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

· 第十三篇 ·

　　▎论文ID

　　Progress on Improving Agricultural Nitrogen use Efficiency: UK-China Virtual Joint Centers on Nitrogen Agronomy

　　提高农业氮素利用效率的进展：中英农学氮素虚拟联合中心

　　发表年份：2022年

　　第一作者：Tom MISSELBROOK

　　通讯作者：Tom MISSELBROOK

　　✉：tom.misselbrook@rothamsted.ac.uk

　　作者单位：英国桑洛研究所

　　Cite this article :

　　Tom MISSELBROOK, Zhaohai BAI, Zejiang CAI, Weidong CAO, Alison CARSWELL, Nicholas COWAN, Zhenling CUI, David CHADWICK, Bridget EMMETT, Keith GOULDING, Rui JIANG, Davey JONES, Xiaotang JU, Hongbin LIU, Yuelai LU, Lin MA, David POWLSON, Robert M. REES, Ute SKIBA, Pete SMITH, Roger SYLVESTER-BRADLEY, John WILLIAMS, Lianhai WU, Minggang XU, Wen XU, Fusuo ZHANG, Junling ZHANG, Jianbin ZHOU, Xuejun LIU. Progress on improving agricultural nitrogen use efficiency: UK-China virtual joint centers on nitrogen agronomy. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 475‒489 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022459

· 文 章 摘 要 ·

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　　为改善农业氮肥利用率，以实现增加粮食供应和尽量减少氮肥过量的环境影响的双重目标，中英两国联合成立了两个农学氮素虚拟联合中心（VJCs，virtual joint centers：CINAg和N-CIRCLE），旨在提高农业生产系统的氮素利用效率（NUE，nitrogen use efficiency）并减少活性氮的环境损失。本研究将重点介绍：（1）提高肥料的NUE；（2）管理和使用牲畜粪便以减少环境影响并提高NUE；（3）更好地了解土壤健康及其在提高耕地NUE中的作用；（4）为实现改进而进行的政策制定和知识交流活动建议。

· 文 章 亮 点 ·

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　　1.中英两国成立了农学氮素虚拟联合中心。

　　2.研究重点是关于提高肥料净利用率，合理利用牲畜粪便，以及保持土壤健康。

　　3.确定和评估了改进氮素管理的方法与技术。

　　4.减少化肥排放和改善粪便管理是缓解环境问题的关键环节。

· Graphical abstract ·

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· 研 究 内 容 ·

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　　▎引言

　　近几十年来，中国氮肥消费量大量增加，消耗了全球合成氮肥的近22%。平均NUE较低，且远远高于环境氮素负荷（空气和水）方面的临界值。基于英国的农业已建立了强大的知识库和污染控制的基础设施，中英两国于2016年建立了两个农学氮素虚拟联合中心VJCs，即CINAg和N-CIRCLE，两个中心都确定了一系列可用于改善氮素管理的潜在行动，所进行的研究强调了制定系统方法的重要性，评估了氮素管理总体效率的改善程度，并避免了个别干预措施产生的意外次生影响，两中心研究的关键目的是为两国提供现实的中短期解决方案，改善农业氮肥利用率。

图1 1950年中国的化肥氮素使用量（实际投入）与满足粮食需求所需的估计化肥氮素投入量的比较

　　▎提高化肥氮素的利用效率

　　1.氮素管理指标

　　在耕作系统中，氮利用率和氮盈余是两个指示氮素使用情况的恰当指标，氮利用率一般指评估施用化肥氮的效率，氮盈余是指总氮投入与收获物中氮的平衡，但国内少有研究为农耕提供这类指标。因此，文章根据农场田间试验结果，为我国的主要耕作系统制定了最佳氮素管理实践下的氮盈余基准值，观察氮利用率是否提高。双作系统和单作系统的氮盈余基准均值分别为160（范围110–190）和73（范围40–100）kg·ha⁻¹·yr⁻¹N，肥料氮素投入范围分别为294–381和127–184 kg·ha⁻¹·yr⁻¹N，NUE值范围分别为52%–70%和57%–80%。

　　2.氮素施用率和改良作物品种

　　氮素经典反应曲线表明氮素利用率随施氮量的增加而降低。因此，NUE是在给定的理想最低生产率和最大氮盈余的背景下确定的。经济上的最佳施氮量有所不同，取决于商品和氮肥的相对价格。作物间的差异可以为开发和评估新栽培品种提供有用指导。在此基础上，文章提出一个新概念，即将重点放在氮响应性上，从而选择氮需求较低的栽培品种；在较低的施用率下，拥有较陡氮响应曲线的栽培品种可以达到经济效益最优。

　　3.提高肥料效率

　　使用含有脲酶或硝化抑制剂的氮肥可以提高作物产量，或在较低的氮施用率下保持产量，另外显著减少氮的环境损失。抑制剂也可能影响土壤中的总氮转化率，但目前还不清楚长期使用增效肥料对土壤微生物组，以及对周围生态环境的影响。脲酶和硝化抑制剂也可以与有机废物结合，特别是干物质含量较低的材料，如泥浆和沼液。加入硝化抑制剂虽然可以减少田间N2O排放量，但是并没有带来明显的谷物产量增加，因此加入硝化抑制剂对农民来说是一种净经济成本。

　　4.塑料薄膜覆盖法

　　在干旱和半干旱地区使用塑料薄膜覆盖作物，并结合适当的氮肥管理，与不使用塑料薄膜的系统相比，可大大提高作物产量和NUE。进一步了解不同种植系统、土壤环境和地区的土壤氮转化、吸收和损失情况，以及使用可生物降解的塑料薄膜与传统的非生物降解类型相比的影响，将有助于制定明确有效的农民指南。

　　5.耕作系统设计

　　在整个耕作系统的框架内考虑干预措施，以充分掌握并协调氮循环的不同组成部分。华北平原耕作系统的研究表明，替代作物轮作的改进型系统设计可以将肥料净利用率提高27%–44%，同时减少对地下水的污染。

　　6.发展气体通量的测量和分析方法

　　由于环境和管理因素在空间和时间上的影响，在尺度变化较小的实验中很难对N₂O和NH₃等气态污染形式的活性氮（Nr，reactive nitrogen）损失进行量化。由于NH3的高吸附性，其流量在小区规模的实验中尤其难以测量。室内法是一种常用且相对简单的N₂O通量测量方法，但由于N₂O排放在野外具有不可预测的时空特性，因此插值结果存在困难。应用统计学方法可以更好地识别N₂O通量测量的对数正态特征，以及使用贝叶斯法来插值测量室内数据，可以改进累积通量的估算过程，并更好地减少估算的不确定性。

　　▎牲畜粪便的管理和使用

　　高效使用牲畜粪便，在减少无机肥料的使用和提高土壤有机质方面有很大潜力。方法包括：（1）粪便处理：设计开发处理工艺以增加堆肥的可持续性和产品的可接受性，如使用封闭式反应器堆肥系统、酸化或使用添加剂、对堆肥材料施加电场，以及对废物流进行酸化。（2）粪便营养价值：以MANNER-NPK等模型为依托，为中国开发一个可用性较高的有机资源（主要包括牲畜粪便）养分含量指导系统。

　　▎土壤健康

　　为了更好地维持土壤健康以及了解土壤健康同NUE之间的联系，提出了应从以下几方面提升土壤健康：（1）制定农田土壤健康的衡量标准：VJC提出了在改善NUE的背景下与土壤功能有良好联系的指标（表1），将其作为关键指标，或进一步提高对过程的理解。（2）增加土壤碳：通过施用有机肥、改善土壤管理措施、保护性耕作等方法，提高土壤氮素利用率的同时提高土壤有机碳含量。（3）改善土壤酸化：石灰化（有效但经济和人力成本高）；高C : N比例作物秸秆的固定化，并适当掺入粪便、其他改良剂，再减少化肥的投入。（4）增加土壤生物多样性：接种具有不同根系特征的多菌种；覆盖种植；间作和轮作；少耕或免耕；应用有机材料等。

表1 与NUE相关的土壤功能指标的潜在度量发展框架

　　▎政策制定和知识交流

　　维加斯国际中心的工作对中国制定有关可持续农业生产和环境保护的政策，以及提供支持这些政策的证据做出了重要贡献。政策只有在有效实施的情况下才能产生效益，这就需要建立有效的知识交流机制，并在必要时提供支持和激励，以实现改进的做法。中国的农业结构，即许多地区以小农户为主，因此氮肥的有效管理更具有挑战性。事实证明，科技小院计划是在村庄范围内直接与小农户接触的成功模式，它通过培训和示范带来了先进技术，并在一定规模上产生影响。例如，在VJC期间，观察到村庄规模的肥料提供和合作社的形成，使小农户成功获得合适的肥料施加量和配方，而以往他们会过量施肥（因为标准袋的尺寸提供了过多肥料），很少考虑到营养物质的平衡。这种模式可能会成功应用于世界其他地区，如印度（小农户农业占主导地位）。然而，随着中国农业结构的发展，与大型运营商和相关的农业产业供应和支持公司合作同样重要，这样可以在早期阶段以更具成本效益的方式开展有效的氮素管理。

　　▎大型合作项目的经验教训

　　在双方平等参与和提供同等资金的情况下，可以实现利益最大化。联合中心开拓了一个与政策相关的研究领域，确保所有合作伙伴的充分参与。通过定期会议、及时沟通、积极交流，以及开发联合出版物和其他产出来保证合作伙伴的持续参与。研究伙伴也从统一的实验和建模协议的发展中受益。但是仍然存在以下不足：首先，缺乏一个统一的由中英共同资助的博士生培训项目。其次，未从项目一开始就更多地使用公共实验室、相同的处理方法和平台。最后，先进技术改善氮肥农艺的同时也需要考虑社会因素，调查农艺改革在当地发生所需的社会变化（如农场规模、管理和农民年龄）。

　　▎结论

　　通过VJC目前进行的研究，有助于识别和评估潜在的管理实践和干预措施，以实现包括利用有机和矿物肥料资源的综合营养管理，开发营养推荐系统，使用强化的高效肥料和粪便处理技术，以及提高对土壤健康关键方面的理解等目标。研究强调了制定一个系统氮肥管理概念的重要性，以确保改善整体的氮肥效率，并避免通过个别干预措施产生意外的次要影响。在此背景下，农场和区域范围内的化肥排放管理和粪便管理的改善似乎是重要的缓解途径。VJC促进和影响了政策的制定，并证明了农场和区域范围内的改进潜力。

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