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

· 第十四篇 ·

　　▎论文ID

　　A New Approach to Holistic Nitrogen Management in China

　　中国氮素综合管理的新途径

　　发表年份：2022年第一作者：刘学军¹，崔振岭¹，郝天象² 

　　通讯作者：刘学军¹  

　　✉：liu310@cau.edu.cn

　　作者单位：1.中国农业大学资源与环境科学学院，国家农业绿色发展研究院，植物与土壤相互作用教育部重点实验室。2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室。

　　Cite this article :  

　　Xuejun LIU, Zhenling CUI, Tianxiang HAO, Lixing YUAN, Ying ZHANG, Baojing GU, Wen XU, Hao YING, Weifeng ZHANG, Tingyu LI, Xiaoyuan YAN, Keith GOULDING, David KANTER, Robert HOWARTH, Carly STEVENS, Jagdish LADHA, Qianqian LI, Lei LIU, Wim DE VRIES, Fusuo ZHANG. A NEW APPROACH TO HOLISTIC NITROGEN MANAGEMENT IN CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 490‒510 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022453

· 文 章 摘 要 ·

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　　20世纪80年代以来，氮肥的广泛使用使得农业生产率大幅提高，但是也由于活性氮的过量排放造成了一系列环境问题。我国已经提出了一系列改进氮素管理的方法，以提高农业产量并减少对环境的影响。施用氮肥的4R原则（适品、适量、适时、适地）对提高作物产量和氮肥利用效率、减少氮肥损失至关重要。例如，中国的实地施氮管理（作为4R实践的一部分）使氮肥用量减少了32%，产量提高了5%。然而，这还不足以应对在减少对环境和健康影响的情景下生产更多粮食的挑战。本文提出了一种食物链氮素管理（FCNM，food-chain-nitrogen-management）的新框架。这涉及回收有机肥料、优化作物和动物生产，以及改善人类饮食等良好的氮素管理方法，从而最大限度地提高资源使用效率和最大限度地减少环境排放。FCNM可以应对未来粮食需求、资源可持续性和环境安全等方面的挑战，以及中国和其他国家绿色农业转型的关键问题。

· 文 章 亮 点 ·

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　　1.综述了中国农业氮素管理的研究进展。

　　2.4R原则是提高土壤-作物系统中氮素利用效率、降低氮素损失的关键。

　　3.提出了食物链氮素管理的新框架。

　　4.中国在氮素管理上的成功经验为其他国家提供了借鉴。

· Graphical abstract ·

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· 研 究 内 容 ·

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　　▎引言

　　由于工业固氮量的快速增长及其过度使用或滥用（如使用时间、使用形式和使用方法等），全球约三分之一的耕地氮素利用效率低，在世界范围内造成了许多环境污染问题。人为活性氮（Nr，reactive nitrogen）的排放量已经超过了许多和人类及生态系统健康相关的阈值，包括饮用水质量（由硝酸盐引起的富营养化）、空气质量（烟雾、颗粒物、气候变化和平流层臭氧损耗），以及因酸化和富营养化导致的生物多样性丧失。在中国，来自农田施肥的氨排放造成二次颗粒物污染和氮沉降的增加；硝酸盐淋滤和氮径流导致地下水硝酸盐污染和地表水富营养化（如沿海流域、河流和湖泊）；N2O的排放会加速全球变暖，并破坏平流层臭氧层。过量施用氮肥进一步加速了土壤酸化，将对中国的粮食生产造成威胁。为了解决与活性氮相关的环境问题，2009年提出了氮行星边界安全运行空间的概念，并于2013年和2015年进行了修订。氮行星安全边界概念的关键在于提高氮素利用效率（NUE，nitrogen use efficiency），并将氮素损失降低到安全水平，使地球系统能够生存或至少能够承受额外的Nr，但是Hillebrand等人的一项新研究对基于行星边界的阈值提出了质疑。

　　因此，必须提高农业所有氮素投入的利用效率，将最大的作物产量与最小的Nr排放相结合，降低生态和环境风险。因此，优化包括4Rs（适宜氮肥种类、适宜施氮量、适宜施氮时间、适宜施氮地点）和土壤-作物系统综合管理（ISSM，integrated soil-crop system management）在内的氮素管理实践越来越重要。

　　▎中国活性氮引起的环境问题

　　氮是生命的基本元素，但输入生态系统的氮往往没有得到充分利用，多余的氮会残留在土壤中或流失到环境中。如果生态系统中的Nr超过了环境阈值，将会以气体排放和淋滤或径流的形式对当地或更远区域的环境造成破坏，直至其转化为N2（即氮级联（图1（a））。与工业和人类居住区的点源污染不同，农业方面的氮污染往往是弥漫性或非点源的，因为它来自大量独立经营管理的农场，包括种植和畜牧业生产，这使解决氮污染问题变得更加困难。中国农业Nr排放引发了5个典型环境问题：（1）空气污染，主要形成PM2.5污染；（2）温室气体排放增加；（3）水体污染；（4）土壤酸化；（5）氮沉降导致的生物多样性下降（图1（b））。

图1 （a）农业和非农生态系统中的氮级联；（b）活性氮（Nr）对空气污染和温室气体排放、水体污染（包括富营养化）、土壤酸化和生物多样性下降的影响

　　▎中国农田规模管理研究进展

　　中国的氮素管理经历了四个主要阶段：

　　（1）施肥改良。由肥料行业开发的4R营养管理被Johnston和Bruulsema描述为“正确的营养来源，在正确的时间和地点以正确的速度施用”，为确定每一“R”提供了一些基本指南，有助于粮食安全和增加氮肥利用率，同时改善环境可持续性和增加经济回报（图2（a））。

　　（2）氮高效品种的利用。除了改良施肥外，开发能够有效利用土壤中氮源、并在最佳氮输入条件下获得高产的作物也很重要。开发氮高效作物品种可以通过育种实现。meta分析显示，与老品种（1985–1999年）相比，中国在2000年及以后培育的玉米、小麦和水稻新品种产量增加7.3%–11%，氮素吸收提高5.2%–8.5%，Nr排放减少9.6%–24%。

　　（3）土壤-作物系统综合管理。除了4R原则外，中国还提出并实践了一种土壤-作物系统综合管理（ISSM）方法，以提高集约化农业系统的资源利用效率和生产力，同时减少对环境的破坏。ISSM的设计理念是最大限度地利用太阳辐射和适宜温度的时期，更好地实现作物的养分需求与土壤、环境和施肥投入的养分供应之间的协同优化（图2（b））。

　　（4）畜牧业生产中的氮素管理。目前畜牧生产中的氮素管理主要包括三个方面：①优化饲料以提高动物氮的利用效率，如供应低蛋白饲料；②改善动物住所、粪便储存和堆肥的管理；③肥料循环利用到农田。例如，动物粪便酸化可使堆肥过程中NH3等营养物质的损失显著减少。

图2 （a）可持续生产高质量粮食；（b）土壤-作物系统综合管理的优化氮素管理概述

　　▎中国农业绿色转型的一体化食物链管理方法

　　可持续农业或农业绿色发展是中国的一项长期战略，对于更有效地满足粮食供应，改善人体健康和保护环境至关重要。在健康食品和优质生活环境的背景下，通过营养在食物链中的流动，将粮食生产、消费与农业的绿色转型联系起来。在此基础上，我们提出了不同时空尺度的氮素管理集成框架（图3），以满足整个FCNM系统的食品需求和环境安全。FCNM定义了氮素管理系统的四个组成部分：土壤-作物、动物-作物、人-食物和环境，通过氮素的消耗和损失相连接（图3）。

图3 （a）可持续生产高质量粮食基于环境阈值的区域和时间尺度的食物链-氮素管理（FCNM）集成框架；（b）实现作物生产力、资源利用效率和环境保护同步的最佳土壤-作物管理概念模型

　　▎未来方向及建议

　　改善氮素管理对农业可持续发展和农业绿色发展具有重要意义。改善粮食生产以减少对环境的影响具有挑战性且成本高昂，特别是对那些氮吸收过多、没有使用最佳氮素管理方案（如智能机器、增效肥和最佳粪肥管理基础设施）的地区。中国的成功经验表明，通过FCNM系统等进行氮素综合管理，对于实现可持续的粮食供应，同时将氮对环境造成的损失降到最低是至关重要的。然而，由于历史原因，许多氮素管理实践仍然是区域性或地方性的，需要政策法规和先进战略来克服实践中的障碍；需要在适当的规模上增加关于作物和动物生产的法律法规，以提高氮肥利用效率和减少环境污染。

　　改善氮素管理是实现可持续农业的一项长期目标，这就需要像许多发达国家一样，让包括环境部门在内的所有部门对全国的有效养分进行监测。跟踪先进营养管理方案实施后所取得的进展，并对未来可能存在的问题进行建模和预测。此外，当经济发展和环境保护发生冲突时，法律法规的制定是必不可少的。

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