我国农田氮素污染现状及研究趋势分析

我国农田氮素污染现状及研究趋势分析 摘要 针对当前我国农田氮素在使用过程中存在众多不合理因素，致使氮素利用率一直较低、生态环境严重污染和作物产量难以提高等现象，明确提出当前我国农田氮素污染研究背景与研究现状，并综合分析了未来农田氮素的研究趋势，以期为我国今后农田氮素高效利用和环境保护提供参考。 关键词 农田；氮素；污染现状；研究趋势；中国 1 我国农田氮素研究背景 作为农业大国，我国人均耕面积较少的问题一直是制约农业发展的瓶颈之一，一方面人口数量与日俱增，另一方面农业用地用途变更，使得人均耕地的占有量减少，不足世界平均水平的1/2，与其他农业发达国家相比更少[1]。因此，为了解决众多人口的粮食问题，亟须提高单位耕地面积的粮食产量。从20世纪初开始，我国农业生产中广泛、大量使用化肥，在一定程度上起到了粮食增产的作用。尤其是氮素肥料的施用，体现出提高单产的显著效果，在很长一段时间内广受农民欢迎，也成为粮食种植中采取的必要手段。目前，我国氮肥年施用量超过0.26亿t[2]，并且还在逐年增加。 20世纪下半叶，全球环境问题频发，资源紧张的问题也日益凸显，各种环境污染已经成为一个全球性问题广泛受到学术界的关注，各国政府也相当重视[3]。在人口增加与资源消耗加剧的共同作用下，生产资源与环境供给的矛盾十分突出[4]。为了追求高产，过量施用氮肥，使其未被完全利用，大量的氮素进入土壤和径流，通过多种途径进入到了环境，从而产生潜在污染[5-6]。截止到2013年，有关部门统计：中国用占世界9%的耕地用去了世界1/3的化肥，单位面积产量是世界平均水平的3.7倍，由此引发土壤板结、水资源污染、作物产量和品质降低、肥料利用率下降、土壤理化性质和生物学特性状严重破坏。总之，氮素作为农业废弃物排入环境，导致了水质的污染和水体富营养化，进而引起粮食品质问题，对人们的健康产生严重影响。氮素肥料导致的农业污染问题也随之受到人们的重视。 2 我国农田氮素研究现状 2.1 农田氮素研究领域 2.1.1 氮素对环境污染的影响。氮素对环境的污染，包括大气中温室气体排放、土壤中氮素的渗漏淋溶及水体中的氮素污染等多方面。之前，工业中的污染控制受到关注和严格控制，点源污染控制水平也逐步提升，人们的关注点逐渐转移到农业面源污染上面。一方面，过多的化肥和农药随着雨水渗透到土壤中，污染了地下水，随着径流进入江河湖泊，导致了水体污染；另一方面，农膜的普遍使用，改变了土壤理化性状，对作物生长发育产生不良影响，导致了污染。 2.1.2 r业生产中氮素的不合理施用及危害。农田氮素的研究集中在以下几个方面：氮素的利用效率；氮素对农产品产量和品质的影响；氮循环中的氮素流失的环节和途径等。在氮肥利用效率方面，南京农业大学团队开展了一系列研究，结果表明，包膜不同水稻品种对氮肥的利用效率也不同，与地上氨挥发量存在相关性[7]。控释氮肥在100～200 kg/hm2的施用水平下，其利用率达到37%～64%[8]。在控释肥料和长效包膜氮肥等方面也有许多研究，根据水稻需肥情况控制氮肥的释放速率，其利用效率提高近1/2；不同薄膜材料对控释肥的影响也不一致，硼砂可以有效延长淋溶时间[9-10]。 在农田氮素循环中，对其流失路径的研究主要集中在地表径流和氮素挥发等方面，渗漏方面的研究刚开始开展。其中，风速、光照、湿度、温度等气候条件对氮素挥发的影响较大，此外，化肥种类、土壤性质、种植模式等也对其有影响[11]。在检测方法方面，一是直接法，国内主要采用微气象学法和；二是利用养分平衡法间接测量，由于涉及的项目很多，还无法将土壤中存在的反硝化作用计入，因此不够准确。 2.2 农田氮素污染必然性 根据我国的国情，化肥的使用短时间内起到了巨大的作用。国内外研究结果表明：随着人口增加和粮食播种面积逐年下降，只有提高单产才能增加粮食总的供给量。全世界粮食总产量中30%以上来自化肥的贡献作用，化肥的重要性也必然导致其对环境产生的污染。 建国初期至1970年我国氮素投入量高于支出量，而在1970年之后农田氮素收入量高于支出量，但是氮素利用率极低。1992年我国氮肥施用量达到1 900万t（养分量），占化肥总量的80%[12]，1995年以后，我国的化学氮肥用量每年都超过2 000万t，通过各种途径损失的氮量达到1 000万t，不仅经济上严重浪费，而且造成严重的水体和大气污染。 2.3 农田氮素利用率 在一定施氮范围内随着施氮量的增加，产量逐年增加。但是施肥量的增加与粮食产量的增长并不是成正比的，存在“施肥的报酬递减规律”[13]。当土壤中的氮素含量不足以S持作物自身生长需要时，施用氮肥可以得到有效利用。但是在满足作物所需氮素之外多余的氮肥便发生流失现象，氮素损失高达70%左右。这也是氮素不断增施而氮素利用效率始终维持在30%～40%的原因所在。刘 枫等在安徽的试验证明，施肥的增产幅度随施肥年限有逐年降低的趋势。我国当前氮素的利用率只有30%～40%，肥料平均利用率较发达国家低10%以上。不仅如此，当前我国氮素在施用方面存在严重的与其他肥料配比失调问题，实践证明：依据土壤有效肥力和作物需肥规律合理配比养分元素含量比例、化肥与有机肥科学结合施用，可以获得比不符合实际比例的氮、磷、钾化肥和单一施用更高的产量。李荣刚的研究表明：江苏省水稻的氮肥吸收利用率仅19.9%，显著低于全国平均水平。我国以较低的氮素利用率生产的氮素占据全国化肥总产量的4/5，占全球氮素总产量的1/3。中国人民大学农业与农村发展学院的程存旺总结说：“我们用7%的土地养育世界22%的人口的同时也耗尽了占据世界35%的化肥使用量。”因此，在我国的农业生产中，当前主要任务就是努力减少氮素流失、提高氮素利用率和增加粮食产量。 3 农田氮素研究趋势 土壤原有氮素及所施入土壤的氮肥是氮素流失的最直接来源[14]，因此农田氮素研究应该转向控制污染和治理污染两方面，首先必须在源头给予制止和调控，科学测定农田氮素投入和氮素消耗之间的必然关系，其次采取合理的施肥方式之外，研制和推广生态有机肥势在必行，新型肥料的研发在考虑增产的同时必须将生态环境和作物品质的保护作为研发规范和宗旨。“食以粮为主、粮以土为纲”，土壤生态环境的好坏直接关系粮食的安全，采取因地制宜的手段研究土壤与肥料内在的作用机制也是农田氮素研究的重点。 4 结语 农田氮素的污染问题是我国农业和环境两大领域的研究重点，也是研究的交叉点，未来农业的发展最终是生态农业与有机农业并存、生态环境保护和农业食品安全维护并重的一种趋势，我国当前正处于无机农业向有机农业转型的关键时期，因此在双型转换的关键时期也正是农田环境治理的过渡时期，把握好当前的机遇，真实面对农田氮素污染带来的挑战，迎难而上，我国未来农业氮素污染问题定会解决，生态有机农业的实现为时不远。 5 参考文献 [1] 李家康，林葆，梁国庆，等.对我国化肥施用前景剖析（续）[J].磷肥与复肥，2001，16（3）：4-8. [2] JU Xiaotang，XING Guangxi，CHEN Xinping，et al.Reducing enviro-nmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States oAmerica，2009，106：3041-3046. [3] 吕殿青，同延安，孙本年.氮肥施用对环境污染影响的研究[J].植物营养与肥料学报，1998，4（1）：8-15. [4] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000：117-200. [5] 沃飞，陈效民，方遥等.太湖地区两种典型水稻土中氮、磷迁移转化的研究[J] .土壤通报，2007，38（6）：1058-1063. [6] 王超.土壤及地下水污染研究综述[J].水利水电科技进展，1996，16（6）：1-4. [7] 吴小庆.不同氮效率水稻品种生育后期地上部分氨挥发研究[D].南京：南京农业大学，2006. [8] 高豫汝.包膜控释氮肥在水稻上的应用效果研究[D].南京：南京农业大学，2005. [9] 廖兴其.缓释肥料研究动态[J].世界农业，1994（9）：32. [10] 郝高建.氮素化肥淋溶污染与控制方法研究[D].陕西：陕西师范大学，2005. [11] 罗微，茶正早，屈明，等.砖红壤中氨挥发特征研究初报[J].农业环境科学学报，2005，24（1）：118-122. [12] 郝高建.氮素化肥淋溶污染与控制方法研究[D].西安：陕西师范大学，2005. [13] 张宝林，候翠红.提高肥料利用率研究初报：包裹型复肥及其应用[J].郑州工学院学报，1996，17（2）：106-113. [14] 王米.施氮水平对水稻生育期氮素利用率及氮淋失动态变化的研究[M].杭州：浙江大学，2008. 5