郭 偉 ，樊存虎

（山西運城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，山西 運城 044000）

氮素是促進作物生長和形成產(chǎn)量的大量營養(yǎng)元素之一，作物對土壤中有效氮的吸收量是反映其生長狀況的重要指標，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，這是一個了不起的功績，但是作物增產(chǎn)的主要原因是化學肥料的大量施用。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)境也帶來嚴重的負面影響，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，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研究進展的相關數(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)境帶來了嚴重影響。現(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)技術推廣中，若對氮肥利用的理解不深入，將得到不大符合實際的結果[4]。

1 對氮肥利用率的認識

1.1 傳統(tǒng)氮肥利用率的定義及表示方法

張福鎖等認為氮肥利用率反映了作物對施入土壤中的氮肥的回收效率[2]；劉學軍等對氮肥利用率的定義是指施入的肥料氮被當季作物吸收利用的百分率[5]；中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所主編的《中國肥料》中把作物對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算標準[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)在人們普遍認可的。肥料施入土壤后轉變成土壤養(yǎng)分，其實作物吸收的養(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，所以差減法的計算結果比示蹤法高。

1.2 對氮肥利用率認識

傳統(tǒng)對氮肥利用率的認識，只反映了當季作物對肥料氮的利用情況，并未考慮到氮肥的后效和對土壤中氮素消耗的補充問題。單純地追求傳統(tǒng)氮肥利用率的高低是沒有實際意義的。通過減少氮肥施用量，可以提高傳統(tǒng)氮肥利用率，但不能達到高產(chǎn)的目標，這樣的高氮肥利用率對實際生產(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土壤氮庫消耗的補償效應，對土壤消耗氮的補充也是施用氮肥來維持或提高土壤氮素肥力的一個重要目的；它沒有真實地反映施氮過程和氮肥施用后的損失情況，對通過技術改進來降低氮肥損失參考價值不大[4]。

另外，在計算氮肥利用率時要充分考慮當?shù)赝寥阑A肥力、氣候條件、施肥技術和作物生長周期等因素，確保土壤肥力狀況穩(wěn)定，才能保證結果的可靠性。施入土壤中的肥料在土壤中轉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)成品計算產(chǎn)投比一樣，是沒有意義的[4]。

還有，由于人類活動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

化學肥料是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是作物的“糧食”。化肥在促進糧食和農(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，其中氮肥比例相對較高。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，近20年來，在國家沒有干預化肥使用量前，化學肥料（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)關于《到2020年化肥使用量零增長行動方案》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)計局數(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，這樣很可能導致不合理施肥。許多高產(chǎn)田地塊的氮肥施用量達到了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)在達到的產(chǎn)量計算，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個省2 346個村，對4 218塊水稻田、4 554塊小麥地、4 522塊玉米地、6 863個果園和3 889塊蔬菜田塊進行了調(diào)查，統(tǒng)計出氮肥施用量分別為（平均值±標準值）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示蹤試驗研究資料，認為我國現(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 對作物生長及人畜的影響

氮肥施用過多會造成作物徒長，莖稈強度變?nèi)?，導致頭重腳輕，作物易倒伏。同時，會造成作物貪青晚熟，更易遭受病害和蟲害的威脅。氮素過量還會導致作物品質降低，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。對于葉菜類蔬菜或飼草，氮素過量會導致其中硝酸鹽在葉片中大量積累以至于對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)被轉化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可與血液中的血紅蛋白結合，使血液運輸氧氣的能力降低，嚴重時會使人呼吸困難或死亡。硝酸鹽是致癌物質亞硝酸鹽化合物（亞硝胺）合成的物質基礎。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等氣體達到一定濃度，會對牲畜產(chǎn)生毒害；牲畜食用了硝酸鹽含量超過1%的飼草，會引發(fā)牲畜急性中毒，嚴重時會死亡。朱濟成在關于地下水硝酸鹽污染原因探討的文章中提到，硝酸鹽對豬、牛、羊、狗、兔等家畜的致死量為70 mg/kg~140 mg/kg（動物體重）。

3.2 對土壤的影響

氮素在土壤中以無機氮和有機氮形態(tài)存在。通常所說的土壤無機氮是指銨態(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大；有機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、被土壤微生物轉化成有機態(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)氮還會轉化成氨揮發(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）轉變成N2、NO、N2O，或被微生物利用形成有機氮；有機氮經(jīng)微生物礦化分解形成氨。土壤中硝態(tài)氮比銨態(tài)氮的移動性大，極易流失。

長期過量施用氮肥，會引起土壤酸化現(xiàn)象發(fā)生，主要是由于銨態(tài)氮在土壤中經(jīng)硝化作用轉變成硝酸鹽，在這個過程中會釋放H+，導致土壤酸化；土壤的酸化還會導致土壤貧瘠、離子毒害、土壤板結等問題。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）。在沙質黃綿土（陜西榆林市米脂縣）、重壤質縷土（陜西咸陽區(qū)楊陵）和黏質水稻土（陜西漢中市）中作物當季生長期間土壤NO3-N分別向下移動至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淋失是導致水體面源污染的主要原因。在對我國北方以地下水為主要水源的地區(qū)進行的抽樣調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，半數(shù)以上的飲用水硝酸鹽含量嚴重超標（＞50 ml/L），其中最高達到300 ml/L，對人類健康構成了嚴重威脅（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，同時其他影響這些因素的條件也都會影響到氨的損失。富含黏土類礦物和腐殖質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；當土壤pH大于7及土溫超過16 ℃時，這種類型的氨氣損失尤為劇烈。

3.3 對大氣環(huán)境的影響

N2O屬于溫室氣體，其產(chǎn)生的溫室效應約占整體溫室效應的7.9%。土壤中的銨態(tài)氮或氮肥進入土壤轉變成的銨態(tài)氮轉變成NH3、N2O等氣體，揮發(fā)到空氣中，造成氮素損失，肥料浪費，經(jīng)濟效益低。在氮素生物地球化學循環(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。當土壤中存在大量新鮮有機質體、氮含量在5%～10%、pH在5～8、室溫達到30 ℃～35 ℃時，反硝化作用會特別強烈。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，會出現(xiàn)N2O釋放高峰。

4 結束語

經(jīng)過不同研究，研究者對氮肥利用率有不同的見解，但在實際運用過程中，應注意使用的參數(shù)的實際表示內(nèi)容，以避免在不同基礎上進行相互參照，產(chǎn)生誤差。對氮肥利用率的理解，不能簡單地對比數(shù)字大小，應考慮這些數(shù)據(jù)獲得的方法與條件，對其結果和意義做出正確的分析。巨曉棠提出的氮肥有效率，不僅反映作物對施入氮肥的吸收，而且闡述了施入氮肥對維持土壤氮肥肥力的補償效應，全面分析了氮肥施用對作物產(chǎn)量、土壤氮素盈虧和向環(huán)境中損失的綜合效應，對今后氮素研究有一定指導意義。

現(xiàn)在國家深入推進農(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)推進化肥農(nóng)藥減量化，優(yōu)化實施果菜茶有機肥替代化肥試點，研究制定大田作物有機肥施用政策，構建有機肥施用長效機制，意在遏制化肥農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境的影響。從國家統(tǒng)計數(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，沒有對糧食安全造成威脅。可以推進有機肥替代化肥，結合科學種植管理技術，進一步促進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。