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

· 第九篇 ·

　　▎论文ID

　　Soil nitrogen cycling and environmental impacts in the subtropical hilly region of China：evidence from measurements and modeling

　　中国亚热带丘陵地区土壤氮循环及其环境影响：来自测量和模拟的证据

　　发表年份：2022年

　　第一作者：沈健林^{1, 2}

　　通讯作者：沈健林^{1, 2}、李勇³ 

　　✉ jlshen@isa.ac.cn, yli@mail.iap.ac.cn

　　作者单位：1. 中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室，亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站。2. 中国科学院大学。3. 中科院大气物理研究所，大气边界层物理与大气化学国家重点实验室。

　　Cite this article :  

　　Jianlin SHEN, Yong LI, Yi WANG, Yanyan LI, Xiao ZHU, Wenqian JIANG, Yuyuan LI, Jinshui WU. SOIL NITROGEN CYCLING AND ENVIRONMENTAL IMPACTS IN THE SUBTROPICAL HILLY REGION OF CHINA: EVIDENCE FROM MEASUREMENTS AND MODELING. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 407‒424 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022448

· 文 章 摘 要 ·

﹀

﹀

﹀

　　我国亚热带丘陵地区是农牧业生产密集的地区，土壤、水体和空气中的氮污染严重。本文综述了中国亚热带丘陵区水稻和旱地土壤氮循环的主要过程及其影响因素，介绍了用于氮循环模拟的流域养分管理模型，及其在亚热带丘陵地区的案例研究，总结了提高农田氮利用效率的氮管理实践和流域氮管理方案。

· 文 章 亮 点 ·

﹀

﹀

﹀

　　1. 综述了亚热带丘陵地区土壤氮通量及其影响因素。

　　2. 施肥和大气沉降对亚热带丘陵地区土壤氮输入贡献较大。

　　3. 测定了土壤氮的气态损失、径流和淋失量。

　　4. 使用流域养分管理模型模拟了土壤氮循环。

· Graphical abstract · 

﹀

﹀

﹀

· 研 究 内 容 ·

﹀

﹀

﹀

　　▎引言

　　氮（N，Nitrogen）是地球上所有生物的必需元素，氮肥被广泛用于提高作物产量，全球氮肥施用量已从1980年的60Tg增加到2015年的106Tg。当氮肥施入土壤后，会发生一系列反应，如NH3挥发、硝化和反硝化、淋溶和径流损失，这些反应或过程会造成大量的氮损失，也会造成土壤、空气和水中严重的氮污染。近年来，我国亚热带地区河流和湖泊中的氮污染严重，研究人员在该地区开展了大量关于土壤氮循环过程及其环境影响的研究，对了解该地区氮循环的过程和影响因素具有重要意义。其中，利用模型模拟氮循环过程，对氮通量测定从农田尺度扩展到区域尺度非常重要。

　　▎亚热带丘陵区主要土壤氮循环过程

　　1. 氮肥施用

　　水稻种植方面，亚热带地区单作体系平均施氮量为180kg·ha⁻¹N，双作体系早稻和晚稻平均施氮量分别为170kg·ha⁻¹N和190 kg·ha⁻¹N。茶叶主产区的平均施氮量为553kg·ha⁻¹N，茶叶生产中，有机肥与矿物肥配施较为常见，有机氮肥占施氮总量的26%–92%。菜地年施氮量为200kg·ha⁻¹N–1.5 t·ha⁻¹N，平均值为640kg·ha⁻¹N，有机肥占10%–75%。果类作物施氮量增长最快，1998年至2014年增长了1.4倍，2014年平均施氮量为570kg·ha⁻¹N。

　　2. 大气氮沉降

　　大气氮沉降与降水量、氮肥用量和能源消耗显著相关。我国中南部典型亚热带丘陵区水田、茶园和林场总氮沉降量分别为22、34和55kg·ha⁻¹·yr⁻¹N。在三峡库区农村，2014年总氮沉降量为21kg·ha⁻¹·yr⁻¹N，2015年为16kg·ha⁻¹·yr⁻¹N，城市2014年和2015年分别为31和25kg·ha⁻¹·yr⁻¹N。大气中二氧化氮、硝酸和颗粒物硝酸盐的总沉降量为每年13kg·ha⁻¹·yr⁻¹N。

　　3. 生物固氮

　　生物固氮（BNF，Biological N fixation）是将大气中的N₂转化为可供植物和动物使用的形式（如NH₄⁺）的过程。我国亚热带水稻土的BNF速率在2.2–45kg·ha⁻¹N。生物固氮速率与土壤性质、水分含量、水稻品种、肥料和土壤pH值有关。

　　4. 作物氮吸收

　　作物对氮素的吸收很大程度上来源于土壤氮素和氮肥。土壤和肥料对氮素吸收的贡献受土壤性质、管理和气候因素的影响。在亚热带地区实现水稻高产通常需要吸收180–200kg·ha⁻¹N，亚热带水稻氮利用率在34%–66%之间。

　　5. NH₃挥发

　　NH3挥发是农田氮素损失的主要原因之一，30–50kg·ha⁻¹N以上的高强度NH3挥发集中在我国亚热带丘陵地区，约37%来自农田。此外，菜地的累积NH₃损失范围为0.4–55 kg·ha⁻¹N，占茶园施氮总量的9%，范围为5.7–49kg·ha⁻¹N，占施氮总量的11%，果树地为7.7–13kg·ha⁻¹N，占施氮总量的6%（表1）。

表1 氮肥施用与氨挥发

　　6. N₂O和NO排放

　　亚热带地区是我国N₂O排放的重要来源。亚热带种植园是农业N₂O和NO排放的热点。由于厌氧条件、土壤pH值和氮肥施用量的差异，不同土地利用类型的N₂O和NO排放量也不同。

　　7. 氮径流和淋失

　　我国典型亚热带丘陵地区双季水稻种植系统中常规肥料处理的氮径流损失为2.9kg·ha⁻¹·yr⁻¹N。土壤理化性质（包括土壤粒径、孔隙度和腐殖质含量）影响氮径流和淋溶损失。富含有机质、土壤粒径较小、密度较大的土壤，其氮淋失率较低。灌溉强度越高，NH₄⁺-N、 NO₃^–-N和总氮素的淋溶量越高。土壤中NH₄⁺-N和 NO₃^–-N的含量越低，氮淋溶风险越高。

　　▎氮循环模型

　　1. 模型介绍

　　基于亚热带丘陵地区的野外实测数据，开发了流域养分管理模型（CNMM，Catchment nutrients management model）（图1），用于模拟能量平衡、水分、碳、流域生态系统的氮磷循环（图2）。CNMM可以模拟田间和流域尺度上的土壤完整的氮循环（包括BNF、植物吸收、有机质矿化、土壤微生物固定、硝化、反硝化、NH₃挥发、淋洗和径流损失），还可以模拟土壤硝化和反硝化反应中氮氧化物、氧化亚氮和氮气的排放（图3）。

图1 流域养分管理模型（CNMM）的模型结构和数据流

图2 流域养分管理模型中模拟的氮循环

图3 土壤NO、N₂O和N₂的产生途径

　　2. 模型应用

　　如图3所示，CNMM对茶园土壤0–15cm土壤含水量、NH₄+-N含量、NO₃^–-N含量和5cm土壤温度的模拟结果与观测值一致。模拟值与观测值差异较大的变量为0–15cm土壤NH₄⁺-N含量，主要发生在2013年春季（3–5月）。

　　亚热带地区土壤氮循环的测量和CNMM模拟结果如图4所示。NO排放模拟结果可接受（R²= 0.44, P < 0.05），亚硝酸盐通过化学分解是NO排放的主要过程，占NO总排放量的55%以上。此外，CNMM对茶园N₂O排放的模拟结果（R²= 0.52, P < 0.001）优于NO，反硝化过程的N₂O排放贡献约占总排放的75%。

图4 茶园土壤水分（a）、5 cm温度（b）、铵态氮（c）、NO（d）、硝态氮（e）和N₂O（f）排放通量的模拟和观测值

　　2011年1月至2013年12月，利用CNMM对流域进行氮模拟。图5为流域主出口模拟和观测的河水流量对比，模拟结果与观测结果一致。CNMM对流域主出水口总氮（1.2–8.1 mg·L⁻¹N）和总磷（0.005–0.175 mg·L⁻¹P）的模拟结果均较好，CNMM还能较好模拟地下水位的动态变化（图5）。

图5 流域养分管理模型模拟和观测流域主要出口的水流（a）、地下水位（b）、TN（c）和TP（d）浓度

　　▎区域氮素管理

　　1. 农田氮管理方法

　　优化氮肥类型：由于NH₃挥发、硝化反硝化、淋滤和径流损失，尿素的氮损失率很高。使用控释肥、氮肥与尿素抑制剂或硝化抑制剂配施可提高氮肥利用率，减少氮肥损失。

　　减少氮肥表施：研究表明，深施氮肥可在很大程度上避免NH3挥发，降低氮肥施用量，提高氮肥利用率。

　　有机肥料的回收：施用有机肥料可以循环利用养分，避免肥料生产过程中的资源消耗，减少温室气体排放，还可以提高土壤有机质含量和土壤肥力。

　　利用生物固氮：固氮作物可以利用与根瘤菌的共生关系从大气中固定氮，从而明显降低氮肥的施用量。豆科作物与非豆科作物的间作可以增加氮肥利用率，豆科植物作为绿肥施用于土壤也可以降低氮肥施用和改善土壤质量。此外，土壤固氮微生物对土壤氮库贡献作用显著。

　　2. 流域氮管理

　　减少总氮投入，减少农田、畜牧业和家庭表层和地下氮损失是控制流域氮污染的主要手段。我国亚热带农业流域氮输入强度高达202kg·ha⁻¹·yr⁻¹N，肥料和饲料是氮输入的最大来源，占流域氮总输入的46%–75%。通过农业产业结构的优化和调整，可以有效地控制氮投入。

　　▎结论

　　在我国亚热带丘陵地区，由于农田氮肥施用量高、氮沉降量大、氮利用率相对较低，造成了严重的大气和水体氮污染。通过现场测量，主要土壤氮循环过程的通量已经得到了量化，并阐明了其影响因素。已开发的一个基于过程的CNMM模型模拟了亚热带丘陵地区的土壤氮循环，并在田间和集水区尺度上模拟与观测之间显示出良好的一致性。未来，考虑到我国的碳达峰和碳中和政策，在亚热带丘陵地区提高氮利用效率和减轻氮污染将变得越来越重要。为了实现低碳排放和绿色发展的目标，需要在集水区实施适当的氮管理措施，并且需要根据为亚热带丘陵地区开发的氮循环模型来评估这些措施的效果。

《前沿》系列英文学术期刊

　　由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

　　阅读原文