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华北平原氮素投入与损失现状及其环境阈值分析—以河北省曲周县为例_农业论文

本站原创   发布时间:2018-12-27   [点击量:917]  


1.1 研究意义和背景

目前,我国氮肥过量施用现象已相当普遍,导致农业生产中肥料利用率明显下降[1]。据统计,我国主要粮食作物氮肥利用率,已由 20 世纪末的 35% ,下降到目前的 27%。过低的肥料利用率,不仅意味着资源和能源的巨大浪费,超量的氮肥还会通过各种途径进入环境,破坏生态平衡,对人类的健康生存构成严重威胁。因此,氮肥的合理施用,是实现作物高产优质高效与环境友好的重要前提。


华北地区是我国粮食主产区,研究表明,该地区小麦/玉米轮作体系农田氮素已处于大量赢 余状态。在保证国家粮食安全的前提下,从提高氮肥施用的生态效益和经济效益出发,探讨适应于不同生态条件下的氮肥合理施用模式及调控技术,成为现代农业发展中迫切需要解决的问题。脲酶和硝化抑制剂是农业生产中应用广泛的氮素调控剂,前者可以抑制尿素在土壤中的水解,达到尿素缓释长效目的,后者则可以通过抑制土壤硝化微生物硝化反应,延缓土壤铵态氮向硝态氮转化,减少肥料氮素损失。近年来,国内外学者对脲酶 /硝化抑制剂在农业生产中调控土壤氮素转化,减少土壤氮素损失,提高作物产量和氮肥利用率方面已有研究,但由于受土壤环境条件、作物体系等多方面因素的影响,对其应用效果的报道也不太一致。本研究以华北平原典型农田生态系统太行山前平原藁城地区和黑龙港流域深州地区为研究区域,通过一年两季的田间小区试验,研究了秸秆还田条件下小麦 /玉米体系不同氮肥管理措施对作物产量、氮素利用以及农田氮素输入输出平衡状况的影响,以期为华北平原小麦/玉米轮作体系氮肥的科学施用及氮肥资源的高效管理提供理论依据和技术支撑。


1.2 国内外研究进展及现状

堆肥化过程中,碳素和氮素是堆肥微生物的基本能量来源,有机碳消耗后转化为二氧化碳和腐殖质,而氮则以氨气的形式散失,或变为硝酸盐和亚硝酸盐,或被生物体同化吸收(袁芳等,2005 )。一般情况下,微生物每消耗25g有机碳,需要吸收1g氮素,微生物分解有机物较适宜的C/N为25左右,而堆肥中堆料的C/N比一般调节到20:1到40:1之间比较适宜(胡菊等,2005 ),最佳范围为25:130:1(李季和彭生平,2011)。C/N过高,微生物生长繁殖所需的氮素来源受到限制,微生物繁殖速度低,有机物分解速度慢,不利于堆体快速升温;腐熟进程慢会造成有机原料大量损失,腐殖质化系数低;并且还会导致堆肥产品C/N高,施入土壤后易造成土壤缺氮,从而影响作物生长发育(李季和彭生平,2011)。C/N过低,微生物生长繁殖所需的能量来源受到限制,发酵温度上升缓慢,氮过量并以氨气的形式释放,有机氮损失大,还会散发难闻的气味,同时还会影响堆肥的最高温度和高温持续时间(李健等,2008)。    


利用低碳氮比的蔬菜废弃物进行堆肥处理,需要添加富碳有机辅助物料调节混合物料的C/N。常用的碳源调理剂有木屑、稻壳、秸秆、锯末、废纸和回流堆肥等(Eklind et al. ,  2000;魏源送等,2002 ;  Moheer et al. ,  2005 ),也有文献报道采用园林废弃物、粉煤灰和酒渣等作为堆肥碳源调理剂(Higgins et al.,  1986;  Wong et al. , 2000;高定等,2002 )。Eklind et al. (2000)分别添加秸秆、树叶、硬木片、软木片、纸屑和泥炭,与有机生活垃圾混合堆肥,结果表明加入调理剂后提高了物料的C/N,高温期显著延长,有机质降解速率常数从每天0.025%提高到0.039%-0. I 26%。李承强等(2001)将木片、麦壳、玉米芯和回流堆肥加入污泥中,堆肥的温度才得以达到无害化程度,使堆肥过程顺利进行。席北斗等(2003)分别以干马粪、锯末、树叶和秸秆为调理剂进行厨余垃圾高温好氧堆肥的研究表明,干马粪和锯末能够同时增大堆体的孔隙度和提高物料的碳氮比,比树叶和秸秆更有利于实现厨余垃圾的高效快速堆肥。Maniadakis et al.(2004)对番茄、黄瓜、茄子、辣椒残株机械粉碎后进行体积为1 Om'的条状堆置,分别加入葡萄枝条、橄榄枝叶、橄榄压缩块调节C/N比,结果表明所有不加调节剂处理的最高温度和高温持续时间均低于相应添加调节剂的处理。


堆肥物料中的有机碳除水溶性有机碳外,还包括其它有机组分中的碳,并且不同有机组分的理化性质不同,对堆肥进程的贡献率也不同(徐路魏,2016)。在高温堆肥过程中,物料有机质含量呈现出逐渐下降直至稳定的变化趋势,且有机质中的不同组分在堆肥过程中被微生物利用的难易程度也有差异,这就使得不同有机组分的降解率也存在差异。随着水溶性有机碳组分的下降,残余的有机物更加难以被微生物继续降解,随之有机碳降解速率也明显缓慢(魏自民,2008 ) 物料中的木质素要在堆肥第56天以后才会出现略微的降解,并且在整个堆肥周期内木质素含量变化很小,而随着物料木质素含量越高,堆肥初期被微生物降解的有机碳所占比例越少(Francouet al. 2008 )。张园等(2011)的研究表明,堆肥过程中可溶性有机组分、半纤维素、纤维素和木质素的降解率分别为85%. 56%, 36%和27%,水溶性有机碳组分对堆肥过程中物料减量化贡献最大(Zhang et al, .2011)。张陇利(2014)在不同物料联合堆肥的研究中同样证实,在堆肥过程中不同有机组分降解顺序为水溶性有机质>半纤维素>纤维素>木质素,并且初始物料中水溶性有机碳和纤维素含量越高,物料减量化程度越高,越易被降解。


由温度变化规律可知,水溶性有机碳对应的易被生物降解的有机质含量对于促进堆体升温,加快发酵进程具有重要作用,而高温期的维持阶段纤维素和半纤维素逐渐被降解。因此,想要实现堆温超过70℃并持续一定的时间,与物料中不同有机质组分密切相关。


有机质是堆肥过程中微生物赖以生存的重要物质,适宜的有机质是堆肥进程正常进行的重要保证(李吉进等,2004)。高温堆肥最适宜的有机质含量为20%-80%,有机质含量过高或过低都不利于堆肥的快速进行。由于堆肥原料中有机质由多种组分构成,在综合考虑生物质的分类及各类有机质被微生物降解特异性的基础上,将其分为4部分:糖类和淀粉类等、纤维素、半纤维素、木质素,纤维素、半纤维素和木质素又统称为木质纤维素( Kaiser et al. , 1996 )。糖类、有机酸、脂类、蛋白质等有机质可以被微生物直接利用(杜鹏祥,2015 )。木质纤维素是堆肥物料中除易降解有机质外的其他成分,对堆肥的腐熟过程起到限速作用(Kaiser et al. }  1996 ) a De Guardia etal. (2010)通过对不同固体废弃物的堆肥试验证实,不同物料在堆肥过程中的温度变化存在差异,温度变化可以通过生物可降解有机质含量进行判断,进而通过分析表明生物可降解有机质含量可以通过干物质、有机质、总碳、化学需氧量(COD)等物料变化或者是通过氧气消耗量或二氧化碳产生量等气体变化进行判断。物料不同,有机质组成及降解特点均存在差异,对温度变化的影响也存在影响。因此在思考如何提高堆体的温度时,需要考虑有机质不同组分的比例及其对升温的影响。


1.3 研究目标

本文重点讨论华北平原土壤中与淋失和流失有关的氮变动。特别强调了氮损失的情况,并分析了产生氮损失的因素,农田中的氮损失主要取决于两个条件:土壤中存在可淋溶的氮;有剩余水将溶质运送出田地。换句话说,氮损失部分取决于水文条件,部分取决于土壤中生物、化学和物理过程之间的相互作用。农业活动可能影响所有这些过程,因而,如下活动也影响氮损失:向土壤中增加氮;从土壤中移去氮;干预土壤有机物的转化;干预土壤水文过程,以控制氮肥的使用情况,为华北平原的环境和可持续发展提供技术参考依据。


2、华北平原氮肥利用效率及氮损失途径分析

  2.1氮肥对生态环境的影响

我国是化肥使用大国,1996年我国化肥施用量3800万吨,居世界第一位,单位面积用量居世界中等水平,但我国化肥利用率平均只有30%~35%。也就是说,每年有1100多万吨的肥份流入水体,其中氮肥损失率最高。这不仅造成了巨大的经济损失,而且对环境产生了严重污染,对水体、土壤、大气、生物及人体健康造成严重危害。其主要表现为:


(1)造成江河湖及地下水源的污染。


据有关资料表明,农田径流带人地表水体的氮占人类活动排入水体氮的51%,施氮肥地区这种氮流失比不施地区高3~10倍。据1983~1987年城市地表水的环境监测资料,氨氮增加了2.1倍,亚硝酸盐增加了1.4倍。据调查,全国532条河流中,82%受到不同程度的氮污染,大江大河的一级支流污染普遍,支流级别越高则污染越重。这些河湖水域中氨氮和硝酸盐都是主要污染物,富营养化日趋严重,同时造成地下水污染。


(2)威胁近海生物。


大量氮肥流失为“赤潮生物”的迅猛增殖提供了丰富的氮营养条件,已成为赤潮的主要诱发因素之一。赤潮的发生,使海域生态系统遭到破坏,鱼类、贝类中毒或死亡,并通过食物链危害人类健康。我国天津近海渤海湾、连云港近海海域、大连湾海区及南海珠江口人海处等一些海域氮污染比较严重,已达到富营养化程度。近几年屡有赤潮发生,已引起人们普遍关注。


(3)影响人类健康。


原苏联科学家发现,施氮过多的蔬菜中硝酸盐含量是正常情况的20~40倍。人或牲畜食用硝酸盐含量的植物后,硝酸盐在体内转化生成亚硝酸盐与各种胺类反应,会产生亚硝酸胺,同时亚硝酸盐容易与血红素中的铁离子结合,导致高铁血红素白血症,使人们出现行为反应障碍、工作能力下降、头晕目眩、意识丧失等症状,严重的还危及生命。饮用水、食物中硝酸盐超过一定含量,人食用后会受到很大毒害。在人体内硝酸盐易转化成亚硝酸盐与仲胺合成产生毒害性很强的亚硝胺类致癌物,硝酸盐、亚硝酸盐对人体健康具有致癌、致畸、致突变的严重危害性。因此,世界卫生组织建议饮用水硝酸盐不得超过11.3毫克/升。在我国华东沿海等一些肝癌高发区调查发现,当地及其附近区域的土


壤、地表水、地下水因大量施用氮肥,污染比较严重。


(4)破坏土壤结构。


长期大量地使用氮肥特别是大量施用铵肥,铵离子进人土壤后在其硝化作用的过程中释放出氢离子,使土壤逐渐酸化。铵离子能够置换出土壤胶体微粒上起联结作用的钙离子,造成土壤颗粒分散,从而破坏了土壤团粒结构。大量施用氮肥,给土壤引入了大量非主要营养成分或有毒物质,如硫铵中的硫酸根离子和氯铵中氯离子,或尿素中的有毒物质缩二脲,它们对土壤微生物的正常活动有抑制或毒害作用。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的释放迁移或使之毒性增强,使微生物和蚯蚓等土壤生物减少,还加速了土壤一些营养元素的流失。


(5)加重大气污染。


与大气污染有关的营养元素是氮,氮对大气污染是一种自然现象,但因人类的施肥活动而得到大大加强。1949年我国投入农田的总氮量仅162.2万吨,其中化肥氮仅0.6万吨。到1983年使用总氮量达1615.8万吨,增加了近10倍,其中化肥氮达到1192.5万吨,增加了1988倍。1990年化肥氮使用量达到1752万吨。如此大量投入,会加重对大气的污染。施肥对大气的污染主要有NH3的挥发、反硝化过程中生成的NOx(包括NO和NO2等)、沼气(CH4)、有机肥的恶臭等。


2.2华北平原氮肥利用效率分析

近年来,在华北平原粮食主产区进行的田间试验结果,其中氮肥利用率的研究结果:

2018122715215957

总的来说,氮肥当季利用率:小麦--43.8%,水稻和玉米--30%左右。


经过调查,华北平原氮肥损失途径有:氨挥发过程是指NH3从土壤植被系统向大气的挥发过程。草地生态系统中,NH:至少可以通过四种不同的途径进入大气:(1)直接从植物体释放;(2)土壤有机质和植物残体分解;(3)从肥料和动物排泄物挥发;(4)通过生物残体燃烧排放。

(全文略)

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