氮循環(huán)與中國農(nóng)業(yè)氮管理

來源：職稱那點事作者：田編輯時間：2020-12-29 09:00

　　摘要：作為全球活性氮制造量和氮肥消費量均最大的國家，中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮平衡問題受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。普遍認(rèn)為中國農(nóng)田施氮過量問題突出，并產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染。為全面了解中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮的來源和去向，找出引起氮肥消費量高的原因，本研究運用氮循環(huán)基本原理，以2010年為例，根據(jù)近年來發(fā)表的文獻和國家統(tǒng)計資料，詳細(xì)討論了不同空間尺度上中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮輸出和輸入，重點分析了作物-土壤系統(tǒng)氮循環(huán)與氮平衡的特征。2010年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮投入總體上過量，其數(shù)量基本上相當(dāng)于經(jīng)生物地球化學(xué)循環(huán)返回作物–土壤系統(tǒng)的氮量，大致在5TgN左右。在全國水平上，2010年化肥和有機肥帶入農(nóng)田的氮量，相等于作物吸氮量和農(nóng)田氮損失量之和；由于化學(xué)氮肥流向的多樣化，如林、牧、漁業(yè)和城市綠化等的氮肥消耗，以及部分經(jīng)濟作物包括果樹和蔬菜，特別是設(shè)施蔬菜的高量施氮，總體上糧食作物過量施氮的問題并不十分突出。在耕地資源有限（占全球8%的耕地面積，養(yǎng)活20%的世界人口）、有機廢棄物中氮養(yǎng)分循環(huán)利用率低于30%、豆科作物播種面積較少且生物固氮占農(nóng)田總氮投入不足15%的情況下，中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)只有依靠氮肥。然而，中國氮肥消費存在著很大的地區(qū)差異，在土地生產(chǎn)力水平較高的黃淮海、長江中下游和珠江三角洲地區(qū)，單位農(nóng)作物播種面積的施氮量顯著高于全國平均水平。這些地區(qū)氮肥消費量較大與糧食單產(chǎn)高、復(fù)種指數(shù)高和豆科作物種植比例低有密切關(guān)系。因此，為保證人們不斷增長的食物需求和膳食結(jié)構(gòu)的改善，加之土壤基礎(chǔ)肥力相對較低，農(nóng)田化學(xué)氮肥投入較高具有一定的合理性。然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)生的氮損失，既浪費了資源，也污染了環(huán)境。損失進入大氣和水中活性氮以及環(huán)境中新產(chǎn)生的活性氮，經(jīng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程以大氣沉降和灌溉水返回農(nóng)田，已經(jīng)成為作物-土壤系統(tǒng)氮的重要投入項。由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素轉(zhuǎn)化過程的多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)的復(fù)雜性，循環(huán)過程中的氮損失不可避免。只有通過在不同空間尺度上對氮素進行優(yōu)化管理，才能將氮損失降低到最低。在保證糧食安全的基礎(chǔ)上，盡可能地降低農(nóng)田施氮的環(huán)境風(fēng)險，需要多學(xué)科、多部門的協(xié)作與共同努力，在不同空間尺度上實現(xiàn)氮優(yōu)化管理、達到降低農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮肥投入的目的。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；氮生物地球化學(xué)循環(huán)；氮平衡；氮損失；氮管理

　　氮肥在保障中國糧食安全方面具有不可替代的作用。20世紀(jì)70年代末以后，中國糧食產(chǎn)量大幅度提高，除農(nóng)村政策調(diào)整、品種更新、農(nóng)田水利建設(shè)等因素外，化肥投入，特別是氮肥投入持續(xù)大量增加，是一個關(guān)鍵因素。而且，高產(chǎn)品種對氮肥的依賴性更強。然而，氮肥使用也帶來了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題。這些環(huán)境問題的產(chǎn)生，是人為制造的這部分活性氮參與自然界氮生物地球化學(xué)循環(huán)的必然結(jié)果。

　　1農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)與氮損失

　　1.1農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)

　　在需要以施肥方式補充的植物養(yǎng)分中，氮需求量最大且最普遍。在種養(yǎng)結(jié)合的典型農(nóng)戶水平上的生產(chǎn)活動中，氮循環(huán)相對封閉（圖1）。作物所需氮來源于還田的有機廢棄物和輪作的豆科作物。隨著城市化進程，養(yǎng)殖業(yè)逐漸實現(xiàn)集約化，并在很大程度上與種植業(yè)分離。由于各種原因，有機養(yǎng)分資源還田比例大幅度降低。在豆科輪作面積很低的情況下，為了補充作物需要的氮，只能靠不斷施用大量氮肥（圖1），以滿足不斷增長的食物需求。

　　1.2食物生產(chǎn)-消費鏈的氮損失

　　氮肥在保證糧食安全的同時，引起了一系列環(huán)境問題，如N2O排放量增加和大氣二次氣溶膠的形成，部分地區(qū)水體氮嚴(yán)重污染等。此外，農(nóng)業(yè)土壤也是大氣污染物HONO主要來源之一[9]。農(nóng)業(yè)氮投入引起環(huán)境污染的主要原因，是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)-加工-消費過程中，發(fā)生了各種方式、程度不同的氮損失，這種損失在很大程度上是一種不可避免的漏失。從環(huán)境角度，除反硝化和厭氧氨氧化釋放的N2外，其他活性氮組分的損失，就是氮的非點源污染。人們最終消費各種食物中所含氮量，平均僅占生產(chǎn)體系氮投入總量的17%[10]。經(jīng)過食物生產(chǎn)鏈的傳遞，絕大部分氮發(fā)生損失，其中相當(dāng)比例的氮，成為水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的污染負(fù)荷。

　　2作物-土壤系統(tǒng)氮平衡

　　由于基礎(chǔ)資料缺乏，全國尺度上農(nóng)田氮平衡的估計有很大不確定性，已發(fā)表的在全國尺度上估算中國作物-土壤系統(tǒng)的氮平衡資料不多，其中代表性的2個研究結(jié)果總結(jié)在表2。

　　3農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究的幾個問題

　　3.1作物-土壤系統(tǒng)氮損失的量化

　　氮肥利用效率不高的原因主要有：（1）微觀尺度上，微生物與植物根系對氮的競爭，導(dǎo)致肥料氮的生物固持，以及土壤和肥料氮相互交換而引起的假象[56]；（2）肥料氮直接和間接損失，如氨揮發(fā)和氮淋失；（3）肥料氮在轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生損失，如反硝化引起的氣態(tài)氮損失。其中，施入土壤后肥料氮發(fā)生的各種方式的損失是最主要原因。因此，深入了解氮損失途徑及其影響因素，以便有針對性地采取措施控制氮損失，具有十分重要的意義。然而，目前有關(guān)氮損失的定量測定方法，卻存在著許多問題。

　　3.2有機廢棄物的養(yǎng)分資源量和可返還比例

　　經(jīng)過30多年的經(jīng)濟快速增長，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、膳食結(jié)構(gòu)改變以及品種更新，使得中國有機廢棄物的產(chǎn)生量顯著增加。例如，中國糧食總產(chǎn)從1995年的467Tg，增加到2010年的546Tg。同時，由于品種改進和動物性蛋白攝入比例的增加，有機廢棄物中氮的相對含量也會提高，這給正確估計有機廢棄物的養(yǎng)分資源量，帶來很大的挑戰(zhàn)。

　　References

　　[1]FowlerD,CoyleM,SkibaU,SuttonMA,CapeJN,ReisS,SheppardLJ,JenkinsA,GrizzettiB,GallowayJN,VitousekP,LeachA,BouwmanAF,Butterbach-BahlK,DentenerF,StevensonD,AmannM,VossM.Theglobalnitrogencycleinthetwenty-firstcentury.PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,2013,368(1621):91-97

　　[2]SchlesingerWH.Onthefateofanthropogenicnitrogen.PNAS,2009,106(1):203-206.

　　[3]GallowayJN,TownsendAR,ErismanJW,BekundaM,CaiZC,FreneyJR,MartinelliLA,SeitzingerSP,SuttonMA.Transformationofthenitrogencycle:Recenttrends,questions,andpotentialsolutions.Science,2008,320:889-892.

　　作者王敬國，林杉，李保國

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