氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境
Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment
Volume 9 · Number 3 · September 2022
近日，《农业科学与工程前沿》（英文简称FASE）出版了2022年第3期题为“氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境”的专辑。本期专辑由荷兰瓦赫宁根大学环境系统分析系Wim de Vries教授、中国农业大学资源与环境学院刘学军教授和袁力行教授进行组稿，共邀请15位氮素研究领域的领衔专家，从植物、土壤到环境等不同尺度，分享他们在氮素研究方面的最新进展和观点。围绕氮的利用与转换、氮的管理、氮对环境和气候的影响、以及改善氮素利用效率和减少氮损失的缓解方法等四个主题进行详细论述，帮助读者系统了解氮对植物、土壤和环境的影响和重要性。
· 专 辑 概 述 ·
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氮是植物、动物和人类必需的营养物质，是构成蛋白质的关键元素。随着全球人口的快速增长，需要向土壤投入更多的氮素，从而提高粮食产量。然而，由于作物和动物生产中对氮的低效利用，氮素大量损失，产生了各种环境问题，包括土壤酸化、富营养化和水体污染、空气污染、生物多样性损失/健康影响，以及温室气体排放和气候变化等，正在威胁着我们的生态环境。因此，人类面临着如何平衡氮需求（满足食物需求）和氮限制（避免环境破坏）的巨大挑战。其中，提高氮素利用效率是实现绿色发展的主要途径之一。本期特刊总结了从植物、土壤到环境等不同尺度的氮素研究最新进展，包括15篇综述和研究文章，分为四个主题，分别为（1）氮素利用与转换（3篇）、（2）氮素管理（4篇）、（3）氮素对环境和气候的影响（5篇）和（4）提高氮素利用效率和减少氮素损失的途径方法（3篇）。
关于作物和微生物对氮素的高效利用，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘慧等学者通过回顾提高高产谷类作物氮素利用效率的潜在方法，重点关注了目前对氮有效性代谢适应的相关认识。他们认为，基因精确改造的应用将促进第二次绿色革命可持续发展。中国农业大学彭静静等学者总结了土壤微生物氮循环过程和植物-微生物相互作用对提高氮素利用效率和土壤健康的潜在作用。通过案例研究，福建农林大学钟永嘉等学者评价了不同间作制度对茶园土壤细菌群落组成、多样性和功能的影响，结果表明，在大豆和油菜间作体系中，土壤微生物群落的变化促进了生物固氮和茶叶的氮素营养供应。
在农业生态系统氮素管理方面，美国马兰里大学Xin ZHANG等学者提出了氮素作物产量表现和氮肥利用率的综合氮素管理指数（SNMI，Sustainable nitrogen management index ），从而兼顾粮食生产和环境保护的需要。本研究作者指出，自20世纪70年代以来，各国间的SNMI值存在巨大的差异且不断增加，这反映了全球范围内氮素管理的不同实践水平。澳大利亚墨尔本大学Xia LIANG等学者阐述了澳大利亚农业食品系统可持续发展面临的主要挑战和未来机遇，通过农业、生态和社会经济等各方面方法与技术的结合，使澳大利亚农业食品系统实现可持续发展、环境污染更少、经济利润更高的目标。西南大学张芬等学者阐述了中国蔬菜生产中氮肥管理的研究进展，强调了氮肥管理可优化的方向：氮肥的用量、氮肥的类型/形式（如缓释肥、脲酶和硝化抑制剂）、作物和土壤管理的改进（如高产品种）。最后，西北农林科技大学/农业农村部（西北植物营养与农业环境重点实验室）朱学强等学者总结了蔬菜和果园氮素管理的现状和面临的挑战，为未来经济作物可持续生产提供了解决方案，包括合理施肥、以有机肥料替代矿物氮肥、滴灌施肥、添加脲酶和硝化抑制剂等。
关于氮循环及其环境气候影响，中国科学院山地地表过程与生态调控重点实验室/中国科学院成都山地灾害与环境研究所朱波等学者评价了有机肥替代矿质氮肥对丘陵紫色土地区土壤-作物系统氮素流失的影响，提出有机肥部分替代而非完全替代的优势。中国科学院亚热带农业生态研究所/中国科学院大学沈健林等学者根据原位监测和模型模拟结果，总结了亚热带丘陵地区的氮循环以及对空气和水的相关损失情况（包括NH3、N2O、NOx和NO3）。兰卡斯特大学Carly J. STEVENS等学者综述了氮沉降对全球草原（欧洲、南北美洲、亚洲、非洲和大洋洲）的影响，即土壤富营养化和酸化导致物种丰富度下降和生物量增加的研究进展。北京师范大学杜恩在等学者通过文献综述了氮沉降对城市森林的影响，重点关注氮循环、土壤酸化、养分失衡、温室气体排放、树木生长、植物和土壤微生物多样性等方面。作者提出，城市森林生态系统作为氮沉降热点应受到更多的关注。斯坦福大学Peter M. VITOUSEK等学者利用一个简化模型发现降水时间变异增加会降低作物产量，增加集约化种植系统的氮素损失，将在未来气候变化中对粮食安全和环境保护带来威胁。
在聚焦提高氮素利用效率和减少氮素损失的解决途径方面，中国科学院南京土壤研究所遆超普等学者报告了中国氮素流动的历史趋势、氮素流失的环境威胁、氮素管理的成功案例和氮素污染的控制障碍。作者认为，氮素有效管理措施和政策支持是减少氮素不利影响的关键。英国洛桑研究所Tom MISSELBROOK等学者回顾了两个中英氮素农学虚拟联合中心（CINAg和N-CYCLE）在利用畜禽粪便提高中国农业肥料氮素利用率和土壤健康方面的贡献。最后，中国农业大学刘学军等学者系统地总结了中国氮素研究的最新进展，包括活性氮引起的环境问题、氮素管理技术和成功实践；作者提出了一个新的食物链氮素管理框架，以应对未来的氮挑战，包括有机肥料的循环利用、作物和动物的优化生产，以及人类饮食的改善。
作为特邀编辑，三位组稿专家感谢所有作者和审稿人对本期特刊“氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境”的重要贡献。我们也要感谢FASE编辑团队的大力支持和帮助。
· 组 稿 专 家 ·
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Wim de Vries
荷兰瓦赫宁根大学环境系统分析系教授、综合营养影响模型主席。研究围绕农业或作物生产中氮和磷的使用，空气、土壤和水体、温室气体交换的综合影响，以及养分沉降与气候变化相互作用对陆地生态系统生产力、碳固存和植物物种多样性的影响。发表了600多篇学术期刊文章、书籍章节和报告。担任Air, Soil and Water Research（2008–2021年）、Geoderma-regional（2013–）、Frontiers in Agricultural Science and Engineering（2018–）和Nitrogen（2019–）的副主编。
刘学军
中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院教授。主要从事农业与环境相互作用的研究，主要研究大气沉降、氮循环及其对土壤酸化、富营养化、氨和农田温室气体排放的影响。发表了300多篇期刊论文和多篇专著章节，并担任Atmosphere和National Science Open（NSO）期刊的副主编。
袁力行
中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院植物营养学系教授，在德国霍恩海姆大学获得博士学位。主要研究植物养分利用效率的生理、遗传和分子机制，特别是根系构型的发育和养分吸收利用过程。在国际学术期刊上发表了100多篇同行评议论文，并担任Frontiers in Plant Science的副主编。
FASE诚挚感谢专辑组稿人，所有作者和审稿人对本专辑的鼎力支持和着重贡献！
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