人才强校 | 水院石羊河团队刘文丰教授课题组在缓解极端气候下全球农业非点源污染领域取得重要进展

2月28日,《科学》杂志旗下期刊《科学-进展》(Science Advances)在线发表了水院石羊河团队刘文丰教授课题组题为《在极端湿润年份实现氮流失最小化且不影响作物产量》(Mitigating nitrogen losses with almost no crop yield penalty during extremely wet years)的研究论文。该研究揭示了极端降水对农田氮流失的影响程度及驱动机制,创新提出了一种极端气候适应性氮管理的全球解决方法(CLEANS),为探索气候变化加剧情况下如何实现全球粮食安全和环境健康提供了一种可持续发展路径。

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全球气候变化造成极端降水频发,加剧氮素从农田到水体的流失,造成水体富营养化和地下水污染,随着气候变化强度加剧,未来极端湿润年的频率和强度预计将持续增加,使得可持续水质管理更具有挑战性。极端降水对全球氮流失的影响程度如何?什么是控制极端氮流失的关键驱动因子?如何在保障粮食产量的前提下缓解极端氮流失?科学回答这些关键问题对保证农业可持续发展和环境健康具有重要意义(图1)。

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图1 本研究回答的三个关键科学问题

应用自主开发的全球尺度水-作物模型PEPIC,明确了全球主要粮食作物(玉米、小麦和水稻)在极端湿润年份(EWYs)下农业氮流失对降水异常的响应(图2)。研究发现过去三十年中EWYs发生概率小于3%,但其导致的氮流失显著超过平均水平的22–56%;预计未来EWYs发生概率将提升至20%以上,造成氮流失增幅将达到63–92%;此外全球受极端降水影响的耕地面积也将从60%增加至90%。

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图2 历史和未来极端湿润年份下氮流失的相对变化

与常识不同,研究发现氮肥投入、温度和土壤特性等要素对极端氮流失的影响相对较弱,并没有一致和/或统计上显著的影响(图3)。深入挖掘发现连续两年降水量的相对差异(diffPr)是控制极端湿润年份氮流失的关键驱动因子;这表明与前一年相比,当前年份降水量的较大相对增量将会极大加剧氮污染。这一关键驱动机制的识别为提出缓解极端氮流失的方法奠定了坚实基础。

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图3 极端降水下氮流失的驱动因子

基于此发现,研究团队创新性提出了一种极端气候适应性氮管理的CLEANS(CLimate Extreme Adaptive Nitrogen Strategy)方法。通过使用机器学习模型,将氮流失和作物产量与气候、作物管理和土壤特性相关的变量联合建模。综合权衡产量、氮肥投入和非点源污染三者之间的关系,提出在特定年份(高diffPr年)减少氮肥投入,通过优选不同的diffPr阈值和氮肥投入的缩减比例,确定了应对极端降水下氮流失的全球方法(图4)。结果显示,采用CLEANS方法可以大幅消减极端氮流失,且不会对作物产量造成影响。这一发现为全球应对气候变化,特别是在农田生产中减少氮流失和保障粮食安全提供了新的视角和策略。未来的研究可以进一步拓展这种农业管理措施的应用范围,评估CLEANS方法在不同地区和作物种类中的适用性,以实现更广泛的水环境保护和农业可持续发展。这将有助于推动农业水资源高效利用与水环境保护领域的科技创新和进步,为解决全球氮素管理和极端气候挑战提供更多更有效的解决方案。

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图4 CLEANS方法下全球降水差(diffPr)阈值和氮肥投入(Nin)缩减比例的最优情景

本研究得到国家自然科学基金青年项目、重点项目、国际合作重点项目,以及农业高效用水创新引智基地项目等的资助。中国农业大学为该研究唯一的第一和通讯作者单位,水利与土木工程学院刘文丰教授为论文第一兼通讯作者,博士研究生李梦学为论文共同一作,硕士研究生白亚玮参与了该项研究。中科院地理科学与资源研究所黄元元研究员、法国国家农业食品与环境研究院David Makowski教授、巴黎高等师范学院Yang Su研究员、德国波茨坦气候影响研究所Bernhard Schauberger教授、清华大学阳坤教授、瑞士2w2e环境咨询公司Karim C. Abbaspour教授和Hong Yang教授参与了该项工作。中国农业大学杜太生教授和法国气候与环境科学实验室Philippe Ciais院士参与并指导了该项工作。

刘文丰教授长期致力于极端气候与农业水文过程相关的基础研究,开发了全球尺度水文-作物耦合模型,构建了综合蓝水-绿水-水质-环境流量的水短缺评价体系,揭示了极端气候对粮食生产、水短缺、水污染的影响机制,提出了基于水资源管理、施肥措施和粮食贸易以缓解极端气候对农业水文过程影响的全球策略,为气候变化背景下农业可持续发展与水资源高效利用提供了重要的理论依据和技术支撑。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi9325

供稿:水利与土木工程学院

供图:水利与土木工程学院

编辑:李杨

责编:孟祥慈

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