专治氮素“吸收不良”！浙大方案登《自然》

本文转自：文汇报

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氮素是植物生长发育所必需的营养元素。随着全球人口的日益增长，农田持续增产的需求越来越大，氮肥的使用量也是逐年攀升。据统计，全球农田每年施用的氮肥量高达1.2亿吨，再加上有机肥和生物固氮等，农田氮输入总量约2亿吨。
然而，目前氮素利用效率还不足50% ，也就是说有一半以上施用的氮素没有被农田“消化吸收” ，而是流失到了环境中，不仅导致经济损失，威胁粮食安全，而且带来了严重的环境和健康效应，如大气污染、水体富营养化、土壤酸化、生物多样性减少、温室效应等。因此，如何提高氮素利用效率，在保障粮食产量的前提下控制氮素污染，一直是全球农田管理的重要任务之一。
浙江大学环境与资源学院徐建明教授团队长聘教授谷保静、张秀明博士等，与澳大利亚墨尔本大学、江苏农科院、荷兰环境评估署、北京航空航天大学、国际应用系统分析研究所(IIASA)、德国波茨坦气候研究所、荷兰瓦赫宁根大学、英国生态水文中心等国内外高校院所合作开展研究，提出建立氮素信用系统来解决农民支付氮素减排成本而全社会享受减排收益的错配问题，从而帮助农民有效实施氮素减排措施。
北京时间1月5日，这项成果在国际顶级期刊《自然》(Nature)上刊登，论文第一兼通讯作者为谷保静，共同通讯作者为徐建明。
筛选“药方”
氮肥是农田的主要营养来源之一，但就如人的肠胃功能不佳一样，农田对氮肥的消化吸收也存在“补不进去”的问题。这些流失到环境中的氮素导致严重的氮素污染，引发了全球学者的关注。相对于工业和生活污染的点源排放，农田污染属于面源排放，同时涉及到全球数亿个农户，治理难度大，污染治理措施落地实施极其困难。
那么，全球是否有农田管理措施可以控制氮素污染，这些措施的减排潜力和实施成本是多少，减排后的收益是多少，农民是否有足够的动力来实施这些减排呢？研究团队首先筛选了全球现有可行的减排措施库，并量化了它们在2015年的全球农田中实施而减少氮素污染的潜力。通过对过去20年的1521个田间观测数据进行综合分析，研究确定了一组氮素减排“药方” ，主要包括增效肥料(EEFs)、4R养分管理、灌溉优化和豆类轮作等11项氮素管理措施。
根据不同减排措施在全球各地的实施障碍和费用的差别，研究团队将减排措施划分为三个层级：第一层级主要是肥料改良(增效肥料、有机肥、作物秸秆等)、豆类作物轮作和建立农田缓冲带；第二层级是4R养分管理，即正确的施肥率、施肥类型、施肥时间和方式；第三层级是作物新品种的引进、最佳灌溉和优化耕作方式。
“通常来讲，措施的层级越高，所需要的知识和额外投入也较多，实施成本因此也高，农民就越难采取该项措施。 ”谷保静说，总体而言，这些措施能有效减少总氮损失30-70% ，同时分别提高作物产量10-30%和氮素利用效率10-80% 。

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▲全球农田氮素管理实验的空间分布以及管理措施对农田氮素利用和损失的影响
权衡利弊
那么，这组氮素减排“药方”的治疗效果如何？成本高吗？
经过模拟计算，研究团队发现，以2015年为基准，如果在全球农田实施这些措施，每年可以多收获1700万吨作物氮，增长20%左右，同时，减少2200万吨氮肥使用量，即减少21%左右，减少2600万吨氮素污染，降幅达32% 。这些变化可以带来总社会收益高达4760±1230亿美元。