土壤—作物氮循环系统。课题组供图

“庄稼一枝花、全靠肥当家。”氮肥施用对于提高全球作物产量至关重要，然而现实中，我国小农户集约化粮食生产用肥量大、资源环境代价高、养分利用率低等一系列问题依然存在。

近日，中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院崔振岭教授课题组在美国《国家科学院院刊》在线发表论文，发布了全国主要粮食作物县域氮肥施用定额，创新了一种氮素动态平衡优化管理新方法，突破了集约化小农户氮肥管理的难题。

该项研究将为我国可持续氮管理提供解决方案，助力农业绿色发展，对全国乃至全球可持续发展具有重要意义。

可持续氮管理面临的挑战和任务

氮肥施用的重要性不言而喻，但也加速了土壤氮生物化学循环，导致了大量活性氮损失，加剧了生态环境负面效应。如农业NH₃的排放占全球总排放的80%~90%，N₂O排放占全球排放量的70%。

农户如何管理土壤—作物系统中的主要氮循环过程直接影响当地生态环境，决定了全球粮食安全和可持续性发展。

“集约化小农户氮管理受限于知识与技术的匮乏，往往采用过量的保险施肥量来保证作物产量，此举不仅造成肥料的巨大浪费，也附带导致一系列的环境风险问题。因此，转变小农户氮肥管理实践、采用先进的氮管理技术、大幅提高氮肥利用效率是实现全球可持续发展目标的优先选项。”论文通讯作者崔振岭在接受《中国科学报》采访时表示。

我国农业是典型的小农户经营，人均耕地不足1公顷。农户过量施用氮肥引起了一系列的生态环境问题，严重威胁区域农业绿色发展。

崔振岭介绍，我国长期致力于氮肥管理的研发投入，开发了许多先进的氮管理技术，例如测土配方施肥技术，植物快速诊断技术、遥感技术，手持叶片氮传感器等。这些技术可以显著降低氮肥投入，提高氮利用效率，保证粮食产量，但技术测试成本较高、取样复杂、计算方法不易掌握，常导致技术采用率不高，大面积应用面临挑战。

“因此，改进当前的氮管理方法，使其易于实施、价格便宜、灵活，并且省工省力是农业可持续氮管理面临的重要任务。”他表示。

“三步走”开发氮管理新方法

论文第一作者，中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院博士后尹宇龙向《中国科学报》介绍，这项研究首先基于小麦—玉米轮作8年16季长期定位试验，提出了氮素动态平衡优化管理方法的理论框架；然后，创新了氮素动态平衡优化管理方法，考虑每个县特定的地理、土壤和气候条件，建立了我国2036个县的粮食作物生产（小麦、水稻和玉米）的氮肥施用定额，并在中国粮食作物主产区进行了约1.8万次试验，对氮素动态平衡优化管理方法进行了更广泛的测试；最后，利用13760个田间试验，在全国1468个县上进行大面积适用性效果验证。

北京东北旺进行的长期定位试验表明，随着氮肥优化的逐年进行，土壤—作物系统中残留氮素与易矿化氮素逐年减少，最终达到动态稳定平衡状态，此稳定状态出现在定位试验的第5年。

“研究团队田间实测并记录了外部氮输入（氮肥投入、环境氮投入）、作物氮吸收输出、氮损失和土壤中氮库，发现环境氮投入量为87 kg N ha^-1，与氮损失量（75 kg N ha^-1）相当，这种稳定态的氮损失远远小于农户常规管理氮损失（288 kg N ha^-1）。”尹宇龙说。

研究团队利用大数据分析与田间实测数据相结合的方法，首先利用搜集整理的全国3007个氮损失试验研究结合空间气候、土壤性质及地理环境因素，估算了我国主要粮食作物1km×1km单位面积栅格活性氮损失量，包括氨挥发、氮淋洗、氮径流、氧化亚氮排放。之后根据作物类型分别计算了各个县的单位面积环境氮投入，包括大气氮沉降、生物固氮、灌溉水带入氮。最后利用全国2005年至2014年864万农户调研数据，估算了氮素吸收量、通过秸秆还田率等计算了作物氮素带走量。

基于以上分析，研究确定了我国粮食作物2036个县的氮素动态平衡。尹宇龙介绍：“本研究采用全国农户平均产量作物氮带走量为下限、县域产量前10%作物氮带走量为上限，建立了每个县最优的施氮水平，定量了优化氮肥用量上限和下限。”

至此，县域氮肥施用定额发布——全国玉米平均优化氮肥用量为168 kg N ha^-1，范围在146~190 kg N ha^-1；水稻平均优化氮肥用量为155 kg N ha^-1，范围在132~177kg N ha^-1；小麦平均优化氮肥用量为151 kg N ha^-1，范围在130~171kg N ha^-1。

2005年至2014年，氮素动态平衡优化管理方法分别在玉米、水稻和小麦的5979、6625和5229个试验点进行了田间试验，验证县域施肥定额完全可行。最终选择13760个小农户进行同田对比试验，以调查该方法是否可以被农民采用。

结果表明，县域施肥定量可实现玉米施氮量由平均230 kg ha^-1降至178 kg ha^-1、水稻平均施氮量由190 kg ha^-1降至157 kg ha^-1、小麦平均施氮量由平均210 kg ha^-1降至164 kg ha^-1。更重要的是，3种作物的粮食产量平均增长了6%~7%。与当地农民的结果相比，氮肥生产效率（单位产量/单位氮肥用量）增加了26%~33.2%，氮损失强度（单位氮损失/单位产量）减少了23.2%~28.9%。

为农业绿色发展提供技术手段

探索农业绿色发展道路，是保障国家粮食安全和环境安全的迫切需求。自2005年起，中国工程院院士、中国农业大学资源与环境学院教授张福锁带领团队，建立了我国主要作物绿色增产增效技术创新与应用协作网，在生产中破解农业绿色发展的重大理论与技术难题。

该团队研究建立了氮素动态平衡优化管理方法是以往的延续与扩展，显著改善了小农户氮肥管理，促进农业绿色发展。该方法的核心理论即在集约化农业生产条件下，长期实施氮肥优化管理可以帮助土壤—作物系统的氮循环达到一种动态稳定状态，土壤氮库变化缓慢，外部氮输入与系统氮输出相当；外部氮输入超过系统氮素输出则视为氮素过量，减少过量氮素不仅不会造成产量损失，还能保护环境。

“我们基于氮素动态平衡优化管理方法，建立了我国粮食作物县域施肥定额，探寻了一种长期的氮稳定状态，平衡氮输入输出，实现最优产量，并最大限度地减少氮损失。”崔振岭进一步说。

他表示：“本研究开发的氮素动态平衡优化管理方法简化了复杂的优化氮管理技术，为集约化小农户优化氮肥施用提供了一个简单而实用的工具，并获得较高的生产效率和环境效益。”

该研究成果也为我国农业绿色发展提供有效可行的技术手段，为区域及全球氮可持续提供了有价值的补充。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2106576118