摘要：作為全球活性氮制造量和氮肥消費量均最大的國家，中國農業生態系統的氮平衡問題受到了國內外廣泛的關注。普遍認為中國農田施氮過量問題突出，并產生了嚴重的環境污染。為全面了解中國農業生態系統氮的來源和去向，找出引起氮肥消費量高的原因，本研究運用氮循環基本原理，以2010年為例，根據近年來發表的文獻和國家統計資料，詳細討論了不同空間尺度上中國農業生態系統的氮輸出和輸入，重點分析了作物-土壤系統氮循環與氮平衡的特征。2010年中國農業生態系統氮投入總體上過量，其數量基本上相當于經生物地球化學循環返回作物–土壤系統的氮量，大致在5TgN左右。在全國水平上，2010年化肥和有機肥帶入農田的氮量，相等于作物吸氮量和農田氮損失量之和；由于化學氮肥流向的多樣化，如林、牧、漁業和城市綠化等的氮肥消耗，以及部分經濟作物包括果樹和蔬菜，特別是設施蔬菜的高量施氮，總體上糧食作物過量施氮的問題并不十分突出。在耕地資源有限（占全球8%的耕地面積，養活20%的世界人口）、有機廢棄物中氮養分循環利用率低于30%、豆科作物播種面積較少且生物固氮占農田總氮投入不足15%的情況下，中國的農業生產只有依靠氮肥。然而，中國氮肥消費存在著很大的地區差異，在土地生產力水平較高的黃淮海、長江中下游和珠江三角洲地區，單位農作物播種面積的施氮量顯著高于全國平均水平。這些地區氮肥消費量較大與糧食單產高、復種指數高和豆科作物種植比例低有密切關系。因此，為保證人們不斷增長的食物需求和膳食結構的改善，加之土壤基礎肥力相對較低，農田化學氮肥投入較高具有一定的合理性。然而，農業生產過程中發生的氮損失，既浪費了資源，也污染了環境。損失進入大氣和水中活性氮以及環境中新產生的活性氮，經生物地球化學循環過程以大氣沉降和灌溉水返回農田，已經成為作物-土壤系統氮的重要投入項。由于農業生態系統中氮素轉化過程的多樣性和生物地球化學循環的復雜性，循環過程中的氮損失不可避免。只有通過在不同空間尺度上對氮素進行優化管理，才能將氮損失降低到最低。在保證糧食安全的基礎上，盡可能地降低農田施氮的環境風險，需要多學科、多部門的協作與共同努力，在不同空間尺度上實現氮優化管理、達到降低農業生態系統氮肥投入的目的。

　　關鍵詞：農業生態系統；氮生物地球化學循環；氮平衡；氮損失；氮管理

　　氮肥在保障中國糧食安全方面具有不可替代的作用。20世紀70年代末以后，中國糧食產量大幅度提高，除農村政策調整、品種更新、農田水利建設等因素外，化肥投入，特別是氮肥投入持續大量增加，是一個關鍵因素。而且，高產品種對氮肥的依賴性更強。然而，氮肥使用也帶來了一系列嚴重的環境問題。這些環境問題的產生，是人為制造的這部分活性氮參與自然界氮生物地球化學循環的必然結果。

　　1農業生態系統的氮循環與氮損失

　　1.1農業生態系統的氮循環

　　在需要以施肥方式補充的植物養分中，氮需求量最大且最普遍。在種養結合的典型農戶水平上的生產活動中，氮循環相對封閉（圖1）。作物所需氮來源于還田的有機廢棄物和輪作的豆科作物。隨著城市化進程，養殖業逐漸實現集約化，并在很大程度上與種植業分離。由于各種原因，有機養分資源還田比例大幅度降低。在豆科輪作面積很低的情況下，為了補充作物需要的氮，只能靠不斷施用大量氮肥（圖1），以滿足不斷增長的食物需求。

　　1.2食物生產-消費鏈的氮損失

　　氮肥在保證糧食安全的同時，引起了一系列環境問題，如N2O排放量增加和大氣二次氣溶膠的形成，部分地區水體氮嚴重污染等。此外，農業土壤也是大氣污染物HONO主要來源之一[9]。農業氮投入引起環境污染的主要原因，是農產品生產-加工-消費過程中，發生了各種方式、程度不同的氮損失，這種損失在很大程度上是一種不可避免的漏失。從環境角度，除反硝化和厭氧氨氧化釋放的N2外，其他活性氮組分的損失，就是氮的非點源污染。人們最終消費各種食物中所含氮量，平均僅占生產體系氮投入總量的17%[10]。經過食物生產鏈的傳遞，絕大部分氮發生損失，其中相當比例的氮，成為水體和陸地生態系統的污染負荷。

　　2作物-土壤系統氮平衡

　　由于基礎資料缺乏，全國尺度上農田氮平衡的估計有很大不確定性，已發表的在全國尺度上估算中國作物-土壤系統的氮平衡資料不多，其中代表性的2個研究結果總結在表2。

　　3農業生態系統氮循環研究的幾個問題

　　3.1作物-土壤系統氮損失的量化

　　氮肥利用效率不高的原因主要有：（1）微觀尺度上，微生物與植物根系對氮的競爭，導致肥料氮的生物固持，以及土壤和肥料氮相互交換而引起的假象[56]；（2）肥料氮直接和間接損失，如氨揮發和氮淋失；（3）肥料氮在轉化過程中發生損失，如反硝化引起的氣態氮損失。其中，施入土壤后肥料氮發生的各種方式的損失是最主要原因。因此，深入了解氮損失途徑及其影響因素，以便有針對性地采取措施控制氮損失，具有十分重要的意義。然而，目前有關氮損失的定量測定方法，卻存在著許多問題。

　　3.2有機廢棄物的養分資源量和可返還比例

　　經過30多年的經濟快速增長，農業增產、膳食結構改變以及品種更新，使得中國有機廢棄物的產生量顯著增加。例如，中國糧食總產從1995年的467Tg，增加到2010年的546Tg。同時，由于品種改進和動物性蛋白攝入比例的增加，有機廢棄物中氮的相對含量也會提高，這給正確估計有機廢棄物的養分資源量，帶來很大的挑戰。

　　References

　　[1]FowlerD,CoyleM,SkibaU,SuttonMA,CapeJN,ReisS,SheppardLJ,JenkinsA,GrizzettiB,GallowayJN,VitousekP,LeachA,BouwmanAF,Butterbach-BahlK,DentenerF,StevensonD,AmannM,VossM.Theglobalnitrogencycleinthetwenty-firstcentury.PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,2013,368(1621):91-97

　　[2]SchlesingerWH.Onthefateofanthropogenicnitrogen.PNAS,2009,106(1):203-206.

　　[3]GallowayJN,TownsendAR,ErismanJW,BekundaM,CaiZC,FreneyJR,MartinelliLA,SeitzingerSP,SuttonMA.Transformationofthenitrogencycle:Recenttrends,questions,andpotentialsolutions.Science,2008,320:889-892.

　　作者王敬國，林杉，李保國

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