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沈阳生态所在全球玉米农田肥料氮利用效率和去向方面取得进展

2021-07-09 09:36     氮15肥料示踪剂
农田施用氮肥会显著提高粮食产量,然而过量施用氮肥也会造成作物利用率下降、损失增多并进而引发环境问题。量化施入农田氮肥的去向和利用效率是农田氮肥管理的基础。为实现可持续粮食生产的目的,研究人员设计了不同农田管理措施来增加作物产量和氮肥利用率,同时也减少氮损失带来的环境污染。然而,在不同土壤-气候和农田管理条件下,氮肥去向和利用效率存在较大差异。认识这些差异及其背后的原因可以帮我们更好地管理氮肥,提高其资源效率,减少其损失带来的环境污染。

基于此,中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学研究组与美国马里兰大学环境科学研究中心阿巴拉契亚实验室合作,收集了全球74篇利用15N田间原位示踪法量化玉米农田肥料氮去向的文献(图1),从中提取了366个观测数据,系统分析比较了常规耕作条件下氮肥利用率和氮肥去向的地区间差异,并进一步分析了不同农田管理措施的影响。研究发现,施入玉米系统的当季氮肥全球平均有41%被作物吸收利用,31%残留在土壤,28%损失掉(进入水体和大气)。其中作物吸收利用表现出明显的地域差异,欧美国家的吸收比例(42-54%)要显著高于中国( 33%)(图2)。相关分析表明,中国玉米农田氮利用效率较低可能与该地区较低的土壤有机质含量有关。通过对比9种不同的农田管理措施对氮肥去向的影响,发现氮肥深施和多次施用可显著增加玉米产量、氮吸收和氮肥利用率,并减少损失。该研究系统总结了以往15N示踪玉米农田肥料氮去向方面的研究结果,增加了人们对有关不同自然和农田管理条件下氮肥去向差异的理解,为提升农田氮肥管理提供了科学依据。

以上成果以“Fates and use efficiency of nitrogen fertilizer in maize cropping systems and their responses to technologies and management practices: A global analysis on field 15N tracer studies”为题发表于美国AGU著名开放获取期刊Earth’s Future上。沈阳生态所稳定同位素生态学组项目副研究员全智为该文第一作者,马里兰大学环境科学研究中心Zhang Xin(张鑫)副教授和沈阳生态所方运霆研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、“兴辽英才”等项目的资助。


图1. 全球玉米农田系统15N原位示踪试验站点分布图(n = 114)
 


图2. 全球玉米农田系统的常规管理条件下氮肥去向区域差异(15N原位示踪)

英文简写,N:北美,C:中国,E:欧盟,O:其他国家和地区;柱状图中的数字为观测数;误差线为标准差



图3. 不同农田管理措施对玉米产量、氮吸收、肥料氮贡献比例(%Ndff)以及农田肥料氮去向(15N uptake、15N soil retention、15N unrecovered)的影响

英文简写,EEFs:增效氮肥(包括缓控释肥,硝化/脲酶抑制剂添加等);OF:其他氮肥(相比尿素,试验其他铵态氮肥);NT/RT:免耕或少耕;DP:氮肥深施;ISF:氮肥多次施用;RBP:减少氮肥基施的比例;COM:氮肥和有机物料同时施用;IFR-H:增加氮肥用量(增幅≥100%);IFR-L:增加氮肥用量(增幅<100%);RFR-L:减少氮肥用量(减幅<50%);RFR-M:减少氮肥用量(减幅=50%);RFR-H:减少氮肥用量(减幅>50%)

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