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      科學(xué)施肥是防控面源污染的第一陣線

      2021-04-09 14:20:59   

      科學(xué)施肥是防控面源污染的第一陣線

      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?!≠Y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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