南京土壤所在稻田土壤残留化肥氮长期去向方面取得进展

近日，中国科学院南京土壤研究所赵旭和颜晓元研究员团队利用¹⁵N示踪田间观测方法，首次量化出稻田土壤残留的肥料氮长达17年的去向。相关进展以“Legacy nitrogen fertilizer in a rice-wheat cropping system flows to crops more than the environment”为题，在线发表于Science Bulletin上。

氮肥既是农业增产必不可少的农用化学品，又是环境污染物的主要来源之一。中国是水稻大国，稻谷年产超2亿吨，但投入化学氮肥也高达630万吨，NH₃、N₂O、流失氮等活性氮排放超过169万吨，对大气、水体等产生的负面环境影响可抵消掉水稻施氮增产收益的52%（Nature,2023,615:73-79）。因此，如何优化施氮，协调氮肥的农学与环境效应是我国水稻生产面临的关键科学命题。而量化稻田化肥氮的去向是优化施氮研究的关键基础。在农田化肥氮去向的定量评价方面，国内外已开展了大量¹⁵N示踪试验，但仅限于施肥当季的肥料氮作物吸收、土壤残留和损失的验证，缺少对残留氮长期去向的追踪。全球范围内，在长时间尺度上追踪残留氮去向的研究亦非常罕见，仅见法国学者Mathieu SeBilo等基于甜菜-小麦轮作旱地的30年结果报告（PNAS,2013,110:18185-18189），该研究指出化肥氮土壤残留对地下水环境影响长达百年。对于稻田，因耕作制与水热条件不同，其土壤残留氮肥对后续作物氮吸收与环境影响究竟多大一直是学界普遍关心的问题。

在定量解析化肥氮当季去向的基础上（Plant Soil,2009,319:225-234），团队通过17年田间原状土柱连续追踪，发现：累积有39-43%的肥料氮被作物吸收，其中残留于土壤中的氮肥贡献了1/3；17年后仍有5-10%的肥料氮残留于土壤中，且主要集中在0-20cm耕层；氮肥累积总损失达47-56%，但损失主要发生在施肥当季（90%），而后续作物季土壤残留氮损失低于10%；化肥氮在土壤的遗留时间仅为23-31年，远低于上述旱地结果。这表明，一方面，如果仅考虑肥料氮的当季吸收，会大幅低估化肥氮的真实贡献，另一方面，残留于土壤中的化肥氮大多能被后续作物持续利用，再迁移进入环境并产生明显影响可能性较小，比当季利用率高得多。因此，阻控当季氮肥损失、提高氮吸收，并增强土壤保氮能力是进一步提高稻田氮肥利用率的关键。这一发现为相应技术研发提供了明确落脚点。

美国加州大学戴维斯分校、爱荷华州立大学，河南农业大学，南京农业大学，浙江大学等国内外高校参与了该项研究。该成果得到国家自然科学基金、“十三五”国家重点研发计划项目以及中国科学院青年创新促进会的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.027