中國網/中國發展門戶網訊 長江三角洲跨越江蘇、浙江、上海3省（直轄市），是我國經濟最發達和糧食生產高度集約化的地區，此中太湖平原是長江三角洲的主體。得益于優越的水熱條件，該地區農地主要實行以水稻為中間的水旱輪作制。由于所處地區江河湖泊水網密布，泥土重要由河湖沖積物構成，地勢低洼，歷史上曾面臨漬澇、沙化等問題，形成泥土物感性狀不良、養分有用性低，嚴重阻礙糧食生產。早在1956年，中國科學院南京泥土研討地點常州、蘇州、無錫等地陸續開展了農業豐產經驗總結與試驗研討，寫出了一系列具有主要價值的專著。20世紀80年月，由熊毅院士掌管“六五”國家科技攻關計劃“太湖地區高產泥土的培養與公道施肥的研討”，從泥土養分、結構特征等科學數據多角度論證了當時風行的雙季稻三熟制的弊病，用“三三得九，不如二五一十”（將“早稻/晚稻/麥一年三熟”調整為“稻麥一年兩熟制”）的淺顯諺語詮釋了熟制公道運籌的主要性，在區域長期糧食穩增產中發揮了舉足輕重的感化。“六五”國家科技攻關計劃攻關結束后，李慶逵院士、熊毅院士、趙其國院士、朱兆良院士等提出須樹立一個相對穩定的試驗站，作為水稻土、經濟發達地區農業與生態環境變化的研討基地。在此佈景下，中國科學院常熟農業生態實驗站（原名中國科學院南京泥土研討所太湖農業生態試驗站，1992年改名，以下簡稱“常熟站”）于1987年6月應運而生。
建站后，尤其是進進21世紀后，面向國家、區域對農業高產高效與生態環境保護的主要需求，常熟站依托試驗平臺，在泥土物質循環與效能演變、包養網農田養分高效與精準施肥、農區泥土安康與生態環境晉陞等領域開展了行之有效的科學觀測與試驗示范任務，逐漸構成了極具特點的泥土氮素循環、農田固碳減排、農業面源淨化等優勢研討標的目的，掌管承擔了大量國家重點科技項目，獲得了一系列有國際影響力、國內引領性的創新結果，持續推進泥土碳氮循環理論與技術向深度和廣度拓展延長，助力我國農業綠色可持續發展。
開展“田塊—區域—國家”多標準長期、系統觀測研討，創新和發展了稻田優化施氮的基礎理論與技術
氮肥既是農業增產必不成少的農用化學品，又是環境淨化物的重要來源之一。中國是水稻年夜國，種植面積約3 000萬公頃，稻谷年產超2億噸，但投進化學氮肥也高達630萬噸，占全球水稻氮肥耗費1/3，對年夜氣、水體等產生的負面環境效應相當于水稻施氮增產收益的52%。是以，若何優化施氮，協調氮肥的農學與環境效應是我國水稻生產面臨的關鍵科學命題。圍繞這一命題，開展稻田氮肥往向及損掉規律、氮肥應用與損掉區域差異及機制、適宜施氮量確定和推薦方式的研討一向是常熟站長期堅持的基礎性科研任務。
量化了稻田殘留化肥氮的長期往向
農田氮肥有三年夜往向：作物接收、泥土殘留和損掉。國內圍繞氮肥往向雖然已開展了大批15N示蹤試驗，但缺乏對殘留氮長期往向的追蹤。國際上在長時間標準上追蹤殘留氮往向的研討亦很是罕見，僅見法國學者Mathieu SeBilo等基于甜菜-小麥輪作旱地的30年結果報告。該文指出，化肥氮泥土殘留對地下水環境影響長達百年。對于稻田，因耕耘制與水熱條件分歧，其泥土殘留氮肥對后續作物氮接收與環境影響一向是學界廣泛關心的問題。
常熟站應用2003年樹立的原狀土柱滲漏池，進行了長達17年的肥料往向追蹤。觀測結果確認了2個事實：一方面，假如僅考慮肥料氮的當季接收，會年夜幅低估化肥氮的真實貢獻；另一方面，殘留于泥土中的化肥氮年夜多能被后續作物持續應用，再遷移進進環境并產生明顯影響能夠性較小。基于此，提出了進步稻田氮肥應用率的“兩步走”原則：阻控當季氮肥損掉、進步氮接收；增強泥土保氮才能。上述原則為優化施氮、進步氮肥應用率的技術研發供給了落腳點（圖1）。
提醒了水稻氮肥應用與損掉的區域差異及緣由
我國水稻種植分布廣，因水肥耕種等治理原因的分歧，氮肥應用與損掉及其環境影響迥異。以東北、華東稻區為例，二者水稻種植面積、稻谷產量合占全國36%和38%。兩地水稻單產基礎相當，但諸多田間結果表白東北氮肥應用率要高于全國其他稻區，這一差異被學者所熟知，但其背后緣由并不明白。
應用區域數據整合—田塊與泥土互置盆栽觀測—室內示蹤等綜合研討方式，在明確水稻氮肥應用與損掉的區域差異（圖2），量化氣候、泥土、治理（施氮量）對氮應用與損掉的影響貢獻的基礎上，提醒出東北水稻氮肥應用率優于華東的重要緣由。東北水稻維持高產所需吸氮量低，而對接收氮構成稻谷產量的心理效力高；東北水稻土礦化、硝化弱，損掉少，能進步泥土銨態氮存留，契合水稻的銨偏好，且肥料氮對泥土氮的激發明顯，可供給更多礦化氮和堅持較高泥土供保氮程度。這些新認識，解答了東北水稻氮肥應用率高于華東水稻的重要緣由，為高氮投進地區稻田優化施氮、下降環境影響風險供給標的目的依據。
創建了經濟和環境經濟指標優化的水稻適宜氮量分區確定方式
優化施氮是推動農田氮素良性循環的關鍵，確定作物的氮肥適宜施用量是優化施氮的條件。現行施氮量優化途徑有兩類：通過泥土和/或植株測試直接確定滿足作物所需的適宜施氮量，但我國以小農戶種植和疏散經營為主，田塊小而多，復種指數高茬口緊，該途徑耗時耗力，投進較高，當前較難年夜面積奉行；以產量/施氮量田間試驗為基礎，確定邊際效應最年夜化的均勻適宜施氮量作為區域推薦，具有綱舉目張、簡便易把握的特點和優點，但多以產量或經濟效益為施氮量確定依據，疏忽了環境效益，不合適水稻可持續生產的新時代請求。動員數以千萬計的小農戶氮肥減施是一項宏大挑戰，也需求對小農戶氮肥優化面臨的減產風險和環境影響進行權衡剖析，以滿足社會、經濟和環境效益多目標協同。
針對這一難題，常熟站研討團隊創建了以經濟（ON）和環境經濟（EON）指標為優化依據的水稻適宜氮量分區確定方式。區域施氮量優化可保證我國2030年2.18億噸水稻總產能需求下，減少氮肥投進10%—27%，減排活性氮7%—24%。年夜范圍田塊驗證表白，區域氮量優化可在85%—90%的點位上實現水稻基礎平產或增產，90%—92%點位上做到收益年夜體持平或增添，93%—95%點位上實現環境經濟效益無明顯下降或進步，同時進步氮肥應用率30%—36%。此外，從科技、治理、政策3個層面提出了構建全國標準產量—施氮量動態觀測網和“控氮”決策智能治理系統，樹立氮肥配額治理與實名購買定額應用軌制，出臺廣泛優化氮量激勵補貼（面向全國水稻種植戶的補貼總額僅為水稻產值、增產收益和環境收益的3%、11%和65%）等建議，為國家推動農業減肥增效與綠色發展供給自上而下的決策依據（圖3）。
系統開展我國主糧生產體系碳減排技術途徑研討，為推動農業碳中和實現供給科技支撐
糧食生產是我國主要的溫室氣體排放（簡稱“碳排放”）源，重要歸因稻田甲烷（CH4）排放，氮肥施用惹起的泥土氧化亞氮（N2O）排放，以及包養網農業生產資料生產、運輸過程導致的二氧化碳（CO2）排放。“雙碳”戰略佈景下，針對碳中和碳達峰國家嚴重需求，解析我國糧食生產碳排放的調控機制和時空特征，量化固碳減排辦法的潛力，明確碳中和實現路徑，對于發展綠色低碳農業和緩解氣候變化具有主要意義。
明確了我國主糧生產碳排放的時空格式
水旱輪作（夏日水稻—夏季小麥）是太湖地區重要的水稻生產輪作軌制。當前氮肥大批施用及秸稈直接還田在保證糧食產量的同時，促進了CH4和N2O的大批排放。常熟站長期定位試驗的結果顯示，長期秸稈還田下，太湖地區稻田CH4排放量高達290—335 kg CH4 hm-2，高于國內其他水稻產區的排放量。雖然秸稈還田能夠進步稻田泥土有機碳固定速度，但從綜合溫室效應剖析，秸稈還田惹起的稻田CH4排放溫室效應的增幅是泥土固碳後果的2倍多，是以顯著減輕了溫室效應。即便在旱地（小麥季）還田，秸稈對泥土N2O排放的促進效應，也能夠抵消失落30%的泥土固碳後果。稻季N2O的直接和間接排放則隨著化學氮肥施用量增添而呈現指數式增添。
在全國層面，常熟站研討團隊構建了主糧作物碳排放預算模子。2005年我國水稻、小麥和玉米生產過程的碳排放總量為5.8億噸CO2當量，占農業源總排放量的51%。2018年碳排放總量增添到6.7億噸，排放占比增添到56%（圖4）。分歧作物排放差異宏大，水稻生產貢獻最年夜（占比57%），其次是玉米（29%）和小麥（14%）生產。依照生產環節分類，稻田CH4排放是我國主糧生產碳排放的最年夜貢獻源，占比38%，其次是化學氮肥生產過程能耗CO2排放(占比31%)和氮肥施用惹起的泥土N2O排放（占比14%）。我國主糧生產碳排放呈現顯著的空間差異，整體呈現“東重西輕”和“南重北輕”的格式（圖4）。稻田CH4排放及氮肥用量的區域差異是驅動碳排放空間變異的重要原因。稻田甲烷排放和氮肥施用等惹起的強碳源效應是泥土固碳效應的12倍，表白亟需采取公道的農田治理辦法減少稻田甲烷排放，優化氮肥治理，進步泥土固碳後果。
提出了我國糧食生產碳中和的技術路徑
優化秸稈和動物有機肥還田方法，下降有機物猜中易分化碳含量，進步木質素等難分化碳含量，能夠有用把持稻田甲烷排放，并進步泥土固碳後果。假如綜合考慮溫室效應，在稻田施用作物秸稈和動物有機肥，單位有機物碳輸進分別顯著促進了凈碳排放1.33和0.41 t CO2-eq·t-1，旱地施用則分別減少了凈碳排放0.43和0.36 t CO2-eq·t-1·yr-1。假如將秸稈和有機肥碳化成生物炭還田會將其對稻田凈碳排放的正效應轉為負效應，并年夜幅晉陞旱地泥土的碳匯才能。除此以外，基于“4R”戰略（適宜氮肥類型，公道施用量、施用時期、施用方式）的氮肥優化治理辦法，如高效氮肥、氮肥深施及測土配方施肥等，能夠通過有用協同泥土氮和肥料氮供應與作物需氮之間的關系，年夜幅減少N2O直接和間接排放。
糧食生產溫室氣體排放之間存在的此消彼長效應，表白碳氮耦合優化治理是實現農田泥土固碳減排協同的關鍵。常熟站研討團隊發現通過增添秸稈還田比例（從當前的44%進步到82%）、采用間歇澆灌及氮肥優化治理的3個減排辦法聚集（減排計劃1），我國主糧生產總碳排放能夠從2018年包養網的6.7億噸CO2當量減少到5.6億噸，減排比例為16%，無法實現碳中和。假如進一個步驟優化減排辦法，將減排計劃1中的秸稈炭化為生物炭還田并堅持其他辦法不變（減排計劃2），我國主糧生產總碳排放將從5.6億噸下降至2.3億噸，減排比例進步到59%，但依然無法實現碳中和。假如在減排計劃2的基礎上，進一個步驟將生物炭生產過程產生的生物油和生物氣捕獲后發電實現動力替換（減排計劃3），主糧生產總碳排放將從2.3億噸下降至—0.4億噸，可實現碳中和（圖5）。未來需求完美和規范碳買賣市場，優化生物炭熱解工藝，樹立生態補償機制，激勵農平易近采用生物炭及氮肥優化治理辦法，推動農業碳中和的實現。
開展了南邊多水體面源淨化包養成污機制、模子模擬與決策支撐研討，助力漂亮田園建設與鄉村振興
我國南邊地區氮肥施用強度年夜、降雨豐沛、水系發達，農業面源淨化防控一向是區域環境領域熱點科學問題。常熟站是我國最早開展面源淨化研討的站點之一，馬立珊等早在20世紀80年月就開展田間實驗與野外調查，完成了《蘇南太湖水系農業非點源氮淨化及其把持對策研討》。2003年，由朱兆良院士掌管的中國環境與發展國際一起配合委員會項目“中國種植業的非點源淨化把持對策研討”，初次對我國農業面源淨化的現狀、問題、對策進行了梳理。結合“十一五”水體淨化把持與管理科技嚴重專項（以下簡稱“水專項”）和太湖地區面源淨化防控的長期實踐，楊林章等率先在全國提出頭具名源淨化管理的“4R”理論，源頭減量（Reduce）、過程阻斷（Retain）、養分再應用（Reuse）和生態修復（Restore）。這些實踐與技術為我國面源淨化管理與水環境改良作出杰出的貢獻。
第二次淨化普查結果表白，我國農業面源淨化仍然嚴重，尤其是南邊多水體地區。針對當後面源淨化防控存在的效力不高、技術後果不穩定等問題，深刻懂得我國南邊多水體區域面源氮成污機制，構建外鄉化的面源淨化模子，進而提出高效的管控決策具有主要意義。
明確了水體反硝化消納的影響機制
小微水體（溝渠、水池、溪流等）廣泛分布是我國南邊稻作農業流域的典範特點，也是面源氮消納的重要場所。反硝化感化是水體氮素消納的重要過程，但水體反硝化遭到水力和生物原因配合影響，過程較為復雜。基于後期構建的淹水環境膜進樣質譜方式，研討起首明確了靜態條件下反硝化速度的影響原因。結果表白，小微水體氮素往除才能由水體拓撲結構和人為治理辦法配合決定，處于下游的水體（溝渠）氮素往除才能年夜于處于下流的水體（水池和河道），植被的存在會增強水體氮素往除才能，半硬化和完整硬化都下降溝渠氮素往除才能（圖6）。幾乎一切水體氮素往除速度都與水體硝態氮濃度（NO3‒）顯著相關，表白一級動力學反應方程可以較好地模擬小微水體氮素往除過程。可是，分歧水體類型一級動力學反應常數k變異顯著，k由水體DOC和DO濃度配合決定。基于上述研討，常熟站研討團隊分別預算了太湖和洞庭湖環湖區小微水體的氮素往除才能，發現小微水體可以往除太湖流域43%、洞庭湖環湖區68%的水體氮素負荷，是氮素往除的熱區。
為了進一個步驟研討動態條件下的水力因子（如流速等）對水體反硝化速度的影響，自立研發了水動力調控裝置，結合氣體擴散系數預算水體反硝化速度的方式，研討發現在0—10 cm·s‒1的流速范圍內，隨流速增添，水體反硝化速度呈現先增年夜后減小的趨勢。無論能否種植植物，反硝化速度的最年夜值均出現在流速為4 cm·s‒1時，最小值均出現在流速為0 cm·s‒1時。流速增年夜惹起的消融氧飽和率降低是限制水體反硝化速度的關鍵因子。此外，由于植物的光一起配合用和呼吸過程，夜間水體的反硝化速度顯著高于白日。
構建了南邊稻作流域農業面源淨化外鄉化模子
基于上述研討，現有面源淨化模子由于不克不及充足模擬小微水體，尤其是水體地位和拓撲結構對氮素消納與負荷的影響，能夠導致模子模擬的不精準。為了進一個步驟證明和量化水體地位的影響，構建了包括水體地位和面積因子的流域面源負荷概念模子。通過流域內水體分布的隨機數學試驗，結果表白，不論水體的消納速度若何，水體地位的主要性都要高于面積的主要性，該結論獲得了句容農業流域實測數據的驗證。
為進一個步驟耦合水體地位和水體消納過程，實現流域面源淨化全過程的分布式模擬，開發了面源淨化“農田排放—沿程消納—水體負荷”模子新框架。該模子框架可以考慮各個小微水體和淨化源之間的層次網絡結構效應和空間彼此感化，模子以圖文理論和拓撲關系為基礎，提出基于“源→匯”遷移路徑的沿程線狀水體（溝、河）和面狀水體（塘、庫）表征方式，以及基于“匯→源”拓撲結構的地盤應用之間連通性和包括關系表征方式（圖7）。可以實現多水體農業流域面源淨化負荷量與消納量分布式模擬。該方式所需參數少、操縱簡單、模擬結果靠得住，尤其適合多水體農業復雜流域。
今朝，該模子已經申請流域面源淨化模擬、評價、治理平臺[NutriShed SAMT] V1.0 軟件著作權專利。在全國10余個區域開展應用驗證，為流域面源淨化的聰明治理如生態濕地選址、農場選址、淨化物路徑追蹤、減排戰略剖析、風險評估、水質目標實現等供給新的途徑。同時，浙江年夜學與常熟站研討團隊一起配合，應用拓展該模子模擬我國城市化、年夜氣沉降等對水體淨化的影響。相關研討推動了南邊農業流域面源淨化精包養細化源解析與決策支撐的實現。
為嚴重科技任務順利實施供給主要保證
作為長江三角洲地區的主要野外基地，常熟站始終堅持“觀測、研討、示范、共享”的野外站效能，為該區域一大量國家嚴重科技任務的實施供給科研儀器、觀測數據與支撐保證。近10年來，常熟站堅持科學觀測研討契合國家嚴重戰略需乞降經濟社會發展的目標，積極爭取承擔相關國家科技任務，依托常熟站先后獲批并實施了包含國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（A、B類）、國家天然科學基金地區聯合基金及國際一起配合項目、江蘇省嚴重創新載體建設項目等在內的多項科研項目。當前，常熟站充足發揮本身在泥土養分調控與固碳減排方面的研討優勢，積極組織氣力承擔相關專項任務，正在開展的蘇北濱海鹽堿地消障提質與產能晉陞科技攻關，可為蘇北濱海鹽堿地高效管理與特點應用供給有用計劃。未來，常熟站將繼續盡力在積極服務國家戰略和處所發展中不斷展現新擔當、實現新作為。
結語
近年來，常熟站發揮傳統科研觀測優勢，在我國農田綠色可持續生產面臨的優化施氮、固碳減排與面源淨化防治基礎理論與技術創新方面獲得原始衝破，顯著晉陞了野外臺站的競爭力，為農業綠色可持續發展供給了主要科技支撐。
未來，常熟站將秉持“貢獻、責任、無私、情懷、專注、極致、創新、引領”精力，針對“漂亮中國”“躲糧于地、躲糧于技”“鄉村振興”和“雙碳”等國家戰略需求，聚焦長江三角洲經濟發達區農業與生態環境問題，繼續整合資源，優化布局，集聚多學科人才，持續深化泥土物質循環與效能演變、農田養分高效與精準施肥、農區泥土安康與生態環境晉陞3方面觀測研討，力爭建成國際著名、國內一流的農業生態系統泥土與生態環境科學監測、研討、示范與科普服務平臺，為區域甚至全國泥土安康、糧食平安、生態環境保護與農業高質量發展供給科技創新支撐。
（作者：趙旭、夏永秋、顏曉元，中國科學院南京泥土研討所 中國科學院常熟農業生態實驗站 中國科學院年夜學南京學院；夏龍龍，中國科學院南京泥土研討所中國科學院常熟農業生態實驗站。《中國科學院院刊》供稿）