中國氮肥用量分配的不平衡現(xiàn)象

中國氮肥用量分配的不平衡現(xiàn)象

近50年來，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了在世界上的著名成就。糧食總量從1949年的1.13%增加到1998年的5.12%和108%，單株產(chǎn)量從1.0噸增加到4.5噸hm-2。1998年，人均糧食和肉類產(chǎn)量超過了世界平均水平。增施化肥、包括氮肥對此起了十分重要的作用。但是,中國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過程中也付出了沉重的代價,化肥、農(nóng)藥和投能千百倍的增長,增產(chǎn)效用趨于降低,環(huán)境污染加重。問題的嚴(yán)重性還在于,在今后的30年中,中國的人口還將繼續(xù)增加,為了滿足人口的增長及生活水平的提高對農(nóng)產(chǎn)品的需求,氮肥的施用量還將進(jìn)一步增加。因此,提高氮肥的利用率和增產(chǎn)效果,降低其對環(huán)境的影響,是一項重要而緊迫的任務(wù)。1化肥的用量及施用量狀況根據(jù)大量研究結(jié)果估計,中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的當(dāng)季利用率(差減法)僅約為30%～35%,高產(chǎn)地區(qū)更低,而損失率高達(dá)45%～50%,這是造成氮肥增產(chǎn)效率低、環(huán)境污染重的主要原因。實際上,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥利用率低、損失率高、對環(huán)境壓力大是一個世界性的問題。針對這一問題,一些人少地多的發(fā)達(dá)國家,采用了改進(jìn)施肥技術(shù)和方法,以及降低產(chǎn)量目標(biāo)以減少氮肥施用量等對策。但是,中國人多地少,糧食生產(chǎn)的壓力大,不可能采取后一種對策,中國必須從協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系出發(fā),尋找兩者的最佳結(jié)合點(diǎn),研究解決既能獲得盡可能高的產(chǎn)量,又能在最大限度上減輕氮肥施用對環(huán)境的壓力以及氮素管理的技術(shù)及其理論依據(jù)。90年代以來,中國氮肥用量急劇增加,90年代中期躍居世界首位,2000年氮肥施用量超過2.4×107t純氮,占全世界總用量的30%左右。按1.33hm2耕地、復(fù)種指數(shù)為1.56計算,每季作物的平均施氮量僅為N117kg?hm-2。但是,由于多種原因,中國肥料施用量在不同地區(qū)與作物種類之間差異很大。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、交通便利的東南部地區(qū)和城郊地區(qū)化肥用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西北部地區(qū)。1999年福建、湖北、廣東、上海、江蘇、山東、安徽7省市平均每公頃化肥用量超過600kg(其中60%以上是氮肥),最高的達(dá)1059kg,而內(nèi)蒙古、青海、西藏、黑龍江、甘肅等省區(qū)不足150kg。用量最高的省份每公頃化肥施用量是全國平均水平的2.6倍,平均每季用量為246kg?hm-2,是西北四省平均水平的9倍。華北和華東兩區(qū)的化肥使用量相當(dāng)于其它5個區(qū)的總量。氮肥投入在作物間的差異更大,總趨勢是經(jīng)濟(jì)作物高于糧食作物。據(jù)本課題組近年來對山東、江蘇等八省44個縣3000多個農(nóng)戶進(jìn)行的系統(tǒng)調(diào)查研究表明,在集約化農(nóng)業(yè)區(qū),大田作物氮肥的年施用量已達(dá)到N450～600kg?hm-2。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院對全國31個省的調(diào)查結(jié)果顯示,20余種蔬菜、花卉作物的氮肥平均用量為N569～2000kg?hm-2,山東壽光和云南呈貢等蔬菜大縣單季作物氮肥平均用量甚至超過了N1000kg?hm-2。據(jù)我們在陜西省的調(diào)查,主要果樹每年的施氮量為N300～1200kg?hm-2,施用量高的達(dá)到N2075kg?hm-2。因此,集約化蔬菜果樹種植區(qū)氮肥超量嚴(yán)重。2m/n氮污染、硝態(tài)氮淋失及耐藥特征從宏觀水平來看,在考慮了農(nóng)田氮素的輸入項(包括化肥、有機(jī)肥、生物固氮、降水和灌溉水、種子)和輸出項(包括農(nóng)作物收獲物帶走、氨揮發(fā)、反硝化、淋溶、徑流)后,計算所得的中國農(nóng)田氮素平衡的結(jié)果表明,自80年代以后,中國農(nóng)田氮素開始盈余,而且盈余量越來越大,1998年中國農(nóng)田氮素盈余量達(dá)5.85×106t氮。這些盈余的氮素絕大部分以不同形態(tài)貯存于土體。在15N標(biāo)記氮肥的田間試驗中,當(dāng)季作物收獲時化肥氮在土壤中的殘留率一般為15%～30%。根據(jù)我們的研究,在北方旱作條件下,施入的銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥在土壤中1～2周會轉(zhuǎn)化為NO3-N;在高量施氮條件,收獲后土壤中累積的氮素絕大部分以NO3-N的形態(tài)存在(表1)。對陜西關(guān)中黃土區(qū)不同土地利用條件下不同土層中NO3-N的累積研究表明,高產(chǎn)農(nóng)田、15年以上菜園、8年以上蘋果園0～2m累積的NO3-N分別達(dá)到N323、680、1602kg?hm-2,相應(yīng)農(nóng)田2～4m累積的NO3-N分別達(dá)到N214、681、1812kg?hm-2。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)系在河北辛集的調(diào)查結(jié)果,20塊小麥田收獲后0～90cm的殘留Nmin(其中95%是硝態(tài)氮)為N75～510kg?hm-2,超過N200kg?hm-2的田塊占到40%。土壤中殘留NO3-N的數(shù)量隨施氮量的升高而上升,據(jù)我們的研究,在北京潮土上按照農(nóng)戶習(xí)慣,每季施用N300kg?hm-2的氮肥,經(jīng)過一季夏玉米、一季冬小麥和一季夏玉米后,0～90cm土體中累積的NO3-N達(dá)到了N460kg?hm-2,90～200cm土體中累積的NO3-N達(dá)到了N274kg?hm-2。在北京褐土上進(jìn)行的冬小麥/夏玉米輪作試驗表明,經(jīng)過一季冬小麥后,施氮量為N120、240、360kg?hm-2時,0～100cm累積的NO3-N分別為N84、114和196kg?hm-2,NO3-N在100～200cm的累積量分別為N40、135和184kg?hm-2。據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所對北京市126個大棚土壤深層剖面樣本的測試結(jié)果表明,0～400cm菜田土壤硝態(tài)氮累積量平均達(dá)1230kg?hm-2,其中無法被作物利用的200～400cm土壤硝態(tài)氮累積量達(dá)434kg?hm-2,是糧田土壤的3.5倍。土壤硝態(tài)氮過量富集,直接導(dǎo)致土壤次生鹽漬化、養(yǎng)分供應(yīng)失衡、結(jié)構(gòu)破壞等一系列問題。往往在蔬菜、花卉種植4～5a后,作物產(chǎn)量即開始大幅度衰退,農(nóng)民不得不采取客土改良,深翻底土甚至更換地塊等方式減緩產(chǎn)量下降。在灌區(qū)和多雨地區(qū),土壤殘留硝態(tài)氮的淋失是造成地下水污染的重要原因。以往對降雨量在400～700mm左右的中國北方地區(qū)土壤中氮素的淋洗注意不夠,主要原因是認(rèn)為這些地區(qū)降雨量較少,淋洗不可能發(fā)生或不起主要作用。事實上這些地區(qū)降雨雖少,卻主要集中在6～9月內(nèi),強(qiáng)度大的降雨不僅會引起氮素的地表徑流損失(特別是黃土高原地區(qū)),還會使表層的硝態(tài)氮下滲到相當(dāng)深度。在華北地區(qū)的某些年份,由于夏季的大量降雨使地表水與地下水對接,土壤中的硝酸鹽大量進(jìn)入地下水。另外,該地區(qū)的大水漫灌也可以使硝態(tài)氮下降到較深的層次。但西北旱區(qū)土層深厚,下滲的硝態(tài)氮不會很快脫離原位土壤,而是隨土壤水分向深處下滲。根據(jù)硝態(tài)氮遷移的活塞理論,殘留在土壤中的硝態(tài)氮最終是一個向下遷移的過程,如不加以利用,終會造成最后的淋失。關(guān)于氮素淋洗,不同的學(xué)者在認(rèn)識上有所差別。農(nóng)學(xué)家一般認(rèn)為氮素移動出作物根系活動層以外則視為淋洗,而環(huán)境學(xué)家則認(rèn)為氮素進(jìn)入水體后才可以視為淋洗。不管怎樣,移動出根層的氮素對作物的有效性大大降低,而且對水體造成威脅。根據(jù)我們的研究,NO3-N在土壤剖面中的累積和移動受土壤質(zhì)地、土體構(gòu)型、殘留NO3-N含量、施氮量和施氮方法、降雨量和灌溉量的影響、存在著非常大的年際變化。所以,僅依據(jù)一季或兩季的觀測很難對NO3-N的淋洗作出評價。在北京褐土和潮土上進(jìn)行的冬小麥/夏玉米輪作試驗表明,在3季冬小麥生長期間,高量施氮條件下有2季NO3-N移動出100cm土體(與生育期的大水漫灌有關(guān));在2季夏玉米生長期,其中1季NO3-N大量移出100cm土體(與生育期的降雨量有關(guān))。在華北地區(qū)春玉米/冬小麥體系的滲濾池連續(xù)6年的觀測結(jié)果表明,硝態(tài)氮淋洗的年際變異大,其中1年無淋洗,其余5年平均淋洗至1.5m深處的氮量隨施氮量的增加而增高,氮肥淋洗率為1%～19%。氮、磷、鉀不平衡施肥是引起土壤NO3-N大量累積的重要原因。根據(jù)我們對黃土高原南緣陜西關(guān)中地區(qū)所進(jìn)行的8年(1990～1998年)定位試驗土壤剖面NO3-N累積的研究結(jié)果,在灌溉條件下,冬小麥/夏玉米輪作中年施氮量為N352kg?hm-2時,在不施磷肥的條件下單施氮肥和氮鉀配合,200～400cm土層硝態(tài)氮的殘留率分別為22.4%和20.2%,而氮磷配施處理,200～400cm土層硝態(tài)氮的殘留率僅為施氮量的1%左右(圖1)。不合理輪作是造成NO3-N淋洗的重要原因。袁新民等的研究表明,大田作物小麥?zhǔn)斋@后,0～4m土層內(nèi)的硝態(tài)氮累積量為N831kg?hm-2,其中99%都分布在0～2m土層,接著種植一季芹菜后,由于灌水量大,硝態(tài)氮淋洗嚴(yán)重,芹菜收獲后,NO3-N的峰值明顯下移,0～2m土層內(nèi)硝態(tài)氮的含量僅占0～4m土層中總量的49.2%,另外的50.8%都淋到了2～4m土層之間。計算結(jié)果表明,在芹菜生長過程中,NO3-N以每月40cm的速度下移。由此可見,水分供應(yīng)是導(dǎo)致土體NO3-N分布發(fā)生變化的最直接的原因,不合理的大量灌水造成的結(jié)果是表層土壤NO3-N下移,作物有效根層氮素含量降低。氮肥超量施用以及氮肥利用率不斷下降使得農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重。據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所在北京、天津、河北、山東、陜西等地的600個地下水樣的調(diào)查結(jié)果顯示,約46%的樣點(diǎn)地下水硝酸鹽含量超過歐盟標(biāo)準(zhǔn)(50mg/L),最高達(dá)到500mg/L,集約化蔬菜種植地區(qū)的地下水超標(biāo)率遠(yuǎn)高于其它地區(qū)。我們1998年對壽光市井水中的硝酸鹽含量的監(jiān)測表明,80多個樣本中有29%的超標(biāo),而2001年檢測的超標(biāo)率則高達(dá)49%。這些局部調(diào)查的數(shù)據(jù)雖不能評價我國地下水、飲用水中硝酸鹽含量的整體情況,但足以說明我國某些地區(qū)的地下水正在面臨著被硝酸鹽污染的嚴(yán)重威脅。由于缺乏在田間條件下測定硝酸鹽實際淋洗量的手段,至今我們只能認(rèn)為過量施入氮肥可能是造成水體硝酸鹽含量升高的原因,而不能準(zhǔn)確地評價氮肥對水體硝酸鹽升高的貢獻(xiàn)份額。根據(jù)邢光熹等人用δ15N技術(shù)所做的研究表明,在太湖地區(qū),現(xiàn)階段河水和湖水中氮的主要來源是城鄉(xiāng)生活污水、農(nóng)村人畜排泄物及其某些工廠廢水;雖然不能排除進(jìn)入農(nóng)村宅基地周圍的灌溉和排水溝渠中的生活污水和動物排泄物氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽后滲入水井的可能性,然而,淺層水井中的硝態(tài)氮主要來自于農(nóng)田淋洗出的NO3-N。雖然在北方地區(qū)沒有進(jìn)行過如此詳細(xì)的研究,但從高施氮量地區(qū)地下水硝酸鹽含量超標(biāo)率高的事實也可以認(rèn)為這些氮素來源于硝酸鹽的淋洗。中國水體富營養(yǎng)化面積的擴(kuò)大和近海赤潮的頻繁發(fā)生也說明了大量氮肥投入對水體環(huán)境造成的不良影響。3化肥不同施用量對土壤肥力學(xué)特性的影響根據(jù)朱兆良等對中國施大量肥料的田間試驗的統(tǒng)計,在目前生產(chǎn)水平下,施氮量為N150～180kg?hm-2時,大田作物已經(jīng)可以達(dá)到較高的產(chǎn)量。因此,將該施氮量定為控制大面積氮肥用量的“平均適宜施氮量”。根據(jù)我們近幾年的研究,在該施氮量范圍內(nèi),小麥、玉米、水稻等主要作物既能獲得高產(chǎn),又不會造成大量的殘留氮累積。但對于迅速發(fā)展的蔬菜和果樹種植體系,仍缺乏宏觀上控制氮肥施用量的適宜范圍。目前,對于不同種植模式下區(qū)域性氮肥環(huán)境容量和環(huán)境安全指標(biāo)仍缺乏系統(tǒng)的研究。表2列出不同國家不同作物上有限的數(shù)據(jù),由于不同地區(qū)土壤氣候條件的差異,氮肥的環(huán)境容量和環(huán)境安全指標(biāo)會有很大的差異。我們在華北地區(qū)冬小麥/夏玉米輪作體系的研究結(jié)果表明,當(dāng)施氮量低于N203kghm-2時,殘留硝態(tài)氮淋洗量并不大,不會對環(huán)境構(gòu)成威脅。20世紀(jì)80年代末,歐洲發(fā)達(dá)國家逐漸出臺了控制氮肥污染的一些政策和法規(guī),如西歐諸國把防止氮肥造成水體污染的年施氮量的安全上限定為225kg?hm-2,作物收獲后1m土層的氮素殘留量不超過50kg?hm-2。由于“平均適宜施氮量”與這些氮素環(huán)境安全指標(biāo)尚有一定的距離,因此,我們完全可以實現(xiàn)水體環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雙重目標(biāo)。從上面的分析可知,氮肥對水體環(huán)境的影響主要是由不合理大量施用造成的。4德國農(nóng)業(yè)環(huán)保法規(guī)政策對施肥的對于農(nóng)隨著氮肥用量的增加,過量氮肥引起的環(huán)境問題受到了世界各國的廣泛關(guān)注,控制氮肥污染技術(shù)研究在上個世紀(jì)80年代就成為國外研究的熱點(diǎn)。綜合這些研究結(jié)果可以看出,控制氮肥污染的主要途徑有兩條:一是通過政策和立法手段,宏觀控制氮肥投入量和作物收獲后的土壤無機(jī)氮?dú)埩袅?二是通過改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),實現(xiàn)農(nóng)田氮肥合理投入、提高氮肥利用率,減少硝酸鹽殘留,降低氮肥的損失。在政策和法律方面,德國等歐盟國家的主要作法是制定施肥技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)環(huán)保政策法規(guī),通過立法,嚴(yán)格限制水源保護(hù)區(qū)農(nóng)業(yè)的施氮量、施肥期、施用的肥料種類以及栽培作物種類,政府獎勵農(nóng)民從事生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)營。1989年德國第一次頒布的農(nóng)業(yè)環(huán)境法就是關(guān)于施肥的法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1996年又頒布了新的施肥法規(guī)。新法規(guī)不僅規(guī)定了不同類型耕地、不同作物、不同季節(jié)中化肥和有機(jī)肥的施用原則,而且規(guī)定了牧畜糞肥的施用上限,施用流質(zhì)廄肥的時期等。提倡冬季種植添閑作物,吸收土壤氮素,防止淋失;制定合理的輪作措施,鼓勵與深根系作物進(jìn)行輪作。違反施肥法規(guī)要受到相應(yīng)的處罰。鼓勵農(nóng)民降低氮肥用量,對于執(zhí)行施肥法規(guī)的農(nóng)民,政府給予經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。農(nóng)業(yè)環(huán)保法規(guī)政策的實施,對于德國農(nóng)田氮肥用量的降低起到了重要作用,也明顯控制并緩解了地下水硝酸鹽污染的程度。中國目前尚沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。在施肥技術(shù)上,美國、加拿大等國家實現(xiàn)了大面積的測土施肥和農(nóng)化服務(wù),近年來又致力于開發(fā)適合農(nóng)場大型機(jī)械作業(yè)、基于3S等信息技術(shù)的精確農(nóng)業(yè)技術(shù)。另外,節(jié)水施肥技術(shù),新型肥料也在某些發(fā)達(dá)國家研究使用。中國在施肥技術(shù)體系方面的研究并不亞于發(fā)達(dá)國家。主要的問題在于中國農(nóng)民經(jīng)營規(guī)模小、專業(yè)化水平低,一些在發(fā)達(dá)國家行之有