Nat. Commun.丨通过优化养分、作物和土壤管理措施可以提高全球农田氮素回收效率

论文内容

研究背景：

氮(N)是作物光合作用和生长发育的主要限制养分。氮肥的过度使用导致N的回收效率较低，从而向空气和水中的流失增加，并对陆地和水生生态系统造成相关影响。根据世界资源研究所(world Resources Institute)的数据，到2050年，全球粮食产量需要增加50%，才能满足世界人口的需求。为了全球粮食安全和环境效益，迫切需要实施最优农业管理战略，以进一步提高目前全球平均NUEr(48%)。

优化的农业管理策略提高了NUEr，并涵盖了养分、作物和土壤管理实践的组合。养分管理包括通过同步作物需求和养分有效性来增加NUEr的肥料策略：在正确的时间和正确的地点以正确的比例使用正确的肥料类型。作物管理可以通过利用作物序列之间氮吸收效率的差异来增加NUEr，并包括作物轮作的多样性，覆盖作物的使用和作物残留物的回收利用。此外，土壤管理通常侧重于减少土壤碳分解的耕作方法，提高作物产量、土壤生物多样性和结构稳定性的耕作方法，以及管理。

农艺措施可以增加NUEr，但其影响因地区而异，原因是作物管理的不同，如非洲的氮利用不足和中国的过度使用，以及影响氮肥料影响的当地因素的不同，如天气条件和土壤性质。目前在全球范围内缺乏关于这种变异的信息，导致对农艺实践增加NUEr的潜在影响的预测存在偏差。因此，有必要评估营养、作物和土壤管理措施对NUEr的影响，同时考虑全球范围内不同的地理条件。

研究内容：

在本研究中，使用meta分析和混合效应回归模型，评估和预测管理实践对NUEr的影响，并将其作为地理条件的函数。首先通过结合现有的meta分析研究预测NUEr对农艺措施的响应及其对地理条件的依赖，包括年平均温度(MAT)、年平均降水量(MAP)、土壤有机碳(SOC)。将这些结果与单一meta回归模型的结果进行了比较，以解释地理属性的空间变化，并量化它们对NUEr的相互影响，以更深入地了解NUEr对农艺措施的响应以及受地理条件影响的变化。最后，评估了管理和地理条件对NUEr的影响，并使用该模型预测了全球尺度上农艺管理措施对NUEr潜在影响的空间变化。

Fig.1 该研究包含的407个初步研究的位置

Fig.2 N回收效率(NUEr)对农业管理实践的响应变化

Fig.3 N回收效率(NUEr)模型的参数估计

研究结论：

提高氮回收效率对协调粮食生产和环境健康至关重要。本研究利用407项初步研究中的2436对观测资料，通过meta回归模型评估了营养、作物和土壤管理对NUEr的影响，考虑了其对地理条件的依赖，包括年平均温度和降水、土壤有机碳、粘粒和pH值。养分管理提高了3.6-11%的NUEr，作物管理提高了4.4-8%，而减少耕作没有显著影响。地理条件强烈影响管理方式引起的NUEr变化，突出了它们与特定措施的相关性。数据驱动的模型显示，使用养分(27%)、作物(6.6%)和土壤(0.6%)管理的最佳组合，全球NUEr平均值可提高30%，从目前的48%提高到78%。在大多数情况下，这种增加将使作物产量与可接受的氮素对水的损失相协调。在大多数发达地区，NUEr的预期增长低于平均水平，但在发展中地区高于平均水平。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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