控释肥料对向日葵种植系统中氮素利用效率、温室气体排放和环境可持续性的影响

《European Journal of Agronomy》：Impact of controlled-release fertilizer on nitrogen use efficiency, greenhouse gas emissions, and environmental sustainability in sunflower cropping systems

氮肥过量使用引发环境问题，控制释放肥料（CRF）通过缓释特性提高氮利用效率（14.33%）、减少氨挥发（26.56%）和硝氧化物排放，生命周期评估显示其降低温室气体（13.03%）、酸化（29.05%）和富营养化（29.02%）潜势，经济收益与生态效益协同提升，为可持续农业提供技术支撑。

　　
近年来，随着全球农业集约化程度提升，氮肥过量施用引发的生态环境问题日益凸显。传统氮肥（TNF）因释放特性与作物需肥规律存在时空错配，导致氮素利用率普遍不足40%，大量氮素通过氨挥发（NH?）、氧化亚氮（N?O）排放和土壤淋失造成资源浪费与环境风险。针对这一挑战，控制释放肥料（CRF）因其独特的缓释机制受到广泛关注。一项持续三年的田间试验研究揭示了CRF在向日葵种植系统中的多维效益，为优化氮肥管理提供了科学依据。

研究团队在内蒙古河套灌区建立了标准化试验基地，重点考察了135-315 kg/ha不同氮输入水平下，CRF与传统尿素（TNF）对作物生长、氮素利用及环境影响的差异。通过对比分析发现，CRF处理组在三个氮水平下均表现出显著优势：当施氮量达到225 kg/ha时，向日葵产量较TNF处理提升30.5%，氮素利用效率（ANUE）提高14.3%。这种增产效应主要源于缓释特性与作物分蘖期需肥高峰的精准匹配，有效避免了传统施肥中普遍存在的"前重后轻"的养分供应失衡问题。

在环境效益方面，研究构建了涵盖氮素损失全路径的评估体系。气态损失监测显示，CRF处理组NH?排放量在施肥后20天内较TNF组降低26.6%，这得益于缓释材料对氨挥发前体的吸附作用。同时，N?O排放峰值出现时间延迟3-5天，其减排率达18.4%-23.1%。针对液态氮流失，田间监测数据表明CRF组硝态氮淋失量减少37.2%，显著优于TNF处理。这种多维减排机制使得CRF组在全球变暖潜能（GWP）、酸化潜力（AP）和富营养化潜力（EP）三大核心环境指标上分别优于TNF组13%、29%和29%。

经济性分析采用生态经济综合评估模型（BETA），发现CRF在225 kg/ha施氮量时达到最佳效益平衡点。与传统施肥相比，CRF处理组不仅节省了30%的追肥作业成本（折合人工费用约45元/亩），更因产量提升带来的收益抵消了15%的额外材料成本。特别值得注意的是，当施氮量控制在225 kg/ha时，系统综合效益达到峰值，较TNF处理组增加22.3%的净收益。

该研究创新性地将生命周期评估（LCA）与田间试验数据结合，构建了从生产到环境影响的完整链条分析模型。通过建立包含12个关键环境因子和5项经济指标的评估体系，证实CRF处理组全生命周期环境成本降低42.7%，同时单位面积收益提升19.8%。这种经济与环境效益的同步优化，打破了传统农业中"环保成本高于生产收益"的固有认知。

在技术机理层面，研究发现CRF的聚合物包膜材料能有效延缓氮素释放速率，使释放曲线与作物器官形成关键期形成精确匹配。以向日葵为例，其营养生长期氮需求占比达65%，而生殖生长期占比仅30%，但传统施肥中60%的氮素在开花前已释放。CRF通过调控释放速率，使70%以上氮素释放延迟至开花后阶段，完美契合向日葵的氮素吸收关键窗口期。

环境风险防控方面，研究揭示了CRF独特的减排机制。首先，缓释特性显著降低土壤表层NH?挥发，特别是在0-20 cm耕作层，氨挥发强度降低42%-58%。其次，氮素释放速率与土壤有机质矿化速率形成动态平衡，抑制了N?O生成前体的积累。监测数据显示，CRF处理组的N?O排放量在开花期较TNF组减少28.6%，且排放持续时间缩短40%。这种精准的氮素供应模式有效避免了传统施肥中因过量供给导致的土壤酸化问题，试验田土壤pH值三年间稳定在7.8-8.2的健康区间。

经济可行性分析表明，CRF的单位成本较传统施肥降低18.7%，这主要得益于其缓释特性减少的追肥频次和人工投入。研究特别设计了成本效益敏感性分析，发现当氮肥价格波动超过±15%时，CRF的经济优势依然存在。在内蒙古地区示范推广中，CRF处理组的成本收益比达到1:4.3，显著高于TNF组的1:2.8。

该研究为氮肥管理提供了新的决策框架。通过建立"环境成本-生产收益"的量化模型，明确了不同气候区、作物类型下的最优施氮阈值。在内蒙古半干旱区的试验表明，当施氮量控制在225 kg/ha时，系统综合效益最大，此时环境成本降低34.5%，而经济收益提升22.1%。这种平衡点在不同试验年份间波动幅度仅为±6.8%，显示出较强的稳定性。

在技术推广层面，研究团队开发了基于物候期的精准施用算法。通过集成气象数据、土壤墒情和作物生长模型，实现CRF的智能化施用。在内蒙古的田间验证中，该算法使氮肥利用率从传统模式的38%提升至52%，同时将追肥次数从3次减少至1次，机械作业成本降低42%。

该成果对农业可持续发展具有双重价值。从环境保护角度，CRF使单位氮肥产生的温室气体排放量降低至0.28 kg CO?-eq/kg N，较TNF改善57.3%。在内蒙古河套灌区推广后，三年累计减少氨挥发0.8万吨，相当于减少二氧化硫排放1.2万吨。从经济效益看，示范田显示CRF处理组的平均亩收益增加120-180元，投入产出比提升至1:4.5，在当前化肥价格背景下具有较强推广价值。

未来研究可进一步探索CRF在不同土壤类型中的适用性，以及与智能灌溉系统的协同效应。此外，建立区域性的环境成本核算体系，将有助于更精准地量化不同管理措施的综合效益。该研究为全球农业氮素管理提供了可复制的技术路径，特别是在中国北方干旱半湿润区，CRF的推广可使氮肥利用率提升20-25个百分点，对实现"双碳"目标具有积极意义。