大气无机氮沉降对中国农田生态系统的影响及氮肥施用启示

《The Innovation》：Effects of atmospheric inorganic nitrogen deposition on cropland ecosystems and implications for fertilizer application in China

　　

过量施肥被广泛认为是驱动中国农田氮污染的主要因素，而大气无机氮沉降（AIND）作为一种未被充分利用的养分来源，其关键作用仍待深入探索。当前农业管理策略大多忽视AIND的双重身份——既是环境退化的贡献者，也是合成肥料的潜在替代物。研究人员通过量化农田AIND空间分布并评估其减少肥料依赖的未开发潜力来填补这一空白。2017至2019年，农田平均AIND估计为33.83±13.06 kg N ha?1 year?1，介于3.54至77.90 kg N ha?1 year?1之间。当把AIND作为三大主粮作物农田生态系统的额外氮输入时，全国30.58%的播种面积因AIND出现粮食增产，其余面积无显著收益。为在无效区充分利用AIND，七类代表性种植体系平均可减施氮肥22.52±15.87 kg N ha?1 year?1且不降低当前产量，全国层面相当于现有氮肥用量的5.59%–12.23%（即1.01–2.21 Tg N year?1）。这些发现凸显AIND作为环境养分资源的潜力，并为制定针对性环境政策提供依据。

研究背景方面，工业、农业与交通快速发展使活性氮排放大增，部分通过湿沉降与干沉降返回陆地，形成大气无机氮沉降（AIND，含还原态NH_x-N与氧化态NO_y-N）。AIND在农田中具有双重角色：过量时加剧空气、土壤与水污染，适量时则作为外部氮源促进作物生长与土壤改良。中国过去十年AIND平均20.4–40.0 kg N ha^?1 year^?1，约占合成肥10%–20%，但农业部推荐施肥量基于大尺度农区土壤测试，忽略AIND空间分异，小农亦缺乏认知导致过量施氮。该研究发表于《The Innovation》，旨在量化AIND分布、评估其减施潜力，为空间优化氮肥管理提供科学基础。

关键技术方法上，研究人员融合卫星OMI的NO₂与IASI的NH₃柱浓度、大气化学传输模型（CTM）及全国氮沉降监测网（NNDMN）地面数据，以0.25°×0.25°分辨率估算2017–2019年AIND；采用DNDC（v.9.5）模型在县级尺度模拟稻、麦、玉米三大作物七类种植体系（M-W、R-W、DR、SR、SW、SS、SM）的氮循环与产量响应，AIND作为额外氮输入参与模拟；基于季节动态与作物需求，区分生长季与非生长季，结合EDGAR v.6.1排放清单拆分NH_x中肥料诱导与非肥料源组分，推导减施方程并评估产量风险。

研究结果部分，“AIND在农田生态系统中的分布”显示：全国均值33.83±13.06 kg N ha^?1 year^?1，中东部高、东北西北及青藏低；NH_x占68.13%，集中于华北平原（NCP）、四川盆地（SB）、长江中下游（MLYR），NO_y峰值位于京津冀与长三角；肥料诱导NH_x在陕晋突出，非肥料NH_x与畜禽粪管相关。“AIND对农田生态系统的影响”表明：30.58%播种面积增产（玉米响应最强，平均+1171.60±879.51 kg ha^?1 year^?1；水稻+798.42±500.52；小麦+319.87±472.53），余69.42%无增益，多见于南方稻麦轮作与西部麦区，系施肥超需所致；环境归趋上59.67%±24.51%以气态损失（NH₃、N₂O、NO、N₂），13.41%±11.25%淋溶径流，18.01%±14.17%留存土壤（SIN与SON）。“氮肥减施潜力”得出：在无效增产区按土壤留存比例与非生长季留存率折算，七体系平均可减22.52±15.87 kg N ha^?1 year^?1，全国减1.01–2.21 Tg N year^?1（占5.59%–12.23%），产量无显著变化。

讨论与结论翻译：研究人员指出AIND高值及空间异质性意味着活性氮大量输入，且NH₃挥发后局地再沉降使氮素账面复杂化；在69.42%无增产区，过剩氮以气体与淋溶流失，证实减施空间巨大。将AIND显性纳入推荐施肥可兼顾粮食安全与环境收益，减施1.01–2.21 Tg N year^?1对产量影响极小，却降低生产成本、缓解水体富营养化与PM_2.5前体物排放。结论为：2017–2019年中国农田AIND达33.83±13.06 kg N ha^?1 year^?1，30.58%播面增产；在剩余区域通过抵减非肥料源NH_x与全部NO_y及土壤留存部分，全国可减氮肥1.01–2.21 Tg N year^?1，相当于现用量5.59%–12.23%，该路径支持以AIND为环境养分资源的定向政策设计。