养分资源综合管理研究进展

1、养分资源综合管理研究进展养分资源综合管理研究进展山东农业大学研讨会山东农业大学研讨会-2015.9.24崔振岭崔振岭中国农业大学资源与环境学院中国农业大学资源与环境学院； 汇报内容汇报内容一、研究内容及研究背景一、研究内容及研究背景二、研究思路及工作进展二、研究思路及工作进展三、未来研究工作设想三、未来研究工作设想汇报内容汇报内容一、研究内容及研究背景一、研究内容及研究背景二、研究思路及工作进展二、研究思路及工作进展三、未来研究工作设想三、未来研究工作设想研究方向：作物高产高效的养分管理研究方向：作物高产高效的养分管理一、研究方向及研究背景一、研究方向及研究背景农田生产体系氮素流动农田生产体系

2、氮素流动环境等养分资源环境等养分资源化肥养分资源化肥养分资源作物吸收作物吸收(作物产量作物产量)氮素损失氮素损失(NH3, N2O, NO3-)根层氮素供应根层氮素供应高产作物需求高产作物需求科学挑战：国际农业科学的研究轨迹1970s以前1980s90s-2000s高产高效历程诺贝尔奖Norman Borlaug提升产量（以提升产量为主要目标）玉米矮杆，小麦，水稻高抗性品种(Evenson et al., 2003. Science;Olmstead and Rhode, 2011. PNAS)代表性文章Integrated / organic farming重视效率和环境（以提升效率，保护环

3、境为主要目标）(Lockeretz et al., 1981. Science; Maeder et al., 2002. Science; Reganold et al., 2001. Nature; Kramer et al., 2006. PNAS; Robertson et al., 2000. Science)代表性文章（理念性工作）Ecological intensification (Cassman, 1999. PNAS), agricultural sustainability and intensive production practices (Matson et al.

4、, 1998. Science; Tilman et al., 2002. Nature), evergreen revolution (Swaminathan, 2000. Biologist), and rethinking nutrient management (Drinkwater and Snapp, 2007. Adv. Agron 2007).代表性观点和文章 具体措施 + 区域宏观数据 Solution for a cultivated planet Foley et al., 2011), Closing yield gaps through nutrient and wa

5、ter management (Mueller et al., 2012)Integrated soil-crop system management (Chen et al., 2011, PNAS)High-yield maize with large net energy, (Grassini and Cassman, 2011)Greenhouse gas mitigation by agricultural intensification (Burney et al., 2011)Global food demand and sustainable intensification (

6、Tilman et al., 2012)代表性观点和文章 产量+效率+环境Green revolution当前Sustainable intensification: 高度重视，缺乏实证Management factors limiting yield-gap closure to 75% of attainable yields for maize (a), wheat (b) and rice (c)（Mueller et al., 2012, Nature）Amibo, 2010，第一作者；，第一作者；Environ. Sci. Technol., 2014, 第一作者第一作者国家需求：

7、我国农业生产的资源环境代价越来越高国家需求：我国农业生产的资源环境代价越来越高籽粒产量：籽粒产量： +155%氮肥投入：氮肥投入： +434%氮损失总量：氮损失总量： +405%(NH3, N2O, NO3-)氮足迹：氮足迹： +98%(形成每吨籽粒氮素排放形成每吨籽粒氮素排放)过去过去3030年作物产量，氮肥用量，氮素损失及氮肥生产效率比较年作物产量，氮肥用量，氮素损失及氮肥生产效率比较( (华北小麦玉米轮作体系）华北小麦玉米轮作体系）5.514.090-100513422127.615必须要以最小环境代价实现作物高产！必须要以最小环境代价实现作物高产！Chinas eutrophied l

8、ake area reached 8700 km2 (2007) over the last 4 decades. 0.20.54207901530456075901960s1970s1980s1990s2000sAnnual Number of Red Tides(China State Oceanic Administration, 2009）1356005000870002000400060008000100001970s1980s2000s2007Area (km2)(Jin, 2009)水体富营养化水体富营养化(Science 2009, 1014-1015)大气污染大气污染NATU

9、RE (Liu et al.,2013)N fertilizer use (Tg N yr1)01 02 03 04 05 0Livestock unit (106 heads)01 0 02 0 03 0 04 0 0N F e rtiliz e r L iv e sto c k u n itNH3 or NOx emission (Tg N yr-1)024681 01 21 41 6NH3-N/NOx-N012345N H3N O x -NN H 3 -N /N O x -NY e a r1 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0N

10、o. of vehicles (106)02 04 06 08 01 0 0Coal consumption (109 tons)01234M o to r v e h ic le sC o a l c o n su m p tio nfy = 2 . 0 01 0 - 4 4 e0.0516x(n=13, P 0.001)y = 1 . 0 01 0 - 1 1 3 e0.1316x(n=17, P 0.001)dey=0.315x-619.21(n=31, P 0.001)y = 7 . 0 01 0 - 4 9 e0.0561x(n=31, P 0.001)y= -0.0709x+144

11、.6(n=31, P 0.001)y=0.842x-1, 657.4(n=31, P 0.001)y=8.999x-17, 723(n=31, P 0.001)1980s: 13.2 kg N/ha 2000s: 21.1 kg N/ha 大气沉降氮大气沉降氮增加了增加了60% 60% 过量施用氮肥造成我国农田土壤普遍酸化过量施用氮肥造成我国农田土壤普遍酸化4.05.06.07.08.09.02000s Soil pH1980s-0.5农田土壤酸化农田土壤酸化已有施肥技术无法以最小的环境代价实现作物高产已有施肥技术无法以最小的环境代价实现作物高产需要新的思路与技术需要新的思路与技术土壤作物系统

12、土壤作物系统“黑箱黑箱”难点：难点： 地上地上/地下匹配难地下匹配难 高产高效调控难高产高效调控难 养分损失阻控难养分损失阻控难汇报内容汇报内容一、研究内容及研究背景一、研究内容及研究背景二、研究思路及工作进展二、研究思路及工作进展三、未来研究工作设想三、未来研究工作设想根层氮素供应根层氮素供应根系发育根系发育地上营养地上营养作物群体作物群体产量形成产量形成养分时空变异性大气大气水体水体根层氮素供应根层氮素供应高产氮素需求高产氮素需求肥料氮肥料氮环境氮环境氮总体思路与关键科学问题总体思路与关键科学问题 根层氮素动态供应与高产群体氮素需求的匹配机理根层氮素动态供应与高产群体氮素需求的匹配机理 以

13、最小化环境代价实现作物高产的调控途径以最小化环境代价实现作物高产的调控途径氮素损失氮素损失进展进展1 1、针对地上、针对地上/ /地下匹配难的问题，以根层土壤硝态地下匹配难的问题，以根层土壤硝态氮调控为核心，建立了根层氮素实时监控的理论与途径，氮调控为核心，建立了根层氮素实时监控的理论与途径，实现氮肥供应与吸收时空匹配实现氮肥供应与吸收时空匹配1 1）揭示根层土壤硝态氮供应强度可以作为土壤氮素实时供应指标）揭示根层土壤硝态氮供应强度可以作为土壤氮素实时供应指标180 kg N ha-1Agron. J., 2013, 第一作者第一作者1kg(硝态氮硝态氮) = 0.71kg(肥料氮肥料氮)在高

14、产作物体系中发现，适宜的根层养分供应能够调节在高产作物体系中发现，适宜的根层养分供应能够调节根系生长、强化根层养分的活化利用根系生长、强化根层养分的活化利用 总根长增加：总根长增加：23-30%； 生长速率增加：生长速率增加：18-77% 产量增加：产量增加：5-15%； 节肥：节肥：33-50%9对照调控对照对照 根层调控对照 根层调控分泌磷酸酶分泌磷酸酶分泌质子分泌质子养分时空变异养分时空变异3叶期叶期10叶期叶期播种播种 确定不同生育阶段氮素需求确定不同生育阶段氮素需求 建立根层氮素实时供应指标建立根层氮素实时供应指标根层氮素需求临界值根层氮素需求临界值实时监测根层土壤硝态氮动态实时监测

15、根层土壤硝态氮动态三个关键技术环节三个关键技术环节2 2）建立了根层氮素实时监控理论模型并进行田间验证）建立了根层氮素实时监控理论模型并进行田间验证优化氮肥用量优化氮肥用量 =根层氮素供应指标根层氮素供应指标- 根层土壤硝态氮测试值根层土壤硝态氮测试值Plant Soil, 2009,第一作者；第一作者；Soil Sci. Soc. Am. J., 2010, 通讯作者通讯作者132氮素供应指标氮素供应指标东北旺东北旺惠民惠民小麦小麦- -玉米轮作体系氮肥实时监控技术体系玉米轮作体系氮肥实时监控技术体系Cui et al., Field Crops Research 116 (2010) 14

16、0146Winter wheat, n=9基于根层氮肥实时监控技术的优化氮肥用量与作物籽粒产量肥基于根层氮肥实时监控技术的优化氮肥用量与作物籽粒产量肥效反应的优化氮肥用量相当效反应的优化氮肥用量相当0N06.9168455-Opt.1988.3418561278124FNP2448.4118491588722氮肥用量氮肥用量(kg N/ha)籽粒产量籽粒产量(t/ha)经济收益经济收益($/ha)收获后硝态氮收获后硝态氮(kg N/ha)氮素损失氮素损失(kg N/ha)氮肥效率氮肥效率(%)Chen et al., SSSAJ 74 (2010)：1367-1373夏玉米 n=14与低施氮处

17、理项目，优化氮肥管理明显增加玉米产量、与低施氮处理项目，优化氮肥管理明显增加玉米产量、氮肥效率和农民收入，保持低的氮素损失和残留；氮肥效率和农民收入，保持低的氮素损失和残留；与高量施氮和农民传统相比，优化氮肥管理明显降低氮与高量施氮和农民传统相比，优化氮肥管理明显降低氮素损失和残留，提高氮肥效率，而维持了相似或更高的素损失和残留，提高氮肥效率，而维持了相似或更高的作物产量、经济效益。作物产量、经济效益。不同区域不同产量水平小麦、玉米的氮肥实时监控技术指标不同区域不同产量水平小麦、玉米的氮肥实时监控技术指标Cui et al., Field Crops Research 105 (2008) 4

18、855; Cui et al., Agron. J. 100 (2008) 517-525与农民传统相比，优化氮肥管理可以节省与农民传统相比，优化氮肥管理可以节省 氮肥用量氮肥用量40-60% ，同时提高作物产量同时提高作物产量4-5% ，增加肥料效率，减少损失。，增加肥料效率，减少损失。CropNfertilizationGrain yieldN ratePFP*N lossesprofitt ha-1kg N ha-1kg kg-1kg kg-1$ ha-1Wheat(n=121)FNP5.76a32520a159b517aONR6.02a13056b43a688bMaize(n=148)

19、FNP8.45a26337a151b1417aONR8.87b15872b86a1573b Cui et al., Field Crops Research 105 (2008) 4855Cui et al., Agron. J. 100 (2008) 517-525 FPINMShandong，2004Saving N by 30%，Yield increase by 16%Environ. Sci. Technol., 2013, 第一作者第一作者; Agr. Ecosyst. Environ., 2014, 通讯作者通讯作者3）验证了根层氮素实时监控在节氮稳产的同时，大幅度降低了）验证了

20、根层氮素实时监控在节氮稳产的同时，大幅度降低了农田各种途径的氮损失农田各种途径的氮损失Crop uptakeNH3 N2ONO3- leaching Environment Fertilizer 905883611133.3101Crop uptakeNH3 N2ONO3- leaching Environment Fertilizer 90286364561.532 农民习惯管理农民习惯管理氮素实时监控技术氮素实时监控技术 与农民习惯相比，氮素实时监控技术减少小麦与农民习惯相比，氮素实时监控技术减少小麦/玉米周年的玉米周年的氨挥发氨挥发50%， N2O排放排放54%，硝酸盐淋洗，硝酸盐淋洗6

21、8% (n=269)为国家为国家“测土配方施肥测土配方施肥”等农业重大行动提供理论依据及技术支撑等农业重大行动提供理论依据及技术支撑1) 1) 产量提高过程中作物氮素需求特征产量提高过程中作物氮素需求特征进展进展2 2、针对高产高效调控难的问题，揭示了作物增产过程、针对高产高效调控难的问题，揭示了作物增产过程中氮素需求特征，建立了高产作物氮肥综合管理技术中氮素需求特征，建立了高产作物氮肥综合管理技术开花期30%16%19.818.117.117.016.9Field Crops Res., 2012, 通讯作者通讯作者总量变化总量变化阶段变化阶段变化PNAS, 2011, 并列第一作者并列第一

22、作者PNAS, 2011, 并列第一作者并列第一作者2)2)创建高产玉米氮肥综合管理技术体系创建高产玉米氮肥综合管理技术体系8-9 t ha-1养养分分需需求求特特征征养分空间有效性养分空间有效性养分生物有效性养分生物有效性养分时空变异性养分时空变异性根根层层养养分分供供应应80kg N ha-1120kg N ha-150kg N ha-112-13 t ha-150kg N ha-1106kg N ha-1Conceptual model illustrating the soil-crop system management strategies for realizing the hi

23、gh yield and high N efficiency(Chen et al., 2011)15-year weather dataPlanting datePlanting densityVarietyComparison with farmers practiceHigh-yielding systemDesign a high-yielding maize production system by understanding the interaction between crop and radiation / temperature resources - an example

24、 for Beijing suburb(Chen et al., 2011, PNAS)ISSM (n=66)HY (n=43)FP (n=4548)Maize grain yield (t ha-1)13.01.615.22.66.81.6Yield potential (t ha-1)15.11.916.82.0-Yield: Yield potential (%)86%91%-N input from fertilizer and manure (kg ha-1)23770747179257121N removal in harvest (kg ha-1)250312925013231I

25、nputs minus harvest removals (kg ha-1)-125645715512742Yield per unit fertilizer N applied (kg kg-1)57132152620增产也能增效，高产需要高效增产也能增效，高产需要高效农民习惯高产高效体系PNAS文章已被引用文章已被引用149次，并多次被次，并多次被Nature, Science, PNAS等发表的论文所引用，作为作物和土等发表的论文所引用，作为作物和土壤管理方面农业生态学上的创新，以及作物高产与资源高效协同的一个成功案例。壤管理方面农业生态学上的创新，以及作物高产与资源高效协同的一个成功案

26、例。农田氮素损失与氮素盈余指数关系农田氮素损失与氮素盈余指数关系(n=2650)高产玉米增加氮素吸收、减低单位高产玉米增加氮素吸收、减低单位籽粒产量的温室气体排放籽粒产量的温室气体排放Environ. Sci. Technol., 2013, 第一作者第一作者 高产高产中产中产1）建立了农田氮素损失与氮素盈余的定量化模型）建立了农田氮素损失与氮素盈余的定量化模型进展进展3、针对氮素损失阻控难的问题，揭示氮素供应、针对氮素损失阻控难的问题，揭示氮素供应-吸收吸收不匹配是氮素损失主因，以最小环境代价实现作物高产不匹配是氮素损失主因，以最小环境代价实现作物高产Global Change Biol.,

27、 2013, 第一作者第一作者小麦( 40 点/年)玉米( 56 点/年)水稻( 57 点/年)973项目“主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究”农业部公益性行业科研专项“农作物最佳养分管理技术研究与应用”2009-2013年，在水稻、小麦、玉米主产区建立153点/年的大田试验，开展实证研究，破解协同实现粮食增产与环境保护的难题。第一步目标产量:10%-15%效率: 20%第二步目标30%-50%同同时时实实现现作作物物高高产产与与资资源源高高效效的的两两步步战战略略目目标标产产量量水水肥肥投投入入当当前前（高产超高产）（节肥增效）(高产高效)项项目目目目标标第一步目标产量:10%-1

28、5%效率: 20%第二步目标30%-50%同同时时实实现现作作物物高高产产与与资资源源高高效效的的两两步步战战略略目目标标产产量量水水肥肥投投入入当当前前（高产超高产）（节肥增效）(高产高效)项项目目目目标标 共同试验：4+X农民习惯：产量与效率均不高；高产高效：产量提高10-15%，效率提高20%；再高产：超高产不高效，产量提高30-50%；再高产高效：产量与效率同时提高30-50% 。研究策略第一步目标：自下而上(Bottom-up)第二步目标：自上而下(Top-down)建立全国协作网，开展高产高效的合作攻关土壤-作物综合系统管理的产量、氮肥用量、氮肥生产效率及氮素盈余 土壤-作物系统综

29、合管理的水稻、小麦、玉米单产达到8.5、8.9、14.2吨/公顷，实现最高产量97-99%，与国际上当前生产水平最高的区域（如西欧的小麦、美国玉米带的玉米）相当。0246810CPIPHYISSMFP水稻产量水稻产量(Mg/ha)图表标题图表标题0246810CPIPHYISSMFP小麦产量小麦产量(Mg/ha)图表标题图表标题0246810121416CPIPHYISSMFP玉米产量玉米产量(Mg/ha)图表标题图表标题增产21-87%(Chen et al., 2014, Nature)主要粮食作物产量潜力分析(Cassman et al., 2010)产量增加的主要原因分析中产到高产：提

30、高收获指数高产到再高产：提高生物量适度增密(Chen et al., 2014, Nature)CropsTreatmentN ratekg N ha-1PFPNkg kg-1N surpluskg N ha-1Rice (n=57) CP181 a41 d58 aIP146 c57 a7 cHY192 a47 c38 bISSM162 b54 b16 cFP (n=6592)2094182Wheat (n=40) CP257b28c74 aIP192d44 a-9 bHY283 a33 b50 aISSM220 c41 a2 bFP (n=6940)2103374Maize (n=56) C

31、P266b40b72bIP214c59a-8 cHY402 a37 b140 aISSM256b56a8 cFP(n=5406)2204372土壤-作物综合系统管理实现氮素平衡(Chen et al., 2014, Nature)美国玉米英国小麦美国(2000-2009)ISSM产量(Mg/ha)9.214.2氮肥(kg/ha)136256效率(kg/kg)6856英国(2000-2009)ISSM产量(Mg/ha)7.88.9氮肥(kg/ha)190220效率(kg/kg)4141与美国玉米和英国小麦的比较 土壤-作物综合系统管理的环境效应评价N2O排放及硝酸盐淋洗随着氮素盈余的增加呈指数增

32、加，说明减少环境污染的关键是控制氮素盈余，主要措施: 一是增产，增加作物对氮素的吸收；二是合理施肥，既不过剩、也不亏缺。土壤-作物系统综合管理的环境代价（活性氮损失，包括氨挥发、淋洗、N2O等；温室气体排放，包括农资生产运输过程、农田耕作管理过程与农田直接排放）显著降低。 2030中国粮食需求及其可能的实现途径S1:按照过去8年的粮食增幅；S2，实现土壤-作物综合管理的80%指标；S3，实现土壤-作物综合管理的80%指标，且满足中国2030年粮食需求目标。到2030年，我国农业只要实现本文中土壤-作物系统综合管理措施产量水平的80%，而保持2012年的种植面积，就可以不仅保证直接的口粮消费、而

33、且保证不断增长的饲料粮需求；同时，减少活性氮损失30%、减少温室气体排放11%。单位单位200520122030S1S2S3 作物总产作物总产百万吨417531656786658 作物单产作物单产吨/公顷5.45.97.48.89.6 氮肥用量氮肥用量公斤/公顷213217213172188 耕地面积耕地面积百万公顷7889898969 氮肥消费氮肥消费百万吨16.619.419.015.412.9 活性氮排放活性氮排放百万吨6.77.98.35.54.1 温室气体排放温室气体排放百万吨CO2500558542498411 协同实现高产高效：以更低的环境代价获得更高的作物产量Nature, d

34、oi:10.1038/nature1360933名合作作者，18家合作单位Nature集团大中国区主任、Nature执行主编 Nick Campbell 博士来函:“This paper represents exciting and ground-breaking (literally!) research in agricultural science that we believe has extremely broad interest globally and, importantly, within China.”。“这篇研究论文代表着令人激动的和开拓性的农业科学研究，相信这项研究

35、会吸引全球性的关注，在中国也不例外”Nature编辑部专门在中国召开新闻发布会；国内外编辑部专门在中国召开新闻发布会；国内外128家媒体及网站对该技术进行报家媒体及网站对该技术进行报道和转载道和转载工作创新性工作创新性123 探索了高产玉米氮肥综探索了高产玉米氮肥综合管理技术合管理技术 以最小环境代价实现作以最小环境代价实现作物高产物高产 以根层土壤硝态氮调控以根层土壤硝态氮调控为核心，建立了氮素实时为核心，建立了氮素实时监控技术理论与途径监控技术理论与途径汇报内容汇报内容一、研究内容及研究背景一、研究内容及研究背景二、研究思路及工作进展二、研究思路及工作进展三、未来研究工作设想三、未来研究工

36、作设想未来研究工作设想未来研究工作设想（一）田间研究：高产高效，根层养分供应动态与高产群体养（一）田间研究：高产高效，根层养分供应动态与高产群体养分需求的匹配机理；分需求的匹配机理；（二）区域技术的农学及环境效应综合评价（二）区域技术的农学及环境效应综合评价 （大样本数据）（大样本数据）（三）农业多功能性评价（长期定位实验、综合实验等）（三）农业多功能性评价（长期定位实验、综合实验等）（四）中国（四）中国/全球的主要粮食生产的农学、资源、环境效应评全球的主要粮食生产的农学、资源、环境效应评估（文献数据，估（文献数据，Meta-analysis)（一）田间研究（一）田间研究开展工作的科学意义及挑

37、战开展工作的科学意义及挑战如何把如何把“突破口突破口”变成规律性的认识？变成规律性的认识？把规律性的认识变成可稳定实现的途径？把规律性的认识变成可稳定实现的途径？作物作物玉米玉米小麦小麦点数点数5644增产增产30-50%35%25%增效增效30-50%39%44%增产增效增产增效30-50%66%28%Nature, 2014, 并列第一作者并列第一作者找到找到“最小环境代价实现小麦高产最小环境代价实现小麦高产”的突破口的突破口”以分蘖成穗为主的高产小麦地上以分蘖成穗为主的高产小麦地上/ /地下氮素调控更加困难地下氮素调控更加困难主茎主茎第一分蘖第一分蘖第二分蘖第二分蘖孕穗前不同茎蘖长势孕穗

38、前不同茎蘖长势春季分蘖春季分蘖成穗蘖成穗蘖死亡蘖死亡蘖高产群体氮素需求定量难高产群体氮素需求定量难根层氮素对群体质量支撑难根层氮素对群体质量支撑难大幅度增产增效调控难大幅度增产增效调控难15穗穗18穗穗7穗穗适宜适宜不足不足过量过量相同株数小麦氮素调控的穗数相同株数小麦氮素调控的穗数根层氮素供应根层氮素供应根系发育根系发育茎蘖及器官氮营养茎蘖及器官氮营养群体数量与质量群体数量与质量产量形成过程产量形成过程工作思路及关键科学问题工作思路及关键科学问题0II-PIIIII 根层氮素动态供应与高产小麦群体数量与质量的时空匹配根层氮素动态供应与高产小麦群体数量与质量的时空匹配 大面积实现小麦高产、资源

39、高效及环境保护多目标的调控途径大面积实现小麦高产、资源高效及环境保护多目标的调控途径0II-PIIIII氮素损失氮素损失小麦氮素调控关键时期小麦氮素调控关键时期冬前冬前拔节拔节-开花开花不同产量小麦干物质积累动态不同产量小麦干物质积累动态相关的工作基础相关的工作基础7-8.5 t ha-18.5 t ha-1植株氮浓度植株氮浓度3.27%植株氮浓度植株氮浓度3.07%7-8.5 t ha-18.5 t ha-1Wheat biomass (t ha-1)0.00.10.20.30.40.50.602004006008001000第一分蘖干物质（第一分蘖干物质（g）拔节期土壤供氮拔节期土壤供氮

40、(kg N ha-1)00.10.20.30.40.50.602004006008001000第二分蘖干物质（第二分蘖干物质（g）拔节期土壤供氮拔节期土壤供氮(kg N ha-1)00.10.20.30.40.50.602004006008001000春季分蘖干物质（春季分蘖干物质（g）拔节期土壤供氮拔节期土壤供氮 (kg N ha-1)105kg N ha-1成穗蘖成穗蘖276 kg N ha-1冬前无效蘖冬前无效蘖 412kg N ha-1春后无效蘖春后无效蘖 根层氮素供应强度对小麦各级茎蘖生长的影响根层氮素供应强度对小麦各级茎蘖生长的影响中低产田地力提升（滨海盐渍土）中低产田地力提升（滨

41、海盐渍土）处理石膏脱硫石膏微生物腐殖酸油渣糠醛糖渣覆膜空白用量3t3t1.5t1.5t1.5t1.5t1.5t覆膜空白点种180180180180180180180180180出苗17016870801211013912344出苗率94.4%94.4%93.3%93.3%38.9%44.4%67.2%67.2%56.1%21.7%68.3%68.3%24.4%24.4%（三）农业多功能性评价（三）农业多功能性评价North China Plain (NCP)Latitude: 32-40NLongitude: 100-120EChina agriculture statistical year

42、book, 2002Sowing area (NCP/Total)Yield (NCP/Total) Wheat MaizeMaize has more possibility in terms of increasing yield?Double cropping systems华北典型案例分析华北典型案例分析1995-2003101.01980-19951975-198069.991972-197548.6619729.21areal underground funnelGroundwater levels have dropped as fast as 1 meter per year

43、in the last 40years forcing people to dig hundreds of meters to access fresh walter (Jia and Liu, 2002; Wang et al., 2002; Zhang et al., 2003)Water will be the utmost limiting factor for Chinas agriculture development, particularly in NCP The double cropping system (winter wheat/summer maize)Jan. Fe

44、b. Mar. Apr.May Jun.Jul.Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.Winter wheatSummer maize Winter wheatDirect sowing of summer maize1. Ploughing 2. Sowing of winter wheat IrrigationPrecipitationIrrigation(6090% of yearly precipitation)氮肥用量(kg N/ha)95085075065055045035025015050农户(个)3002001000氮肥用量(kg N/ha)9508507506505

45、5045035025015050农户数(个)3002001000N rate (kg N/ha)Winter wheat , n = 1436Average N rate：320 kg N/haSummer maize, n = 1577Average N rate：219 kg N/haFarmers N rate in wheat-maize system in NCPTotal N rate, 539kg N/ha/yr，Range 300-700 kg N/ha/yrThe number of farmersWinter wheat, n = 1360Sumer maize, n =

46、730Wheat grain yield：6.0 t/haCrop N uptake：166320 kg N/haCrop N uptake in wheat-maize system in NCPMaize grain yield：7.1 t/haCrop N uptake ：135219 kg N/haTotal crop N uptake, 301 kg N/ha/yr (56% of N fertilizer rate)Crop N uptake (kg N/ha)Grain yield (kg/ha)XinjiangQinghaiTibetYunnanSichuanInner Mon

47、goliaLiaoningHeilongjiangJilinGansuNingxiaHenanHubeiHunanHainanGuangxiGuangdongAnhuiJiangxiJiangsuShanghaiShandongZhejiangHebeiBeijingShannxiTaiwanShanxiGuizhouIncreasedDecreasedTianjinFujianChongqingXinjiangQinghaiTibetYunnanSichuanInner MongoliaLiaoningHeilongjiangJilinGansuNingxiaHenanHubeiHunanH

48、ainanGuangxiGuangdongAnhuiJiangxiJiangsuShanghaiShandongZhejiangHebeiBeijingShannxiTaiwanShanxiGuizhouIncreasedDecreasedTianjinFujianChongqingXinjiangQinghaiTibetYunnanSichuanInner MongoliaLiaoningHeilongjiangJilinGansuNingxiaHenanHubeiHunanHainanGuangxiGuangdongAnhuiJiangxiJiangsuShanghaiShandongZh

49、ejiangHebeiBeijingShannxiTaiwanShanxiGuizhouIncreasedDecreasedTianjinFujianChongqingThe soil C distribution change from 1980 to 2000 in ChinaPoor soil quality Can we increased farmers income using new management alternation with agricultural sustainability in the NCP?Our multiple goals with intensiv

50、e agriculture in the NCP Increased crop production Irrigation water sustainability Optimizing N application rate and reducing reactive N losses Reducing GHG emission, and increasing soil carbon gains Increase farmers profit, etc.Fig. 1. The concept model of current farming system transition pathway.

51、 A, current farming system with high environmental costs, and overuse nature resource; B, sustainable intensification with resource-rice regions with increasing yield and economic gains while reducing resource inputs and environmental costs; C, sustainable intensification with resource-constrained r

52、egions (water) with water sustainability while relatively high yield and small resource inputs and environmental costs. 多功能性评价工作设想多功能性评价工作设想Experimental designTreatmentsCroprotationSoil tillageResiduemanagementFertilizermanagementIrrigation1. Conventional two harvests in one year (Con. W/M)W/MRotary

53、 Tillage for WRemoveConventionalConventionalNo Tillage for M2. Optimized two harvests in one year (Opt. W/M)W/MPlough for WReturnOptimizedOptimizedNo Tillage for M3. Three harvests in two years (W/M-M)W/M-MPlough for WReturnOptimizedOptimizedNo Tillage for MPlough for M4. Three harvests in two years

54、 (W/S-M)W/S-MPlough for WReturn OptimizedOptimizedNo Tillage for SPlough for M5. Continuous spring maize (M)MPlough ReturnOptimizedOptimizedExperimental design1. Grain yield, biomass, calorie yield, protein yield and bioenergy in each crop cycle (2-year period) from 2007 to 2013 for five cropping sy

55、stems: Con. W/M, Opt. W/M, W/M+M, W/S+M, and M. Values are means + S.E. Within a crop cycle and a column, means followed by the same letter are not significantly different at P 0.05 according to the LSD test.a, The bioenergy was calculated as the production of ethanol from the grain and stover of ma

56、ize and wheat, and biodiesel from soybean.2. Resource consumption and resource efficiency, including water, N fertilizer, and energy, for five cropping systems: Con. W/M, Opt. W/M, W/M+M, W/S+M, and M. Values are means + SE, and means in a column followed by the same letter are not significantly dif

57、ferent. 663. Calculated reactive N losses and their intensityTemporal changes in soil nitrate-N content in the top 90 cm of soil in the five cropping systems: Distribution of nitrate-N in 0-90cm soil profile before wheat planting in 2007 (a), and 0-200cm soil profile after maize harvest in 2009 (b),

58、 after maize harvest in 2011 (c) and after maize harvest in 2013 (d) in the five cropping systemsFig. 2. The water footprint which contains green, blue and gray water footprint for five cropping systems. Values are means + S.E.GHG emission intensity using LCACarbon emission and sequestrations Table

59、S7 Soil organic matter content at 0-30, 30-60 and 60-90cm depth form the years 2007 (before wheat planting) and 2014 (after maize harvest) in the five different cropping systems.4. the averaged aspects about economic input, output and profit ($) The wheat and maize planting area, and ration of between maize and wheat in the past 20 years (from 1994 to 2013) on Hebei province, Beijing and Tianjing wiht the central of North China Plain.1: The winter wheat / summer maize cropping system with improved manag