中國網/中國發(fā)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(fā)達和糧食生產高度集約化的地區(qū)，其中太湖平原是長江三角洲的主體。得益于優(yōu)越的水熱條件，該地區(qū)農田主要實行以水稻為中心的水旱輪作制。由于所處地區(qū)江河湖泊水網密布，土壤主要由河湖沖積物形成，地勢低洼，歷史上曾面臨漬澇、沙化等問題，造成土壤物理性狀不良、養(yǎng)分有效性低，嚴重阻礙糧食生產。早在1956年，中國科學院南京土壤研究所在常州、蘇州、無錫等地陸續(xù)開展了農業(yè)豐產經驗總結與試驗研究，寫出了一系列具有重要價值的專著。20世紀80年代，由熊毅院士主持“六五”國家科技攻關計劃“太湖地區(qū)高產土壤的培育與合理施肥的研究”，從土壤養(yǎng)分、結構特征等科學數(shù)據多角度論證了當時盛行的雙季稻三熟制的弊端，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”）的通俗諺語詮釋了熟制合理運籌的重要性，在區(qū)域長期糧食穩(wěn)增產中發(fā)揮了舉足輕重的作用。“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建立一個相對穩(wěn)定的試驗站，作為水稻土、經濟發(fā)達地區(qū)農業(yè)與生態(tài)環(huán)境變化的研究基地。在此背景下，中國科學院常熟農業(yè)生態(tài)實驗站（原名中國科學院南京土壤研究所太湖農業(yè)生態(tài)試驗站，1992年更名，以下簡稱“常熟站”）于1987年6月應運而生。

建站后，尤其是進入21世紀后，面向國家、區(qū)域對農業(yè)高產高效與生態(tài)環(huán)境保護的重要需求，常熟站依托試驗平臺，在土壤物質循環(huán)與功能演變、農田養(yǎng)分高效與精準施肥、農區(qū)土壤健康與生態(tài)環(huán)境提升等領域開展了卓有成效的科學觀測與試驗示范工作，逐漸形成了極具特色的土壤氮素循環(huán)、農田固碳減排、農業(yè)面源污染等優(yōu)勢研究方向，主持承擔了大批國家重點科技項目，取得了一系列有國際影響力、國內引領性的創(chuàng)新成果，持續(xù)推進土壤碳氮循環(huán)理論與技術向深度和廣度拓展延伸，助力我國農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

開展“田塊—區(qū)域—國家”多尺度長期、系統(tǒng)觀測研究，創(chuàng)新和發(fā)展了稻田優(yōu)化施氮的基礎理論與技術

氮肥既是農業(yè)增產必不可少的農用化學品，又是環(huán)境污染物的主要來源之一。中國是水稻大國，種植面積約3 000萬公頃，稻谷年產超2億噸，但投入化學氮肥也高達630萬噸，占全球水稻氮肥消耗1/3，對大氣、水體等產生的負面環(huán)境效應相當于水稻施氮增產收益的52%。因此，如何優(yōu)化施氮，協(xié)調氮肥的農學與環(huán)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，開展稻田氮肥去向及損失規(guī)律、氮肥利用與損失區(qū)域差異及機制、適宜施氮量確定和推薦方法的研究一直是常熟站長期堅持的基礎性科研工作。

量化了稻田殘留化肥氮的長期去向

農田氮肥有三大去向：作物吸收、土壤殘留和損失。國內圍繞氮肥去向雖然已開展了大量15N示蹤試驗，但缺少對殘留氮長期去向的追蹤。國際上在長時間尺度上追蹤殘留氮去向的研究亦非常罕見，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，化肥氮土壤殘留對地下水環(huán)境影響長達百年。對于稻田，因耕作制與水熱條件不同，其土壤殘留氮肥對后續(xù)作物氮吸收與環(huán)境影響一直是學界普遍關心的問題。

常熟站利用2003年建立的原狀土柱滲漏池，進行了長達17年的肥料去向追蹤。觀測結果確認了2個事實：一方面，如果僅考慮肥料氮的當季吸收，會大幅低估化肥氮的真實貢獻；另一方面，殘留于土壤中的化肥氮大多能被后續(xù)作物持續(xù)利用，再遷移進入環(huán)境并產生明顯影響可能性較小。基于此，提出了提高稻田氮肥利用率的“兩步走”原則：阻控當季氮肥損失、提高氮吸收；增強土壤保氮能力。上述原則為優(yōu)化施氮、提高氮肥利用率的技術研發(fā)提供了落腳點（圖1）。

揭示了水稻氮肥利用與損失的區(qū)域差異及原因

我國水稻種植分布廣，因水肥耕種等管理因素的不同，氮肥利用與損失及其環(huán)境影響迥異。以東北、華東稻區(qū)為例，二者水稻種植面積、稻谷產量合占全國36%和38%。兩地水稻單產基本相當，但諸多田間結果表明東北氮肥利用率要高于全國其他稻區(qū)，這一差異被學者所熟知，但其背后原因并不清楚。

利用區(qū)域數(shù)據整合—田塊與土壤互置盆栽觀測—室內示蹤等綜合研究方法，在明確水稻氮肥利用與損失的區(qū)域差異（圖2），量化氣候、土壤、管理（施氮量）對氮利用與損失的影響貢獻的基礎上，揭示出東北水稻氮肥利用率優(yōu)于華東的主要原因。東北水稻維持高產所需吸氮量低，而對吸收氮形成稻谷產量的生理效率高；東北水稻土礦化、硝化弱，損失少，能提高土壤銨態(tài)氮存留，契合水稻的銨偏好，且肥料氮對土壤氮的激發(fā)明顯，可提供更多礦化氮和保持較高土壤供保氮水平。這些新認識，解答了東北水稻氮肥利用率高于華東水稻的主要原因，為高氮投入地區(qū)稻田優(yōu)化施氮、降低環(huán)境影響風險提供方向依據。

創(chuàng)建了經濟和環(huán)境經濟指標優(yōu)化的水稻適宜氮量分區(qū)確定方法

優(yōu)化施氮是推動農田氮素良性循環(huán)的關鍵，確定作物的氮肥適宜施用量是優(yōu)化施氮的前提。現(xiàn)行施氮量優(yōu)化途徑有兩類：通過土壤和/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分散經營為主，田塊小而多，復種指數(shù)高茬口緊，該途徑耗時耗力，投入較高，當前較難大面積推行；以產量/施氮量田間試驗為基礎，確定邊際效應最大化的平均適宜施氮量作為區(qū)域推薦，具有綱舉目張、簡便易掌握的特點和優(yōu)點，但多以產量或經濟效益為施氮量確定依據，忽略了環(huán)境效益，不符合水稻可持續(xù)生產的新時代要求。動員數(shù)以千萬計的小農戶氮肥減施是一項巨大挑戰(zhàn)，也需要對小農戶氮肥優(yōu)化面臨的減產風險和環(huán)境影響進行權衡分析，以滿足社會、經濟和環(huán)境效益多目標協(xié)同。

針對這一難題，常熟站研究團隊創(chuàng)建了以經濟（ON）和環(huán)境經濟（EON）指標為優(yōu)化依據的水稻適宜氮量分區(qū)確定方法。區(qū)域施氮量優(yōu)化可保障我國2030年2.18億噸水稻總產能需求下，減少氮肥投入10%—27%，減排活性氮7%—24%。大范圍田塊驗證表明，區(qū)域氮量優(yōu)化可在85%—90%的點位上實現(xiàn)水稻基本平產或增產，90%—92%點位上做到收益大體持平或增加，93%—95%點位上實現(xiàn)環(huán)境經濟效益無明顯降低或提高，同時提高氮肥利用率30%—36%。此外，從科技、管理、政策3個層面提出了構建全國尺度產量—施氮量動態(tài)觀測網和“控氮”決策智能管理系統(tǒng)，建立氮肥配額管理與實名購買定額使用制度，出臺普遍優(yōu)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(huán)境收益的3%、11%和65%）等建議，為國家推動農業(yè)減肥增效與綠色發(fā)展提供自上而下的決策依據（圖3）。

系統(tǒng)開展我國主糧生產體系碳減排技術途徑研究，為推動農業(yè)碳中和實現(xiàn)提供科技支撐

糧食生產是我國重要的溫室氣體排放（簡稱“碳排放”）源，主要歸因稻田甲烷（CH4）排放，氮肥施用引起的土壤氧化亞氮（N2O）排放，以及農業(yè)生產資料生產、運輸過程導致的二氧化碳（CO2）排放。“雙碳”戰(zhàn)略背景下，針對碳中和碳達峰國家重大需求，解析我國糧食生產碳排放的調控機制和時空特征，量化固碳減排措施的潛力，明確碳中和實現(xiàn)路徑，對于發(fā)展綠色低碳農業(yè)和緩解氣候變化具有重要意義。

明確了我國主糧生產碳排放的時空格局

水旱輪作（夏季水稻—冬季小麥）是太湖地區(qū)主要的水稻生產輪作制度。當前氮肥大量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的大量排放。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(qū)稻田CH4排放量高達290—335 kg CH4 hm-2，高于國內其他水稻產區(qū)的排放量。雖然秸稈還田能夠提高稻田土壤有機碳固定速率，但從綜合溫室效應分析，秸稈還田引起的稻田CH4排放溫室效應的增幅是土壤固碳效果的2倍多，因此顯著加重了溫室效應。即使在旱地（小麥季）還田，秸稈對土壤N2O排放的促進效應，也能夠抵消掉30%的土壤固碳效果。稻季N2O的直接和間接排放則隨著化學氮肥施用量增加而呈現(xiàn)指數(shù)式增加。

在全國層面，常熟站研究團隊構建了主糧作物碳排放估算模型。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(yè)源總排放量的51%。2018年碳排放總量增加到6.7億噸，排放占比增加到56%（圖4）。不同作物排放差異巨大，水稻生產貢獻最大（占比57%），其次是玉米（29%）和小麥（14%）生產。按照生產環(huán)節(jié)分類，稻田CH4排放是我國主糧生產碳排放的最大貢獻源，占比38%，其次是化學氮肥生產過程能耗CO2排放(占比31%)和氮肥施用引起的土壤N2O排放（占比14%）。我國主糧生產碳排放呈現(xiàn)顯著的空間差異，整體呈現(xiàn)“東重西輕”和“南重北輕”的格局（圖4）。稻田CH4排放及氮肥用量的區(qū)域差異是驅動碳排放空間變異的主要因素。稻田甲烷排放和氮肥施用等引起的強碳源效應是土壤固碳效應的12倍，表明亟需采取合理的農田管理措施減少稻田甲烷排放，優(yōu)化氮肥管理，提高土壤固碳效果。

提出了我國糧食生產碳中和的技術路徑

優(yōu)化秸稈和動物有機肥還田方式，降低有機物料中易分解碳含量，提高木質素等難分解碳含量，能夠有效控制稻田甲烷排放，并提高土壤固碳效果。如果綜合考慮溫室效應，在稻田施用作物秸稈和動物有機肥，單位有機物碳輸入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。如果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，并大幅提升旱地土壤的碳匯能力。除此以外，基于“4R”策略（適宜氮肥類型，合理施用量、施用時期、施用方法）的氮肥優(yōu)化管理措施，如高效氮肥、氮肥深施及測土配方施肥等，能夠通過有效協(xié)同土壤氮和肥料氮供應與作物需氮之間的關系，大幅減少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，表明碳氮耦合優(yōu)化管理是實現(xiàn)農田土壤固碳減排協(xié)同的關鍵。常熟站研究團隊發(fā)現(xiàn)通過增加秸稈還田比例（從當前的44%提高到82%）、采用間歇灌溉及氮肥優(yōu)化管理的3個減排措施集合（減排方案1），我國主糧生產總碳排放能夠從2018年的6.7億噸CO2當量減少到5.6億噸，減排比例為16%，無法實現(xiàn)碳中和。如果進一步優(yōu)化減排措施，將減排方案1中的秸稈炭化為生物炭還田并保持其他措施不變（減排方案2），我國主糧生產總碳排放將從5.6億噸降低至2.3億噸，減排比例提高到59%，但仍然無法實現(xiàn)碳中和。如果在減排方案2的基礎上，進一步將生物炭生產過程產生的生物油和生物氣捕獲后發(fā)電實現(xiàn)能源替代（減排方案3），主糧生產總碳排放將從2.3億噸降低至—0.4億噸，可實現(xiàn)碳中和（圖5）。未來需要完善和規(guī)范碳交易市場，優(yōu)化生物炭熱解工藝，建立生態(tài)補償機制，激勵農民采用生物炭及氮肥優(yōu)化管理措施，推動農業(yè)碳中和的實現(xiàn)。

開展了南方多水體面源污染成污機制、模型模擬與決策支持研究，助力美麗田園建設與鄉(xiāng)村振興

我國南方地區(qū)氮肥施用強度大、降雨豐沛、水系發(fā)達，農業(yè)面源污染防控一直是區(qū)域環(huán)境領域熱點科學問題。常熟站是我國最早開展面源污染研究的站點之一，馬立珊等早在20世紀80年代就開展田間實驗與野外調查，完成了《蘇南太湖水系農業(yè)非點源氮污染及其控制對策研究》。2003年，由朱兆良院士主持的中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會項目“中國種植業(yè)的非點源污染控制對策研究”，首次對我國農業(yè)面源污染的現(xiàn)狀、問題、對策進行了梳理。結合“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項（以下簡稱“水專項”）和太湖地區(qū)面源污染防控的長期實踐，楊林章等率先在全國提出面源污染治理的“4R”理論，源頭減量（Reduce）、過程阻斷（Retain）、養(yǎng)分再利用（Reuse）和生態(tài)修復（Restore）。這些實踐與技術為我國面源污染治理與水環(huán)境改善作出杰出的貢獻。

第二次污染普查結果表明，我國農業(yè)面源污染依然嚴重，尤其是南方多水體地區(qū)。針對當前面源污染防控存在的效率不高、技術效果不穩(wěn)定等問題，深入理解我國南方多水體區(qū)域面源氮成污機制，構建本土化的面源污染模型，進而提出高效的管控決策具有重要意義。

明確了水體反硝化消納的影響機制

小微水體（溝渠、池塘、溪流等）廣泛分布是我國南方稻作農業(yè)流域的典型特點，也是面源氮消納的主要場所。反硝化作用是水體氮素消納的主要過程，但水體反硝化受到水力和生物因素共同影響，過程較為復雜。基于前期構建的淹水環(huán)境膜進樣質譜方法，研究首先明確了靜態(tài)條件下反硝化速率的影響因素。結果表明，小微水體氮素去除能力由水體拓撲結構和人為管理措施共同決定，處于上游的水體（溝渠）氮素去除能力大于處于下游的水體（池塘和河流），植被的存在會增強水體氮素去除能力，半硬化和完全硬化都降低溝渠氮素去除能力（圖6）。幾乎所有水體氮素去除速率都與水體硝態(tài)氮濃度（NO3?）顯著相關，表明一級動力學反應方程可以較好地模擬小微水體氮素去除過程。但是，不同水體類型一級動力學反應常數(shù)k變異顯著，k由水體DOC和DO濃度共同決定。基于上述研究，常熟站研究團隊分別估算了太湖和洞庭湖環(huán)湖區(qū)小微水體的氮素去除能力，發(fā)現(xiàn)小微水體可以去除太湖流域43%、洞庭湖環(huán)湖區(qū)68%的水體氮素負荷，是氮素去除的熱區(qū)。

為了進一步研究動態(tài)條件下的水力因子（如流速等）對水體反硝化速率的影響，自主研發(fā)了水動力調控裝置，結合氣體擴散系數(shù)估算水體反硝化速率的方法，研究發(fā)現(xiàn)在0—10 cm·s?1的流速范圍內，隨流速增加，水體反硝化速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。無論是否種植植物，反硝化速率的最大值均出現(xiàn)在流速為4 cm·s?1時，最小值均出現(xiàn)在流速為0 cm·s?1時。流速增大引起的溶解氧飽和率升高是限制水體反硝化速率的關鍵因子。此外，由于植物的光合作用和呼吸過程，夜間水體的反硝化速率顯著高于白天。

構建了南方稻作流域農業(yè)面源污染本土化模型

基于上述研究，現(xiàn)有面源污染模型由于不能充分模擬小微水體，尤其是水體位置和拓撲結構對氮素消納與負荷的影響，可能導致模型模擬的不精準。為了進一步證明和量化水體位置的影響，構建了包含水體位置和面積因子的流域面源負荷概念模型。通過流域內水體分布的隨機數(shù)學試驗，結果表明，不管水體的消納速率如何，水體位置的重要性都要高于面積的重要性，該結論得到了句容農業(yè)流域實測數(shù)據的驗證。

為進一步耦合水體位置和水體消納過程，實現(xiàn)流域面源污染全過程的分布式模擬，開發(fā)了面源污染“農田排放—沿程消納—水體負荷”模型新框架。該模型框架可以考慮各個小微水體和污染源之間的層次網絡結構效應和空間相互作用，模型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）表征方法，以及基于“匯→源”拓撲結構的土地利用之間連通性和包含關系表征方法（圖7）。可以實現(xiàn)多水體農業(yè)流域面源污染負荷量與消納量分布式模擬。該方法所需參數(shù)少、操作簡單、模擬結果可靠，尤其適合多水體農業(yè)復雜流域。

目前，該模型已經申請流域面源污染模擬、評價、管理平臺[NutriShed SAMT] V1.0 軟件著作權專利。在全國10余個區(qū)域開展應用驗證，為流域面源污染的智慧管理如生態(tài)濕地選址、農場選址、污染物路徑追蹤、減排策略分析、風險評估、水質目標實現(xiàn)等提供新的途徑。同時，浙江大學與常熟站研究團隊合作，應用拓展該模型模擬我國城市化、大氣沉降等對水體污染的影響。相關研究推動了南方農業(yè)流域面源污染精細化源解析與決策支持的實現(xiàn)。

為重大科技任務順利實施提供重要保障

作為長江三角洲地區(qū)的重要野外基地，常熟站始終堅持“觀測、研究、示范、共享”的野外站功能，為該區(qū)域一大批國家重大科技任務的實施提供科研儀器、觀測數(shù)據與支撐保障。近10年來，常熟站堅持科學觀測研究契合國家重大戰(zhàn)略需求和經濟社會發(fā)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括國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（A、B類）、國家自然科學基金地區(qū)聯(lián)合基金及國際合作項目、江蘇省重大創(chuàng)新載體建設項目等在內的多項科研項目。當前，常熟站充分發(fā)揮自身在土壤養(yǎng)分調控與固碳減排方面的研究優(yōu)勢，積極組織力量承擔相關專項工作，正在開展的蘇北濱海鹽堿地消障提質與產能提升科技攻關，可為蘇北濱海鹽堿地高效治理與特色利用提供有效方案。未來，常熟站將繼續(xù)努力在積極服務國家戰(zhàn)略和地方發(fā)展中不斷展現(xiàn)新?lián)敗崿F(xiàn)新作為。

結語

近年來，常熟站發(fā)揮傳統(tǒng)科研觀測優(yōu)勢，在我國農田綠色可持續(xù)生產面臨的優(yōu)化施氮、固碳減排與面源污染防治基礎理論與技術創(chuàng)新方面取得原始突破，顯著提升了野外臺站的競爭力，為農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了重要科技支撐。

未來，常熟站將秉持“貢獻、責任、無私、情懷、專注、極致、創(chuàng)新、引領”精神，針對“美麗中國”“藏糧于地、藏糧于技”“鄉(xiāng)村振興”和“雙碳”等國家戰(zhàn)略需求，聚焦長江三角洲經濟發(fā)達區(qū)農業(yè)與生態(tài)環(huán)境問題，繼續(xù)整合資源，優(yōu)化布局，集聚多學科人才，持續(xù)深化土壤物質循環(huán)與功能演變、農田養(yǎng)分高效與精準施肥、農區(qū)土壤健康與生態(tài)環(huán)境提升3方面觀測研究，力爭建成國際知名、國內一流的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤與生態(tài)環(huán)境科學監(jiān)測、研究、示范與科普服務平臺，為區(qū)域乃至全國土壤健康、糧食安全、生態(tài)環(huán)境保護與農業(yè)高質量發(fā)展提供科技創(chuàng)新支撐。

（作者：趙旭、夏永秋、顏曉元，中國科學院南京土壤研究所 中國科學院常熟農業(yè)生態(tài)實驗站 中國科學院大學南京學院；夏龍龍，中國科學院南京土壤研究所中國科學院常熟農業(yè)生態(tài)實驗站。《中國科學院院刊》供稿）