探索農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展道路，是保障國家糧食安全和環(huán)境安全的迫切需求，自2005年起，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，建立了我國主要作物綠色增產(chǎn)增效技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用協(xié)作網(wǎng)，在生產(chǎn)中破解農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重大理論與技術(shù)難題。針對(duì)我國小農(nóng)戶集約化糧食生產(chǎn)用肥量大，資源環(huán)境代價(jià)高，養(yǎng)分利用率低等一系列問題。2021年9月24日，資源與環(huán)境學(xué)院崔振嶺教授課題組在《Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America》雜志上在線發(fā)表了題為“A steady-state N balance approachfor sustainable smallholder farming”的研究論文，發(fā)布了全國主要糧食作物縣域氮肥施用定額，創(chuàng)新了一種氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理新方法，突破了集約化小農(nóng)戶氮肥管理的難題；我國小麥、玉米和水稻主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行大面積示范結(jié)果表明，應(yīng)用縣域氮肥定額可減少肥料使用21-28%，實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)6-7%，增加氮肥利用效率26-33.2%，降低活性氮損失23.2-28.9%。該項(xiàng)研究將為我國可持續(xù)氮管理提供解決方案，助力農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，對(duì)全國乃至全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

研究簡(jiǎn)介

氮肥施用對(duì)于提高全球作物產(chǎn)量至關(guān)重要，但也加速了土壤生物化學(xué)循環(huán)，導(dǎo)致了大量活性氮損失，加劇了生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。如農(nóng)業(yè)NH3的排放占全球總排放的80-90%，N2O排放占全球排放量70%。集約化小農(nóng)戶受限于知識(shí)與技術(shù)的匱乏，往往采用過量的保險(xiǎn)施肥來保證作物產(chǎn)量，這不僅造成肥料的巨大浪費(fèi)，也導(dǎo)致一系列的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題。因此，轉(zhuǎn)變小農(nóng)戶氮肥管理實(shí)踐，采用先進(jìn)的氮管理技術(shù)，大幅提高氮肥效率是實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的優(yōu)先選項(xiàng)。

我國農(nóng)業(yè)是典型的小農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)，人均耕地不足一公頃。農(nóng)戶過量施用氮肥引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。我國長(zhǎng)期致力于氮肥管理的研發(fā)投入，開發(fā)了許多先進(jìn)的氮管理技術(shù)，例如土壤和植物診斷、遙感技術(shù)和手持葉片氮傳感器等，這些技術(shù)可以顯著降低氮肥投入，提高氮的利用效率。但是這些技術(shù)方法使用測(cè)試成本較高，取樣復(fù)雜，計(jì)算方法不易掌握，導(dǎo)致技術(shù)采用率不高，大面積應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。因此，改進(jìn)當(dāng)前的氮管理方法，使其易于實(shí)施、價(jià)格便宜、靈活，并且省工省力是農(nóng)業(yè)可持續(xù)氮管理面臨的重要任務(wù)。

我們研究建立了“氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法” (steady-state N balance, SSNB)，顯著的改善了小農(nóng)戶氮肥管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法核心理論，即在集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，長(zhǎng)期實(shí)施氮肥優(yōu)化管理可以幫助土壤-作物系統(tǒng)的氮循環(huán)達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，土壤氮庫變化緩慢，外部N輸入與系統(tǒng)N輸出相當(dāng)；外部氮輸入超過氮素輸出則視為氮素過量，減少過量氮素不僅不會(huì)造成產(chǎn)量損失，還能保護(hù)環(huán)境。

本研究首先基于小麥-玉米8年16季長(zhǎng)期定位試驗(yàn)提出了氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法的理論框架。然后，創(chuàng)新了氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法，考慮每個(gè)縣特定的地理、土壤和氣候條件，建立了我國3824個(gè)縣的谷類作物生產(chǎn)(小麥、水稻和玉米)的氮肥施用定額。在中國進(jìn)行了約1.8萬次試驗(yàn)，對(duì)氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法進(jìn)行了更廣泛的測(cè)試。最后，利用13,760個(gè)田間試驗(yàn)，在全國1468個(gè)縣上進(jìn)行大面積適用性效果驗(yàn)證。結(jié)果表明，氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法可實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)6-7%，同時(shí)顯著減少氮肥使用21-28%，增加氮肥利用效率26-33.2%，降低活性氮損失23.2-28.9%。

圖1 土壤-作物氮循環(huán)系統(tǒng)

主要研究?jī)?nèi)容

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)確定理論框架，開發(fā)氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法

本研究通過北京東北旺小麥-玉米系統(tǒng)8年16季長(zhǎng)期定位試驗(yàn)提出了氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法理論框架。試驗(yàn)表明，隨著氮肥優(yōu)化的逐年進(jìn)行，土壤-作物系統(tǒng)中殘留氮素與易礦化氮素逐年減少，并最終達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)，此穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)在定位試驗(yàn)的第五年。隨著土壤-作物系統(tǒng)中殘留氮素與易礦化氮素逐年減少(圖2, C)，優(yōu)化施肥量不斷升高，由2000年的96 kg N ha-1 上升至2005年的226 kg N ha-1。到2005年以后到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，優(yōu)化施肥量穩(wěn)定在200-230 kg N ha-1，與作物氮吸收量相當(dāng) (圖2, B)。

我們田間實(shí)測(cè)并記錄了外部氮輸入（氮肥投入、環(huán)境氮投入）、作物氮吸收輸出、氮損失和土壤中氮庫。發(fā)現(xiàn)環(huán)境氮投入量為87 kg N ha-1，與氮損失量(75 kg N ha-1)相當(dāng)(圖, 2E)，這種穩(wěn)定態(tài)的氮損失(Fig. 2E)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于農(nóng)戶常規(guī)管理氮損失（288 N ha-1）(Fig. 2D)。

圖2 作物產(chǎn)量、氮肥用量和氮吸收、基礎(chǔ)氮供應(yīng)及穩(wěn)定態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)為小麥-玉米輪作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)為每年量及作物平均。作物產(chǎn)量(A)、施氮量和作物氮吸收(B)、基礎(chǔ)氮供應(yīng)(C)、2000-2008年。農(nóng)戶常規(guī)管理氮循環(huán)(D), 穩(wěn)定態(tài)氮循環(huán)(E)。

建立我國糧食作物縣域施肥定額

基于氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法，建立了我國糧食作物縣域施肥定額，探尋一種長(zhǎng)期的氮穩(wěn)定狀態(tài)，平衡氮輸入輸出，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)產(chǎn)量，并最大限度地減少氮損失。我們首先搜集整理了全國3,007個(gè)氮損失試驗(yàn)研究，利用田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合，結(jié)合空間氣候，土壤性質(zhì)及地理環(huán)境因素估算了我國主要糧食作物1km×1km單位面積柵格活性氮損失量，包括氨揮發(fā)，氮淋洗，氮徑流，氧化亞氮排放。之后根據(jù)作物類型分別計(jì)算了各個(gè)縣的單位面積環(huán)境氮投入，包括氮沉降，生物固氮，灌溉帶入氮。柵格數(shù)據(jù)匯總到全國3824個(gè)縣。最后利用全國864萬農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)，估算了氮素吸收量、通過秸稈還田率計(jì)算了作物氮素帶走量。我們采用全國農(nóng)戶平均產(chǎn)量作物氮帶走量為下限，縣域產(chǎn)量前10%作物氮帶走量為上限，建立了每個(gè)縣最優(yōu)的氮水平，定量了優(yōu)化氮肥用量上限和下限。全國玉米平均氮肥用量為168 kg N ha-1，范圍在146-190 kg N ha-1之間；水稻平均氮肥用量為155 kg N ha-1，范圍在132-177kg N ha-1；小麥平均氮肥用量為151 kg N ha-1，范圍在130-171kg N ha-1。

圖3 縣域氮素流動(dòng)和施肥定額。玉米氮輸入和輸出及全國平均(A)，水稻氮輸入和輸出及全國平均(B)，小麥氮輸入和輸出及全國平均(C)。玉米(D)，水稻(E)，小麥(F)優(yōu)化施肥量上下限平均。

田間測(cè)試縣域施肥定額的準(zhǔn)確性

2005-2014年，氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法分別在玉米、水稻和小麥的5979、6625和5229個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)包括4個(gè)處理：不施氮、基于氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法的優(yōu)化施氮（ONR）、50% ONR和150% ONR。試驗(yàn)由當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣人員負(fù)責(zé)指導(dǎo)實(shí)施。對(duì)于所有試驗(yàn)點(diǎn)，當(dāng)施氮量從ONR降到50% ONR時(shí)，玉米、水稻和小麥的產(chǎn)量分別從8.85降低至7.92 Mg ha?1、7.80降低至6.99 Mg ha?1和5.96降低至5.19 Mg ha?1顯著下降。當(dāng)施用過量氮肥時(shí)，相對(duì)于施用優(yōu)化氮肥處理，產(chǎn)量沒有增加(圖4B)。這表明該優(yōu)化施氮量為作物最優(yōu)施氮量。

圖4 田間試驗(yàn)施肥定額與作物產(chǎn)量。玉米5979個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，水稻6625個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，小麥5229個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)平均SSNB上下限 (A)；作物產(chǎn)量隨不同施肥量變化 (B)。

我們從中國1173個(gè)縣選擇13,760個(gè)小農(nóng)戶，進(jìn)行同田對(duì)比試驗(yàn)，以調(diào)查氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法是否可以被農(nóng)民采用（表1）。結(jié)果表明縣域施肥定量可實(shí)現(xiàn)玉米施氮量由平均230 kg ha-1降至178 kg ha-1、水稻平均施氮量由190 kg ha-1降至157 kg ha-1、小麥平均施氮量由平均210 kg ha-1降至164 kg ha-1。更重要的是，這三種作物的糧食產(chǎn)量平均增長(zhǎng)了6-7%。與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的結(jié)果相比，氮肥生產(chǎn)效率（產(chǎn)量/氮肥）增加了26.0-33.2%，氮損失強(qiáng)度（氮損失/產(chǎn)量）減少了23.2-28.9% (表1)。

表1 三大量糧食作物產(chǎn)量、施氮量、氮平衡、產(chǎn)量水平氮損失 (施肥定額，SSNB vs農(nóng)戶生產(chǎn)，F(xiàn)NP)

結(jié)論

農(nóng)戶如何管理土壤-作物系統(tǒng)中的主要氮循環(huán)過程直接影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，決定了全球糧食安全和可持續(xù)性。本研究開發(fā)的氮素動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化管理方法簡(jiǎn)化了復(fù)雜的優(yōu)化氮管理技術(shù)，為集約化小農(nóng)戶優(yōu)化氮肥施用提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的工具，并獲得較高的生產(chǎn)率和環(huán)境效益。該研究成果也為我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供有效，可行的技術(shù)手段，為區(qū)域及全球氮可持續(xù)提供了有價(jià)值的補(bǔ)充。

該研究由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院崔振嶺教授（通訊作者）和博士后尹宇龍（第一作者）等作者共同完成。該項(xiàng)研究是課題組繼2014年在《自然》上發(fā)表《以更低的環(huán)境代價(jià)獲得更高的作物產(chǎn)量》；2018年在《自然》上發(fā)表《與千百萬農(nóng)民一起實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色增產(chǎn)增效》研究工作的延續(xù)，為我國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展，特別施肥可持續(xù)管理提供了理論、技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑。