農(nóng)田施用氮肥會顯著提高糧食產(chǎn)量,而過量施用氮肥會造成作物利用率下降、損失增多,引發(fā)環(huán)境問題。量化施入農(nóng)田氮肥的去向和利用效率是農(nóng)田氮肥管理的基礎(chǔ)。為實現(xiàn)可持續(xù)糧食生產(chǎn)的目標(biāo),已有研究設(shè)計出不同的農(nóng)田管理措施來增加作物產(chǎn)量和氮肥利用率,并減少氮損失帶來的環(huán)境污染。然而,在不同土壤-氣候和農(nóng)田管理條件下,氮肥去向和利用效率存在較大差異,認(rèn)識這些差異及其背后的原因可以有助于更好地管理氮肥,提高其資源效率,減少氮損失環(huán)境污染。
中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)研究組與美國馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心阿巴拉契亞實驗室合作,收集了全球74篇利用15N田間原位示蹤法量化玉米農(nóng)田肥料氮去向的文獻(xiàn)(圖1),從中提取了366個觀測數(shù)據(jù),分析比較了常規(guī)耕作條件下氮肥利用率和氮肥去向的地區(qū)間差異,進(jìn)一步探究了不同農(nóng)田管理措施的影響。研究發(fā)現(xiàn),施入玉米系統(tǒng)的當(dāng)季氮肥全球平均有41%被作物吸收利用,31%殘留在土壤,28%損失并進(jìn)入水體和大氣。其中,作物吸收利用表現(xiàn)出明顯的地域差異。分析表明,中國玉米農(nóng)田氮利用效率較低可能與該地區(qū)較低的土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。通過對比9種不同的農(nóng)田管理措施對氮肥去向的影響,研究發(fā)現(xiàn)氮肥深施和多次施用可顯著增加玉米產(chǎn)量、氮吸收和氮肥利用率,并減少損失。研究系統(tǒng)總結(jié)了以往15N示蹤玉米農(nóng)田肥料氮去向方面的研究結(jié)果,增加了對不同自然和農(nóng)田管理條件下氮肥去向差異的理解,為提升農(nóng)田氮肥管理提供了科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)研究成果以Fates and use efficiency of nitrogen fertilizer in maize cropping systems and their responses to technologies and management practices: A global analysis on field 15N tracer studies為題,發(fā)表在Earth's Future上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省“興遼英才計劃”等的資助。
圖1.全球玉米農(nóng)田系統(tǒng)的常規(guī)管理條件下氮肥去向區(qū)域差異(15N原位示蹤)(N:北美,C:中國,E:歐盟,O:其他國家和地區(qū);柱狀圖中的數(shù)字為觀測數(shù);誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差)
圖3.不同農(nóng)田管理措施對玉米產(chǎn)量、氮吸收、肥料氮貢獻(xiàn)比例(%Ndff)以及農(nóng)田肥料氮去向(15N uptake、15N soil retention、15N unrecovered)的影響。圖中英文簡寫:EEFs:增效氮肥(包括緩控釋肥,硝化/脲酶抑制劑添加等);OF:其他氮肥(相比尿素,試驗其他銨態(tài)氮肥);NT/RT:免耕或少耕;DP:氮肥深施;ISF:氮肥多次施用;RBP:減少氮肥基施的比例;COM:氮肥和有機(jī)物料同時施用;IFR-H:增加氮肥用量(增幅≥100%);IFR-L:增加氮肥用量(增幅<100%);RFR-L:減少氮肥用量(減幅<50%);RFR-M:減少氮肥用量(減幅=50%);RFR-H:減少氮肥用量(減幅>50%)