中國陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素的來源、貢獻與管理

中國陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素的來源、貢獻與管理

氮素是生命、繁殖和活動的重要因素。氮素來自于大氣,自然界中通過固氮菌或者強力的閃電將N2轉(zhuǎn)化成生物有效的形態(tài)(NH4+,NO3-),但這種方式效率較低,只能將生物總數(shù)維持在較低水平,例如每公頃土地只能養(yǎng)活6—7個素食者,而目前每公頃可承載20—30人。氮素供應(yīng)成為生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵限制因素。19世紀(jì)初期,歐洲由于人口的增長迫切需要大量氮肥,曾嘗試?yán)枚喾N礦物源氮素作為肥料,例如回收工業(yè)煉焦過程中的焦?fàn)t氣(Coke-ovenGas,含NH30.7%—1.5%)制取硫酸銨(21%N),將自然界硝酸鈉(1%—5%N)提純干燥形成“智利硝石”(15%—16%N),用南美島嶼上的天然鳥糞(Gnano,14%N),但這些都是在消耗地球歷史上通過生物固氮形成的有限資源,難以滿足需要。因此,1895年歐洲科學(xué)家開始從大氣中直接獲取氮素,例如用電石法生產(chǎn)氰氨化鈣(也稱石灰氮,22%N),以及用電弧法生產(chǎn)硝酸,但這些方法都存在能耗高、規(guī)模難以擴大的問題,20世紀(jì)初期全球氮肥供應(yīng)尚不足100萬噸N。直到1908年Haber-Bosch合成氨工藝成功發(fā)明,并于1913年正式投產(chǎn),全球氮肥生產(chǎn)才快速發(fā)展,并于2009年達到1億噸的水平。第二次世界大戰(zhàn)以后,隨著全球人口迅速增長,Haber-Bosch合成氨工業(yè)快速推廣應(yīng)用,氮肥施用也從少數(shù)發(fā)達國家逐步普及到大多數(shù)國家,包括非洲撒哈拉地區(qū)的極端貧困地區(qū)。進入21世紀(jì),氮肥(再加上少部分通過化石能源燃燒產(chǎn)生的活性氮)已經(jīng)超過生物固氮和閃電等自然合成的氮素,成為人類所需氮素的主要來源。即使考慮部分國家耕地面積擴大、自然草場和大量豆科作物生物固氮的貢獻,到2008年全球有48%的人口依賴于化學(xué)氮肥提供蛋白質(zhì)。而對于人多地少、自然草場和豆科作物固氮潛力小的中國等發(fā)展中國家而言,氮肥的貢獻可能更大,而對氮肥的依賴也更大。隨著世界人口不斷增長,預(yù)計到2020年世界氮肥需求量將從目前的1億噸增長到1.35億噸,到2050年進一步增長到2.36億噸。然而氮肥的大量施用很快打破了自然界氮素的平衡,其負面影響不斷凸顯。每年通過生物固氮、化石能源燃燒、氮肥生產(chǎn)活化近3億噸N,但通過反硝化以N2形式回到大氣的只有1億噸,其它活化的氮素以N2O形式進入大氣會導(dǎo)致溫室氣體(增溫潛勢是CO2的298倍)和大氣質(zhì)量下降,以NO3-的形式進入水體導(dǎo)致硝酸鹽超標(biāo)、富營養(yǎng)化、近海赤潮(原因是促進了藻類的生長,降低了水體溶解氧濃度),以及以NH3進入森林和草原等自然生態(tài)系統(tǒng)降低生物多樣性。歐洲近期的評估表明,歐洲活性氮導(dǎo)致的環(huán)境成本已經(jīng)高達700億至3200億歐元,而給農(nóng)戶帶來的收益僅250—1300億。為此,全世界已經(jīng)積極行動起來,致力于發(fā)揮氮肥的正面作用而減少負面影響。然而世界氮肥發(fā)展并不平衡,歐美國家經(jīng)過上百年的大量生產(chǎn)和施用已經(jīng)進入了保護環(huán)境階段,中國及印度、巴西等快速發(fā)展中國家不僅要用氮肥解決糧食安全問題也要面臨巨大的環(huán)境壓力,而非洲等欠發(fā)展國家還在為獲取足夠的氮肥而苦苦掙扎。中國作為世界上人口最多而經(jīng)濟發(fā)展最快的國家,仍面臨經(jīng)濟增長、城鎮(zhèn)化發(fā)展、飲食轉(zhuǎn)變帶來的食物需求增長的壓力,而與此同時中國也面臨著巨大的資源環(huán)境壓力,尤其是近些年與氮相關(guān)的土壤酸化、水體污染和大氣污染的普遍發(fā)生。因此,中國須重新審視氮肥的作用并采取正確的發(fā)展戰(zhàn)略。本文嘗試用世界肥料工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的氮肥生產(chǎn)、貿(mào)易、施用數(shù)據(jù),聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計的人口、耕地、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù),結(jié)合研究組開發(fā)的NUFER模型(nutrientflowsinfoodchains,environmentandresourcesuse)以及部分文獻資料,綜合分析中國氮肥發(fā)展形勢及對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素供應(yīng)、人類蛋白供應(yīng)、國家糧食安全、土地替代方面的貢獻,并借鑒國際發(fā)展經(jīng)驗,分析中國氮肥發(fā)展思路。NUFER模型是結(jié)合中國文獻資料,建立了中國食物鏈中氮、磷兩種元素在農(nóng)田、畜牧、家庭消費各個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化系數(shù),本文主要用此模型計算了陸地生態(tài)氮素來源、氮肥在蛋白消費中的作用。1國內(nèi)外化肥的發(fā)展歷程發(fā)達國家于19世紀(jì)初期開始施用氮肥,在20世紀(jì)初期開始大量生產(chǎn)氮肥,到20世紀(jì)80年代中期以前都主導(dǎo)著全球氮肥生產(chǎn)和施用(圖1)。相對而言,中國的氮肥發(fā)展起步較晚,經(jīng)歷了引進Haber-Bosch合成氨工藝、改進、國產(chǎn)化三個階段。中國氮肥生產(chǎn)可從1935年建設(shè)大連化學(xué)廠和永利铔廠算起,但直到1949年以后才投產(chǎn),隨后通過引進少量小型氮肥裝置,逐步掌握了硫酸銨和硝酸生產(chǎn)技術(shù),開啟了中國自行生產(chǎn)氮肥的新紀(jì)元,1961年氮肥生產(chǎn)量48萬噸(純N,下同),占世界生產(chǎn)量的3.5%。但這些技術(shù)需要用焦炭作原料、而且需要昂貴的不銹鋼和鉛,規(guī)模不能擴大,同時因為重工業(yè)基礎(chǔ)薄弱和西方國家的技術(shù)封鎖,氮肥生產(chǎn)技術(shù)仍很落后,遠不能滿足需求,例如1961年中國氮肥用量達到88萬噸,進口依存度為45%。因此,加快氮肥的生產(chǎn)迫在眉睫,侯德榜等研發(fā)了碳化法生產(chǎn)碳酸氫銨工藝,并開始用無煙煤作為燃料,極大地緩解了資金和原料對氮肥生產(chǎn)的限制,大幅加快了氮肥工業(yè)的發(fā)展,到1970年共建成中小型氮肥廠1572家。碳酸氫銨是中國自主研發(fā)的獨特產(chǎn)品,而小氮肥是根據(jù)中國國情發(fā)展氮肥工業(yè),并促進氮肥工業(yè)真正飛躍的關(guān)鍵。但小型企業(yè)生產(chǎn)效率較低,而發(fā)達國家已經(jīng)改為使用天然氣發(fā)展大型裝置生產(chǎn)氮肥。因此,從1973年至20世紀(jì)90年代中國持續(xù)引進幾十套大型裝置,并對小型企業(yè)進行改造,同時大量發(fā)展商品性更好的尿素,又一次提升了氮肥產(chǎn)量。1991年氮肥產(chǎn)量達到1510萬噸,躍居世界第一位,占世界的21.3%。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展更快地拉動需求發(fā)展,1991年中國氮肥消費量達到1923萬噸,進口量達到460萬噸,占全球進口量的25%,是最大的進口國。為加快氮肥國產(chǎn)化進度,中國政府在上世紀(jì)90年代后期對化肥生產(chǎn)采取一系列有別于其它產(chǎn)業(yè)的特殊補貼和支持政策。隨著對引進技術(shù)的轉(zhuǎn)化和吸收,中國逐步掌握了氮肥生產(chǎn)技術(shù),并能自主開發(fā)生產(chǎn)裝置,氮肥生產(chǎn)進入高速發(fā)展期,2009年中國氮肥生產(chǎn)量達到3608萬噸,占全球的比重達到34%,而施用量也達到3360萬噸,占全球的33%。21世紀(jì)以來中國氮肥生產(chǎn)逐步超過施用量,不僅滿足了自己需要,而且一躍成為全球主要出口國,2009年出口占全球的8%,成為僅次于俄羅斯的第二大出口國。縱觀全球發(fā)展,發(fā)達國家在20世紀(jì)80年代中期以后受環(huán)境問題的影響氮肥生產(chǎn)和施用都出現(xiàn)了不同層次的下降;而中國等發(fā)展中國家卻迅猛增長,極大地拉動了全球氮肥的發(fā)展,1991—2009年間中國凈增的氮肥生產(chǎn)量和施用量對世界凈增量的貢獻分別達到61%和52%。因此,中國氮肥問題成為全球氮肥問題的核心。2化學(xué)氮肥是中國氮素的主要來源2.12總氮素和總氮除化學(xué)氮肥之外,進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮素來源還包括通過閃電、生物固氮(自然草場、固氮作物、海洋)以及化石能源燃燒過程中產(chǎn)生的活性氮,這些氮素會以各種形式存在于生物圈和大氣中,最終對生物活動和環(huán)境產(chǎn)生影響。關(guān)于中國陸地生態(tài)系統(tǒng)活性氮來源鮮有綜合性研究。本文以中國陸地生態(tài)系統(tǒng)為邊界,根據(jù)NUFER模型的參數(shù),綜合分析了1961—2009年進入中國陸地生態(tài)系統(tǒng)各種來源的氮素總量。其中考慮了海洋捕撈水產(chǎn)品產(chǎn)量及其氮含量,天然草場固氮帶入量(包括天然牧草作為飼料的氮素數(shù)量),農(nóng)田生物固氮量(包括豆科作物固氮和非豆科作物固氮兩部分),進口食物中的氮(主要是動物性食物和植物性食物進口量減去其出口量)。由于受到數(shù)據(jù)限制,1961—1980年天然草場和農(nóng)田生物固氮量無法計算,但這一時期中國尚未改革開放,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和種植結(jié)構(gòu)變化不大,因此假定天然草場和農(nóng)田生物固氮量在1961—1980年間保持不變。結(jié)果表明,1961年進入中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮素總量為538萬噸,而到2009年總量達到4694萬噸,雖然20世紀(jì)80年代后期來自于生物固氮、進口食物的氮素不斷增加,但化學(xué)氮肥增速更快,氮肥所占比例從16%增長到了72%(圖2)。這一計算中尚沒有考慮閃電和化石能源燃燒形成的氮素,根據(jù)Schlesinger對全球的估計,閃電產(chǎn)生的活性氮約500萬噸,按照中國國土面積占全球的7.1%估計,中國閃電產(chǎn)生的活性氮約36萬噸,可以忽略不計。1995年左右全球化石能源燃燒產(chǎn)生的活性氮約2500萬噸,而當(dāng)時中國化石能源燃燒占全球的比重為11%,中國化石能源燃燒排放約275萬噸。這些活性氮毫無疑問會進入大氣系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng),但通過閃電和化石能源燃燒產(chǎn)生的活性氮更多的是以NOx形式存在,其對陸地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻尚不明確,再加上中國的研究數(shù)據(jù)尚無法給出清楚的判斷,所以暫不予考慮。2.2化學(xué)化肥對中國蛋白質(zhì)生產(chǎn)效率的影響氮素是蛋白的主要組分,而中國氮素來源的72%是氮肥,因此氮肥對蛋白的貢獻直接可以用來反映氮肥對人類營養(yǎng)改善的作用。FAO(FoodandAgricultureOrganizationofUnitedNations,聯(lián)合國糧農(nóng)組織)統(tǒng)計了1961—2007年各個國家人均動物蛋白、植物蛋白和水產(chǎn)蛋白的數(shù)據(jù),筆者根據(jù)這些數(shù)據(jù)及中國人口總量,計算了中國消費的蛋白質(zhì)總量,同時扣除非化肥供應(yīng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)量(來自于進口食品、陸地農(nóng)田生物固氮和海洋水產(chǎn)品帶入的蛋白質(zhì),用NUFER模型計算),分析了化學(xué)氮肥對中國蛋白質(zhì)供應(yīng)的貢獻。結(jié)果表明(圖3),1961—2007年中國人均蛋白消費量增長了一倍,達到了88.9g·d-1的水平。按照人口總量計算,1961—2007年,中國蛋白消費總量從1002萬噸增長到了4386萬噸,扣除增加的進口食物中提供的977萬噸和海產(chǎn)品提供的103萬噸,有3306萬噸由陸地生態(tài)系統(tǒng)提供。陸地生態(tài)系統(tǒng)中,草原生態(tài)系統(tǒng)生物固氮增加了372萬噸N(蛋白質(zhì)含氮量16%),天然放牧系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化率約為10%,其中轉(zhuǎn)化為人類可食的動物蛋白約為232萬噸。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中生物固氮增加了241萬噸N,其中30%為可食用的植物氮,另外70%作為飼料氮,飼料氮素轉(zhuǎn)化率為30%,由此分析,轉(zhuǎn)化為人類可食的蛋白為768.2萬噸。綜合分析,1961—2007年,中國新增蛋白消費中,氮肥貢獻了56%。氮肥對蛋白質(zhì)的貢獻低于氮肥在陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素總量的比例(72%),說明氮肥的蛋白質(zhì)生產(chǎn)效率低于生物固氮,而其主要原因是化學(xué)氮肥過量施用在農(nóng)田中利用率低,而且大多數(shù)轉(zhuǎn)化為谷物作物蛋白,而自然生態(tài)系統(tǒng)固氮大部分轉(zhuǎn)入高氮含量的豆科作物。另外,谷物作物再轉(zhuǎn)化為動物蛋白時效率遠低于豆類作物。3中國氮肥的高使用與特殊情況有關(guān)3.1中國化肥利用及對中國耕地替代的意義與大部分國家不同,中國一直秉承自給自足的國策,糧食自給率目標(biāo)一直設(shè)置到95%甚至100%,而且努力生產(chǎn)國民所需的各種食物。如果以等比例的人口分配等比例的食物作為食物供應(yīng)充足的衡量標(biāo)準(zhǔn)的話,可以看到1961年以來,中國人口占全球的比例一直高于20%(表1),而20世紀(jì)90年代以前所有農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量比例都低于20%,食物供應(yīng)不足的問題比較突出。而自20世紀(jì)90年代開始,谷物、纖維、蔬菜、禽蛋所占比例才與人口比例一致,1993年人均谷物占有量達到354kg,基本解決了溫飽問題。而到2000年以后,水果、肉類才與人口比例一致,甚至蔬菜總產(chǎn)占全球的比重達到49%,人均蔬菜和水果擁有量分別達到383kg和85kg,遠高于歐盟75kg和55kg水平。目前僅奶類和油料尚有不足。同步實現(xiàn)多種食物的自給在全球是比較罕見的,說明中國食物自給自足的國策基本實現(xiàn)。土、肥、水是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本資源,三者之間的耦合是保障糧食安全的關(guān)鍵。在有限的土壤和水資源條件下,全面實現(xiàn)口糧、動物食品、蔬菜、水果、纖維等多種農(nóng)產(chǎn)品的自給自足加大了對氮肥的依賴。2009年中國氮肥消費量占全球的33%,超過了人口所占比例(20%),遠高于農(nóng)地所占比例(11%),也超過了大部分農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量所占比例(表1)。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2001、2003、2008、2009年的氮肥施用調(diào)研資料,以及中國2009年氮肥生產(chǎn)、消費和貿(mào)易數(shù)據(jù),筆者分析了2009年中國氮肥分配去向(圖4)。2009年氮肥總產(chǎn)3608萬噸,其中出口占5%,工業(yè)使用占10%,農(nóng)作物占72%,其余用于林業(yè)、漁業(yè)、牧業(yè)等領(lǐng)域,說明中國氮肥需求很廣泛,農(nóng)林牧漁整個大農(nóng)業(yè)的發(fā)展都離不開氮肥。與其他國家不同,中國水產(chǎn)品產(chǎn)量有一半來自于內(nèi)陸淡水養(yǎng)殖,1961—2009年,中國淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量從88萬噸增長到了2435萬噸,施用氮肥促進水體浮游植物的生長,是主要飼料來源。同樣,中國肉蛋奶產(chǎn)量從1961年的679.1萬噸增加到17262.0萬噸,其中耗糧型動物(豬、雞)占46%,而歐盟和美國僅分別占22%和17%,因此中國飼料糧消費量從1809萬噸增長到12020萬噸,除大豆外,97%來自于國內(nèi)種植業(yè)(根據(jù)NUFER模型計算)。3.2施用氮肥增產(chǎn)是緩解耕地資源不足的重要措施耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)物質(zhì)條件,耕地總量和人口的匹配決定著一國社會經(jīng)濟的發(fā)展。為了獲得足夠的發(fā)展空間,一方面需要新開墾耕地,另一方面需要在有限的耕地上盡可能地獲取更多的產(chǎn)出,主要途徑是增加收獲次數(shù)或者提高單位面積產(chǎn)量,通過這兩種途徑都相當(dāng)于擴大了實際占有耕地面積,筆者稱之為虛擬耕地面積。因此本研究中以1961年為基準(zhǔn)年,分析了至2009年人均實際占有耕地面積及人均虛擬耕地面積的變化,由此分析通過氮肥增產(chǎn)對中國耕地替代的特殊意義。結(jié)果表明主要國家新開墾耕地的潛力越來越小,例如1961—2009年中國耕地總面積僅增長了6%,而美國和歐盟由于城市化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的需要,耕地面積減少了9.9%和11.6%。而隨著人口的快速發(fā)展,人均耕地資源量都出現(xiàn)了大幅度下降,耕地制約越來越凸顯,例如中國人均耕地面積從1961年的0.15hm2下降到0.08hm2(表2),下降了近一半,歐美的降幅也很大。各國解決耕地緊缺的方式不同,中國人均耕地面積太小,只能一方面采取復(fù)種的措施增加收獲次數(shù),即通過輪作、套作、間作等方式實現(xiàn)了兩年三熟、一年兩熟、一年三熟,在1961年中國人均收獲面積就達到0.23hm2,接近歐洲0.25hm2的水平,然而農(nóng)民兼業(yè)化導(dǎo)致復(fù)種不斷下降,到2009年中國人均收獲面積下降到0.14hm2。而隨著20世紀(jì)60年代的綠色革命的開展,各個國家都大幅度提高了單位面積的產(chǎn)量,但由于基礎(chǔ)產(chǎn)量不同、種植結(jié)構(gòu)不同,增幅也不同。以谷物為例,美國以玉米為主體的谷物平均單產(chǎn)從2.52t·hm-2增長到了7.24t·hm-2,歐洲以麥類為主體的谷物平均單產(chǎn)僅從1.99t·hm-2增長到了5.05t·hm-2,而中國綜合發(fā)展小麥、玉米、水稻將谷物單產(chǎn)從1.21t·hm-2增加到5.45t·hm-2,超過了歐洲。中國、歐盟和美國單產(chǎn)的增加相當(dāng)于人均耕地面積提高了0.38hm2、0.26hm2和0.63hm2。雖然關(guān)于中國氮肥對作物增產(chǎn)貢獻的定量化研究較少,但一些研究證明肥料的貢獻接近50%,由于氮肥用量占化肥總用量的60%以上,則氮肥的貢獻應(yīng)該接近30%。綜合分析可以發(fā)現(xiàn),雖然中國人均實際耕地面積從1961年的0.15hm2下降到了2009年的0.08hm2,但通過復(fù)種、提高作物單產(chǎn)增加了0.44hm2的虛擬耕地面積,因此可獲得食物的虛擬耕地面積總量達到0.52hm2,已經(jīng)超過了歐盟人均0.46hm2的水平。單產(chǎn)的提高是緩解耕地面積不足的關(guān)鍵措施,但在單產(chǎn)提高過程中,各個國家的方式和效率各不相同,所以每提高一個公頃的虛擬耕地面積所消耗的氮肥是不同的,例如中國消耗了63.1kgN,而歐盟和美國只需要46.2kgN和41.2kgN,換句話說中國增加1kgN僅相當(dāng)于新增了0.016hm2的耕地,而歐盟和美國分別達到0.022hm2和0.024hm2,中國氮肥增產(chǎn)效率明顯偏低。4中國可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)和對策4.1化肥投入量大,影響作物產(chǎn)量與效益目標(biāo)的平衡從表1的分析中可以看到,中國雖然實現(xiàn)了大部分食品自給自足,但奶類和油料仍遠遠不足。而且人口仍在繼續(xù)增長,城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟在飛速發(fā)展,對動物性食品需求的增長隱含著對氮素需求的增長,中國是不是要繼續(xù)增加氮肥投入?這是一個國內(nèi)外普遍關(guān)注的問題。目前中國作物單產(chǎn)水平還略低于部分發(fā)達國家,但是氮肥施用強度已經(jīng)達到發(fā)達國家的兩倍(表2),例如中國華北地區(qū)小麥玉米體系氮投入達588kg·hm-2,美國西部玉米大豆體系僅155kg·hm-2。尤其重要的是自20世紀(jì)70年代后期中國氮肥投入已經(jīng)明顯超過了作物地上部吸收量,并且不斷加劇,到2009年每公頃土地上的盈余量就達到175kgN(圖5),換言之,即使不用氮肥,僅環(huán)境盈余已經(jīng)接近歐洲的限量指標(biāo)(要求每公頃土地有機肥投入不能超過175kgN),而如果再考慮生物固氮以及其他來源的氮素,盈余量更大。氮素盈余對環(huán)境影響逐步顯現(xiàn),2010年公布的全國污染源調(diào)查報告表明,全國水體污染物中總氮的57%來自于農(nóng)業(yè),朱兆良等研究發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)施肥對水環(huán)境中氮負荷的貢獻達24%。Guo等在Science上發(fā)表文章表明主要農(nóng)田土壤pH下降0.5個單位,其中60%—90%的貢獻來自于氮肥;Liu等在Nature上報道了全國大氣氮沉降增長了60%,主要與氮肥有關(guān);據(jù)Good和Beatty研究,中國如果保持目前的發(fā)展趨勢,2020年氮肥的環(huán)境成本將達到50億美元,2030年達到143億美元,2050年達到271億美元,占全球的58%。中國必須選擇合適的戰(zhàn)略盡快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。反觀發(fā)達國家,自20世紀(jì)80年代以來在能源和環(huán)境的雙重壓力下已經(jīng)降低氮肥的生產(chǎn)和消費量,他們通過嚴(yán)格的環(huán)境限量指標(biāo)控制氮肥投入,而且經(jīng)過調(diào)整氮肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、優(yōu)化農(nóng)學(xué)技術(shù)使氮肥投入量與作物吸收量持平,從而實現(xiàn)了作物產(chǎn)量提高和環(huán)境改善的目標(biāo)。歐美國家在二十多年前所作的這些工作中國才剛剛開始。大量實驗證明,通過管理措施實現(xiàn)化肥投入與作物吸收是可能的,但途徑完全不同。華北平原和太湖地區(qū)的小麥-玉米輪作試驗表明,養(yǎng)分綜合管理在保證作物產(chǎn)量不減的情況下氮肥用量可以減少30%—60%。而通過土壤-作物體系的綜合管理,保持目前的農(nóng)戶用肥量可將玉米產(chǎn)量提高92%。鑒于中國人多地少的國情,增加作物產(chǎn)出仍是必然道路,因此應(yīng)該根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)條件,改善肥料管理,轉(zhuǎn)變農(nóng)田施用技術(shù)實現(xiàn)化肥投入與作物吸收平衡。但這僅是第一步,通過有機廢棄物管理實現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡,通過更加精確的管理實現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣的平衡,都是二十一世紀(jì)中國需要面臨的問題。4.2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一化,導(dǎo)致化肥施用量過科學(xué)發(fā)展氮肥產(chǎn)品是提高農(nóng)田利用效率、增產(chǎn)和環(huán)保的有效途徑之一。世界肥料工業(yè)協(xié)會分析全球研究結(jié)果表明,尿素和碳酸氫銨是各種氮肥中氣體損失率最高的產(chǎn)品,氣體損失率高達15%—20%,而硝酸銨以及氨水等產(chǎn)品損失率僅2%—6%。歐美國家為了實現(xiàn)氮肥增效的目的,發(fā)展了特殊的氮肥產(chǎn)品。例如,德國是全球氮肥發(fā)展最早的國家之一,其氮肥產(chǎn)品中硝態(tài)氮肥占30%左右,而銨態(tài)氮肥占70%左右(表3),充分發(fā)揮了硝態(tài)氮肥肥效快、氣體損失少而銨態(tài)氮肥肥效慢、淋溶損失少的特點,搭配施用實現(xiàn)了速效與緩效結(jié)合、生產(chǎn)與環(huán)保結(jié)合的目標(biāo)。美國發(fā)展了氮肥注射施用的方法,其氮肥產(chǎn)品中較多地使用了液氨以及尿素硝銨溶液(氮溶液)等液體肥料,而且通過管道運輸以及液體儲存罐,降低了產(chǎn)品造粒、包裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的能耗和氮素損失,比固體顆粒肥料更容易通過注射施入耕層,從而降低損失、提高利用效率。反觀中國氮肥產(chǎn)品結(jié)構(gòu),中國為了促進供應(yīng)量,不斷引進各個國家的生產(chǎn)工藝,也不斷根據(jù)國內(nèi)的資源和經(jīng)濟形勢改造,雖然氮肥產(chǎn)品不斷發(fā)展演變,但出現(xiàn)了單一化的趨勢。例如20世紀(jì)80年代以前,中國主要氮肥產(chǎn)品是硫酸銨和碳酸氫銨,而隨著大型裝置的引進,尿素所占比例越來越高,到2009年尿素占66.7%。另外,中國以固體顆粒肥料為主,與德國等歐洲國家相似,但忽視了銨態(tài)和硝態(tài)的配合,硝態(tài)氮肥的比重已經(jīng)下降到0.3%。而且氮肥施用更趨向于復(fù)合化,2009年復(fù)合肥提供的氮素占12.1%,但IFA統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅考慮了用合成氨直接生產(chǎn)的復(fù)合肥,沒有考慮用尿素、氯化銨及硫酸銨經(jīng)過二次加工生產(chǎn)的復(fù)合肥,據(jù)李亮科等在全國的調(diào)研表明,由于越來越多的農(nóng)戶選擇用復(fù)合肥作為基肥一次性施用,實際進入農(nóng)田的氮肥有32.1%是由復(fù)合肥提供的,相對而言,美國和德國正在增加單質(zhì)氮肥的施用以提高利用率。只考慮生產(chǎn)工藝和資源形勢,而忽略肥料與農(nóng)業(yè)發(fā)展的匹配,是中國氮肥利用率只有27%,而用量不斷增加的原因之一。當(dāng)前迫切需要加強氮肥工業(yè)與農(nóng)業(yè)的配合,共同實現(xiàn)氮肥增效環(huán)保的目的。首先要生產(chǎn)出適于中國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的氮肥產(chǎn)品,例如如何對現(xiàn)有的尿素進行改性(長效碳銨、開發(fā)低成本的抑制劑或者包膜肥料)、如何開發(fā)適于機械深施和灌溉施肥的氮肥、如何提高硝態(tài)氮肥和銨態(tài)氮肥的配合等,這些工作目前大多停留在由農(nóng)業(yè)科學(xué)家小規(guī)模試驗的層次,需要氮肥工業(yè)參與快速推進。同樣在服務(wù)方式中要