摘要：氮素管理是实现粮食安全和环境可持续的关键。在本研究中，分析了中国1690个县的小麦、玉米和水稻的氮流动，并对多个反应性氮损失途径进行了分解。结果表明，2015年中国三大粮食作物生产的总氮输入量为22.2 Tg N，其中7.4 Tg N以籽粒氮的形式被收获，4.0 Tg N以NH3( 47 % )、NOx ( 10 % )、N2O ( 3 % )和淋溶径流( 40 % )的形式损失。通过假设生产水平相当于最高N利用效率和产量超过区域平均水平的前10 %的县的生产水平，揭示了在提高净生态系统经济的同时实现国家大宗作物生产目标的可能性。
关键词：氮素管理；氮素利用效率。
文 章 信 息
译名：在中国大宗作物生产中，本地化的氮肥管理策略可以将肥料使用量减半
发表时间：2024年7月27日
期刊影响因子：23.6（2024）
第一单位：环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京师范大学环境学院
通讯单位：环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京师范大学环境学院
文 章 亮 点
1.提供的县级农田氮流动分析
2.建立了来自多种来源的县级氮输入数据库
3.计算了县级NUE和Nr损失例如NH3，N2O，NOx，以及淋溶和径流
文 章 简 介
1 研究意义
氮( N )是作物生产的必需营养元素，在保障人类粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。在本研究中，对中国小麦、玉米和水稻生产系统进行了县级(共有1690个县)N评估。建立了来自多种来源的县级N输入数据库，并估算了县级NUE和Nr损失例如NH3，N2O，NOx，以及淋溶和径流。在此基础上，提出了以追求农业可持续生产为目标的本土化氮肥管理的分阶段实施路径。最后，本文对未来情景进行了分析，实现了NUE排名前10 %的县的生产水平，产量高于区域平均水平，并满足了2050年的粮食需求，在全国范围内减少了52 %的氮相关污染，提高了22 %的净生态系统经济效益。
2 研究方法
（1）计算N输入和N损失。
（2）计算反硝化作用：根据输入类型(无机氮和有机氮)、地理区域(中国南部和北部)和田间类型(旱田和水田)对损失来源进行了分类。
（3）小麦、玉米和水稻的籽粒氮根据产量和氮浓度在县级尺度上进行计算。
（4）评估与氮损失密切相关的县级秸秆还田量和焚烧量。将牲畜饲料、生活能源和工业原料视为秸秆产品。
（5）2050年情景分析以及不确定性分析。
3 研究结果
3.1中国县域尺度三种主要粮食作物的氮素收支
在总氮损失中，7.1 Tg N ( 93 % )是(例如,农田施用合成氮肥和有机肥,秸秆焚烧和还田等)直接损失，而投入(例如,肥料、粪肥、农药和燃料)中存在0.3 Tg N ( 7 % )的间接氮损失，往往被忽视。N输入和N输出之间的巨大差异表明存在大量的N盈余。这笔盈余的很大一部分仍被截留在体系内部。在1690个县中，氮损失较高的县主要位于华北平原(小麦和玉米)、长江三角洲(水稻)和松辽平原(玉米和水稻)。西南(例如,四川、重庆、贵州)山区县域面临氮肥供应不足的挑战。相比之下，( 284 kg N ha-1 ,而全国平均值为227 kg N ha-1)以北的小麦生产、( 337 kg N ha-1 ,低于209 kg N ha -1)以南的玉米生产和(与181 kg N ha -1相比, 228 kg ha-1)以东的水稻生产易受施加过大氮肥问题的影响。
3.2不同形式的Nr损失
氮氧化物损失量较大的县主要分布在东北地区和华东地区，这些损失主要是由于农业生产投入(例如,化肥生产、农药生产)的反硝化作用、机械排放、秸秆残留物焚烧和生产过程造成的。NH3挥发量较大的县区主要集中在东北、华东和长江中游地区。较高的NH3挥发损失主要归因于人工合成氮肥和有机肥的过度使用，特别是在水稻生产中，由于厌氧环境促进氨化，造成空气污染和富营养化，硝态氮淋溶和径流较高的县主要分布在河南省和华东地区，主要原因是氮肥过量施用，部分位于西南地区，主要原因是降雨或灌溉强度较大。水体中硝酸盐水平的升高会导致水体富营养化，破坏生态系统，并带来50 %的健康风险。减少氮损失和减轻相关的负面后果需要更好的肥料管理措施。
3.3经济效益和净生态经济效益
2015年三种主要农作物的经济效益为1468亿美元，但当考虑到损害成本时，净生态经济效益降至1294亿美元。具体而言，产量收益为1847亿美元，成本(包括损害成本)为174亿美元。这些成本主要由损害成本( 31 % )构成，其次是种子( 20 % )、合成氮肥( 19 % )、磷肥( 11 % )、柴油( 6 % )和钾肥( 6 % )。就作物类型而言，水稻主要由于单价高而获得最大的产量收益(稻米, 742亿美元;玉米, 675亿美元;小麦, 429亿美元)，而玉米主要由于单价高而获得最大的成本(玉米, 239亿美元;稻米, 167亿美元;小麦, 146亿美元)。这主要归因于玉米中大量的合成氮肥投入以及随之而来的社会经济和环境方面的损害成本。净生态经济效益的空间分布与总Nr损失的地理分布一致，表明Nr损失与社会经济条件关系密切。
3.4可持续大宗作物的本地化N管理
设计了包括识别、资源提供与技术支持、管理优化与政策制定、目标管理在内的分阶段实施路径，以实现本土化的氮管理。根据气候和生态特点，将产区划分为东北、华北、华东、华南、华中、西北和西南7个农业生态区。我们在全国范围内对N流动进行了明确的空间评估，使每个区域内的县根据其氮利用效率进行分类。区域内所有县域按照氮利用效率降序排列，再平均分为4等份。NUE低的县往往位于经济条件欠发达的偏远山区，建议提供必要的农业材料(例如,化肥、农药、机械和种子等)，并提供必要的技术支持，以帮助其优化以提高产量和可持续生产。对于高氮素利用效率县域而言，其氮素利用效率已经相对提升，需要进行精准的、有针对性的管理改进(例如,便携式光学传感器、遥感、可变速率应用技术等)。
3.5面向2050年作物可持续生产
据预测，由于动物饲料、生物燃料生产和工业用玉米需求的不断增长，中国玉米生产需求将增加到37 114万t ( 68 %高于目前玉米产量)。然而，受人口下降的影响，2050年中国小麦和稻米的需求量将分别下降至112.20 Mt (当年小麦产量的96 %)和115.89 Mt (目前水稻产量的70 %)。
3.6本地化N管理的建议
首先，虽然本文的分阶段实施路径为各县的本地化N管理提供了指导，但它不足以为每个县提供具体的优化策略。对N流的空间显性分析为制定县域分类规则以设计特定区域的最优策略提供了机会。这些规则可以考虑与农户相关的变量、经济指标、自然条件和土地利用因素等主要的NUE限制因素的各个方面。其次，研究主要集中在农业部门，由于可获得的数据有限，忽略了向农作物部门提供农业投入的其他经济部门。本地化N管理的实施结果，如化肥部门潜在的工作损失，导致经济效益被高估。未来的研究可以扩大范围，以评估对其他相关经济部门的影响。第三，一些数据，包括大气氮沉降、农业生物固氮、燃料输入和秸秆利用，在县级尺度上无法获得。未来的研究和全国性的调查可以通过解决这些数据缺口来帮助提高N流量估算的准确性。
4 主要结论
2015年中国三大粮食作物生产的总氮输入量为22.2 Tg N，其中7.4 Tg N以籽粒氮的形式被收获，4.0 Tg N以NH3( 47 % )、NOx ( 10 % )、N2O ( 3 % )和淋溶径流( 40 % )的形式损失。通过假设生产水平相当于氮利用效率最高和产量超过区域平均水平的前10 %的县的生产水平，揭示了通过减少49 %的合成氮肥投入( 10.4 Tg N)和52 %的氮损失( 2.9 Tg N)，在2050年实现国家大宗作物生产目标的同时提高净生态系统经济效益的可能性。
Reference:Liu, Y., Zhuang, M., Liang, X. et al. Localized nitrogen management strategies can halve fertilizer use in Chinese staple crop production. Nat Food (2024).
https://doi.org/10.1038/s43016-024-01057-z
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生李梓歆
