氮肥施用现状及效应
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我国的氮肥生产量和消费量均居世界首位[4]。据资料统计,在1990~2000年的10年间,我国氮肥施用量增长了40.8%,消耗量已达2500万吨/年(纯氮),占全世界氮肥施用总量的30%左右[5],而且还将呈现继续增加的趋势。预计至2010年,我国氮肥需求量将达到3179~3295万吨[6]。目前,中国高氮肥用量的集约化农田已占到农田总面积的15%以上,城市周边地带通常达30%以上。在经济效益较高的蔬菜、果树、花卉生产中,氮肥用量(纯N)平均为569~2000kghm-2,为普通大田作物的数倍甚至数十倍,且超量使用问题十分普遍[7]。1992~1994年间北京郊区菜田每年氮肥施用量已超过N1000kghm-2,河北省玉田县范庄在甘蓝-芹菜两茬轮作的菜地氮肥年施用量以纯氮计高达1894kghm-2,而作物吸收氮量只有398kghm-2,其余近1500kghm-2的氮是以包括硝酸盐淋溶在内的各种方式损失掉[8]。超高量的氮肥施用,必然造成报酬递减和环境污染的风险。据统计,在过去的30年中,氮肥利用率呈直线下降,上世纪70年代为50%~60%,80年代为40%,90年代后的表观利用率只有30%~35%,高产地区甚至在30%以下[9-10];马文奇等报道,山东寿光蔬菜产区氮磷钾的利用率都在10%以下,浪费的化肥每年使山东农民白白花掉12亿元人民币[11]。面源污染严重的滇池流域菜果花的集约种植面积近年来发展很快,但由于氮肥的超高量施用,利用率仅在10%左右[7]。1986~1996年间,中国投入的氮肥总量约为2.2亿吨氮,按氮肥利用率为35%和土壤残留率为20%计,12年间随雨水流失及进入大气的氮素损失近1亿吨,中国农民仅氮肥投入损失高达2000亿元,平均每年损失近170亿元[12]。以上只是一笔经济帐,氮肥的超量施用所造成的资源浪费以及付出的环境代价更是不可估量的。
2氮肥的不合理施用对土壤环境的影响
2.1土壤的酸化
土壤酸化是指土壤无机组分对酸的中和容量(ANC)的下降[13]。它是由于土壤中的H+循环脱节而引起的[14]。人为因素对N循环的扰动,是造成目前农业土壤酸化的主要原因之一。当氮肥施用量长期或大量超过植物的需氮量,造成肥料氮以NO-3-N的形式在土壤中累积时,会导致土壤严重酸化,并显著提高土壤铝、铁含量[15-16]。徐仁扣等的研究表明,在降雨量相对较低的地区,80kghm-2的铵态氮肥已明显加速了土壤的酸化[17]。杭州市蔬菜基地大棚内土壤pH介于4.8-7.8之间,在总计250个土壤样品中,pH在5.5以下的占到了30%[18]。高弼模等对山东省93个新旧蔬菜大棚的调查结果表明,0~20cm土层pH值比棚外平均降低了0.46个单位,20~40cm土层pH值比棚外平均降低了0.3个单位[19]。广西重点发展的龙眼、荔枝、柑桔及芒果果园,土壤pH平均下降1个单位,pH<4.5的强酸性土壤已占被调查样本数的34%,严重制约了当地果品产业的发展[20]。同时,土壤酸化伴随的碱性离子的淋失以及磷固定的加强,还会影响植物对这些养分的吸收,并最终影响作物产量和品质[21]。
2.2土壤的次生盐渍化
长期大量的施用肥料,特别是超量施用化肥和偏施氮肥,造成保护地土壤的次生盐渍化问题已非常普遍。研究表明,目前硝酸根已成为保护地土壤增加最多的盐分离子,约占到阴离子总量的67%~76%[22-23]。对北京、济南、南京、上海等地土壤表层0~20cm全盐含量的测定结果表明,露地全盐含量均小于1.0gkg-1,大棚为1.0~3.4gkg-1,温室为7.5~9.4gkg-1。上海温室和大棚耕层土壤0~25cm盐分含量分别为露地的11.81倍和4倍,NO-3是露地的16.5倍和5.9倍,盐分的表积现象非常明显,且盐分积累主要是硝酸盐积累[24]。哈尔滨市蔬菜大棚总盐量已达露地土壤的2~13倍,并随着棚龄的增加而增加[25]。土壤次生盐渍化已成制约国内外设施农业生产发展的严重障碍。
3氮肥的不合理施用对水环境的影响
3.1通过淋溶损失造成对地下水的污染
氮肥的长期超量施用和不合理施用,已使我国大部分地区地下水和饮用水的安全质量显著下降。据张维理等对我国北方69个地点的地下水和饮用水硝酸盐含量的调查结果表明,半数以上的水样中硝酸盐含量超标;凡是年施氮量超过500kghm-2,而作物氮素吸收量与施氮量之比低于40%的地区,地下水硝酸盐含量基本上全部超标[8]。吕殿青等的调查表明,当季作物生长期间米脂沙质土壤中的硝态氮可淋移至200cm以下;陕西全省从2~4m土层中可能淋失的硝态氮总量达46万吨。在被调查的93个饮、灌两用水井中,硝态氮含量超过饮用水标准的占21.5%[26]。在山东寿光的蔬菜生产中,实际施肥量一般为实际推荐量的2~6倍,甚至更高。仅以2倍计算,蔬菜大棚里每年淋失的氮素高达2.33万吨,足以使23.3亿立方米地下水的硝态氮含量提高10mgL-1[11]。蔬菜生产中由于氮肥的超量施用以及频繁和过量的灌水,已造成土壤剖面硝态氮的大量残留和淋失。王朝辉等的研究表明,常年露天菜地200cm土层的硝态氮残留总量可达1358.8kghm-2,2年大棚菜田为1411.8kghm-2,5年大棚为1520.9kghm-2。蔬菜作物的根系分布一般较浅,残留在土壤深层的硝态氮难以被作物重新吸收利用,因而必将对菜区地下水环境的安全构成威胁[27]。
3.2通过径流损失或干湿沉降等造成对地表水体的污染
湖泊、水库、河口、海湾等地表水体的富营养化问题,也是世人关注的水污染问题之一。据估计,流入河、湖中的氮素约有60%来自化肥[28],地面水体的富营养导致藻类疯长,赤潮现象频繁发生。其中农村畜禽养殖业的养分流失、地表径流、稻田排水以及氮素气态损失后的干湿沉降等农业面源污染,是造成地表水体富营养化的主要方面。在苏南太湖流域,来源于农田面源的总氮占到了30%[7],稻田泡田和地表径流所损失的氮,分别相当于氮肥(N)施用量345kghm-2的2.7%和5.7%,合计8.4%[29]。彭琳等在陕西安塞径流区的观测表明,牧草地和农田每年因侵蚀而损失的固相氮(N)为11~197kghm-2,以土壤颗粒形式流失的氮占流失氮总量的95%以上[30~31]。室内的模拟降雨试验结果表明,施氮肥后如遇暴雨,以水溶态随水流失的N可占总流失N量的50%~60%[32]。据估计,上海郊区由于氮肥的超量施用,每年约有10000吨的氮素进入水体,直接影响了黄浦江上游自来水取水水口的水质[33]。稻田和石灰性土壤的氨挥发损失量一般都较大。蔡贵信等的研究表明,稻田氨挥发损失量可达施入氮量的9%~42%[34]。从农田中挥发出来的氨,在大气中的滞留时间短,很容易以干湿沉降的形式重新返回排放源及周边地区的水体中。苏成国、尹斌等的研究结果表明,稻田土壤中每次施肥后的1~3天均会出现一个氨挥发高峰,并在随后的降雨中出现氮的湿沉降峰值;稻田土壤的氨挥发与大气氮湿沉降中的铵态氮含量呈明显的相关性[35]。徐仁扣等的研究表明,通过气态损失进入大气中的氨,有90%与大气中的酸作用转化成NH+4,84%的氨以NH+4-N形态随降雨返回到陆地生态系统,成为陆地生态系统一个不可忽视的稳定氮输入源。我国部分城市降水中的NH+4浓度达49~280μmolL-1,约为欧美的几倍至十几倍[36-37]。过去一般认为,亚硝态氮不会在陆地和水生生态系统中累积,但近年来的调查表明,亚硝态氮在生态系统中的存留也已经表现出了明显的增加趋势。我国北方的海河和滦河流域,亚硝态氮的累积平均值已显著超过国家环境标准(NO2-N<60μgL-1)[38]。
4氮肥不合理施用对大气环境的影响
氮素的气态损失,是目前氮素损失的一个重要方面。研究结果表明,氮肥施入稻田后,其中约有50%的氮将以气态形式损失掉(包括氨的挥发损失和反硝化损失)。在石灰性稻田土壤中,碳铵和尿素的总损失分别高达72%和63%,其中氨挥发损失达39%和30%,反硝化损失达33%[39]。随着全球温室效应的加剧,N2O作为一种重要的温室气体,近年来已成为氮素生物地球化学循环研究中的一个新热点。农业生产中以N2O(通过NH3的光化学反应以及硝化、反硝化作用产生)形式损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的增温效应显著。Rodhe的研究表明,1molN2O的增温效应是CO2的150~200倍[42],且在大气中的滞留时间较长,并参与大气中许多光化学反应,破坏大气O3层。因此,N2O的减排问题倍受关注。Bouwman报道,大气中N2O的70%~80%来自地表生物源,是在微生物的参与下经过硝化-反硝化作用的产物,全球由于大量施用氮肥导致土壤N2O的释放约达3Tg[43]。我国农田N2O的排放,根据IPCC1996年的方法进行估算,1990年的排放通量为282GgN,1995年增至336GgN。其中,来源于旱地的占78%,来自化肥N的占到了74%[44-45]。
5氮肥的不合理施用对农产品产量和品质的影响
5.1对农产品产量的影响
从植物营养学的角度来讲,作物产量与肥料施用量之间的关系符合二次抛物线趋势变化,也即当肥料施用达到一定量时,再增加施肥量,作物产量将不再增加,而只能增加肥料的损失和对环境污染的风险。而从作物栽培学的角度来讲,氮肥的不合理施用对土体、水体以及大气的污染必然会影响到该系统内作物的正常生长,并最终影响其产量和品质。近年来,农业生产中的施氮量逐年增加,但作物产量并未成比例增加,而是保持在较稳定的水平,粮棉等作物上的施肥效果已明显下降[32]。50年代末到60年代初,每kg氮(N)可增产小麦10~15kg,稻谷15~20kg,玉米20~30kg。1981~1983年,每kg氮肥(N)增产小麦10.0kg,稻谷9.1kg,玉米13.4kg。近年来肥效又有所下降,估计每公斤化肥(养分)约可增产粮食5~8kg[46];而据马光庭报道,90年代每公斤化肥仅增产粮食6.6kg,已降至世界水平的最低限度[47]。吕殿青等在渭河二级阶地黑塿土上进行的氮肥用量试验结果表明,在施氮量(纯N)分别为112.5、187.5和262.5kghm-2时,玉米产量分别为8250、8300和8350kghm-2[26],产量差异不显著。李俊良等的研究表明,在施氮量低于310kghm-2时,每千克氮增产63千克大白菜,投入产出比为6.3,氮肥的施用可带来显著的经济效益。而当施氮量高于310kghm-2时,只能造成投入的增加和经济效益的下降。且在适宜施氮量范围内,氮肥利用率均在30%以上,而当施氮量超出经济最佳施氮量时,氮肥利用率则大幅度下降[48]。
5.2对农产品品质的影响
许多研究表明,氮肥的施用量与蔬菜体内的硝酸盐含量呈显著或极显著正相关;偏施或滥施氮肥,是造成目前蔬菜品质恶化和硝酸盐、亚硝酸盐含量超标的重要原因[49-50]。研究表明,当施氮量高于经济最佳施氮量时,继续增加氮肥用量,大白菜的吸氮量不再增加,但大白菜体内的硝酸盐含量却在试验设置的氮水平范围内随施氮量的增加一直呈线性增加趋势,表现出叶菜类蔬菜累积硝酸盐的典型特征[48]。郭文忠等的研究表明,蔬菜体内的硝酸盐和亚硝酸盐含量均随着土壤盐浓度的增加而增加,在盐浓度为0.3%时,茼蒿的亚硝酸盐含量比对照高出2倍多[51]。北京地区的41种被调查蔬菜中,大部分叶菜类蔬菜的硝酸盐含量均超出WHO/FAO所规定的标准,许多样品的硝酸盐含量达3000mgkg-1以上[52]。对广东省三个蔬菜生产基地主要蔬菜的硝酸盐含量调查结果表明,属于严重污染不能食用的蔬菜占到了被调查蔬菜总样本数的81%[53],广州市检测到的蔬菜亚硝酸盐质量分数超标率为6.8%,浙江省农产品出口由于检测不合格而损失数亿美元,江苏省粮食产品硝酸盐的检出率达47.6%,蔬菜类达85.3%[54]。农产品中硝态氮和亚硝态氮的超量累积,已严重影响到了人类的健康以及农产品的安全质量和市场竞争力,成为目前制约我国农产品出口创汇的主要限制因子。
6展望
化肥尤其是氮肥施用的环境效应问题已受到全球范围的普遍关注,为了在不降低氮肥施用的经济效益前提下改善氮肥施用的生态环境效益和社会效益,今后应加强以下几个方面的研究。
6.1加强不同农业生态条件下氮肥施用的有效技术(如适宜的氮肥品种、合理的施用量及施用方法等)研究和推广工作,加强农化服务和科普宣传工作力度,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,“攻头控尾,重基肥轻追肥”的施氮技术模式对降低小白菜、空心菜等叶类蔬菜的硝酸盐累积,改善品质效果显著。且在农业生产常用的7种氮肥品种中,以施用氯化铵和硫酸铵的空心菜硝酸盐累积量为最低[50]。水稻生产中采用无水层混施和犁沟条施基施碳铵,以及“以水带氮”技术,与传统施肥法相比,可使氮肥利用率提高22~30个百分点,减少氮素损失29•35个百分点[55]。
6.2使氮肥的区域分配合理化。目前我国的氮肥施用,地区之间、同一地区的不同田块之间差异很大。曾希柏等的研究表明,我国低施肥量地区化肥最大施肥量一般在225kghm-2以下,以大兴安岭到横断山脉连线一带为代表,粮食产量平均为4357•2kghm-2,低于全国平均水平18•58个百分点,而化肥施用的增长空间为59•61kghm-2。高施肥量地区化肥施肥量一般都在300kghm-2以上,以沿海发达地区为代表,其化肥施用量的最大增长空间仅为35•58kghm-2[56]。所以今后应加强对经济欠发达地区中低产田和低施肥量地区的氮肥投入,高产田和高施肥量地区则应着重进行施肥结构的调整。
6.3加强农业生产技术体系,如遗传育种技术、生态农业轮作技术、水肥耦合效应、农田最佳养分管理、平衡施肥等农业综合措施对提高氮肥利用率、减少环境污染方面的研究,促进高产水平下氮素投入在生产系统内部的良性循环。研究表明,硝酸还原酶的活性高低与蔬菜体内硝酸盐的累积呈显著负相关,而该酶的活性强度是高度遗传的[57]。因此,通过育种途径培育高硝酸还原酶活性的蔬菜品种,可能是降低蔬菜硝酸盐超标累积的有效途径。氮肥与有机肥、磷钾肥配合施用,一方面能增加作物对养分的吸收,提高产量;另一方面还可促进根系发育,形成根系密集层,有效减少NO3-N的淋溶损失[26]。
6•4加强尖端性农业生产技术如有机无机复混肥新品种、缓控释肥料、稳定肥料等的开发研究。氮肥的施用对生态环境以及农产品品质的负面影响除了与农业生产中氮肥的不合理施用有关外,氮素在土壤转化的特殊性也是不可忽视的一面。因此,从工业途径入手,通过包膜或添加生化抑制剂等来延缓尿素的水解和铵的硝化,可以显著减少NO-3-N在土壤中的累积,并使其养分释放曲线更加符合作物生长发育的需要,这也是提高氮肥利用率、减轻环境污染的有效措施。但目前制约该技术发展的瓶颈就是成本和肥料产品本身的性能问题。因此,包膜缓控释肥料方面今后应加强对新型缓控释包膜材料的开发研究,特别是加强废弃物资源的开发和利用;稳定肥料方面应加强对新型脲酶抑制剂、硝化抑制剂、氨稳定剂等新品种的筛选及其作用机理和施用技术等的系列研究。同时开发有机无机复混肥新品种,充分利用现有的有机物质资源,发挥有机物质的培土和缓控释作用,以低成本、无污染、环境友好型技术开发为前提。
