4.氮素利用效率

氮素利用与全球变化
Improving Nitrogen Use Efficiency for Cereal Production
• Raun and Johnson. 1999. Agron. J. 91:357-363.
– Worldwide NUE = 33 % – 1 % change = $234,658, 462
Increase in crop area during the past 30 years
Crop Maize Period 1966-69 1996-99 Area (106 ha) 112 140 (+25%)
Rice
Wheat
1966-69 1996-99
1966-99 1996-99
129 152 (+18%)
GASEOUS LOSSES
•denitrification (N2O) •volatilization (NH3)
N INPUTS
•BNF •fertilizer •manure •deposition
HARVEST
CROP N UPTAKE CROP RESIDUES
NO3-
labile org N
• 就我国而言，北方一些蔬菜大棚由于长期过量施用氮肥使土 壤pH值由原来的7-8降低到4-5，病虫害严重发生，蔬菜品质和 产量显著下降，一半以上的氮肥养分进入地下水造成饮用水 硝酸盐污染。 • 南方部分红壤的pH值已经降至3-4之间，造成玉米、烟草、茶 叶等农作物的大量减产甚至绝收。 • 需要指出的是，这类问题不仅出现在我国，而且也在世界各 地的集约化农业生产中普遍存在，氮肥过量施用导致的包括 土壤酸化在内的一系列农业与生态环境问题在全球范围引起 广泛关注，该论文发现的过量施氮造成农田土壤酸化现象充 分揭示了这一重大问题。
Kenneth G. Cassman Dept of Agronomy and Horticulture University of Nebraska
Temporal Variability in Nitrogen Use Efficiency and Crop Response Index of Cereals.
作物氮素高效利用的生理生态基础
重点内容
• 氮素利用效率（NUE)的概念及计算方法
• 主要作物NUE的现状
• 土壤基础供氮力的时空变异及其对NUE的影响
• 提高作物NUE的生理学途径
张福锁研究小组论文“Significant Acidification in Major Chinese Croplands”在Science发表 http://news.cau.edu.cn/show.php?id=0000038773 • 我校资源与环境学院张福锁教授领导的科研小组的研究论文 “Significant Acidification in Major Chinese Croplands”于2月19日在 Science正式发表(2月11日在Science Express上提前刊出与读者见 面)。 • 该论文通过深入系统的研究，首次全面报道了自上世纪80年代 以来我国主要农田土壤出现显著酸化的现象，并且发现氮肥 过量施用是导致农田土壤酸化的最主要原因。
• Likely to become even more important
– Easily transported and stored – Higher yields than other cereal crops – Require less cooking energy than other crops – Feed grains for livestock production
• 该论文通过对我国主要农田土壤pH值20年的变化研究发现， 我国农田土壤pH值平均下降了约0.5个单位，相当于土壤酸量 （H+）在原有基础上增加了2.2倍。 • 其中，经济作物体系土壤酸化比粮食作物体系更为严重；即 使是过去被认为对酸化不敏感的石灰性土壤，其pH值也同样 出现了显著下降的现象。 • 在自然条件下土壤酸化是一个相对缓慢的过程，土壤pH值每 下降1个单位通常需要数百年甚至上千年，而我国过去20年来 的高投入集约化农业生产大大加速了农田土壤的酸化过程。
• 安徽省巢湖市中庙风景区的
巢湖水域出现大面积蓝藻，
使湖水呈翠绿色、粘稠状。 • 据巢湖市环保局专家分析， 氮磷总量增加导致湖水富营 养化，外加适宜的水温，为 蓝藻生长提供了有利条件。 • 以往蓝藻暴发期一般在每年
的7月至8月。近期天气持续
高温，降雨不多，为了防汛 巢湖水位被控制得很低，巢
湖水体的自净能力减弱，从
• 该课题组及其合作单位的另一研究结果表明，华北平原和太 湖流域农田中过量使用氮肥主要通过气体和硝酸盐的形式进 入大气和地下水，如果采用科学的养分管理技术可以在降低 氮肥用量30-60%的条件下既保证粮食产量又不至造成氮肥污染 ，实现农业和环境的“双赢”。 • 因此，如何在持续提高作物产量的同时，控制或降低氮肥用 量、有效地减少过量氮素对环境的负面影响，已经成为国际 农业和生态环境领域所共同面临的重大科学问题。
• 土壤酸化（表现为土壤pH值的下降）能够加速营养元素流失 、促进铝、锰以及重金属等元素的活化、改变土壤微生物种 群及活性、影响作物根系发育和养分吸收、滋生植物病虫害 等等，从而对农业生产、生态环境和人类健康构成严重的潜 在威胁，对粮食安全和环境安全产生长远影响，是土壤学、 生态学和环境科学等领域广泛关注的重大问题。
220 225 (+ 2%) 56 x 106 ha
Total increase1966-99
Key Elements of a Sustainable Global Food Production System
R1 R2
N－N＝O ＋ H2O
•施用氮肥可使胡萝卜、卷心菜、马铃薯等硝酸盐含量提高0.5-1.5倍，玉米黑麦草等提高 1.3-39倍！ •硝酸盐积累：叶菜类>根菜类>瓜果类;禾本科牧草>豆科牧草;茎/叶>根>种子. •硝酸盐在人体内也可被还原为亚硝酸盐。亚硝酸盐与人体血液作用，形成高铁血红蛋白， 从而使血液失去携氧功能，使人缺氧中毒，轻者头昏、心悸、呕吐、口唇青紫，重者神志 不清、抽搐、呼吸急促，抢救不及时可危及生命。 •亚硝酸盐在人体内外与仲胺类作用形成亚硝胺类，它在人体内达到一定剂量时是致癌、致 畸、致突变的物质，可严重危害人体健康。
G.V. Johnson, W.R. Raun, R.L. Westerman and B.B. Tucker Department of Plant and Soil Sciences Oklahoma State University R.A. Olson Department of Agronomy University of Nebraska
1975年以来我国肥料施用量与粮食总产量的变化
粮食总产（万来自百度文库）、单产（kg/10hm2）
4500
75000
中国主要湖泊和水库营养状况分类结果统计
指标 湖泊数量（个） 占调查湖泊数（％） 湖泊面积（km2） 贫营养 9 6.90 5477.80 中营养 55 41.90 16525.70 富营养 67 51.20 11029.90
SOIL N
NH4+ stable humus
LEACHING
•nitrate (NO3-) •soluble organic N
Fertilizers
N2
NO, N2O
NH3
Harvest
Volatilization
Loss of N from soil-plant system
Denitrification
• 通过系统的理论分析，该论文发现氮肥过量施用是我国农田土 壤酸化加速的首要原因。 • 在华北冬小麦-夏玉米轮作、华南水稻-小麦轮作等“一年两熟” 种植体系中氮肥大量施用每年所产生的酸量（20-30千摩尔/公顷 ）约占总产酸量的60%；蔬菜大棚等设施农业中过量施氮的年产 酸量（约200千摩尔/公顷）占总产酸量的90%。秸秆移出带走的 盐基对土壤酸化的贡献（15-20千摩尔/公顷）虽然因农作物种类 和生物产量而有所差异，但明显低于氮肥施用的贡献。 • 值得注意的是，长期以来被当作土壤酸化主要原因的酸雨在农 田土壤酸化中的贡献并不大，仅为0.5-2.0千摩尔/公顷。 • 由此可见，在保证粮食生产的前提下严格控制氮肥施用量，减 少过量施氮，不仅是作物高产高效的需要，而且也是缓解农田 土壤酸化的重要途径。
Plant Uptake NO3Nitrification
NH3 + H2O
Leaching
NH4+ + OH-
Foundation of the Human Food Supply
• Maize, rice, and wheat
– Account for the majority of all calories in human diets – Receive 56% of global N fertilizer use
• 目前生产上仍然普遍存在“氮肥越多越高产”的错误观念，过量施氮 已成为集约化农业生产体系相当普遍的严重问题。 • 从上世纪80年代以来，我国氮肥用量迅猛增长，到90年代中期我国已 成为世界氮肥生产和消费的第一大国，在占世界7%的耕地上消耗了 全球35%的氮肥。 • 统计资料显示：1981年至2008年，粮食年产量从3.25亿吨增加到5.29亿 吨，增长了63%，而氮肥消费量却从1118万吨增加到3292万吨，增长 了近2倍。 • 由此带来不良后果包括：氮肥生产效率不断下降，氮肥损失引起的环 境问题日趋严重。过量施用氮肥导致的土壤酸化、温室气体排放和地 下水硝酸盐污染等问题已成为全球集约化农业可持续发展的严重威胁 。
而导致蓝藻大面积出现。
无锡，鼋头渚最佳观湖景点，但蓝藻成祸，游客 已经不能与太湖水亲密接触了。
5月30日，无锡某大型超市内的 饮用水被抢购一空。
植物
动物
人体必需元素54种， 这些元素最终来自 土壤。
土壤 人体
农产品中硝酸盐含量与氮肥施用的关系
NO3－ R1 R2 NO2－
Dangerous！
NH ＋ HNO2
占湖泊的总面积（％）
水库数量（个） 占调查水库数（％） 水库容积（×105m3）
16.60
10 25.60 37.36
50.0
17 43.60 546.10
33.4
12 30.80 73.94
占设置库容（％）
5.70
83.10
11.20
城郊湖库富营养化的程度较高，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、济南大明湖等城市 湖泊和石河子市的蘑菇水库、北京市的官厅水库等已达富营养化程度。大型淡水湖泊的富 营养化问题令人十分担忧，五大淡水湖中的太湖、洪泽湖、巢湖等均已达富营养程度，鄱 阳湖、洞庭湖目前虽然维持在中营养水平，但湖水磷、氮的含量偏高，处于向富营养的过 渡阶段。
• 该论文的发表是该科研创新团队立足国家重大问题研究，发表国 际一流文章的又一重大成果。 • 该研究小组将以此为契机在集约化农业背景下在农田土壤酸化的 风险评估、生态环境效应及其防治对策等方面开展系统深入的研 究工作，为实现我国粮食安全与环境协调、实现可持续发展提供 理论基础和技术支持。
Nitrogen Fertilizer Efficiency: Theory, Measurement, and Practice
Growth in Grain Supply-Demand
Global Production or Demand (MMT)
1000 1.1% yr 800 2.5% 600 2.5% 2.6%
-1
1.4% yr-1 1.1% yr-1
400
1967 1997 2027
200
0
Wheat
Rice
Maize
肥料施用量(万吨）
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1975 1978 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 化肥用量 粮食总产 粮食单产
70000 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000