氮素研究進展：從土壤到植物，再到環境

progress on nitrogen research from soil to plant and to the environment

專 輯 文 章 介 紹

· 第六篇 ·

▎論文id

sustainable nitrogen management for vegetable production in china

中國蔬菜生產的可持續性氮素管理

發表年份：2022年

第一作者：張芬1、2

通訊作者：王孝忠1、2

郵箱：wxz20181707@swu.edu.cn

作者單位：1. 西南大學資源環境學院。2. 西南大學長江經濟帶農業綠色發展研究中心。

cite this article :

fen zhang, xiaopeng gao, junjie wang, fabo liu, xiao ma, hailin cao, xinping chen, xiaozhong wang. sustainable nitrogen management for vegetable production in china. front. agr. sci. eng., 2022, 9(3): 373?385 doi.org/10.15302/j-fase-2022455

· 文 章 摘 要 ·

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實現蔬菜可持續性生產亟需氮素管理策略的創新。本研究系統總結了近年來關于中國蔬菜生產系統活性氮（nr，reactive nitrogen）損失的相關研究，指出當前研究的局限性，提出中國蔬菜生產中可持續性氮素管理的三個步驟。氮素管理的三個步驟包括但不局限于：（1）科學優化氮肥用量，保持土壤氮素供應，以滿足蔬菜在時間、空間和數量上的動態需求；（2）創新產品和技術，以調節土壤氮素形態，促進蔬菜根系生長，從而減少nr損失；（3）綜合的知識和產品策略（ikps，?integrated knowledge and products strategy）。以科學為基礎的氮肥用量優化策略以及創新性的產品和技術，可以維持或增加蔬菜產量，顯著提高氮素利用效率（nue，nitrogen use efficiency），降低區域和作物nr損失。更重要的是，基于季節性根區氮管理策略、創新性產品和技術及最佳作物栽培管理的ikps技術，是生產更多蔬菜，同時降低nr損失所必需的。

· 文 章 亮 點 ·

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1. 總結了中國蔬菜生產的可持續氮素管理策略。

2. 與谷物作物系統相比，中國蔬菜系統中活性氮損失的研究有限。

3. 科學的氮肥用量優化策略可以保持土壤氮素供應，以滿足蔬菜在時間、空間和數量上的需求。

4. 創新性產品和技術策略可以調節土壤氮素形態，促進蔬菜根系生長，進一步控制活性氮損失。

5. 需要綜合的知識和產品戰略以增加蔬菜產量，同時降低活性氮損失。

· graphical abstract ·

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· 研 究 內 容 ·

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▎引言

中國是世界第一大蔬菜生產國，其蔬菜種植面積占全球的42.2%，產量占全球的52.3%。施氮對提高蔬菜產量和改善蔬菜品質具有重要意義，然而氮肥過量施用造成溫室氣體排放、富營養化和土壤酸化等一系列環境問題。目前，中國的農業政策正從化肥零增長向減肥提質增效轉變，因此，提高蔬菜產量、降低nr損失和環境成本對中國蔬菜生產至關重要。本文綜述了我國蔬菜生產系統nr損失的研究現狀，進一步提出了優化氮肥管理的關鍵策略，旨在加深對中國蔬菜系統氮循環的認識，促進蔬菜生產的可持續性發展。

▎中國蔬菜生產系統nr損失研究的局限性

近幾十年，蔬菜系統nr損失越來越受到關注，但與谷物相比，其研究進展仍較為有限，如玉米體系相關科學研究發文數量是蔬菜系統的2.3倍（圖1）。另外，對蔬菜系統的研究主要集中在評估n2o排放和氮淋洗，對于nh3揮發和氮徑流的研究相對有限（圖1b）。更重要的是，當前缺乏對于中國蔬菜體系中nr損失現狀的系統研究。此外，由于土壤性狀、氣候條件和田間管理方式不同，不同地區nr損失差異較大，而目前的研究主要集中在太湖流域和華北地區，對其他區域（尤其是南方地區）研究較少。因此，有必要系統地量化不同地區不同蔬菜生產系統的nr損失和相關影響因素，為我國蔬菜系統優化氮素管理提供理論依據。

圖1 2000–2021年間玉米（a）和蔬菜（b）生產中nr損失（n2o排放、nh3揮發、氮淋洗和氮徑流）的發文數量。發表文章通過web of science和中國國家基礎設施數據庫搜索獲得。

▎中國蔬菜系統中可持續性氮素管理策略

確定合理的氮肥用量是實現可持續性管理的第一步（圖2和圖3）。目前，推薦氮肥用量的方法有3種：（1）基于土壤分析推薦氮肥用量，即通過在關鍵生長階段測定土壤中的氮含量來確定氮肥用量是否合理，然后調整施氮策略。代表性方法包括土壤無機氮系統、kns（?kulturbegleitende-nmin-sollwerte）系統、氮素專家系統、psnt（pre-side-dress nitrate test）法、季節根區氮管理、1:2土水比提取法、土壤供氮指數、土壤養分豐度指數法和區域平均最優施氮法；（2）第二種方法是基于植株分析推薦氮肥用量，即將作物的營養狀況作為判斷作物是否正常生長的依據，然后將其作為是否追肥的依據。代表性方法包括作物組織氮分析、葉柄汁液中no3?分析、葉綠素儀、樹冠顏色反射和高光譜遙感等方法；（3）第三種方法是建立施氮量與產量、吸氮量和經濟效率等指標之間的效應方程，并根據不同的指標確定最佳氮肥施用量。還可建立氮肥用量與環境指標（如nh3揮發、n2o排放、氮淋洗和徑流）之間的效應方程，以比較不同氮肥用量的環境風險。

圖2 不同氮管理策略下，谷物（a）和蔬菜（b）生產體系的產量和nr損失。s1指基于知識的氮肥用量優化技術；s2指創新產品和技術；s3指綜合知識和產品策略。

圖3 中國蔬菜生產體系可持續性氮管理策略。

這些方法均被證實是指導氮肥管理的有效方法，但在實踐中，有必要考慮中國農村的實際情況，選擇合適的氮肥推薦方法。因地制宜結合多種方法，克服單一方法的局限性，以提高氮肥推薦方法的科學性和實用性。

減少nr損失、提高作物根系氮吸收是優化氮肥管理的核心。在谷物種植系統中，優化氮肥用量可保持較低的nr損失（圖2a）。然而在蔬菜系統，雖然降低氮肥用量顯著減少了nr損失，但nr損失仍較高（圖2b），尤其是在高溫和降雨量較多的地區（如南部地區）。因此，需要創新性的產品和技術結合氮肥用量優化，以進一步減少nr損失，提高作物氮吸收。

在優化氮肥用量的條件下，創新產品和技術是實現蔬菜生產可持續氮管理的第二步，可調節土壤轉化過程，進一步減少nr損失（圖2和圖3）。該策略包括施用增效氮肥（eefs，?enhanced efficiency nitrogen fertilizers）、有機無機肥結合和施用水溶性肥料。

增效氮肥是蔬菜生產中減少nr損失、提高nue的重要選擇，但仍存在局限性。目前市場上的大部分eefs缺乏特異性，其養分釋放和蔬菜營養需求不完全匹配，需根據蔬菜營養需求和地區的差異性開發不同的eefs。eefs價格較高，對菜農沒有吸引力，有必要開發低成本涂層材料和改進工藝以降低成本。政府應增加對農戶和企業補貼。政府和企業應共同努力，提高農戶對eefs的應用和認識。

有機肥與無機肥結合可滿足蔬菜營養需求同時降低nr損失，促進蔬菜根系生長過程中的養分循環，改善土壤質量，提高蔬菜生產。蔬菜生產過程中有機肥應用應注意以下原則：（1）選擇合適的有機肥，充分考慮安全性、來源和經濟成本；（2）充分考慮有機肥營養成分和有效性的條件下確定有機肥的用量；（3）充分考慮勞動力、設備成本和可用性的條件下確定有機肥施用方法。需要開發適合蔬菜生產的專用和小型有機肥施用設備。農業推廣部門、農業顧問和科學家可以通過農民培訓、田間示范和分發小冊子等方法，提高農民對合理施用有機肥的認識。

水肥一體化技術將肥料直接運送到根區，使水氮供應與作物需求同步。水溶肥施肥技術存在局限性。水溶性肥料配方不一致，需要根據蔬菜的種類及營養需求配制，同時根據全生育期水氮需求制定灌溉和施肥制度。水溶性肥料生產和推廣成本高，需要創新生產技術，降低成本，提高產品質量和成本效益。我國大部分施肥設備沒有智能決策和系統支持技術，需根據區域和蔬菜特點創新設備和技術。未來施肥技術的發展應遵循三大趨勢：（1）水溶性肥料產品的開發將以功能性、液體肥料、合適的包裝和消費者為中心；（2）施肥設備將是多功能、低能耗和精確的；（3）施肥系統將更加信息化和智能化。

單一的營養管理技術無法進一步提高蔬菜產量，需要創新性綜合策略來提高蔬菜產量、降低環境影響（圖2和圖3）。通過綜合考慮區域生態條件和蔬菜品種特征，設計了蔬菜生產的集成技術（ikps）。ikps技術旨在使用一種組合技術管理營養供應，該技術可整合最佳營養管理、作物管理及創新產品和技術，以滿足蔬菜生產需求，實現高產，同時最大限度減少環境損失（圖2和圖3）。中國生態區多點試驗結果表明，ikps技術可減少氮肥用量、氮盈余，提高產量，降低氮損失和溫室氣體排放，為在中國以較低的環境成本生產更多的蔬菜提供了機會。但對此仍需深入研究，以促進ikps技術在特定條件下（不同區域、不同蔬菜品種）的應用。

ikps技術在我國蔬菜生產中的推廣和應用受到勞動力、資源和資金的限制。因此，建議通過科技小院平臺的建立，加強政府、企業、高校和研究人員的合作，實現蔬菜生產效率和產量的大幅度提高。

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責任編輯：施惠文

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