1、提高氮肥利用率问题提高氮肥利用率问题朱兆良朱兆良 , 20132013年年1010月月1010日日基本情况基本情况农田土壤普遍缺氮，施用氮肥是保障我国粮食农田土壤普遍缺氮，施用氮肥是保障我国粮食安全和农产品供应的关键措施安全和农产品供应的关键措施人多地少，必须力争高产更高产人多地少，必须力争高产更高产化肥（包括氮肥）发挥了重大作用，也出现了化肥（包括氮肥）发挥了重大作用，也出现了环境问题环境问题提高氮肥利用率和增产效果，降低损失和对环提高氮肥利用率和增产效果，降低损失和对环境的负面影响是当务之急，也是一个世界性的境的负面影响是当务之急，也是一个世界性的问题问题n1970年代以来，化肥N（包括氮
2、肥和复合肥中N）的施用量快速增加，对保障粮食安全发挥了重要作用n约在1998年以后二者的波动大化肥氮施用量与粮食产量的关系化肥氮施用量与粮食产量的关系 19491998年的年的 50年中，年中，粮食总产化肥粮食总产化肥 N 总总施用量施用量 线性相关系数线性相关系数 r=0.977（n=50,P0.01）回归系数回归系数 b=14.5粮食总产化肥氮施用量：高度相关，但粮食总产化肥氮施用量：高度相关，但回归系数逐年降低回归系数逐年降低二、我国的氮素环境污染二、我国的氮素环境污染1 1、地表水体污染日益严重、地表水体污染日益严重 1980-1989年，年，长江、黄河和珠江长江、黄河和珠江输出的溶解
3、态无机输出的溶解态无机氮氮97.5万吨万吨/年年 （Duan&Zhang,2000,Nutrient Cycling in Agro-ecosystems,57(1)13-22)近海水体赤潮近海水体赤潮频发频发，2004年全海域共发现赤潮年全海域共发现赤潮96次，次，累计发生面积累计发生面积26630平方公里。平方公里。(国家环保总局国家环保总局,2004，中国环，中国环境状况公报摘要）境状况公报摘要）湖泊富营养化湖泊富营养化迅速上升迅速上升。2000年，全国年，全国 131 个湖泊个湖泊中，中，51富营养化富营养化 （范成新等，（范成新等，2010，CCICED 中国农业面源污染中国农业面源
4、污染控制对策，控制对策，p72）例如：例如：北方北方5 5省省2020个县个县800800份地下水样中，份地下水样中，45%45%超过欧盟标准，超过欧盟标准，20%20%超过中国二类饮用水标准，超过中国二类饮用水标准，（巨晓棠等，（巨晓棠等，20102010，主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究，主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究，p56p56）环渤海地区（环渤海地区（7 7省市）地下水体硝酸盐氮含量总体状况：省市）地下水体硝酸盐氮含量总体状况：20052005年调查结果，年调查结果，11391139个地下水样品，个地下水样品，NONO3 3-N N 的平均含量为的平
5、均含量为11.9 mg/L11.9 mg/L，其中约，其中约34.134.1超过世界卫生组织的饮用水标准超过世界卫生组织的饮用水标准(10mg/L)(10mg/L)，以菜地的超标率为最高，以菜地的超标率为最高（赵同科等，（赵同科等，20072007，环渤海七省，环渤海七省(市市)地下水硝酸盐含量调查。农业环境科学学报，地下水硝酸盐含量调查。农业环境科学学报，26(2)26(2)：779-783779-783）2、地下水硝态氮含量升高、地下水硝态氮含量升高3 3、N N2 2O O的排放国际注目的排放国际注目据据IPCCIPCC估计，化肥氮的估计，化肥氮的N N2 2O O排放系数：旱地为排放系
6、数：旱地为1 1，水田，水田0.30.3。我国是世界上最大的氮肥消费国，我国是世界上最大的氮肥消费国，N N2 2O O的排放国际注目的排放国际注目亚洲地区农田N2O排放强度4 4、大气湿沉降氮量增高、大气湿沉降氮量增高 -农田的环境来源氮量增加农田的环境来源氮量增加湿沉降湿沉降N(kgN/ha.yr)N(kgN/ha.yr)年度年度太湖地区太湖地区华北平原华北平原2003-052003-052626272719801980年代，国内部分结果：年代，国内部分结果：9 919.5kgN/ha.yr19.5kgN/ha.yr（朱兆良，（朱兆良，19921992）加之地表水含氮量的增高，当前，太湖地
7、区稻麦两季加之地表水含氮量的增高，当前，太湖地区稻麦两季中，由干湿沉降和灌溉水带入的氮量已多达中，由干湿沉降和灌溉水带入的氮量已多达89kgN/ha89kgN/ha，成为成为农田自然供氮量中重要的组成部分农田自然供氮量中重要的组成部分（邢光熹，（邢光熹，20102010）。）。作物作物N N径流径流淋洗淋洗固持固持固定固定残留残留损失损失氨挥发氨挥发硝化硝化-反硝化反硝化作物吸收作物吸收化肥化肥N分为分为3个部分：作物吸收，土壤中残留，损失个部分：作物吸收，土壤中残留，损失 三、我国农田中化肥氮去向的定量评估三、我国农田中化肥氮去向的定量评估1 1、当季作物利用率、当季作物利用率差减法差减法:
8、(:(施氮区作物地上部分施氮区作物地上部分N N 无氮区作物地上部分无氮区作物地上部分N)/N)/施施N N量量）%,%,评价农学效应的依据评价农学效应的依据 19901990年以前国内年以前国内784784个田间小区试验数据统计个田间小区试验数据统计结果结果当季作物（水稻、小麦、大麦、元麦）的氮肥当季作物（水稻、小麦、大麦、元麦）的氮肥表观利用率表观利用率 平均：平均：282841%41%据此估计全国农业生产中氮肥表观利用率：据此估计全国农业生产中氮肥表观利用率：303035%35%，高产地区，高产地区 30%30%近年来氮肥利用率的研究结果近年来氮肥利用率的研究结果作物作物农学效率农学效率
9、(kg/kg N)氮肥利用率氮肥利用率(%)水稻水稻10.428.2小麦小麦 8.028.3玉米玉米 9.826.1 近些年在全国粮食主产区进行的近些年在全国粮食主产区进行的13331333个田间试验结果个田间试验结果（张福锁等（张福锁等,2008,2008）闫湘闫湘,2008,2008（博士论文）：氮肥当季利用率：（博士论文）：氮肥当季利用率：小麦小麦43.843.8，水稻和玉米，水稻和玉米3030左右左右 全球不同谷类作物系统中氮肥的当季表观利全球不同谷类作物系统中氮肥的当季表观利用率（籽实用率（籽实+秸秆）：秸秆）：47%47%如果该系统的氮素含量已处于稳恒态，则其如果该系统的氮素含量已
10、处于稳恒态，则其余的余的 53%53%可以视为损失率。可以视为损失率。与此结果相比，我国氮肥的利用率偏低，损与此结果相比，我国氮肥的利用率偏低，损失率相近；近年来，我国农业氮素平衡中氮的盈失率相近；近年来，我国农业氮素平衡中氮的盈余量不断增多，土壤含氮量尚未达稳恒态余量不断增多，土壤含氮量尚未达稳恒态我国农田中氮肥利用率与世界的比较我国农田中氮肥利用率与世界的比较 1515N N田间微区试验田间微区试验中的残留中的残留：15153535，但不是净，但不是净残留残留 长期过量施用氮肥长期过量施用氮肥，土壤中矿质，土壤中矿质N、特别是旱作、特别是旱作土壤中土壤中NO3-N明显积累明显积累 例如，华
11、北农田土壤例如，华北农田土壤0-90cm0-90cm土层中土层中NONO3 3-N-N 积累量（积累量（kg kg N/haN/ha）：）：小麦播前：变幅小麦播前：变幅 2121 987987，平均：，平均：198(n=535)198(n=535)玉米播前：变幅玉米播前：变幅 2525 663663，平均：，平均：184(n=589)184(n=589)2 2、氮肥去向、氮肥去向土壤中残留土壤中残留（陈新平，（陈新平，2007）3 3、氮肥去向、氮肥去向氨挥发氨挥发田间微气象学法测定结果：我国几个主要农作区的田间观测：我国几个主要农作区的田间观测：氨挥发氨挥发损失损失约约占施占施N N量的量的
12、 1 14040（尿素和碳铵）（尿素和碳铵）在有利于氨挥发条件下，其量可占氮肥总损失的在有利于氨挥发条件下，其量可占氮肥总损失的 7070，成为主要损失途径，成为主要损失途径 加权平均，初步估计氨挥发约为施氮量的加权平均，初步估计氨挥发约为施氮量的 1111氨挥发的最近估算结果氨挥发的最近估算结果 Yan et al.,Global Change Biology,2003,9:1080-1096n尿素：水田尿素：水田23.5%23.5%；旱地；旱地13.7%13.7%n碳铵：水田碳铵：水田34.5%34.5%；旱地；旱地20.5%20.5%n加权平均：加权平均：17.6%17.6%Y S Zh
13、ang et al.,J of Environmental Management，2011,92:480493 2005 2005年中国氮肥的氨挥发：年中国氮肥的氨挥发：13.2%13.2%硝化过程中产生微量硝化过程中产生微量N N2 2O O，主要是环境意义，主要是环境意义,从农学效应从农学效应来看，主要是反硝化引起的氮素损失来看，主要是反硝化引起的氮素损失 无满意的测定方法；阻碍了田间定量研究无满意的测定方法；阻碍了田间定量研究 表观法：即差减法（表观法：即差减法（1515N N微区试验中的气态总损失微区试验中的气态总损失%氨氨挥发挥发%）误差大误差大 表观硝化表观硝化-反硝化损失：平均反
14、硝化损失：平均 34%34%，其中，其中 N N2 2O-N O-N 为为 1.1%1.1%，其余为，其余为N N2 2（无环境影响）（无环境影响）4 4、氮肥去向、氮肥去向:硝化硝化-反硝化损失反硝化损失NH4+NO3-N2硝化作用反硝化作用N2ON2O 国内观测结果（国内观测结果（19901990年以前）：淋失量约占施年以前）：淋失量约占施N N量的量的 1 119%19%全国化肥全国化肥N的淋失量：暂定的淋失量：暂定 2 （未包括土壤（未包括土壤N、有机肥、有机肥N的淋失量）的淋失量）依据依据:（1 1）有较大面积的干旱、半干旱地区）有较大面积的干旱、半干旱地区 （2 2）全国有效灌溉面
15、积仅约占）全国有效灌溉面积仅约占1/3 1/3 （3 3）剖面中）剖面中NONO3 3-N-N下移时可发生反硝化下移时可发生反硝化5 5、氮肥去向淋失损失、氮肥去向淋失损失资料很少资料很少 苏南稻麦轮作区苏南稻麦轮作区5 5点平均：占氮肥用量的约点平均：占氮肥用量的约 6 6（未扣除土壤及有机肥料来源的（未扣除土壤及有机肥料来源的 暂且估计全国的径流损失暂且估计全国的径流损失N N为施氮量的为施氮量的5 5 （未计入土壤（未计入土壤N N的径流损失）的径流损失）6 6、氮肥去向径流损失、氮肥去向径流损失 总损失总损失5252，其中进入环境的活性氮量为，其中进入环境的活性氮量为1919；未知项未
16、知项13%13%，可能包括土壤中残留以及其他各项的误差，可能包括土壤中残留以及其他各项的误差（国内国内1515N N田间微区试验资料的汇总田间微区试验资料的汇总,存在着较大的不确定性存在着较大的不确定性）我国农田中化肥氮去向我国农田中化肥氮去向（Zhu&Chen,2002Zhu&Chen,2002）四、我国氮肥利用率低、损失大的原因分析四、我国氮肥利用率低、损失大的原因分析1、粮食安全保障压力大、粮食安全保障压力大 为保证粮食安全，很多高产地区追求为保证粮食安全，很多高产地区追求“高产、高产、再高产再高产”，过量施用氮肥现象非常普遍，导致利，过量施用氮肥现象非常普遍，导致利用率低、产量达不到预
17、期，且影响环境质量用率低、产量达不到预期，且影响环境质量 20052005年蔬菜和瓜类播种面积年蔬菜和瓜类播种面积 1992.81992.8万公顷，占农万公顷，占农作物总播种面积的作物总播种面积的12.8%12.8%，总产，总产 6 6亿多吨亿多吨（中国农业年（中国农业年鉴，鉴，20062006）蔬菜生产中过量投入水肥的现象非常普遍，一般蔬菜生产中过量投入水肥的现象非常普遍，一般超过超过450kgN/ha450kgN/ha，氮肥利用率很低，设施蔬菜地中不，氮肥利用率很低，设施蔬菜地中不到到15%15%（张福锁等，2008，我国肥料产业与科学施肥战略研究报告，p8，p34）1994-2005年山
18、东寿光，每季保护地蔬菜投入的化肥氮高达817-1829 kgN/ha （张福锁等,2008,CCICED,中国农业面源污染控制对策,p47）2 2、蔬菜种植面积大增、蔬菜种植面积大增,氮肥施用量高氮肥施用量高,利用率低利用率低主要是：主要是：片面追求高产，过量施用氮肥片面追求高产，过量施用氮肥 过分强调促早发，作物生长早期施氮量偏多过分强调促早发，作物生长早期施氮量偏多作作物根系吸收能力弱，特别是表施，利用率低、损失大物根系吸收能力弱，特别是表施，利用率低、损失大养分比例不协调养分比例不协调3 3、施用量和施用方法不尽合理、施用量和施用方法不尽合理作物作物N N径流径流淋洗淋洗固持固持固定固定
19、残留残留损失损失氨挥发氨挥发硝化硝化-反硝化反硝化作物吸收作物吸收化肥化肥N五、减少氮肥损失、提高利用率的原则和技术五、减少氮肥损失、提高利用率的原则和技术原则：原则：1利用作物根系对矿质氮的竞争吸收作用利用作物根系对矿质氮的竞争吸收作用 2尽量避免土壤中矿质氮的过量积累尽量避免土壤中矿质氮的过量积累 3针对具体条件下氮肥的主要损失途径采取相应的对策针对具体条件下氮肥的主要损失途径采取相应的对策减少氮肥损失、提高利用率的施用原则和技术减少氮肥损失、提高利用率的施用原则和技术1 1利用和提高作物根系对矿质氮的竞争吸收作用利用和提高作物根系对矿质氮的竞争吸收作用 消除影响生长的限制因素，在作物生长
20、旺盛时期施肥，消除影响生长的限制因素，在作物生长旺盛时期施肥，以提高和利用作物对矿质氮的竞争吸收能力以提高和利用作物对矿质氮的竞争吸收能力 培育壮苗、平衡施肥、水肥结合（滴灌等）、前氮后培育壮苗、平衡施肥、水肥结合（滴灌等）、前氮后移，新品种移，新品种2 2尽量避免土壤中矿质氮的过量积累尽量避免土壤中矿质氮的过量积累 确定适宜施氮量确定适宜施氮量，分期施用，缓，分期施用，缓/控释肥料等控释肥料等3 3针对具体条件下氮肥的主要损失途径采取相应的对策针对具体条件下氮肥的主要损失途径采取相应的对策 硝化抑制剂、脲酶抑制剂、深施、氮肥形态等硝化抑制剂、脲酶抑制剂、深施、氮肥形态等 应考虑不同损失途径之
21、间的联系应考虑不同损失途径之间的联系适宜最高传统(20032006年年25个试验的平均产量个试验的平均产量)1 1、确定适宜施氮量是达到高产高效环保的关键、确定适宜施氮量是达到高产高效环保的关键 随着施氮随着施氮量的增加，产量的增加，产量呈抛物线增量呈抛物线增高，氮肥的利高，氮肥的利用率和增产效用率和增产效果递减，损失果递减，损失率则递增率则递增 确定适宜确定适宜施氮量的依据。施氮量的依据。达到高产高效达到高产高效和环保的目的和环保的目的施氮量与产量、氮肥利用率和损失率的关系Xia et al.,2012,Sustainability Science氮肥适宜施用量：需要根据产量、肥料成本和环境
22、氮肥适宜施用量：需要根据产量、肥料成本和环境成本，综合权衡和确定成本，综合权衡和确定 （以太湖地区水稻为例）（以太湖地区水稻为例）氮肥的产量收益扣除氮肥成本后的收益氮肥成本扣除氮肥和环境成本后的净收益环境成本已提出的确定适宜施氮量的方法已提出的确定适宜施氮量的方法1 1）“区域总量控制与田块微调相结合区域总量控制与田块微调相结合”的推的推荐方法荐方法2 2）土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术：）土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术：将将“区域控制与田块微调相结合区域控制与田块微调相结合”的理念与国际上精的理念与国际上精准农业技术相结合，研究和发展适合我国国情的土壤养分准农业技术相结合，研究和发展
23、适合我国国情的土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术分区管理和分区平衡施肥技术2 2、施用时期、施用时期 栽培上：栽培上：“前氮后移前氮后移”1515N N尿素及硫铵水稻田间微区试验尿素及硫铵水稻田间微区试验利用率利用率损失率损失率基肥表施或混施基肥表施或混施 22225252 24 245353生长盛期表施生长盛期表施 55556969 20 203030 利用率提高利用率提高15154040个百分点个百分点 损失率降低损失率降低16162323个百分点个百分点3 3、深施：、深施：实践中如何大面积实施、如何与实践中如何大面积实施、如何与作物早发相配合？作物早发相配合？1515N-N-尿素尿素的
24、水稻田间微区试验结果的水稻田间微区试验结果 利用率利用率 损失率损失率 表施及混施表施及混施22224545 39 395353 粒肥深施粒肥深施55557575 13 132121 利用率提高利用率提高 23233737个百分点个百分点 损失率降低损失率降低 17173030个百分点，个百分点，损失越高的田块，深施的效果越大，损失越高的田块，深施的效果越大，r=0.86 (n=11)r=0.86 (n=11)研发氮素利用率高、损失少、环境友好的缓研发氮素利用率高、损失少、环境友好的缓/控释肥料，控释肥料，对对节约资源、减少施肥次数节约资源、减少施肥次数、实现农业生产与生态协调发展、实现农业生
25、产与生态协调发展、节本增效和节能减排等方面，均具有重要的意义。节本增效和节能减排等方面，均具有重要的意义。近年来，对控释肥料的增产效果和降低氮素损失的作用开近年来，对控释肥料的增产效果和降低氮素损失的作用开展了许多研究。其中，展了许多研究。其中，肯定性的报道比较多，包括节氮肯定性的报道比较多，包括节氮/增产、增产、降低氨挥发、淋洗和径流损失，但在有的研究中效果不太稳定降低氨挥发、淋洗和径流损失，但在有的研究中效果不太稳定。可能是受到气候、土壤、作物种类、栽培条件，以及施氮水可能是受到气候、土壤、作物种类、栽培条件，以及施氮水平和方法等的影响，对此需要继续研究。平和方法等的影响，对此需要继续研究
26、。4 4、缓、缓/控释肥料控释肥料我国缓控释肥料发展应面向大田作物我国缓控释肥料发展应面向大田作物为此必须符合经济效益、农学效应和环境效益相统一的要求；1、肥料养分利用率高、损失率低，氮素供应曲线与作物高产需求基本吻合2、添加物无污染，符合环保的要求3、成本低缓缓/控释肥与速效氮肥应是优势互补控释肥与速效氮肥应是优势互补5 5、硝化抑制剂、硝化抑制剂l 硝化过程中有微量硝化过程中有微量N N2 2O O逸出，所形成的硝态逸出，所形成的硝态氮易于通过反硝化和氮易于通过反硝化和/或淋洗而损失或淋洗而损失 Nitrapyrin(CPNitrapyrin(CP，N-Serve)N-Serve)，ASU
27、ASU，ATC ATC 等，等，近些年的近些年的DMPPDMPP；国内多用国内多用DCDDCD，近来又开始推广，近来又开始推广CPCP 研究表明，添加硝化抑制剂能减少研究表明，添加硝化抑制剂能减少N N2 2O O释放通释放通量，降低量，降低NONO3 3-淋失淋失的潜势，提高氮肥的增产效的潜势，提高氮肥的增产效果。但在抑制硝化作用的同时，可能促进氨果。但在抑制硝化作用的同时，可能促进氨挥发，应予关注。挥发，应予关注。6 6、脲酶抑制剂、脲酶抑制剂l 主要是主要是PPD PPD 和和NBPTNBPT，国内采用氢醌，国内采用氢醌 脲酶抑制剂与硝化抑制剂的联合使用脲酶抑制剂与硝化抑制剂的联合使用l
28、 稻田试验：脲酶抑制剂主要是减少氨挥发，稻田试验：脲酶抑制剂主要是减少氨挥发，氨挥发潜力越高时其效果越大氨挥发潜力越高时其效果越大 六、平衡施肥（测土配方施肥）六、平衡施肥（测土配方施肥）n平衡施肥：消除氮素以外的其他养分限制平衡施肥：消除氮素以外的其他养分限制因素，以保证作物健康生长，因素，以保证作物健康生长，是提高肥料利用率和增产效果的基是提高肥料利用率和增产效果的基础础据调查，过去十年间，据调查，过去十年间，复混（合）肥净增量占化肥净增量的复混（合）肥净增量占化肥净增量的68%现有配方现有配方3.2万个以上万个以上 但与测土配方施肥推荐的配方相匹配的却不足但与测土配方施肥推荐的配方相匹配
29、的却不足3%在某些情况下，不合理的复混肥配方不利于磷钾肥在某些情况下，不合理的复混肥配方不利于磷钾肥的合理施用的合理施用 目前有的高产地区农田土壤中，速效磷的含量明显目前有的高产地区农田土壤中，速效磷的含量明显增高，有的已经超过污染环境的阈值增高，有的已经超过污染环境的阈值 （张福锁等，2010）目前在目前在实现平衡配方施肥的技术关键：实现平衡配方施肥的技术关键：养分分区管理养分分区管理/大配方大配方,小调整（消除其小调整（消除其他养分限制因素）他养分限制因素）-符合我国农村分散经营、农技力量薄符合我国农村分散经营、农技力量薄弱的实际，易于推广使用，弱的实际，易于推广使用，-也有利于复混肥规模化生产的要求也有利于复混肥规模化生产的要求七、氮高效作物品种的利用有待七、氮高效作物品种的利用有待研究研究 培育和采用具有更高增产潜力、更强吸氮能力培育和采用具有更高增产潜力、更强吸氮能力的品种，是高产地区进一步提高产量、达到高产的品种，是高产地区进一步提高产量、达到高产高效环保的途径之一高效环保的途径之一
