论文标题：Optimizing nitrogen management in the food system for sustainable development: a case study of Quzhou County

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Fanlei MENG, Menru WANG, Yong HOU, Lin MA, Wenqi MA, Xuejun LIU, Fusuo ZHANG, Wen XU

发表时间：15 Mar 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024540

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中国农业绿色发展：洞察与进展

Agriculture Green Development in China: Insights and Advances

专 辑 文 章 介 绍

· 第八篇 ·

▎论文ID

Optimizing nitrogen management in the food system for sustainable development: a case study of Quzhou County

食物系统氮素可持续管理：以曲周县为例

发表年份：2024年

第一作者：孟凡磊

通讯作者：许稳

邮箱：wenxu@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院

Cite this article :

Fanlei MENG, Menru WANG, Yong HOU, Lin MA, Wenqi MA, Xuejun LIU, Fusuo ZHANG, Wen XU. Optimizing nitrogen management in the food system for sustainable development: a case study of Quzhou County. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(1): 113–121 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024540

· 文 章 摘 要 ·

氮素是食物生产的重要元素，随着人口快速增长需要大量的氮素投入满足食物生产的需求。如果缺乏科学的氮素管理，大量的氮素损失会对粮食产量、大气水体质量、经济收益等产生多方面的影响。本研究以华北平原曲周县为案例，论述了食物系统氮素多目标协同管理的研究思路。第一，基于食物链研究方法定量分析食物系统氮素流动特征及驱动因素；第二，综合考虑食物安全、环境可持续和经济可持续明确“减排、增效、增产和增值”的氮素可持续管理目标；第三，阐明“源头减量–氮损阻控–促进循环”3R氮素管理策略及技术潜力；最后，综合讨论联合不同利益相关者 (政府、高校、企业和农户等) 共同创新氮素管理落地技术模式。

· 文 章 亮 点 ·

1. 建立了多目标协同提升的食物系统氮素可持续管理研究框架。

2. 优化食物链研究方法精准定量食物系统氮素流动特征。

3. 基于“3R” (Reduce-Retain-Recycle) 原则探究氮素可持续管理策略。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

氮素是食物生产基本元素，但不合理的氮素管理导致大量氮素损失到环境中，引发大气污染、水体污染和气候变化等生态环境问题。探究保障食物安全、环境可持续和经济可持续多目标协同提升的氮素可持续管理策略至关重要。

实现多目标协同提升的氮素可持续管理面临如下挑战：(1) 精准定量分析食物系统氮素流动特征。氮素的可持续管理不仅需要覆盖从作物生产到食物消费整个生产链条，而且还要能够聚焦分析具体作物动物的氮素损失特征。结合多源数据 (调研数据、监测数据、统计数据和文献数据) 和模型的方法是实现食物系统氮素流动精准定量的基础；(2) 构建多维度氮素管理目标。氮素管理目标是约束实现氮素可持续管理的准则。随着氮素损失引发的环境影响和氮素管理技术收益的深入理解，以食物安全、环境可持续和经济可持续倒逼约束食物系统氮素管理至关重要；(3) 建立可行性氮素管理策略和技术途径。种植养殖业氮素管理技术得到快速发展，传统研究侧重单项技术或单一过程的优化潜力评估，缺乏以氮素管理目标为约束的氮素管理综合策略研究，并且氮素管理技术缺乏与不同利益相关者共同探索落地模式。本文为华北平原曲周县为案例，探究了“氮素损失评估–管理目标构建–减排技术制定”多目标协同提升的氮素可持续管理研究思路 (图1)。

图1 食物系统氮素多目标协同管理研究框架。

▎研究结果

1. 曲周县食物系统活性氮损失特征

基于农户调研数据、监测数据、统计数据和文献数据进一步更新完善了食物系统养分流动模型 (NUFER)。研究结果表明：2020年曲周县食物系统氮素损失约为9400吨，其中作物和动物生产贡献了88%。小麦、玉米、生猪和蛋鸡是活性氮损失的主要贡献源。氨挥发和硝酸盐淋洗贡献了总活性氮损失的69% (图2)。

图2 2020年曲周县食物系统氮素损失特征。

2. 曲周县食物系统氮素管理目标及实现潜力

本文综合考虑食物安全、环境可持续和经济可持续三个维度构建了食物系统氮素可持续管理指标体系，指标的选择是在覆盖三个维度前提下，考虑了当地主要环境问题和数据的可获取性，共计7个管理指标 (表1)。为实现氮素管理目标，本研究基于“源头减量–氮损阻控–促进循环”的原则系统集成氮肥减量、肥料深施、新型肥料、低蛋白饲喂、堆肥和粪肥还田技术应用在主要作物和动物上实现粮食增产15%，硝酸盐淋洗减少12%，食物系统氮素效率提升31%和农业增值约9%，实现食物系统氮素多目标协同提升治理。

表1 曲周县食物系统氮素多目标协同提升的技术优化潜力

· 展 望 ·

本研究以华北平原曲周县为案例，结合“自上而下”和“自下而上”的方法阐述了食物系统多目标协同提升的氮素可持续管理研究思路。为氮素可持续管理提供启示和借鉴。未来我们仍需要进一步探索如下工作：

(1) 进一步发展食物系统养分流动模型帮助我们更好理解氮素流动特征和驱动因素。尤其需要加强与监测数据的结合实现对模型关键参数进行本地化。

(2) 完善氮素管理目标的指标体系。氮素管理的目标构建不仅需要考虑重点区域问题，还要紧密结合人类健康需求 (如营养等指标)。

(3) 探究可行性的氮素管理技术，氮管理技术的发展为氮素管理技术组合提供了更多选择，并且技术的本地适用需要联合不同利益相关者 (政府、企业、高校和农户) 创新技术落地模式。

编辑 | 唐静月 李云舟

审稿 | 许建香

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