东非共同体农业粮食系统氮流动和氮足迹评估
作者单位：中国科学院大学(中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所)
学位级别：硕士
导师姓名：周明华
授予年度：2022年
学科分类：090101[农学-作物栽培学与耕作学] 09[农学] 0901[农学-作物学]
摘 要：在东非共同体(EAC)等发展中国家农业生产中，普遍存在氮肥使用不足、土壤肥力下降和土壤管理不合理等问题，导致农业产量降低、土壤和环境的恶化等。作为东非一员的卢旺达，其低氮化肥投入、不合格的生产技术和低效的农业管理等问题尤为突出，造成该国粮食产量低、环境污染和粮食不安全等严重问题。基于以上研究背景，本研究主要探讨了EAC中氮循环失衡和氮利用效率(NUE)低的历史原因，及其对过去58年农业系统生产力以及农业生产力管理政策的影响。此外，以卢旺达为例，本研究考虑农场施肥和未施肥两种情况，通过评估卢旺达农业粮食系统的氮收支、氮利用率、虚拟氮因子(VNFs)、土壤氮矿化因子(SNMFs)以及粮食氮足迹，首次估算了1961年至2018年卢旺达的粮食氮流通和氮足迹。 本研究主要采用了两种方法，首先，根据农业氮收支的方法估算所有EAC国家在施用合成氮肥(SNF)和动物氮肥(ANM)到土壤后，土壤中氮的流通与可能的气态氮损失。其次，我们改进了氮计算工具来估计卢旺达的粮食氮总量，该计算是基于卢旺达的粮食生产和消费相关而损失释放到环境中的活性氮总量。以下是本研究的主要发现: (1)就东非共同体而言，总氮输入(SNF、ANM、生物固氮(BNF)和大气氮沉降(AND)从1960年代的12.5kgN ha-1yr-1增长到2000年代的21.8kgNha-1yr-1和2011-2018年的27kg N ha-1yr-1。总的作物N吸收从1960年代的12.8kg N ha-1yr-1增长至2000年代的18.2kg N ha-1yr-1和2011-2018年的21.8kg N ha-1yr-1。相应地，N盈余从-0.3kgN ha-1yr-1增加到3.3kg N ha-1yr-1和5.2kgN ha-1yr-1，然而，氮素利用率从102％下降到85％和81％。这些结果反映了该地区的农业从对土壤氮消耗的依赖转变为恢复土壤氮。 (2)在卢旺达，农田总的N输入从1960年代的14.6kg N ha-1yr-1增加至2010-2018年的34.1kg N ha-1yr-1，作物氮素吸收总量从1960年代的18kg N ha-1yr-1增加至2010-2018年的28.2kgN ha-1yr-1，该结果表明氮素利用效率从1960年代的124％减少至2010-2018的85％。对于氮损失而言，NH3、N2O和NO气态N损失从1960年代的0.45(NH3)、0.03(N2O)和0.00(NO)Gg N yr-1增加到2010-2018年的6.98(NH3)、0.58(N2O)和0.10(NO)Gg N yr-1。 (3)由于氮的投入较低，卢旺达的土壤氮矿化因子在0.00和2.99之间，但水稻、经济作物生产和畜牧业生产系统具有较大的土壤氮矿化因子。2010-2018年，研究发现施肥和未施肥农田实际情况的加权人均粮食氮足迹由1960年代的4.0kg N cap-1yr-1增加到2010-2018年的6.3kg N cap-1yr-1。在不施氮的情况下，加权人均粮食氮足迹从3.5kg N cap-1yr-1增加到4.8kg N cap-1yr-1，而施氮的情况下，加权人均粮食氮足迹从6.0kgN cap-1yr-1增加到8.7kgN cap-1yr-1。人均农业粮食产量约占全国总作物产量的58％。 基于以上研究结果，我们得出以下结论和建议: (1)对于整个东非共同体，生物固氮和动物氮肥贡献了总氮输入的一半以上。因此，为了平衡东非共同体农业系统的氮输入和输出，需要坚持不懈地提高氮肥用量及氮肥利用率、作物产量和可持续的环境管理。此外，除了成本较高的化学肥料外，应鼓励使用牲畜粪便和生物固氮法等可负担的替代氮素营养来源，使其在东非共同体农业系统中发挥更关键的作用，在人口日益增长的形势下，实现粮食自给自足。 (2)卢旺达目前正面临氮投入低、土壤氮消耗高、粮食不安全和环境氮损失高等问题。因此，对于卢旺达而言，该国需要仔细考虑实施增加农业氮投入以及用人畜粪便做有机改良剂恢复退化土壤的氮管理等政策。
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