氮循环与中国农业氮管理

　　摘要：作为全球活性氮制造量和氮肥消费量均最大的国家，中国农业生态系统的氮平衡问题受到了国内外广泛的关注。普遍认为中国农田施氮过量问题突出，并产生了严重的环境污染。为全面了解中国农业生态系统氮的来源和去向，找出引起氮肥消费量高的原因，本研究运用氮循环基本原理，以2010年为例，根据近年来发表的文献和国家统计资料，详细讨论了不同空间尺度上中国农业生态系统的氮输出和输入，重点分析了作物-土壤系统氮循环与氮平衡的特征。2010年中国农业生态系统氮投入总体上过量，其数量基本上相当于经生物地球化学循环返回作物–土壤系统的氮量，大致在5TgN左右。在全国水平上，2010年化肥和有机肥带入农田的氮量，相等于作物吸氮量和农田氮损失量之和；由于化学氮肥流向的多样化，如林、牧、渔业和城市绿化等的氮肥消耗，以及部分经济作物包括果树和蔬菜，特别是设施蔬菜的高量施氮，总体上粮食作物过量施氮的问题并不十分突出。在耕地资源有限（占全球8%的耕地面积，养活20%的世界人口）、有机废弃物中氮养分循环利用率低于30%、豆科作物播种面积较少且生物固氮占农田总氮投入不足15%的情况下，中国的农业生产只有依靠氮肥。然而，中国氮肥消费存在着很大的地区差异，在土地生产力水平较高的黄淮海、长江中下游和珠江三角洲地区，单位农作物播种面积的施氮量显著高于全国平均水平。这些地区氮肥消费量较大与粮食单产高、复种指数高和豆科作物种植比例低有密切关系。因此，为保证人们不断增长的食物需求和膳食结构的改善，加之土壤基础肥力相对较低，农田化学氮肥投入较高具有一定的合理性。然而，农业生产过程中发生的氮损失，既浪费了资源，也污染了环境。损失进入大气和水中活性氮以及环境中新产生的活性氮，经生物地球化学循环过程以大气沉降和灌溉水返回农田，已经成为作物-土壤系统氮的重要投入项。由于农业生态系统中氮素转化过程的多样性和生物地球化学循环的复杂性，循环过程中的氮损失不可避免。只有通过在不同空间尺度上对氮素进行优化管理，才能将氮损失降低到最低。在保证粮食安全的基础上，尽可能地降低农田施氮的环境风险，需要多学科、多部门的协作与共同努力，在不同空间尺度上实现氮优化管理、达到降低农业生态系统氮肥投入的目的。

　　关键词：农业生态系统；氮生物地球化学循环；氮平衡；氮损失；氮管理

　　氮肥在保障中国粮食安全方面具有不可替代的作用。20世纪70年代末以后，中国粮食产量大幅度提高，除农村政策调整、品种更新、农田水利建设等因素外，化肥投入，特别是氮肥投入持续大量增加，是一个关键因素。而且，高产品种对氮肥的依赖性更强。然而，氮肥使用也带来了一系列严重的环境问题。这些环境问题的产生，是人为制造的这部分活性氮参与自然界氮生物地球化学循环的必然结果。

　　1农业生态系统的氮循环与氮损失

　　1.1农业生态系统的氮循环

　　在需要以施肥方式补充的植物养分中，氮需求量最大且最普遍。在种养结合的典型农户水平上的生产活动中，氮循环相对封闭（图1）。作物所需氮来源于还田的有机废弃物和轮作的豆科作物。随着城市化进程，养殖业逐渐实现集约化，并在很大程度上与种植业分离。由于各种原因，有机养分资源还田比例大幅度降低。在豆科轮作面积很低的情况下，为了补充作物需要的氮，只能靠不断施用大量氮肥（图1），以满足不断增长的食物需求。

　　1.2食物生产-消费链的氮损失

　　氮肥在保证粮食安全的同时，引起了一系列环境问题，如N2O排放量增加和大气二次气溶胶的形成，部分地区水体氮严重污染等。此外，农业土壤也是大气污染物HONO主要来源之一[9]。农业氮投入引起环境污染的主要原因，是农产品生产-加工-消费过程中，发生了各种方式、程度不同的氮损失，这种损失在很大程度上是一种不可避免的漏失。从环境角度，除反硝化和厌氧氨氧化释放的N2外，其他活性氮组分的损失，就是氮的非点源污染。人们最终消费各种食物中所含氮量，平均仅占生产体系氮投入总量的17%[10]。经过食物生产链的传递，绝大部分氮发生损失，其中相当比例的氮，成为水体和陆地生态系统的污染负荷。

　　2作物-土壤系统氮平衡

　　由于基础资料缺乏，全国尺度上农田氮平衡的估计有很大不确定性，已发表的在全国尺度上估算中国作物-土壤系统的氮平衡资料不多，其中代表性的2个研究结果总结在表2。

　　3农业生态系统氮循环研究的几个问题

　　3.1作物-土壤系统氮损失的量化

　　氮肥利用效率不高的原因主要有：（1）微观尺度上，微生物与植物根系对氮的竞争，导致肥料氮的生物固持，以及土壤和肥料氮相互交换而引起的假象[56]；（2）肥料氮直接和间接损失，如氨挥发和氮淋失；（3）肥料氮在转化过程中发生损失，如反硝化引起的气态氮损失。其中，施入土壤后肥料氮发生的各种方式的损失是最主要原因。因此，深入了解氮损失途径及其影响因素，以便有针对性地采取措施控制氮损失，具有十分重要的意义。然而，目前有关氮损失的定量测定方法，却存在着许多问题。

　　3.2有机废弃物的养分资源量和可返还比例

　　经过30多年的经济快速增长，农业增产、膳食结构改变以及品种更新，使得中国有机废弃物的产生量显著增加。例如，中国粮食总产从1995年的467Tg，增加到2010年的546Tg。同时，由于品种改进和动物性蛋白摄入比例的增加，有机废弃物中氮的相对含量也会提高，这给正确估计有机废弃物的养分资源量，带来很大的挑战。

　　References

　　[1]FowlerD,CoyleM,SkibaU,SuttonMA,CapeJN,ReisS,SheppardLJ,JenkinsA,GrizzettiB,GallowayJN,VitousekP,LeachA,BouwmanAF,Butterbach-BahlK,DentenerF,StevensonD,AmannM,VossM.Theglobalnitrogencycleinthetwenty-firstcentury.PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,2013,368(1621):91-97

　　[2]SchlesingerWH.Onthefateofanthropogenicnitrogen.PNAS,2009,106(1):203-206.

　　[3]GallowayJN,TownsendAR,ErismanJW,BekundaM,CaiZC,FreneyJR,MartinelliLA,SeitzingerSP,SuttonMA.Transformationofthenitrogencycle:Recenttrends,questions,andpotentialsolutions.Science,2008,320:889-892.

　　作者王敬国，林杉，李保国

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