我國氮肥利用率低的原因及對策

我國氮肥利用率低的原因及對策

1我國耕地氮肥的投資和利用1.1我國化肥消耗現(xiàn)狀氮是水稻生產(chǎn)中最重要的養(yǎng)分。水稻高產(chǎn)與施用氮肥密切相關(guān)。據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計,1961~2009年,全球氮肥用量(以N計)從11.6×106t增加到10.5×107t,增加9.1倍,而中國在同期內(nèi)氮肥用量增加67.9倍(見圖1)。1961年,中國氮肥用量約占世界氮肥總用量的5%,這一比例在2009年上升至35%,中國已成為當(dāng)前世界上最大的氮肥消費國。據(jù)IFA估計,2006~2007年,世界水稻消耗氮肥占氮肥消耗總量的15.8%,而中國水稻消耗氮肥約5.5×106t,占世界水稻氮肥總用量36.1%。1991~2010年,我國水稻收獲面積從1991年的3.3×107hm2下降到2010年的3.0×107hm2,占世界水稻收獲面積的比例從1991年的22.5%下降到2010年的19.6%,降幅2.9%;我國水稻單產(chǎn)增加幅度16.4%,比世界水稻單產(chǎn)增加幅度23.7%低7.3%;水稻總產(chǎn)從1991年的185.7×106t增加到2010年的197.2×106t,占世界水稻總產(chǎn)量的比例卻下降6.5%。在水稻種植面積逐年減少的情況下,增加肥料投入,尤其是氮肥的投入成為提高水稻單產(chǎn)、增加糧食產(chǎn)量的常規(guī)途徑。據(jù)FAO統(tǒng)計,1997年中國稻田單季氮肥用量平均為145kg·hm-2。2001~2005年中國水稻氮肥用量平均為150kg·hm-2,比世界平均氮肥用量高67%。而且隨著水稻生產(chǎn)的發(fā)展,水稻本田期的施氮量呈現(xiàn)增加趨勢。1.2化肥的利用國外通用的氮肥利用率(FertilizerNuseefficiency,FNUE)的定量指標(biāo)有氮肥吸收利用率(Recoveryefficiency或uptakeefficiency,RE),氮肥生理利用率(Physiologicalefficiency,PE),氮肥農(nóng)學(xué)利用率(Agronomicefficiency,AE)和氮肥偏生產(chǎn)力(PartialfactorproductivityofappliedN,PFP)。這些指標(biāo)從不同側(cè)面評價作物對氮素的利用率。其中,RE反應(yīng)植株從土壤中吸收氮的能力;PE則反應(yīng)作物吸收的氮轉(zhuǎn)化為稻谷的利用效率;AE和PEP反應(yīng)施氮量與產(chǎn)量間的關(guān)系,由于受施氮量的影響較大,該指標(biāo)僅適合施氮量達(dá)到較高水平時對氮肥利用效率的比較。1.2.2化肥在水稻生長和水稻化肥學(xué)利用的影響因子水稻氮肥吸收利用率(RE)一般相對較低,主要是由于灌溉稻田的土壤-淹水系統(tǒng)通過氨揮發(fā)和反硝化作用能夠加快氮肥的損失。有研究認(rèn)為熱帶稻田的氮肥吸收利用率一般為30%~50%,低于世界平均水平。朱兆良研究不同形態(tài)氮素的吸收利用率,結(jié)果表明中國稻田碳銨氮素吸收利用率低于30%,尿素為30%~40%。張福鎖等通過分析2001~2005年全國不同地區(qū)間的試驗數(shù)據(jù),得出中國水稻氮肥利用率的地區(qū)間變異范圍為27.1%~35.6%,目前中國水稻的氮肥利用率僅為28.3%,呈下降趨勢。氮肥生理利用率的影響因子較多,如水稻品種、氣候、種植密度、水分供應(yīng)、其他營養(yǎng)元素以及病蟲害發(fā)生水平。一般認(rèn)為健康的水稻群體在無明顯其他限制因子的情況下,氮肥生理利用率約為50.0kg·kg-1。當(dāng)過量施用氮肥時,由于水稻過度吸收氮肥而造成氮肥生理利用率急劇下降。張紹林等研究指出,當(dāng)?shù)咎锸┑坑?6kg·hm-2增至230kg·hm-2時,氮肥生理利用率由45.0kg·kg-1下降至22.7kg·kg-1。在水稻生長后期過量施用氮肥比在水稻生長前期過量施用氮肥,氮肥生理利用率降低的幅度更大。Yoshida研究表明熱帶地區(qū)水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率為15~25kg·kg-1。Cassman等報道菲律賓旱季水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率為15~18kg·kg-1。據(jù)統(tǒng)計,我國水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率1958~1963年為15~20kg·kg-1,1981~1983年下降至9.1kg·kg-1,2001~2005年為10.4kg·kg-1。我國1995~1997年水稻PFP只有34kg·kg-1,在較好的作物管理條件下,氮肥偏生產(chǎn)力可超過50kg·kg-1,如2001~2005年,我國水稻氮肥偏生產(chǎn)力為54.2kg·kg-1?！笆濉币詠?我國開展高產(chǎn)超高產(chǎn)的攻關(guān)研究,但是高產(chǎn)試驗中水稻氮肥偏生產(chǎn)力僅為26kg·kg-1。2我國水稻利用率低的原因2.1水稻化肥利用施肥過量是我國氮肥利用率低的最主要原因。據(jù)報道,在施氮量小于60kg·hm-2時,水稻氮肥利用率為49.0%;當(dāng)?shù)视昧看笥?40kg·hm-2時,水稻氮肥利用率降至15.0%,水稻氮肥利用率隨著施氮量的增加呈下降趨勢。我國普遍施氮量在150~250kg·hm-2,而在江蘇省某些稻田施氮量可達(dá)300kg·hm-2[12-13]。2000~2002年我國水稻氮肥平均施用量為215kg·hm-2。2007年,我國水稻氮肥平均施用量為231kg·hm-2。在“施肥越多,產(chǎn)量越高”、“要高產(chǎn)就必須多施肥”等傳統(tǒng)觀念的影響下,稻農(nóng)大量施用氮肥,致使稻田氮肥利用率下降。2.2對水稻的施肥與土壤氮素狀況無顯著影響沿用傳統(tǒng)的稻田施氮模式,如:我國雙季稻地區(qū)的“一轟頭”施肥法(全部肥料于整田時一次性施用或再少施分蘗肥)、單季稻地區(qū)的“前促施肥法”(70%~80%作基面肥,20%~30%作返青肥)、“前促、中控、后?！笔┓史?70%~80%作基蘗肥,中期不施氮,20%~30%作保花肥或粒肥)等,施肥與水稻對氮的生理需求以及實地土壤氮素狀況不一致,這是造成我國稻田氮肥利用率低的另一個重要原因。據(jù)Fan等報道,在我國西南稻麥輪作區(qū),農(nóng)民通常在稻季的前10d內(nèi)施用兩次氮肥(基肥和追肥),而在麥季氮肥作為基肥一次性施入(大于120kg·hm-2)。由于水稻生長前期根系吸收能力低,地上部分的郁閉度也低,前期大量施肥往往造成氮素?fù)]發(fā)損失。彭少兵等認(rèn)為中期曬田(中控)會導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失加劇和水稻吸氮量減少,導(dǎo)致氮肥利用率下降。2.3對作物營養(yǎng)的貢獻(xiàn)一般而言,土壤肥力水平狀況是決定肥料利用率的基本因素,即在土壤肥力較低水平容易獲得高的肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率,反之,在土壤高肥力水平上較難得到高肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率。20世紀(jì)80年代至今,我國土壤養(yǎng)分由大面積缺乏向過量積累方向發(fā)展,隨著施氮量的增加,我國很多地區(qū)土壤中出現(xiàn)過量的無機氮累積。張福鎖等報道大氣氮素干濕沉降以及灌溉水中氮素對作物營養(yǎng)的貢獻(xiàn)。全國稻田生態(tài)系統(tǒng)7個試驗點的測定結(jié)果表明,大氣濕沉降輸入氮量12~42kg·hm-2,同樣灌溉水中也還有大量的氮、磷、鉀和微量元素。環(huán)境中氮素進(jìn)入農(nóng)田,進(jìn)一步增加土壤氮素含量。劉立軍等研究認(rèn)為土壤氮素背景高是水稻氮肥利用率低的重要原因。2.4平衡養(yǎng)分配比及表觀利用率我國稻田養(yǎng)分配比不平衡的現(xiàn)象普遍存在。通常認(rèn)為,在單施氮肥或氮肥、磷肥、鉀肥兩兩配施的情況下均不能最有效地利用養(yǎng)分資源,只有3者配施才能獲得高產(chǎn),養(yǎng)分表觀利用率最高。土壤基礎(chǔ)肥力狀況、產(chǎn)量水平和水稻類型均影響平衡養(yǎng)分配比。1995年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,中國不同省份稻田NP2O5K2O變化范圍為1.6~4.90.4~1.21,平均施用比例為2.80.81,而當(dāng)?shù)赝扑]氮磷鉀適宜比例范圍為1.2~2.50.3~0.61,由此Jin等認(rèn)為還有很大空間進(jìn)一步改善水稻平衡施肥。此外,Jin等還認(rèn)為不平衡施肥是導(dǎo)致中國水稻生產(chǎn)氮肥農(nóng)學(xué)利用率從15~20kg·kg-1下降到9.1kg·kg-1的主要原因。2.5提高水稻高產(chǎn)能力,通過施肥進(jìn)行水稻食據(jù)FAO數(shù)據(jù)顯示,2010年世界水稻平均單產(chǎn)3.7t·hm-2,我國水稻單產(chǎn)6.5t·hm-2,是世界平均水平的1.77倍。但是我國水稻單產(chǎn)在世界上排名11位,與發(fā)達(dá)國家水稻單產(chǎn)水平有很大差距,如澳大利亞水稻單產(chǎn)10.8t·hm-2,美國7.5t·hm-2。而在高產(chǎn)栽培試驗中,水稻單產(chǎn)可達(dá)13t·hm-2。由此可見,水稻實際單產(chǎn)僅僅是高產(chǎn)潛力的一半。前文中也提到通過施肥尤其是氮肥提高水稻單產(chǎn)是較為常見的措施。一般來說,在一定范圍內(nèi)施氮量增加,作物產(chǎn)量隨之增加,氮肥利用率顯著降低;降低施肥量,氮肥利用率提高,但作物產(chǎn)量不一定高。要想實現(xiàn)水稻高產(chǎn)和氮肥的高效利用,需要挖掘水稻自身對氮的吸收和利用潛力。而當(dāng)前在高供氮水平育種田育成的超級稻品種耐肥性強,由此造成水稻對氮肥的敏感性降低,這也是我國稻田氮肥利用率低的一個原因。3提高我國稻田氮肥利用率的途徑3.1傳統(tǒng)肥料用量方法農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為普及的提高氮肥利用率方法主要有:適宜的氮肥施用量、氮肥深施及分次施肥、肥水調(diào)控技術(shù)和平衡施肥等。近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,傳統(tǒng)提高氮肥利用率的方法又呈現(xiàn)出不斷優(yōu)化和組合趨勢,單一的傳統(tǒng)方法越來越難以滿足提高氮肥利用率的迫切需求。傳統(tǒng)方法的優(yōu)化和組合是從施肥的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合考量,并結(jié)合生產(chǎn)中遇到的其他問題對傳統(tǒng)方法進(jìn)行組裝和優(yōu)化。3.1.1增施化肥,穩(wěn)定林分環(huán)境針對我國目前稻田氮肥施用量偏高的情況,在滿足高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)栽培基礎(chǔ)上有必要減施氮肥,這也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要?，F(xiàn)有研究表明,氮肥深施是各項提高氮肥利用率中效果最好且較穩(wěn)定的一種措施。氮肥減施與氮肥深施相結(jié)合,從施氮量和施用技術(shù)的角度盡可能減少氮肥損失,提高氮肥利用率。3.1.2前促后控,后保,顧中顧尾不同時期分次進(jìn)行施肥較一次性施肥能夠有效減少施肥造成的損失,提高氮肥利用率。我國稻田施氮模式也經(jīng)歷從“一轟頭”施肥法和“前促施肥法”向“前促、中控、后保”和“穩(wěn)頭、顧中、顧尾”施肥法的轉(zhuǎn)變,逐漸形成“前氮后移”的模式。張洪程等在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上又提出水稻氮肥精確后移技術(shù),認(rèn)為倒四、倒三葉是早熟晚粳稻最利于高產(chǎn)高效的追肥葉齡期,氮肥精確后移模式產(chǎn)量顯著提高,氮素當(dāng)季利用率、生理利用率、施氮增產(chǎn)力以及表觀生產(chǎn)力均顯著提高,百公斤籽粒需氮量則略低,在大面積生產(chǎn)上應(yīng)用表現(xiàn)顯著增產(chǎn)增效。3.1.3節(jié)水灌溉下的培養(yǎng)水和肥料是對水稻生長的重要影響由于傳統(tǒng)的灌溉模式不僅造成水資源嚴(yán)重浪費,而且易造成土壤滲漏、地表徑流、氮素?fù)]發(fā)等問題,因此開展節(jié)水灌溉下的水肥調(diào)控有節(jié)本增效作用。水和肥料是限制水稻生長發(fā)育的兩個主要因子,并且耦合作用明顯。據(jù)朱兆良報道,在水稻田中基施氮肥采用“無水層混施法”,追肥采用“以水帶氮法”等節(jié)氮水肥綜合管理技術(shù),有助于降低氨揮發(fā)和徑流損失。3.1.4稻田保護(hù)性耕作與化肥利用率過去對于稻田保護(hù)性耕作的研究主要集中在土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性、節(jié)能減排和病蟲害生態(tài)調(diào)控等方面。近年來,關(guān)于稻田保護(hù)性耕作和氮肥利用率的研究才見報道。王靜等研究認(rèn)為,秸稈覆蓋和平衡施肥能有效降低徑流氮的流失量,保護(hù)性耕作(少免耕+秸稈還田+平衡施肥)能有效降低氮素徑流流失負(fù)荷,使得氮素流失潛能大大減小,可作為源頭控制稻田氮素?fù)p失的措施加以推廣。3.2現(xiàn)代新技術(shù)的普及和應(yīng)用3.2.1水稻氮素營養(yǎng)水平的校正和監(jiān)測氮素營養(yǎng)診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用是合理氮素管理的前提。傳統(tǒng)的氮素營養(yǎng)無損診斷主要有肥料窗口法和葉色卡片法,但這些方法均屬于定性或半定量的方法。隨著科技發(fā)展,氮素營養(yǎng)診斷逐漸向精確定量方向發(fā)展,如通過葉綠素儀、圖像及機器視覺技術(shù)、光譜遙感技術(shù)等診斷植株含氮情況,進(jìn)而指導(dǎo)合理施氮和氮素調(diào)控。稻田氮肥無損診斷技術(shù)近年來發(fā)展較快,其中應(yīng)用最廣的應(yīng)屬葉綠素儀診斷。葉綠素儀可以在一定程度表征作物的氮素營養(yǎng)狀態(tài),但在實際應(yīng)用中往往受作物的品種、生育期、生長環(huán)境的影響,要精確地估測氮素營養(yǎng)水平,還需建立校正曲線或改進(jìn)計算方法、不同學(xué)者采用校正方法不同,如利用SPAD/SLW(比葉重),相對葉色差(RSPAD)等對SPAD值進(jìn)行校正。其中RSPAD模型僅與水稻亞種類型有關(guān),可以不受具體品種和生育進(jìn)程的影響,具有較好的普適性。目前,仍需進(jìn)一步研究水稻氮素含量水平與氮素豐缺指標(biāo)間的關(guān)系,消除品種、生育階段及生態(tài)環(huán)境影響。機器視覺技術(shù)用于作物氮肥診斷的理論依據(jù)是作物對光的反射和吸收反映作物內(nèi)部組成物質(zhì)的特征。Casady和Singh等利用機器視覺在自然光照和水田灌水情況下采集水稻稻冠圖像,并利用灰度中值和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行水稻稻冠圖像與背景的正確分割和特征抽取,并在此基礎(chǔ)上建立基于機器視覺的水稻中期氮肥管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用所測定的稻冠尺寸判斷水稻生長情況,建立根據(jù)中期氮肥施用量和中期水稻生長情況(稻冠尺寸和葉綠素)預(yù)測水稻產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型,預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.846。該模型為進(jìn)行水稻中期需氮情況分析和確定最佳中期施氮量提供了客觀的方法。祝錦霞等研究認(rèn)為第3完全展開葉可作為機器視覺技術(shù)的水稻氮素診斷最佳葉位。劉江桓等研究發(fā)現(xiàn)G以及G/(R+G+B)與植株全氮間有最高相關(guān)性,并以之作為參數(shù)建立水稻氮素營養(yǎng)診斷模型。目前,水稻氮素遙感監(jiān)測研究多集中在構(gòu)建地面反射光譜與氮含量的反演模型,以及反演精度研究。而利用航片或航天衛(wèi)星圖像進(jìn)行水稻氮素監(jiān)測,由于費用昂貴或受光譜和空間分辨率限制,在作物氮素監(jiān)測方面的應(yīng)用報道甚少?；诠庾V信息的作物氮素營養(yǎng)無損監(jiān)測技術(shù),在今后的發(fā)展中需要加強在氮素營養(yǎng)監(jiān)測手段、建模方法創(chuàng)新、軟硬件產(chǎn)品開發(fā)及與其他技術(shù)結(jié)合方面的研究。3.2.2涂層尿素對試驗蝦的影響氮肥種類也會影響水稻對氮素的利用率。目前根據(jù)脲酶抑制劑和硝化抑制劑原理制成的緩效氮肥、改性氮肥以及涂層專用肥等在生產(chǎn)應(yīng)用上取得較好的增產(chǎn)增效效果。據(jù)鄭圣先等研究,控釋氮肥氨揮發(fā)量比尿素降低54.0%,氮淋失量降低32.5%,硝化—反硝化損失量降低32.5%,水稻氮肥利用率平均為65.6%。孫永紅等比較硫磺加熱固性樹脂包膜尿素與普通尿素對水稻的增產(chǎn)效應(yīng),研究表明在低氮水平下包膜尿素處理氮素利用率為76.9%,產(chǎn)量比施用普通尿素增加22.2%,增產(chǎn)效果顯著。張玉玲等研究表明施用涂層尿素可顯著抑制NH3和NOX揮發(fā)損失,可極顯著提高水稻氮肥利用率。據(jù)報道,應(yīng)用表面分子膜可降低NH3揮發(fā)速率,減少氮素?fù)p失。中國科學(xué)院南京土壤研究所發(fā)明的稻田抑氨膜,應(yīng)用該膜可顯著減少稻田中氨揮發(fā)損失,減少水分蒸發(fā),此外還有節(jié)氮增效作用。3.2.3模擬及其管理決策支持系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)用于指導(dǎo)稻田施肥的計算機決策支持系統(tǒng)主要有水稻管理系統(tǒng)(MANAGERICE)、氮素管理模型(MANAGE-N)和養(yǎng)分決策支持系統(tǒng)(Nutri-entdecisionsupportsystem,NuDSS)。除上述模型外,作物-環(huán)境資源綜合系統(tǒng)模型CERES(Cropenvironmentresourcesynthesis)、DSSAT(Decisionsu-pportsystemforagrotechnologytransfer)模型、作物氮模型—作物對施氮反應(yīng)模擬模型SMCR_N(Si-mulationmodelforcropresponsetonitrogenferti-lizer)等均能模擬土壤氮素平衡情況。由澳大利亞科學(xué)家Angus等開發(fā)的水稻管理系統(tǒng)(MANAGERICE),不僅可以模擬不同施氮量情況下水稻生長發(fā)育進(jìn)程和最終產(chǎn)量,并且能夠根據(jù)最新的稻谷價格和氮肥價格,提供最佳氮肥管理決策方案,用于指導(dǎo)施肥。荷蘭科學(xué)家TenBerge等為灌溉稻田最佳氮素管理建立由水稻生長模擬模型(ORYZA-O)和優(yōu)化程序兩部分組成的氮素管理決策支持系統(tǒng)(MANAGE-N)。其中ORYZA-O模擬作物的吸氮量、氮素分配和作物生長及產(chǎn)量;優(yōu)化程序模擬則通過改變施肥時間推導(dǎo)出最大模擬產(chǎn)量。養(yǎng)分決策支持系統(tǒng)是以QUEFTS模型和實地養(yǎng)分管理技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的,可以幫助用戶估計一定目標(biāo)產(chǎn)量下的N、P、K用量,選擇最合理的肥料組合等。據(jù)報道,MANAGE-N推薦施肥方案可增產(chǎn)5%~10%,氮肥農(nóng)學(xué)利用率可增加20%~50%。國內(nèi)研制的基于模擬模型的水稻管理決策支持系統(tǒng)有水稻栽培優(yōu)化決策系統(tǒng)RCSOD和雙季稻生產(chǎn)管理決策系統(tǒng)RICOS,稻麥輪作生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng),基于知識模型的水稻管理決策支持系統(tǒng)KMDSSRM,網(wǎng)絡(luò)化作物管理決策支持系統(tǒng)、基于WebGIS農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間信息管理及決策系統(tǒng)等。部分決策系統(tǒng)在指導(dǎo)水稻生產(chǎn)上起到增產(chǎn)增效的作用,但是應(yīng)用決策支持系統(tǒng)提高氮肥利用率的報道較少。3.2.4實時與動態(tài)氮素管理方法國際水稻所(IRRI)最早提出水稻實地氮素管理模式。該模式包括實時氮素管理方法(Real-timeNmanagement,RTNM)和固定分期調(diào)控氮素管理方法(Fixed-timeadjustable-doseNmanagement,FTNM)。兩種氮素管理方法均是以比色卡或葉綠素測定儀(SPAD)對葉片含氮量進(jìn)行估計。實時氮素管理方法中,農(nóng)民周期性(如