過量施用氮肥不僅無助于糧食增產(chǎn),，反而會引發(fā)對環(huán)境的污染。在中國現(xiàn)有集約化農(nóng)業(yè)體系中減少約三成氮肥施用量,，不僅能維持糧食高產(chǎn),，而且能夠有效降低氮肥對環(huán)境的污染。由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授巨曉棠和張福鎖領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊取得的這一最新研究成果,，刊登在2月17日出版的美國《國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上,。
“過量施用氮肥造成‘雙輸’的后果已經(jīng)持續(xù)了近20年。”巨曉棠表示,。
巨曉棠介紹,，在改革開放后,，為解決土壤氮肥力不高、糧食產(chǎn)量低的問題,，不管是政府,、科學(xué)家還是推廣部門，都想辦法多造氮肥和多施氮肥,。到上世紀80年代末,，中國已經(jīng)成為世界上氮肥消費最多的國家，在占世界9%的耕地上消耗了全世界氮肥的30%以上,。近20年來,，集約化農(nóng)作區(qū)氮肥施用量越來越高，農(nóng)民形成了“施肥越多越增產(chǎn)”的傳統(tǒng)觀念,，造成了集約化農(nóng)作區(qū)普遍過量施肥問題,，因此導(dǎo)致的環(huán)境中硝酸鹽、一氧化二氮（溫室氣體）和氨排放等污染問題已經(jīng)引起國內(nèi)外的普遍關(guān)注,。
以太湖為例,，水體中不斷增加的氮素造成富營養(yǎng)化，主要是由于農(nóng)業(yè)污染源和生活污水排放造成的,。已有研究證實,，目前太湖地區(qū)農(nóng)田的氮肥施用量一般在每公頃400～600公斤，而作物對氮素的當季利用率只有1/3左右,，絕大多數(shù)氮素肥料隨著地表徑流的作用匯入地表水中,。環(huán)境保護部據(jù)此推論，我國淮河,、海河,、遼河、太湖,、巢湖,、滇池的污染，農(nóng)用化學(xué)品的貢獻率占1/2,。
而在華北平原,，過量氮肥的施用則造成了地下水中硝酸鹽污染。目前,，華北平原許多地方,，地下水中硝酸鹽含量已經(jīng)遠遠超過了20mg/L這一國家飲用水衛(wèi)生標準，并且已有多項研究證實,，目前這種污染正由點污染,、條帶狀污染向面上擴散，由淺層向深層滲透。
使用氮肥無可置疑,。由于中國大多實行兩季輪作的復(fù)種耕作方式,，只有不斷在農(nóng)田中補充氮素，才能保證糧食的高產(chǎn),，中國糧食能夠自給自足也有賴于此,。但有關(guān)統(tǒng)計表明，1977年至2005年期間,，中國每年的糧食產(chǎn)量已經(jīng)從2.83億噸增加到4.84億噸,，增長了71%；農(nóng)作物的單位產(chǎn)量也從2348千克/公頃增長到4642千克/公頃,，增長了98%,。與此同時，氮肥的應(yīng)用則從707萬噸增加到2621萬噸,，增長了271%，遠遠超過前兩者,。
隨著氮肥用量的持續(xù)增加,，氮肥的增產(chǎn)效果逐漸下降，而環(huán)境污染卻日趨加重,。氮肥的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)已成為全球科技界,、環(huán)保界和政策制定者共同關(guān)心的熱點問題。巨曉棠,、張福鎖等人最新發(fā)表的這項研究成果,，就是想要告訴人們一個樸素的道理：氮肥施用，過猶不及,。
“我們要解決的問題說起來很簡單——就是定量氮肥的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng),。其中包括農(nóng)作物吸收了多少氮肥，它的總損失是多少,，損失的途徑是什么,，產(chǎn)生的環(huán)境影響如何，土壤中殘留多少,，殘留氮素的后效又是什么,。”巨曉棠對記者表示，“但要在同一生態(tài)區(qū)定量所有這些過程其實很難,，為此,，我們通過應(yīng)用世界先進的觀測技術(shù)方法進行了長期的試驗研究。”
這一最新研究成果的取得其實是在過去15年研究積累的基礎(chǔ)上不斷深入的結(jié)果,。巨曉棠告訴記者,，在國家自然科學(xué)基金重大項目“主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素行為與氮肥高效利用的基礎(chǔ)研究”和中德BMBF合作項目“華北平原作物高產(chǎn)、高生產(chǎn)力條件下環(huán)境可持續(xù)的農(nóng)業(yè)研究”的支持下，課題組與中國科學(xué)院南京土壤研究所朱兆良院士課題組合作,，在華北小麥—玉米輪作和太湖地區(qū)水稻—小麥輪作體系開展有關(guān)工作,。這兩個地區(qū)是中國集約化農(nóng)作區(qū)最具代表性的地區(qū)。
研究結(jié)果表明,，在現(xiàn)有農(nóng)民經(jīng)驗耕作的模式下,，太湖地區(qū)水旱輪作的周期性循環(huán)造成氮素不易保持，更容易損失,，農(nóng)民在進行復(fù)種的時候,，第二種作物幾乎利用不到來自上一次種植殘留的氮。而華北平原的農(nóng)田土壤更容易保持氮,，下一季作物還能利用上,。這意味著華北平原降低氮肥使用量的空間更大，相應(yīng)地也能減少因氮肥過量施用造成的環(huán)境污染,。
對于優(yōu)化施氮數(shù)量,，論文最后也給出了結(jié)論：在華北平原的小麥—玉米輪作和太湖地區(qū)的稻麥輪作體系中，每公頃單季施用氮肥以120～200千克左右為宜,。巨曉棠告訴記者,，基于研究團隊張衛(wèi)峰博士開展的大量農(nóng)戶調(diào)查得出的實際情況是，“農(nóng)民在經(jīng)驗耕作的模式下,，單季每公頃的氮肥投入在300千克左右,，多投的100～180千克左右的氮素大部分都流失到環(huán)境中去了。”
不過巨曉棠同時強調(diào),，以上是基于華北平原和太湖地區(qū)兩個典型的集約化農(nóng)業(yè)體系進行研究得出的結(jié)論,，有關(guān)數(shù)字可能高于全國平均水平，也未必適用于其他地區(qū),。“中國地域廣闊,，具體的氮肥優(yōu)化施肥量還需因地制宜，在科學(xué)測定農(nóng)田氮肥肥力等基礎(chǔ)上才能得出具體結(jié)論,。”
由于這一研究成果系統(tǒng)解析了單位化肥氮進入農(nóng)田后農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng),，揭示了氮肥損失機理，提出了在高產(chǎn)條件下如何實現(xiàn)低環(huán)境代價的技術(shù)途徑,，為集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如何實現(xiàn)資源高效和環(huán)境友好提供了理論依據(jù),。美國科學(xué)院院士、著名生態(tài)學(xué)家David Tilman給予了高度評價：“該文對氮肥農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)理解取得了重要進展,。”美國科學(xué)院院士Pamela Matson評價說：“這是一篇非常優(yōu)秀的,、我多年來閱讀過的印象最深刻的論文之一。作者系統(tǒng)研究了中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中兩個重要的集約化輪作體系（小麥—玉米,，水稻—小麥）中的氮素平衡,。其特色是應(yīng)用國際上的先進技術(shù)對氮素投入和損失途徑逐個進行了系統(tǒng)詳細觀測，這是非常了不起的工作。更為重要的,，他們用多年的長期試驗證明了在保證產(chǎn)量的前提下,，優(yōu)化施氮仍可極大降低氮肥的環(huán)境影響，且能節(jié)約氮肥投入成本,。”（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦原始出處：
PNAS February 17, 2009, doi: 10.1073/pnas.0813417106
Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems
Xiao-Tang Jua,1, Guang-Xi Xingb, Xin-Ping Chena, Shao-Lin Zhangb, Li-Juan Zhangc, Xue-Jun Liua, Zhen-Ling Cuia, Bin Yinb, Peter Christiea,d, Zhao-Liang Zhub and Fu-Suo Zhanga,1
aKey Laboratory of Plant and Soil Interactions, Ministry of Education, China, and College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
bState Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
cCollege of Agricultural Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China; and
dAgri-Environment Branch, Agri-Food and Biosciences Institute, Belfast BT9 5PX, United Kingdom
Abstract
Excessive N fertilization in intensive agricultural areas of China has resulted in serious environmental problems because of atmospheric, soil, and water enrichment with reactive N of agricultural origin. This study examines grain yields and N loss pathways using a synthetic approach in 2 of the most intensive double-cropping systems in China: waterlogged rice/upland wheat in the Taihu region of east China versus irrigated wheat/rainfed maize on the North China Plain. When compared with knowledge-based optimum N fertilization with 30–60% N savings, we found that current agricultural N practices with 550–600 kg of N per hectare fertilizer annually do not significantly increase crop yields but do lead to about 2 times larger N losses to the environment. The higher N loss rates and lower N retention rates indicate little utilization of residual N by the succeeding crop in rice/wheat systems in comparison with wheat/maize systems. Periodic waterlogging of upland systems caused large N losses by denitrification in the Taihu region. Calcareous soils and concentrated summer rainfall resulted in ammonia volatilization (19% for wheat and 24% for maize) and nitrate leaching being the main N loss pathways in wheat/maize systems. More than 2-fold increases in atmospheric deposition and irrigation water N reflect heavy air and water pollution and these have become important N sources to agricultural ecosystems. A better N balance can be achieved without sacrificing crop yields but significantly reducing environmental risk by adopting optimum N fertilization techniques, controlling the primary N loss pathways, and improving the performance of the agricultural Extension Service.
