郭 偉 ,樊存虎
(山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運(yùn)城 044000)
氮素是促進(jìn)作物生長和形成產(chǎn)量的大量營養(yǎng)元素之一,作物對(duì)土壤中有效氮的吸收量是反映其生長狀況的重要指標(biāo),也是影響土壤貧瘠地區(qū)作物生長發(fā)育的主要環(huán)境因素[1]。氮肥在增加作物產(chǎn)量、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面起到重要作用。我國是世界上人口眾多的農(nóng)業(yè)大國,以占世界7%的耕地養(yǎng)活了占世界22%的人口,這是一個(gè)了不起的功績,但是作物增產(chǎn)的主要原因是化學(xué)肥料的大量施用。從1970年開始,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的施用量逐年增加,在一些高產(chǎn)地區(qū)尤為明顯[1]。然而,我國氮肥利用率比發(fā)達(dá)國家低10%~20%[2]。隨著氮肥過量施用,給生態(tài)環(huán)境也帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響,如地表水、地下水中NO3-N含量增高、江湖泊的水體富營養(yǎng)化和土壤酸化等。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國氮肥(純氮)年施用量為1 930萬t,2010—2019年氮肥施用量在逐年遞減;歐洲就氮素與植物生長相關(guān)研究進(jìn)展的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,世界氮肥投入量在逐年遞增,世界各地氮肥消耗量在過去幾十年里增加了許多倍,過量施用氮肥給環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響?,F(xiàn)在氮肥的施用問題及如何提高氮肥利用,減少氮肥過量施用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響仍是世界亟待解決的問題[3]。在農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中,若對(duì)氮肥利用的理解不深入,將得到不大符合實(shí)際的結(jié)果[4]。
張福鎖等認(rèn)為氮肥利用率反映了作物對(duì)施入土壤中的氮肥的回收效率[2];劉學(xué)軍等對(duì)氮肥利用率的定義是指施入的肥料氮被當(dāng)季作物吸收利用的百分率[5];中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所主編的《中國肥料》中把作物對(duì)施用氮素的回收率常稱作氮肥利用率或利用系數(shù),指施入農(nóng)田的氮肥中,其氮素被當(dāng)季作物吸收到體內(nèi)的比例,不包括氮肥的損失和殘留在土壤中的部分,通常以氮素量作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[6]。
上述概念表述的氮肥利用率是施肥作物吸收的氮素占施氮量的比例,是現(xiàn)在人們普遍認(rèn)可的。肥料施入土壤后轉(zhuǎn)變成土壤養(yǎng)分,其實(shí)作物吸收的養(yǎng)分都是直接來源于土壤,但只是一部分來自于原有土壤,另一部分來源于肥料。
傳統(tǒng)氮肥利用率通常表示當(dāng)季作物吸收肥料氮占施入肥料氮的百分比,描述的是作物吸收的氮有多少來源于肥料。用這種方法表示氮肥利用率,可以用差減法或示蹤法計(jì)算,算法如下:
差減法:氮肥利用率(%)=[(施氮肥作物氮素吸收量-不施氮肥作物氮素吸收量)/氮肥施用量]*100%
示蹤法:氮肥利用率(%)=(施氮肥作物氮素吸收量/氮肥施用量)*100%
由于差減法計(jì)算過程中包含了因施用氮肥而激發(fā)作物多吸收的土壤氮,所以差減法的計(jì)算結(jié)果比示蹤法高。
傳統(tǒng)對(duì)氮肥利用率的認(rèn)識(shí),只反映了當(dāng)季作物對(duì)肥料氮的利用情況,并未考慮到氮肥的后效和對(duì)土壤中氮素消耗的補(bǔ)充問題。單純地追求傳統(tǒng)氮肥利用率的高低是沒有實(shí)際意義的。通過減少氮肥施用量,可以提高傳統(tǒng)氮肥利用率,但不能達(dá)到高產(chǎn)的目標(biāo),這樣的高氮肥利用率對(duì)實(shí)際生產(chǎn)沒有任何意義。
巨曉棠通過研究分析肥料氮-土壤氮-作物吸氮“三氮”之間的關(guān)系,提出了氮肥有效率概念,即氮肥被作物吸收量和在主要根區(qū)土壤中殘留量之和占施入氮肥的百分率[4]。氮肥有效率清楚地說明了氮肥的施用效果、對(duì)土壤氮素肥力和環(huán)境的影響,反映了氮肥被作物吸收、在土壤中殘留和向環(huán)境中損失的實(shí)際情況,使氮肥施用效果與產(chǎn)量水平、土壤氮素肥力維持和環(huán)境影響程度緊密聯(lián)系起來[4]。
傳統(tǒng)氮肥利用率概念中僅提到施氮量、作物吸收肥料氮量和不施肥作物吸收氮素量,沒有考慮到氮肥殘留在土壤中對(duì)土壤氮庫消耗的補(bǔ)償效應(yīng),對(duì)土壤消耗氮的補(bǔ)充也是施用氮肥來維持或提高土壤氮素肥力的一個(gè)重要目的;它沒有真實(shí)地反映施氮過程和氮肥施用后的損失情況,對(duì)通過技術(shù)改進(jìn)來降低氮肥損失參考價(jià)值不大[4]。
另外,在計(jì)算氮肥利用率時(shí)要充分考慮當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)肥力、氣候條件、施肥技術(shù)和作物生長周期等因素,確保土壤肥力狀況穩(wěn)定,才能保證結(jié)果的可靠性。施入土壤中的肥料在土壤中轉(zhuǎn)化為作物可以吸收利用的土壤養(yǎng)分,若不考慮土壤養(yǎng)分庫的增減,單純計(jì)算養(yǎng)分利用率,就像工廠不考慮原料庫存的多少,單從購買原料與生產(chǎn)成品計(jì)算產(chǎn)投比一樣,是沒有意義的[4]。
還有,由于人類活動(dòng)引起的過量氮沉降現(xiàn)在也是全球土壤環(huán)境變化的重大問題。
化學(xué)肥料是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料,是作物的“糧食”?;试诖龠M(jìn)糧食和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中起了不可替代的作用。我國從1970年開始,化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的用量逐年增加,其中氮肥比例相對(duì)較高。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),近20年來,在國家沒有干預(yù)化肥使用量前,化學(xué)肥料(氮磷鉀肥)的年產(chǎn)量逐年增加。2015年國家農(nóng)業(yè)部印發(fā)關(guān)于《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》后,化肥年產(chǎn)量出現(xiàn)高峰后,開始減量生產(chǎn)。
國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,我國農(nóng)用氮肥(純氮)用量從1980年的934萬t增加到2019年的1 930萬t,其中在2012年用量達(dá)到2 399萬t。由于化肥在施用中存在過量施用、盲目施用等問題,帶來了成本的增加和環(huán)境污染。農(nóng)用氮肥用量從2012年起逐年減少,但并沒有影響糧食產(chǎn)量。
由于我國多數(shù)耕地田塊小,主要以小農(nóng)戶土地分散經(jīng)營,大部分農(nóng)戶施肥都是效仿他人,見別人用什么肥料、施多少量,就跟著效仿,沒有考慮自己土地的肥力狀況,這樣很可能導(dǎo)致不合理施肥。許多高產(chǎn)田地塊的氮肥施用量達(dá)到了250 kg/hm2~350 kg/hm2。在華北平原和長江中下游平原種植小麥、玉米和水稻地塊中,以現(xiàn)在達(dá)到的產(chǎn)量計(jì)算,每畝地的平均適宜施氮量約為12.7 kg~13.3 kg(小麥)、10 kg~12 kg(玉米)和11.3 kg~12.7 kg(水稻)。Zhang等在全國27個(gè)省2 346個(gè)村,對(duì)4 218塊水稻田、4 554塊小麥地、4 522塊玉米地、6 863個(gè)果園和3 889塊蔬菜田塊進(jìn)行了調(diào)查,統(tǒng)計(jì)出氮肥施用量分別為(平均值±標(biāo)準(zhǔn)值)水稻田N 209±140 kg/hm2、小麥地N 197±134 kg/hm2、玉米地N 231±142 kg/hm2、果園N 550±381 kg/hm2、蔬菜地N 383±263 kg/hm2。巨曉棠通過分析國內(nèi)15N示蹤試驗(yàn)研究資料,認(rèn)為我國現(xiàn)有農(nóng)田管理水平下農(nóng)田氮肥有效率在50%~60%之間,通過采用改進(jìn)氮肥和農(nóng)藝管理措施,未來我國氮肥有效率有可能提高到70%~90%[4]。
氮肥施用過多會(huì)造成作物徒長,莖稈強(qiáng)度變?nèi)?,?dǎo)致頭重腳輕,作物易倒伏。同時(shí),會(huì)造成作物貪青晚熟,更易遭受病害和蟲害的威脅。氮素過量還會(huì)導(dǎo)致作物品質(zhì)降低,如水果香味、色澤變差,以及一些蔬菜的營養(yǎng)成分降低,塊根塊莖作物糖分合成差。對(duì)于葉菜類蔬菜或飼草,氮素過量會(huì)導(dǎo)致其中硝酸鹽在葉片中大量積累以至于對(duì)人體健康或牲畜造成危害。人們通過飲食攝入到體內(nèi)的硝酸鹽,80%可以經(jīng)過排泄途徑排出體外,剩余的20%被留在體內(nèi)。人體內(nèi)的硝酸鹽經(jīng)過硝化系統(tǒng)被轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽,亞硝酸鹽可與血液中的血紅蛋白結(jié)合,使血液運(yùn)輸氧氣的能力降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使人呼吸困難或死亡。硝酸鹽是致癌物質(zhì)亞硝酸鹽化合物(亞硝胺)合成的物質(zhì)基礎(chǔ)。畜牧業(yè)發(fā)展需要的飼草作物吸收了大量的硝酸鹽,在一定條件下釋放出的NO2等氣體達(dá)到一定濃度,會(huì)對(duì)牲畜產(chǎn)生毒害;牲畜食用了硝酸鹽含量超過1%的飼草,會(huì)引發(fā)牲畜急性中毒,嚴(yán)重時(shí)會(huì)死亡。朱濟(jì)成在關(guān)于地下水硝酸鹽污染原因探討的文章中提到,硝酸鹽對(duì)豬、牛、羊、狗、兔等家畜的致死量為70 mg/kg~140 mg/kg(動(dòng)物體重)。
氮素在土壤中以無機(jī)氮和有機(jī)氮形態(tài)存在。通常所說的土壤無機(jī)氮是指銨態(tài)氮和硝態(tài)氮,其含量一般只占土壤全氮的1%~2%,由于外界干擾其含量波動(dòng)大;有機(jī)氮占土壤全氮的絕大部分,為98%以上。土壤中不同形態(tài)的氮素在土壤中可以相互轉(zhuǎn)化,銨態(tài)氮在土壤可以被土壤顆粒吸附固定、被土壤微生物轉(zhuǎn)化成有機(jī)態(tài)氮、經(jīng)硝化作用氧化成硝態(tài)氮,若在堿性或中性條件下,銨態(tài)氮還會(huì)轉(zhuǎn)化成氨揮發(fā)損失;硝態(tài)氮在土壤中經(jīng)微生物的反硝化作用(嫌氣條件下)轉(zhuǎn)變成N2、NO、N2O,或被微生物利用形成有機(jī)氮;有機(jī)氮經(jīng)微生物礦化分解形成氨。土壤中硝態(tài)氮比銨態(tài)氮的移動(dòng)性大,極易流失。
長期過量施用氮肥,會(huì)引起土壤酸化現(xiàn)象發(fā)生,主要是由于銨態(tài)氮在土壤中經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)變成硝酸鹽,在這個(gè)過程中會(huì)釋放H+,導(dǎo)致土壤酸化;土壤的酸化還會(huì)導(dǎo)致土壤貧瘠、離子毒害、土壤板結(jié)等問題。在灌溉高產(chǎn)農(nóng)業(yè)區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū),由于大量施用氮肥和工業(yè)廢物與有機(jī)廢物的影響,在0~4 m土層中,尤其是在2 m~4 m土層中NO3-N已有大量積累,地下水和地表水受到不同程度的污染(呂殿青,1996)。在沙質(zhì)黃綿土(陜西榆林市米脂縣)、重壤質(zhì)縷土(陜西咸陽區(qū)楊陵)和黏質(zhì)水稻土(陜西漢中市)中作物當(dāng)季生長期間土壤NO3-N分別向下移動(dòng)至200 cm以下、100 cm以下和60 cm左右;NO3-N從0~40 cm土層中的淋失量分別占施入氮量的41%、31%和15%。肥料氮的淋失中,NO3-N淋失是導(dǎo)致水體面源污染的主要原因。在對(duì)我國北方以地下水為主要水源的地區(qū)進(jìn)行的抽樣調(diào)查中發(fā)現(xiàn),半數(shù)以上的飲用水硝酸鹽含量嚴(yán)重超標(biāo)(>50 ml/L),其中最高達(dá)到300 ml/L,對(duì)人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅(尹海峰,2012)。
在中性或堿性條件的土壤中,銨態(tài)氮容易轉(zhuǎn)化成NH3而揮發(fā)損失。其揮發(fā)速率受土壤pH、土壤溫度、施肥深度等因素影響,同時(shí)其他影響這些因素的條件也都會(huì)影響到氨的損失。富含黏土類礦物和腐殖質(zhì)的土壤能夠吸附氨氣,因此,在土壤膠體含量很低或氨與土壤接觸不緊密的情況下氨的揮發(fā)損失較大。有試驗(yàn)研究,將尿素施在粉砂壤土中,尿素從空氣或土壤中吸收水分,水解生成氨;當(dāng)土壤pH大于7及土溫超過16 ℃時(shí),這種類型的氨氣損失尤為劇烈。
N2O屬于溫室氣體,其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)約占整體溫室效應(yīng)的7.9%。土壤中的銨態(tài)氮或氮肥進(jìn)入土壤轉(zhuǎn)變成的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)變成NH3、N2O等氣體,揮發(fā)到空氣中,造成氮素?fù)p失,肥料浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)效益低。在氮素生物地球化學(xué)循環(huán)研究中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)釋放到大氣中的N2O及其影響因素成為一個(gè)研究方向。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,N2O氣體主要是土壤中硝態(tài)氮的反硝化作用產(chǎn)生的。當(dāng)土壤中存在大量新鮮有機(jī)質(zhì)體、氮含量在5%~10%、pH在5~8、室溫達(dá)到30 ℃~35 ℃時(shí),反硝化作用會(huì)特別強(qiáng)烈。研究表明,在我國水稻田中反硝化作用造成的氮損失量占到化肥損失量的35%。稻田在排水落干、中期烤田及收獲前,會(huì)出現(xiàn)N2O釋放高峰。
經(jīng)過不同研究,研究者對(duì)氮肥利用率有不同的見解,但在實(shí)際運(yùn)用過程中,應(yīng)注意使用的參數(shù)的實(shí)際表示內(nèi)容,以避免在不同基礎(chǔ)上進(jìn)行相互參照,產(chǎn)生誤差。對(duì)氮肥利用率的理解,不能簡單地對(duì)比數(shù)字大小,應(yīng)考慮這些數(shù)據(jù)獲得的方法與條件,對(duì)其結(jié)果和意義做出正確的分析。巨曉棠提出的氮肥有效率,不僅反映作物對(duì)施入氮肥的吸收,而且闡述了施入氮肥對(duì)維持土壤氮肥肥力的補(bǔ)償效應(yīng),全面分析了氮肥施用對(duì)作物產(chǎn)量、土壤氮素盈虧和向環(huán)境中損失的綜合效應(yīng),對(duì)今后氮素研究有一定指導(dǎo)意義。
現(xiàn)在國家深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展,持續(xù)改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,繼續(xù)推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量化,優(yōu)化實(shí)施果菜茶有機(jī)肥替代化肥試點(diǎn),研究制定大田作物有機(jī)肥施用政策,構(gòu)建有機(jī)肥施用長效機(jī)制,意在遏制化肥農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。從國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,按照目前化肥減量施用情況,糧食產(chǎn)量沒有減少,沒有對(duì)糧食安全造成威脅??梢酝七M(jìn)有機(jī)肥替代化肥,結(jié)合科學(xué)種植管理技術(shù),進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。