来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2022/10/31 9:51:28
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FASE | 前沿研究:中国果园和蔬菜田的氮使用和管理——挑战与解决方案

论文标题:Nitrogen use and management in orchards and vegetable fields in China: challenges and solutions(中国果园和蔬菜田的氮使用和管理——挑战与解决方案)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Xueqiang ZHU, Peng ZHOU, Peng MIAO, Haoying WANG, Xinlu BAI, Zhujun CHEN, Jianbin ZHOU

发表时间:15 Sep 2022

DOI:10.15302/J-FASE-2022443

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氮素研究进展:从土壤到植物,再到环境

Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第七篇 ·

▎论文ID

Nitrogen use and management in orchards and vegetable fields in China: challenges and solutions

中国果园和蔬菜田的氮使用和管理:挑战与解决方案

发表年份:2022年

第一作者:朱学强1,2

通讯作者:周建斌1,2

 jbzhou@nwsuaf.edu.cn

作者单位:1. 西北农林科技大学资源环境学院。2. 西北植物营养与农业环境重点实验室。

Cite this article :

Xueqiang ZHU, Peng ZHOU, Peng MIAO, Haoying WANG, Xinlu BAI, Zhujun CHEN, Jianbin ZHOU. NITROGEN USE AND MANAGEMENT IN ORCHARDS AND VEGETABLE FIELDS IN CHINA: CHALLENGES AND SOLUTIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 386395 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022443

· 文 章 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。

· 文 章 亮 点 ·

1. 中国果园和菜田区域过度施用氮肥现象尤为常见。

2. 长期过度施用氮肥使OVFs成为氮盈余和损失的热点区域。

3. 土壤剖面中的硝酸盐积累是OVFs系统中氮肥的主要残留方式。

4. 减少氮盈余是减少氮损失和增加氮素利用率(NUE,Nitrogen use efficiency)的最有效方法。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

氮肥的应用为全球近一半的人口提供了食物。然而,据估计,超过50%的氮肥以各种方式流失到环境中,导致一系列问题,如氮利用效率低、土壤酸化、富营养化、气候变化和生物多样性丧失。了解农业系统中氮盈余的热点和氮去向对于控制氮流失和氮肥施用量至关重要。中国消费了全球年氮肥产量的30%以上。与谷物作物相比,在中国果园和菜田过度施用氮肥很常见,被认为是氮盈余和损失的热点。因此,全面了解不同地区OVFs氮肥的去向,当务之急是优化中国农业氮管理。

▎果园和蔬菜田的开发和氮肥使用情况

中国的水果和蔬菜作物产量自20世纪80年代末以来迅速增长。果园和蔬菜种植面积分别由1980年的1.8和3.2 Mha增加到2019年的12.3和20.9 Mha,占全国耕地总面积的20%(图1a)。果园和蔬菜在中国种植业生产中分别排在第二位和第三位,对中国农业经济和农民收入具有重要意义。随着OVF面积的增加,中国年施氮量大幅增加(图1a)。中国OVF种植面积占全国种植面积的20%,OVF年矿质氮用量占全国矿质氮年用量的32%(~10 Tg·yr−1 N,图1b)。中国OVFs超量施用氮肥的现象尤为普遍,显著高于专家推荐的水平。中国OVFs的氮素过剩平均值也显著超过欧盟氮素专家小组建议的氮素过剩阈值(80 kg·ha−1 N)。缺乏对作物氮素需氧量和土壤剖面氮素积累的认识,忽视有机肥料的添加、氮素沉降和灌溉的作用,是造成小农氮肥过量使用的主要原因。

图1 1978年至2019年果园和菜田面积占总种植面积的百分比,矿物氮肥(a)的使用情况,以及2014年中国不同作物系统使用的氮肥的百分比(b)

▎果园和蔬菜田中氮肥残留方式

氮肥在土壤和植物系统中的去向包括作物的吸收、土壤的积累和流失。与其他方法相比,15N同位素标记法可准确量化氮肥残留去向。考虑到研究使用OVFs中的植株不能代表所有田间条件,本文总结了中国OVFs田间15N标记分析结果(表1)。结果表明,在施用季节,OVFs的氮平均回收率为16.6%,显著低于用其他方法测定的主要大田作物的氮平均回收率(小麦、玉米和水稻分别为25%、33%和28%)。

表1 本季果园和菜田氮肥去向的途径(15N标签法)

15N标记分析显示,OVFs土壤中肥料氮累积量平均占氮肥施用量的48.3%(表1)。许多田间研究表明,土壤剖面中硝酸盐积累是OVFs残留氮肥的主要形式之一,尤其是在中国北方地区。过量施用氮肥、较厚的包气带、较强的土壤硝化作用和较弱的反硝化作用(可溶性有机碳含量低、通气性好)可能是中国精耕细作区包气带硝态氮积累高的原因。与华北地区土壤和气候条件相比,华南热带和亚热带地区的OVF具有较高的降水和温度,以及较浅的包气带。氮淋滤和反硝化损失可能是这些农业生态系统中氮肥的主要去向(图2)。总体而言,华北较厚包气带土壤硝态氮积累是氮肥的主要残留方式,而华南降水较多、包气带较浅的地区OVF的主要残留方式可能是氮淋滤和反硝化损失(图2)。

图2 果园和菜田中氮的主要损失路径及其对不同气候区地下水质量的潜在影响示意图。左边板块:土壤具有更深的渗流层,蒸散量高于降水和灌溉量,因此硝酸盐主要在上层土壤剖面积累。中间板块:土壤有一个深的渗流区,蒸散量几乎等于降水和灌溉量,因此土壤剖面中积累的硝酸盐已被浸入地下水中。右边板块:土壤有较浅的渗流区,蒸散量低于降水和灌溉量,因此氮浸出和反硝化是氮损失的主要途径。

中国OVFs的平均氮素损失率为35.1%(表1)。值得注意的是,基于15N标记法定量氮素的分布时,大多数研究只测定了15N在浅层(<100 cm)的积累,而忽略了15N在深层的积累,然而,许多研究表明OVFs中硝酸盐的积累深度可能超过200 cm。因此,土壤中肥料残留氮可能会被低估,从而导致氮肥损失的估计过高,尤其是在华北较厚包气带地区。土壤中氮的气态损失包括NH3挥发和硝化反硝化产生的N2O和N2排放。与菜地相比,果园氮肥施用深度通常更深(深度>25 cm),因此果园中NH3的挥发会显著降低。设施蔬菜生产是中国蔬菜生产的重要组成部分。在设施系统中,土壤表面挥发出的NH3被植物冠层再次吸收或溶解在温室膜水中,由于其半封闭结构而返回土壤。经过3个季度的研究发现,整个温室的氨挥发量(日光温室通风区NH3排放)仅占土壤表层NH3挥发量的13.4%–33.7%,NH3排放因子仅为0.46%–1.48%。如果用土壤表层NH3排放因子来估计设施蔬菜系统的NH3损失,则会高估上述环境下的NH3损失。因此,由于中国OVFs的特殊环境和不同的管理措施,需要进一步改进确定氮肥流失途径的新方法。

▎果园和蔬菜田的过度氮输入的影响

由于长期过量施用氮肥,OVFs是中国农业系统氮肥富余和氮肥利用率低的热点区域。这不仅浪费资源,而且影响蔬菜和水果的质量。OVFs中过量施用氮肥会导致土壤盐渍化、酸化和土壤退化,从而对作物生长产生负面影响。农业生态系统的高氮过剩也会导致生物多样性的丧失和气候变化,深层土壤硝态氮的过量积累增加了地下水污染风险。中国北方其他OVF集约化种植区地下水硝酸盐污染也普遍存在,反硝化技术难以有效去除地下水中的硝酸盐。此外,土壤硝态氮的高积累和迁移给地下水硝态氮污染控制带来了巨大的挑战。此外,地下水一旦受到污染,便很难得到改善,应更多地关注高氮富余地区的降雨和灌溉。

▎果园和蔬菜氮素管理的建议

确定OVFs中氮肥的主要残留方式是提高氮肥利用率、控制氮肥流失的关键。然而,与谷类作物相比,中国OVFs中氮肥的去向还尚不明确。鉴于中国各地区OVFs气候、土壤和管理措施存在差异,需要更多的研究来了解这些系统中氮肥的主要残留方式。目前,关于OVFs中氮肥的去向和氮素流失的研究大多集中在田间尺度,很少有针对流域或区域尺度的研究,因此为中国果蔬产业提供氮肥管理决策和咨询建议尚存在困难。减少氮素损失,增加氮素利用效率的可行建议如下(图3)。

图3 果园蔬菜系统中减少氮损失和增加氮素利用率的方法。MF和OF分别代表矿物氮肥和有机氮肥。

使用4R(正确的来源、正确的速率、正确的时间和正确的地点)方法优化氮输入是基本解决方案。由于中国OVFs过度施用氮肥的现象十分普遍,降低氮肥施用量是减少氮肥损失最直接有效的途径,但是否能保证产量不下降有待进一步研究。与矿质氮肥相比,有机肥部分替代矿质氮肥(30%–60%)可显著降低N2O排放、NH3挥发和氮浸出。综合分析结果表明,合理使用有机肥替代无机肥(有机肥配比小于70%)可提高蔬菜产量,降低活性氮排放。种植业和畜牧业的分离使得OVFs的有机肥料供应面临挑战。因此,有必要研究农畜系统如何结合从而促进区域氮素循环,减少氮肥用量。过量施用氮肥并且漫灌是造成农业系统氮淋失的主要原因。施肥应匹配作物生长季对水和氮的需求,会有效减少氮的积累和损失。与漫灌相比,滴灌不仅减少了水和氮的输入,而且显著减少了土壤硝态氮的积累和N2O、氮淋失的排放,提高NUE。因此,需要研究中国不同区域OVFs水氮综合调控的关键技术和措施。发展肥料、土壤氮素供应和植物氮素需求同步的高效氮肥体系,是提高氮肥利用率和减少氮肥损失的另一种途径,包括控释肥和不同抑制剂配施氮肥。与单独施用尿素相比,施用脲酶抑制剂可降低NH3挥发、硝态氮淋出和N2O排放。施用硝化抑制可显著降低菜地硝态氮淋出和N2O排放。此外,施用硝化抑制剂可通过减少无机氮的硝化作用,减少坡地果园氮的径流损失。值得注意的是,硝化抑制剂虽然可以减少N2O排放,但是NH3挥发量的增加将抵消这种有益效果。因此,发展高效氮肥系统是减少氮肥损失的重要途径,但应重视不同氮肥损失途径的权衡。

▎本文观点

中国OVFs年施氮占比超过30%。长期过量施用氮肥致使OVFs成为氮肥过剩和氮肥流失的热点区域。硝态氮在土壤剖面上的积累是北方OVFs土壤剩余氮的主要归宿,并导致地下水污染加剧。考虑到中国OVFs的气候、土壤和管理措施的空间变化,需要更多的研究来阐明不同系统中氮肥的主要残留方式。在过量施氮区降低施氮量是减少氮肥损失、提高氮肥利用率最直接、最有效的途径。另外其他提高氮肥利用率的措施包括:用有机肥替代矿质氮肥,用滴灌替代漫灌,使用控释氮肥,将矿质氮肥与脲酶抑制剂、硝化抑制剂混合施用。

摘要

China is the largest producer and consumer of fruits and vegetables in the world. Although the annual planting areas of orchards and vegetable fields (OVF) account for 20% of total croplands, they consume more than 30% of the mineral nitrogen fertilizers in China and have become hotspots of reactive N emissions. Excess N fertilization has not only reduced the N use efficiency (NUE) and quality of grown fruits and vegetables but has also led to soil acidification, biodiversity loss and climate change. Studies using 15N labeling analysis showed that the recovery rate of N fertilizer in OVFs was only 16.6%, and a high proportion of fertilizer N resided in soils (48.3%) or was lost to the environment (35.1%). Nitrate accumulation in the soil of OVFs is the main fate of N fertilizer in northern China, which threatens groundwater quality, while leaching and denitrification are the important N fates of N fertilizer in southern China. Therefore, taking different measures to reduce N loss and increase NUE based on the main pathways of N loss in the various regions is urgent, including rational N fertilization, substituting mineral N fertilizers with organic fertilizers, fertigation, and adding mineral N fertilizers with urease inhibitors and nitrification inhibitors.

美编 | 冯晨晨

编辑 | 李云舟 石靓

审稿 | 许建香

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