中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物固氮量的時(shí)空分布

摘要：生物固氮是生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要的自然過程，研究中國不同區(qū)域農(nóng)業(yè)固氮輸入及歷史變化，對(duì)于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)活性氮源分析和活性氮管理具有重要意義。根據(jù)各地區(qū)農(nóng)田、牧草地面積和生物固氮因子，估算了近20年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物培育產(chǎn)生的活性氮量。結(jié)果表明，中國農(nóng)業(yè)生物固氮量近20年呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，變化不大。2010年農(nóng)田固氮植物培育產(chǎn)生的活性氮量為4.81 Tg N/年，其中豆科作物、水稻等為主要活性氮產(chǎn)生源。華北、東北和長(zhǎng)江中下游地區(qū)農(nóng)田固氮植物產(chǎn)生的活性氮量達(dá)到3.18 Tg N/年，是固氮植物活性氮產(chǎn)生量最大的3個(gè)地區(qū)，固氮植物活性氮空間分布上北多南少，東部地區(qū)大于西部地區(qū)。

關(guān)鍵詞：中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；固氮因子；活性氮；氮素管理；時(shí)空分布

中圖分類號(hào)：S19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）18-4333-04

目前全球人為活性氮持續(xù)增加[1]，嚴(yán)重地?cái)_亂了自然界的氮循環(huán)，引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，如溫室效應(yīng)（N2O）、臭氧層破壞（N2O）、酸雨（NO/NO2），水體富營(yíng)養(yǎng)化（水溶性氮）、影響食品安全（硝態(tài)氮）、危害人體健康（硝態(tài)氮）等[2]。如何減少人類活動(dòng)對(duì)氮循環(huán)的影響是目前全球討論的熱點(diǎn)，也是亟待解決的問題。從第一屆氮素大會(huì)開始，全球?qū)υ谌伺c環(huán)境耦合生態(tài)系統(tǒng)中人為活動(dòng)引發(fā)活性氮增加對(duì)環(huán)境的影響及切實(shí)有效的管理措施的研究一直從未間斷過，第三屆氮素大會(huì)更是出于對(duì)亞洲和中國氮問題的關(guān)注，其于2004年10月在南京舉行，共同發(fā)表了《氮素管理南京宣言》。同年，Galloway等[1]估算出全球農(nóng)作物培育產(chǎn)生的活性氮為31.5 Tg/年，在2050年將增加到50.0 Tg/年，亞洲地區(qū)生物固氮量位居世界首位。亞洲正經(jīng)歷快速的人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，2015年將有43.75億人口生活在亞洲大陸上[3]。不斷增加的糧食和能源需求是亞洲活性氮增長(zhǎng)的主要促進(jìn)因素，2000年亞洲人為活性氮量為67.7 Tg/年。其中固氮植物培育產(chǎn)生的活性氮量從1961年的11.7 Tg/年增加到14.9 Tg/年，預(yù)計(jì)在2030年將會(huì)增加到16.8 Tg/年[4]。1961-2011年期間中國人口翻了一番（從6.7億到13.4億）[5]。主要是通過引入高產(chǎn)作物（谷物）來維持人口增長(zhǎng)的食物需求。1961-2010年期間，谷物（水稻、玉米、小麥）產(chǎn)量從8.80×107 t上升到4.89×108 t[6]。目前，國內(nèi)針對(duì)活性氮的研究較少。鑒于此，以作為人為活性氮源重要途徑之一的固氮植物培育情況為出發(fā)點(diǎn)，分析中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中生物固氮量及其時(shí)空分布特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特征提出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的活性氮素管理措施。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

參照中國大陸糧食產(chǎn)區(qū)分區(qū)，將其劃分為如下區(qū)域：（1）東北地區(qū)：包括黑龍江、吉林和遼寧3??；（2）華北地區(qū)：北京、天津、河北、河南、山東、山西6?。ㄊ校唬?）長(zhǎng)江中下游地區(qū)：上海、江蘇、浙江、安徽、湖北、湖南、江西7省（市）；（4）西北地區(qū)：內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆6?。▍^(qū)）；（5）西南地區(qū)：重慶、四川、貴州、云南、西藏5?。ㄊ?、區(qū)）；（6）東南地區(qū)：福建、廣東、廣西、海南4省（區(qū)）。文中數(shù)據(jù)主要來源于國家統(tǒng)計(jì)局、歷年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》中正式發(fā)布的資料以及FAO（聯(lián)合國糧農(nóng)組織）中的數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)域概況

草地是中國最大的植被覆蓋。2010年中國共擁有草地近3.92×108 hm2，占全國國土面積的41%。其中可利用草地為3.31×108 hm2。世界草地面積為33.56×108 hm2，中國草地面積占世界草地面積的12%。其中用于養(yǎng)殖業(yè)草地主要集中于西北和西南地區(qū)，6個(gè)?。▍^(qū)）牧草地面積占到牧草地總面積的93%，分別是內(nèi)蒙古（25%）、西藏（25%）、甘肅（4%）、青海（15%）、新疆（19%）和四川（5%），國家統(tǒng)計(jì)局[7]最新公布數(shù)據(jù)中，中國牧草地面積為2.62×108 hm2，牧草地面積不斷減少，年均遞減率為8.10%。

中國農(nóng)作物總播種面積逐漸增長(zhǎng)，但其中糧食作物總播種面積不斷下降，1978年中國糧食作物總播種面積1.205 9×108 hm2（不含大豆播種面積），此后中國糧食作物總播種面積不斷下降，尤其在2000年以后下降更為明顯，在2003年更是達(dá)到歷史最低（9.941×107 hm2），隨后開始回升，2010年增長(zhǎng)到1.098 8×108 hm2，相較于1978年減少了1.061×107 hm2，但產(chǎn)量從3.0×108 t增加到5.5×108 t。

1.3 固氮因子

固氮因子即固氮植物每年單位面積固氮量[kg/（hm2·年）]。豆科作物是主要的固氮植物，考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)6 500年前就有豆科作物種植[8]，至少3 100年前在中國就有大豆種植[9]。這些作物能通過固氮生物將大氣中的N2轉(zhuǎn)化為植物可利用的氮。早在 7 000年前亞洲開始了水稻種植[10]，水稻屬于萍藻固氮體系，固氮能力僅次于豆科作物。不同的作物固氮量不同。生物固氮測(cè)定方法是生物固氮量研究的主要途徑。生物固氮測(cè)定方法主要有15N自然豐度法[11，12]、乙炔還原法（ARA）、15N同位素稀釋法（ID）、非同位素法、AN法、全氮差值法和酰脲估測(cè)法[13]等。目前應(yīng)用廣泛的是全氮差值法、氮同位素法，其中全氮差值法所得結(jié)果用單位面積固氮量表示，氮同位素法所得結(jié)果用固氮百分比表示[14]。

根據(jù)Smil[15]的研究結(jié)果，不同作物固氮因子不同，其中豆科作物為30～300 kg/（hm2·年），水稻為20～50 kg/（hm2·年），甘蔗為20～30 kg/（hm2·年），其他（樹、小麥、玉米等）為5～20 kg/（hm2·年）。Galloway等[1]基于Smil的研究估算出1995年全球農(nóng)田固氮植物種植產(chǎn)生的活性氮量（C-BNF）為31.5 Tg/年（其中包含了牧草地面積）；預(yù)計(jì)在2050年將達(dá)到50.0 Tg/年。繼續(xù)沿用Smil[15]的作物單位面積固氮量，并與李書田等[16]、Herridge 等[14]固氮因子計(jì)算的固氮量進(jìn)行對(duì)比（表1），表1結(jié)果表明，根據(jù)李書田等[16]和Herridge等[14]計(jì)算出的中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物固氮量結(jié)果均在Smil[15]計(jì)算出的固氮量結(jié)果范圍內(nèi)，表明Smil[15]的研究具有一定的可靠性。本研究采用Smil確定的固氮因子、固氮量取均值得到不同作物固氮量，計(jì)算得出中國生物固氮產(chǎn)生的活性氮量為8.08 Tg/年，其中主要農(nóng)田作物（豆科作物、水稻、甘蔗、其他）活性氮產(chǎn)生量為4.81 Tg/年，是主要的活性氮產(chǎn)生源。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田固氮植物活性氮產(chǎn)生量時(shí)間分布

由圖1可見，1991年中國農(nóng)田固氮植物活性氮產(chǎn)生量為3.97 Tg/年，以后持續(xù)增長(zhǎng)，在2001年達(dá)到5.02 Tg/年，此后有所下降，至2010年為4.81 Tg/年。農(nóng)田固氮植物活性氮產(chǎn)生量在1991-2010年間波動(dòng)較小，自2001年后維持在（4.80±0.13） Tg/年。主要是由于種植結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，種植面積變化不大。

2.2 農(nóng)田固氮植物活性氮產(chǎn)生量空間分布

東北、華北和長(zhǎng)江中下游地區(qū)是中國糧食的主產(chǎn)區(qū)，其種植面積占全國種植面積的比重為65%，其活性氮產(chǎn)量占中國農(nóng)業(yè)活性氮總產(chǎn)量的63.95%。其中長(zhǎng)江中下游地區(qū)固氮植物產(chǎn)生的活性氮量與其他區(qū)域相比為最多，達(dá)到總產(chǎn)量的26.77%。東北地區(qū)則以黑龍江為最多。華北地區(qū)的河南、長(zhǎng)江中下游地區(qū)的安徽、西北地區(qū)的內(nèi)蒙古、西南地區(qū)的四川和東南地區(qū)的廣西分別為各區(qū)域之首。由表2可見，2010年糧食主產(chǎn)區(qū)活性氮產(chǎn)生量分別為：東北地區(qū)1.06 Tg/年，華北地區(qū)1.01 Tg/年，長(zhǎng)江中下游地區(qū)1.11 Tg/年。西北、西南和東南地區(qū)則分別為0.53、0.66和0.43 Tg/年。2004-2010年期間，華北地區(qū)活性氮產(chǎn)生量呈明顯的遞減趨勢(shì)，主要是由于河北地區(qū)活性氮產(chǎn)生量的減少。2010年相較于2004年農(nóng)田固氮植物產(chǎn)生的活性氮量各區(qū)域變化情況分別為：東北、西北和西南地區(qū)分別增加了2.34×10-2、2.71×10-2、0.96×10-2 Tg，華北、長(zhǎng)江中下游和東南地區(qū)分別減少了7.28×10-2、3.29×10-2、4.27×10-2 Tg。在中國大陸地區(qū)，固氮植物產(chǎn)生的活性氮量主要呈現(xiàn)北部地區(qū)多于南部地區(qū)，東部地區(qū)多于西部地區(qū)。將各?。ㄊ小^(qū)）單位耕地活性氮產(chǎn)生量分為極低（≤5.00×10-2 Tg/年）、低[（5.01×10-2～10.00×10-2 ）Tg/年]、中[10.01×10-2～20.00×10-2）Tg/年]、高[（20.01×10-2～30.00×10-2 ）Tg/年]和極高（>30.00×10-2 Tg/年）地區(qū)，可見固氮植物活性氮產(chǎn)生量極低地區(qū)有青海、天津、北京、上海、海南、寧夏和西藏，其中北京地區(qū)在不斷減少；極高地區(qū)有黑龍江、河南、安徽3省。

2.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素管理

全球人為活性氮產(chǎn)生量呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)固氮作物種植是活性氮增加的促進(jìn)因素之一，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為不斷增長(zhǎng)的全球人口提供基本的糧食需求。中國作為人口最多的國家，2011年人口為13.4億，在2030年人口將會(huì)增加到16.0億，每年糧食需求增加到6.4×108 t，糧食單產(chǎn)需要增加到5.6 t/hm2[17]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)需要大量氮素輸入來維持其極高的系統(tǒng)生產(chǎn)力以提供足夠的食物[18]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中可以依靠生物固氮及綠肥、糞肥投入來維持系統(tǒng)生產(chǎn)力，但是龐大糧食需求使得新型農(nóng)業(yè)依靠氮肥高投入，化學(xué)氮肥投入解決了這一問題。氮肥投入是活性氮急劇增加的直接誘因，由于氮肥的大量使用，全球活性氮急劇增加，帶來了不容忽視的影響[1，4]?；瘜W(xué)氮肥生產(chǎn)耗能大，成本高，且會(huì)造成環(huán)境污染；氮肥使用是一次性的，過量使用會(huì)降低土壤肥力，造成土壤板結(jié)，導(dǎo)致氮肥肥效下降，引發(fā)一系列環(huán)境問題，在增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的同時(shí)還會(huì)增加活性氮量。而生物固氮是自然過程，不僅為植物特別是糧食作物提供氮素，還能提高作物產(chǎn)量、降低化肥用量和生產(chǎn)成本、減少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生態(tài)平衡和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，因此，研究生物固氮對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。保證糧食產(chǎn)量和提高氮素利用效率以減少其對(duì)環(huán)境的影響是目前農(nóng)田氮素管理應(yīng)當(dāng)研究的重點(diǎn)。如根據(jù)土壤特性施氮[19]以提高氮肥利用率；增加其他氮素投入，如秸稈與氮肥配施[20]及綠肥、糞肥的使用等。

3 小結(jié)與討論

1）2010年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中由生物固氮引發(fā)的活性氮產(chǎn)生量為8.08 Tg/年，農(nóng)田固氮植物種植產(chǎn)生的活性氮量為4.81 Tg/年。近20年變化不大，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，不同于全球和亞洲的增長(zhǎng)趨勢(shì)。主要是由于中國的種植結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，種植面積變化小。

2）農(nóng)田固氮植物種植產(chǎn)生的活性氮量區(qū)域分布上呈現(xiàn)北多南少，東部地區(qū)大于西部地區(qū)，固氮植物培育產(chǎn)生的活性氮主要集中于華北、東北和長(zhǎng)江中下游地區(qū)。

3）生物固氮作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素自然源，需要進(jìn)行優(yōu)化和拓展，在充分利用氮素自然輸入源情況下合理施入外源氮肥，保持其系統(tǒng)高生產(chǎn)力，同時(shí)最小化其環(huán)境影響，減少其活性氮產(chǎn)生量。

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