减少氮_磷损失_控制其对环境污染的途径

第1卷第4期

2000年8月 环境污染治理技术与设备

T echniques and Equipment for Envir onmental P ollut ion Control Vol. 1, No. 4

A ug . , 2000

减少氮、磷损失, 控制其对环境污染的途径

郑皓皓 胡晓军 贾敬业

(中国科学院生态环境研究中心, 北京100085)

摘 要

本文从改进肥料施用技术、改性现有肥料、阻断农田氮磷损失的物理和化学措施、运用生

物学途径以及植物生长调节物质等方面综述了当前提高氮、磷肥料利用效率, 减少氮、磷对环

境污染的途径。

关键词:肥料效率 氮磷损失 环境影响 途径

施肥对生态系统最直接的影响是增加土壤速效养分的含量、提高土壤肥力, 它是保持农田生态系统可持续发展不可缺少的措施。施肥可以增加农作物的产量, 提高土壤肥力和改良土壤, 改善农产品的品质及作物的抗寒和抗霜冻性能。1978年世界肥料会议认为, 发展中国家过去25年所增产的粮食, 约有30%是由于化肥的施用, 对谷物的增产, 约有50%是由于化肥的施用[1]。随着世界人口的持续增加, 对粮食的需求量不断上升, 因此化肥的用量也逐年增加。我国从1952~1987年化肥用量由7. 8万t 增加到2010万t, 粮食产量由1. 37亿t 增加到4. 02亿t, 到1997年, 化肥用量已达到3980. 7万t, 而粮食产量为4. 94亿t 。这表明化肥的投入明显虽促进了粮食增产, 但同时也可看出单位肥料的增产效率在明显下降。世界观察所的资料表明, 1950~1985年世界化肥用量增加了8. 3倍, 但谷物产量仅增加了1. 68倍[2]。这一现象一方面归因于施肥量和粮食产量之间存在着报酬递减, 另一方面则是由于相当一部分肥料通过各种途径损失了。肥料的损失既和环境条件、土壤特性、肥料类型及作物种类有关, 又和不科学的施肥方法及不合理的肥料结构等人为因素有关。这不但降低了肥料应有的效益, 而且给环境带来了负面影响。土壤中的氮素通过淋溶、渗漏进入地下水, 造成硝酸盐含量增加; 在许多地区, 农业面源贡献的N 、P 是造成河流、湖泊富营养化的重要因素; 作为温室气体之一的N 2O 有90%来源于农业活动和土地利用方式的转换过程。因此, 如何有效减少农田的氮、磷损失, 提高作物对肥料的吸收利用效率, 不仅具有经济意义, 而且具有重要的环境意义, 因而成为农业、土壤、生态、环境科学家共同关注的问题。本文从五个方面概述了当前减少肥料损失及其对环境危害的研究现状和所采用的控制措施。[3]

一、控制施肥总量, 改进施肥技术

在我国东南沿海高产区及经济发达地区, 如京郊、苏南、上海等地, 氮、磷肥施用过量。化肥并非施得越多越增产, 而是有一合适的限度, 称为经济适宜产量施肥量。获得最高产

量的施肥量并不是最经济的施肥量。赵定国[4]根据已有肥料用量与产量关系的试验数据计算证实, 在达到最大收获量之前, 有一个基本平产范围, 其施肥量很宽, 如施肥75kg/亩产量达到最高, 再施肥产量反而下降, 当施肥量减少至60kg /亩时, 施肥量比最高产时减少20%, 但产量仅降低了2%。另据顾主良[5]等研究, 在太湖地区稻麦轮作条件下, 麦季在氮肥施用量减少31. 8%的情况下, 并未显著降低作物产量, 作物未利用的氮减少50%左右。因此不能为了单纯追求高产而盲目大量施肥, 否则不但经济上不合算, 而且还加速了肥料的损失, 更加剧了对环境的污染。据报道, N 2O 的排放损失在施肥量超过最佳施肥量时急剧增加[7]。

氮肥深施可减少肥料的损失。旱地深施可以减少氨的挥发, 水田深施能防止硝化淋失和反硝化脱氮损失。吴敬民[6]等研究表明, 水稻基肥机深施和全层湿润施可比耙面肥节约标准氮肥17~18kg /亩, 增产9%~14%, 对当季的氮肥利用率可提高4. 4%~13. 0%。据报道, 氮肥在稻田表层撒施, 利用率为30%~50%, 而深施后, 利用率可达50%~80%[8]。

不同作物有各自的需肥规律, 尽可能在作物的需肥高峰期投入肥料, 少量频施氮肥, 采用叶面喷施氮肥, 使肥料中的养分最大限度地被作物吸收利用, 可以提高肥效, 减少养分的损失。这样在经济上可以最大限度地降低成本, 取得良好的经济效益, 在环境上, 可以最大限度地减少肥料对农田生态系统的污染, 取得较好的环境效益。

二、优化肥料结构, 推广配方施肥, 有机肥与

无机肥共施及进行秸杆还田

长期单一施用化肥会降低土壤的碳氮比, 改变土壤的酸碱度, 破坏土壤的团粒结构, 使土壤有机质分解加快, 从而降低了土壤的供肥能力。单一施用氮肥是导致土壤中NO 3-N 累积的重要原因。配方施肥是根据土壤、作物、肥料特性, 通过取土化验而制定作物最佳施肥配比、数量和施用方法, 一般可比常规施肥增产10%左右。N 、P 及N 、P 、K

-[9]合理配施可以使小麦和玉米产量高且稳定性好, 有效地降低土壤中NO 3N 的残留。

马茂桐研究了钾氮配施对氮渗漏损失的影响, 发现钾氮配施使氮的渗漏损失减少, 在油菜季减少了7. 4%~10. 3%, 黄麻季减少了7. 0%~21. 6%, 红薯季减少了27. 2%~29. 7%, 损失减少的原因是配施增加了作物对氮的利用[10]。

定位试验表明, 尿素与有机肥配施能明显改善土壤理化性状, 使土壤有机质和氮素的积累大于分解和作物吸收, 能较大幅度提高土壤速效P, 速效K 的供应量; 共施比单施尿素增产率高, 而且施用时间越长, 增产幅度越大[11]。有机肥可以显著增加土壤呼吸速率及微生物的数量, 同时提高了无机磷的溶解速率、有机磷矿化和土壤酶的活性[12]。姚槐应[13]的研究表明, 盆栽条件下配施有机碳可以明显增加土壤微生物中的C 、N 比, 提高黑麦草的干物重及吸氮量, 而其机理是增加了土壤中微生物的数量从而使氮素得到更好的转化和利用。

小麦、玉米秸秆中含有丰富的N 、P 、K 等元素, 按每亩小麦秸秆产量450kg 估算, 一亩小麦秸秆还田等于向土壤中补充了11. 8kg 碳铵、7. 5kg 过磷酸钙和8. 1kg 氯化钾[14]。-

现在仍在采用的堆放、焚烧等处理方法不仅污染环境, 而且也是对矿质营养资源的一种浪费。多年研究表明, 秸秆还田可以改善土壤结构, 固定和保存氮素养分, 促进土壤中养分的转化[15], 因此是一项值得推广的农业措施。

三、改性现有化肥, 使用控释/缓释肥料

现有的化肥品种如碳酸氢铵(约占60%) , 尿素(约占35%) 一般都是速效性的, 因其本身存在易分解, 易挥发的特性, 所以容易损失。而缓释或控释肥料则改变了化肥的上述特性, 即利用特定技术来控制肥料的释放模式和时期, 使肥料能在作物的整个生长期内缓慢释放。现在肥料改性方法有化学合成、肥料包膜等。化学合成长效氮肥主要有尿素与甲醛合成的脲甲醛、脲丁醛、烷基化尿素等。包膜肥料是利用具有半透性或不透性的物质来包被粒状化肥, 使肥料具有缓慢释放的功能。目前采用的包膜物质有石蜡、硫磺、树脂, 沥青、难溶性磷酸盐和各种聚合物(如聚乙烯、脂肪酸) 等。控释肥料养分释放缓慢, 能陆续为作物, 特别是生育期长的作物各生长阶段提供养分, 减少了肥料的不必要损失[16, 17]。尽管控释肥料的优点很多, 但由于其生产成本高, 限制了其在农作物上的应用, 目前世界控释/缓释肥料的使用比例还不到肥料总用量的1%。

针对各种肥料分解和释放的不同特点, 可以采用相应措施调节肥料的分解过程。高的土壤pH 条件会加速尿素的水解, 人们在研究中发现, 用Ca 2+、K +、Na +等阳离子作为尿素的添加剂, 可以防止土壤pH 的升高, 从而抑制了氨的挥发。将类似的添加剂在肥料的生产过程中与肥料结合, 也是肥料改性的一项措施。长效碳铵就是在普通碳铵的生产过程中加入氨稳定剂双氰胺(DCD) , 形成共结晶, 由于双氰胺具有铵稳定作用和硝化抑制作用, 因此其肥效期从30~50d 延长至90~110d, 氮素利用率从25%提高到35%。克服了普通碳铵挥发损失大, 氮素利用率低, 肥效期短的缺点[20]。现在一些控释肥料的研制和生产中同时添加了不同的化学抑制剂。[18, 19]

四、利用理化手段, 阻断肥料的淋溶与挥发途径

土壤中氮素的损失途径主要有:硝化过程产生的NO 3-, NO 2-的淋溶损失, 氨挥发和反硝化过程产生的N 2和N 2O 的气态挥发损失。只要阻止或减缓这些损失过程, 便可以使更多的氮素在土壤中保留下来供作物利用。目前研究较多的是利用脲酶抑制剂和硝化抑制剂, 分别是用来抑制尿素的水解过程和降低氮肥的硝化速率, 使土壤中的硝态氮浓度不至过高而造成损失。目前常用的脲酶抑制剂有氢醌(HQ) 、苯基磷二酰胺(PPD) 和丁基硫磷三酰胺(NBPT) 等, 常用的硝化抑制剂有双氰胺(DCD) 、硫脲等。在实际应用中, 应该确定抑制剂的最适用量, 如果过分抑制硝化过程也可能满足不了植株的生长需要。此外还有物理方法, 如向土壤中掺入活性炭纤维膜, 可以强化土壤的反硝化作用, 防止产生的硝酸盐对地下水的污染[22]。利用表面成膜物质来抑制水稻田氨的挥发, 是一项正在发展中的新技术。该方法利用表面活性剂既具有亲水性又具有疏水性的特点, 在稻田水面形成一层分子膜, 降低氨挥发的速率, 减少氮素的损失。目前的研究主要是选择成本低, 持效期长, 且生物稳定性好, 受风力影响小的表面成膜物质[23]。根据许前欣[24]等研究, 采用该方法可使氮肥的利用率提高6. 5%~11. 6%。[21]

五、提高作物自身高效利用土壤营养元素的能力

11改善作物基因型, 选育能高效利用土壤中营养元素的新品种

科学家们在研究中发现, 不同作物, 以及同种作物的不同品种吸收和利用N 、P 营养元素的能力存在着遗传上的差异[25, 26], 这使农业上筛选可以高效利用土壤中N 、P 等营养元素的作物品种成为可能。磷是不可再生的资源。由于施入土壤中的P 大量被固定, 不少土壤中的全磷高于有效磷几百倍。我国从70年代起, 农田磷素循环基本达到平衡, 但植物只能利用10%~25%左右, 近75%~90%的磷被固定于土壤之中。如果适当提高作物利用土壤中固定态磷的能力, 就能大大减少磷肥的施用量, 同时减少对环境的污染。李继云[28]等曾在500个小麦品种中筛选出了18个抗多种病害与倒伏的品种, 发现各品种对磷的利用能力有明显差异。一些品种的根系能分泌较多的有机酸类物质, 可以降低土壤pH 值, 从而可将土壤中处于固定态的磷等元素转化为作物可以吸收的形态。此外, 还发现小麦根系的有机酸总量与产量呈正相关。这表明, 通过选育新品种来有效利用土壤营养元素是节约施肥量, 减少肥料损失的有效途径之一。

在对氮素利用的研究中, 生物学家已经利用基因工程技术重组出可还原NO 3--N 与NO 2-N 的基因, 并尝试用它们来降低受硝酸盐和亚硝酸盐污染的物质中的NO 3-N 与NO 2-N 含量-[29]--[27], 但这方面的研究还处于起步阶段。因为杂交并非专一性地引入了控制高效性状的基因, 因此对控制高效吸收性状基因的定位研究是关键, 这方面尚需深入研究。可以相信, 随着分子生物学和基因工程技术的发展, 对控制N 、P 高效利用的基因进行定位, 并将其用特定载体导入正常植株细胞中, 实现基因的重组与表达, 使高产优质作物也具有高效利用营养元素的能力, 这是具有广阔前景的研究方向。

2. 运用植物生长调节剂改善作物高效利用土壤营养元素的基因表达

植物生长发育受遗传基因的控制, 而植物激素在一定程度上调节着基因的表达, 因此可用植物激素来调控植物器官的生长和功能。由于植物体内的激素含量低, 难于提取, 人们用化学方法合成许多具有植物激素功能的有机化合物, 称为植物生长调节剂。现在已被广泛应用于作物、果树、蔬菜、花卉、林木等各方面, 主要目的是促进生根和幼苗生长、矮化植株、促进果实的发育和成熟、增强作物的抗逆性, 增加产量和改善品质等。人们在研究中发现, 作物经某些生长调节剂处理后, 营养器官和生殖器官的N 、P 含量会有所提高。如小麦喷施/丰收宝0后, 提高了可溶性蛋白含量和籽粒蛋白质的含量[31]。郭强等[32]用ABT 生根粉处理玉米研究了ABT 对玉米化肥利用率的作用, 发现ABT 处理可以较为明显地提高N 、P 肥的利用率, 对P 的吸收促进作用更明显。应用生长调节剂提高肥效的机理一般包括以下几个方面:促进根系生长发育; 提高根系活力; 推迟叶片的衰老, 延长光合时间; 促进灌浆过程等[33]。可以看出, 植物生长调节剂是通过改善植物本身的生理机能来增加其对养分吸收的能力, 与其它提高肥效的方法相比, 使用生长调节剂可以看作是一个良好的措施, 具有操作简单、成本低、并兼有多种其它功能的特点。[30]

六、结 语

减少农田的N 、P 损失, 控制N 、P 对农田生态系统的污染, 对建立可持续发展的农田

生态系统具有重要意义。可持续发展农田生态系统的建立是经济效益和环境效益实现统一的过程。本文分别从施肥技术的改进、肥料改性及新型肥料的研制与生产、提高作物自身对肥料的利用能力等不同方面论述了减少N 、P 损失, 控制化学肥料污染的途径。但要建设高效无污染农田生态系统, 还必须综合考虑土壤、肥料、作物及气候等条件的特点, 运用系统工程建立完整的技术体系。这样才能有效提高肥料的利用效率, 在获得经济效益的同时, 又能减少因施肥而给环境带来的不利影响, 获得相应的环境效益。

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STRATEGIES OF INCREASING USE EFFICIENCY OF FERTILIZERS AND MINIMIZING THEIR ADVERSE

IMPACTS ON THE ENVIRONMENT

Zheng H aohao Hu Xiaojun Jia Jingye

(Research Center for Eco-Environm ental Sciences, Chinese Academy of Sciences)

ABSTRACT

The strategies of increasing fertilizer use efficiency and controlling the losses of N and P were discussed in this paper, which included proper fertilizer manag ement and practice, us -ing controlled-release fertilizers, physical and chemical methods blocking the pathw ays of fertilizer losses, selecting new crop genotypes and ex ploiting plant g row th regulators.

Keywords:fertilizer efficiency ; nitrogen and phosphor losses; environmental impact; strategy