综述：重新定义应对气候变化的作物施肥策略：需要综合土壤-养分-气候方法

《Applied Biological Chemistry》：Redefining crop fertilization strategies in response to climate change: the need for an integrated soil–nutrient–climate approach

　　

气候变化给作物生产带来复杂挑战，改变了养分有效性、土壤动态和植物养分吸收效率。在历史气候标准下校准的施肥策略不足以支持在干旱诱导蒸散或洪涝诱导反硝化等胁迫下的养分吸收效率。本研究提出一个综合框架，基于气候因素、土壤性质和作物生理响应之间的相互作用重新定义施肥实践。通过回顾近期研究，研究人员识别了水填充孔隙空间对肥料利用效率（FUE）的关键影响，并强调了水分敏感施肥管理的必要性。总结了针对特定气候胁迫定制的比较策略，突出了每种情景下的最佳时机、形式和肥料类型。研究人员还提出了一个整合实验数据收集、建模和适应性施肥技术开发的研究路线图。该方法旨在建立能够维持养分吸收并在可变环境条件下最小化损失的气候响应性施肥系统。研究结果为与未来气候情景对齐的精准施肥策略提供了科学依据，为增强粮食安全和农业韧性提供了实际见解。最终，面对持续的气候变异性，采用气候适应性施肥技术对于维持生产力和减少环境影响至关重要。

气候变化对施肥策略转变的要求

气候变化同时改变了作物的养分需求、吸收机制以及土壤中养分的形态和动态，从根本上挑战了传统施肥实践的基础。大气CO₂浓度升高可能暂时刺激光合作用，但结合温度升高时，会诱导水分胁迫并最终限制作物生长。在C₃作物中，升高的CO₂水平提高了光合效率和对磷、氮的需求，这主要归因于地上部碳水化合物积累增强，可能加剧植物组织内的碳-氮（C:N）失衡。为维持生长，作物需要更强的氮同化，这强调了基于生理的、需求响应性施肥策略的重要性，而非简单增加施肥量。此外，热胁迫和土壤干燥加速蒸散，导致根际氧扩散减少并改变氧化还原电位。这些缺氧条件抑制了根部的ATP合成，降低了能量依赖性养分转运蛋白的活性，尤其是对硝酸盐和磷酸盐。因此，即使外部养分供应充足，植物也会经历养分吸收效率下降。同时，土壤微环境的变化可能导致反硝化作用下的氮损失或干旱条件下养分扩散速率降低，从而降低肥料利用效率。实验研究表明，氮吸收效率（NUE）在60%-80%的水填充孔隙空间（WFPS）水平下达到峰值，而超过80%时，由于厌氧条件，NUE可降低高达40%。相反，WFPS低于40%会限制水力连续性和养分扩散，进一步损害FUE。洪涝和干旱等极端气候通过淋溶、反硝化和有限养分移动性等机制放大了养分利用效率的降低。洪涝诱导土壤缺氧，增加氮和钾等移动性养分的淋溶，恶化作物营养状况。干旱则物理限制养分向根部移动，急剧降低养分吸收效率。这些气候挑战表明，施肥策略必须超越单纯调整施用量，需要对施肥的空间和时间概念进行彻底重新设计。养分需求的预测建模、气候响应性土壤改良剂整合，以及考虑作物生理响应的“气候定制化施肥技术”应引入农业实践。近期田间研究表明，在淹水稻田系统中补充硅肥能显著增强作物韧性，并将氮利用效率提高20-30%，支持将其纳入气候响应性养分策略。荟萃分析进一步证实，在干旱条件下施用生物炭可以改善养分保持和持水能力，缓解FUE的下降。这些挑战也表明，养分有效性和吸收不仅受肥料投入影响，还受植物根部温度敏感和水分敏感的离子转运机制调控。因此，施肥策略必须考虑这些内部生理限制，以在气候诱导胁迫下优化养分供应。这表明养分管理技术现在必须作为气候适应性农业系统的核心组成部分，而非孤立实践。

影响肥料利用效率的因素

气候变化复杂地改变了影响肥料利用效率（FUE）的各种土壤、气候和生物因素的相互作用。特别是温度和水分条件的波动对养分矿化速率、微生物活性、土壤中养分移动性以及根部吸收养分的能力有显著影响，这些都是作物养分利用效率的关键决定因素。土壤水分状况直接影响肥料的可用性和移动性。当根部周围的水填充孔隙空间过低时，养分扩散和对流减少；反之，水分过多会限制氧气供应，抑制根部呼吸并延迟养分吸收。最佳养分吸收通常发生在WFPS为50-70%时，但根据土壤质地和作物系统，可能观察到60-80%的值。从机制上看，当WFPS超过80%时，有限的通气引发从有氧到厌氧微生物代谢的转变，从而加速反硝化作用，减少可用氮形态（如硝酸盐）。相反，在WFPS低于40%时，水膜变得不连续，限制溶质向根部的扩散，导致局部养分耗竭区。这些相反的过程解释了FUE对土壤水分梯度的钟形响应。这些相互作用表明，FUE是由耦合的物理（如扩散、对流）、化学（如氧化还原动态）和生物（如微生物呼吸、根部活性）过程共同决定的涌现结果，所有这些都受到气候变异的紧密调控。温度影响土壤有机质分解和氮矿化速率，从而改变养分有效性。温度适度升高可增强微生物活性并加速分解，但过度热胁迫会导致快速水分损失和微生物死亡，降低养分转化速率。此外，高温和低水分条件可改变细胞膜通透性，降低主动运输系统的效率，限制养分向叶片的转运。肥料的形态和特性也对FUE有决定性影响。无机肥反应迅速，但在气候胁迫条件下易受淋溶和挥发影响。有机肥提供缓冲能力和有机质，但矿化延迟。此外，控释肥、硝化抑制剂和生物炭基改良剂等先进肥料正作为改善气候韧性的手段受到关注。此外，作物生长阶段与养分吸收需求之间的时间不匹配会降低FUE。例如，在高温或水分过多时期进行表面集中施肥可能导致低效。因此，分次施肥、叶面施肥或根据根系生长阶段安排施肥时机等策略是必要的。这表明气候适应性养分管理技术必须超越单纯确定“施什么和施多少”，而包括“何时、在什么条件下、以什么方式供应养分”。

传统施肥实践的局限性及改进方向

目前，韩国的作物施肥技术遵循基于“标准施肥量”或“土壤测试推荐量”的固定处方系统，这些系统是在平均气候条件下设计的。然而，这些施肥标准未能充分反映极端天气事件、季节性变异和水分胁迫等异常情况，尽管作物生长环境因气候变化而快速变化。在极端气候条件下，施肥的时机和形式可能比施用量本身更为关键。不考虑作物养分需求与土壤养分供应之间平衡的均匀施肥实践，通过淋溶和挥发增加了养分损失，是环境污染的主要原因。过度施肥增加土壤养分饱和，导致氮的反硝化损失和磷的固定，两者均降低作物实际吸收效率。当前技术缺乏对养分保持能力低的土壤的具体纠正策略，特别需要开发考虑土壤物理变化和水分胁迫（干旱和涝渍）条件下肥料反应性差异的定制化技术。提出的解决方案包括通过增加有机质含量增强养分缓冲能力，利用生物炭和硅基肥料，以及采用与作物生长阶段对齐的分次施肥策略。此外，越来越需要开发使用作物生长和环境胁迫指标（如光合速率、叶绿素含量、脯氨酸浓度）作为反馈的实时或响应性施肥系统。国际研究也强调了类似气候响应性施肥框架的必要性。van Grinsven等人（2015）表明，基于固定标准的氮肥系统在气候变化下因气候变异与氮循环之间的增强相互作用而变得日益无效。他们的综合研究强调了将经验证据与建模和决策支持系统整合以实现可变气候条件下适应性氮管理的重要性。这些发现支持从静态施肥处方转向动态、气候响应性管理方法。在实践中，现有技术未纳入作物生理响应，因此无论条件如何，在同一时间施用相同肥料使得当前实践在气候适应性方面脆弱。最近，使用开顶箱（OTC）的实验系统已用于定量评估高CO₂和温度条件下作物的养分需求和响应特征。此类数据可作为未来开发气候响应性施肥技术的关键基础。因此，当前施肥技术必须重组，将气候变化考虑整合到施肥的“时机、形式和方法”中，而不仅仅是施用量。这种技术创新应超越提高生产力，以增强环境可持续性和农业系统的韧性。

开发气候适应性施肥技术的研究方向

为了实现响应气候变化的施肥技术改进，有必要建立一个超越传统静态施肥模型的量化、环境响应性研究系统。首先，应在气候情景条件下（如升高的CO₂浓度、温度升高和降雨变异）进行系统实验，以研究作物生理响应、养分需求和土壤养分动态。这些研究必须超越简单的生长评估，设计用于阐明作物、土壤和气候之间相互作用的机制。例如，使用开顶箱（OTC）系统在CO₂升高200 ppm和温度升高2.0°C条件下对水稻和大豆进行栽培实验，使得能够精确分析养分需求、光合效率、根系生长和养分含量的变化，为计算气候变化下作物特定施肥量提供基础数据。此外，设计结合控制孵育和作物栽培的平行实验，以评估极端气候条件（特别是干旱和洪涝）下肥料的矿化速率、养分损失特征和作物胁迫响应。通过量化不同土壤水分条件（WFPS 40-80%）下不同肥料类型（无机、有机、混合）的氮矿化、硝化抑制效应和养分淋溶，可以推导出适用于实际栽培环境的气候响应性施肥策略。此外，必须进行研究以评估生物炭、硅和绿肥等土壤改良剂的效果。例如，生物炭因其微孔结构，在干旱条件下增强保水性，在涝渍条件下减轻养分损失。硅提高水稻等C₃作物的光合速率，改善氮利用效率，并降低脯氨酸浓度，从而增强抗逆性。此外，基于积累的实验数据，构建气候情景下养分需求预测模型，并开发气候响应性施肥建模和数字农业平台，以确定每个作物生长阶段的最佳施肥量，将具有重要意义。这将实现响应气候变异的实时、信息化施肥决策，有助于弥合政策实施与农场应用之间的差距。最终，这些研究应超越零散实验，在开发综合养分管理技术的中长期目标下整合。一个综合纳入气候预测数据、作物生理信息和土壤性质信息的收敛性研发策略将是必不可少的。为了实施气候响应性施肥策略，我们提出了一个四步研究框架，整合控制实验、数据驱动建模和田间验证。第一步，使用控制环境试验（如开顶箱研究）模拟未来气候条件，如升高的CO₂浓度（+200 ppm）和温度升高（+2°C），定量分析水稻和大豆等作物的氮磷需求、水分利用和光合效率变化。第二步，从箱体和田间实验中收集数据，识别水填充孔隙空间（WFPS）、肥料利用效率（FUE）和养分移动性之间的关键机制关系，为模拟气候变异下养分命运的机制模型奠定基础。第三步，校准DSSAT和APSIM等作物模拟模型，以预测特定气候情景下的养分动态，支持基于情景的高效且气候适应性施肥方案的优化。最后，第四步通过在水灾易发或干旱影响地区对辣椒、大豆和水稻等作物进行农场验证试验，将模型预测转化为实践。这些农民参与试验的反馈用于迭代优化施肥策略并确保本地适用性。该逐步框架为整合实验知识、预测工具和适应性施肥技术的实际部署建立了可扩展的基础。气候变化从根本上颠覆了传统施肥实践的前提，需要向气候适应性策略的范式转变。动态方法（考虑气候变异、土壤养分动态和作物生理响应之间的相互作用）而非静态施肥量至关重要。开发极端天气下作物养分需求预测模型、通过定制材料提高肥料效率以及整合数字工具进行精准管理将是关键研究方向。实施此类技术不仅能在气候胁迫下稳定作物产量，还能通过最小化养分损失促进环境可持续性。推进施肥实践以与变化的气候对齐，对于保障未来粮食生产和增强农业系统韧性至关重要。