我国农业氮素投入高、利用率低、损失严重、区域差别大，主要原因之一在于不同氮库之间的各种转化过程和周转速率决定了肥料氮素的固持、释放及在各个土壤氮库中的分配，进而影响氮素去向和土壤对氮素的保持能力。然而，土壤理化与生物属性如何影响各形态氮之间的转化速率和氮素保持能力的机制并不清楚。其次，氮素施入农田后作物吸收和各种损失同时发生，其相对大小决定了氮肥利用率和损失率，而我国不同区域作物生产体系的氮素利用率存在较大差异，对于这种区域性差异的决定因素尚不清楚。另外，土壤氮、肥料氮、作物氮之间的合理匹配是提高氮肥利用率的必由之路，而如何合理量化和表征氮库在时间、空间上的动态关系并构建出氮肥增效调控途径仍需要进一步深入研究。
▲ 黑龙江单季稻和江苏晚稻区典型水稻土氮初级转化速率比较。图中数值单位为mg/(kg · d)。BS 代表黑土型水稻土；WS 代表乌栅土。SOM：土壤有机质；DNRA：硝酸盐异化还原为铵
按照2015 年中央一号文件关于农业发展“转方式、调结构”的战略部署，科技部组织实施了“十三五”国家重点研发计划试点专项“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”。在该专项的支持下，我们启动了“肥料氮素迁移转化过程与损失阻控机制”项目。本项目针对上述问题重点研究我国主要土壤类型和主要粮食作物、经济作物、蔬菜和果树种植体系肥料氮素的迁移转化特征、保氮原理及微生物学机制，不同类型土壤中氨挥发、径流、淋溶、反硝化、厌氧氨氧化等损失过程的发生规律、主控因子与调控原理，主要粮食作物、经济作物、蔬菜和果树的氮素需求规律及响应阈值，作物氮高效基因型的利用机理；挖掘作物高效利用氮素的生物学潜力，提出氮肥增效调控途径。
“肥料氮素迁移转化过程与损失阻控机制”项目由中国科学院南京土壤研究所颜晓元研究员主持，包括中国农业大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心、中国科学院沈阳应用生态研究所、西北农林科技大学、河南农业大学等在内的27家单位参与。经过4 年的共同努力，项目明确了我国主要农田土壤类型氮素转化特征和保持机理及其主要影响因素，阐明了根区氮素周转的微生物学机理，加深了对土壤 − 作物体系肥料氮损失规律的认识，在以激素信号为调控途径的根系氮素吸收与地上部氮素利用协同的减氮增效生物学机制方面取得突破。
《 》（颜晓元等著 . 北京：科学出版社，2024.8）一书是对以上结果的梳理与总结。“肥料氮素迁移转化过程与损失阻控机制”项目研究过程中开展了应用基础理论研究和技术推广示范工作，重要研究进展如下。
▋1. 在土壤氮素迁移转化特征及作物高效吸收氮的生物学机制研究方面
对于主要农田土壤中氮素转化过程特征和影响因素，建立了测定肥料氮初级转化速率的¹⁵N 同位素成对标记技术结合数值优化模型的方法、测定土壤氨挥发潜势的德尔格管法和测定土壤脱氮速率的膜进样质谱方法与氦环境培养法；完成了我国土壤氮素初级转化、氨挥发、净脱氮速率的测定，构建了土壤氮素转化过程速率与土壤属性关系数据库；揭示了土壤矿化、硝化、微生物同化等氮素内转化特征及主要因素，通过对各个过程初级转化速率及其与土壤属性间关系的刻画，阐明了农田土壤保氮供氮机制。
▲ 一种可能的氮素转移调控网络
SAGs：衰老相关基因；CCGs：叶绿素分解基因；CTK：细胞分裂素；iPP：异戊烯二磷酸；EIN2：乙烯不敏感转录调节基因；ACC：1- 氨基环丙基 -1- 羧酸；ABA：脱落酸；SA：水杨酸；JA：茉莉酸；SAVs：非自噬途径依赖的衰老相关囊泡；CCVs：叶绿体囊泡；RCBs：自噬途径依赖的Rubisco 包含小体
研究分析了长期施肥对土壤固氮活性及固氮微生物群落构建的影响，深入研究了肥料氮在土壤 ‒ 作物体系中的累积动态以及长期秸秆还田对微生物氮循环功能基因的影响，并揭示了根区氮素周转的微生物学机理与机制和微生物区系组成及功能类群的动态变化与肥料氮转化功能的相关规律，提出了根区氮素高效周转与根系吸收利用的微生物学机制。
针对玉米、小麦、水稻、油菜等主要粮食和经济作物，选取生产中30 个至200 多个主栽品种和新育成品系，明确氮高效品种相对于区试对照品种具有增产5%～20%、节氮10%～30% 的潜力，并推荐了玉米‘科玉188’、小麦‘冀325’、水稻‘扬粳4038’、油菜‘中油821’4 个氮高效品种；在揭示氮高效品种具有节氮增效潜力的基础上，通过氮高效品种及其关键基因突变体或转基因材料的研究，提出可以通过减少叶片中氮素在非结构氮组分中的分配，保持一定的光合效率，从而进一步提高光合氮利用效率，并且提出高产氮高效理想株型。此外，水培和田间试验表明，硝铵混合供氮、叶面喷施氨基酸会显著提高敏感基因型的产量，具有很好的应用前景。
▋2. 在不同土壤 ‒ 作物体系肥料氮去向、损失规律及机制研究方面
建立了黑龙江五常、江苏常熟和湖南浏阳3 个稻区田间定位研究平台，编制了氨挥发和反硝化测定方法，揭示了我国典型稻区水稻产量与氮肥利用和损失的区域特征与差异，明确了土壤在水稻氮素利用与稻田氮损失区域差异中所起的关键作用，提出了硝化抑制剂 / 水稻专用控释肥 / 生物抑氨技术的稻田氮损失阻控的氮肥科学减投和过程调控方法。
▼表不同区域肥料氮的损失途径和调控方法
注：表中“→”表示在调控措施下没有影响；“↑”表示在调控措施下影响增大；“↓”表示在调控措施下影响降低
以东北、华北、西北和西南主要作物体系为研究对象，利用¹⁵N 同位素标记示踪法，田间和微区试验相结合，研究了氮素收支平衡状况及肥料氮去向；通过探讨不同类型土壤中氨挥发、径流、淋溶、反硝化、厌氧氨氧化等损失过程的发生规律、主控因子与调控原理，揭示了主要农区代表性种植体系下肥料氮的氨挥发、淋溶、径流与反硝化、厌氧氨氧化等损失过程的发生通量与时空规律；明确了导致氮肥吸收利用和损失特征区域性差异的管理与环境要素；针对土壤、作物和气候的不同特点，建立了区域性旱地农田生态系统高效氮素循环调控模式。
分别在陕西洛川、湖北宜昌、江苏宜兴、河北昌黎进行苹果、柑橘、桃和葡萄等果树氮肥定位试验；在河北保定、陕西杨凌、山东寿光进行露地蔬菜和设施蔬菜氮肥定位试验；采用¹⁵N 同位素标记示踪法或氮素平衡的方法明确了不同体系氮素的主要去向，并根据种植体系特点及环境条件提出了氮肥增效措施。
▋3. 在主要作物生产体系氮肥控损增效原理与调控途径研究方面
明确了典型地区和作物体系的氮素需求特征，以及植株氮浓度、叶绿素含量、茎基部硝酸盐含量等诊断指标的动态变化；探索了不同作物体系的土壤有效氮动态供应特征，针对不同地区和作物体系特点，基本实现作物氮素需求与土壤、肥料氮供应相匹配的氮肥施用技术。
在西北稻区，开展了基于控释氮肥的侧条施用技术研究，通过优化水稻施氮量与调控控释和速效养分配比，建立起西北地区水稻氮素供需时空匹配的综合调控技术。在华东水稻—小麦轮作区，通过秸秆还田 + 接种快腐菌剂条件下水稻氮肥在时间上前移（一次性施用）实现氮素匹配的可行性，同时建立了以SPAD（相对叶绿素含量）值为基础的氮肥调控方法。
▲ 长江上游水稻—油菜轮作氮肥增产增效区域技术模式
在华北平原冬小麦—夏玉米轮作区，建立小麦—玉米临界氮浓度稀释模型，探索了手持式光谱仪、茎基部硝酸盐、智能手机图片的氮素营养诊断方法，为氮素快速无损诊断奠定基础，通过增密减氮、缓控释肥配施、氮肥深施等技术实现作物氮素需求与土壤、肥料供氮匹配。在高产棉花上，明确了棉田氮肥合理施用标准、施用时期及分配比例等调控技术。研发了便携式土壤硝态氮快速检测设备和手持式土壤硝态氮快速检测设备。明确了氮肥绿色增产增效的限制因子及区域特征，我国主要生态区不同农作体系的氮肥绿色增产增效的综合调控途径；在各生态区构建了不同农作体系氮肥绿色增产增效的综合调控模式并通过种植大户、科技小院、农业合作社和建设兵团等方式进行示范推广。
这些前沿研究成果，将大幅推动氮素生物地球化学的发展，提升我国在该研究领域的国际地位。同时，这些机理性研究成果也将为探索减少氮肥的环境污染、提高氮肥利用率、提高产量和改善品质的技术措施提供理论依据。
本文摘编自《农田氮肥高效利用和损失阻控原理与实践》（颜晓元等著 . 北京：科学出版社，2024.8）一书“前言”“第1章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。
（化肥和农药减施增效理论与实践丛书 / 吴孔明主编）
“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目
ISBN 978-7-03-077570-2
责任编辑：陈 新 郝晨扬
本书明确了我国主要农田土壤类型氮素转化特征和保持机理，阐明了主要作物高效利用氮素潜力及其生物学机制，揭示了典型农田肥料氮损失规律及影响机制，提出了作物氮素需求与土壤、肥料供氮时空匹配规律的原理和方法，构建了氮肥绿色增产增效综合调控途径与区域调控模式。
本书可供农学、土壤学、植物营养学、环境科学、生态学、微生物学等相关学科的高校师生和科技工作者阅读，也可为氮肥生产与管理部门、环境部门、农业技术推广人员等提供参考。
（本文编辑：刘四旦）
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