提高氮肥利用率问题-朱兆良

,提高氮肥利用率问题朱兆良中国科学院南京土壤研究所，南京，210008025-86881058,zlzhu2013年10月10日,基本情况,农田土壤普遍缺氮，施用氮肥是保障我国粮食安全和农产品供应的关键措施人多地少，必须力争高产更高产化肥（包括氮肥）发挥了重大作用，也出现了环境问题提高氮肥利用率和增产效果，降低损失和对环境的负面影响是当务之急，也是一个世界性的问题,一、化肥对我国农业生产的的贡献,1970年代以来，化肥N（包括氮肥和复合肥中N）的施用量快速增加，对保障粮食安全发挥了重要作用约在1998年以后二者的波动大,化肥氮施用量与粮食产量的关系,19491998年的50年中，粮食总产化肥N总施用量线性相关系数r=0.977（n=50,P0.01）回归系数b=14.5,粮食总产化肥氮施用量：高度相关，但回归系数逐年降低,二、我国的氮素环境污染,1、地表水体污染日益严重1980-1989年，长江、黄河和珠江输出的溶解态无机氮97.5万吨/年（Duan&Zhang,2000,NutrientCyclinginAgro-ecosystems,57(1)13-22)近海水体赤潮频发，2004年全海域共发现赤潮96次，累计发生面积26630平方公里。(国家环保总局,2004，中国环境状况公报摘要）湖泊富营养化迅速上升。2000年，全国131个湖泊中，51富营养化（范成新等，2010，CCICED中国农业面源污染控制对策，p72）,例如：北方5省20个县800份地下水样中，45%超过欧盟标准，20%超过中国二类饮用水标准，大棚蔬菜区超标率显著高于大田区（巨晓棠等，2010，主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究，p56）环渤海地区（7省市）地下水体硝酸盐氮含量总体状况：2005年调查结果，1139个地下水样品，NO3-N的平均含量为11.9mg/L，其中约34.1超过世界卫生组织的饮用水标准(10mg/L)，以菜地的超标率为最高（赵同科等，2007，环渤海七省(市)地下水硝酸盐含量调查。农业环境科学学报，26(2)：779-783）,2、地下水硝态氮含量升高,3、N2O的排放国际注目,据IPCC估计，化肥氮的N2O排放系数：旱地为1，水田0.3。我国是世界上最大的氮肥消费国，N2O的排放国际注目,亚洲地区农田N2O排放强度,4、大气湿沉降氮量增高-农田的环境来源氮量增加,1980年代，国内部分结果：919.5kgN/ha.yr（朱兆良，1992）,加之地表水含氮量的增高，当前，太湖地区稻麦两季中，由干湿沉降和灌溉水带入的氮量已多达89kgN/ha，成为农田自然供氮量中重要的组成部分（邢光熹，2010）。,土壤有机N+固定态铵,NH4+NO3-,NH3,作物N,地下水,地表水,径流,淋洗,固持固定残留,N2+N2O,损失,氨挥发,硝化-反硝化,作物吸收,化肥N,分为3个部分：作物吸收，土壤中残留，损失,三、我国农田中化肥氮去向的定量评估,1、当季作物利用率差减法:(施氮区作物地上部分N无氮区作物地上部分N)/施N量）%,评价农学效应的依据1990年以前国内784个田间小区试验数据统计结果当季作物（水稻、小麦、大麦、元麦）的氮肥表观利用率平均：2841%据此估计全国农业生产中氮肥表观利用率：3035%，高产地区30%,近年来氮肥利用率的研究结果,近些年在全国粮食主产区进行的1333个田间试验结果,（张福锁等,2008）,闫湘,2008（博士论文）：氮肥当季利用率：小麦43.8，水稻和玉米30左右,TJKrupniketal.,2004，SCOPE65，pp193-207.全球不同谷类作物系统中氮肥的当季表观利用率（籽实+秸秆）：47%如果该系统的氮素含量已处于稳恒态，则其余的53%可以视为损失率。与此结果相比，我国氮肥的利用率偏低，损失率相近；近年来，我国农业氮素平衡中氮的盈余量不断增多，土壤含氮量尚未达稳恒态,我国农田中氮肥利用率与世界的比较,15N田间微区试验中的残留：1535，但不是净残留长期过量施用氮肥，土壤中矿质N、特别是旱作土壤中NO3-N明显积累例如，华北农田土壤0-90cm土层中NO3-N积累量（kgN/ha）：小麦播前：变幅21987，平均：198(n=535)玉米播前：变幅25663，平均：184(n=589),2、氮肥去向土壤中残留,（陈新平，2007）,3、氮肥去向氨挥发,田间微气象学法测定结果：我国几个主要农作区的田间观测：氨挥发损失约占施N量的140（尿素和碳铵）在有利于氨挥发条件下，其量可占氮肥总损失的70，成为主要损失途径加权平均，初步估计氨挥发约为施氮量的11,氨挥发的最近估算结果,Yanetal.,GlobalChangeBiology,2003,9:1080-1096尿素：水田23.5%；旱地13.7%碳铵：水田34.5%；旱地20.5%加权平均：17.6%YSZhangetal.,JofEnvironmentalManagement，2011,92:4804932005年中国氮肥的氨挥发：13.2%,硝化过程中产生微量N2O，主要是环境意义,从农学效应来看，主要是反硝化引起的氮素损失无满意的测定方法；阻碍了田间定量研究表观法：即差减法（15N微区试验中的气态总损失%氨挥发%）误差大表观硝化-反硝化损失：平均34%，其中N2O-N为1.1%，其余为N2（无环境影响）,4、氮肥去向:硝化-反硝化损失,NH4+,NO3-,N2,硝化作用,反硝化作用,N2O,N2O,国内观测结果（1990年以前）：淋失量约占施N量的119%全国化肥N的淋失量：暂定2（未包括土壤N、有机肥N的淋失量）依据:（1）有较大面积的干旱、半干旱地区（2）全国有效灌溉面积仅约占1/3（3）剖面中NO3-N下移时可发生反硝化,5、氮肥去向淋失损失,资料很少苏南稻麦轮作区5点平均：占氮肥用量的约6（未扣除土壤及有机肥料来源的暂且估计全国的径流损失N为施氮量的5（未计入土壤N的径流损失）,6、氮肥去向径流损失,总损失52，其中进入环境的活性氮量为19；未知项13%，可能包括土壤中残留以及其他各项的误差,（国内15N田间微区试验资料的汇总,存在着较大的不确定性）,我国农田中化肥氮去向（Zhu&Chen,2002）,当季利用率低3035损失严重52（关系到农学效应）其中活性氮排放率19%（关系到环境效应）既影响增产效果、又加重环境污染提高氮肥利用率和农学效应的潜力主要在于减少损失降低氮肥对环境的影响在于降低活性氮的排放和避免矿质氮在土壤中的大量积累,四、我国氮肥利用率低、损失大的原因分析,1、粮食安全保障压力大为保证粮食安全，很多高产地区追求“高产、再高产”，过量施用氮肥现象非常普遍，导致利用率低、产量达不到预期，且影响环境质量,2005年蔬菜和瓜类播种面积1992.8万公顷，占农作物总播种面积的12.8%，总产6亿多吨（中国农业年鉴，2006）蔬菜生产中过量投入水肥的现象非常普遍，一般超过450kgN/ha，氮肥利用率很低，设施蔬菜地中不到15%（张福锁等，2008，我国肥料产业与科学施肥战略研究报告，p8，p34）1994-2005年山东寿光，每季保护地蔬菜投入的化肥氮高达817-1829kgN/ha（张福锁等,2008,CCICED,中国农业面源污染控制对策,p47）,2、蔬菜种植面积大增,氮肥施用量高,利用率低,主要是：片面追求高产，过量施用氮肥过分强调促早发，作物生长早期施氮量偏多，此时作物根系吸收能力弱，特别是表施，利用率低、损失大偏施氮肥，养分比例不协调存在水分胁迫：干旱或渍涝。等,3、施用量和施用方法不尽合理,土壤有机N+固定态铵,NH4+NO3-,NH3,作物N,地下水,地表水,径流,淋洗,固持固定残留,N2+N2O,损失,氨挥发,硝化-反硝化,作物吸收,化肥N,五、减少氮肥损失、提高利用率的原则和技术,原则：1利用作物根系对矿质氮的竞争吸收作用2尽量避免土壤中矿质氮的过量积累3针对具体条件下氮肥的主要损失途径采取相应的对策,减少氮肥损失、提高利用率的施用原则和技术1利用和提高作物根系对矿质氮的竞争吸收作用消除影响生长的限制因素，在作物生长旺盛时期施肥，以提高和利用作物对矿质氮的竞争吸收能力培育壮苗、平衡施肥、水肥结合（滴灌等）、前氮后移，新品种2尽量避免土壤中矿质氮的过量积累确定适宜施氮量，分期施用，缓/控释肥料等3针对具体条件下氮肥的主要损失途径采取相应的对策硝化抑制剂、脲酶抑制剂、深施、氮肥形态等应考虑不同损失途径之间的联系,(20032006年25个试验的平均产量),1、确定适宜施氮量是达到高产高效环保的关键,利用率,产量,损失率,随着施氮量的增加，产量呈抛物线增高，氮肥的利用率和增产效果递减，损失率则递增确定适宜施氮量的依据。达到高产高效和环保的目的,施氮量与产量、氮肥利用率和损失率的关系,Xiaetal.,2012,SustainabilityScience,氮肥适宜施用量：需要根据产量、肥料成本和环境成本，综合权衡和确定（以太湖地区水稻为例）,氮肥的产量收益,扣除氮肥成本后的收益,氮肥成本,扣除氮肥和环境成本后的净收益,环境成本,已提出的确定适宜施氮量的方法,1）“区域总量控制与田块微调相结合”的推荐方法2）土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术：将“区域控制与田块微调相结合”的理念与国际上精准农业技术相结合，研究和发展适合我国国情的土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术,2、施用时期栽培上：“前氮后移”15N尿素及硫铵水稻田间微区试验利用率损失率基肥表施或混施22522453生长盛期表施55692030利用率提高1540个百分点损失率降低1623个百分点,3、深施：实践中如何大面积实施、如何与作物早发相配合？15N-尿素的水稻田间微区试验结果利用率损失率表施及混施22453953粒肥深施55751321利用率提高2337个百分点损失率降低1730个百分点，损失越高的田块，深施的效果越大，r=0.86(n=11),研发氮素利用率高、损失少、环境友好的缓/控释肥料，对节约资源、减少施肥次数、实现农业生产与生态协调发展、节本增效和节能减排等方面，均具有重要的意义。近年来，对控释肥料的增产效果和降低氮素损失的作用开展了许多研究。其中，肯定性的报道比较多，包括节氮/增产、降低氨挥发、淋洗和径流损失，但在有的研究中效果不太稳定。可能是受到气候、土壤、作物种类、栽培条件，以及施氮水平和方法等的影响，对此需要继续研究。,4、缓/控释肥料,我国缓控释肥料发展应面向大田作物为此必须符合经济效益、农学效应和环境效益相统一的要求；1、肥料养分利用率高、损失率低，氮素供应曲线与作物高产需求基本吻合2、添加物无污染，符合环保的要求3、成本低缓/控释肥与速效氮肥应是优势互补,5、硝化抑制剂硝化过程中有微量N2O逸出，所形成的硝态氮易于通过反硝化和/或淋洗而损失Nitrapyrin(CP，N-Serve)，ASU，ATC等，近些年的DMPP；国内多用DCD，近来又开始推广CP研究表明，添加硝化抑制剂能减少N2O释放通量，降低NO3-淋失的潜势，提高氮肥的增产效果。但在抑制硝化作用的同时，可能促进氨挥发，应予关注。,6、脲酶抑制剂主要是PPD和NBPT，国内采用氢醌脲酶抑制剂与硝化抑制剂的联合使用稻田试验：脲酶抑制剂主要是减少氨挥发，氨挥发潜力越高时其效果越大,六、平衡施肥（测土配方施肥）,平衡施肥：消除氮素以外的其他养分限制因素，以保证作物健康生长，是提高肥料利用率和增产效果的基础,据调查，过去十年间，复混（合）肥净增量占化肥净增量的68%现有配方3.2万个以上但与测土配方施肥推荐的配方相匹配的却不足3%在某些情况下，不合理的复混肥配方不利于磷钾肥的合理施用目前有的高产地区农田土壤中，速效磷的含量明显增高，有的已经超过污染环境的阈值（张福锁等，2010）,目前在大面积上实现平衡配方施肥的技术关键：养分分区管理/大配方,小调整（消除其他养分限制因素）-符合我国农村分散经营、农技力量薄弱的实际，易于推广使用，-也有利于复混肥规模化生产的要求