氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境
从土壤开始，逐渐发展为植物，并最终形成
专 辑 文 章 介 绍
· 第十三篇 ·
▎论文ID
关于中英合作事宜：联合举办会议讨论具体方案，涉及多个领域议题，共同推进项目进展。
提高农业氮素利用效率的进展：中英农学氮素虚拟联合中心
发表年份：2022年
第一作者：Tom
通讯作者：Tom
：tom.@.ac.uk
作者单位：英国桑洛研究所
Cite this :
汤姆，白，蔡，曹，牛万，崔，大卫，基思，蒋瑞，琼斯戴维，朱，刘，陆，马琳，大卫，里斯姆，施密特乌特，彼得，罗杰，约翰，吴，徐，徐文，张福寿，张，周，刘在，英国和中国，联合，在，农业科学工程前沿，2022年，第9卷，第3期，第475至489页
· 文 章 摘 要 ·
为了提升农业中氮肥的利用效能，同时达成增加粮食产量和降低氮肥过量对环境造成破坏的两种目的，中国和英国合作建立了两个农业氮素虚拟联合机构，分别是CINAg和N-，这些机构致力于增强农业生产体系内氮素的运用水平，并减少活性氮对环境的流失。这项研究将着重阐述，首先是如何提升肥料氮素利用效率，其次是如何妥善处理牲畜排泄物以降低对环境的负面效应，同时提升氮素利用效率，再者是如何深入认识土壤状况及其对提高耕地氮素利用效率的影响，最后是如何提出相关政策制定和知识传播的建议以促进改进。
· 文 章 亮 点 ·
1.中英两国成立了农学氮素虚拟联合中心。
研究的核心在于提升肥料的有效使用程度，妥善处理动物排泄物，并且维护土地的良好状态。
3.确定和评估了改进氮素管理的方法与技术。
4.减少化肥排放和改善粪便管理是缓解环境问题的关键环节。
· ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
近些年，国内氮素产品使用量急剧上升，约占全球人工制造氮肥总量的百分之二十二。氮素利用效率普遍不高，并且远远超过了大气和水体中的环境氮素承载极限。英国的农业已经构建了完善的学问积累和污染监管体系，中英两国在2016年设立了两个农学氮素虚拟联合机构VJCs，分别是CINAg和N-，这两个机构都明确了一些有助于优化氮素使用的可行措施，所开展的研究突出了采用整体性策略的必要性，检测了氮素管理整体成效的提升幅度，并且预防了单一措施可能引发的连锁反应，这两个机构研究的主要目标是为两国提供实际的中短期办法，以提高农业氮肥的应用效益。
图1 展示了1950年，我国化肥中氮的实际施用量，以及为满足粮食需求所预估的氮素化肥施用量之间的对比情况
▎提高化肥氮素的利用效率
1.氮素管理指标
农业生产环节中，衡量氮素应用状况的适宜参照有氮转化成效和氮素盈余量，前者通常指衡量化学肥料中氮的施用效益，后者则表示整体氮素投放与作物吸收之间的差额关系，然而国内针对农业领域此类参照的研究较为匮乏。为此，该研究依据农场实地试验数据，针对我国核心耕作模式，确立了在最优氮素管理条件下氮素盈余量的基准数值，并检测了氮转化成效是否得到改善。双作业模式和单一作业模式的氮素盈余平均值分别是160（介于110到190之间）和73（介于40到100之间）千克每公顷每年，肥料中氮的施用量在294到381和127到184千克每公顷每年之间，氮利用效率的范围是52%到70%和57%到80%。
2.氮素施用率和改良作物品种
氮素常规曲线揭示，氮素利用效能随施用氮素水平的提升而逐步减弱。据此，氮素利用效能需在预设的最低理想单产与最高氮素剩余量条件下加以界定。经济上适宜的氮素施用量因产品与氮素肥料价差不同而有所区别。不同作物间的表现差异，能够为培育和评价新型栽培品种提供有益参考。文章在此进一步阐述了一种新思路，主张依据植物对氮元素的敏感程度来挑选所需氮量较少的作物类型；当肥料用量控制得较小时，选用对氮需求反应更为剧烈的作物类型，能够获取最为理想的经济回报。
3.提高肥料效率
施用添加脲酶或硝化抑制成分的肥料有助于提升农作物收成，或者在减少氮素施用量时维持收成水平，并且能够大幅度降低氮素对环境的耗损。这些抑制成分还可能改变土壤内总氮的转化过程，不过现阶段尚不明确长期使用这类增强型肥料会对土壤微生物群落及邻近自然环境产生何种后果。脲酶和硝化抑制成分同样能与有机废弃物相结合，尤其是那些含干物质比例不高的材料，例如淤泥和沼气发酵液。施加硝化阻碍剂确实能够降低田地中N2O的释出量，不过并未促使谷物收成有显著提升，所以说对农户而言，使用硝化阻碍剂是一种纯粹的经济损耗。
4.塑料薄膜覆盖法
在干旱和半干旱地带覆盖作物采用塑料膜，并配合适宜的氮素肥料运用，跟没有使用塑料膜的方法比起来，能显著增加作物收成和氮素利用效率。深入探究各种耕作方式、土壤状况和地域的土壤氮素转化、吸收和流失状况，以及可分解塑料膜和不可分解传统塑料膜之间的差别，将有助于拟定清晰管用的农户指导方案。
5.耕作系统设计
从整体农业生产体系角度出发，制定调控手段，以便全面把握并统一氮素代谢的各个环节。针对华北平原农业模式的研究显示，采用新型轮作替代传统种植方式，可使肥料使用效率提升27%至44%，并且有效降低地下水的污染程度。
6.发展气体通量的测量和分析方法
环境与管理因素随时空变化，导致难以精确计算小尺度实验中N2O和NH3等活性氮（Nr）的损耗量。NH3极易被吸附，因此在小范围实验里，其排放量更难测定。室内法是测量N2O通量的一种普遍且操作简便的技术，然而N2O的排放量在野外环境中的时空分布难以预测，导致插值计算十分复杂。借助统计学手段能够更清晰地揭示N2O通量测量的对数正态分布特征，同时采用贝叶斯方法处理室内测量数据，有助于提升累积通量的计算精度，并有效降低估算结果中的误差范围。
▎牲畜粪便的管理和使用
牲畜排泄物的高效利用，对于降低无机肥料消耗和提升土壤有机质含量具有显著作用。具体措施包括，研发新的处理技术，以增强堆肥的稳定性和最终产品的质量，例如采用封闭式反应器进行堆肥作业，通过酸化处理或添加特定物质，施加电场作用于堆肥原料，以及酸化处理废弃物流。利用-NPK这类模式，旨在为国内构建一套参考价值较大的有机物质成分参考方法，该物质主要源自家畜排泄物，能够提供养分含量的评估依据。
▎土壤健康
为了有效改善土壤状态并探究土壤状态同氮素利用效率的关系，需要从以下几个方面着手增强土壤状态：（1）确立农田土壤状态的评估体系：VJC建议在提升氮素利用效率的框架下，选取与土壤功能紧密关联的指标（见表1），将这些指标作为核心参考，或者进一步深化对相关机制的认识。提升土壤碳素：借助施加有机肥料、优化土地养护方式、推行保护性耕作等手段，在提升土壤氮素吸收效率的同时，也能增强土壤中的有机碳积累。调节土壤酸度：采用石灰改良（效果显著但经济和人力消耗大）；运用高碳氮比率的作物秸秆进行固定，并适量混合粪便、其他改良物质，再降低化肥的使用量。提升土地生态系统的生物多样性：引入拥有多种根系构造的微生物群落；实施覆盖作物种植；推行混合种植和作物更替；减少耕作次数或停止翻耕；施用腐殖质肥料等。
表1 与NUE相关的土壤功能指标的潜在度量发展框架
▎政策制定和知识交流
维加斯国际中心在推动中国制定可持续农业生产政策方面发挥了关键作用，同时为环境保护政策的制定提供了有力依据。政策的实际效果取决于其有效执行，因此必须构建顺畅的知识共享渠道，并在必要时给予支持和鼓励，从而促进优良实践的形成。中国农业以小农户经营为主，这种结构导致氮肥管理面临更大难度。实践证明，科技小院计划是直接对接农户的有效途径，它借助培训与示范，推广了先进技术，并在相当范围内产生了效果。VJC期间，见到村庄层面肥料供应和合作组织出现，让个体农人得以精准获取适配的肥料用量和配比，先前他们常因标准包装量过大而施用过量，且很少顾及养分均衡。此方法或可推广至全球其他区域，例如印度（个体农耕占据主导地位）。不过，在中国农业布局持续演进的背景下，同大型服务主体及其配套的农业项目供应与扶持单位联手，同样具有关键作用，如此一来，便能在初步环节以更经济的方式实施高效的氮素调控。
▎大型合作项目的经验教训
双方地位对等且投入资金相同时，能够获取最大化的收益。联合中心开辟了一片涉及政策的研究范畴，确保所有合作者的深度介入。借助周期性的会晤、即时的联络、踊跃的互动，以及研制联合的出版物等成果，能够确保合作者的不断参与。研究方也从整体性的实验和建模准则的制定中有所得益。不过依旧存在一些问题：其一，尚未有一个同时获得中国和英国资金支持的博士生培养计划。其二，在项目启动阶段没有更广泛地利用公共研究设施，也没有采用一致性的实验手段和操作平台。其三，虽然先进技术有助于提升氮肥使用效率，但推广过程中必须兼顾社会层面，需要考察农业技术革新在当地推行所需的社会条件，例如耕地规模、经营模式以及农民的年龄构成等。
▎结论
VJC当前的研究工作，有助于发现并衡量可能的管理办法和纠正手段，以达成若干目的，例如，综合运用有机与无机肥料资源进行营养管理，设计营养指导方案，应用增强型高效肥料和排泄物处理方法，以及加深对土壤健康核心要素的认识。该项工作着重指出，构建一套完善的氮肥调控方案十分关键，旨在提升氮肥的综合利用率，同时防止单一措施引发非预期的连锁反应。在这种情形下，优化农场及区域层面的肥料排放与排泄物处理办法，极有可能成为有效的缓解手段。VJC在推动政策形成方面发挥了积极作用，并展现了农场及区域层面改进的广阔前景。