氮肥施用現(xiàn)狀及效應(yīng)

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1我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮肥施用和利用現(xiàn)狀

我國的氮肥生產(chǎn)量和消費量均居世界首位[4]。據(jù)資料統(tǒng)計,在1990~2000年的10年間,我國氮肥施用量增長了40.8%,消耗量已達2500萬噸/年(純氮),占全世界氮肥施用總量的30%左右[5],而且還將呈現(xiàn)繼續(xù)增加的趨勢。預計至2010年,我國氮肥需求量將達到3179~3295萬噸[6]。目前,中國高氮肥用量的集約化農(nóng)田已占到農(nóng)田總面積的15%以上,城市周邊地帶通常達30%以上。在經(jīng)濟效益較高的蔬菜、果樹、花卉生產(chǎn)中,氮肥用量(純N)平均為569~2000kghm-2,為普通大田作物的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,且超量使用問題十分普遍[7]。1992~1994年間北京郊區(qū)菜田每年氮肥施用量已超過N1000kghm-2,河北省玉田縣范莊在甘藍-芹菜兩茬輪作的菜地氮肥年施用量以純氮計高達1894kghm-2,而作物吸收氮量只有398kghm-2,其余近1500kghm-2的氮是以包括硝酸鹽淋溶在內(nèi)的各種方式損失掉[8]。超高量的氮肥施用,必然造成報酬遞減和環(huán)境污染的風險。據(jù)統(tǒng)計,在過去的30年中,氮肥利用率呈直線下降,上世紀70年代為50%~60%,80年代為40%,90年代后的表觀利用率只有30%~35%,高產(chǎn)地區(qū)甚至在30%以下[9-10];馬文奇等報道,山東壽光蔬菜產(chǎn)區(qū)氮磷鉀的利用率都在10%以下,浪費的化肥每年使山東農(nóng)民白白花掉12億元人民幣[11]。面源污染嚴重的滇池流域菜果花的集約種植面積近年來發(fā)展很快,但由于氮肥的超高量施用,利用率僅在10%左右[7]。1986~1996年間,中國投入的氮肥總量約為2.2億噸氮,按氮肥利用率為35%和土壤殘留率為20%計,12年間隨雨水流失及進入大氣的氮素損失近1億噸,中國農(nóng)民僅氮肥投入損失高達2000億元,平均每年損失近170億元[12]。以上只是一筆經(jīng)濟帳,氮肥的超量施用所造成的資源浪費以及付出的環(huán)境代價更是不可估量的。

2氮肥的不合理施用對土壤環(huán)境的影響

2.1土壤的酸化

土壤酸化是指土壤無機組分對酸的中和容量(ANC)的下降[13]。它是由于土壤中的H+循環(huán)脫節(jié)而引起的[14]。人為因素對N循環(huán)的擾動,是造成目前農(nóng)業(yè)土壤酸化的主要原因之一。當?shù)适┯昧块L期或大量超過植物的需氮量,造成肥料氮以NO-3-N的形式在土壤中累積時,會導致土壤嚴重酸化,并顯著提高土壤鋁、鐵含量[15-16]。徐仁扣等的研究表明,在降雨量相對較低的地區(qū),80kghm-2的銨態(tài)氮肥已明顯加速了土壤的酸化[17]。杭州市蔬菜基地大棚內(nèi)土壤pH介于4.8-7.8之間,在總計250個土壤樣品中,pH在5.5以下的占到了30%[18]。高弼模等對山東省93個新舊蔬菜大棚的調(diào)查結(jié)果表明,0~20cm土層pH值比棚外平均降低了0.46個單位,20~40cm土層pH值比棚外平均降低了0.3個單位[19]。廣西重點發(fā)展的龍眼、荔枝、柑桔及芒果果園,土壤pH平均下降1個單位,pH<4.5的強酸性土壤已占被調(diào)查樣本數(shù)的34%,嚴重制約了當?shù)毓樊a(chǎn)業(yè)的發(fā)展[20]。同時,土壤酸化伴隨的堿性離子的淋失以及磷固定的加強,還會影響植物對這些養(yǎng)分的吸收,并最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[21]。

2.2土壤的次生鹽漬化

長期大量的施用肥料,特別是超量施用化肥和偏施氮肥,造成保護地土壤的次生鹽漬化問題已非常普遍。研究表明,目前硝酸根已成為保護地土壤增加最多的鹽分離子,約占到陰離子總量的67%~76%[22-23]。對北京、濟南、南京、上海等地土壤表層0~20cm全鹽含量的測定結(jié)果表明,露地全鹽含量均小于1.0gkg-1,大棚為1.0~3.4gkg-1,溫室為7.5~9.4gkg-1。上海溫室和大棚耕層土壤0~25cm鹽分含量分別為露地的11.81倍和4倍,NO-3是露地的16.5倍和5.9倍,鹽分的表積現(xiàn)象非常明顯,且鹽分積累主要是硝酸鹽積累[24]。哈爾濱市蔬菜大棚總鹽量已達露地土壤的2~13倍,并隨著棚齡的增加而增加[25]。土壤次生鹽漬化已成制約國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的嚴重障礙。

3氮肥的不合理施用對水環(huán)境的影響

3.1通過淋溶損失造成對地下水的污染

氮肥的長期超量施用和不合理施用,已使我國大部分地區(qū)地下水和飲用水的安全質(zhì)量顯著下降。據(jù)張維理等對我國北方69個地點的地下水和飲用水硝酸鹽含量的調(diào)查結(jié)果表明,半數(shù)以上的水樣中硝酸鹽含量超標;凡是年施氮量超過500kghm-2,而作物氮素吸收量與施氮量之比低于40%的地區(qū),地下水硝酸鹽含量基本上全部超標[8]。呂殿青等的調(diào)查表明,當季作物生長期間米脂沙質(zhì)土壤中的硝態(tài)氮可淋移至200cm以下;陜西全省從2~4m土層中可能淋失的硝態(tài)氮總量達46萬噸。在被調(diào)查的93個飲、灌兩用水井中,硝態(tài)氮含量超過飲用水標準的占21.5%[26]。在山東壽光的蔬菜生產(chǎn)中,實際施肥量一般為實際推薦量的2~6倍,甚至更高。僅以2倍計算,蔬菜大棚里每年淋失的氮素高達2.33萬噸,足以使23.3億立方米地下水的硝態(tài)氮含量提高10mgL-1[11]。蔬菜生產(chǎn)中由于氮肥的超量施用以及頻繁和過量的灌水,已造成土壤剖面硝態(tài)氮的大量殘留和淋失。王朝輝等的研究表明,常年露天菜地200cm土層的硝態(tài)氮殘留總量可達1358.8kghm-2,2年大棚菜田為1411.8kghm-2,5年大棚為1520.9kghm-2。蔬菜作物的根系分布一般較淺,殘留在土壤深層的硝態(tài)氮難以被作物重新吸收利用,因而必將對菜區(qū)地下水環(huán)境的安全構(gòu)成威脅[27]。

3.2通過徑流損失或干濕沉降等造成對地表水體的污染

湖泊、水庫、河口、海灣等地表水體的富營養(yǎng)化問題,也是世人關(guān)注的水污染問題之一。據(jù)估計,流入河、湖中的氮素約有60%來自化肥[28],地面水體的富營養(yǎng)導致藻類瘋長,赤潮現(xiàn)象頻繁發(fā)生。其中農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖業(yè)的養(yǎng)分流失、地表徑流、稻田排水以及氮素氣態(tài)損失后的干濕沉降等農(nóng)業(yè)面源污染,是造成地表水體富營養(yǎng)化的主要方面。在蘇南太湖流域,來源于農(nóng)田面源的總氮占到了30%[7],稻田泡田和地表徑流所損失的氮,分別相當于氮肥(N)施用量345kghm-2的2.7%和5.7%,合計8.4%[29]。彭琳等在陜西安塞徑流區(qū)的觀測表明,牧草地和農(nóng)田每年因侵蝕而損失的固相氮(N)為11~197kghm-2,以土壤顆粒形式流失的氮占流失氮總量的95%以上[30~31]。室內(nèi)的模擬降雨試驗結(jié)果表明,施氮肥后如遇暴雨,以水溶態(tài)隨水流失的N可占總流失N量的50%~60%[32]。據(jù)估計,上海郊區(qū)由于氮肥的超量施用,每年約有10000噸的氮素進入水體,直接影響了黃浦江上游自來水取水水口的水質(zhì)[33]。稻田和石灰性土壤的氨揮發(fā)損失量一般都較大。蔡貴信等的研究表明,稻田氨揮發(fā)損失量可達施入氮量的9%~42%[34]。從農(nóng)田中揮發(fā)出來的氨,在大氣中的滯留時間短,很容易以干濕沉降的形式重新返回排放源及周邊地區(qū)的水體中。蘇成國、尹斌等的研究結(jié)果表明,稻田土壤中每次施肥后的1~3天均會出現(xiàn)一個氨揮發(fā)高峰,并在隨后的降雨中出現(xiàn)氮的濕沉降峰值;稻田土壤的氨揮發(fā)與大氣氮濕沉降中的銨態(tài)氮含量呈明顯的相關(guān)性[35]。徐仁扣等的研究表明,通過氣態(tài)損失進入大氣中的氨,有90%與大氣中的酸作用轉(zhuǎn)化成NH+4,84%的氨以NH+4-N形態(tài)隨降雨返回到陸地生態(tài)系統(tǒng),成為陸地生態(tài)系統(tǒng)一個不可忽視的穩(wěn)定氮輸入源。我國部分城市降水中的NH+4濃度達49~280μmolL-1,約為歐美的幾倍至十幾倍[36-37]。過去一般認為,亞硝態(tài)氮不會在陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中累積,但近年來的調(diào)查表明,亞硝態(tài)氮在生態(tài)系統(tǒng)中的存留也已經(jīng)表現(xiàn)出了明顯的增加趨勢。我國北方的海河和灤河流域,亞硝態(tài)氮的累積平均值已顯著超過國家環(huán)境標準(NO2-N<60μgL-1)[38]。

4氮肥不合理施用對大氣環(huán)境的影響

氮素的氣態(tài)損失,是目前氮素損失的一個重要方面。研究結(jié)果表明,氮肥施入稻田后,其中約有50%的氮將以氣態(tài)形式損失掉(包括氨的揮發(fā)損失和反硝化損失)。在石灰性稻田土壤中,碳銨和尿素的總損失分別高達72%和63%,其中氨揮發(fā)損失達39%和30%,反硝化損失達33%[39]。隨著全球溫室效應(yīng)的加劇,N2O作為一種重要的溫室氣體,近年來已成為氮素生物地球化學循環(huán)研究中的一個新熱點。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中以N2O(通過NH3的光化學反應(yīng)以及硝化、反硝化作用產(chǎn)生)形式損失的氮素占施入氮素的比例不大(占肥料施用氮量的0.7%~1.3%)[40-41],但N2O的增溫效應(yīng)顯著。Rodhe的研究表明,1molN2O的增溫效應(yīng)是CO2的150~200倍[42],且在大氣中的滯留時間較長,并參與大氣中許多光化學反應(yīng),破壞大氣O3層。因此,N2O的減排問題倍受關(guān)注。Bouwman報道,大氣中N2O的70%~80%來自地表生物源,是在微生物的參與下經(jīng)過硝化-反硝化作用的產(chǎn)物,全球由于大量施用氮肥導致土壤N2O的釋放約達3Tg[43]。我國農(nóng)田N2O的排放,根據(jù)IPCC1996年的方法進行估算,1990年的排放通量為282GgN,1995年增至336GgN。其中,來源于旱地的占78%,來自化肥N的占到了74%[44-45]。

5氮肥的不合理施用對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

5.1對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響

從植物營養(yǎng)學的角度來講,作物產(chǎn)量與肥料施用量之間的關(guān)系符合二次拋物線趨勢變化,也即當肥料施用達到一定量時,再增加施肥量,作物產(chǎn)量將不再增加,而只能增加肥料的損失和對環(huán)境污染的風險。而從作物栽培學的角度來講,氮肥的不合理施用對土體、水體以及大氣的污染必然會影響到該系統(tǒng)內(nèi)作物的正常生長,并最終影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。近年來,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施氮量逐年增加,但作物產(chǎn)量并未成比例增加,而是保持在較穩(wěn)定的水平,糧棉等作物上的施肥效果已明顯下降[32]。50年代末到60年代初,每kg氮(N)可增產(chǎn)小麥10~15kg,稻谷15~20kg,玉米20~30kg。1981~1983年,每kg氮肥(N)增產(chǎn)小麥10.0kg,稻谷9.1kg,玉米13.4kg。近年來肥效又有所下降,估計每公斤化肥(養(yǎng)分)約可增產(chǎn)糧食5~8kg[46];而據(jù)馬光庭報道,90年代每公斤化肥僅增產(chǎn)糧食6.6kg,已降至世界水平的最低限度[47]。呂殿青等在渭河二級階地黑塿土上進行的氮肥用量試驗結(jié)果表明,在施氮量(純N)分別為112.5、187.5和262.5kghm-2時,玉米產(chǎn)量分別為8250、8300和8350kghm-2[26],產(chǎn)量差異不顯著。李俊良等的研究表明,在施氮量低于310kghm-2時,每千克氮增產(chǎn)63千克大白菜,投入產(chǎn)出比為6.3,氮肥的施用可帶來顯著的經(jīng)濟效益。而當施氮量高于310kghm-2時,只能造成投入的增加和經(jīng)濟效益的下降。且在適宜施氮量范圍內(nèi),氮肥利用率均在30%以上,而當施氮量超出經(jīng)濟最佳施氮量時,氮肥利用率則大幅度下降[48]。

5.2對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

許多研究表明,氮肥的施用量與蔬菜體內(nèi)的硝酸鹽含量呈顯著或極顯著正相關(guān);偏施或濫施氮肥,是造成目前蔬菜品質(zhì)惡化和硝酸鹽、亞硝酸鹽含量超標的重要原因[49-50]。研究表明,當施氮量高于經(jīng)濟最佳施氮量時,繼續(xù)增加氮肥用量,大白菜的吸氮量不再增加,但大白菜體內(nèi)的硝酸鹽含量卻在試驗設(shè)置的氮水平范圍內(nèi)隨施氮量的增加一直呈線性增加趨勢,表現(xiàn)出葉菜類蔬菜累積硝酸鹽的典型特征[48]。郭文忠等的研究表明,蔬菜體內(nèi)的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量均隨著土壤鹽濃度的增加而增加,在鹽濃度為0.3%時,茼蒿的亞硝酸鹽含量比對照高出2倍多[51]。北京地區(qū)的41種被調(diào)查蔬菜中,大部分葉菜類蔬菜的硝酸鹽含量均超出WHO/FAO所規(guī)定的標準,許多樣品的硝酸鹽含量達3000mgkg-1以上[52]。對廣東省三個蔬菜生產(chǎn)基地主要蔬菜的硝酸鹽含量調(diào)查結(jié)果表明,屬于嚴重污染不能食用的蔬菜占到了被調(diào)查蔬菜總樣本數(shù)的81%[53],廣州市檢測到的蔬菜亞硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)超標率為6.8%,浙江省農(nóng)產(chǎn)品出口由于檢測不合格而損失數(shù)億美元,江蘇省糧食產(chǎn)品硝酸鹽的檢出率達47.6%,蔬菜類達85.3%[54]。農(nóng)產(chǎn)品中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的超量累積,已嚴重影響到了人類的健康以及農(nóng)產(chǎn)品的安全質(zhì)量和市場競爭力,成為目前制約我國農(nóng)產(chǎn)品出口創(chuàng)匯的主要限制因子。

6展望

化肥尤其是氮肥施用的環(huán)境效應(yīng)問題已受到全球范圍的普遍關(guān)注,為了在不降低氮肥施用的經(jīng)濟效益前提下改善氮肥施用的生態(tài)環(huán)境效益和社會效益,今后應(yīng)加強以下幾個方面的研究。

6.1加強不同農(nóng)業(yè)生態(tài)條件下氮肥施用的有效技術(shù)(如適宜的氮肥品種、合理的施用量及施用方法等)研究和推廣工作,加強農(nóng)化服務(wù)和科普宣傳工作力度,向因土施氮、因作物施氮方向努力。任祖淦等研究表明,在氮肥施用量300kghm-2以下,“攻頭控尾,重基肥輕追肥”的施氮技術(shù)模式對降低小白菜、空心菜等葉類蔬菜的硝酸鹽累積,改善品質(zhì)效果顯著。且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的7種氮肥品種中,以施用氯化銨和硫酸銨的空心菜硝酸鹽累積量為最低[50]。水稻生產(chǎn)中采用無水層混施和犁溝條施基施碳銨,以及“以水帶氮”技術(shù),與傳統(tǒng)施肥法相比,可使氮肥利用率提高22~30個百分點,減少氮素損失29•35個百分點[55]。

6.2使氮肥的區(qū)域分配合理化。目前我國的氮肥施用,地區(qū)之間、同一地區(qū)的不同田塊之間差異很大。曾希柏等的研究表明,我國低施肥量地區(qū)化肥最大施肥量一般在225kghm-2以下,以大興安嶺到橫斷山脈連線一帶為代表,糧食產(chǎn)量平均為4357•2kghm-2,低于全國平均水平18•58個百分點,而化肥施用的增長空間為59•61kghm-2。高施肥量地區(qū)化肥施肥量一般都在300kghm-2以上,以沿海發(fā)達地區(qū)為代表,其化肥施用量的最大增長空間僅為35•58kghm-2[56]。所以今后應(yīng)加強對經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)中低產(chǎn)田和低施肥量地區(qū)的氮肥投入,高產(chǎn)田和高施肥量地區(qū)則應(yīng)著重進行施肥結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

6.3加強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)體系,如遺傳育種技術(shù)、生態(tài)農(nóng)業(yè)輪作技術(shù)、水肥耦合效應(yīng)、農(nóng)田最佳養(yǎng)分管理、平衡施肥等農(nóng)業(yè)綜合措施對提高氮肥利用率、減少環(huán)境污染方面的研究,促進高產(chǎn)水平下氮素投入在生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的良性循環(huán)。研究表明,硝酸還原酶的活性高低與蔬菜體內(nèi)硝酸鹽的累積呈顯著負相關(guān),而該酶的活性強度是高度遺傳的[57]。因此,通過育種途徑培育高硝酸還原酶活性的蔬菜品種,可能是降低蔬菜硝酸鹽超標累積的有效途徑。氮肥與有機肥、磷鉀肥配合施用,一方面能增加作物對養(yǎng)分的吸收,提高產(chǎn)量;另一方面還可促進根系發(fā)育,形成根系密集層,有效減少NO3-N的淋溶損失[26]。

6•4加強尖端性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)如有機無機復混肥新品種、緩控釋肥料、穩(wěn)定肥料等的開發(fā)研究。氮肥的施用對生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的負面影響除了與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的不合理施用有關(guān)外,氮素在土壤轉(zhuǎn)化的特殊性也是不可忽視的一面。因此,從工業(yè)途徑入手,通過包膜或添加生化抑制劑等來延緩尿素的水解和銨的硝化,可以顯著減少NO-3-N在土壤中的累積,并使其養(yǎng)分釋放曲線更加符合作物生長發(fā)育的需要,這也是提高氮肥利用率、減輕環(huán)境污染的有效措施。但目前制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸就是成本和肥料產(chǎn)品本身的性能問題。因此,包膜緩控釋肥料方面今后應(yīng)加強對新型緩控釋包膜材料的開發(fā)研究,特別是加強廢棄物資源的開發(fā)和利用;穩(wěn)定肥料方面應(yīng)加強對新型脲酶抑制劑、硝化抑制劑、氨穩(wěn)定劑等新品種的篩選及其作用機理和施用技術(shù)等的系列研究。同時開發(fā)有機無機復混肥新品種,充分利用現(xiàn)有的有機物質(zhì)資源,發(fā)揮有機物質(zhì)的培土和緩控釋作用,以低成本、無污染、環(huán)境友好型技術(shù)開發(fā)為前提。