过量施用氮肥不仅无助于粮食增产，反而会引发对环境的污染。在中国现有集约化农业体系中减少约三成氮肥施用量，不仅能维持粮食高产，而且能够有效降低氮肥对环境的污染。由中国农业大学教授巨晓棠和张福锁领导的研究团队取得的这一最新研究成果，刊登在2月17日出版的美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。

 

“过量施用氮肥造成‘双输’的后果已经持续了近20年。”巨晓棠对《科学时报》记者表示。

 

巨晓棠介绍，在改革开放后，为解决土壤氮肥力不高、粮食产量低的问题，不管是政府、科学家还是推广部门，都想办法多造氮肥和多施氮肥。到上世纪80年代末，中国已经成为世界上氮肥消费最多的国家，在占世界9%的耕地上消耗了全世界氮肥的30%以上。近20年来，集约化农作区氮肥施用量越来越高，农民形成了“施肥越多越增产”的传统观念，造成了集约化农作区普遍过量施肥问题，因此导致的环境中硝酸盐、一氧化二氮（温室气体）和氨排放等污染问题已经引起国内外的普遍关注。

 

以太湖为例，水体中不断增加的氮素造成富营养化，主要是由于农业污染源和生活污水排放造成的。已有研究证实，目前太湖地区农田的氮肥施用量一般在每公顷400～600公斤，而作物对氮素的当季利用率只有1/3左右，绝大多数氮素肥料随着地表径流的作用汇入地表水中。环境保护部据此推论，我国淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池的污染，农用化学品的贡献率占1/2。

 

而在华北平原，过量氮肥的施用则造成了地下水中硝酸盐污染。目前，华北平原许多地方，地下水中硝酸盐含量已经远远超过了20mg/L这一国家饮用水卫生标准，并且已有多项研究证实，目前这种污染正由点污染、条带状污染向面上扩散，由浅层向深层渗透。

 

使用氮肥无可置疑。由于中国大多实行两季轮作的复种耕作方式，只有不断在农田中补充氮素，才能保证粮食的高产，中国粮食能够自给自足也有赖于此。但有关统计表明，1977年至2005年期间，中国每年的粮食产量已经从2.83亿吨增加到4.84亿吨，增长了71%；农作物的单位产量也从2348千克/公顷增长到4642千克/公顷，增长了98%。与此同时，氮肥的应用则从707万吨增加到2621万吨，增长了271%，远远超过前两者。

 

随着氮肥用量的持续增加，氮肥的增产效果逐渐下降，而环境污染却日趋加重。氮肥的农学和环境效应已成为全球科技界、环保界和政策制定者共同关心的热点问题。巨晓棠、张福锁等人最新发表的这项研究成果，就是想要告诉人们一个朴素的道理：氮肥施用，过犹不及。

 

“我们要解决的问题说起来很简单——就是定量氮肥的农学和环境效应。其中包括农作物吸收了多少氮肥，它的总损失是多少，损失的途径是什么，产生的环境影响如何，土壤中残留多少，残留氮素的后效又是什么。”巨晓棠对《科学时报》记者表示，“但要在同一生态区定量所有这些过程其实很难，为此，我们通过应用世界先进的观测技术方法进行了长期的试验研究。”

 

这一最新研究成果的取得其实是在过去15年研究积累的基础上不断深入的结果。巨晓棠告诉记者，在国家自然科学基金重大项目“主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究”和中德BMBF合作项目“华北平原作物高产、高生产力条件下环境可持续的农业研究”的支持下，课题组与中国科学院南京土壤研究所朱兆良院士课题组合作，在华北小麦—玉米轮作和太湖地区水稻—小麦轮作体系开展有关工作。这两个地区是中国集约化农作区最具代表性的地区。

 

研究结果表明，在现有农民经验耕作的模式下，太湖地区水旱轮作的周期性循环造成氮素不易保持，更容易损失，农民在进行复种的时候，第二种作物几乎利用不到来自上一次种植残留的氮。而华北平原的农田土壤更容易保持氮，下一季作物还能利用上。这意味着华北平原降低氮肥使用量的空间更大，相应地也能减少因氮肥过量施用造成的环境污染。

 

对于优化施氮数量，论文最后也给出了结论：在华北平原的小麦—玉米轮作和太湖地区的稻麦轮作体系中，每公顷单季施用氮肥以120～200千克左右为宜。巨晓棠告诉记者，基于研究团队张卫峰博士开展的大量农户调查得出的实际情况是，“农民在经验耕作的模式下，单季每公顷的氮肥投入在300千克左右，多投的100～180千克左右的氮素大部分都流失到环境中去了。”

 

不过巨晓棠同时强调，以上是基于华北平原和太湖地区两个典型的集约化农业体系进行研究得出的结论，有关数字可能高于全国平均水平，也未必适用于其他地区。“中国地域广阔，具体的氮肥优化施肥量还需因地制宜，在科学测定农田氮肥肥力等基础上才能得出具体结论。”

 

由于这一研究成果系统解析了单位化肥氮进入农田后农学和环境效应，揭示了氮肥损失机理，提出了在高产条件下如何实现低环境代价的技术途径，为集约化农业生产如何实现资源高效和环境友好提供了理论依据。美国科学院院士、著名生态学家David Tilman给予了高度评价：“该文对氮肥农学和环境效应理解取得了重要进展。”美国科学院院士Pamela Matson评价说：“这是一篇非常优秀的、我多年来阅读过的印象最深刻的论文之一。作者系统研究了中国农业生产中两个重要的集约化轮作体系（小麦—玉米，水稻—小麦）中的氮素平衡。其特色是应用国际上的先进技术对氮素投入和损失途径逐个进行了系统详细观测，这是非常了不起的工作。更为重要的，他们用多年的长期试验证明了在保证产量的前提下，优化施氮仍可极大降低氮肥的环境影响，且能节约氮肥投入成本。”

 

《科学时报》 (2009-2-23 A1 要闻)