中国农业大学张福锁院士团队在《Nature Communications》上发文揭示通过优化养分、作物和土壤管理措施可以提高全球农田氮素回收效率

        2023年9月16日，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）导师陈永亮副教授携中荷AGD项目博士生油伦成（第一作者）在Nature Communications杂志上在线发表了题为“Global mean nitrogen recovery efficiency in croplands can be enhanced by optimal nutrient, crop and soil management practices”的研究论文。文章得到了瓦赫宁根大学Wim de Vries，Gerard H. Ros和Madaline D. Young的指导。该研究揭示了通过优化养分(27%)、作物(6.6%)和土壤(0.6%)管理的最佳组合，全球平均氮素回收效率（NUEr）可以从目前的平均48%提高到78%，为实现农业绿色可持续发展提供了理论支撑。

       过量施用氮肥导致NUEr低，导致氮素向空气和水中的损失增加，对陆地和水生生态系统产生负面影响。据世界资源研究所估计，预计到2050年，全球粮食产量需要增加50%才能养活世界人口。为了全球粮食安全和环境效益，迫切需要优化农业管理措施，进一步提高当前全球平均NUEr。众所周知，优化农业管理措施可以提高NUEr，但由于作物管理的差异(如非洲的氮肥施用不足和中国的氮肥过度施用)，以及影响氮肥作用的当地因素(如天气条件和土壤性质)的差异，其影响因地区而异。目前在全球范围内缺乏关于这种变化的信息，导致对优化农业管理措施对增加NUEr的潜在影响的预测存在偏见。已发表的相关研究主要集中在评估单一管理措施对NUEr的影响。然而，多个管理措施和场地条件对NUEr影响的交互作用以及内在联系的认识仍然缺乏，这限制了优化农业管理措施对NUEr的全面评估。因此，有必要评估养分、作物和土壤管理措施对NUEr的综合影响，同时考虑全球范围内的场地条件，对缓解气候变化、促进农业绿色发展具有重要指导意义。

图1 本研究中包含的407个原始研究的地理分布

       本研究利用来自407个原始研究的2436对观测数据（图1），结合全球数据集，利用回归模型评估了养分、作物和土壤管理对NUEr的影响，考虑了NUEr对场地条件(包括年平均温度和降水、土壤有机碳、黏粒含量和土壤pH)的依赖性。养分管理提高了NUEr 3.6-11%，作物管理提高了4.4-8%，而减少耕作对NUEr的影响不显著（图2）。场地条件强烈影响管理措施诱导的NUEr变化，突出了它们与场地特定管理实践的相关性（图3）。

图2 基于Meta分析研究数据和原始研究数据的农业管理措施对氮素回收效率(NUEr)的响应变化。a 与对照/处理情况相比，NUEr的相对变化，b NUEr的绝对变化。

 

 

图4 基于MD方法模型预测的优化农业管理措施组合对全球农田绝对平均氮素回收效率(NUEr)变化(%)影响的空间变异。a 绝对平均NUEr变化的平均值(%)，b NUEr变化的95%置信区间(CI)的下限和上限(%)。

 

图5 基于MD方法模型预测的全球农田管理措施对绝对平均氮素回收效率(NUEr)变化(%)影响的空间变异。a优化养分管理b优化作物管理c优化土壤管理。

       考虑到目前的管理措施和场地条件，优化的农业管理措施可使全球耕地NUEr平均提高30%（图4），其中养分管理的影响最大(27%)，其次是作物管理(6.6%)和土壤管理(0.6%)（图5）。增幅最大的是由于施肥管理不当而导致的氮投入过量的国家和地区。考虑到目前全球平均NUEr值为48%，这意味着最佳农业管理策略可以将全球平均NUEr提高到近80%。然而，将全球平均NUEr提高到这一水平还需要采取协调行动，在考虑现场条件的同时采用最有希望的管理做法。

       研究工作得到国家重点研发计划(2021YFD1700900)的资助，国家留学基金委项目（No. 201913043）资助。

       项目介绍：中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD 计划）是由国家留学基金委资助，面向可持续、绿色生态的国家粮食安全重大战略需求，以培养多学科交叉创新、高层次复合型人才为目标的博士生培养计划。该计划依托国际智力资源和先进培养体系，中国农业大学（CAU）与荷兰瓦赫宁根大学(WUR)共建基于AGD 计划的博士生联合培养新模式，项目第一期于2019-2021年共选拔和资助90名优秀硕士生、第二期于2023-2025年共选拔和资助30名优秀硕士生攻读荷兰瓦赫宁根大学博士学位或中国农业大学联合培养博士。AGD计划总体目标是为中国农业可持续发展的转型做贡献，从高资源投入、高环境代价的生产模式转向高养分利用效率、低环境代价的可持续集约化生产模式。项目扎根中国大地，探索绿色高质农业发展道路，为全球农业可持续发展提供中国经验和中国样板。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41504-2