不合理施用化肥对于农业生态环境负面影响的初步探究与认识.doc

不合理施用化肥对于农业生态环境负面影响的认识及初步探究 王倩 环科092 13409202摘要】 无机肥与有机肥都是人类发展生产过程中不可或缺的资源，只要合理使用不仅不会对环境与生态造成太大的负面影响，反而有利于提高作物产量产品质量，同时还能减少温室气体的排放，具有固碳减排的作用。而不良的施肥方法不仅会对整个环境造成污染，甚至会威胁到整个生物圈（包括人类）的生存。本综述从肥料的负面效应对肥料作用于环境（主要是土壤与大气）影响进行初步的探究及认识。【关键词】 施肥 大气环境 水环境 土壤环境 污染 水，土壤，大气是三个人类生存不可缺少的环境条件与资源。人们常说：“没有水就没有生命”，“没有大气人类就无法存活”；人们也常说：“万物土中生”，称大地是人类的母亲；由此可见：这三者对于人类及万物的生存有着至关重要的意义。同样的，粮食对于人类来说也是不可或缺的，合理的使用肥料，不仅能增加农产品的产量，提高农产品的商品价值，而且还能改良与培肥土壤，固碳减排，防止水土流失的发生。但是由于施肥措施的不当，影响到了肥料施用的经济效益，降低了农产品的品质，对农业环境中的多种生态因子产生负面影响，造成了农业生态环境的污染乃至人类以及其他生物生存环境的恶化。【15】 目前我国的化肥生产与消费量均居世界第一。我国的化肥增长速度快，呈现逐年递增的趋势。1985年全国化肥施用总量为1775.8万t，2002年达4339.5万t，比1985年增长1.4倍。年平均增长率为8%（图1）。与此同时，单位面积施用量也呈逐年递增趋势，2002年达到了333.7kg/hm2(图2)，高于世界均水平。【6】 由图可以看出，而就科学家根据我国粮食产量的需求，同时耕地面积的不断减少，预计到2015年与2030年，全国化肥施用量将分别达到5500104t5700104t与6500104t6800104t，总增加量分别为15711041761104与25151042565104t。【7】1 化肥施用与土壤生态环境：我国在长期的施肥过程中，对土壤造成的不利影响主要体现在两个方面：一是土壤污染； 二是化肥的不平衡施用引起土壤中其他养分元素的耗竭导致土壤肥力的降低。由于向土壤中施用大量的化肥，导致肥料中的N，P，重金属等元素向土壤中输入的速度与数量超过土壤净化作用的能力，造成在土壤中积累的自然动态方向占优势，导致土壤正常功能的失调；同时由于土壤中有毒有害物质的迁移转化，引起了大气与水体的污染，并通过食物链构成对人体直接或间接地危害，具有隐蔽性、持久性、复合性、间接危害性等特征。【8】由化肥施用不当引起的环境问题已开始引起我国有关科学家的重视, 特别是氮肥过量施用后由于大量淋失所造成的地下、地表水NO-3-N 污染, 磷肥过量施用所导致河流、湖泊、水库、塘坝的富营养化现象, 含镉量过高磷肥施用所造成的土壤重金属污染。即使钾肥过量施用也会破坏土壤中的养分平衡,特别是含氯钾肥过量施用还会破坏土壤结构, 给土壤带来盐渍化威胁。1.1 氮元素的污染：我国农业生产中应用的氮肥主要有尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、氯化铵、硫酸铵等。1998-2000年，我国农作物每年施用的氮肥平均量为：尿素 1561.1104t，碳酸氢铵 663.3104t，硫酸铵，硝酸铵，氯化铵及其他氮素肥料368.6104t【9】。到2003年,碳酸氢铵比例下降到30% ,而尿素上升到58% ,是碳酸氢铵的2倍; 2005年氮肥产量达3 57519 104 t,比上年增长1015% ,氮肥表观消费量3 55011 104t,比上年增长1414%，其中尿素1 92418 104 t,比上年增长1317%。氮肥的生产原料比较单一，含杂质少，成品纯度高，重金属含量少，其本身带入的重金属污染物非常少，不会给土壤环境带来污染，但大量施用石灰性氮肥(含氰化钙)可产生双氢胺、氰酸等有害物质，抑制土壤硝化作用，导致土壤污染。各种形态的氮肥施入土壤后, 都会形成NO3-N。长期大量使用氮肥, 能直接影响土壤中NO3-N含量，导致土壤酸化及土壤理化性质的恶化【10】,促使土壤中一些有毒有害污染物的释放与增加11 ,同时其在土壤中分解与转化产物对土壤与一些农产品也会产生危害。通常，化肥施用量越高，流失到环境中的量也就越大，对农业生态环境的污染也就越大。以氮肥为例，施肥量较大，而利用率较低，损失严重。据对我国主要粮食作物氮肥去向的研究数据，我国的氮肥利用率在9%72%之间，平均为30%41%之间【12】，化肥每年的流失量占施用量的40%左右【13】。首先，施用过多的氮肥，导致亚硝酸盐及硝酸盐的大量生成与积累而使土壤受到污染。据调查【14-15】，有的土壤硝酸盐高达90ppm，致使蔬菜积累的硝酸盐来不及同化利用而污染蔬菜（蔬菜是一种易于富集硝酸盐的食品），危害取食蔬菜的人及牲畜的健康。硝酸盐在人体内可被还原成亚硝酸盐，导致血红蛋白症，严重的会窒息死亡；而亚硝酸盐可与胺或酰胺形成N-亚硝基化合物，是致癌物质。其次，施用大量的氮肥，在热带地区进行的实验结果显示长期施用化学氮肥，可使土壤pH值下降【16】。另有在国内调查显示，长期施用化肥，会导致土壤一定程度的酸化或碱化，尤其在连续施用单一品种化肥时，短期内即可出现这种情况。据上海农科院资料，在中壤质水稻土上，连续三年大量施用氯化铵（1200kgha-1a-1），第一年土壤的pH值就由原来的7.45下降到7.40，第二年下降到7.16，第三年下降到7.11。四川辽宁等地对含氯化肥所做的长期定位（4-8年）实验结果表明，Cl-使中性与微酸性土壤pH值有所降低，但对石灰性土壤pH值影响不大。郭鹏程的研究结果表明：施含氯量高的处理六年间0-20cm土壤pH值比对照平均降低0.46个单位，20-40cm土壤pH平均降低0.65个单位。但是施低量氯的处理土壤pH变化不大，土壤酸化作用不明显。又如我国南方的红壤茶园连续530a施用硫酸铵肥料，土壤pH值降低0.51.5。【17】由于氮肥的施用导致土壤酸化的同时会带来土壤的严重板结，土壤酸化不仅破坏土壤性质，而且会促进土壤中一些有毒有害污染物释放迁移或毒性增强，使微生物与蚯蚓等土壤生物减少，还会加速土壤中一些营养元素的流失，例如土壤酸化后可加速Ca、Mg元素从耕作层中淋溶，从而降低盐基饱与度与土壤肥力。长期的化肥施用促进土壤酸化现象在酸性土壤中最为严重。12 磷元素的污染：我国磷肥消费量居世界首位，约占世界磷肥消费量的25%。2002年我国磷肥总施用量为1060.9104t（P2O5，下同），磷肥表观消费量为1029.4104t【18-19】；2004年我国磷肥表观消费量为1079.1104t，与2000年（831.2104t）相比，平均每年递增6.7%【20】；2005年磷肥表观消费量为1167104t，比上年增长6.8%，居世界首位。2000-2005年，磷肥产量年均递增11.2%，表观消费量年均递增7.0%。【21】目前我国农业生产中使用的磷肥主要分为低浓度与高浓度两种，2002年，高浓度磷复肥产量已占到总产量的45.66%，过磷酸钙产量占磷肥产量的47%，过磷酸钙、钙镁磷肥等低浓度磷肥占磷肥产量的54.34%；磷肥中单质磷肥已经下降到50.8%、铵磷上升到43.1%【22-24】，但过磷酸钙仍是我国磷肥的第一大品种。在将来一个时期，受我国低品位磷矿资源较丰富的特点决定，过磷酸钙、钙镁磷肥仍将是我国磷肥的主要品种。一项调查显示，近年来，世界上一些农业发达国家使用高浓度复合磷肥15年后发现，土壤出现变质、板结、贫瘠化等现象，纷纷恢复使用过磷酸钙。磷肥的大量施用，尤其是长期大量施用低浓度磷肥，可造成磷素在土壤中积累，导致磷素面源污染。磷肥是由磷矿石通过机械法，酸制法或者热制法加工而成，因其特殊的加工工艺及原料中含有铬、镉、汞、砷、铅、铜、铁、铝、钒、镁、锰、镍、钴、硒、氟、铀、镭、钚、氡及稀土元素锶、钡、钍等【25】多种重金属与有害杂质、放射性物质，加工后仍有一部分保留在肥料中，磷肥中含有的砷、铬、铜、铅、锌及汞等重金属物质分别达到273、24.5、32.5、8.6.270与0.42mgkg-1【26】。磷肥中镉含量比土壤中高数百倍，而长时间施入过多磷肥的突然镉含量比一般土壤高数十倍，甚至上百倍【27-28】。我国过磷酸钙平均含镉0.75 mgkg-1，钙镁磷肥平均含0.11 mgkg-1，每年随磷肥施入土壤的镉量约为0.7ghm-2。镉的毒性较强，镍、铬具有潜在毒性，镍在种子中的积累量比秸秆中多；镉的潜在毒性仅次于汞居于第二位；镉等重金属通过食物链可导致人与家畜中毒，尤其在酸性土壤中，作物更容易受到镉污染。并且由于其多元性、隐蔽性等特点，污染后果严重，危害性很大。我国每年施用过磷酸钙带入土壤中的锌、镍、铜、钴、铬的量分别为200、11.3、20.8、1.3与12.3 ghm-2【29】；每年随磷肥带入的镉量在37t以上，连续17年施用过磷酸盐45 kghm-2a-2（P2O5）,土壤累计增加镉量达87 ghm-2。（见下图）由此可见，磷肥是土壤镉富积的主要来源，施用磷肥可能对土壤直接造成土壤污染, 包括氟污染, 放射性污染,镉等重金属污染物污染与其他残留污染物质的污染, 这些物质都是磷肥在生产过程中混入与保存下来的成分。镉对土壤的重金属污染，镉进入土壤后对土壤生态系统具有破坏作用，影响微生物群落特性，降低土壤微生物的数量与活性并影响土壤的呼吸作用，对土壤的生产力有负面影响。大量研究表明，土壤镉含量的增加会使土壤中固氮菌，细菌的数量显著减少。此外，由于镉具有很少淋溶，不易分解等特点，对农业生态环境更具潜在长期危害性。1.3 钾元素的污染：目前全世界生产的钾肥中，有96%用于农业，其中90%是氯化钾，其他钾肥约占10%。我国施用的钾肥品种有氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾、窑灰钾肥、镁钾肥、钙钾肥、碳酸钾、偏磷酸钾等。因其他种类钾肥生产成本太高，目前农业生产中以氯化钾、硫酸钾与硝酸钾肥为主，其中，氯化钾肥含K2O40%60%，硫酸钾肥含K2O46%52%，硝酸钾肥含氮1315%，含K2O45%46%。硫酸钾因含氯低（Cl-0.5%）常被称为无氯钾肥。【30】我国“九五”期间各年度钾肥施用量分别为49917104、55013104、58018104、61713104与63910104t，其中无氯钾肥占15%；2005年钾肥产量23217104t,钾肥表观消费量73512104t,比上年的60018104t增长22.4%。【31】钾通常不会直接对环境造成污染, 然而当KCl或K2SO4 肥用量过多时, Cl-或SO42-在土壤中过量积累而造成土壤结构性破坏及盐渍化现象却是值得注意的问题。长期施用钾肥,土壤中Ca2+会逐渐减少, 而使土壤板结；另外，长期施用氯化钾因作物选择吸收所造成的生理酸性的影响, 能使缓冲性小的中性土壤逐渐变酸。同样, 在酸性土壤上施用氯化钾后, K+会将土壤胶体上吸附的致酸离子H+ 、Al3+交换下来, 导致土壤溶液中H+ 、Al3+浓度迅速升高, 且由于肥料生理酸性的影响, 土壤pH明显降低，pH与过量的活性Al3+对植物生长有毒害作用。土壤板结与酸化致使土壤退化，生产力下降。同时，土壤酸化可活化有害重金属元素(如锰、镉、汞、铅、铬、铝、铜等)，导致土壤中有毒物质释放，使毒性增强，进一步对土壤生物造成危害；土壤酸化还能溶解土壤中的营养物质，如钾、钙、镁等,在降雨与灌溉的作用下，向下渗漏到地下水，使营养成分流失，造成土壤贫瘠化，影响作物生长。某些有毒磷肥, 特别是含三氯乙醛的磷肥, 是用含三氯乙醛的废硫酸生产的, 施入土壤中后三氯乙醛转化为三氯乙酸, 二者对植物皆产生毒害。由此而造成的作物大面积受害情况屡有发生, 其中万亩以上的污染事故在山东、河南、河北、辽宁、苏北、皖北等地多次发生, 受害作物包括小麦、玉米、花生等10 余种, 危害严重者颗粒无收, 重新播种多次仍然受害, 损失极为惨重【32】。2.化肥施用与大气生态环境：化肥与大气污染之间, 很多人不大愿意把它们联系在一起，但随着“地球变暖”的球性问题日益受到关注, 对温室气体CH4与N2O的来源、数量与在大气中含量变化的研究十分活跃, 而所有研究均表明, 施肥均有利于这些温室气体的产生, 并认定稻田是大气中甲烷的主要人为来源, 分别占大气甲烷总来源的20%与人为来源的30%【33】；同时, 土壤施用N肥，通过反硝化作用转化为N2O释放到大气中, 既是N 的损失, 又增加了大气中温室气体的量,还因N2O经紫外线作用后产生的NO参与臭氧的催化作用, 引发臭氧层的损耗。化肥的不合理施用还会造成对大气的污染。氮素化肥浅施、撒施或施后不镇压，往往造成氨的逸失，进入大气，造成污染。硝态氮在通气不良的情况下进行反硝化作用，生成气态氮（NO，N2O，NO2）,而逸入大气，造成污染。二氧化碳气肥的不正确使用，也会增加大气中CO的含量，进一步增强了温室效应。另外，植物营养失衡，如植物徒长而造成病虫害大发生，引起污染。2.1 二氧化碳（CO2）：CO2对全球变暖的贡献率达50%左右其浓度的增加主要是人类的工业生产所致。但是与农业与施肥有关的CO2有：肥料生产过程中实话燃料的燃烧；肥料运输与机械施肥所用机械的燃油消耗；秸秆等农业废弃物的燃烧；堆肥发酵过程中CO2的释放；土壤耕作增加的有机质氧化等等。当然施肥与秸秆还田等都会增加土壤CO2的排放。徐琪等报道稻麦两熟稻田生态系统中土壤排放的CO2量：不施肥的为4.4t/hm2，施肥的为4.87.1t/hm2。从农业施肥及土壤管理看，任何增加农作物产量的措施都将意味着增加CO2的固定，例如每增产1t玉米，将可多固定1.28tCO2。【34】徐琪等研究指出，【35】在稻麦两熟制的条件下，每年固定的有机C：不施肥时为8.7 t/hm2，施肥后增加到15.616.6 t/hm2。所以由于施肥而导致CO2大量排放从而导致全球变暖的问题并不是很突出，此处不多做探究。2.2 甲烷（CH4）：甲烷是重要的温室气体之一，1个甲烷分子的增温效能，相当于三十个二氧化碳分子。同时，甲烷也是地球大气对流层中OH-自由基的一个主要汇，它可消耗臭氧（O3），改变对流层中臭氧的浓度及氧化能力，严重影响人类的生存环境。【36】甲烷释放总量中有33%49%来自水稻田的分解。我国的水稻种植面积占全世界的26%，甲烷排放量占全世界水田土壤甲烷排放总量的37.6%。【37】甲烷在大气中浓度低于二氧化碳，但是却在过去十几年中每年增长1.1%，高于二氧化碳的年平均增长率（0.4%）【38】，故对温室效应的贡献仅次于二氧化碳，居于第二位。据IPCC报告【39】，稻田甲烷的年排放量约为6.01010kg，占总排放量的12%。据董红敏的资料【40】,1990年我国反刍动物排放的CH4为5.796104t，占全球的7.2%；禽畜粪便分解释放的CH4为1.249104t，占全球占全球动物粪便CH4排放量的5%；而稻田排放的CH4为9.189104t，比反刍动物排放及禽畜粪便分解释放的总量还多,2.14104t，即多30%。可见，水稻田是大气中CH4的主要来源。稻田中甲烷的形成是一个生物学过程，产甲烷基质的有机碳源及供产甲烷菌生存、活动的强烈还原条件是影响稻田甲烷的重要排放因素。（稻田甲烷产生与排放的机理：氧化在稻田CH4的排放过程中起着重要的作用。观测表明,稻田中CH4排放量占CH4产生量的3%81%【41-42】。一些研究认为氧化过程能消耗稻田土壤所产生CH4总量的5090%【43】。土壤中消耗CH4的细菌主要有甲烷氧化细菌与硝化细菌，但硝化细菌氧化CH4的最大速率要比甲烷氧化细菌氧化CH4的最小速率小约5 倍【43】，因此可以认为土壤CH4的氧化主要由甲烷氧化细菌来完成【44-45】。土壤中的CH4主要通过3种途径排入大气中【46】：大部分被植株根系等吸收，随着养分的输送再经作物的通气组织排放到大气中；形成含CH4的气泡，气泡上升到水面破裂而喷射到大气中；少量CH4是由于浓度梯度的形成沿土壤-水与水-气界面而扩散排出。在水稻生长的大多数阶段，一般认为大约90%的CH4排放量是通过水稻植物体排到大气中去的。）施用化肥可能影响土壤pH值、Eh值等，从而引起CH4排放量的增减。但不同的试验结果差异很大，有的甚至相反。在太湖地区研究发现，太湖地区单季稻施用尿素比施用碳铵CH4排放量增加10%70%【47】，在杭州的试验也观测到尿素使CH4 排放增加【48】；而在中国北京观测到施用碳铵基本上不能减少稻田CH4 的排放，而尿素却比碳铵能更有效地减少CH4 的排放【49】。Wang等认为尿素对CH4释放的不同作用可能是由于它可以提高土壤pH值，大多数酸性土壤中施入尿素后土壤pH值变得有利于CH4 形成，而中性或碱性土壤中施入尿素后则由于pH 值升高抑制CH4 形成。Jakobsen等发现稻田施用（NH4）2SO4使CH4排放减少。2.3 氧化二氮（N2O）由于自然的与人为的活动，使N化合物（NH3、NOx、N2O）向大气排放的数量不断增加。据一些科学家估计，每年N化合物的总排放量达1.18108t N（118Mt/年），67%是人为活动所致。其中NH3 的年排放总量为5.3107t N（53Mt/年），NOx为 N 4.8107 t/年（48Mt/年），N2O为N 1.6107 t/年（16Mt/年）。农业生产与施肥在NH3、NOx的排放中占有一定的份额。【50-52】随着化肥的大量施用，大气中氮氧化物含量不断增加。化肥施入土壤，有相当一部分以有机或无机氮形态的硝酸盐进入土壤，在土壤反硝化微生物作用下，会使难溶态、吸附态与水溶态的氮化合物还原成亚硝酸盐，同时转化生成氮与氮氧化物进入大气，使空气质量恶化。1992 年IPPC工作报告指出，由于人类活动加强，大气中N2O的含量正急剧增加，由农业系统中无机与有机氮肥的施用及生物固氮作用产生的N2O量约占年排放量的60%。【53】武志杰指出，当今大气中N2O含量比25年前增加了3倍，与N肥消耗量的增长相一致。农业部环保监测研究所经过研究, 预测到2020年时, 如果化肥的施用量仍按目前的速率增长的话，N2O的排放量将达到1990年时的3.275.32倍, 而CH4则可控制在一定的水平上，1960年1980年间大气中CH4的含量只增长了20%。即N2O的释放量比CH4更大，也更具有危险性。氮肥施用量过多对大气的污染主要包括NH3 挥发, 反硝化过程中形成的NxO(包括N 2O与NO)，其中N 2O既是温室气体又能消耗同温层中的O3，破坏臭氧层。据UNEP (1992) 报道, 目前大气中N 2O的平均浓度为310ppbv，每年平均上升0.61.0ppbv或0.2%0.3%。N 2O在农田生态系统中的释放速率与土壤的氮素水平以及土壤的硝化、反硝化作用密切相关。蔡贵信等(1985) 测得的湖积物发育的水稻土中表观反硝化损失量NH4HCO 3为加入N 量的39%，尿素为37%。朱兆良等(1989) 测得石灰性水稻土中,NH4HCO 3 与尿素的反硝化损失量皆为加入量的33%。在反硝化损失中,N 2O的排放量也因土壤性质、环境条件、作物种类及测定方法等表现各异。Ryden等(1979) 测得蔬菜地土壤中NO 2 释放量为反硝化总量的12% 18%，而Ro lston等(1978) 测得的N 2O释放量为反硝化损失总量的5%26%。氮肥施用无疑会增加农田生态系统中N 2O的释放。据Mo sler等报道, 氮肥可使N 2O排放量增加1 2倍(表2)。（稻田N2O产生与排放的机理：随着对N2O排放机理认识的深入以及信息技术的发展，许多学者发展了基于机理或过程的N2O排放量估算模型。过程机理模型关注N2O产生排放的动力过程。这些模型的建立大都得益于Firestone与Davidson的描述，即HIP模型(Hole in the Pipe)。该模型将通过硝化与反硝化过程产生N2O的氮的转化过程比喻成在带有孔洞的管道中的液体的流动。孔洞的尺寸决定了N2O、NO的相对排放量，而管道中孔洞的尺寸由许多因素决定，如土壤水分状况、土壤通气状况、土壤pH 值、土壤质地等，N2O/ NO比主要取决于土壤湿度【54】。土壤N2O的产生要经历一个复杂的物理、化学与生物学过程，主要是在微生物的参与下，通过硝化与反硝化作用完成的【55】。在透气条件下，氨或铵盐通过微生物的作用被氧化成亚硝酸盐与硝酸盐，这一过程称为硝化作用。反硝化是在嫌气条件下，多种微生物将硝态氮还原成氮气(N2)与氧化氮(N2O、NO)的过程，造成土壤中氮元素以N2 、N2O与NO的形态向大气逸失。）氮肥的施用对农田土壤N2O的排放有明显的促进作用【56】。化肥氮转化为N2O的比例0.1%1.4%左右，其转化率受环境因素与其他管理措施的影响【57】。N2O的释放速率不完全取决于土壤的含氨水平，而与植物对N的利用率有关，过量施加氮肥导致N2O排放速率增加【58-59】。相对于含氮量相同的有机肥，化肥对农田中N2O的排放贡献更大【60-61】。不同肥料品种与施肥量引起N2O形成与排放量也存在差异，NH4+-N肥、NO3-N肥与尿素N2O排放损失率分别为0.01%0.94%、0.04%0.18%与0.15%1.98%。另外，在不同土壤类型及其他各种条件影响下，结果也有较大差异【61】。结论：当今世界, 人们面对急剧增长的人口与有限的土地资源, 真正要做到既能提供足够粮食,又能同时保护十分脆弱的环境, 是农业工作者面临的严峻挑战。同时，我国人口众多, 人均自然资源贫乏, 耕地逐年减少, 人粮矛盾突现, 用有限的耕地生产粮食来满足人们的生活需求是相当困难的。从国计民生、社会稳定这些重大问题上考虑今后中国在一个相当长的时间内, 农产品的生产仍然以化肥为主, 而且用量会逐渐增加。化肥本身是无害的, 有害的是对化肥的不合理施用。在肥料问题上, 我们需要关注的应该生产与使用更优质、更高效的化肥, 推广科学合理的施肥技术, 提高化肥的利用效率, 减少化肥的损失。参考文献：1. 符建荣 土壤中铅的积累及污染的农业防治 农业环境保护，1993,12（5）：2172222. 王亚丽，林位夫，陈勇 氮肥使用中的污染问题及其解决途径 热带农业科学，2003,23（1）：67733. 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