2021-04-09 14:20:59
在北京市平谷區(qū)劉家店鎮(zhèn)寅洞村的一處大桃種植基地，工作人員使用施肥機為桃樹施有機肥。 資料圖
我國是一個農(nóng)業(yè)和人口大國，人均耕地面積僅為1.38畝，相當(dāng)于世界平均水平的40％。面對巨大的糧食需求壓力，化肥的施用在我國作物產(chǎn)量提高和糧食安全保障方面發(fā)揮了重要作用，使我國創(chuàng)造了在人多地少的人口大國實現(xiàn)糧食自給的奇跡。
國內(nèi)外肥效試驗研究顯示，化肥對糧食作物產(chǎn)量的貢獻率平均達50％-60％，其中化肥對我國水稻、小麥和玉米的增產(chǎn)貢獻平均分別為40.8％、56.6％和46.1％。由于化肥的顯著增產(chǎn)作用，1978年至2015年，我國農(nóng)用化肥用量（折純）從884萬噸增長至6022萬噸，增幅超過5.8倍。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，自2000年以來我國蔬菜和水果的消費量也迅速攀升，相應(yīng)蔬菜和水果種植的化肥投入量也迅速增加。調(diào)查資料顯示：我國蔬菜和水果種植的化肥用量已接近我國農(nóng)用化肥總量的40％，種植過程中化肥養(yǎng)分用量平均達到1092千克/公頃，是全國農(nóng)作物化肥平均養(yǎng)分用量的3.3倍；主要設(shè)施蔬菜種植過程中氮、五氧化二磷和氧化鉀施用總量平均分別是各自推薦量的1.9、5.4和1.6倍，存在化肥過量施用問題。
科學(xué)規(guī)律告訴我們，當(dāng)化肥施用量達到一定程度后，繼續(xù)增施的部分對作物產(chǎn)量的貢獻存在報酬遞減規(guī)律（增施部分的產(chǎn)出逐漸下降），從而導(dǎo)致肥料利用率隨著化肥施用量的增加而持續(xù)下降。加之目前仍然存在肥料品種不匹配、施肥方式落后等問題，施入土壤的氮和磷等營養(yǎng)物通過地表徑流和滲漏等途徑進入地表和地下水環(huán)境，造成了一定的面源污染問題。
化肥的不合理施用對環(huán)境有何影響
肥料施入農(nóng)田后有三個去向：作物吸收、土壤殘留和排放進入環(huán)境，其中進入環(huán)境的部分是導(dǎo)致面源污染的主要原因。土壤中的肥料可通過多種途徑進入環(huán)境，如氮肥可通過氨揮發(fā)（以氨氣形式從土壤表層或水面逸散至大氣環(huán)境）、硝化和反硝化作用（氮素的一系列氧化還原反應(yīng)）、地表徑流和淋溶（養(yǎng)分隨水在土壤表面遷移或在土體中下滲）等途徑進入大氣和水體，磷肥可通過徑流進入水體。土壤中殘留的肥料過多，也會逐漸導(dǎo)致土壤次生鹽漬化和土壤板結(jié)等問題。綜合多年來的研究顯示：施入土壤的氮肥以氣態(tài)形式損失的比例占施氮量的30％左右（包括氨氣、氮氧化合物和氮氣），通過徑流和淋溶的損失占2％-5％，但在某些條件下，徑流和淋溶占比可達到8％-10％，在蔬菜地，占比可達20％。與氮相比，磷在土壤中相對比較穩(wěn)定，且移動性差，施入土壤中的磷大部分會被吸附或固定為難溶性磷，因此，通過肥料施入農(nóng)田的磷再離開農(nóng)田進入環(huán)境的量比較少，大概有1％的磷以水土流失的方式，通過徑流和淋溶途徑離開農(nóng)田。對于鉀肥，其在土壤中的形態(tài)較為復(fù)雜，施入土壤后約有20％被土壤固定成為緩效鉀，離子態(tài)鉀移動性強，可通過淋溶進入環(huán)境，普遍認(rèn)為其環(huán)境排放量介于氮肥和磷肥之間。雖然鉀素離開農(nóng)田進入環(huán)境的量僅次于氮素，但其對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響很小。由此可見，對生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重影響的肥料養(yǎng)分主要就是氮和磷，尤其是氮。氮肥過量施用帶來的環(huán)境問題得到了廣泛關(guān)注。
總體而言，華北平原區(qū)、南方平原區(qū)和四川盆地是我國農(nóng)田氮磷排放的重點區(qū)域。對于氮素來說，南方平原區(qū)以地表徑流排放為主，華北平原區(qū)以地下淋溶排放為主，四川盆地也是地表徑流排放為主，其次主要是氨揮發(fā)和一氧化二氮排放。磷素以地表徑流排放為主。
科學(xué)施肥是實現(xiàn)化肥減量增效與生態(tài)環(huán)境保護雙重目標(biāo)的根本途徑
養(yǎng)分流失受施肥量、施肥時間、降雨量、降雨強度等因素影響。施肥量越高，養(yǎng)分流失的風(fēng)險就越大；降雨量越大、降雨強度越高，養(yǎng)分流失量就越大。施肥后一周內(nèi)是養(yǎng)分流失的高風(fēng)險期，一周以后則風(fēng)險較低。因此，根據(jù)養(yǎng)分流失的發(fā)生規(guī)律，制定科學(xué)合理的施肥方案，優(yōu)化現(xiàn)有施肥技術(shù)和方法，盡量從源頭上減少面源污染物的發(fā)生和排放，將化肥施用對環(huán)境的負(fù)面影響降到最低。常見的技術(shù)包括測土配方施肥、施用緩控釋肥料、添加肥料增效劑、有機肥部分替代化肥、水肥一體化、機械深施和按需多次施肥等技術(shù)。
測土配方施肥是以土壤測試、肥料田間試驗、農(nóng)戶調(diào)查為基礎(chǔ)，根據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應(yīng)，在合理施用有機肥料的基礎(chǔ)上，提出氮、磷、鉀及中、微量元素等肥料的施用數(shù)量、施肥時期和施用方法。采用該技術(shù)可在減少20％-37％氮肥投入的條件下維持玉米、小麥和水稻的產(chǎn)量不降低，提高三大糧食作物氮肥利用率2.3％-20.4％，降低農(nóng)田氮素的損失。菜地采用化肥減量技術(shù)后，氮肥用量可比常規(guī)農(nóng)戶減少40％，總氮排放量減少42％-52.3％。
緩控釋肥技術(shù)是指通過包膜等各種調(diào)控機制降低或控制肥料中養(yǎng)分的釋放速度，使其與作物的養(yǎng)分需求相吻合。施用緩控釋肥配合機械深施技術(shù)，可顯著提高肥料利用率，降低養(yǎng)分流失。與農(nóng)民傳統(tǒng)施肥相比，基施緩控釋肥玉米、小麥和水稻三大糧食作物產(chǎn)量、氮肥利用率分別提高3.1％-31.7％、6.2％-86.6％；農(nóng)田氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、氮素淋溶和徑流損失分別減少18.1％-81.3％、22.4％-73.4％、0-53.0％和0-43.2％。
向肥料中添加功能性物質(zhì)，如硝化或脲酶抑制劑等，可以抑制土壤硝化速率或脲酶活性，延緩?fù)寥乐械实霓D(zhuǎn)化與損失。添加硝化抑制劑可使三大糧食作物產(chǎn)量、氮肥利用率分別提高6.5％-20.1％、5.0％-78.3％，使氧化亞氮排放降低22.1％-51.0％，但會在一定程度上增加氨揮發(fā)排放風(fēng)險；添加脲酶抑制劑提高三大糧食作物產(chǎn)量5.8％-22.8％，提高玉米、小麥氮肥利用率25.4％-40.7％，同時降低三大作物氨揮發(fā)、氧化亞氮排放46.1％-51.2％、11.9％-45.2％。氮肥減施20％并配施硝化抑制劑，可使蔬菜作物在維持產(chǎn)量或略微增產(chǎn)的情況下，減少21％-53.1％的氮徑流、30％的氮淋溶和35％-50％的氧化亞氮排放。
通過有機肥部分替代化肥，有機無機配合施用，可以減少農(nóng)田中化肥的投入，在實現(xiàn)減投減排的同時還能培肥土壤肥力。在養(yǎng)分投入量相等的條件下，有機肥替代部分化肥可使稻麥輪作農(nóng)田總氮和總磷流失量分別減少5.5％-34.0％和18.6％-23.3％，并平均增產(chǎn)7.3％。設(shè)施蔬菜采用有機肥部分替代化肥，可減少氨揮發(fā)排放23.4％-41.6％，減少氧化亞氮排放33.2％。
采取水肥一體化或機械側(cè)深施肥等方式進行施肥，可在減少氮肥投入20-30％的基礎(chǔ)上維持作物產(chǎn)量穩(wěn)定，顯著提高氮肥利用率。大棚番茄采用水肥一體化技術(shù)，與常規(guī)撒施相比，可減少氨揮發(fā)損失90％以上；水稻機插秧側(cè)深施肥配施緩控釋肥，氨揮發(fā)減排程度可達13.8％-86.4％，減少一氧化二氮排放57％-72％；采用大白菜機械起壟側(cè)條施肥，在保證穩(wěn)產(chǎn)的同時，可減施化肥氮約30％，并且減少50％以上的氨揮發(fā)。
總而言之，化肥施用對于保障我國糧食安全起著十分重要和不可替代的作用，但是過量施用化肥也在一定程度上帶來了面源污染等不利的環(huán)境影響?？茖W(xué)施肥技術(shù)是實現(xiàn)面源污染防控的第一陣線，可以從源頭上減少化肥投入，降低面源污染發(fā)生的風(fēng)險，同時又兼顧了肥料利用率的提高，是實現(xiàn)化肥減量增效與生態(tài)環(huán)境保護雙重目標(biāo)的重要途徑。
中國科學(xué)院南京土壤研究所 施衛(wèi)明
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