亮文解读 | 事半功倍：通过综合的土壤作物系统管理方法减少对环境的影响

农业绿色发展 
Agriculture Green Development

「Mar 2020，Volume7 Issue1，第二篇」

▎亮文ID

Producing more with less: reducing environmental impacts through an integrated soil-crop system management approach

事半功倍：通过综合的土壤作物系统管理方法减少对环境的影响

发表年份 : 2020年

第一作者 : 崔振岭

通讯作者 : 张福锁

 : zhangfs@cau.edu.cn

作者单位 : 1. 中国农业大学资源与环境学院，植物与土壤相互作用教育部重点实验室；2. School of Veterinary Medicine, University of Pennsylvania 

  Cite this article :  

Zhenling CUI, Zhengxia DOU, Hao YING, Fusuo ZHANG. Producing more with less: reducing environmental impacts through an integrated soil-crop system management approach. Front. Agr. Sci. Eng., 2020, 7(1): 14‒20 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2019295

 

 · 文章亮点 · 

1. 作物生产所引发的环境问题日益严重，本文综述了土壤-作物系统综合管理（ISSM）在该问题上的成功实践以及未来提升发展策略。

2. 说明了ISSM的科学原理以及实施过程需要遵循的策略。

3. 合理分析了ISSM在发展时需要注意的问题并提出了合理的发展策略。

 

 · 摘    要 · 

       平衡作物生产力、资源利用效率及其环境代价，对全球农业可持续发展至关重要。虽然目前已经提出并讨论了各种战略和方法，但将这一概念转化为实地的管理实践，并在多个尺度上取得可衡量的成果，仍然是一项挑战。本文提出了一种创新的方法，即土壤-作物系统综合管理（ISSM），用于提高粮食产量和提高养分利用效率，同时减少环境污染。ISSM方法已在中国用于田间试验以及成千上万的农田，可以大幅提高玉米、水稻和小麦的产量，同时提高氮的利用效率并减少环境足迹。本文讨论了ISSM的科学原理、实施策略和程序，并举例说明了ISSM在中国各地所取得的成功，还提出并讨论了ISSM进一步发展和扩大其潜在影响的前景。

 

 · 文章内容 · 

▎当前中国农作物生产面临的挑战

       由于人口增长和饮食结构的变化，预计到2030年粮食需求将增长50％。尽管化肥的使用是数十年来长期提高产量的关键驱动力之一，但产量增速已经放缓，甚至在某些地区停滞不前。

       中国农业系统过度的养分投入导致了许多严重的环境问题。例如，20世纪80年代至21世纪初，我国主要农作物生产区土壤pH值下降了0.5个单位，主要原因是氮肥的过量施用。值得注意的是，分布广泛的水污染和土壤酸化正对农业生产力形成巨大压力，由于中国许多地区普遍缺水，土壤酸化对土壤微生物活动、大量和微量养分的生物地球化学循环以及根际过程产生了多方面的影响。

▎ISSM的科学原理和实施策略

       ISSM的科学原理是最大程度地利用地上资源（光温资源）和地下资源（根层养分），实现土壤、肥料和环境的氮素供应与作物生长的动态需求同步。其实施策略包括两个部分。首先，通过针对特定地点的生长条件选择合适的作物品种、播种日期和种植密度，最大程度地利用太阳辐射和适宜温度的时期。其次，设计最优施氮方案，根据根层氮素实时监控技术，在保证充足的氮素供应同时尽量减少潜在的氮素损失。对于后者，实现根层总氮（包括残留的土壤硝态氮和施用的化学氮肥）供应与高产作物的需求在数量上的匹配、时间上的同步和空间的耦合。

       基于对作物、土壤和养分关系的深入理解，实施ISSM方法的策略包括：（1）优化养分投入并考虑所有养分来源；（2）实现土壤养分供应与作物需求的时空动态匹配；（3）在集约化管理的中国作物体系中有效减少氮素损失；（4）考虑所有增产措施。

▎ISSM在田块和区域尺度的成功实践

       在华北地区的玉米试验中，当采用ISSM方法时，在不增加氮肥投入的情况下，粮食产量从农民常规操作的6.8 Mg·ha-1增至13 Mg·ha-1，同时氮利用效率（以每单位施氮量获得的产量kg·kg-1计算）从26 kg·kg-1增至57 kg·kg-1。在其他田间研究（n = 18）中，与农民常规操作相比，相同的方法使玉米产量（14.8 Mg·ha-1）提高70％，氮肥投入仅增加38％，ISSM系统的N2O排放和温室气体（GHG）强度（生产1 t 籽粒排放的N2O 或CO2当量）分别降低了12％和19％。

       2009–2012年，在覆盖水稻和小麦主要农业生态区的11个省份中共进行了153个位点的田间试验，以测试ISSM的效用。与玉米不同，作为分蘖作物的水稻和小麦在生育期内会改变群体结构，因此增加产量的同时降低环境代价更具挑战性。同玉米类似，根据当地的气候和土壤水分条件采用ISSM方法设计水稻和小麦的整个生产系统，并采用合适的作物品种、播种日期、密度和优化的养分管理。结果表明，与农民常规操作相比，ISSM方法增产21％–87％，而氮肥的投入却没有大幅增加。氮利用效率提高了24％–32％；与农民常规操作相比，总的活性氮损失和温室气体排放强度分别降低了50％–56％和31％–47％（表1）。
 

表1 土壤-作物系统综合管理（ISSM）和农民常规操作（FP）的粮食产量、施氮量、氮利用效率（PFPN）、活性氮（Nr）损失、温室气体（GHG）排放及其强度比较

 

▎未来提升策略

       首先，ISSM方法依靠综合管理作物参数（例如品种，播种时间和播种密度）、土壤状况和养分供应（例如耕作措施、施肥和灌溉）来最大化利用自然和应用资源。由于在各种农业系统中小农户的综合问题无法简单解决，具有动态作物参数的ISSM方法应针对特定地区或特定地点，并且必须针对当地情况进行调整。

       其次，由于劳动力短缺等原因，目前在粮食作物生产中采用ISSM时往往忽略了畜禽粪便的施用，但有机资源（动物和人类粪便及绿肥）的循环利用对于维持土壤质量和支撑粮食生产在中国至关重要。当固碳效应结合作物增产措施，通过采用减少非生物和生物胁迫引起的产量损失的耕作方式（如将秸秆还田、增施有机肥和少耕免耕），可以进一步提高有机物质的回收利用率。

       第三，要实现知识转化并将ISSM方法的应用范围扩大到中国的绝大多数小农户，需要公共和私营部门的更多投资和支持。这可以通过多种途径来实现：（1）政府对项目的支持可以极大改善国家农业推广体系；（2）由企业赞助的举措，包括将相关的科学成果集成到商业产品；（3）农业科学家通过科技小院（STB）模式直接与农民合作并向农民推广转化知识。
 

· 文章链接 · 

原文链接：https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2019295