農業(yè)種植業(yè)氮對水環(huán)境污染特征分析與控制對策

陳鴻展+蔡倩怡+曾經文++林曉君++周樹杰

摘 要 化肥是種植業(yè)中氮補給的主要方式，但由于施肥方法或用量不合理、肥料利用率較低等因素，造成流域水環(huán)境氮素超標普遍存在。本文在簡述氮的形態(tài)特征及其在種植業(yè)系統(tǒng)中輸入輸出途徑特征的基礎上，以廣州市為例分析種植業(yè)化肥及氮的施用及流失情況，分析了廣州市部分水質監(jiān)測斷面氨氮濃度超標情況及對水生態(tài)的影響，提出農業(yè)種植業(yè)氮污染的控制對策，為氮素的合理利用和農業(yè)污染控制提供理論參考。

關鍵詞 種植業(yè) ；化肥 ；氮循環(huán) ；水污染 ；廣州

中圖分類號 X592；S-1

Characteristics Analysis and Control Strategy of Nitrogen Pollution in Water

Environment Based on Agricultural Planting---Taking Guangzhou as an Example

CHEN Hongzhan1） CAI Qianyi2） ZENG Jingwen2） LIN Xiaojun2） ZHOU Shujie1）

（1 Guangzhou Environmental Monitoring，Guangzhou，Guangdong 510030；

2 South China Institute of Environmental Sciences， Guangzhou， Guangdong 510655）

Abstract Chemical fertilizer is the main way of nitrogen supply in agricultural planting. However， due to fertilization methods or the amount of unreasonable， low utilization of fertilizer and other factors， resulting in excessive water nitrogen is widespread. Based on the brief analysis of the morphological characteristics of nitrogen and the characteristics of input and output in the planting system， this paper analyzed the application and loss of chemical fertilizers and nitrogen in Guangzhou. The situation of excessive ammonia nitrogen concentration and its effect on aquatic ecology in some water quality monitoring sections of Guangzhou is studied. This paper puts forward the control strategy of nitrogen pollution in agricultural planting， and provides the theoretical reference for the rational utilization of nitrogen and the control of agricultural pollution.

Key words agricultural planting ； chemical fertilizer ； nitrogen cycle ； water pollution ； Guangzhou

氮素是植物生長不可或缺的元素，其對作物最終產量的貢獻為40 %-50 %，是植物體內蛋白質、核酸、磷脂和某些生長激素的重要組分之一，且植物體內氮素的營養(yǎng)水平會直接或間接影響植物光合作用[1]。據國家統(tǒng)計局數(shù)據，2013年化肥生產量7 037萬t（折純，下同），農用化肥施用量5 912萬t。化肥的大量使用一定程度上保證農作物高產，而化肥施用后相當一部分的氮素會流失，同時也帶來了水體富營養(yǎng)化等環(huán)境風險和污染[2]?，F(xiàn)有資料表明，農田經流帶入地表水體的氮，占人類活動排入水體的氮的51 %[3]。2013年中國氨氮排放總量達245.7萬t，廣東省氨氮排放總量為21.64萬t[4]。氨氮已經被中國列入污染物排放總量控制的主要指標之一。因此，本文在簡述氮在環(huán)境中形態(tài)特征及其在種植業(yè)系統(tǒng)中的輸入輸出，結合廣州實際情況分析種植業(yè)化肥流失情況與部分水質監(jiān)控斷面氨氮濃度，提出種植業(yè)氮對水環(huán)境污染的控制對策。

1 氮在環(huán)境中的形態(tài)特征

氮素主要以無機、有機和分子3種形態(tài)存在。氮循環(huán)主要有4個過程，固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用。其中氮素在土壤中的轉化主要包括植物和微生物的礦化和固化作用、氨化作用、硝化與反硝化作用、固氮微生物將無機氮NO2轉化為有機氮、氮素的化學轉化作用等，它們都是氮素循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)[5-6]。氮素在土壤中的轉化與土壤的通氣狀況、水分等有關，銨態(tài)氮化肥施加在氧氣比較充足的土壤中，硝化作用比較旺盛；當土壤通氣不良時，在土壤中嫌氣性細菌作用下進行反硝化活動，把硝態(tài)氮素還原成氮氧化合物和氮氣逸散到大氣中去[7]。研究發(fā)現(xiàn)，尿素表施后結合灌水，一方面灌溉水可將其以分子態(tài)形式帶入土壤中、下層，減少氨的揮發(fā)，顯著地提高肥效；另一方面，尿素亦進行著分解作用，轉化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[8]，見圖1。

2 種植業(yè)氮對水環(huán)境的污染特征分析

2.1 種植業(yè)中氮的輸入輸出

種植業(yè)中氮素的來源主要有5個方面：大氣沉降（包括干濕沉降）、施肥（包括化肥、有機肥）、生物固氮、隨灌溉水帶入、秸稈還田等[9]。（1）大氣氮沉降包括干沉降和濕沉降2種，其沉降速率取決于氣象條件[10]。林蘭穩(wěn)等[11]分析得到廣州東北郊監(jiān)測點的年總氮沉降量為2 384.66 mg/m2/a，其中銨態(tài)氮是該監(jiān)測點所在區(qū)域氮沉降的主要形式。（2）施肥是農田氮素的主要來源，包括氮肥和有機肥。朱兆良等[12]綜合分析得出小麥-玉米一年兩熟輪作體系下氮肥的施入量為（537±123）kgN/hm2。有研究估算得出有機肥資源量約49.5×108 t，有機肥資源每年可提供N 30.5×106 t[13-15]。（3）生物固氮指固氮微生物以自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮的形式將大氣中的氮氣轉化為氨的過程。據聯(lián)合國糧農組織（FAO）1995年粗略估計，全球每年由生物固定的氮量已近2×106 t，約占全球植物需氮量的3/4[16]。（4）由灌溉水帶入農田的氮素量因灌溉量、灌溉水質的不同而有較大差異。張玉銘[17]研究發(fā)現(xiàn)太行山山前平原欒城縣小麥-玉米輪作體系每年隨灌溉水進入農田的氮素為17.1-18.2 kgN/hm2。（5）作物根茬以及還田秸干歸還的氮是土壤中有機質的重要來源，通常在水田中還田2 250 kg/hm2稻草時可帶入N 0.8 kg，P 0.2 kg，K 2.4 kg。

氮的輸出途徑也有許多，其中主要是通過氨的揮發(fā)、水體流失、生物質燃燒、農作物出口。趙冬等[18]發(fā)現(xiàn)稻季氮素總損失為13.7-59.8 kg/hm2，占總施氮量的16.5 %-22.2 %，且隨施氮量的增加而不斷增加，其中氨揮發(fā)損失占42.2 %-72.0 %，徑流損失占22.2 %-38.4 %，滲漏損失占5.8 %-22.7 %。曹兵等[19]研究表明化學氮肥顯著增加了氨揮發(fā)、反硝化和N2O排放等氣態(tài)氮損失；其中氨揮發(fā)占施氮量的0.97 %-17.1 %，反硝化占4.33 %-8.55 %，N2O排放在1.09 %-1.6 3%之間變化。

2.2 種植業(yè)化肥施用及流失情況-以廣州市為例

化肥是種植業(yè)中氮補給的主要方式，據聯(lián)合國糧農組織估計，發(fā)展中國家的糧食增產有55 %以上要歸功于化肥，而其中最為重要的就是化肥中的氮素[20]。20世紀90年代中期，中國已成為世界上氮肥消費量最大的國家，2000年氮肥用量占世界的約1/3[21]。2004年珠江三角洲地區(qū)，施用氮肥折純量為217 104 t，耕地面積為69.93萬hm2[22]。然而，氮肥流失量也是巨大的。朱兆良等[23]估算，2002年中國農田化肥氮（2 471 t）通過損失進入環(huán)境、影響環(huán)境質量的數(shù)量達到471.8萬t；其中通過淋洗和徑流損失分別為123.5和49.4萬t。下文以廣州為例，對種植業(yè)化肥的使用量和流失量進行分析。

根據《2015年廣州市統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計，2014年廣州市9個區(qū)、2個縣級市的化肥使用量按折純量算為112 913 t，2014年年末耕地總資源面積97 527 hm2，平均耕地施用量達1 157.8 kg/hm2，高于全國平均水平375 kg/hm2，遠遠高于國際公認的安全標準225 kg/hm2。

表1、表2數(shù)據來源為《2015年廣東農村統(tǒng)計年鑒》，由于2015年原蘿崗區(qū)與黃埔區(qū)合并為黃埔區(qū)，同時考慮到數(shù)據的完整性，本文統(tǒng)計中黃埔區(qū)的數(shù)據均包含原蘿崗區(qū)的數(shù)據。農田TN排放量的計算以氮肥折純量計算TN的排放量，不考慮化肥的COD的排放量，農田氮肥流失系數(shù)取值參考《第一次全國污染源普查—農業(yè)源肥料流失系數(shù)手冊》，其值分別為0.010 79。

由表1顯示，除越秀區(qū)外，其余各區(qū)（縣級市）化肥平均施用量均高于國際公認的安全標準225 kg/hm2，由大到小排列依次是海珠區(qū)、南沙區(qū)、黃埔區(qū)、白云區(qū)、花都區(qū)、天河區(qū)、增城市、番禺區(qū)、從化市、荔灣區(qū)。

由表1、表2可以看出，2014年廣州市因化肥的施用而進入水環(huán)境的氮素含量約為374.14 t。流失的氮肥養(yǎng)分，一部分揮發(fā)到大氣中，大部分隨大氣降水、徑流、淋溶和水土侵蝕等途徑進入地表和地下水體，造成水體的富營養(yǎng)化和水體中硝酸鹽含量增加，成為廣州市重要的水體污染物。

2.3 氮對水環(huán)境污染特征分析

1985-2007年中國大陸地區(qū)流入水體的氮出現(xiàn)增加的趨勢，由的611.65萬t增加到2007年的934.20萬t，并在2005年達到峰值，952.06萬t[24]。有眾多研究顯示農業(yè)種植業(yè)污染是造成水體污染的重要原因。胡鈺[25]通過對阿什河流域典型種植區(qū)進行監(jiān)測，計算得出阿什河流域種植業(yè)氮輸出負荷為4 847.26 t/a，種植業(yè)面源氮污染入河量占全部面源污染的54.01 %。李志宏[26]估算2005年農業(yè)面源污染占太湖流域總氮污染量的51.3 %，為8.87萬t，其中農田總氮排放量為2.57萬t。

駱世明[27]研究發(fā)現(xiàn)流溪河流域平均每公頃作物使用的化肥量達到1 059 kg，化肥和農藥使用量偏高是造成流域水體氮磷負荷比較高的重要原因。溫海廣等[28]研究顯示廣州流溪河流域非點源溶解態(tài)氮污染負荷為384.31 t/a，其中氮貢獻最大的為林地占50.93 %，其次為園地，占18.10 %；溶解態(tài)氮單位面積污染負荷道路最高為50.57 kg/hm2/a，其次是水田為33.60 kg/hm2/a。種植業(yè)氮是造成水體污染的重要原因，下文以廣州為例分析氮超標對水環(huán)境的影響。

（1）對水質影響

氨氮是造成地表水水質斷面不達標的主要因子之一，根據廣東省環(huán)境保護廳2015年發(fā)布的數(shù)據，廣州重點河流監(jiān)測斷面氨氮濃度如表3所示。與河流水質目標相比，廣州重點河流監(jiān)測斷面2015年NH3-N超標率為83.3 %。從超標情況分析，廣州重點河流監(jiān)測斷面NH3-N濃度介于1.1 mg/L至27.7 mg/L之間，2015年4月石井河中游NH3-N濃度最高達到27.7 mg/L。2015年廣州重點河流監(jiān)測斷面NH3-N濃度尚未穩(wěn)定達到各河流水質目標的要求。

（2）對水生態(tài)影響

中國的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象比較嚴重，淡水水域中，50 %以上的湖泊、30 %以上的大型水庫都出現(xiàn)過水體富營養(yǎng)化，其中以太湖、巢湖和滇池尤為嚴重[29]。過剩的氮素排入水源，水體中營養(yǎng)物質增多，使得藻類大量繁殖。水面被藻類所覆蓋，陽光難以照射，抑制水體中植物的光合作用。水體溶解氧輸入量減少，從而影響魚類和水生植物生存，死亡的動植物沉入水底被微生物分解，消耗大量溶解氧，并釋放更多的營養(yǎng)物質。大量藻類在上層水體繁殖，下層水體處于厭氧狀態(tài)，水中動植物無法生存繁殖，導致水生態(tài)被破壞、湖泊老化[30]。

侯磊等[31]調查珠江廣州段的輪蟲群落，共記錄輪蟲66種，污染指示輪蟲達46種；2009年11月，中大碼頭站點輪蟲豐度達到了5 200 ind./L，超過了許多富營養(yǎng)化湖泊的輪蟲豐度。陳永川等[32]研究顯示水體總氮與葉綠素a呈極顯著的正相關表明氮的增加促進藻類的生長，銨態(tài)氮對藻類生長影響顯著，其硝態(tài)氮對藻類生長影響不顯著，藻類生長同時能促進沉積物銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的轉化和釋放。唐金艷等[33]研究發(fā)現(xiàn)，水生植物在分解前期，會造成水體氮、磷等營養(yǎng)元素激增和局部缺氧現(xiàn)象；但在分解后期，水體中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度開始下降，可見水體中保留一定量的水生植物殘體，可以在一定程度上去除硝態(tài)氮。

3 農業(yè)種植業(yè)氮污染控制對策

農業(yè)種植業(yè)氮污染控制應從系統(tǒng)控制的角度出發(fā)，遵循生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量平衡的原則，采用從“源頭-過程-末端”全過程系統(tǒng)控制的措施，再通過蓄水池或氧化塘實現(xiàn)肥水一體化等形式種植業(yè)排水量及氮排放量最小化，見圖2。

3.1 源頭減量

源頭減量是減少種植業(yè)氮污染的根本所在。源頭減量可以通過化肥減量化、廢棄物循環(huán)利用來實現(xiàn)。推廣以循環(huán)經濟為核心的生態(tài)農業(yè)綜合生產新模式。可以因地制宜推廣“鴨基魚塘”、“稻鴨共棲”、“稻田養(yǎng)魚”、“豬沼果（稻菜魚）”等生態(tài)循環(huán)模式。如發(fā)展以沼氣為紐帶的庭院式生態(tài)農業(yè)模式，將種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)與沼氣使用相結合，利用沼液、沼渣等優(yōu)質有機肥進行施肥。同時，加強秸稈等農業(yè)廢棄物的綜合利用，通過直接還田、堆肥化處理還田等方式維持和提高土壤有機質，以減少化肥的施用量，減輕氮肥對水體、土壤和大氣的污染。

3.2 過程削減

（1）科學種植，防治肥料污染

確定合理施氮量是施肥關鍵。傳統(tǒng)方法是利用天劍肥料試驗或土壤與植株測試，但存在空間變異、參數(shù)需求量大及田間試驗和土壤與植物樣品測試量大的問題。對中國種植業(yè)來說，以區(qū)域為單位計算施氮量、損失量與產量，確定出該區(qū)域適宜的施氮量較為適宜。

選擇合適的施肥時間。將作物的需肥高峰與供肥高峰相互銜接，充分發(fā)揮肥效。同時，采用科學的施肥方法，堅持深層施肥，結合節(jié)水灌溉技術，減少氮肥流失，提升科學施肥水平。深施有利于氨揮發(fā)和徑流損失，已有研究表明氮肥深施8-10 cm，可比表施的肥效高1倍左右。

（2）緩沖帶技術

植物緩沖帶是位于污染源與水體之間的植被區(qū)域，通過增加污染物在陸地的停留時間和路線，可有效攔截、滯留泥沙和減少氮、磷等污染物進入收納水體的負荷量，顯著降低面源污染的影響，并對水體中的氮磷養(yǎng)分進行回用。合理的緩沖帶寬度不僅與土地利用方式（農田還是菜地）和土地經營方式（集約度）有關，而且也與防控農業(yè)非點源污染的成效及節(jié)約用地相關聯(lián)。目前已有多項研究表明植物緩沖帶對氮的有良好的攔截作用，且隨著緩沖帶寬度的增加，對種植業(yè)排水中氮的攔截作用更好。

3.3 末端控制與循環(huán)利用

控制排水量是氮污染控制的一個重要措施。通過對水分進行優(yōu)化管理，如旱地采用肥水一體化技術，水田采用節(jié)水灌溉技術，坡耕地采用保護性耕作等技術等。其中，通過建設配套農田灌溉溝渠系統(tǒng)，采用生態(tài)溝渠將各農田區(qū)域緊密聯(lián)系在一起，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特點，對農田水分和養(yǎng)分進行綜合調控和一體化管理，實現(xiàn)以水促肥、水肥耦合，提高水分、養(yǎng)分的利用效率，同時，水體中的氮在通過農田排水溝渠運輸進入受納水體前，在遷移轉化過程中會被截留，從而最終減少進入水體的污染負荷。

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