“民以食为天，食以米为先”，水稻是我国三粮之首，年产超2亿吨，其生产事关国计民生。过去农户常以“水大肥勤不问人”作为水稻种植的金科玉律，导致“化肥依赖症”越来越重。我国水稻氮肥年投入630万吨，占全球水稻氮肥消耗总量1/3，活性氮排放超过169万吨，对空气质量和水体环境等造成的负面影响高达氮肥增产收益的52%，严重威胁环境安全和公众健康。因此，如何实现既保证水稻增产，又能最大限度降低其环境成本，是实现我国水稻绿色可持续生产的必然要求，而建立一套高产、高效与环保等多目标并重、简单易推广的施氮量优化技术是解决这一问题的关键环节。
现行施氮量优化途径有两类：一是通过土壤和/或植株测试直接确定满足作物所需的适宜施氮量，但由于我国以小农户种植和分散经营为主，田块小而多，复种指数高茬口紧，该途径耗时耗力，投入较高，当前较难大面积推行；二是以产量/施氮量田间试验为基础，确定边际效应最大化的平均适宜施氮量作为区域推荐，具有纲举目张、简便易掌握的特点和优点，但多以产量或经济效益为施氮量确定依据，忽略了环境效益，不符合水稻可持续生产的新时代要求。另外，小农户种植模式下，田块间的产量表现不尽相同，同一稻区统一氮肥优化管理仍会带来小农户田间产量的波动。因此，动员数以千万计的小农户氮肥减施是一项巨大挑战，也需要对小农户氮肥优化面临的减产风险和环境影响进行权衡分析，以达到满足社会、经济和环境效益多目标协同。对此，土壤与农业可持续发展国家重点实验室与美国加州大学、马里兰大学以及中国农大等开展合作研究，构建了不同稻区水稻产量/活性氮排放与施氮量定量关系模型，建立了以经济和环境经济指标为优化依据的适宜氮量分区确定方法，通过大范围田间试验验证其可行性，分析产量、经济和环境经济效益变异，多角度评估了氮量优化的有效性，最后提出了以区域适宜施氮量为核心，可持续生产为目标的我国水稻氮肥分区控制新策略。
研究提出以氮肥减施的环境收益和区域产量经济损失上限对比作为稻区推荐施氮量确定方法，在东北和华南稻区采用更偏重经济收益，而华东、华中等活性氮排放热区更重视环境收益，通过全盘规划实现经济和环境效益双赢目标。区域施氮量优化技术可保障国家2030年2.18亿吨水稻总产能需求下，减少氮肥投入10-27%，减排活性氮7-24%。田块变异分析表明，区域氮量优化可在85-90%的点位上实现水稻基本平产或增产，90-92%点位上做到收益大体持平或增加，93-95%点位上实现环境经济效益无明显降低或提高，同时提高氮肥利用率30-36%。最后，作者从科技、管理、政策三个层面提出了构建全国尺度大范围田块产量-施氮量动态监测试验网和“控氮”决策智能管理系统，建立适度规模经营下的氮肥配额管理与实名购买定额使用制度，出台面向全体种植户的优化氮量激励补贴等建议，可有效降低土壤、品种、栽培、管理等生产条件变化造成的田块时空异质性，实现优化施氮量的动态调整，提高准确度和适用性，以最低的技术推广成本，确保科学精准实施氮肥分区宏观调控，达到区域效益的最大化。该方法还可与其他优化施氮技术相结合，进一步完善科学施肥。
该项研究可为全国范围内水稻优化施氮提供轻简高效途径，同时，也为政府推动节氮增效减排与农业绿色发展提供决策参考。相关内容近期发表于Nature，常熟农业生态实验站蔡思源博士生、赵旭研究员为论文第一作者，赵旭研究员、颜晓元研究员为论文通讯作者，美国加州大学戴维斯分校Cameron M. Pittelkow副教授 、马里兰大学环境科学中心张鑫副教授、以及中国农大资源与环境学院范明生教授为论文合作者。该研究得到中科院青促会优秀会员基金（Y201956）、国家基金委国际合作交流项目（42061124001）、“十三五”重点研发计划项目课题（2017YFD0200104）等支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05678-x