科研进展

科研进展

亮文解读 | 中国蔬菜生产的可持续性氮素管理

发布时间:2022-10-20 发布人:石 靓 浏览次数:675

氮素研究进展:从土壤到植物,再到环境

Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

专 辑 文 章 介 绍

 · 第六篇 · 

 

论文ID

Sustainable nitrogen management for vegetable production in China
中国蔬菜生产的可持续性氮素管理
发表年份:2022年
第一作者:张芬1、2
通讯作者:王孝忠1、2 
图片     wxz20181707@swu.edu.cn
作者单位:1. 西南大学资源环境学院。2. 西南大学长江经济带农业绿色发展研究中心。

  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 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022455

 
 · 文 章 摘 要 · 
        实现蔬菜可持续性生产亟需氮素管理策略的创新。本研究系统总结了近年来关于中国蔬菜生产系统活性氮(Nr,Reactive nitrogen)损失的相关研究,指出当前研究的局限性,提出中国蔬菜生产中可持续性氮素管理的三个步骤。氮素管理的三个步骤包括但不局限于:(1)科学优化氮肥用量,保持土壤氮素供应,以满足蔬菜在时间、空间和数量上的动态需求;(2)创新产品和技术,以调节土壤氮素形态,促进蔬菜根系生长,从而减少Nr损失;(3)综合的知识和产品策略(IKPS,Integrated knowledge and products strategy)。以科学为基础的氮肥用量优化策略以及创新性的产品和技术,可以维持或增加蔬菜产量,显著提高氮素利用效率(NUE,Nitrogen use efficiency),降低区域和作物Nr损失。更重要的是,基于季节性根区氮管理策略、创新性产品和技术及最佳作物栽培管理的IKPS技术,是生产更多蔬菜,同时降低Nr损失所必需的。
 
 
 · 文 章 亮 点 · 
1. 总结了中国蔬菜生产的可持续氮素管理策略。
2. 与谷物作物系统相比,中国蔬菜系统中活性氮损失的研究有限。
3. 科学的氮肥用量优化策略可以保持土壤氮素供应,以满足蔬菜在时间、空间和数量上的需求。
4. 创新性产品和技术策略可以调节土壤氮素形态,促进蔬菜根系生长,进一步控制活性氮损失。
5. 需要综合的知识和产品战略以增加蔬菜产量,同时降低活性氮损失。

 

 · Graphical abstract · 

 

 · 研 究 内 容 · 
引言
        中国是世界第一大蔬菜生产国,其蔬菜种植面积占全球的42.2%,产量占全球的52.3%。施氮对提高蔬菜产量和改善蔬菜品质具有重要意义,然而氮肥过量施用造成温室气体排放、富营养化和土壤酸化等一系列环境问题。目前,中国的农业政策正从化肥零增长向减肥提质增效转变,因此,提高蔬菜产量、降低Nr损失和环境成本对中国蔬菜生产至关重要。本文综述了我国蔬菜生产系统Nr损失的研究现状,进一步提出了优化氮肥管理的关键策略,旨在加深对中国蔬菜系统氮循环的认识,促进蔬菜生产的可持续性发展。
 
中国蔬菜生产系统Nr损失研究的局限性
       近几十年,蔬菜系统Nr损失越来越受到关注,但与谷物相比,其研究进展仍较为有限,如玉米体系相关科学研究发文数量是蔬菜系统的2.3倍(图1)。另外,对蔬菜系统的研究主要集中在评估N2O排放和氮淋洗,对于NH3挥发和氮径流的研究相对有限(图1b)。更重要的是,当前缺乏对于中国蔬菜体系中Nr损失现状的系统研究。此外,由于土壤性状、气候条件和田间管理方式不同,不同地区Nr损失差异较大,而目前的研究主要集中在太湖流域和华北地区,对其他区域(尤其是南方地区)研究较少。因此,有必要系统地量化不同地区不同蔬菜生产系统的Nr损失和相关影响因素,为我国蔬菜系统优化氮素管理提供理论依据。
 
图1  2000–2021年间玉米(a)和蔬菜(b)生产中Nr损失(N2O排放、NH3挥发、氮淋洗和氮径流)的发文数量。发表文章通过Web of Science和中国国家基础设施数据库搜索获得。
中国蔬菜系统中可持续性氮素管理策略
       确定合理的氮肥用量是实现可持续性管理的第一步(图2和图3)。目前,推荐氮肥用量的方法有3种:(1)基于土壤分析推荐氮肥用量,即通过在关键生长阶段测定土壤中的氮含量来确定氮肥用量是否合理,然后调整施氮策略。代表性方法包括土壤无机氮系统、KNS(Kulturbegleitende-Nmin-Sollwerte)系统、氮素专家系统、PSNT(Pre-side-dress nitrate test)法、季节根区氮管理、1:2土水比提取法、土壤供氮指数、土壤养分丰度指数法和区域平均最优施氮法;(2)第二种方法是基于植株分析推荐氮肥用量,即将作物的营养状况作为判断作物是否正常生长的依据,然后将其作为是否追肥的依据。代表性方法包括作物组织氮分析、叶柄汁液中NO3分析、叶绿素仪、树冠颜色反射和高光谱遥感等方法;(3)第三种方法是建立施氮量与产量、吸氮量和经济效率等指标之间的效应方程,并根据不同的指标确定最佳氮肥施用量。还可建立氮肥用量与环境指标(如NH3挥发、N2O排放、氮淋洗和径流)之间的效应方程,以比较不同氮肥用量的环境风险。

 

图2  不同氮管理策略下,谷物(a)和蔬菜(b)生产体系的产量和Nr损失。S1指基于知识的氮肥用量优化技术;S2指创新产品和技术;S3指综合知识和产品策略。

图3  中国蔬菜生产体系可持续性氮管理策略。
       这些方法均被证实是指导氮肥管理的有效方法,但在实践中,有必要考虑中国农村的实际情况,选择合适的氮肥推荐方法。因地制宜结合多种方法,克服单一方法的局限性,以提高氮肥推荐方法的科学性和实用性。
       减少Nr损失、提高作物根系氮吸收是优化氮肥管理的核心。在谷物种植系统中,优化氮肥用量可保持较低的Nr损失(图2a)。然而在蔬菜系统,虽然降低氮肥用量显著减少了Nr损失,但Nr损失仍较高(图2b),尤其是在高温和降雨量较多的地区(如南部地区)。因此,需要创新性的产品和技术结合氮肥用量优化,以进一步减少Nr损失,提高作物氮吸收。
       在优化氮肥用量的条件下,创新产品和技术是实现蔬菜生产可持续氮管理的第二步,可调节土壤转化过程,进一步减少Nr损失(图2和图3)。该策略包括施用增效氮肥(EEFs,Enhanced efficiency nitrogen fertilizers)、有机无机肥结合和施用水溶性肥料。
       增效氮肥是蔬菜生产中减少Nr损失、提高NUE的重要选择,但仍存在局限性。目前市场上的大部分EEFs缺乏特异性,其养分释放和蔬菜营养需求不完全匹配,需根据蔬菜营养需求和地区的差异性开发不同的EEFs。EEFs价格较高,对菜农没有吸引力,有必要开发低成本涂层材料和改进工艺以降低成本。政府应增加对农户和企业补贴。政府和企业应共同努力,提高农户对EEFs的应用和认识。
       有机肥与无机肥结合可满足蔬菜营养需求同时降低Nr损失,促进蔬菜根系生长过程中的养分循环,改善土壤质量,提高蔬菜生产。蔬菜生产过程中有机肥应用应注意以下原则:(1)选择合适的有机肥,充分考虑安全性、来源和经济成本;(2)充分考虑有机肥营养成分和有效性的条件下确定有机肥的用量;(3)充分考虑劳动力、设备成本和可用性的条件下确定有机肥施用方法。需要开发适合蔬菜生产的专用和小型有机肥施用设备。农业推广部门、农业顾问和科学家可以通过农民培训、田间示范和分发小册子等方法,提高农民对合理施用有机肥的认识。
       水肥一体化技术将肥料直接运送到根区,使水氮供应与作物需求同步。水溶肥施肥技术存在局限性。水溶性肥料配方不一致,需要根据蔬菜的种类及营养需求配制,同时根据全生育期水氮需求制定灌溉和施肥制度。水溶性肥料生产和推广成本高,需要创新生产技术,降低成本,提高产品质量和成本效益。我国大部分施肥设备没有智能决策和系统支持技术,需根据区域和蔬菜特点创新设备和技术。未来施肥技术的发展应遵循三大趋势:(1)水溶性肥料产品的开发将以功能性、液体肥料、合适的包装和消费者为中心;(2)施肥设备将是多功能、低能耗和精确的;(3)施肥系统将更加信息化和智能化。
       单一的营养管理技术无法进一步提高蔬菜产量,需要创新性综合策略来提高蔬菜产量、降低环境影响(图2和图3)。通过综合考虑区域生态条件和蔬菜品种特征,设计了蔬菜生产的集成技术(IKPS)。IKPS技术旨在使用一种组合技术管理营养供应,该技术可整合最佳营养管理、作物管理及创新产品和技术,以满足蔬菜生产需求,实现高产,同时最大限度减少环境损失(图2和图3)。中国生态区多点试验结果表明,IKPS技术可减少氮肥用量、氮盈余,提高产量,降低氮损失和温室气体排放,为在中国以较低的环境成本生产更多的蔬菜提供了机会。但对此仍需深入研究,以促进IKPS技术在特定条件下(不同区域、不同蔬菜品种)的应用。
       IKPS技术在我国蔬菜生产中的推广和应用受到劳动力、资源和资金的限制。因此,建议通过科技小院平台的建立,加强政府、企业、高校和研究人员的合作,实现蔬菜生产效率和产量的大幅度提高。
       原文链接:https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2022455