淺談我國氮肥利用問題*

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]。

1 對(duì)氮肥利用率的認(rèn)識(shí)

1.1 傳統(tǒng)氮肥利用率的定義及表示方法

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。

1.2 對(duì)氮肥利用率認(rèn)識(shí)

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]。

1.3 傳統(tǒng)氮肥利用率忽視的環(huán)節(jié)

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。

2 我國氮肥的施用現(xiàn)狀

2.1 近年我國氮肥產(chǎn)量變化狀況

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)。

2.2 我國農(nóng)用氮肥施用情況

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]。

3 氮肥過量使用帶來的問題

3.1 對(duì)作物生長及人畜的影響

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）。

3.2 對(duì)土壤的影響

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。

3.3 對(duì)大氣環(huán)境的影響

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。

4 結(jié)束語

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。