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基于内蒙古农牧交错带滴灌马铃薯系统的20年田间试验和生命周期分析，确定了不同产量水平的氮盈余（Nsur）基准：高产（≥45 t ha?1）21–62 kg N ha?1 yr?1，中产（31.2–42.1 t ha?1）63–87 kg N ha?1 yr?1，低产（20.0–25.6 t ha?1）不满足可持续发展。提出的Nsur-OM方法使氮肥用量减少21.5%-50.4%，氮足迹降低20.3%-43.8%，碳足迹减少9.1%-25.0%且产量相当。
杨海波|狄云飞|胡云彩|张海林|王伟|李飞
内蒙古农业大学资源与环境科学学院，中国呼和浩特 010011
摘要
背景
在滴灌马铃薯生产中，过量施用氮肥（N）可能会给中国北方的农牧交错带（APE）带来生态和环境风险。虽然氮盈余（Nsur）是可持续氮管理的重要指标，但在滴灌马铃薯系统中，APE的氮盈余基准尚未明确。
目的
本研究旨在建立可持续的氮盈余基准，并开发一种氮盈余优化管理（Nsur-OM）方法，以促进滴灌马铃薯系统的可持续生产。
方法
2014年至2020年，在四个具有代表性的APE地区进行了20次完全随机设计的田间试验，包括两种氮处理方式：农民传统施肥（FP）和改进的氮最小化管理（Nmin-OM），以估算不同产量水平下的可持续氮盈余基准。2021年至2023年，将Nsur-OM方法应用于小农户、合作社和农业企业，并通过生命周期分析评估其环境影响。
结果
结果表明，高产量的可持续氮盈余基准为21–62公斤氮/公顷/年，中等产量为63–87公斤氮/公顷/年，而低产量则无法实现可持续发展。所提出的Nsur-OM方法在小农户、合作社和企业中均表现出有效性且易于实施。与农民传统施肥方式相比，Nsur-OM方法减少了21.5%-50.4%的氮肥投入，降低了20.3%-43.8%的氮足迹和9.1%-25.0%的碳足迹，同时保持了相似的产量。本研究为滴灌马铃薯系统从传统施肥方式向可持续生产转型提供了可行的方法。
引言
氮（N）是作物生产的关键营养素，由于农业中氮肥的施用，它几乎贡献了全球一半的食物供应（Erisman等人，2008年）。然而，氮肥的不当使用会导致作物产量下降和负面环境影响（Vitousek等人，2009年）。现实的氮盈余（Nsur）基准可以帮助农民优化氮管理，从而在农业生产力和环境可持续性之间取得平衡（Zhang等人，2019年；Zheng等人，2021年）。然而，由于土壤性质、气候条件、灌溉方式和管理实践的差异，氮盈余基准的有效性和适用性存在很大差异（Ju和Gu，2017年）。因此，建立符合地区特点的现实氮盈余基准对于实现可持续作物生产和减少氮污染至关重要。
来自农田的氮污染严重威胁着环境可持续性（Erisman等人，2013年；Gu等人，2023年）。为了解决这一问题并保持或提高作物产量，已经开发了一系列氮管理指标来优化氮肥的使用（Powell等人，2010年；Zheng等人，2021年）。这些指标包括氮预算、氮平衡、氮输入和输出、氮利用效率（NUE）、氮盈余（Nsur）、土壤中残留氮、硝酸盐淋溶、氨（NH?）挥发和一氧化二氮（N?O）排放（Yu等人，2019a）。其中，氮预算通过追踪氮的输入和输出以及土壤氮库的变化，提供了氮流动的全面核算（Oenema等人，2003年）。相比之下，氮平衡方法简化了系统内氮输入和输出的计算（Oenema等人，2003年）。氮利用效率（NUE）定义为氮输入与氮输出的比例，用于衡量氮使用的有效性（Panel，2015年）。为了实现可持续发展目标（SDGs），国际推荐的氮利用效率范围是0.5–0.9（Panel，2015年）。到2050年将全球平均氮利用效率提高到0.70对于确保粮食安全和环境可持续性至关重要（Zhang等人，2015年）。通常情况下，随着氮输入的增加，氮利用效率会下降，而低氮利用效率意味着氮向环境的损失显著增加（Norton等人，2015年）。然而，虽然减少氮输入可以提高氮利用效率，但过度减少氮输入可能会降低作物产量和质量，并耗尽土壤中的氮储备（Zhang等人，2019年）。因此，较高的氮利用效率并不一定意味着更可持续的系统。相反，养分管理应在效率和长期可持续性之间找到平衡（Norton等人，2015年）。为此，许多国家现在提倡将氮利用效率与其他氮管理指标相结合，以全面评估系统层面的养分管理绩效（Panel，2015年；Zhang等人，2019年）。
氮盈余（Nsur）是最常与氮利用效率（NUE）结合使用的指标，用于评估农业生态系统中的氮循环效率和环境影响（Zhang等人，2019年）。在农业生态系统中，随着氮肥投入量的增加，氮盈余从负值变为零，再变为正值，分别反映了土壤氮耗尽、施肥平衡和过度施肥的不同阶段（Ju和Gu，2017年）。然而，过量的氮盈余与氮损失增加密切相关，包括硝酸盐淋溶（Zhao等人，2016年）和气态一氧化二氮的排放（Van Groenigen等人，2010年）。许多研究表明，氮损失与氮盈余呈曲线关系，当氮盈余超过50公斤/公顷时，产量与氮负荷的增加速度加快（Van Groenigen等人，2010年；Zhao等人，2016年）。因此，对于特定的种植系统而言，合理的氮盈余应旨在维持或提高作物产量和土壤肥力，同时尽量减少氮对环境的损失。为了减少农业氮肥施用的环境影响，一些欧洲国家已经立法将农田氮盈余限制在80公斤/公顷（Panel，2015年）。同样，在中国，研究人员也为小麦、玉米和水稻等主要作物在不同地区制定了氮盈余基准（Ju等人，2009年；Zhang等人，2019年）。然而，由于土壤和气候条件、管理实践以及环境承载能力的差异，制定统一的氮盈余基准并不容易（Ju和Gu，2017年；Sela等人，2018年）。因此，为特定作物量化现实的氮盈余基准应考虑当地的管理实践、土壤-气候条件和土壤性质。特别是在水和肥料的联合灌溉中，水和氮之间的相互作用使得氮盈余成为平衡作物氮供应和减少氮损失的关键指标。
滴灌技术能够通过频繁施用，使土壤中的氮供应与作物根区的需求同步（Li等人，2021年）。因此，滴灌被广泛用于提高氮利用效率并增加马铃薯产量，特别是在干旱和半干旱地区（Wang等人，2020b）。中国西北部的农牧交错带（APE）是马铃薯滴灌的重要区域（Tang等人，2021年）。然而，该地区的农民经常过量施用氮肥以最大化滴灌系统的产量（Li等人，2021年；Xu等人，2022年）。这对于根系较浅、养分和水分利用效率较低的马铃薯来说尤其成问题（Vos，2009年；Nigon等人，2014年）。该地区的轻质土壤和不良的灌溉管理导致了氮淋溶增加，从而影响了干旱和半干旱地区的马铃薯可持续生产。本研究旨在：（i）通过多年田间试验确定滴灌马铃薯系统的氮盈余基准；（ii）评估氮盈余基准的可持续性，以指导马铃薯生产；（iii）开发一种有效的氮盈余优化管理（Nsur-OM）方法，将传统耕作方式转变为更可持续的生产方式。
研究区域
研究区域
内蒙古阴山北部山麓位于中国东北部，形成了典型的农牧交错带（Liu和Li，2017年）。该地区的马铃薯种植主要集中在乌兰察布市、呼和浩特市和锡林郭勒盟。该地区具有温带大陆性季风气候，太阳辐射充足（2600–3400小时/年，500–670千焦/平方米），无霜期长达95–120天。以钙质沙壤土为主，生长季温度（8–30°C）有利于马铃薯种植。
马铃薯产量和氮收获量
图2显示了20次田间试验中低、中、高产量水平下的块茎产量和氮收获量。低、中、高产量水平的平均产量分别为20.0±1.0–25.6吨/公顷、31.2±3.0–42.1吨/公顷和45.4±7.6–62.6吨/公顷（图2a-c）。相应的氮收获量分别为105.0±6.1–134.0公斤/公顷（低产量水平）、155.9±14.8–189.0公斤/公顷（中等产量水平）和195.0±31.9–281.0公斤/公顷（高产量水平）。
讨论
氮盈余基准在全球范围内有效指导了氮的优化（Zhang等人，2019年）。在本研究中，我们为内蒙古农牧交错带的滴灌马铃薯系统建立了可持续的氮盈余基准。这些基准分为高、中、低三个产量水平，以确保在不同生产情景下的实用性。此外，我们还通过氮利用效率（NUE）和土壤氮矿化率（SNMI）评估了它们的可持续性。
结论
本研究为内蒙古农牧交错带的滴灌马铃薯建立了现实的氮盈余基准，考虑了年际和品种间的差异，并揭示了氮盈余与产量之间的明确反比关系。我们定义的氮盈余基准符合农业可持续性目标：高产量水平（≥45吨/公顷）的氮盈余为21–62公斤/公顷/年，中等产量水平的氮盈余为63–87公斤/公顷/年。根据本研究的结果，我们可以提出以下氮盈余优化管理（Nsur-OM）措施
作者贡献声明
胡云彩：写作、审稿与编辑、监督。张海林：写作、审稿与编辑、监督。狄云飞：软件开发、数据管理。王伟：软件开发、数据管理。李飞：写作、审稿与编辑、方法论。杨海波：初稿撰写、软件开发、方法论设计、资金获取、数据分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了内蒙古农业大学高层次杰出博士人才引进研究启动项目（NDYB2023-18）、国家自然科学基金（32402683）、内蒙古自治区自然科学基金（2024QN03012）、内蒙古农业大学青年教师科研能力提升专项基金（BR240103）以及中央政府引导的地方科技发展基金的支持。
