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氮肥管理有了“定额”新方案

中国科学报 2021年10月19日 报道 浏览次数:

崔振岭(中)与其他专家在田间交流。受访者供图

■本报记者 王方 通讯员 何志勇

“庄稼一枝花,全靠肥当家。”氮肥施用对于提高全球作物产量至关重要,然而现实中,我国小农户集约化粮食生产用肥量大、资源环境代价高、养分利用率低等一系列问题依然存在。

近日,中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院崔振岭教授课题组在美国《国家科学院院刊》在线发表论文,发布了全国主要粮食作物县域氮肥施用定额,创新了一种氮素动态平衡优化管理新方法,突破了集约化小农户氮肥管理的难题。

该项研究将为我国可持续氮管理提供解决方案,助力农业绿色发展,对全国乃至全球可持续发展具有重要意义。

可持续氮管理面临的挑战和任务

氮肥施用的重要性不言而喻,但也加速了土壤氮生物化学循环,导致了大量活性氮损失,加剧了生态环境负面效应。如农业NH3的排放占全球总排放的80%~90%,N2O排放占全球排放量的70%。

农户如何管理土壤—作物系统中的主要氮循环过程直接影响当地生态环境,决定了全球粮食安全和可持续发展。

“集约化小农户氮管理受限于知识与技术的匮乏,往往采用过量的保险施肥量来保证作物产量,此举不仅造成肥料的巨大浪费,也附带导致一系列的环境风险问题。因此,转变小农户氮肥管理实践、采用先进的氮管理技术、大幅提高氮肥利用效率是实现全球可持续发展目标的优先选项。”论文通讯作者崔振岭在接受《中国科学报》采访时表示。

我国农业是典型的小农户经营,人均耕地不足1公顷。农户过量施用氮肥引起了一系列的生态环境问题,严重威胁区域农业绿色发展。

崔振岭介绍,我国长期致力于氮肥管理的研发投入,开发了许多先进的氮管理技术,例如测土配方施肥技术、植物快速诊断技术、遥感技术以及手持叶片氮传感器等。这些技术可以显著降低氮肥投入,提高氮利用效率,保证粮食产量,但技术测试成本较高、取样复杂、计算方法不易掌握,常导致技术采用率不高,大面积应用面临挑战。

“因此,改进当前的氮管理方法,使其易于实施、价格便宜、灵活,并且省工省力是农业可持续氮管理面临的重要任务。”崔振岭表示。

“三步走”开发氮管理新方法

论文第一作者、中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院博士后尹宇龙向《中国科学报》介绍,这项研究首先基于小麦—玉米轮作8年16季长期定位试验,提出了氮素动态平衡优化管理方法的理论框架;其次,创新了氮素动态平衡优化管理方法,考虑每个县特定的地理、土壤和气候条件,建立了我国2036个县的粮食作物生产(小麦、水稻和玉米)的氮肥施用定额,并在中国粮食作物主产区进行了约1.8万次试验,对氮素动态平衡优化管理方法进行了更广泛的测试;最后,利用13760个田间试验,在全国1468个县上进行大面积适用性效果验证。

北京东北旺进行的长期定位试验表明,随着氮肥优化的逐年进行,土壤—作物系统中残留氮素与易矿化氮素逐年减少,最终达到动态稳定平衡状态,此稳定状态出现在定位试验的第5年。

“研究团队田间实测并记录了外部氮输入(氮肥投入、环境氮投入)、作物氮吸收输出、氮损失和土壤中氮库,发现环境氮投入量为87 kg N ha-1,与氮损失量(75 kg N ha-1)相当,这种稳定态的氮损失远远小于农户常规管理氮损失(288 kg N ha-1)。”尹宇龙说。

研究团队利用大数据分析与田间实测数据相结合的方法,首先利用搜集整理的全国3007个氮损失试验研究结合空间气候、土壤性质及地理环境因素,估算了我国主要粮食作物1km×1km单位面积栅格活性氮损失量,包括氨挥发、氮淋洗、氮径流、氧化亚氮排放。之后根据作物类型分别计算了各个县的单位面积环境氮投入,包括大气氮沉降、生物固氮、灌溉水带入氮。最后利用全国2005年至2014年864万农户调研数据,估算了氮素吸收量、通过秸秆还田率等计算了作物氮素带走量。

基于以上分析,研究确定了我国粮食作物2036个县的氮素动态平衡。“本研究采用全国农户平均产量作物氮带走量为下限、县域产量前10%作物氮带走量为上限,建立了每个县最优的施氮水平,定量了优化氮肥用量上限和下限。”尹宇龙介绍。

至此,县域氮肥施用定额发布——全国玉米平均优化氮肥用量为168 kg N ha-1,范围在146~190 kg N ha-1;水稻平均优化氮肥用量为155 kg N ha-1,范围在132~177kg N ha-1;小麦平均优化氮肥用量为151 kg N ha-1,范围在130~171kg N ha-1。

2005年至2014年,氮素动态平衡优化管理方法分别在玉米、水稻和小麦的5979、6625和5229个试验点进行了田间试验,验证县域施肥定额完全可行。最终选择13760个小农户进行同田对比试验,以调查该方法是否可以被农民采用。

结果表明,县域施肥定量可实现玉米施氮量由平均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、小麦平均施氮量由平均210 kg ha-1降至164 kg ha-1。更重要的是,3种作物的粮食产量平均增长了6%~7%。与当地农民的结果相比,氮肥生产效率(单位产量/单位氮肥用量)增加了26%~33.2%,氮损失强度(单位氮损失/单位产量)减少了23.2%~28.9%。

为农业绿色发展提供技术手段

探索农业绿色发展道路,是保障国家粮食安全和环境安全的迫切需求。自2005年起,中国工程院院士、中国农业大学资源与环境学院教授张福锁带领团队,建立了我国主要作物绿色增产增效技术创新与应用协作网,在生产中破解农业绿色发展的重大理论与技术难题。

该团队研究建立了氮素动态平衡优化管理方法是以往的延续与扩展,显著改善了小农户氮肥管理,促进农业绿色发展。该方法的核心理论即在集约化农业生产条件下,长期实施氮肥优化管理可以帮助土壤—作物系统的氮循环达到一种动态稳定状态,土壤氮库变化缓慢,外部氮输入与系统氮输出相当;外部氮输入超过系统氮素输出则视为氮素过量,减少过量氮素不仅不会造成产量损失,还能保护环境。

“我们基于氮素动态平衡优化管理方法,建立了我国粮食作物县域施肥定额,探寻了一种长期的氮稳定状态,平衡氮输入输出,实现最优产量,并最大限度地减少氮损失。”崔振岭说。

他表示,本研究开发的氮素动态平衡优化管理方法简化了复杂的氮管理技术,为集约化小农户优化氮肥施用提供了一个简单而实用的工具,并获得较高的生产效率和环境效益。

该研究成果也为我国农业绿色发展提供有效可行的技术手段,为区域及全球氮可持续提供了有价值的补充。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2106576118

《中国科学报》2021年10月19日3版


责任编辑:刘铮
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