陳鴻展+蔡倩怡+曾經(jīng)文++林曉君++周樹杰

摘 要 化肥是種植業(yè)中氮補(bǔ)給的主要方式，但由于施肥方法或用量不合理、肥料利用率較低等因素，造成流域水環(huán)境氮素超標(biāo)普遍存在。本文在簡(jiǎn)述氮的形態(tài)特征及其在種植業(yè)系統(tǒng)中輸入輸出途徑特征的基礎(chǔ)上，以廣州市為例分析種植業(yè)化肥及氮的施用及流失情況，分析了廣州市部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮濃度超標(biāo)情況及對(duì)水生態(tài)的影響，提出農(nóng)業(yè)種植業(yè)氮污染的控制對(duì)策，為氮素的合理利用和農(nóng)業(yè)污染控制提供理論參考。

關(guān)鍵詞 種植業(yè) ；化肥 ；氮循環(huán) ；水污染 ；廣州

中圖分類號(hào) X592；S-1

Characteristics Analysis and Control Strategy of Nitrogen Pollution in Water

Environment Based on Agricultural Planting---Taking Guangzhou as an Example

CHEN Hongzhan1） CAI Qianyi2） ZENG Jingwen2） LIN Xiaojun2） ZHOU Shujie1）

（1 Guangzhou Environmental Monitoring，Guangzhou，Guangdong 510030；

2 South China Institute of Environmental Sciences， Guangzhou， Guangdong 510655）

Abstract Chemical fertilizer is the main way of nitrogen supply in agricultural planting. However， due to fertilization methods or the amount of unreasonable， low utilization of fertilizer and other factors， resulting in excessive water nitrogen is widespread. Based on the brief analysis of the morphological characteristics of nitrogen and the characteristics of input and output in the planting system， this paper analyzed the application and loss of chemical fertilizers and nitrogen in Guangzhou. The situation of excessive ammonia nitrogen concentration and its effect on aquatic ecology in some water quality monitoring sections of Guangzhou is studied. This paper puts forward the control strategy of nitrogen pollution in agricultural planting， and provides the theoretical reference for the rational utilization of nitrogen and the control of agricultural pollution.

Key words agricultural planting ； chemical fertilizer ； nitrogen cycle ； water pollution ； Guangzhou

氮素是植物生長(zhǎng)不可或缺的元素，其對(duì)作物最終產(chǎn)量的貢獻(xiàn)為40 %-50 %，是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、磷脂和某些生長(zhǎng)激素的重要組分之一，且植物體內(nèi)氮素的營(yíng)養(yǎng)水平會(huì)直接或間接影響植物光合作用[1]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2013年化肥生產(chǎn)量7 037萬(wàn)t（折純，下同），農(nóng)用化肥施用量5 912萬(wàn)t。化肥的大量使用一定程度上保證農(nóng)作物高產(chǎn)，而化肥施用后相當(dāng)一部分的氮素會(huì)流失，同時(shí)也帶來(lái)了水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和污染[2]?，F(xiàn)有資料表明，農(nóng)田經(jīng)流帶入地表水體的氮，占人類活動(dòng)排入水體的氮的51 %[3]。2013年中國(guó)氨氮排放總量達(dá)245.7萬(wàn)t，廣東省氨氮排放總量為21.64萬(wàn)t[4]。氨氮已經(jīng)被中國(guó)列入污染物排放總量控制的主要指標(biāo)之一。因此，本文在簡(jiǎn)述氮在環(huán)境中形態(tài)特征及其在種植業(yè)系統(tǒng)中的輸入輸出，結(jié)合廣州實(shí)際情況分析種植業(yè)化肥流失情況與部分水質(zhì)監(jiān)控?cái)嗝姘钡獫舛?，提出種植業(yè)氮對(duì)水環(huán)境污染的控制對(duì)策。

1 氮在環(huán)境中的形態(tài)特征

氮素主要以無(wú)機(jī)、有機(jī)和分子3種形態(tài)存在。氮循環(huán)主要有4個(gè)過(guò)程，固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用。其中氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化主要包括植物和微生物的礦化和固化作用、氨化作用、硝化與反硝化作用、固氮微生物將無(wú)機(jī)氮NO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮、氮素的化學(xué)轉(zhuǎn)化作用等，它們都是氮素循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[5-6]。氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化與土壤的通氣狀況、水分等有關(guān)，銨態(tài)氮化肥施加在氧氣比較充足的土壤中，硝化作用比較旺盛；當(dāng)土壤通氣不良時(shí)，在土壤中嫌氣性細(xì)菌作用下進(jìn)行反硝化活動(dòng)，把硝態(tài)氮素還原成氮氧化合物和氮?dú)庖萆⒌酱髿庵腥7]。研究發(fā)現(xiàn)，尿素表施后結(jié)合灌水，一方面灌溉水可將其以分子態(tài)形式帶入土壤中、下層，減少氨的揮發(fā)，顯著地提高肥效；另一方面，尿素亦進(jìn)行著分解作用，轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[8]，見圖1。

2 種植業(yè)氮對(duì)水環(huán)境的污染特征分析

2.1 種植業(yè)中氮的輸入輸出

種植業(yè)中氮素的來(lái)源主要有5個(gè)方面：大氣沉降（包括干濕沉降）、施肥（包括化肥、有機(jī)肥）、生物固氮、隨灌溉水帶入、秸稈還田等[9]。（1）大氣氮沉降包括干沉降和濕沉降2種，其沉降速率取決于氣象條件[10]。林蘭穩(wěn)等[11]分析得到廣州東北郊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年總氮沉降量為2 384.66 mg/m2/a，其中銨態(tài)氮是該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域氮沉降的主要形式。（2）施肥是農(nóng)田氮素的主要來(lái)源，包括氮肥和有機(jī)肥。朱兆良等[12]綜合分析得出小麥-玉米一年兩熟輪作體系下氮肥的施入量為（537±123）kgN/hm2。有研究估算得出有機(jī)肥資源量約49.5×108 t，有機(jī)肥資源每年可提供N 30.5×106 t[13-15]。（3）生物固氮指固氮微生物以自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮的形式將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨的過(guò)程。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）1995年粗略估計(jì)，全球每年由生物固定的氮量已近2×106 t，約占全球植物需氮量的3/4[16]。（4）由灌溉水帶入農(nóng)田的氮素量因灌溉量、灌溉水質(zhì)的不同而有較大差異。張玉銘[17]研究發(fā)現(xiàn)太行山山前平原欒城縣小麥-玉米輪作體系每年隨灌溉水進(jìn)入農(nóng)田的氮素為17.1-18.2 kgN/hm2。（5）作物根茬以及還田秸干歸還的氮是土壤中有機(jī)質(zhì)的重要來(lái)源，通常在水田中還田2 250 kg/hm2稻草時(shí)可帶入N 0.8 kg，P 0.2 kg，K 2.4 kg。

氮的輸出途徑也有許多，其中主要是通過(guò)氨的揮發(fā)、水體流失、生物質(zhì)燃燒、農(nóng)作物出口。趙冬等[18]發(fā)現(xiàn)稻季氮素總損失為13.7-59.8 kg/hm2，占總施氮量的16.5 %-22.2 %，且隨施氮量的增加而不斷增加，其中氨揮發(fā)損失占42.2 %-72.0 %，徑流損失占22.2 %-38.4 %，滲漏損失占5.8 %-22.7 %。曹兵等[19]研究表明化學(xué)氮肥顯著增加了氨揮發(fā)、反硝化和N2O排放等氣態(tài)氮損失；其中氨揮發(fā)占施氮量的0.97 %-17.1 %，反硝化占4.33 %-8.55 %，N2O排放在1.09 %-1.6 3%之間變化。

2.2 種植業(yè)化肥施用及流失情況-以廣州市為例

化肥是種植業(yè)中氮補(bǔ)給的主要方式，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織估計(jì)，發(fā)展中國(guó)家的糧食增產(chǎn)有55 %以上要?dú)w功于化肥，而其中最為重要的就是化肥中的氮素[20]。20世紀(jì)90年代中期，中國(guó)已成為世界上氮肥消費(fèi)量最大的國(guó)家，2000年氮肥用量占世界的約1/3[21]。2004年珠江三角洲地區(qū)，施用氮肥折純量為217 104 t，耕地面積為69.93萬(wàn)hm2[22]。然而，氮肥流失量也是巨大的。朱兆良等[23]估算，2002年中國(guó)農(nóng)田化肥氮（2 471 t）通過(guò)損失進(jìn)入環(huán)境、影響環(huán)境質(zhì)量的數(shù)量達(dá)到471.8萬(wàn)t；其中通過(guò)淋洗和徑流損失分別為123.5和49.4萬(wàn)t。下文以廣州為例，對(duì)種植業(yè)化肥的使用量和流失量進(jìn)行分析。

根據(jù)《2015年廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)，2014年廣州市9個(gè)區(qū)、2個(gè)縣級(jí)市的化肥使用量按折純量算為112 913 t，2014年年末耕地總資源面積97 527 hm2，平均耕地施用量達(dá)1 157.8 kg/hm2，高于全國(guó)平均水平375 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際公認(rèn)的安全標(biāo)準(zhǔn)225 kg/hm2。

表1、表2數(shù)據(jù)來(lái)源為《2015年廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，由于2015年原蘿崗區(qū)與黃埔區(qū)合并為黃埔區(qū)，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)的完整性，本文統(tǒng)計(jì)中黃埔區(qū)的數(shù)據(jù)均包含原蘿崗區(qū)的數(shù)據(jù)。農(nóng)田TN排放量的計(jì)算以氮肥折純量計(jì)算TN的排放量，不考慮化肥的COD的排放量，農(nóng)田氮肥流失系數(shù)取值參考《第一次全國(guó)污染源普查—農(nóng)業(yè)源肥料流失系數(shù)手冊(cè)》，其值分別為0.010 79。

由表1顯示，除越秀區(qū)外，其余各區(qū)（縣級(jí)市）化肥平均施用量均高于國(guó)際公認(rèn)的安全標(biāo)準(zhǔn)225 kg/hm2，由大到小排列依次是海珠區(qū)、南沙區(qū)、黃埔區(qū)、白云區(qū)、花都區(qū)、天河區(qū)、增城市、番禺區(qū)、從化市、荔灣區(qū)。

由表1、表2可以看出，2014年廣州市因化肥的施用而進(jìn)入水環(huán)境的氮素含量約為374.14 t。流失的氮肥養(yǎng)分，一部分揮發(fā)到大氣中，大部分隨大氣降水、徑流、淋溶和水土侵蝕等途徑進(jìn)入地表和地下水體，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化和水體中硝酸鹽含量增加，成為廣州市重要的水體污染物。

2.3 氮對(duì)水環(huán)境污染特征分析

1985-2007年中國(guó)大陸地區(qū)流入水體的氮出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，由的611.65萬(wàn)t增加到2007年的934.20萬(wàn)t，并在2005年達(dá)到峰值，952.06萬(wàn)t[24]。有眾多研究顯示農(nóng)業(yè)種植業(yè)污染是造成水體污染的重要原因。胡鈺[25]通過(guò)對(duì)阿什河流域典型種植區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算得出阿什河流域種植業(yè)氮輸出負(fù)荷為4 847.26 t/a，種植業(yè)面源氮污染入河量占全部面源污染的54.01 %。李志宏[26]估算2005年農(nóng)業(yè)面源污染占太湖流域總氮污染量的51.3 %，為8.87萬(wàn)t，其中農(nóng)田總氮排放量為2.57萬(wàn)t。

駱世明[27]研究發(fā)現(xiàn)流溪河流域平均每公頃作物使用的化肥量達(dá)到1 059 kg，化肥和農(nóng)藥使用量偏高是造成流域水體氮磷負(fù)荷比較高的重要原因。溫海廣等[28]研究顯示廣州流溪河流域非點(diǎn)源溶解態(tài)氮污染負(fù)荷為384.31 t/a，其中氮貢獻(xiàn)最大的為林地占50.93 %，其次為園地，占18.10 %；溶解態(tài)氮單位面積污染負(fù)荷道路最高為50.57 kg/hm2/a，其次是水田為33.60 kg/hm2/a。種植業(yè)氮是造成水體污染的重要原因，下文以廣州為例分析氮超標(biāo)對(duì)水環(huán)境的影響。

（1）對(duì)水質(zhì)影響

氨氮是造成地表水水質(zhì)斷面不達(dá)標(biāo)的主要因子之一，根據(jù)廣東省環(huán)境保護(hù)廳2015年發(fā)布的數(shù)據(jù)，廣州重點(diǎn)河流監(jiān)測(cè)斷面氨氮濃度如表3所示。與河流水質(zhì)目標(biāo)相比，廣州重點(diǎn)河流監(jiān)測(cè)斷面2015年NH3-N超標(biāo)率為83.3 %。從超標(biāo)情況分析，廣州重點(diǎn)河流監(jiān)測(cè)斷面NH3-N濃度介于1.1 mg/L至27.7 mg/L之間，2015年4月石井河中游NH3-N濃度最高達(dá)到27.7 mg/L。2015年廣州重點(diǎn)河流監(jiān)測(cè)斷面NH3-N濃度尚未穩(wěn)定達(dá)到各河流水質(zhì)目標(biāo)的要求。

（2）對(duì)水生態(tài)影響

中國(guó)的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，淡水水域中，50 %以上的湖泊、30 %以上的大型水庫(kù)都出現(xiàn)過(guò)水體富營(yíng)養(yǎng)化，其中以太湖、巢湖和滇池尤為嚴(yán)重[29]。過(guò)剩的氮素排入水源，水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，使得藻類大量繁殖。水面被藻類所覆蓋，陽(yáng)光難以照射，抑制水體中植物的光合作用。水體溶解氧輸入量減少，從而影響魚類和水生植物生存，死亡的動(dòng)植物沉入水底被微生物分解，消耗大量溶解氧，并釋放更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。大量藻類在上層水體繁殖，下層水體處于厭氧狀態(tài)，水中動(dòng)植物無(wú)法生存繁殖，導(dǎo)致水生態(tài)被破壞、湖泊老化[30]。

侯磊等[31]調(diào)查珠江廣州段的輪蟲群落，共記錄輪蟲66種，污染指示輪蟲達(dá)46種；2009年11月，中大碼頭站點(diǎn)輪蟲豐度達(dá)到了5 200 ind./L，超過(guò)了許多富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的輪蟲豐度。陳永川等[32]研究顯示水體總氮與葉綠素a呈極顯著的正相關(guān)表明氮的增加促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)，銨態(tài)氮對(duì)藻類生長(zhǎng)影響顯著，其硝態(tài)氮對(duì)藻類生長(zhǎng)影響不顯著，藻類生長(zhǎng)同時(shí)能促進(jìn)沉積物銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化和釋放。唐金艷等[33]研究發(fā)現(xiàn)，水生植物在分解前期，會(huì)造成水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素激增和局部缺氧現(xiàn)象；但在分解后期，水體中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度開始下降，可見水體中保留一定量的水生植物殘?bào)w，可以在一定程度上去除硝態(tài)氮。

3 農(nóng)業(yè)種植業(yè)氮污染控制對(duì)策

農(nóng)業(yè)種植業(yè)氮污染控制應(yīng)從系統(tǒng)控制的角度出發(fā)，遵循生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量平衡的原則，采用從“源頭-過(guò)程-末端”全過(guò)程系統(tǒng)控制的措施，再通過(guò)蓄水池或氧化塘實(shí)現(xiàn)肥水一體化等形式種植業(yè)排水量及氮排放量最小化，見圖2。

3.1 源頭減量

源頭減量是減少種植業(yè)氮污染的根本所在。源頭減量可以通過(guò)化肥減量化、廢棄物循環(huán)利用來(lái)實(shí)現(xiàn)。推廣以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為核心的生態(tài)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)新模式?？梢砸虻刂埔送茝V“鴨基魚塘”、“稻鴨共棲”、“稻田養(yǎng)魚”、“豬沼果（稻菜魚）”等生態(tài)循環(huán)模式。如發(fā)展以沼氣為紐帶的庭院式生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，將種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)與沼氣使用相結(jié)合，利用沼液、沼渣等優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥進(jìn)行施肥。同時(shí)，加強(qiáng)秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用，通過(guò)直接還田、堆肥化處理還田等方式維持和提高土壤有機(jī)質(zhì)，以減少化肥的施用量，減輕氮肥對(duì)水體、土壤和大氣的污染。

3.2 過(guò)程削減

（1）科學(xué)種植，防治肥料污染

確定合理施氮量是施肥關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法是利用天劍肥料試驗(yàn)或土壤與植株測(cè)試，但存在空間變異、參數(shù)需求量大及田間試驗(yàn)和土壤與植物樣品測(cè)試量大的問(wèn)題。對(duì)中國(guó)種植業(yè)來(lái)說(shuō)，以區(qū)域?yàn)閱挝挥?jì)算施氮量、損失量與產(chǎn)量，確定出該區(qū)域適宜的施氮量較為適宜。

選擇合適的施肥時(shí)間。將作物的需肥高峰與供肥高峰相互銜接，充分發(fā)揮肥效。同時(shí)，采用科學(xué)的施肥方法，堅(jiān)持深層施肥，結(jié)合節(jié)水灌溉技術(shù)，減少氮肥流失，提升科學(xué)施肥水平。深施有利于氨揮發(fā)和徑流損失，已有研究表明氮肥深施8-10 cm，可比表施的肥效高1倍左右。

（2）緩沖帶技術(shù)

植物緩沖帶是位于污染源與水體之間的植被區(qū)域，通過(guò)增加污染物在陸地的停留時(shí)間和路線，可有效攔截、滯留泥沙和減少氮、磷等污染物進(jìn)入收納水體的負(fù)荷量，顯著降低面源污染的影響，并對(duì)水體中的氮磷養(yǎng)分進(jìn)行回用。合理的緩沖帶寬度不僅與土地利用方式（農(nóng)田還是菜地）和土地經(jīng)營(yíng)方式（集約度）有關(guān)，而且也與防控農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的成效及節(jié)約用地相關(guān)聯(lián)。目前已有多項(xiàng)研究表明植物緩沖帶對(duì)氮的有良好的攔截作用，且隨著緩沖帶寬度的增加，對(duì)種植業(yè)排水中氮的攔截作用更好。

3.3 末端控制與循環(huán)利用

控制排水量是氮污染控制的一個(gè)重要措施。通過(guò)對(duì)水分進(jìn)行優(yōu)化管理，如旱地采用肥水一體化技術(shù)，水田采用節(jié)水灌溉技術(shù)，坡耕地采用保護(hù)性耕作等技術(shù)等。其中，通過(guò)建設(shè)配套農(nóng)田灌溉溝渠系統(tǒng)，采用生態(tài)溝渠將各農(nóng)田區(qū)域緊密聯(lián)系在一起，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)田水分和養(yǎng)分進(jìn)行綜合調(diào)控和一體化管理，實(shí)現(xiàn)以水促肥、水肥耦合，提高水分、養(yǎng)分的利用效率，同時(shí)，水體中的氮在通過(guò)農(nóng)田排水溝渠運(yùn)輸進(jìn)入受納水體前，在遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)被截留，從而最終減少進(jìn)入水體的污染負(fù)荷。

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