「民以食為天，食以米為先」，水稻是我國三糧之首，事關國計民生。過去農戶常以「水大肥勤不問人」作為水稻種植的金科玉律，導致「化肥依賴症」越來越重。如何實現既保證水稻增產，又最大限度降低環境成本，是實現我國水稻綠色可持續生產的必然要求，建立一套高產、高效與環保等多目標並重、簡單易推廣的施氮量優化技術是解決這一問題的關鍵環節。
現行兩類施氮量優化途徑：一是通過土壤和/或植株測試直接確定滿足作物所需的適宜施氮量，而我國以小農戶種植和分散經營為主、田塊小而多、複種指數高茬口緊，故該途徑耗時耗力、投入較高，且當前較難大面積推行；二是以產量/施氮量田間試驗為基礎，確定邊際效應最大化的平均適宜施氮量作為區域推薦，具有綱舉目張、簡便易掌握的特點和優點，但多以產量或經濟效益為施氮量確定依據，忽略了環境效益，不符合水稻可持續生產的新時代要求。另外，小農戶種植模式下，田塊間的產量表現不盡相同，同一稻區統一氮肥優化管理仍會帶來小農戶田間產量的波動。因此，動員數以千萬計的小農戶氮肥減施頗具挑戰性，同時，需要對小農戶氮肥優化面臨的減產風險和環境影響進行權衡分析，以達到滿足社會、經濟和環境效益多目標協同。對此，中國科學院南京土壤研究所與美國加利福尼亞大學、美國馬里蘭大學、中國農業大學等合作，構建了不同稻區水稻產量/活性氮排放與施氮量定量關係模型，建立了以經濟和環境經濟指標為優化依據的適宜氮量分區確定方法，並通過大範圍田間試驗驗證了可行性，分析了產量、經濟和環境經濟效益變異，多角度評估了氮量優化的有效性，提出了以區域適宜施氮量為核心、可持續生產為目標的我國水稻氮肥分區控制新策略。
研究提出，以氮肥減施的環境收益和區域產量經濟損失上限對比作為稻區推薦施氮量確定方法，在東北和華南稻區採用更偏重經濟收益，而華東、華中等活性氮排放熱區更重視環境收益，通過全盤規劃實現經濟和環境效益雙贏目標。區域施氮量優化技術可保障水稻總產能需求下，減少氮肥投入10-27%，減排活性氮7-24%。田塊變異分析表明，區域氮量優化可在85-90%的點位上實現水稻基本平產或增產，90-92%點位上做到收益大體持平或增加，93-95%點位上實現環境經濟效益無明顯降低或提高，同時提高氮肥利用率30-36%。研究從科技、管理、政策三個層面提出了構建全國尺度大範圍田塊產量-施氮量動態監測試驗網和「控氮」決策智能管理系統，建立適度規模經營下的氮肥配額管理與實名購買定額使用制度，出台面向全體種植戶的優化氮量激勵補貼等建議，可有效降低土壤、品種、栽培、管理等生產條件變化造成的田塊時空異質性，實現優化施氮量的動態調整，提高準確度和適用性，以最低的技術推廣成本，確保科學精準實施氮肥分區宏觀調控，達到區域效益的最大化。該方法亦可與其他優化施氮技術相結合，進一步完善科學施肥。
該研究可為全國範圍內水稻優化施氮提供輕簡高效途徑，並為政府推動節氮增效減排與農業綠色發展提供決策參考。近日，相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。研究工作得到中科院青促會優秀會員基金、國家自然科學基金國際（地區）合作研究與交流項目、「十三五」國家重點研發計劃等的支持。
圖1.水稻優化氮量構建技術與氮肥分區控制策略
圖2.主要稻區經濟與環境優化氮量（ON和EON）下的水稻產量、氮投入及活性氮排放
圖3.主要稻區經濟與環境優化氮量（ON和EON）下對生態可持續性、糧食安全和經濟可持續性指標的影響
來源：中國科學院南京土壤研究所
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