FASE专辑回顾 | 氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境

氮传感及其整合信号通路在塑造根系结构中的作用

摘要：二十世纪六十年代的绿色革命通过半矮化植物品种的广泛栽培和矿物肥料的广泛使用提高了作物产量。未来的可持续农业需要减少氮肥的使用，并提高粮食产量，从而实现可持续的绿色革命。尽管目前已经进行了大量的研究工作，但只有少数基因被证明可以提高作物的氮利用效率。协调植物生长和氮代谢之间的分子机制仍未完全了解。植物对氮供应变化感知、捕获和响应的最新进展为如何提高农业的可持续生产力提供了线索。本文就氮的可利用性对根系发育和代谢适应的影响进行综述，并讨论提高高产谷物作物氮利用效率的潜在方法。

关键词：nitrogen, root system architecture, phytohormone, crosstalk, nitrogen-use efficiency, breeding strategy

农业生态系统中调控土壤‒植物微生物组以有效利用作物氮的机遇和途径

摘要：土壤微生物组驱动着氮的生物地球化学循环，并调节着土壤中氮的供应和损失，因此，针对土壤微生物组与氮利用效率的研究至关重要。此外，植物微生物组和土壤食物网的相互作用对于调节作物生产力和氮的吸收也非常关键。现代微生物组学技术的高速发展使得调控土壤-植物微生物组来提高氮利用率和减少氮对环境的影响成为可能。本文综述了当前在调节土壤微生物氮循环过程以提高氮利用率、增强植物氮吸收的植物-微生物互作，以及土壤微生物组在促进土壤健康和作物生产力方面的前沿进展，还提出了一种潜在的、基于植物-土壤-微生物一体化的研究方法，以提高农业生态系统的氮肥利用率并减少对矿质氮肥的依赖，为我国集约化种植系统的养分管理提供自然的解决方案。

关键词：nitrogen, microbiome, NUE, rhizosphere, phyllosphere, soil food web

茶园中间作大豆、油菜籽可通过改变土壤微生物群落来提高土壤固氮能力

摘要：量化植物功能性状和生态系统服务之间的关系被认为是实现多功能草原系统的途径，而确定性状和服务之间的权衡和协同关系，很大程度上依赖于对不同系统和环境的研究进行meta分析。本研究证实草原系统的长期试验可以探究性状与服务权衡和协同关系背后的生态约束。本研究采用洛桑试验站公园草地实验的地上生物量、物种丰富度和土壤有机碳的数据来量化这三个指标之间的关系，并且解释植物功能性状的变异程度。结果表明，在具有高生产力、氮素投入和土壤有机碳的地块与具有高物种丰富度的地块之间存在着一种权衡，这种权衡主要来源于不同资源获取策略的功能性状梯度。

关键词：intercropping, rapeseed, soil microbe, soybean, tea garden

可持续性氮管理指数（SNMI）：定义、全球评估和潜在改进

摘要：可持续性氮管理指数（SNMI，Sustainable nitrogen management index）综合了作物产量和氮利用效率（NUE，Nitrogen use efficiency）的表现，兼顾粮食生产和环境保护需求。各国SNMI结果表明，在过去40年中，作物氮素管理的整体可持续性有所改变，但该改善主要通过作物产量提高实现，而全球NUE仅略有提高。不同国家之间SNMI值变化较大，且自20世纪70年代以来，差异逐渐增加，表明世界各国在改善氮管理方面取得了不同程度的成功或是失败。在SNMI标准评估中，将1.0和90 kg·ha⁻¹·yr⁻¹作为NUE和产量的参考值。敏感性测试中，用0.8或0.9代替NUE参考值1.0，中东大部分国家和法国SNMI值下降（表现更好），但许多欧洲和拉丁美洲国家SNMI值增加。该指数可通过设定区域特定产量目标和作物潜在产量高质量数据加以改善。SNMI提供了一种简单明了的方法，用单一指标评估各国在可持续氮管理方面的进展。

关键词：global assessment, indicator, nitrogen management, sustainable agriculture, sustainable development goals

挑战与机遇：澳大利亚农业生态系统中的可持续氮管理

摘要：氮是维持生命所必需的营养物质，但人类-环境系统中过量的氮会在局部到全球范围内产生不利影响。因此，为了解决日益关注的粮食安全、环境质量和气候变化等问题，可持续性氮管理在农业生态系统中已经变得越来越重要。由于澳大利亚排放密集型的生活方式和多样的农业生产系统，从广泛的雨养谷物系统到集约化作物和动物生产系统（过度使用氮），澳大利亚正面临着氮管理可持续性的严峻挑战。本文对澳大利亚农业食品体系可持续性发展的主要挑战和未来机遇进行了综述。

关键词：Australian agroecosystems, reactive nitrogen, sustainable development

中国蔬菜生产的可持续性氮素管理

摘要：实现蔬菜可持续性生产亟需氮素管理策略的创新。本研究系统总结了近年来关于中国蔬菜生产系统活性氮（Nr，Reactive nitrogen）损失的相关研究，指出当前研究的局限性，提出中国蔬菜生产中可持续性氮素管理的三个步骤。氮素管理的三个步骤包括但不局限于：（1）科学优化氮肥用量，保持土壤氮素供应，以满足蔬菜在时间、空间和数量上的动态需求；（2）创新产品和技术，以调节土壤氮素形态，促进蔬菜根系生长，从而减少Nr损失；（3）综合的知识和产品策略（IKPS， Integrated knowledge and products strategy）。以科学为基础的氮肥用量优化策略以及创新性的产品和技术，可以维持或增加蔬菜产量，显著提高氮素利用效率（NUE，Nitrogen use efficiency），降低区域和作物Nr损失。更重要的是，基于季节性根区氮管理策略、创新性产品和技术及最佳作物栽培管理的IKPS技术，是生产更多蔬菜，同时降低Nr损失所必需的。

关键词：enhanced-efficiency nitrogen fertilizer, integrated knowledge and products strategy, nitrogen rate, reactive nitrogen loss, vegetable, yield

中国果园和蔬菜田的氮使用和管理：挑战与解决方案

摘要：中国是世界上最大的水果和蔬菜生产国和消费国。果园和菜地年种植面积虽然占耕地总面积的20%，但消耗了中国30%以上的矿质氮肥，已成为活性氮排放的热点。过量施用氮肥不仅降低了氮肥利用效率和水果、蔬菜的质量，还导致土壤酸化、生物多样性丧失和气候变化。¹⁵N标记分析结果表明，果园和菜田区域（OVFs，Orchards and vegetable fields）中氮肥的回收率仅为16.6%，且肥料氮肥大部分残留在土壤中（48.3%）或流失到环境中（35.1%）。北方OVFs土壤硝酸盐积累是氮肥的主要去向，危害地下水的水质，而南方OVFs土壤氮淋滤和反硝化是氮肥的重要去向。因此，迫切需要根据各地区氮素流失的主要途径采取不同的措施减少氮素流失，增加氮肥利用率，包括合理施肥、以有机肥替代矿质氮肥、施肥和添加尿素酶抑制剂的矿质氮肥和硝化抑制剂。

关键词：nitrogen fate, nitrogen fertilizer, orchards, vegetable fields

氮沉降对全球草地影响的研究进展

摘要：草原是全球重要的生态系统，提供关键的生态系统服务，全球草原的物种组成和特征差异非常大。在许多地区，草原的生产力、物种组成和多样性受到来自人类活动的大气氮沉降的影响。虽然对草原栖息地的影响各不相同，但许多草原栖息地出现与土壤富营养化和酸化相关的物种丰富度下降、生物量增加的现象。世界各洲的氮沉降研究工作存在很大差异，欧洲、北美和亚洲部分地区对草原氮沉降影响的研究已取得不错的进展，然而在一些存在较大信息缺口地区的情况并非如此。本文综述了氮沉降对世界各地草原的影响，重点介绍了最新进展和仍需要研究的领域。

关键词：acidification, biomass production, critical load, eutrophication, species composition, species richness