氮肥施用現狀及效應
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我國的氮肥生產量和消費量均居世界首位[4]。據資料統計,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],而且還將呈現繼續增加的趨勢。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田已占到農田總面積的15%以上,城市周邊地帶通常達30%以上。在經濟效益較高的蔬菜、果樹、花卉生產中,氮肥用量(純N)平均為569~2000kghm-2,為普通大田作物的數倍甚至數十倍,且超量使用問題十分普遍[7]。1992~1994年間北京郊區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境污染的風險。據統計,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%,高產地區甚至在30%以下[9-10];馬文奇等報道,山東壽光蔬菜產區氮磷鉀的利用率都在10%以下,浪費的化肥每年使山東農民白白花掉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]。以上只是一筆經濟帳,氮肥的超量施用所造成的資源浪費以及付出的環境代價更是不可估量的。
2氮肥的不合理施用對土壤環境的影響
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+循環脫節而引起的[14]。人為因素對N循環的擾動,是造成目前農業土壤酸化的主要原因之一。當氮肥施用量長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,80kghm-2的銨態氮肥已明顯加速了土壤的酸化[17]。杭州市蔬菜基地大棚內土壤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查結果表明,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查樣本數的34%,嚴重制約了當地果品產業的發展[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分的吸收,并最終影響作物產量和品質[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外設施農業生產發展的嚴重障礙。
3氮肥的不合理施用對水環境的影響
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地下水和飲用水的安全質量顯著下降。據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查結果表明,半數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,地下水硝酸鹽含量基本上全部超標[8]。呂殿青等的調查表明,當季作物生長期間米脂沙質土壤中的硝態氮可淋移至200cm以下;陜西全省從2~4m土層中可能淋失的硝態氮總量達46萬噸。在被調查的93個飲、灌兩用水井中,硝態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氮含量提高10mgL-1[11]。蔬菜生產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氮難以被作物重新吸收利用,因而必將對菜區地下水環境的安全構成威脅[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化問題,也是世人關注的水污染問題之一。據估計,流入河、湖中的氮素約有60%來自化肥[28],地面水體的富營養導致藻類瘋長,赤潮現象頻繁發生。其中農村畜禽養殖業的養分流失、地表徑流、稻田排水以及氮素氣態損失后的干濕沉降等農業面源污染,是造成地表水體富營養化的主要方面。在蘇南太湖流域,來源于農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的觀測表明,牧草地和農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]。室內的模擬降雨試驗結果表明,施氮肥后如遇暴雨,以水溶態隨水流失的N可占總流失N量的50%~60%[32]。據估計,上海郊區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[33]。稻田和石灰性土壤的氨揮發損失量一般都較大。蔡貴信等的研究表明,稻田氨揮發損失量可達施入氮量的9%~42%[34]。從農田中揮發出來的氨,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的水體中。蘇成國、尹斌等的研究結果表明,稻田土壤中每次施肥后的1~3天均會出現一個氨揮發高峰,并在隨后的降雨中出現氮的濕沉降峰值;稻田土壤的氨揮發與大氣氮濕沉降中的銨態氮含量呈明顯的相關性[35]。徐仁扣等的研究表明,通過氣態損失進入大氣中的氨,有90%與大氣中的酸作用轉化成NH+4,84%的氨以NH+4-N形態隨降雨返回到陸地生態系統,成為陸地生態系統一個不可忽視的穩定氮輸入源。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,亞硝態氮不會在陸地和水生生態系統中累積,但近年來的調查表明,亞硝態氮在生態系統中的存留也已經表現出了明顯的增加趨勢。我國北方的海河和灤河流域,亞硝態氮的累積平均值已顯著超過國家環境標準(NO2-N<60μgL-1)[38]。
4氮肥不合理施用對大氣環境的影響
氮素的氣態損失,是目前氮素損失的一個重要方面。研究結果表明,氮肥施入稻田后,其中約有50%的氮將以氣態形式損失掉(包括氨的揮發損失和反硝化損失)。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%,其中氨揮發損失達39%和30%,反硝化損失達33%[39]。隨著全球溫室效應的加劇,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研究中的一個新熱點。農業生產中以N2O(通過NH3的光化學反應以及硝化、反硝化作用產生)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的增溫效應顯著。Rodhe的研究表明,1molN2O的增溫效應是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,破壞大氣O3層。因此,N2O的減排問題倍受關注。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過硝化-反硝化作用的產物,全球由于大量施用氮肥導致土壤N2O的釋放約達3Tg[43]。我國農田N2O的排放,根據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產品產量和品質的影響
5.1對農產品產量的影響
從植物營養學的角度來講,作物產量與肥料施用量之間的關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,作物產量將不再增加,而只能增加肥料的損失和對環境污染的風險。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內作物的正常生長,并最終影響其產量和品質。近年來,農業生產中的施氮量逐年增加,但作物產量并未成比例增加,而是保持在較穩定的水平,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)可增產小麥10~15kg,稻谷15~20kg,玉米20~30kg。1981~1983年,每kg氮肥(N)增產小麥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(養分)約可增產糧食5~8kg[46];而據馬光庭報道,90年代每公斤化肥僅增產糧食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果表明,在施氮量(純N)分別為112.5、187.5和262.5kghm-2時,玉米產量分別為8250、8300和8350kghm-2[26],產量差異不顯著。李俊良等的研究表明,在施氮量低于310kghm-2時,每千克氮增產63千克大白菜,投入產出比為6.3,氮肥的施用可帶來顯著的經濟效益。而當施氮量高于310kghm-2時,只能造成投入的增加和經濟效益的下降。且在適宜施氮量范圍內,氮肥利用率均在30%以上,而當施氮量超出經濟最佳施氮量時,氮肥利用率則大幅度下降[48]。
5.2對農產品品質的影響
許多研究表明,氮肥的施用量與蔬菜體內的硝酸鹽含量呈顯著或極顯著正相關;偏施或濫施氮肥,是造成目前蔬菜品質惡化和硝酸鹽、亞硝酸鹽含量超標的重要原因[49-50]。研究表明,當施氮量高于經濟最佳施氮量時,繼續增加氮肥用量,大白菜的吸氮量不再增加,但大白菜體內的硝酸鹽含量卻在試驗設置的氮水平范圍內隨施氮量的增加一直呈線性增加趨勢,表現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]。北京地區的41種被調查蔬菜中,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基地主要蔬菜的硝酸鹽含量調查結果表明,屬于嚴重污染不能食用的蔬菜占到了被調查蔬菜總樣本數的81%[53],廣州市檢測到的蔬菜亞硝酸鹽質量分數超標率為6.8%,浙江省農產品出口由于檢測不合格而損失數億美元,江蘇省糧食產品硝酸鹽的檢出率達47.6%,蔬菜類達85.3%[54]。農產品中硝態氮和亞硝態氮的超量累積,已嚴重影響到了人類的健康以及農產品的安全質量和市場競爭力,成為目前制約我國農產品出口創匯的主要限制因子。
6展望
化肥尤其是氮肥施用的環境效應問題已受到全球范圍的普遍關注,為了在不降低氮肥施用的經濟效益前提下改善氮肥施用的生態環境效益和社會效益,今后應加強以下幾個方面的研究。
6.1加強不同農業生態條件下氮肥施用的有效技術(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,加強農化服務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,改善品質效果顯著。且在農業生產常用的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,與傳統施肥法相比,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使氮肥的區域分配合理化。目前我國的氮肥施用,地區之間、同一地區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。高施肥量地區化肥施肥量一般都在300kghm-2以上,以沿海發達地區為代表,其化肥施用量的最大增長空間僅為35•58kghm-2[56]。所以今后應加強對經濟欠發達地區中低產田和低施肥量地區的氮肥投入,高產田和高施肥量地區則應著重進行施肥結構的調整。
6.3加強農業生產技術體系,如遺傳育種技術、生態農業輪作技術、水肥耦合效應、農田最佳養分管理、平衡施肥等農業綜合措施對提高氮肥利用率、減少環境污染方面的研究,促進高產水平下氮素投入在生產系統內部的良性循環。研究表明,硝酸還原酶的活性高低與蔬菜體內硝酸鹽的累積呈顯著負相關,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分的吸收,提高產量;另一方面還可促進根系發育,形成根系密集層,有效減少NO3-N的淋溶損失[26]。
6•4加強尖端性農業生產技術如有機無機復混肥新品種、緩控釋肥料、穩定肥料等的開發研究。氮肥的施用對生態環境以及農產品品質的負面影響除了與農業生產中氮肥的不合理施用有關外,氮素在土壤轉化的特殊性也是不可忽視的一面。因此,從工業途徑入手,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,并使其養分釋放曲線更加符合作物生長發育的需要,這也是提高氮肥利用率、減輕環境污染的有效措施。但目前制約該技術發展的瓶頸就是成本和肥料產品本身的性能問題。因此,包膜緩控釋肥料方面今后應加強對新型緩控釋包膜材料的開發研究,特別是加強廢棄物資源的開發和利用;穩定肥料方面應加強對新型脲酶抑制劑、硝化抑制劑、氨穩定劑等新品種的篩選及其作用機理和施用技術等的系列研究。同時開發有機無機復混肥新品種,充分利用現有的有機物質資源,發揮有機物質的培土和緩控釋作用,以低成本、無污染、環境友好型技術開發為前提。
