南京土壤所氮循环研究团队的“追梦之声”：未来农田氮循环研究领域的五大课题 ​

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《论中国农田氮素良性循环》（邢光熹、赵旭、王慎强著，2020.11）论述了氮肥对农业增产、人类和社会发展的贡献，以及活化氮过量和管理不善对生态环境造成的负面影响，在此基础上，讨论推动中国农田氮素良性循环的科学策略，最后总结近一二十年来国际在氮循环研究方法学的重要突破，并提出了未来氮循环研究领域值得关注的重点课题。

来源：赛杰奥公号（2020年12月22日）

本文摘编自《论中国农田氮素良性循环》（邢光熹，赵旭，王慎强著. 北京：科学出版社，2020.11）一书“前言”“序”，有删减，标题为编者所加。

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我国人多地少，人均耕地面积很小，保障粮食安全和农产品供应的压力很大，解决这一问题的根本出路是努力提高作物的单位面积产量，同时保护好生态环境，既要高产高效又要生态环保。如何达到这一目标，将是中国农业和环境研究中一个倍加关注的热点议题，也是我国相关学科的科技人员所面临的挑战。我们需要对我国农田氮素循环在深度和广度上继续加强研究，对化学氮肥的使用中可能产生的正面影响和负面影响做进一步研究与评估，为我国农业中氮素科学管理策略和措施制定提供理论依据。

中国科学院院士              

中国科学院南京土壤研究所研究员

2020 年元月于南京       

▲ 常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站宜兴面源污染防控技术研发与示范基地

《论中国农田氮素良性循环》（邢光熹、赵旭、王慎强著，2020.11）论述了氮肥对农业增产、人类和社会发展的贡献，以及活化氮过量和管理不善对生态环境造成的负面影响，在此基础上，讨论推动中国农田氮素良性循环的科学策略，最后总结近一二十年来国际在氮循环研究方法学的重要突破，并提出了未来氮循环研究领域值得关注的重点课题。本文分享“结语——未来氮循环研究领域需要更加关注的课题”如下。

一、惰性氮（N₂）转变为活化氮（NH₃）的生物固氮

把N₂ 转变为NH₃ 有两条途径：一是常温常压和生物酶的作用下，把N₂ 转变为NH₃，称为生物固氮；生物固氮并不是一个新鲜议题，但它是一个难题。近半个世纪以来，人们做着不懈的努力，目前在固氮酶和固氮基因研究方面已取得长足进展。二是高温高压和催化剂的作用下，把N₂ 转变为NH₃，称为合成NH₃，并可以此为原料制成各种含氮化学肥料。一个多世纪以来，人类社会已充分享受到使用化学氮肥带来的效益，但是氮肥过量生产和使用又给生态环境带来了许多负面影响。人们已认识到，化学氮肥的消耗量必须降下来，但粮食生产量不仅不能降下来，而且必须有足够的氮素营养供给作物，以促进粮食生产。生物固氮途径理所当然地受到更多的关注。然而，至今生物固氮主要由原核生物才能完成。几十年来，科学家一直设想把原核生物的固氮基因转移到为人类提供粮食的主要禾本科作物上，如水稻、玉米和小麦等，让这些作物也能固氮。若能获得成功，则可大大减少对化学氮肥的依赖。

二、活化氮（NH₃）转变为惰性氮（N₂）的反硝化和厌氧氨氧化脱氮过程

微生物可把活性氮（NH₃）氧化为NO₃^-， NO₃^-再通过微生物的反硝化作用还原为N₂返回大气。20 世纪90 年代又发现 NH₄⁺ 以亚硝酸根为电子受体在微生物参与下也可直接氧化成N₂（厌氧氨氧化）。这样，土壤和水环境中过量的活化氮（NH₄⁺  和NO₃^-）可以通过两条途径转化为N₂。从农业角度来讲，这两条途径显然是无益的，因为会造成农田肥料氮损失。从环境角度，人们又希望通过它们有效去除进入水环境的冗余活化氮，减少其对生态环境的负面影响。除此之外，一些微生物又可以将NO₃^-直接还原为NH₄⁺  （ NO₃^-异化还原为NH₄⁺ ）。当前上述三个途径均已在农田土壤中被证实，然而，如何有效调控硝酸盐异化还原（反硝化、NO₃^-异化还原为NH₄⁺ ）和厌氧氨氧化过程还有很长的路要走，这可能是未来协调农田氮素农学和环境效应的重要突破口。

三、如何实现氮素在土壤中的有效保持

我国农田氮肥投入以铵态或酰胺态氮肥为主，其进入土壤后首先转化为NH₄⁺  。NH₄⁺ 在土壤氮素转化过程中处于重要地位，它既是植物氮素营养的一种重要氮形态，又是转化后进入大气和水体的活化氮（NH₃、NO₃^-、N₂O 等）的前体。若能通过化学制剂或物理方法控制其转化速率，可有效减少氮化物进入水气环境的数量。目前，虽然有一些化学抑制方法，如硝化抑制剂、脲酶抑制剂和水田抑氨分子膜等可以利用，但由于经济因素和一些技术原因未能普及；氮肥包膜等物理方法虽然可以起到一定的肥料NH₄⁺  缓控释作用，但距离真正实现养分供应和作物需求相匹配仍有差距。因此，如何实现NH₄⁺  在土壤中的有效保持是未来研究的重要议题，这对于水稻、薯类等相对喜铵作物提高氮吸收利用有重要作用。对于喜硝作物，控制NH₄⁺  向NO₃^- 的转化速率使其维持在作物需要的水平，避免土壤过度累积是关键。然而，我国不同农业区土壤类型和种植类型各异，耕作管理方式不同，肥料氮利用效率和损失程度也存在显著差异。通常，在同一区域相同气候和耕作管理等条件下，土壤中不同氮库的各种转化决定了肥料氮素的固持、释放及其在各形态氮库中的分配。因此，明确土壤理化和生物属性如何决定肥料氮土壤转化及作物吸收和关键损失过程就显得尤为重要。肥料氮施入后，直接参与土壤不同氮库间的转化，其有效性和长效性取决于同时发生的各形态氮复杂转化过程的速率大小。因此，利用新的技术方法对复杂土壤氮素周转过程进行同时准确量化，揭示肥料氮在不同土壤中的转化规律及其控制不同土壤-作物体系作物氮吸收与损失的关键机制，可能是未来从土壤/肥料供氮形态方面进行定向调控，进而实现大面积农田氮肥增产增效的有效途径。

四、氮高效作物培育

目前，我国在水稻、玉米和小麦育种方面已取得很大的成功。超级杂交水稻和玉米均超过亩产1000 kg。根据笔者近年对超级杂交水稻氮肥施用的调查和田间小区、温室盆栽试验了解到的情况得知，超级杂交水稻施氮量并不很高，但它的根系分泌物都大大超过普通稻，具有很强的利用土壤氮能力和联合固氮能力。选用氮高效作物品种，既能大幅提高作物产量又能减少化学氮肥用量，从而减少对环境的影响。因此，绿色高产氮高效作物新品种培育也是未来解决我国粮食安全和资源、环境问题的重要途径之一。围绕氮高效作物种植农田的土壤供氮、氮肥利用、损失及其环境效应研究也越来越受到重视。

五、氮循环观测方法的改革与创新

生物地球化学氮循环研究中对氮循环过程中形成的过量氧化态和还原态氮化合物通量的估算仍存在很大的不确定性，这是因为所用的原位观测方法存在很大的缺陷和局限性。氮素迁移转化过程和源汇关系的准确定量，对于评估氮对环境的影响及应采取的对策是非常重要的。生物地球化学氮循环中观测氮通量要求实地实时连续进行，而现有方法只能将不同试验处理做相对比较，达不到这一要求。值得欣喜的是，近年来，N₂O、NH₃ 的原位观测取得了长足进展，气态氮化合物通量监测面临的困难将有望克服。

笔者对未来氮循环研究领域应予以关注的科学技术问题提出如上几点看法，作为本书发出的“追梦之声”。

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ISBN 978-7-03-065429-8

责任编辑：周 丹 沈 旭 石宏杰 

本书简述氮循环的常用术语、基本过程及当代热点，论述氮肥对农业增产、人类和社会发展的贡献，以及活化氮过量和管理不善对生态环境造成的负面影响，在此基础上，讨论推动中国农田氮素良性循环的科学策略，最后总结近一二十年来国际在氮循环研究方法学的重要突破，并对未来氮循环研究领域关注的重点课题发表一点浅见。本书中的数据一部分是作者团队从事土壤氮素研究长期积累的成果，一部分是吸纳汇编了国内外同行专家的优秀成果，具有综合性、系统性和应用性。本书有助于读者全面认识农田氮素循环及其农学与环境效应，并为寻求减少农田氮素对环境不利影响提供思路和对策。

本书内容涉及生态环境、土壤、生物、大气化学和海洋化学等诸多学科，可供相关研究人员使用，也可供氮肥生产及农业技术推广人员，农业及环境部门的决策、管理人员阅读和参考。

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