氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境

Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第十二篇 ·

　　▎论文ID

　　Climate-Change-Induced Temporal Variation in Precipitation Increases Nitrogen Losses from Intensive Cropping Systems: Analysis with a TOY Model

　　气候变化驱动的降水时间变异增加了集约种植系统的氮素损失：用TOY模型分析

　　发表年份：2022年第一作者：Peter M. VITOUSEK

　　通讯作者：Peter M. VITOUSEK   

　　✉：vitousek@stanford.edu

　　作者单位：斯坦福大学生物系

　　Cite this article :

　　Peter M. VITOUSEK, Xinping CHEN, Zhenling CUI, Xuejun LIU, Pamela A. MATSON, Ivan ORTIZ-MONASTERIO, G. Philip ROBERTSON, Fusuo ZHANG. CLIMATE-CHANGE-INDUCED TEMPORAL VARIATION IN PRECIPITATION INCREASES NITROGEN LOSSES FROM INTENSIVE CROPPING SYSTEMS: ANALYSIS WITH A TOY MODEL. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 457‒464 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022452

· 文 章 摘 要 ·

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　　本文使用了一个关于生产力和氮磷循环的“TOY”模型，用以评估气候变化驱动的降水时间变异性增强如何影响作物产量和活性氮损失，从而导致生态环境破坏并威胁人类健康。该模型预测，随着降水时间变异性的增强，将扰乱氮素供应和植物氮素吸收之间的同步性，逐渐减少产量并增加活性氮的损失。此外，降水时间变异增加了洪涝和干旱的发生频率。该模型预测表明，在雨养农业生态系统中，随着气候变化驱动的降水变异性逐渐增强，将使部分集约化种植体系难以同时维持较高的产量和较低的环境及人类健康足迹。

· 文 章 亮 点 ·

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　　1.使用了一个简化模型来评估降水时间变异性增强如何影响作物产量和氮损失。

　　2.在当前降水变异水平下，作物产量减少，氮损失增加。

　　3.随着人为活动造成的气候变化，全球降水时间变异将变得更加剧烈，将进一步降低作物产量并增加氮损失。

· Graphical abstract ·

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· 研 究 内 容 ·

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　　▎引言

　　氮既是集约农业的重要资源，也是破坏环境和威胁人类健康的原因。在集约化农业系统中，大量的氮被收获的作物带走，然而氮的流动性将使剩余的氮以多种形式进入大气和水体，当可用的氮超过作物需求时，氮就很容易损失。当施氮量超过作物需求时，会造成肥料氮损失增加。降水变异性将直接影响作物施肥的时机，使得肥料养分供应和作物需求之间不匹配。降水变异性增强可导致氮素供应与氮素需求之间的不同步，间接造成更多的氮损失。关于降水和人为温室气体驱动的此类气候变化，较为可靠的预测之一是：降水变异性将随着地球变暖而增强。本文重点关注，降水时间变异性的增强是否会增加氮的损失，从而使作物对氮的需求与氮的供应更难同步。

　　▎材料与方法

　　TOY模型主要基于模拟的土壤水分、温度及所有来源的生物有效氮和磷（肥料、大气沉降和土壤有机氮和磷以及氮和磷的矿化）来计算非固氮作物的生产力。

　　本文使用TOY模型来评估：（1）在降水的低时间变异性水平下，氮肥的施用时机和分次施用量如何影响作物收获部分的氮素回收（作为产量的替代）和氮素的环境损失；（2）增强模拟的降水时间变异性，将如何影响作物收获部分的氮素回收和氮素的环境损失；以及（3）在降水时间变异性日益增强的情况下，基于模型的见解是否为缓解气候变化提供可能的途径。

图1 TOY模型的结构

　　▎结果与讨论适

　　当地施用肥料（分别为100和20单位的氮和磷）可提高作物产量和减少活性氮损失；当肥料在作物种植和开始生长时单次施用添加，可在作物中收获近一半的氮施肥量（48.8%）（图2）。当施肥发生在接近作物生长季节开始时，活性氮的损失急剧下降。将肥料分次施用，其中的40%在作物生长季节的第一个月施用，另60%在两个月后施用，作物收获后氮回收量进一步增加（达到施用氮的53.6%），活性氮的模拟损失进一步减少（图2）。

图2 模拟施用肥料的时间（x轴左侧）和模拟分次施用肥料的次数（x轴右侧）对收获材料中氮的回收（实线，产量的代表）和活性氮通过淋溶和气体通量损失到环境中（虚线）的影响

　　通过降水时间变异的五种强度模拟研究，发现降水时间变异性的增强会导致作物产量下降，活性氮的损失逐渐增大，洪涝和干旱的发生（仅在生长季节）更加频繁（图3）。

图3 降水时间变异性对洪涝（实线）和干旱（虚线）发生次数的影响

　　根据土壤水分调整模拟施肥量，对产量和收获作物中氮回收率的影响相对较小，但显著减少了活性氮损失（图4）。模型的分析结果指出，在粮食需求增加和降水时间变异性增强的情况下，虽然无法提高作物产量（即保证粮食安全），但是提供了既能大幅减少活性氮损失又能维持作物产量的新方法。因此，随着降水变异性的持续增强，人们似乎将面临越来越严峻的粮食安全挑战（图5）。

图4 旨在抵消更强降水时间变异性影响的管理实践

图5 降水时间变异性对收获作物中氮的回收率（实线）和通过淋溶和气体排放（虚线）对活性氮环境损失的影响

　　▎结论

　　通过模型预测表明，降水的时间变异性增强会导致化肥或其他来源的养分供应与作物需求不同步，也直接增加了洪水和干旱的发生频率，从而导致土壤氮和其他元素的流失。模型结果显示，调整作物施肥量虽可减少部分活性氮损失，但无法增加作物产量。在雨养农业生态系统中，随着气候变化驱动的降水变异性逐渐增强，将使部分集约化种植体系难以同时维持较高的产量和较低的环境及人类健康足迹。

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