農(nóng)田施用氮肥會顯著提高糧食產(chǎn)量，然而過量施用氮肥也會造成作物利用率下降、損失增多并進(jìn)而引發(fā)環(huán)境問題。量化施入農(nóng)田氮肥的去向和利用效率是農(nóng)田氮肥管理的基礎(chǔ)。為實現(xiàn)可持續(xù)糧食生產(chǎn)的目的，研究人員設(shè)計了不同農(nóng)田管理措施來增加作物產(chǎn)量和氮肥利用率，同時也減少氮損失帶來的環(huán)境污染。然而，在不同土壤-氣候和農(nóng)田管理條件下，氮肥去向和利用效率存在較大差異。認(rèn)識這些差異及其背后的原因可以幫我們更好地管理氮肥，提高其資源效率，減少其損失帶來的環(huán)境污染。
基于此，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)研究組與美國馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心阿巴拉契亞實驗室合作，收集了全球74篇利用15N田間原位示蹤法量化玉米農(nóng)田肥料氮去向的文獻(xiàn)（圖1），從中提取了366個觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析比較了常規(guī)耕作條件下氮肥利用率和氮肥去向的地區(qū)間差異，并進(jìn)一步分析了不同農(nóng)田管理措施的影響。研究發(fā)現(xiàn)，施入玉米系統(tǒng)的當(dāng)季氮肥全球平均有41%被作物吸收利用，31%殘留在土壤，28%損失掉（進(jìn)入水體和大氣）。其中作物吸收利用表現(xiàn)出明顯的地域差異，歐美國家的吸收比例（42-54%）要顯著高于中國（ 33%）（圖2）。相關(guān)分析表明，中國玉米農(nóng)田氮利用效率較低可能與該地區(qū)較低的土壤有機質(zhì)含量有關(guān)。通過對比9種不同的農(nóng)田管理措施對氮肥去向的影響，發(fā)現(xiàn)氮肥深施和多次施用可顯著增加玉米產(chǎn)量、氮吸收和氮肥利用率，并減少損失。該研究系統(tǒng)總結(jié)了以往15N示蹤玉米農(nóng)田肥料氮去向方面的研究結(jié)果，增加了人們對有關(guān)不同自然和農(nóng)田管理條件下氮肥去向差異的理解，為提升農(nóng)田氮肥管理提供了科學(xué)依據(jù)。
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”為題發(fā)表于美國AGU著名開放獲取期刊Earth’s Future上。沈陽生態(tài)所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)組項目副研究員全智為該文第一作者，馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心Zhang Xin（張鑫）副教授和沈陽生態(tài)所方運霆研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、“興遼英才”等項目的資助。
圖2. 全球玉米農(nóng)田系統(tǒng)的常規(guī)管理條件下氮肥去向區(qū)域差異（15N原位示蹤）
英文簡寫，N：北美，C：中國，E：歐盟，O：其他國家和地區(qū)；柱狀圖中的數(shù)字為觀測數(shù)；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差
圖3. 不同農(nóng)田管理措施對玉米產(chǎn)量、氮吸收、肥料氮貢獻(xiàn)比例（%Ndff）以及農(nóng)田肥料氮去向（15N uptake、15N soil retention、15N unrecovered）的影響
英文簡寫，EEFs：增效氮肥（包括緩控釋肥，硝化/脲酶抑制劑添加等）；OF：其他氮肥（相比尿素，試驗其他銨態(tài)氮肥）；NT/RT：免耕或少耕；DP：氮肥深施；ISF：氮肥多次施用；RBP：減少氮肥基施的比例；COM：氮肥和有機物料同時施用；IFR-H：增加氮肥用量（增幅≥100%）；IFR-L：增加氮肥用量（增幅<100%）；RFR-L：減少氮肥用量（減幅<50%）；RFR-M：減少氮肥用量（減幅=50%）；RFR-H：減少氮肥用量（減幅>50%）
