文/巨曉棠 （中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 ）、谷保靜( 浙江大學(xué)政策仿真實(shí)驗(yàn)室) 來源：植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)（2014年第4期） 在排除了其他影響產(chǎn)量的主要限制因素后( 如土壤障礙因子、水分、磷鉀等) ，氮素在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用。合理施用氮肥是當(dāng)今世界作物生產(chǎn)中獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量的關(guān)鍵措施。 不合理施用氮肥會導(dǎo)致兩種結(jié)果: 一是氮肥投入量低于經(jīng)濟(jì)最佳施氮量或最高產(chǎn)量施氮量，導(dǎo)致產(chǎn)量較低，沒有發(fā)揮品種、灌溉等其他農(nóng)藝措施的增產(chǎn)效果;二是氮肥投入量超過了經(jīng)濟(jì)最佳施氮量或最高產(chǎn)量施氮量，導(dǎo)致產(chǎn)量不再增加或有所下降( 倒伏或病蟲害增加) ，但氮肥在土壤中殘留量或損失到環(huán)境( 指大氣和水體) 中的量會顯著增加，污染環(huán)境。 對某個(gè)地區(qū)的某種作物( 區(qū)域尺度) 或具體農(nóng)戶田塊( 田塊尺度) 來說，合理施用氮肥主要應(yīng)包括施肥量、施肥時(shí)期、施肥方法和肥料品種，也應(yīng)包括與有機(jī)肥和秸稈還田措施的配合，還應(yīng)包括與灌溉、耕作、品種等其他農(nóng)藝措施的配合。 合理施肥措施主要受區(qū)域內(nèi)土壤狀況、氣候條件、作物特征( 包括不同作物和同一作物不同品種) 和其他生產(chǎn)條件( 如灌溉等) 的影響。根據(jù)區(qū)域內(nèi)施肥田塊變異程度或者說相似程度，合理施肥措施可以在同一地區(qū)同一作物上大約一致( 或者說一個(gè)很窄的范圍) ，如區(qū)域平均適宜施氮量的概念和做法。 或者根據(jù)田塊之間和田塊內(nèi)的土壤變異，確定微域尺度上氮肥用量，如北美的精準(zhǔn)施肥或變量施肥概念和措施。 這些看似簡單的道理，或者說在理論、科研層次上已基本解決的問題，在我國生產(chǎn)實(shí)踐中卻成為一個(gè)持久的、重大的和難以解決的實(shí)際問題，并且直接影響到我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等重大問題。 對于什么是合理施氮? 如何合理施氮? 在農(nóng)戶、推廣部門、甚至科技工作者層面都有不同認(rèn)識，導(dǎo)致在生產(chǎn)實(shí)踐中盲目施氮現(xiàn)象相當(dāng)普遍。 目前生產(chǎn)上的具體問題是如何確定某一地區(qū)、某種作物獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的合理施氮量，如何在生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)合理施氮方法和施氮時(shí)期。 我們認(rèn)為，現(xiàn)階段我國盲目施肥或不合理施肥當(dāng)然存在一些技術(shù)方面的問題，但更重要的是一個(gè)廣泛的社會經(jīng)濟(jì)問題，其中涉及到土地經(jīng)營規(guī)模、肥料和農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格及補(bǔ)貼體系、勞動力市場和價(jià)格、農(nóng)業(yè)推廣服務(wù)體系、農(nóng)戶傳統(tǒng)施肥理念等問題。 如果不澄清這些問題，將會對我國未來農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)帶來影響。本文就我國氮肥施用現(xiàn)狀、存在問題和原因及未來發(fā)展趨勢提出了以下看法。
合理施用氮肥主要包括四個(gè)方面，即施肥量、施肥時(shí)期、施肥方法和肥料品種( 國際上稱為“4Ｒ”技術(shù)，即（right amount，right time，right place，righttype) 。這四個(gè)方面不是孤立的，而是相互聯(lián)系和影響的。 如施肥量首先決定于目標(biāo)產(chǎn)量，但又決定于施肥方法、時(shí)期和肥料品種。如果后三者不合理，導(dǎo)致施肥過程和施肥后大量氮素?fù)p失，氮素沒有充分被作物吸收利用，為了獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量，農(nóng)戶就要加大施氮量，以保證作物吸收足夠氮素。 如果后三者都趨于合理，那么施入的氮肥能夠被作物充分吸收利用，就不需要增加額外氮肥去“滿足損失”。
確定合理施氮量是施肥的關(guān)鍵。我們認(rèn)為，合理施氮量始終決定于目標(biāo)產(chǎn)量和目標(biāo)籽粒蛋白質(zhì)含量。在我國主要取決于目標(biāo)產(chǎn)量，在西方國家小麥生產(chǎn)中，還要求一定的籽粒蛋白質(zhì)含量，主要是出于烘烤面包需要，這時(shí)施氮量要稍高，應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)最佳施氮量之上，但一般不會超過最高產(chǎn)量施氮量。 目標(biāo)產(chǎn)量不是憑空想象的，取決于某一時(shí)期某一地區(qū)的生產(chǎn)條件，主要包括土壤條件、氣候條件，農(nóng)藝管理措施如品種、灌溉、耕作等。在某個(gè)地區(qū)某種作物上，可以根據(jù)過去三年平均產(chǎn)量或當(dāng)?shù)啬軌颢@得的比較高的產(chǎn)量來確定。 當(dāng)然，如果要追求進(jìn)一步把產(chǎn)量提高到更高臺階，那就需要改進(jìn)生產(chǎn)條件和栽培管理措施，相應(yīng)的施氮量也應(yīng)該根據(jù)新設(shè)定的目標(biāo)產(chǎn)量確定。 西方發(fā)達(dá)國家一般把目標(biāo)產(chǎn)量定義到經(jīng)濟(jì)最佳施氮量能夠達(dá)到的水平上，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度，這時(shí)肥料的投入產(chǎn)出比最高，獲得的經(jīng)濟(jì)效益也最大。 我國因?qū)r(nóng)產(chǎn)品需求量大，一般將目標(biāo)產(chǎn)量定義到最高產(chǎn)量施氮量能達(dá)到的水平上，最高產(chǎn)量施氮量比經(jīng)濟(jì)最佳施氮量要高，引起的氮肥損失會稍大，但環(huán)境代價(jià)還不是太大。如果超過了最高產(chǎn)量施氮量，不但對增產(chǎn)沒有好處，氮肥損失卻會顯著增加。 如何確定田塊尺度的合理施氮量? 傳統(tǒng)方法是利用田間肥料試驗(yàn)或土壤與植株測試，這兩類方法在實(shí)際應(yīng)用中都有較大缺陷。 前者以田間試驗(yàn)及生物統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，基于“投入－ 產(chǎn)出”關(guān)系，視土壤為“黑箱”，推薦量來源于前些年的試驗(yàn)結(jié)果，且不可能每塊地上去做田間試驗(yàn)，沒有解決“空間變異”問題。 后者以土壤和植株測試為基礎(chǔ)，其一是很難找到可靠的土壤有效氮測試指標(biāo)，如在水田還沒有找到滿意的指標(biāo); 盡管旱地根層貯存硝態(tài)氮可以反映土壤的供氮能力，但也存在諸多局限性，如硝態(tài)氮易移動、空間和時(shí)間變異大，從采樣到分析結(jié)果可引起N 30 kg /hm2 以上的誤差，該誤差足以掩蓋田塊之間施氮量的差異; 其二是將測試值轉(zhuǎn)換為推薦量需要大量參數(shù)，有時(shí)計(jì)算的結(jié)果不如有經(jīng)驗(yàn)的人“拍腦袋”。 兩類方法的共同局限性還在于，需要花費(fèi)大量資金和時(shí)間進(jìn)行田間試驗(yàn)和土壤與植物樣品測試。 由于我國田塊小、數(shù)量大，測試工作量大; 復(fù)種指數(shù)高、茬口緊，測試工作難以做到不誤農(nóng)時(shí); 測試設(shè)備不足，技術(shù)人員少; 因此，即使土壤供氮能力的測試指標(biāo)得以解決，也不能廣泛采用測試路線。 在目前我國以小農(nóng)戶土地分散經(jīng)營為主的情況下，我們首先推薦朱兆良提出的區(qū)域平均適宜施氮量概念和做法，因?yàn)樵摲椒軐⒔^大多數(shù)地塊施氮量控制在合理范圍。 在目前產(chǎn)量水平下，華北平原和長江中下游平原水稻、小麥和玉米的平均適宜施氮量大約為N 190 ～ 200 kg /hm2、150 ～ 180kg /hm2 和170 ～ 190 kg /hm ～ 2。對上述三大糧食作物，以上考慮就可以在獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量的同時(shí)，把環(huán)境污染降到最低限度。 在蔬菜、果樹、棉花、茶樹、煙草等經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中，除要求有較高目標(biāo)產(chǎn)量外，還對產(chǎn)品的品質(zhì)有一定要求。合理施氮量確定必須達(dá)到所要求的品質(zhì)指標(biāo)，才能獲得較好經(jīng)濟(jì)效益。 但一般來說，這些經(jīng)濟(jì)作物合理施氮量也在最高產(chǎn)量施氮量范圍內(nèi)，對品質(zhì)指標(biāo)的要求，往往使施氮量低于最高產(chǎn)量施氮量。 在以上分析中，沒有考慮經(jīng)過一季作物種植后，土壤氮素的變化情況。我們認(rèn)為，在長期耕作田塊，應(yīng)該維持土壤氮素基本平衡。 如果施氮不足導(dǎo)致土壤氮肥力下降，則后季需要補(bǔ)充土壤消耗氮素，而且很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定和較高的目標(biāo)產(chǎn)量。 如果施氮過量，則會導(dǎo)致土壤氮素累積和隨后大量損失。因此，在長期耕作田塊，合理施氮量應(yīng)該是獲得目標(biāo)產(chǎn)量的同時(shí)，維持土壤氮素平衡。 根據(jù)我們對肥料氮、土壤氮、作物吸氮三者關(guān)系的大量研究結(jié)果，在秸稈還田條件下，禾谷類作物的合理施氮量大致相當(dāng)于作物地上部的氮素?cái)y出量。 可以根據(jù)這個(gè)規(guī)律和以往本地區(qū)試驗(yàn)參數(shù)，很方便確定出獲得一定目標(biāo)產(chǎn)量時(shí)的合理施氮量。該方法花費(fèi)最少、簡便易行，值得大面積推廣。 另外，化學(xué)氮肥合理施用還決定于有機(jī)肥施用和秸稈還田狀況，以維持土壤作物體系中氮素投入和輸出大致平衡。 所以在決定化學(xué)氮肥施用量的同時(shí)，也應(yīng)考慮有機(jī)肥和秸稈帶入氮量，從總需氮量中扣除有機(jī)肥供氮量。這就是世界上普遍采用的平衡計(jì)算法確定作物氮肥施用量的基本原理。 目前，果樹和蔬菜過量施用氮肥的原因就是沒有考慮有機(jī)肥的供氮量。例如，在蔬菜生產(chǎn)中，有機(jī)肥帶入的氮量可以達(dá)到每季N 500 ～ 1000 kg /hm2，相當(dāng)于化肥氮施用量，但農(nóng)戶在確定化肥氮施用量時(shí)，往往忽略了這部分氮素。
根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和維持土壤氮素平衡確定了合理施氮量后，施肥方法和施肥時(shí)期就成為這些氮肥是否能被作物吸收利用的關(guān)鍵。 關(guān)于施肥方法和施肥時(shí)期的問題，在科學(xué)上已經(jīng)有較清楚認(rèn)識，如深施氮肥可以顯著降低氨揮發(fā)損失，氮素應(yīng)在作物營養(yǎng)生長旺盛期、營養(yǎng)生長與生殖生長轉(zhuǎn)換期得到合理供應(yīng)，也就是作物生理上的“最大效率期”和“生理敏感期”。 我國許多農(nóng)戶普遍采用的撒施氮肥，或撒施后灌水，導(dǎo)致肥料氮不能入土的施肥方式，是氮肥大量損失的主要原因。 如在我國目前大面積生產(chǎn)中，小麥( 產(chǎn)量水平在5. 5 ～ 7. 5 t /hm2 ) 、玉米( 6. 5 ～ 9. 5 t /hm2 ) 、水稻( 6. 5 ～ 8. 5t /hm2 ) 的合理施氮量最大范圍在N 150 ～ 250kg /hm2 之間，但我國許多田塊氮肥施用量達(dá)到了N 250 ～ 350 kg /hm2 ，實(shí)際上，在施肥過程和施肥后，已經(jīng)有N 100 kg /hm2 左右的氮素發(fā)生了損失，起作用的還是N 150 ～ 200 kg /hm2。 可以看出，由于施肥方法的粗放，導(dǎo)致農(nóng)戶為了使損失后的氮肥能夠達(dá)到滿足較高目標(biāo)產(chǎn)量的氮素需求，不得不施入過量的氮肥，打出點(diǎn)“余頭”。 隨著耕地規(guī)?；?jīng)營、規(guī)范化生產(chǎn)和機(jī)械化施肥的普及應(yīng)用，施肥方法導(dǎo)致的損失會降低，就可以把這部分氮肥從傳統(tǒng)施氮量中減下來。 根據(jù)我們?nèi)鍪┓柿系慕?jīng)驗(yàn)，人工表面撒施肥料不僅會造成嚴(yán)重的氨揮發(fā)損失，而且在施氮量上難以控制，經(jīng)常撒多，況且也很難撒勻。這是我國目前肥料施用過量、損失嚴(yán)重的直接原因。 如本文所考慮的幾個(gè)關(guān)鍵施氮量點(diǎn)N 150、225、250 和300kg /hm2，相當(dāng)于在整個(gè)一季作物的數(shù)次施肥中，每畝地施用一袋50 公斤尿素的44%、65%、72% 和87%。如果人工撒施尿素，很容易在一畝地上一次就將半袋尿素撒完，不知不覺就過量了。 所以要控制施氮量，減少氮肥損失，機(jī)械化均勻施肥是必由之路。機(jī)械化施肥既可以做到氮肥深施，也可以很好的控制施用量。在目前土地分散經(jīng)營的情況下，應(yīng)該推廣小型簡單的機(jī)械實(shí)施氮肥深施。
由于我國科學(xué)普及水平較低，這一看似簡單的問題，在生產(chǎn)實(shí)踐中變得極其復(fù)雜。手工撒施氮肥或撒施后灌水仍是我國小農(nóng)戶土地分散經(jīng)營的主要施肥方式，“一炮轟”施肥也相當(dāng)普遍，導(dǎo)致大量的氮素?fù)p失。 這些看似施肥技術(shù)方面的問題，實(shí)際背后隱藏著復(fù)雜的社會經(jīng)濟(jì)問題，如單個(gè)農(nóng)戶土地分散經(jīng)營、土地規(guī)模小，農(nóng)戶不計(jì)較肥料投入成本和糧食收入; 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較經(jīng)濟(jì)效益低，農(nóng)業(yè)收入在家庭收入中不如外出務(wù)工高; 省時(shí)省工，不愿意投入勞力; 缺乏適當(dāng)?shù)氖┓蕶C(jī)械，擔(dān)心追肥成本高等。 未來土地規(guī)?；?jīng)營有望解決上述主要問題。當(dāng)今西方發(fā)達(dá)國家在每個(gè)田塊上未必都實(shí)現(xiàn)了合理施氮，但對氮肥用量控制是嚴(yán)格的，主要出于對環(huán)境問題的考慮。 由于施肥方法和施肥時(shí)期的合理性，如大面積機(jī)械化施肥或精準(zhǔn)變量施肥，使施肥過程和施肥后的氮素?fù)p失降到很低，環(huán)境污染控制到最低限度，這得益于有關(guān)施肥技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的普及應(yīng)用。 綜上所述，我國作物生產(chǎn)中氮肥施用的主要問題是損失嚴(yán)重，這既是經(jīng)濟(jì)損失，又是環(huán)境污染。降低氮肥施用過程和施用后的氮素?fù)p失，成為田塊、區(qū)域和國家尺度控制氮肥用量、提高氮肥有效率和降低環(huán)境污染的關(guān)鍵。
我國自上世紀(jì)八十年代以來，氮肥總使用量上升很快。要判斷氮肥施用量是否合理，我們認(rèn)為，需要從三個(gè)尺度上進(jìn)行分析，即農(nóng)戶田塊、區(qū)域和國家尺度。
在田塊尺度，可以應(yīng)用田塊實(shí)際作物產(chǎn)量、田間試驗(yàn)合理施氮量，農(nóng)戶實(shí)際施氮量判斷農(nóng)戶的施氮屬于什么水平，分析農(nóng)戶施氮是否過量及原因。 過去三十多年間，我國做了大量田間肥料試驗(yàn)和農(nóng)戶施肥量調(diào)查，為這種判斷提供了豐富資料。不同于下發(fā)問卷調(diào)查或訪問農(nóng)戶的形式，我們于2005 年在山東惠民采用定點(diǎn)農(nóng)戶跟蹤記錄方式，對農(nóng)戶實(shí)際施肥情況進(jìn)行了跟蹤研究。跟蹤記錄的47 塊冬小麥－ 夏玉米輪作田塊，56 塊日光溫室蔬菜田塊， 34 塊蘋果園的化肥氮施用量分別為N553、1358 和661 kg /( hm2·a) ; 有機(jī)肥氮施用量分別為N 50、1881、181 kg /( hm2·a) ，兩者之和分別為N 603、3239 和842 kg /( hm2·a) ，農(nóng)戶實(shí)際施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了每種作物的推薦施氮量，導(dǎo)致大量氮素盈余和地下水硝酸鹽污染。 這種跟蹤記錄，雖費(fèi)時(shí)多、花費(fèi)大，但準(zhǔn)確度高，可以獲得農(nóng)戶田塊可靠的實(shí)際施氮量，但跟蹤記錄的農(nóng)戶數(shù)量很有限。 通過大樣本問卷調(diào)查和走訪農(nóng)戶方式，可以得到大量農(nóng)戶田塊施氮量數(shù)據(jù)。Zhang 等對全國27個(gè)省2346 個(gè)村進(jìn)行了調(diào)查，在調(diào)查的4218 塊水稻、4554 塊小麥、4522 塊玉米、6863 個(gè)果園和3889 塊蔬菜田塊中，氮肥施用量分別為( 平均值± 標(biāo)準(zhǔn)差)N 209 ± 140、197 ± 134、231 ± 142、550 ± 381、383± 263 kg /hm2。 應(yīng)該注意，這是基于每季作物的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國集約化糧食作物種植區(qū)大部分是一年兩季( 也有一年1 季、一年3 季的情況) ，蔬菜是一年2 ～ 4 季，果樹是一年1 季。 調(diào)查的相應(yīng)作物產(chǎn)量分別為7. 2 ± 1. 8、4. 9 ± 2. 0、7. 4 ± 2. 7、36. 7 ±19. 7、36. 0 ± 36. 1 t /hm2。 可以看出，農(nóng)戶田塊每季作物施氮量存在相當(dāng)大的變異。就小麥、玉米和水稻三大糧食作物目前產(chǎn)量水平，若設(shè)置小于N 150kg /hm2 為不足，N 150 ～ 250 kg /hm2 為合理，大于N250 kg /hm2 為過量，則不足、合理和過量田塊占總調(diào)查田塊分別約1 /3。 如果以每季蔬菜、果樹推薦施氮量分別為N 150 ～ 300 kg /hm2、150 ～ 250kg /hm2，蔬菜、果樹等經(jīng)濟(jì)作物上氮肥過量施用現(xiàn)象更加普遍和嚴(yán)重。樊兆博通過收集文獻(xiàn)，計(jì)算出我國部分設(shè)施蔬菜種植區(qū)每季蔬菜的氮肥、有機(jī)肥氮施用量分別為N 775 ± 288 kg /hm2、266 ± 195kg /hm2，高于以上大樣本農(nóng)戶調(diào)查施氮量。 其他關(guān)于農(nóng)戶田塊尺度上施氮過量的報(bào)道，在中外文獻(xiàn)上不計(jì)其數(shù)，這里不再贅述。從農(nóng)戶調(diào)查結(jié)果看，我國集約化種植區(qū)氮肥過量施用現(xiàn)象相當(dāng)普遍。
以上是采取自下而上農(nóng)戶調(diào)查方法，根據(jù)調(diào)查田塊數(shù)，每個(gè)田塊施氮量，從文獻(xiàn)資料上獲得依據(jù)田間試驗(yàn)確定的推薦施氮量范圍，進(jìn)行對比分析，求出低于、合理或高于推薦施氮量范圍的樣本數(shù)占總調(diào)查樣本數(shù)的比率，以評價(jià)農(nóng)戶施氮量處于什么水平。但這種抽樣調(diào)查方法很難判斷區(qū)域尺度的施氮狀況。 英國倫敦帝國大學(xué)的David Norse 教授曾經(jīng)問過筆者一個(gè)問題，即“中國過量施氮的面積有多少?”，引起了筆者長時(shí)間思考。 對于這個(gè)區(qū)域尺度的問題，我們認(rèn)為應(yīng)該采用從上到下的方法，目前只能依據(jù)國家統(tǒng)計(jì)資料、國際糧農(nóng)組織( FAO) 和國際肥料工業(yè)協(xié)會( IFA) 的數(shù)據(jù)庫。我們定義的過量施氮面積是指“over-fertilized area”，該播種面積的實(shí)際平均施氮量超過了平均推薦施氮量，其計(jì)算公式如下: 其中，As是一個(gè)地區(qū)的總播種面積; As，i是第i 種農(nóng)作物的播種面積; Ni是第i 種農(nóng)作物的推薦施氮量范圍; Nt是一個(gè)地區(qū)的總施氮量。 基于這一判斷，可以用省級或縣級統(tǒng)計(jì)資料，計(jì)算出某一地區(qū)單位播種面積的平均施氮量( Nt /As) 。由于在省或縣級尺度上有多種作物，每個(gè)作物都有平均推薦施氮量范圍( Ni) ，可以根據(jù)主要作物的平均推薦施氮量和相應(yīng)播種面積的權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算出該區(qū)域所有作物的平均推薦施氮量。 如果該播種面積的實(shí)際平均施氮量小于、等于或大于平均推薦施氮量，則認(rèn)為是不足、合理、過量氮肥施用面積。 根據(jù)我國已經(jīng)發(fā)表的大量研究資料，小麥、玉米和水稻每季作物氮肥推薦量范圍大致在N 150～ 250 kg /hm2 之間，蔬菜大致在N 150 ～ 300 kg /hm2之間，果樹大致在N 150 ～ 250 kg /hm2 之間，其他作物大致在N 50 ～ 150 kg /hm2 之間。 將這些推薦施氮量范圍應(yīng)用到全國，則全國過量施氮面積占播種面積20%，合理面積占70%，不足面積占10%，其空間分布如圖1。 由于我國各地復(fù)種指數(shù)不同，單位農(nóng)田面積和單位播種面積的施氮量差異很大。我們認(rèn)為，前者是每年施氮量，或者稱為施氮強(qiáng)度，可以反映向某個(gè)地區(qū)投入肥料氮的強(qiáng)度，如果投入氮強(qiáng)度過高，就會使下季作物利用上季殘留肥料氮的機(jī)會減小，導(dǎo)致氮素嚴(yán)重?fù)p失，引起區(qū)域內(nèi)大氣和水環(huán)境的氮濃度增高，作為區(qū)域內(nèi)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo); 后者反映每季作物的施氮量，可以作為區(qū)域內(nèi)是否合理施氮的評判指標(biāo)。 由圖1 可以看出，我國單位農(nóng)田面積施氮量高于N 350 kg /hm2 的地區(qū)主要分布在中東部和東南部地區(qū)，包括北京、河南、江蘇、湖北、福建、廣東等地。這些地區(qū)單位農(nóng)田面積肥料氮投入強(qiáng)度大，環(huán)境污染嚴(yán)重。 我國單位播種面積大于N 250kg /hm2的地區(qū)也主要分布在上述地區(qū)，而大于N225 kg /hm2 的地區(qū)更加廣泛的分布于中東部和東南部的絕大部分地區(qū)。 這種自上而下用區(qū)域平均推薦施氮量來評判大面積氮肥施用狀況的方法，只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)意義上的結(jié)果，可能掩蓋實(shí)際過量施氮、環(huán)境污染的熱點(diǎn)( hotspots) 。 如云南省，單位農(nóng)田面積或播種面積的氮肥施用量并不高，全省氮肥過量施用似乎不是一個(gè)嚴(yán)重問題。但云南是一個(gè)氣候、地形、農(nóng)業(yè)環(huán)境變異較大的省份，作物生產(chǎn)集中在平地和較肥沃的土壤上，這些熱點(diǎn)地區(qū)的年平均施氮( N) 量高達(dá)400 ± 100 kg /( hm2·a) ，玉米上可高達(dá)730 ± 330kg /hm2，嚴(yán)重超過了全省年平均施氮量150kg /( hm2·a) 左右。 同樣，在陜西的糧食、蔬菜和果樹上，大于60% 的田塊超過了推薦施氮量。由于各種氮素?fù)p失量與施氮量一般呈指數(shù)增長關(guān)系，鑒別這些熱點(diǎn)對評判高環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。 如硝態(tài)氮淋洗量通常在單位播種面積施氮量超過N 150 ～ 180 kg /hm2后顯著增長，水體富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。 同樣，N2O 排放量在施氮量超過N 180 kg /hm2后，呈指數(shù)增長趨勢。氨揮發(fā)也表現(xiàn)為同樣的趨勢。由于我國以分散經(jīng)營的小農(nóng)戶模式為主，農(nóng)戶數(shù)量達(dá)2 億多，有限的技術(shù)服務(wù)應(yīng)首先在這些高施氮量的熱點(diǎn)地區(qū)得到應(yīng)用，以減少環(huán)境壓力。
我國需要多少氮肥，既能保證農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)需求，又不引起環(huán)境污染，一直是大家關(guān)心的重要問題。 要判斷全國氮肥使用量處于什么水平，需要用合理方法。理論上講，國家氮肥需求量，應(yīng)該等于各個(gè)田塊合理施氮量之和，但這是很難估算出來的。我們在這里提出一種估算國家尺度氮肥需求量的方法， 即根據(jù)某種作物的播種面積和這種作物的推薦施氮量范圍，獲得該種作物的需氮量，將全國不同作物需氮量相加，即可大致估算出全國的合理需氮量范圍，稱之為氮肥需求量估算法。 其中，Nd是總合理需氮范圍; As，i是第i 種農(nóng)作物的播種面積; Ni是第i 種農(nóng)作物的推薦施氮量范圍。 根據(jù)我國已經(jīng)發(fā)表的大量研究資料，我國小麥、玉米和水稻每季作物氮肥推薦量范圍大致在N 150 ～250 kg /hm2 之間，蔬菜大致在N 150 ～ 300 kg /hm2之間，果樹大致在N 150 ～ 250 kg /hm2 之間，其他作物大致在N 50 ～ 150 kg /hm2 之間。 將不同作物推薦施氮量下限和上限與相應(yīng)作物的播種面積相乘，再分別相加，即可獲得全國尺度農(nóng)田的合理使用量下限和上限。 根據(jù)我們的研究，田塊尺度上作物合理施氮量基本上相當(dāng)于作物地上部( 籽粒和秸稈) 氮素?cái)y出量。 如果能夠求出全國尺度上所有作物的地上部氮素?cái)y出量，則可粗略的認(rèn)為是全國的合理需氮總量。 實(shí)際上，西方發(fā)達(dá)國家田塊尺度上氮肥施用量相當(dāng)于籽粒移走的氮量，因?yàn)榻斩捯话隳軌蛉窟€田，人畜禽糞尿也能大部分回到農(nóng)田補(bǔ)充部分土壤氮素消耗，國家尺度上總的氮肥需求量大致相當(dāng)于全國籽粒攜出總氮量。 由于我國氮肥損失較為嚴(yán)重，損失的氮素大致相當(dāng)于秸稈還田的氮量，加之我國人畜禽糞尿的循環(huán)利用率較低，為了彌補(bǔ)這部分損失，我們推算的田塊尺度氮肥施用量相當(dāng)于作物地上部分氮素?cái)y出量( 籽粒和秸稈) 。 國家尺度的氮肥需求量相當(dāng)于全國作物地上部氮素?cái)y出總量，以此作為我國氮肥需求量的最低下限。 為了驗(yàn)證以上兩種方法估算全國氮肥需求量的準(zhǔn)確性，我們首先與全國1980 ～ 2010 年間的實(shí)際氮肥使用量進(jìn)行比較，其次再與實(shí)際氮肥使用量減少30%的情景相比( 圖2) ，為預(yù)測我國未來的氮肥需求量尋找方法。 之所以設(shè)置減少30% 的情形，我們認(rèn)為，由于我國氮肥施用量、施用方法和時(shí)期的粗放，導(dǎo)致某些地區(qū)氮肥過量、加上不應(yīng)有的氮肥損失，如果將這些部分減下來，降低30% 氮肥使用量，應(yīng)該是較合理的氮肥需求量。 由圖2 可以看出，大約在1990 年以前，我國實(shí)際氮肥使用量低于合理使用量的下限，與此同時(shí)，作物氮素總攜出量高于減少30% 的情景，說明全國氮肥使用量不足，處于消耗土壤氮素的狀態(tài)。 1990 年以后，實(shí)際氮肥使用量迅速上升，超過了合理使用量的下限; 至2010 年，居于合理使用量范圍的中部，但遠(yuǎn)高于減少30% 的情景和作物氮素總攜出量。 非常有意思的是，在2005 年以后，合理使用量的下限與減少30%的情景非常接近。我們認(rèn)為，如果能夠通過改善施肥技術(shù)而降低氮肥損失量，合理使用量下限應(yīng)該是保證我國糧食安全和環(huán)境保護(hù)的總氮肥需求量。 如果有機(jī)肥循環(huán)利用率能夠從現(xiàn)在約40%提高到80% ( 見下文) ，加上有機(jī)肥提供的氮素，應(yīng)該保證全國的氮素需求。而作物總氮素?cái)y出量應(yīng)該是總氮肥使用量的最低下限( 底線) 。 由此看來，在改善施肥技術(shù)基礎(chǔ)上( 即最優(yōu)模式) ，我國2006 ～ 2010 年間5 年氮肥平均使用量應(yīng)該為N19. 6 × 為了預(yù)測我國未來氮肥總需求量，我們采用了以下五種方法。 首先，我國2001 ～ 2010 十年間氮肥總使用量基本呈穩(wěn)定增加趨勢，我們假設(shè)未來40 年( 自2011 年起) 氮肥基本保持2001 ～ 2010 的年均增長量( 約N 0. 5 × 其次，在以上基礎(chǔ)上，減少30% 的氮肥施用量。 第三，假設(shè)2010 年以后每年糧食進(jìn)口量保持在61. 2 百萬噸( 2010 年的進(jìn)口量) 不變，根據(jù)人口及人均消費(fèi)來估算糧食需求量，然后根據(jù)1980～ 2010 年糧食總產(chǎn)量與氮肥總使用量的數(shù)學(xué)關(guān)系，預(yù)測氮肥需求量: 第四，結(jié)合復(fù)種指數(shù)變化( 假設(shè)從2010 年的1. 32 線性增長到2050 年的1. 5) 推算作物播種面積變化( 總耕地面積除以復(fù)種指數(shù)，并假設(shè)各種作物的播種面積比例保持在2010 年的數(shù)值不變) ，然后根據(jù)不同作物合理施氮量范圍推算合理氮肥使用量范圍; 第五，作物攜出氮量根據(jù)1980 ～ 2010 糧食產(chǎn)量與作物地上部攜出量來計(jì)算:y = a bx，其中，y 為作物攜出氮量( N ，×
由圖3 可以看出，如果全國氮肥使用量以2001至2010 年均增長量繼續(xù)增長，預(yù)測的2011 ～ 2050年間氮肥使用量將會從合理使用量范圍的中線逐漸超出合理使用量的上限，且沒有與未來糧食需求量掛鉤。 如果在照常經(jīng)營模式基礎(chǔ)上減少30% 的氮肥，則全國氮肥使用量從合理使用量范圍的下限逐漸上升到中線，也沒有反映糧食需求的變化。 以糧食需求預(yù)測的氮肥需求量，在前期趨于合理使用量范圍的上限，后期則趨于合理施氮量范圍的中下部，且接近于減少30% 的情景。作物氮素總攜出量始終低于合理施氮量下限。 綜合考慮各種預(yù)測方法，如果改善施肥技術(shù)，我國2020、2030 和2050 年合理氮肥需求量應(yīng)該是合理氮肥使用量的下限，分別為 如施肥技術(shù)得不到實(shí)質(zhì)上的改善，依然粗放施氮，則 根據(jù)作物合理推薦施氮量估算我國農(nóng)田對氮肥需求量范圍具有重要意義。政府主管部門可以依此來安排氮肥生產(chǎn)，避免過量生產(chǎn)氮肥，因?yàn)樯a(chǎn)氮肥需要消耗大量的化石能，化肥企業(yè)產(chǎn)能過剩必然影響到全國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程也會造成一定程度的環(huán)境污染和溫室氣體排放。 根據(jù)本文提出的氮肥需求量估算方法，可以估算出各省和全國的合理氮肥使用量范圍，對省和全國尺度氮肥總使用量進(jìn)行宏觀調(diào)節(jié)和控制，可以在保證農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的條件下，避免盲目使用氮肥而引起的環(huán)境污染問題。 遺憾的是，我國仍然缺乏在省級和全國尺度上控制氮肥總使用量的相關(guān)政策。
我國以9% 的耕地，養(yǎng)活了20% 的世界人口，但也使用了世界30%左右的氮肥，這其中還包括有機(jī)肥回田的氮素大約N 12 × 為了判斷我國氮肥使用與糧食生產(chǎn)情況居于什么水平，我們比較了中國、美國和西歐2006 ～ 2010 年期間5年平均的有關(guān)指標(biāo)( 表1) 。
可以看出，我國的單位農(nóng)田面積和單位播種面積施氮量都遠(yuǎn)高于美國和西歐，我國在復(fù)種指數(shù)約1. 4 的條件下，單位農(nóng)田面積的產(chǎn)量卻低于后兩者。 我們認(rèn)為，其中的主要原因有: 1) 美國和西歐的糧食生產(chǎn)區(qū)位于土壤－ 氣候( 水熱) 條件較好地區(qū)，土壤肥力較高，而我國糧食生產(chǎn)壓力大，有些糧食生產(chǎn)區(qū)的土壤－ 氣候條件較差，全國平均起來，單位農(nóng)田面積的糧食產(chǎn)量較低; 2) 我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳氮含量低，供氮量低，復(fù)種指數(shù)高，需要通過化肥提供的氮素比例高; 3) 美國和西歐的有機(jī)肥循環(huán)利用率較高，有機(jī)肥補(bǔ)充的氮素替代了相當(dāng)?shù)幕实度? 4) 我國化肥氮的有效率較低，損失嚴(yán)重。 從這3 個(gè)國家或地區(qū)與全球的氮肥使用與糧食產(chǎn)出歷史變化來看( 圖4) ，美國和西歐的氮肥總使用量在八十年代達(dá)到最高后，基本平穩(wěn)或者有下降的趨勢，而中國的氮肥使用量自八十年代以來一直在快速上升，直接拉動了全球氮肥的增長。
從單位播種面積施氮量來看，西歐自八十年代以來顯著下降，美國基本平穩(wěn)或略有增加，而中國迅速增加，2005 年以后已經(jīng)超過了西歐。 從糧食總產(chǎn)量看，西歐基本不變，美國有所增長，中國播種面積大，糧食總產(chǎn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國和西歐，與全球糧食增長同步。從糧食單產(chǎn)來看，西歐最高，中國和美國在持續(xù)上升，但1995 年以后，美國持續(xù)上升，中國增長緩慢，特別是2005 年以后，在復(fù)種指數(shù)約1. 4 的條件下，單位農(nóng)田面積的糧食產(chǎn)量低于美國，而且差距有拉大的趨勢。 以上情況都說明，我國氮肥投入的效率在持續(xù)下降。 從以上分析可以得出一個(gè)基本判斷，我國用比較高的氮肥投入，獲得了糧食、蔬菜、水果和肉奶蛋的基本自給，但氮肥的損失量很高。 如果現(xiàn)在的粗放施肥方式得不到實(shí)質(zhì)性改善，那么再增加農(nóng)產(chǎn)品，還需要增加氮肥投入，不僅已經(jīng)污染的環(huán)境得不到恢復(fù)，而且還會不斷加重。 因此，我們更應(yīng)該考慮在不大量增加氮肥總使用量的情況下，將氮肥在區(qū)域間進(jìn)行合理調(diào)配，使田塊尺度的施氮量更趨合理，減少氮素?fù)p失，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。
按照李書田和金繼運(yùn)根據(jù)我國2008 年畜牧業(yè)和作物生產(chǎn)的估算，有機(jī)肥資源量約為49. 5 × 但是，我國有機(jī)肥還田率只有39%，不到資源量的一半。值得注意的是，上述全國糧食、蔬菜、水果的總產(chǎn)出中，包括了這部分有機(jī)肥提供的氮量。眾所周知，有機(jī)肥施用對土壤培肥至關(guān)重要，有機(jī)無機(jī)配合是獲得持續(xù)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要農(nóng)藝措施。 在當(dāng)今我國以化肥當(dāng)家的現(xiàn)實(shí)狀況下，有些田塊長期得不到有機(jī)肥施用，對土壤的碳源補(bǔ)充不足，土壤碳氮比下降，土壤有機(jī)碳氮庫變小; 土壤物理、化學(xué)和生物性狀變差，土壤水、肥、氣、熱四大肥力因子失調(diào);土壤對短期干旱或養(yǎng)分缺乏的緩沖能力變?nèi)酰仁罐r(nóng)戶不得不頻繁地大量灌水和多次施肥以維持產(chǎn)量，使水分和養(yǎng)分的利用率降低，農(nóng)田管理成本增大。 過去我們只注意了有機(jī)肥提供的養(yǎng)分，而對有機(jī)肥或秸稈提供的碳源重視不夠，事實(shí)上，這些碳源在調(diào)節(jié)土壤肥力因子中起著重要作用。 Drinkwater 和Snapp認(rèn)為，現(xiàn)在養(yǎng)分管理策略只注重向作物提供可溶性的無機(jī)養(yǎng)分，而忽略了碳氮磷循環(huán)在時(shí)間和空間上的匹配，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)處于一個(gè)滲漏的無機(jī)營養(yǎng)飽和狀態(tài)。 改進(jìn)的管理措施應(yīng)注重?zé)o機(jī)庫和有機(jī)庫的協(xié)調(diào)，使無機(jī)養(yǎng)分能夠較長時(shí)間地持留在有機(jī)庫中，作物通過微生物或植物介導(dǎo)的過程獲取養(yǎng)分，而不是僅注意可溶性無機(jī)養(yǎng)分庫。發(fā)揮生物學(xué)過程使碳氮配合，將養(yǎng)分持留在土壤中，將會極大地降低對高無機(jī)養(yǎng)分投入的需求。 可見，培育土壤有機(jī)碳氮庫對改善土壤肥力、增產(chǎn)和降低環(huán)境污染的重要作用。我們的研究表明，單純施用無機(jī)氮肥，土壤會有一個(gè)相對大的無機(jī)氮庫，而相對小的有機(jī)碳氮庫，減小了土壤的緩沖能力，增加了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)( 圖5) 。
有機(jī)無機(jī)配合，為微生物提供了碳源，既可以維持土壤相對較大的有機(jī)碳氮庫，增加土壤的緩沖性能，又可以維持土壤較好的無機(jī)氮供應(yīng)能力，提高土壤保水保肥性能。 當(dāng)土壤維持一個(gè)較大的有機(jī)氮庫時(shí)，在水熱條件較好的作物快速生長期，土壤有機(jī)氮可以通過礦化作用持續(xù)不斷地供應(yīng)作物對氮素的需求，只需要在關(guān)鍵生育期施用氮肥。這些氮肥除了被作物吸收外，還可轉(zhuǎn)化成微生物氮和土壤有機(jī)氮暫時(shí)保存，降低了損失風(fēng)險(xiǎn)。 當(dāng)土壤有機(jī)氮庫較小時(shí)，土壤失去了這種保持和供應(yīng)養(yǎng)分的緩沖性能，即使多次施肥，也很難保證對作物養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)，因?yàn)楦到佑|的土壤氮比肥料氮的幾率大得多，作物對土壤氮的吸收始終是主要的。如果施入的肥料氮不能及時(shí)被土壤有機(jī)碳固定，就容易流失。 在生產(chǎn)實(shí)踐中農(nóng)戶經(jīng)常抱怨“化肥越施地越饞”，就是有機(jī)肥和碳投入量不足，土壤有機(jī)碳氮庫變小的原因。我國在有機(jī)肥利用方面存在很多問題，大量有機(jī)肥資源沒有充分利用，而是變成了環(huán)境污染物的來源。 對人畜禽糞尿的堆放和處理不當(dāng)是我國有機(jī)肥管理中的突出問題，有機(jī)肥不能耕翻進(jìn)土壤或施肥時(shí)期不當(dāng)導(dǎo)致氨揮發(fā)、淋洗損失和N2O 排放增加。 農(nóng)戶和集約化養(yǎng)殖場對畜禽糞便的不當(dāng)處理是這些問題的開始，尤其是有大約600 百萬噸( 鮮重) 露天堆積在土地或水道上，成為重要的點(diǎn)源污染，占排放到地表水中的90% 的COD，38% 的氮和56% 的磷，是湖泊、河流和入海口水體富營養(yǎng)化化的主要來源。 我們認(rèn)為，這不是一個(gè)簡單的技術(shù)問題，而主要原因還是社會經(jīng)濟(jì)問題。例如，在上世紀(jì)八十年代化肥沒有普遍大量使用以前，我國農(nóng)戶非常重視農(nóng)家肥的收集和利用。 但到了近十幾年，由于化肥很容易購買和相對較低的價(jià)格，運(yùn)輸施用方便; 勞動力價(jià)格上升使農(nóng)戶認(rèn)為收集和施用有機(jī)肥費(fèi)時(shí)費(fèi)工不衛(wèi)生等，導(dǎo)致有機(jī)肥的回田率下降，占養(yǎng)分的比例下降，直接影響到全國土壤肥力演變和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)能力與穩(wěn)定性。 如果能將有機(jī)肥的回田率從現(xiàn)在的大約40%提高到國外的大約80%，還可以向農(nóng)田再增加約N 12 × 如何培育土壤有機(jī)碳氮庫是我國提升土壤肥力的關(guān)鍵問題。對于Kong 等提出“高氮才能固碳”的觀點(diǎn)，筆者和國外的研究都證實(shí)，長期合理氮肥投入加上秸稈還田能夠顯著增加土壤有機(jī)碳氮含量，氮肥與有機(jī)肥和秸稈配合效果更，單純大量施用氮肥不僅沒有好處，有時(shí)還加速了土壤原有有機(jī)碳氮的分解，還會引起嚴(yán)重的氮素?fù)p失。 事實(shí)上，對于冬小麥和夏玉米一年兩季作物來說，黃淮海平原年平均施氮量N 430 kg /( hm2·a) 基本相當(dāng)于本文論述的合理施氮量上限，加之該地區(qū)普遍采用的撒施肥料，氮肥的損失在30% 以上，實(shí)際上發(fā)揮作用的氮肥投入量在本文的合理施氮量范圍，而不是Kong 等論述的“投入無機(jī)肥越高、產(chǎn)量越高、有機(jī)質(zhì)就會越高”。 另外，文章最后提出的該地區(qū)提高肥料利用率和降低損失的措施，如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、土壤測試、微量元素和葉面施肥更不是解決問題的關(guān)鍵。 在上世紀(jì)八十年代以前，我國化肥使用量不高，科技工作者提出以“無機(jī)促有機(jī)“的觀點(diǎn)，即通過增施無機(jī)肥，獲得較高的籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量，秸稈可以作為牲畜飼料生產(chǎn)更多有機(jī)肥，再回到農(nóng)田供應(yīng)作物養(yǎng)分。 過去三十年大量的化肥投入，人糞尿、牲畜糞便和秸稈等有機(jī)肥資源迅速增加，但還田率在下降，因有機(jī)肥造成的水體和大氣污染在加重，但通過有機(jī)肥回到農(nóng)田的總養(yǎng)分量還是增加的。 讀者會擔(dān)心，在某些過量施氮地區(qū)如果減少了化肥氮的施用，會不會降低有機(jī)肥的產(chǎn)出量。我們認(rèn)為，通過合理施氮減少氮肥施用量，并不會引起作物籽粒和秸稈產(chǎn)量的降低，甚至?xí)黾赢a(chǎn)量，有機(jī)肥的產(chǎn)出量也不會減少。 如果能提高有機(jī)肥的回田率，通過有機(jī)肥供應(yīng)的作物養(yǎng)分量還會增加。我們的研究還表明，過量施氮會引起作物秸稈碳氮比下降，還田后不利于增加土壤有機(jī)質(zhì)，而合理施氮可以提高作物秸稈的碳氮比，回田后有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積。
蔡祖聰?shù)忍岢隽恕拔覈挥袑?shí)施以高墾殖率、高復(fù)種指數(shù)和大量施用化肥為特征的高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)，才有可能保證糧食安全”，但沒有界定這種大量施用化肥到什么程度。 如果在設(shè)定了目標(biāo)產(chǎn)量后，在施肥方法和時(shí)期都合理的情況下，這種“高投入”是最高產(chǎn)量施氮量或經(jīng)濟(jì)最佳施氮量，這不算是“高投入”，應(yīng)該是合理投入。 如果是粗放施肥的大量損失條件下，要獲得同樣的目標(biāo)產(chǎn)量，為了滿足給作物的供氮，需要在合理施氮量再加上氮肥的損失量，就如同現(xiàn)在大多數(shù)農(nóng)戶的習(xí)慣施肥那樣，這樣的“高投入”并不會增加產(chǎn)量，而只是“保證了高量的氮素?fù)p失”，很難降低氮素污染。 正如本文的研究結(jié)果，如果仍然依照現(xiàn)在的粗放施肥習(xí)慣，我國現(xiàn)在的實(shí)際氮肥使用量應(yīng)該沒有過量，但氮肥損失是嚴(yán)重的，損失率應(yīng)該在40% ～ 50% 之間; 如果能夠通過改進(jìn)施肥技術(shù)將過量地區(qū)的氮肥用量和損失降下來，對氮肥在地區(qū)間進(jìn)行合理調(diào)配，則可以降低30%的氮肥使用量。
蔡祖聰?shù)雀鶕?jù)他們提出的判斷氮肥“過量施用”的三個(gè)指標(biāo)，認(rèn)為“在全國尺度上，隨著人口的增加以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，對糧食的需求量將繼續(xù)增加，因而必須施用更多的氮肥”。 根據(jù)本文的預(yù)測結(jié)果，如果改進(jìn)施肥技術(shù)，未來氮肥需求盡管有增加的趨勢，但總量比現(xiàn)在還可以降低; 如果依然粗放施肥，則需要在現(xiàn)在實(shí)際氮肥使用量上繼續(xù)增加，但增加的幅度并不大。 從1961 ～ 2010 年間我國氮肥使用量與糧食總產(chǎn)量的關(guān)系( 圖6) 來看，和田塊尺度上單位面積施氮量與產(chǎn)量的效應(yīng)曲線相似，也呈拋物線增長關(guān)系，也呈報(bào)酬遞減規(guī)律，而非直線關(guān)系。
盡管現(xiàn)階段沒有達(dá)到糧食總產(chǎn)的最高點(diǎn)，但總產(chǎn)的增幅隨氮肥使用量的增加在下降。通過解方程求得，當(dāng)全國氮肥總使用量達(dá)到N 33 × 可以看出，通過增加氮肥總使用量來增加糧食總產(chǎn)量的潛力是有限的。 在國家尺度上，當(dāng)?shù)适褂昧康蜁r(shí)，氮素成為產(chǎn)量限制因子; 但在施氮量達(dá)到一定程度后，其他生產(chǎn)因素成為限制因子，再施氮不會再增產(chǎn)。 另一方面，“要增加糧食，就要增加氮肥投入”，這種情況也只發(fā)生在氮肥利用率和損失率不變的條件下，如果提高了氮肥利用率，降低了氮肥損失率，則可以在獲得同樣產(chǎn)量的條件下，降低氮肥用量。 還有，在氮肥使用量達(dá)到較高水平后，氮肥究竟在糧食增產(chǎn)中起了多大作用? 如果仔細(xì)分析我國歷年來糧食總產(chǎn)量與氮肥總使用量在不同階段的變化( 數(shù)據(jù)略) ，就可以看出，在1998 ～ 2003 年，盡管氮肥投入在增加，但糧食產(chǎn)量在下降，主要是政策忽視糧食生產(chǎn); 2004 ～2013 的糧食十連增，并不只是取決于氮肥的增加，而取決于政策重新注重糧食生產(chǎn)，實(shí)行種糧補(bǔ)貼和糧食價(jià)格調(diào)整等因素。所以這樣的分析把決定糧食增產(chǎn)的因素混到了一起。 我國未來需要多少氮肥，首先取決于中國未來需要生產(chǎn)多少糧食、蔬菜、水果和肉奶蛋。其次決定于將施氮過程和施氮后的氮素?fù)p失程度降低到什么程度，我們需要逐步從粗放的施肥方式中走出來。 盡管未來的農(nóng)產(chǎn)品需求會增長，但如果將現(xiàn)在的粗放施氮損失降低30%，中國將來的氮肥需求增長量并不大，這是值得進(jìn)一步研究的重要問題。
蔡祖聰?shù)冗M(jìn)一步提出了“必須加強(qiáng)高投入條件下解決氮污染問題的研究，建立相應(yīng)的理論體系，政策措施和技術(shù)方法”。 根據(jù)本文的分析，如果這種高投入是建立在高損失的條件下，其造成的氮污染是難以解決的。我們知道，氮肥的損失途徑包括氨揮發(fā)、淋洗和徑流以及反硝化損失，損失的這些活性氮都有強(qiáng)烈的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，即使反硝化損失以氮?dú)鉃橹?，也會引起很高的?jīng)濟(jì)和能量損失。 我們認(rèn)為，氮污染的控制應(yīng)該遵循“源頭控制的原則”，“末端治理”會付出更大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)代價(jià)。 問題的焦點(diǎn)還是如何界定這種“高投入”，如果這種高氮投入是在合理施氮量范圍內(nèi)，這種“理論體系和技術(shù)措施”業(yè)已存在，只是在具體生產(chǎn)實(shí)踐中落實(shí)不到位的問題; 如果這種“高投入”是為了維持那種不高的產(chǎn)量，而放任施氮過程和施氮后的大量損失，那么這種“解決氮污染”的方法很難找到，也許根本就不存在。 從本文的分析看，未來降低氮污染的關(guān)鍵是通過施肥技術(shù)和政策法規(guī)實(shí)質(zhì)性地從源頭降低氮肥大量損失。要進(jìn)一步提高我國的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出量，主要依賴于將氮肥在區(qū)域間的合理調(diào)配。在過量施氮地區(qū)，通過增加氮肥投入不僅不會增產(chǎn)，還會加重污染，進(jìn)一步增產(chǎn)依賴于對整個(gè)作物生產(chǎn)過程優(yōu)化農(nóng)藝措施的落實(shí); 在投入不足地區(qū)，依賴于進(jìn)一步改善生產(chǎn)條件和土壤肥力，發(fā)揮增施氮肥的增產(chǎn)作用。 具體參考文獻(xiàn)可查詢原文了解。 |
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左右; 如仍然依照現(xiàn)在的粗放施肥習(xí)慣，應(yīng)該為現(xiàn)在的實(shí)際氮肥總使用量，5年平均為N27. 9 × 
) ，作為照常經(jīng)營模式( BAU) 。
，其中y 為氮肥總使用量( N，× 
，b = 2. 3。
