氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境
Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment
专 辑 文 章 介 绍
· 第五篇 ·
▎论文ID
Sustainable nitrogen management in Australian agroecosystems：challenges and opportunities
挑战与机遇：澳大利亚农业生态系统中的可持续氮管理
发表年份：2022年
第一作者：Xia Liang
通讯作者：Xia Liang
邮箱：liang.xia@unimelb.edu.au
作者单位：墨尔本大学农业和食品学院。
Cite this article :
Xia LIANG, Helen SUTER, Shu Kee LAM, Charlie WALKER, Roya KHALIL, Deli CHEN. SUSTAINABLE NITROGEN MANAGEMENT IN AUSTRALIAN AGROECOSYSTEMS: CHALLENGES AND OPPORTUNITIES. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 366‒372 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022447
· 文 章 摘 要 ·
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氮是维持生命所必需的营养物质，但人类-环境系统中过量的氮会在局部到全球范围内产生不利影响。因此，为了解决日益关注的粮食安全、环境质量和气候变化等问题，可持续性氮管理在农业生态系统中已经变得越来越重要。由于澳大利亚排放密集型的生活方式和多样的农业生产系统，从广泛的雨养谷物系统到集约化作物和动物生产系统（过度使用氮），澳大利亚正面临着氮管理可持续性的严峻挑战。本文对澳大利亚农业食品体系可持续性发展的主要挑战和未来机遇进行了综述。
· 文 章 亮 点 ·
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1. 澳大利亚氮管理有巨大的改善潜力。
2. 氮管理应考虑环境、社会和经济可持续性。
3. 需采取农艺、生态和社会经济各方面的综合方法。
· Graphical abstract ·
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· 研 究 内 容 ·
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▎活性氮的产生
氮是植物、动物和人类活细胞中核酸和酶蛋白的重要组成部分。虽然氮元素非常丰富，占地球大气层总体积的78%，但这个巨大的氮库主要以非活性氮气（N2）形式存在，大多数生物无法直接吸收利用。在自然条件下，N2转化活性氮（Nr，Reactive nitrogen：除N2外的所有氮类型）的方式主要是通过生物氮固定（BNF，Biological nitrogen fixation）、闪电和生物燃烧实现。在人为活动中，N2主要通过哈伯-博世过程、化石燃料的燃烧以及豆类、水稻等固氮作物的种植转化成Nr。在20世纪初哈伯-博世工艺发明之前，自然存在的Nr产量不足，严重限制了农业和工业生产力。哈伯-博世工艺降低了Nr大规模生产的经济成本，此后促进了染料和人造纤维等许多工业化合物的生产，对炸药和肥料的生产影响尤为明显。
▎活性氮的益处和意外后果
哈伯-博世工艺生产的Nr，其中约80%用于生产农业肥料，这些肥料极大地提高了全球农业生产力，养活了大约一半的人口，其余20%用于工业产品（如尼龙和炸药）。
虽然Nr在农业和工业生产中的重要作用是不可否认的，但我们还是在多个角度上发现了Nr投入过多的后果。Nr的形态包括无机还原态（如氨和铵）、无机氧化态（如氮氧化物、硝酸、一氧化二氮和硝酸盐），以及有机化合态（如尿素、胺、蛋白质和核酸）。Nr的各种形式间可以相互转换，不同形态的氮对地球大气层、水圈和生物圈，以及人类健康造成了多种影响。在大气中，Nr会引起烟雾，导致平流层臭氧消耗，并增强温室效应。在陆地生态系统中，Nr会导致土壤酸化、植物枯萎和生物多样性丧失。在海洋和淡水生态系统中，Nr通过促进藻华的发生和降低生物多样性，导致地下水污染、海洋酸化和富营养化。在人类社会中，水体和空气中的高Nr水平与人类疾病和过敏（例如PM2.5，可吸入颗粒≤2.5微米）直接或间接相关。据估计，欧盟每年与Nr相关的环境和人类健康损害可达750亿至4850亿欧元。
▎澳大利亚可持续氮管理面临的挑战
在全球范围内，由于氮资源的分配不均，氮管理实践也存在巨大差异。在氮资源和技术有限的地区，如撒哈拉以南非洲，添加到农田的大多数氮转化为作物产品，几乎没有污染损失，但产量也相对有限。在中国等氮肥投入高但技术和管理实践不足的地区，过多的氮投入会导致氮素流失到环境中，造成空气和水体污染，并可能对作物产量产生负面影响。在美国这样拥有有利环境条件、丰富氮资源、先进技术和管理实践的国家，在相对较高的氮投入率下，有很大比例的氮转化为作物产品。澳大利亚面临着与其他国家类似的氮问题，但在可持续氮管理方面有其独特的挑战。一方面在于其雨养谷物生产系统的土壤氮开采不足（土壤中氮素含量太少，如撒哈拉以南非洲同样存在此问题）；另一方面是集约化作物和动物生产系统中氮素的过度使用（如在中国同样存在氮损失过多问题）。与美国一样，澳大利亚也拥有充足的氮资源、先进的技术和管理实践，这显示出澳大利亚在改善氮管理的可持续性方面拥有巨大潜力。
尽管澳大利亚在人们的印象中绿色干净，但与基于氮计算模型估算的美国（39 kg·yr−1）、日本（28 kg·yr−1）和欧盟国家（20–27 kg·yr−1）的平均氮足迹相比，澳大利亚在食品和能源中的平均氮足迹更高（47 kg·yr−1）。食品和能源氮足迹较高的原因主要是由于澳大利亚独特的食品、能源生产和消费风格，特别是牛肉的消费和生产、电力对煤炭的严重依赖。
澳大利亚一半以上的土地用于农业生产，超过79%的农产品出口到国际市场。农业生产在保障粮食安全、有利于经济发展的同时，也加剧了氮管理问题。澳大利亚面临的最大挑战之一是如何可持续管理氮，以平衡气候变化下的粮食安全、环境质量和经济发展。
▎技术与社会经济解决方案
为了改善澳大利亚的可持续氮管理，有必要整合农艺、生态和社会经济的方法和努力（图1）。
图1 澳大利亚可持续氮管理的技术和社会经济解决方案
从技术上讲，可以通过作物生产中的氮管理来实现氮的可持续使用，例如氮肥施用的4Rs技术（选择正确的作物品种，在正确的间距和正确的时间种植，在正确的时间使用正确的肥料和正确的数量，正确的储藏）。在动物生产中，可以在喂养（如低粗蛋白质喂养、膳食补充剂）、住房（如空气洗涤技术或生物过滤器以及快速粪便干燥）、粪便的储存和加工（如粪便表面覆盖物、酸性添加剂或阳离子吸附剂以及有氧堆肥），以及施用粪便等方面（如带状扩张、合并和注射）改善氮管理。加强作物-牲畜整合，提高动物粪便的肥料价值，从而提高氮的使用效率，同时减轻排泄Nr的损失。
与来自工业和社区的点源污染不同，来自农场的氮污染是分散的，因为它来自大量独立管理的农场。先进技术日益普及，而氮污染水平逐渐提高，两者之间明显的差异表明，氮的可持续性使用不能仅仅取决于技术和管理实践的有效性和可用性，还需要考虑经济、社会和政府的干预，如监管标准、补贴和税收，以及市场机制。从可持续氮管理的社会方面来看，需要个人、集体、机构、城市和国家共同减少对环境的损失。这包括：（1）改变消费者的生活方式，例如选择更少肉类的饮食，减少食物浪费，乘坐公共交通和使用更多的可再生能源；（2）促进可持续运营和政策规划；（3）促进生产者、消费者、学术专家、行政人员和其他利益相关者之间的互动，加强各方之间的对话交流，帮助推进有关可持续氮管理的知识和责任共享。
▎澳大利亚的未来需求和机遇
澳大利亚农业生产和出口保障了粮食安全，同时也有利于国内和国际经济发展。2017–2018年，澳大利亚作物和牲畜总产量的66%出口到海外市场。中国、印度尼西亚和日本是澳大利亚农产品的最大进口国，分别占27%、14%和10%。进口农产品的国家实际上是从澳大利亚购买氮资源，从而节省国家氮的使用，并减少Nr损失。
关于可持续氮管理，人们已经在全球范围内做出了很多努力，在部分区域不断实践并加深其理解。为了在全球范围内实现可持续氮管理，需要相互关联的方法，制定具有可比性的指标或规定指数的基准，并在生产者、消费者和决策者之间传播氮有效管理的知识。人们已经认识到，虽然氮污染是当今最重要的环境问题之一，但它需要被纳入更广泛的可持续性概念，包括其他元素（如碳、水和磷）、其他可持续性问题（如气候变化、生物多样性丧失和土地利用变化）和其他可持续性的社会经济指标（如粮食充足性和安全性、生态系统稳定性、粮食可负担性和可获得性，以及社会文化福祉）。
▎本文观点
在粮食和能源需求不断增加，以及环境加速破坏的背景下，可持续氮管理是创造和维持人类和自然在生产中和谐共存的条件，是今世后代绿色发展的一项重大挑战。鉴于目前的氮研究主要关注农业和环境目标，以及技术解决方案，我们认为，未来的研究应该为氮可持续性纳入更多的社会经济视角，以便更有意义地解释农业、环境、社会和经济目标。
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