氮素研究進展：從土壤到植物，再到環(huán)境

progress on nitrogen research from soil to plant and to the environment

專 輯 文 章 介 紹

· 第六篇 ·

▎論文id

sustainable nitrogen management for vegetable production in china

中國蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)性氮素管理

發(fā)表年份：2022年

第一作者：張芬1、2

通訊作者：王孝忠1、2

郵箱：wxz20181707@swu.edu.cn

作者單位：1. 西南大學資源環(huán)境學院。2. 西南大學長江經(jīng)濟帶農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究中心。

cite this article :

fen zhang, xiaopeng gao, junjie wang, fabo liu, xiao ma, hailin cao, xinping chen, xiaozhong wang. sustainable nitrogen management for vegetable production in china. front. agr. sci. eng., 2022, 9(3): 373?385 https://doi.org/10.15302/j-fase-2022455

· 文 章 摘 要 ·

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實現(xiàn)蔬菜可持續(xù)性生產(chǎn)亟需氮素管理策略的創(chuàng)新。本研究系統(tǒng)總結了近年來關于中國蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)活性氮（nr，reactive nitrogen）損失的相關研究，指出當前研究的局限性，提出中國蔬菜生產(chǎn)中可持續(xù)性氮素管理的三個步驟。氮素管理的三個步驟包括但不局限于：（1）科學優(yōu)化氮肥用量，保持土壤氮素供應，以滿足蔬菜在時間、空間和數(shù)量上的動態(tài)需求；（2）創(chuàng)新產(chǎn)品和技術，以調(diào)節(jié)土壤氮素形態(tài)，促進蔬菜根系生長，從而減少nr損失；（3）綜合的知識和產(chǎn)品策略（ikps，?integrated knowledge and products strategy）。以科學為基礎的氮肥用量優(yōu)化策略以及創(chuàng)新性的產(chǎn)品和技術，可以維持或增加蔬菜產(chǎn)量，顯著提高氮素利用效率（nue，nitrogen use efficiency），降低區(qū)域和作物nr損失。更重要的是，基于季節(jié)性根區(qū)氮管理策略、創(chuàng)新性產(chǎn)品和技術及最佳作物栽培管理的ikps技術，是生產(chǎn)更多蔬菜，同時降低nr損失所必需的。

· 文 章 亮 點 ·

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1. 總結了中國蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)氮素管理策略。

2. 與谷物作物系統(tǒng)相比，中國蔬菜系統(tǒng)中活性氮損失的研究有限。

3. 科學的氮肥用量優(yōu)化策略可以保持土壤氮素供應，以滿足蔬菜在時間、空間和數(shù)量上的需求。

4. 創(chuàng)新性產(chǎn)品和技術策略可以調(diào)節(jié)土壤氮素形態(tài)，促進蔬菜根系生長，進一步控制活性氮損失。

5. 需要綜合的知識和產(chǎn)品戰(zhàn)略以增加蔬菜產(chǎn)量，同時降低活性氮損失。

· graphical abstract ·

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· 研 究 內(nèi) 容 ·

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▎引言

中國是世界第一大蔬菜生產(chǎn)國，其蔬菜種植面積占全球的42.2%，產(chǎn)量占全球的52.3%。施氮對提高蔬菜產(chǎn)量和改善蔬菜品質(zhì)具有重要意義，然而氮肥過量施用造成溫室氣體排放、富營養(yǎng)化和土壤酸化等一系列環(huán)境問題。目前，中國的農(nóng)業(yè)政策正從化肥零增長向減肥提質(zhì)增效轉變，因此，提高蔬菜產(chǎn)量、降低nr損失和環(huán)境成本對中國蔬菜生產(chǎn)至關重要。本文綜述了我國蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)nr損失的研究現(xiàn)狀，進一步提出了優(yōu)化氮肥管理的關鍵策略，旨在加深對中國蔬菜系統(tǒng)氮循環(huán)的認識，促進蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展。

▎中國蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)nr損失研究的局限性

近幾十年，蔬菜系統(tǒng)nr損失越來越受到關注，但與谷物相比，其研究進展仍較為有限，如玉米體系相關科學研究發(fā)文數(shù)量是蔬菜系統(tǒng)的2.3倍（圖1）。另外，對蔬菜系統(tǒng)的研究主要集中在評估n2o排放和氮淋洗，對于nh3揮發(fā)和氮徑流的研究相對有限（圖1b）。更重要的是，當前缺乏對于中國蔬菜體系中nr損失現(xiàn)狀的系統(tǒng)研究。此外，由于土壤性狀、氣候條件和田間管理方式不同，不同地區(qū)nr損失差異較大，而目前的研究主要集中在太湖流域和華北地區(qū)，對其他區(qū)域（尤其是南方地區(qū)）研究較少。因此，有必要系統(tǒng)地量化不同地區(qū)不同蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的nr損失和相關影響因素，為我國蔬菜系統(tǒng)優(yōu)化氮素管理提供理論依據(jù)。

圖1 2000–2021年間玉米（a）和蔬菜（b）生產(chǎn)中nr損失（n2o排放、nh3揮發(fā)、氮淋洗和氮徑流）的發(fā)文數(shù)量。發(fā)表文章通過web of science和中國國家基礎設施數(shù)據(jù)庫搜索獲得。

▎中國蔬菜系統(tǒng)中可持續(xù)性氮素管理策略

確定合理的氮肥用量是實現(xiàn)可持續(xù)性管理的第一步（圖2和圖3）。目前，推薦氮肥用量的方法有3種：（1）基于土壤分析推薦氮肥用量，即通過在關鍵生長階段測定土壤中的氮含量來確定氮肥用量是否合理，然后調(diào)整施氮策略。代表性方法包括土壤無機氮系統(tǒng)、kns（?kulturbegleitende-nmin-sollwerte）系統(tǒng)、氮素專家系統(tǒng)、psnt（pre-side-dress nitrate test）法、季節(jié)根區(qū)氮管理、1:2土水比提取法、土壤供氮指數(shù)、土壤養(yǎng)分豐度指數(shù)法和區(qū)域平均最優(yōu)施氮法；（2）第二種方法是基于植株分析推薦氮肥用量，即將作物的營養(yǎng)狀況作為判斷作物是否正常生長的依據(jù)，然后將其作為是否追肥的依據(jù)。代表性方法包括作物組織氮分析、葉柄汁液中no3?分析、葉綠素儀、樹冠顏色反射和高光譜遙感等方法；（3）第三種方法是建立施氮量與產(chǎn)量、吸氮量和經(jīng)濟效率等指標之間的效應方程，并根據(jù)不同的指標確定最佳氮肥施用量。還可建立氮肥用量與環(huán)境指標（如nh3揮發(fā)、n2o排放、氮淋洗和徑流）之間的效應方程，以比較不同氮肥用量的環(huán)境風險。

圖2 不同氮管理策略下，谷物（a）和蔬菜（b）生產(chǎn)體系的產(chǎn)量和nr損失。s1指基于知識的氮肥用量優(yōu)化技術；s2指創(chuàng)新產(chǎn)品和技術；s3指綜合知識和產(chǎn)品策略。

圖3 中國蔬菜生產(chǎn)體系可持續(xù)性氮管理策略。

這些方法均被證實是指導氮肥管理的有效方法，但在實踐中，有必要考慮中國農(nóng)村的實際情況，選擇合適的氮肥推薦方法。因地制宜結合多種方法，克服單一方法的局限性，以提高氮肥推薦方法的科學性和實用性。

減少nr損失、提高作物根系氮吸收是優(yōu)化氮肥管理的核心。在谷物種植系統(tǒng)中，優(yōu)化氮肥用量可保持較低的nr損失（圖2a）。然而在蔬菜系統(tǒng)，雖然降低氮肥用量顯著減少了nr損失，但nr損失仍較高（圖2b），尤其是在高溫和降雨量較多的地區(qū)（如南部地區(qū)）。因此，需要創(chuàng)新性的產(chǎn)品和技術結合氮肥用量優(yōu)化，以進一步減少nr損失，提高作物氮吸收。

在優(yōu)化氮肥用量的條件下，創(chuàng)新產(chǎn)品和技術是實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)可持續(xù)氮管理的第二步，可調(diào)節(jié)土壤轉化過程，進一步減少nr損失（圖2和圖3）。該策略包括施用增效氮肥（eefs，?enhanced efficiency nitrogen fertilizers）、有機無機肥結合和施用水溶性肥料。

增效氮肥是蔬菜生產(chǎn)中減少nr損失、提高nue的重要選擇，但仍存在局限性。目前市場上的大部分eefs缺乏特異性，其養(yǎng)分釋放和蔬菜營養(yǎng)需求不完全匹配，需根據(jù)蔬菜營養(yǎng)需求和地區(qū)的差異性開發(fā)不同的eefs。eefs價格較高，對菜農(nóng)沒有吸引力，有必要開發(fā)低成本涂層材料和改進工藝以降低成本。政府應增加對農(nóng)戶和企業(yè)補貼。政府和企業(yè)應共同努力，提高農(nóng)戶對eefs的應用和認識。

有機肥與無機肥結合可滿足蔬菜營養(yǎng)需求同時降低nr損失，促進蔬菜根系生長過程中的養(yǎng)分循環(huán)，改善土壤質(zhì)量，提高蔬菜生產(chǎn)。蔬菜生產(chǎn)過程中有機肥應用應注意以下原則：（1）選擇合適的有機肥，充分考慮安全性、來源和經(jīng)濟成本；（2）充分考慮有機肥營養(yǎng)成分和有效性的條件下確定有機肥的用量；（3）充分考慮勞動力、設備成本和可用性的條件下確定有機肥施用方法。需要開發(fā)適合蔬菜生產(chǎn)的專用和小型有機肥施用設備。農(nóng)業(yè)推廣部門、農(nóng)業(yè)顧問和科學家可以通過農(nóng)民培訓、田間示范和分發(fā)小冊子等方法，提高農(nóng)民對合理施用有機肥的認識。

水肥一體化技術將肥料直接運送到根區(qū)，使水氮供應與作物需求同步。水溶肥施肥技術存在局限性。水溶性肥料配方不一致，需要根據(jù)蔬菜的種類及營養(yǎng)需求配制，同時根據(jù)全生育期水氮需求制定灌溉和施肥制度。水溶性肥料生產(chǎn)和推廣成本高，需要創(chuàng)新生產(chǎn)技術，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成本效益。我國大部分施肥設備沒有智能決策和系統(tǒng)支持技術，需根據(jù)區(qū)域和蔬菜特點創(chuàng)新設備和技術。未來施肥技術的發(fā)展應遵循三大趨勢：（1）水溶性肥料產(chǎn)品的開發(fā)將以功能性、液體肥料、合適的包裝和消費者為中心；（2）施肥設備將是多功能、低能耗和精確的；（3）施肥系統(tǒng)將更加信息化和智能化。

單一的營養(yǎng)管理技術無法進一步提高蔬菜產(chǎn)量，需要創(chuàng)新性綜合策略來提高蔬菜產(chǎn)量、降低環(huán)境影響（圖2和圖3）。通過綜合考慮區(qū)域生態(tài)條件和蔬菜品種特征，設計了蔬菜生產(chǎn)的集成技術（ikps）。ikps技術旨在使用一種組合技術管理營養(yǎng)供應，該技術可整合最佳營養(yǎng)管理、作物管理及創(chuàng)新產(chǎn)品和技術，以滿足蔬菜生產(chǎn)需求，實現(xiàn)高產(chǎn)，同時最大限度減少環(huán)境損失（圖2和圖3）。中國生態(tài)區(qū)多點試驗結果表明，ikps技術可減少氮肥用量、氮盈余，提高產(chǎn)量，降低氮損失和溫室氣體排放，為在中國以較低的環(huán)境成本生產(chǎn)更多的蔬菜提供了機會。但對此仍需深入研究，以促進ikps技術在特定條件下（不同區(qū)域、不同蔬菜品種）的應用。

ikps技術在我國蔬菜生產(chǎn)中的推廣和應用受到勞動力、資源和資金的限制。因此，建議通過科技小院平臺的建立，加強政府、企業(yè)、高校和研究人員的合作，實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)效率和產(chǎn)量的大幅度提高。

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責任編輯：施惠文

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