2023年10月28日

人才强校 崔振岭教授课题组发文放开全国主要粮食作物县域氮肥施用配额 助力农业

作者 admin

本网站报告探讨了绿色农业发展之路,这是保障国家粮食安全和环境安全的迫切需要。 2005年起,中国农业大学张福锁院士带领团队建立了我国主要农作物绿色生产增效技术创新与应用协同网络。 解决农业绿色发展生产中的重大理论和技术问题。 针对我国小农集约化粮食生产大量使用化肥、资源环境成本高、养分利用效率低等一系列问题。 2021年9月24日,资源与环境学院崔振岭教授课题组在《Proceedings of the National Academy of the Sciences of the National Academy of Sciences of the National Academy of Sciences》杂志上在线发表题为“A stable-state N Balance Approach for Sustainable Smallholder Farming”的论文美国《研究论文》发布全国主要粮食作物县级氮肥施用配额,创新氮素动态平衡优化管理新方法,突破集约化小农户施肥难题氮肥管理;我国小麦、玉米、水稻主产区大规模示范结果表明,实行县域氮肥配额可减少化肥用量21-28%,粮食增产6-7%,增加氮肥用量效率提高26-33.2%,减少活性氮损失23.2-28.9%,该研究将为我国氮素可持续管理提供解决方案,助力农业绿色发展,对国家和社会可持续发展具有重要意义。世界。

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研究简介

施氮肥对于提高全球农作物产量至关重要,但它也会加速土壤生化循环,导致活性氮大量流失,加剧生态和环境影响。 例如,农业NH3排放量占全球总排放量的80-90%,N2O排放量占全球排放量的70%。 受限于知识和技术的缺乏,集约型小农常常采用过量保险施肥的方式来保证作物产量,这不仅造成肥料的巨大浪费,还引发一系列环境风险。 因此,转变小农氮肥管理方式、采用先进的氮肥管理技术、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择。

我国农业以小农为主,人均耕地不足一公顷。 农民过量施用氮肥引发了一系列生态环境问题,严重威胁区域农业绿色发展。 我国长期致力于氮肥管理的研究和开发,开发了土壤和植物诊断、遥感技术、手持式叶片氮传感器等许多先进的氮肥管理技术。 这些技术可显着减少氮肥投入,提高氮肥利用率。 但这些技术方法测试成本高、取样复杂、计算方法不易掌握,导致技术采用率低,大规模应用面临挑战。 因此,改进现行氮肥管理方法,使其易于实施、廉价、灵活、节省劳动力,是农业可持续氮肥管理的重要任务。

研究建立“氮素动态平衡优化管理方法”(稳态N平衡,SSNB),显着改善小农户氮肥管理,促进农业绿色发展。 氮素动态平衡优化管理方法的核心理论是,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稳定状态,土壤氮库发生变化。慢慢地,外部的N输入与系统的N输出相等; 外部氮输入超过氮输出,被认为是过量氮。 减少过量的氮肥不会造成产量损失,还能保护环境。

本研究首次基于小麦和玉米8年16季的长期定位实验,提出了氮素动态平衡优化管理方法的理论框架。 然后,结合各县具体地理、土壤和气候条件,创新氮素动态平衡优化管理方法,制定了我国3824个县谷类作物(小麦、水稻、玉米)生产氮肥施用指标。已确立的。 在中国进行了约18,000次试验,从而对氮动态平衡优化管理方法进行了更广泛的测试。 最终在全国1468个县进行了13760次现场试验,进行了大规模的适用性验证。 结果表明,氮素动态平衡优化管理方法可使粮食增产6-7%,显着减少氮肥用量21-28%,提高氮肥利用率26-33.2%,减少活性氮损失23.2-28.9%。

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图1 土壤-作物氮循环系统

主要研究内容

长期定位实验确定氮动态平衡理论框架并制定优化管理方法

本研究通过对北京东北王小麦-玉米系统8年16季的长期定位试验,提出优化氮素动态平衡管理方法的理论框架。 试验表明,随着氮肥用量逐年优化,土壤-作物系统中残留氮和易矿化氮逐年减少,最终达到动态稳定平衡状态,出现在第5年。定位实验。 由于土壤-作物系统中残留氮和易矿化氮逐年减少(图2,C),最佳施肥量从2000年的96 kg N ha-1增加到2005年的226 kg N ha-1。哈-1。 2005年后达到稳定状态,最佳施肥量稳定在200~230 kg N ha-1,与作物氮素吸收量相当(图2,B)。

我们测量并记录了外部氮输入(氮肥输入、环境氮输入)、作物氮吸收输出、氮流失和田间土壤氮库。 结果发现,环境氮输入为87 kg N ha-1,与氮损失(75 kg N ha-1)相当(图2E),并且这种稳态氮损失(图2E)为远小于传统管理氮损失(288 N ha-1)(图2D)。

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图2 作物产量、氮肥施用量和氮素吸收量、基础氮供应量和稳态系统。 该系统是小麦-玉米轮作系统。 数据是年产量和作物平均值。 作物产量 (A)、施氮量和作物氮吸收量 (B)、基础氮供应量 (C),2000-2008 年。 农民的常规氮循环管理(D),稳态氮循环(E)。

我国粮食作物县施肥配额的设定

基于氮动态平衡优化管理方法,制定我国粮食作物县级施肥定额,探索氮素长期稳定状态,平衡氮素输入与输出,实现最佳产量,最大限度减少氮素流失。 我们首先收集整理了全国3007个氮素流失实验研究,结合实地测量数据和大数据,结合空间气候、土壤性质和地理环境因素,估算了1km×1km单位面积网格内的主动氮素流失量。我国主要粮食作物。 ,包括氨挥发、氮淋溶、氮径流和一氧化二氮排放。 然后,根据作物类型计算出各县单位面积的环境氮输入量,包括氮沉降、生物固氮和灌溉带入的氮素。 栅格数据汇总至全国3824个县。 最后利用全国864万农民的调查数据估算了氮素吸收量,并通过秸秆还田率计算出作物带走的氮素量。 我们以全国农民平均脱氮量为下限,以全县排名前10%的农作物脱氮量为上限。 我们建立了每个县的最佳施氮水平,并量化了最佳氮肥施用量的上限和下限。 全国玉米平均氮肥用量为168 kg N ha-1,范围为146-190 kg N ha-1; 水稻平均氮肥用量为155 kg N ha-1,范围为132-177kg N ha-1; 小麦平均氮肥用量为 151 kg N ha-1,范围为 130-171 kg N ha-1。

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图3 县级氮肥流量与施肥定额。 玉米氮素投入产出与全国平均(A),水稻氮素投入产出与全国平均(B),小麦氮素投入产出与全国平均(C)。 玉米(D)、水稻(E)、小麦(F)的优化施肥量上限和下限为平均值。

县域施肥限额准确度田间试验

2005年至2014年,分别在5979个、6625个和5229个玉米、水稻、小麦试验点开展了氮素动态平衡优化管理方法田间试验。 试验包括4个处理:不施氮、基于氮动态平衡优化管理方法的优化施氮(ONR)、50%ONR和150%ONR。 当地农业技术推广人员负责指导试验实施。 对于所有试验点,当施氮量从 ONR 降低到 50% ONR 时,玉米、水稻和小麦的产量从 8.85 Mg ha−1 下降到 7.92 Mg ha−1,从 7.80 下降到 6.99 Mg ha−1,从 5.96 下降到 5.19 Mg ha−1。分别为-1。 ha−1 显着下降。 当施用过量氮肥时,相对于施用优化氮肥而言,产量没有增加(图4B)。 这表明优化后的施氮量即为作物的最佳施氮量。

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图4 田间试验施肥限额与作物产量。 玉米5979个检测点、水稻6625个检测点、小麦5229个检测点的SSNB平均值上下限(A); 作物产量随施肥量的变化而变化(B)。

我们选取了中国1173个县的13760个小农户进行了同田对比试验,探讨氮素动态平衡优化管理方法是否能够被农户采用(表1)。 结果表明,县级施肥配给可使玉米平均施氮量从230 kg ha-1减少到178 kg ha-1,水稻平均施氮量从190 kg ha-1减少到157 kg ha-1。 ,以及小麦的平均施氮量。 从平均 210 kg ha-1 到 164 kg ha-1。 更重要的是,这三种作物的粮食产量平均增加了6-7%。 与当地农户结果相比,氮肥生产效率(产量/氮肥)提高26.0-33.2%,氮素流失强度(氮素流失/产量)下降23.2-28.9%(表1)。

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表1 三大粮食作物氮素损失、施氮量、氮素平衡及产量水平(化肥配额、SSNB vs 农民产量、FNP)

综上所述

农民如何管理土壤-作物系统中的主要氮循环过程直接影响当地的生态环境,并决定全球粮食安全和可持续性。 本研究开发的氮肥动态平衡优化管理方法简化了复杂的优化氮肥管理技术,为集约化小农优化氮肥施用提供了简单实用的工具,获得更高的生产力和环境效益。 研究成果也为我国农业绿色发展提供了有效可行的技术手段,为区域和全球氮素可持续性提供了宝贵的补充。

该研究由中国农业大学资源与环境学院、农业绿色发展研究院崔振岭教授(通讯作者)和博士后尹玉龙(第一作者)共同完成。 这项研究是研究团队2014年在《自然》杂志上发表《以更低的环境成本实现更高的作物产量》和2018年《自然》杂志上发表的《与数百万农民合作实现绿色农业增产》的成果。 继续开展“实效”研究工作,为我国农业转型、绿色发展特别是施肥可持续管理提供理论、技术和实施方法。