食品供應(yīng)安全是一個全球共性挑戰(zhàn)。施肥可以提升作物產(chǎn)量，是保障食品供應(yīng)安全的一個重要農(nóng)業(yè)管理措施。然而，大量施肥也產(chǎn)生了很多環(huán)境問題。例如，施氮肥促進(jìn)土壤N2O的排放、加劇溫室效應(yīng)，促進(jìn)土壤氮流失、導(dǎo)致水體污染、對飲水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，如何更好地管理農(nóng)田肥料施用具有重要科學(xué)和社會價值。當(dāng)前氮肥施用增加并沒有同比例地增加作物產(chǎn)量，導(dǎo)致環(huán)境問題。近年來的研究指出，基于現(xiàn)有生物地球化學(xué)理論知識的農(nóng)業(yè)實踐活動可以提高作物氮肥施用效率，同時降低環(huán)境污染風(fēng)險。盡管已有很多該領(lǐng)域的研究，但是仍缺乏全球尺度上的整合分析。全球尺度分析可以在更廣范圍內(nèi)評估不同氮肥管理措施的利弊，更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)氮肥管理。
近期發(fā)表在Nature Food上的一項數(shù)據(jù)整合研究（Elrys et al., 2023, 10.1038/s43016-023-00888-6）開展了上述研究，評估四種廣泛使用的氮肥管理措施對土壤氮轉(zhuǎn)化過程的影響，包括施用復(fù)合肥、施用有機肥、同時施用合成氮肥和有機肥以及添加硝化抑制劑四種措施，以單獨施用合成氮肥作為研究對照。研究表明，單獨施用合成氮肥導(dǎo)致氮氧化物等溫室氣體排放增加、土壤氮流失加??；同時施用復(fù)合肥和有機肥可以促進(jìn)土壤氮保持；添加硝化抑制劑可以增強土壤銨固持、植物氮吸收、降低氮淋溶流失風(fēng)險。該研究表明，綜合利用多種優(yōu)良的氮肥管理措施可以增強農(nóng)田氮固持、降低氮損失及其帶來的環(huán)境風(fēng)險。
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)施用氮肥很少，雖然作物氮肥施用效率高、土壤氮流失可以忽略，但是作物產(chǎn)量低下，不足以滿足日益增長的食品供應(yīng)需求。工業(yè)合成氮肥取得突破后，氮肥施用量急劇增加，在大大提高作物產(chǎn)量的同時也降低了作物氮利用效率、增加了土壤氮排放和流失（圖1），帶來日益嚴(yán)重的環(huán)境污染風(fēng)險。為了解決合成氮肥施用的環(huán)境問題，近年來發(fā)展了很多氮肥管理措施，這些措施整體上都是為了三個目標(biāo)，即進(jìn)一步提升作物產(chǎn)量、提高作物氮肥利用效率、降低土壤氮排放和流失（圖1）。這三個目標(biāo)背后的核心科學(xué)問題是如何將更多的氮保存至生態(tài)系統(tǒng)中，如何協(xié)調(diào)作物氮需求和土壤氮供給。
Elrys等人指出了四種常用氮肥管理的優(yōu)點。需要注意的是，目前還有一些其他的潛在有效氮肥管理措施，例如不同作物生長階段的氮肥管理、免耕和秸稈歸還等措施，這些措施的效果還有進(jìn)一步評估。先進(jìn)的氮肥管理舉措往往需要額外的人力或資金，因此在評估新舉措的效果的時候還需要綜合考慮其成本增加。與此同時，現(xiàn)有氮肥管理措施使用時還需要綜合考慮土壤性質(zhì)、水分管理、作物種類、耕作措施等多方面因素。未來研究還需要考慮氣候變化和大氣氮沉降變化等環(huán)境狀況的影響，從而更好地服務(wù)于精準(zhǔn)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。
上述評述于于近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Food（IF2022=23.2）上，對于土壤健康管理和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有一定的理論指導(dǎo)意義。中國科學(xué)院華南植物園博士后Muhammed Mustapha Ibrahim為該論文第一作者、侯恩慶研究員為通訊作者。相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目和面上項目的共同資助。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00893-9
圖1.氮素管理措施的發(fā)展歷程。基于理論知識和實踐經(jīng)驗的氮肥管理將有效促進(jìn)農(nóng)田氮固持、提升氮素利用效率、降低土壤氮損失。
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