北(NE)、西北(NW)、华北平原(NCP)、长江中下游(MLYR)、西南(SW)、东南(SE)以及其他地区。根据中国主要的耕作制度和数据可用性，确定了各地区研究的种植制度，共选择了4种作物类型和13种种植制度。这些种植系统的主要外来氮输入是肥料氮(包括合成肥和粪肥)和大气沉降和生物固氮，没有考虑内部氮转化和少量氮输入(如秸秆还田、土壤有机质净矿化、灌溉和种子)。田间试验采用不施氮(N0)、推荐施氮量(RN)、50% RN和150% RN处理，这些试验都没有投入动物粪便或其他有机氮源。本文中我们将氮盈余基准定义为“在经济最优氮管理下计算出的氮盈余值”。为了确定区域尺度上的最佳经济施氮量，利用SAS软件建立了一个二次模型，将每个田间试验的施氮量与籽粒产量联系起来。接下来计算了不同氮投入水平下的以下变量:产量增加(高于N0处理产量的量)、产量增加的总回报(产量增加乘以粮食价格)、氮肥成本(氮肥用量乘以肥料价格)和氮肥净回报(总回报减去肥料成本)。最后，计算所有N响应曲线上每个N增量的平均净收益，以氮肥投入产生的平均净经济效益最大的施氮量为经济最优施氮量。同时计算了氮损失并进行了敏感性分析，以分析肥料价格和产品收入的变化对经济最佳施氮量、作物产量、氮素利用率、氮素过剩基准和氮素损失的影响。

研究结论：

单作制度的氮富余基准为40 ~ 100 kg ha-1·yr-1(平均73 ha-1·yr-1)，双作制度的氮富余基准为110 ~ 190 ha-1·yr-1(平均160 kg ha-1·yr-1)，约为单作制度的两倍。随着严格实施“4r -养分管理”，以及施肥技术和农艺管理的改进，氮沉降速率和活性氮损失进一步降低，这些氮过剩基准可能会进一步细化。我们的氮过剩基准可以作为改善现有常规施肥方式的现实目标，从而为中国更可持续的氮管理奠定基础。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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