PNAS | 崔振岭教授课题组发文发布全国主要粮食作物县域氮肥施用定额 助力农业绿色发展
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，中国农业大学张福锁院士带领团队，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。针对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。
2021年9月24日，中国农业大学资源与环境学院崔振岭教授课题组在PNAS 杂志上在线发表了题为“A steady-state N balance approach for sustainable smallholder farming”的研究论文，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；我国小麦、玉米和水稻主产区进行大面积示范结果表明，应用县域氮肥定额可减少肥料使用21-28%，实现粮食增产6-7%，增加氮肥利用效率26-33.2%，降低活性氮损失23.2-28.9%。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。
氮肥施用对于提高全球作物产量至关重要，但也加速了土壤生物化学循环，导致了大量活性氮损失，加剧了生态环境效应。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70%。集约化小农户受限于知识与技术的匮乏，往往采用过量的保险施肥来保证作物产量，这不仅造成肥料的巨大浪费，也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，大幅提高氮肥效率是实现全球可持续发展目标的优先选项。
我国农业是典型的小农户经营，人均耕地不足一公顷。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。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，例如土壤和植物诊断、遥感技术和手持叶片氮传感器等，这些技术可以显著降低氮肥投入，提高氮的利用效率。但是这些技术方法使用测试成本较高，取样复杂，计算方法不易掌握，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。
我们研究建立了“氮素动态平衡优化管理方法” (steady-state N balance, SSNB)，显著的改善了小农户氮肥管理，促进农业绿色发展。氮素动态平衡优化管理方法核心理论，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稳定状态，土壤氮库变化缓慢，外部N输入与系统N输出相当；外部氮输入超过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。
本研究首先基于小麦-玉米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。然后，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3824个县的谷类作物生产(小麦、水稻和玉米)的氮肥施用定额。在中国进行了约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13,760个田间试验，在全国1468个县上进行大面积适用性效果验证。结果表明，氮素动态平衡优化管理方法可实现粮食增产6-7%，同时显著减少氮肥使用21-28%，增加氮肥利用效率26-33.2%，降低活性氮损失23.2-28.9%。
图1 土壤-作物氮循环系统
本研究通过北京东北旺小麦-玉米系统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理论框架。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，并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五年。随着土壤-作物系统中残留氮素与易矿化氮素逐年减少（图2，C），优化施肥量不断升高，由2000年的96 kg N ha-1 上升至2005年的226 kg N ha-1。到2005年以后到达稳定状态，优化施肥量稳定在200-230 kg N ha-1，与作物氮吸收量相当 （图2，B）。
我们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（图2，E），这种稳定态的氮损失（图2，E）要远远小于农户常规管理氮损失（288 N ha-1）（图2，D）。
建立我国粮食作物县域施肥定额
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。我们首先搜集整理了全国3,007个氮损失试验研究，利用田间实测数据与大数据相结合，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，包括氮沉降，生物固氮，灌溉带入氮。栅格数据汇总到全国3824个县。最后利用全国864万农户调研数据，估算了氮素吸收量、通过秸秆还田率计算了作物氮素带走量。我们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氮水平，定量了优化氮肥用量上限和下限。全国玉米平均氮肥用量为168 kg N ha-1，范围在146-190 kg N ha-1之间；水稻平均氮肥用量为155 kg N ha-1，范围在132-177kg N ha-1；小麦平均氮肥用量为151 kg N ha-1，范围在130-171kg N ha-1。
图3 县域氮素流动和施肥定额。玉米氮输入和输出及全国平均(A)，水稻氮输入和输出及全国平均(B)，小麦氮输入和输出及全国平均(C)。玉米(D)，水稻(E)，小麦(F)优化施肥量上下限平均。
田间测试县域施肥定额的准确性
2005-2014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。试验包括4个处理：不施氮、基于氮素动态平衡优化管理方法的优化施氮（ONR）、50% ONR和150% ONR。试验由当地农技推广人员负责指导实施。对于所有试验点，当施氮量从ONR降到50% ONR时，玉米、水稻和小麦的产量分别从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显著下降。当施用过量氮肥时，相对于施用优化氮肥处理，产量没有增加(图4，B)。这表明该优化施氮量为作物最优施氮量。
图4 田间试验施肥定额与作物产量。玉米5979个试验点，水稻6625个试验点，小麦5229个试验点平均SSNB上下限 (A)；作物产量随不同施肥量变化 (B)。
我们从中国1173个县选择13,760个小农户，进行同田对比试验，以调查氮素动态平衡优化管理方法是否可以被农民采用（表1）。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，这三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（产量/氮肥）增加了26.0-33.2%，氮损失强度（氮损失/产量）减少了23.2-28.9% (表1)。
表1 三大量粮食作物产量、施氮量、氮平衡、产量水平氮损失 (施肥定额，SSNB vs 农户生产，FNP)
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性。本研究开发的氮素动态平衡优化管理方法简化了复杂的优化氮管理技术，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。
该研究由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（通讯作者）和博士后尹宇龙（第一作者）等作者共同完成。该项研究是课题组继2014年在《自然》上发表《以更低的环境代价获得更高的作物产量》；2018年在《自然》上发表《与千百万农民一起实现农业绿色增产增效》研究工作的延续，为我国农业转型、绿色发展，特别施肥可持续管理提供了理论、技术和实现途径。