全 文 ： 4* 国家高技术发展 ( 863) 计划项目“土壤 -作物系统过程模型与数字化设计技术研究”( 2003AA209030)资助
** ?通讯作者
收稿日期 : 2004-11-25 改回日期 : 2005-02-17
黄淮海平原旱田氮素损失特征及其环境影响研究 *
陈 健 宋春梅 刘云慧 **
(中国农业大学资源与环境学院 北京 100094)
摘 要 利用 N素平衡参数和统计数据计算黄淮海平原地区主要农作系统冬小麦田和夏玉米田 N素损失特征及其环
境影响研究结果表明 ,1992～1998年随 N肥用量的增加 , 每公顷农田 N肥总损失量及氨挥发、硝化-反硝化、淋洗与径流
等损失量呈逐年递增趋势 ,且不同 N 肥利用率、土壤残留率和损失率不同 ,同一 N肥在不同农作系统中利用率、土壤残留
率及损失率亦不同 ,夏玉米田 N肥损失率高于冬小麦田。并探讨了 N肥损失的环境影响及主要技术对策。
关键词 冬小麦 夏玉米 N 肥 损失特征 环境影响
Characteristics of N loss and its environmental effects in the dryland of Huang-Huai-Hai plain .CHEN J ian, SONG
Chun -Mei , LIU Y un-Hui ( College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing
100094,China) , CJEA ,2006,14(2) :99～102
Abstract Based on the N balanceparameters and statistical data, thecharacteristics of N loss and itsenvironmental effects
for the dominant crops of winter wheat and summer maize in Huang-Huai-Hai plain were studied .The results indicated
that with the increase of N fertilizer application from 1992 to 1998, the total N loss, ammonia volatilization loss, nitrifi-
cattion-denitrification loss, leaching and runoff per unit area were gradually increased . Theresidual rate, loss rateand utiliza-
tion efficiency weredifferent for N fertilizersandcrops; theloss of N fertilizerswasmuch higher in thefieldof summer maizethan
that in thefield of winter wheat . At last, theenvironmental effect of N loss and possiblecountermeasures were discussed .
Key words Winter wheat ,Summer maize, N fertilizer, Loss characteristic, Environmental effect
(Received Nov .25,2004;revised Feb .17,2005)
1 N 素去向与损失途径
N 肥施入土壤-作物体系后的去向一是被作物所吸收 ;二是在土壤剖面中以无机氮形态或有机结合形态
残留 ;三是以各种形式损失。肥料 N 的损失途径主要有氨挥发、硝化-反硝化、淋洗到根层以下或发生径流
损失[ 1 ,2] 。其中 N 肥的损失不仅导致经济损失 , 也是地表水富营养化、地下水NO -3 -N 含量增加、温室气体
N2 O 排放量升高等一系列环境问题产生的主要原因。
冬小麦田 N 素的去向。农田生态系统中化肥 N 的去向 , 是作物和环境条件影响下土壤中 N 素转化和
移动各过程的综合表现。N 素的去向受作物种类、土壤理化性质、气温、降雨、肥料种类、施肥量和施肥方式
等因子的影响[ 3 , 4] 。表 1表明近年来我国黄淮海平原地区冬小麦田各种 N 肥平均吸收率依次为尿素 > 硝酸
铵 > 硫酸铵 > 碳酸氢铵 ,土壤平均残留率则为碳酸氢铵 > 尿素 > 硫酸铵 > 硝酸铵 , N 素平均损失率为碳酸
氢铵 > 硝酸铵 > 硫酸铵 > 尿素。造成 N 素不同损失率的原因一是由于黄淮海平原地区土壤多为石灰性土
壤 ,氨挥发损失较显著 ,故NH +4 -N 肥损失大于尿素 , 其中碳酸氢铵更易于挥发 ; 二是NO -3 -N 比硫酸盐更易
淋失 ,故硝酸铵损失大于硫酸铵 ; 三是旱作条件下尿素易于随降雨或灌溉水向深层土壤中移动 , 有利于减少
氨挥发 , 因而尿素损失率可能低于其他NH +4 -N 肥。从绝对数量来看 , N 肥被作物吸收数量、土壤中残留 N
肥量以及 N 素损失量均随 N 肥用量的增加而增大。而相对值 N 肥利用率一般随施肥量的增加而减少 , 损
失率则随施 N 量的增加而增大。前人研究同时显示 N 肥和 P 肥配施处理下 N 肥损失率较小 , 这与其他地
区研究结果一致 ,即配施 P 肥、K 肥各组处理下 N 肥利用率高于、损失率低于未施 P 肥相应处理 , 这说明平
衡施肥重要性。土壤水分条件亦是影响 N 肥吸收与损失的重要因素之一 , 随 N 肥用量、土壤水分含量的增
第 14 ?卷第 2期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .2
2 0 0 6 ?年 4 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture April, 2006
表 1 黄淮海平原地区冬小麦 N肥去向
Tab .1 The fate of nitrogen fertilizer in winter wheat field in Huang-Huai-Hai plain
N 肥种类 作物吸收率/ % 土壤残留率/ % N 素损失率/ % 文 献
K ind of Recovery rate Residual rate Loss rate References
nitrogen fertilizer of crop of soil
范围 均值 范围 均值 范围 均值
Range Average Range Average Range Average
尿 素 32 `.0～66 .5 46 }.6 13 ?.0～36 .0 25 .3 7 .3～59 .7 31 ?.2 [ 2 ], 5～9 ,25]
碳酸氢铵 25 `.0～39 .0 32 }.0 20 ?.7～45 .5 33 .6 20 .8～45 .3 34 ?.0 [6 , 7, 25]
硫 酸 铵 30 `.0～58 .0 42 }.0 13 ?.0～33 .0 23 .7 20 .3～42 .6 32 ?.2 [ 6, 7]
硝 酸 铵 37 `.9～50 .8 44 }.1 14 ?.3～26 .0 21 .7 29 .2～36 .2 33 ?.4 [ 6, 7]
加 N 肥的 N 素损失量增
大[ 4 ,9 ,10] 。
夏玉米田 N 素的去
向。表 2表明黄淮海平原
地区夏玉米田各种 N 肥的
平均吸收率依次为硫酸铵
> 碳酸氢铵 > 尿素 , 土壤
平均残留率为尿素 > 碳酸
氢 铵 > 硫 酸 铵 , N 素
平均损失率为氯化铵 >
尿素 > 硫酸铵 > 碳酸氢
铵。比较表 1和表 2可
知我国黄淮海平原地区
夏玉米田各种 N 肥的
N 素损失率均高于冬小
麦田 , 其原因是夏玉米
生育期间正值华北地区
高温和多雨季节 , 加之
免耕播种使 N 肥只能
以撒施后灌水或雨前撒
施方式施入 ,这使施入N
表 2 黄淮海平原地区夏玉米 N 肥的去向
Tab .2 The fateof nitrogen fertilizer in summer maize field in Huang-Huai-Hai plain
N 肥种类 作物吸收率/ % 土壤残留率/ % N 素损失率/ % 文 献
K ind of Recovery rate Residual rate Loss rate References
nitrogen fertilizer of crop of soil
范围 均值 范围 均值 范围 均值
Range Average Range Average Range Average
尿 素 20 ?.0～66 .7 40 !.9 14 H.9～48 .0 26 e.0 7 .5～87 .5 41 .4 [ 9, 11～13, 25]
碳酸氢铵 29 ?.2～51 .6 43 !.9 8 H.8～37 .0 18 e.5 12 .0～62 .0 37 .5 [ 13 |, 25]
硫 酸 铵 28 ?.9～60 .5 46 !.7 9 H.1～27 .5 15 e.3 15 .4～59 .0 38 .0 [ 13]
氯 化 铵 - - - - 35 ?.3～50 .0 42 .7 [ 14]
肥极易发生氨挥发、硝化-反硝化和淋洗损失 , 多施的 N 肥并非残留在土壤中 ; 冬小麦生长季节由于基肥可
结合播前翻耕深施 ,返青、拔节期追施后及时灌溉 , 此期气温并不很高 , 故 N 肥的氨挥发、硝化-反硝化损失
可能很小 ,而多施的 N 肥可在土壤中储存 , N 肥损失率较小 [ 11] 。
N 肥损失途径。黄淮海平原地区冬小麦生长期间降雨少、灌溉量小情况下 N 素淋失可能性较小 , 氨挥
发损失所占比例较大 , 尤其是石灰性土壤上氨挥发损失一直被认为NH+4 -N 肥损失的重要途径[ 14] 。大水漫
灌情况下淋洗损失亦可能发生 ,尤其是质地轻土壤表现明显。黄淮海平原地区冬小麦生长季 N 的硝化-反
硝化损失量较低 (见表 3) [ 12 ,15] , 这可能与黄淮海平原地区冬小麦生育期气温低而降雨量少有很大关系。对
氨挥发和硝化-反硝化的测定方法不同 ,其所得结果差异亦很大 ( 见表 3)。黄淮海平原地区夏玉米田氨挥发
平均损失率为 16 .97% ,硝化-反硝化平均损失率为 6 .31% ( 见表 3) ,这可能与黄淮海平原地区大部分为石灰
性土壤以及夏季高温、雨水充足有关 [ 12 , 16] 。胡春胜等[ 16] 研究结果表明 , N 素淋溶主要发生在7～9月份夏玉
米生育期 , 施 N200kg/ hm2 处理 N 素淋失量为 21mg/ kg 左右 , 施 N400kg/ hm2 处理为31mg/ kg左右 , 施
N800kg/ hm2 处理为 37mg/ kg 左右 ; 114cm 土层处 NO -3 -N 积累施 N200kg/ hm2 处理为14mg/ kg左右 , 施
N400kg/ hm2 处理为 140mg/ kg左右 , 施 N800kg/ hm2 处理为 154mg/ kg左右 , 这是由于黄淮海平原地区降
雨主要集中在7～9月份 , 强度大的降雨引起N素地表径流损失 , 且使表层NO -3 -N下渗到较深土层。巨晓棠
表 3 黄淮海平原地区冬小麦和夏玉米 N素氨挥发与硝化-反硝化损失率
Tab .3 Ammonia volatilization loss rate and nitrificattion-denitrification loss rate in
winter wheat and summer maize field in Huang-Huai-Hai plain
作 物 氨挥发损失率/ % 硝化 -反硝化损失率/ % 文 献
Crops Rate of ammonia Rateof ni trificattion- References
volatilization loss denitrification loss
范围 均值 范围 均值
Range Average Range Average
冬小麦 2 V.10～24 .00 10 ?.18 0 l.24～1 .10 0 %.63 [ 11 N～13 , 18]
夏玉米 4 V.80～37 .00 16 ?.97 1 l.39～18 .00 6 %.31 [ 11, 15, 18, 26]
* 文献 [11, 12]采用通气法 , 文献 [ 18]采用微气象 (梯度扩散 )法 ,文献 [ 26]采用微气象学
迎风采样器法测定氨挥发损失 ,文献 [ 2, 15]采用乙炔抑制 -土柱培养法 , 文献 [26] 采用差减法
测定硝化-反硝化损失。
棠等[ 11] 研究表明 , N 肥深施处理 N
素的氨 挥发 平均 损 失率 可 降至
5 .1% ,硝化-反硝化平均损失率降
至 5 .78% , 气体挥发损失占总损失
的 21 .23%。故推断 NO -3 -N 下移
至 100～300cm或更深土层可能是
冬小麦/ 夏玉米轮作体系中 N 肥主
要损失途径。李有田 [ 17] 模拟研究
结果表明 , 渗漏水量过低或过高及
施 N 量过多时 N 的气态损失量均
远大于N素淋失量 , 而渗漏水量适
100 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
中及施 N 量少时 N 素淋失量却大于气态损失量。由于施入土壤中肥料损失主要途径和数量受诸多因素的
影响 ,故很难明晰黄淮海平原地区 N 素损失究竟是以氨挥发、硝化-反硝化为主 , 还是以淋溶损失为主 , 不同
的条件其结果不同 ,且土壤下层累积的 N 素很难被下季作物所利用 , 并随时间的推移逐渐向更深土层移动
或在移动过程中发生反硝化而造成不良的环境效应。
表 4 黄淮海平原地区旱地 N 肥使用量及损失量 (1992～1998)
Tab .4 Dosageand lossing of nitrogen fertilizer in dryland of Huang-Huai-Hai from 1992 to 1998
年 份
Y ears
耕地面积/ hm2
Arable
land area
使用 N 肥
纯 量 / t
Neat nitrogen
N 素总损
失 量 / t
Total losing
平 均 施 N
量/ kg·hm- 2 ?
Average nitrogen
dosage
氨挥发损
失 量 / t
Ammonia
volatilization loss
硝 化 - 反 硝 化
损 失 量 / t
Nitrificattion-denitri-
fication loss
淋洗与径流
等 损失量/ t
Leaching and
runoff loss
1992 ?
1993
1994
1995
1996
1997
1998
16833701
16185034
16520746
15755887
16936233
16643013
15858928
3572702
5007337
4304289
4206837
4853199
4950834
4787687
1298319 .9
1819666 .3
1564178 .6
1528764 .6
1763652 .5
1799133 .1
1739845 .5
212 .2
309 .4
260 .5
267 .0
286 .6
297 .5
301 .9
494462 .0
693015 .4
595713 .6
582226 .2
671682 .7
685195 .4
662615 .9
178635 .1
250366 .9
215214 .5
210341 .9
242660 .0
247541 .7
239384 .4
625222 .9
876284 .0
753250 .6
736196 .5
849309 .8
866396 .0
837845 .2
图1 黄淮海平原单位面积农田N肥损失状况(1992～1998)
Fig .1 Lossing of nitrogen fertilizer in
Huang-Huai-Hai plain from 1992 to 1998
2 黄淮海平原农田 N 素损失估算
黄淮海平原地区冬小麦耕地面积 (其中包括小麦/ 玉米轮作种
植制度 )占总耕地面积的 60%以上。据以上研究所得 N 肥损失参
数和统计数据估算出 1992～1998 年黄淮海平原地区旱地 N 素损
失量以及氨挥发、硝化-反硝化和淋洗与径流损失量 ( 见表 4) ,
1992～1998年该区农田 N 肥使用总量稳中有增 , 单位面积平均施
N 量亦逐年递增 ; 除 1993 年外 , 其他年份 N 素总损失量以及氨挥
发、硝化-反硝化、淋洗与径流损失量均随 N 肥使用量的增加而逐
年增加 ,平均每公顷农田 N 肥总损失量以及氨挥发、硝化-反硝化
和淋洗与径流损失量呈逐年递增趋势 (见图 1)。
3 N 肥损失对环境的影响与对策
随着高产、优质、高效农业的发展 ,农业生产采取的集约经营、高投入高产出种植制度 , 主要依赖于增加
化肥施用量 , 加之不合理的农业管理措施 ,导致 N 素利用率降低 , 损失加剧 , 由此而带来的生态环境问题日
益突出。
黄淮海平原地区、北京昆明湖和密云水库、天津于桥水库和江苏太湖等湖泊 ( 水库 ) 均出现不同程度水
体富营养化问题。据研究农田 N、P 流失是引起水体富营养化的直接原因 [ 19] 。N 素淋失还可污染浅层地下
水 ,我国制定的生活饮用水水质标准 ( CJ3092-92) NO -3 -N 含量为 20mg/ L , 张维理等 [ 20] 对北京和天津市、
河北和山东省 14 个市县 69个地点调查结果显示 , 有 1/ 2 以上区域超过饮用水硝酸盐含量最大允许值
50mg/ L ,其中最高者达 300mg/ L , 造成地下水 NO -3 污染主要原因是 20世纪 80年代以来农田大量施用 N
肥所致。通过计算还表明若 N 素损失率能降低 1个百分点 , 则黄淮海平原地区将减少 N 肥 ( 折纯量 )损失近
5万 t,这意味着降低 N 肥损失具有十分重要的经济和环境意义。
我国黄淮海平原地区旱田农业生产中 N 肥当季利用率仅为 36 .3% , 这是造成 N 肥增产效率低且环境
污染的重要因素。减少 N 肥损失、提高 N 肥利用率的主要技术对策一是适量施用 N 肥 , 研究结果表明随 N
肥施用量的增加 , N 肥增产效果逐渐降低 , 当 N 肥用量超过适宜施用量时 , 不仅增加成本亦不能达到高产 ,
且造成 N 肥大量浪费。因此农业生产中不是施肥越多越好 , 而应以获取最大 N 肥经济效益为目标。黄淮海
平原地区二熟制粮食作物年施 N 量建议维持在 350kg/ hm2 左右 , 不宜超过 400kg/ hm2[ 16 ,20～22] 。二是采用
科学施肥方法 , 深施是减少NH+4 -N 肥和尿素的 N 素损失、提高其利用率效果最大且较稳定的最佳方法 , 尤
其是在 N 肥以气态损失为主的黄淮海平原地区更为适用。N 肥混施和深施均比表施减少氨挥发损失[ 2 ,3] 。
第 2 ?期 陈 健等 :黄淮海平原旱田氮素损失特征及其环境影响研究 101
王朝辉等[ 12] 研究表明 , 尿素深施的 N 素氨挥发损失可降至 10%以下。三是水肥综合管理 , 旱作系统撒施尿
素后随即灌水可将尿素带入耕层土壤中 ,从而达到部分深施而减少 N 素氨挥发损失的目的。而分次施用和
适度灌溉可使 N 素损失降至最小 , 雨前表施 ,若雨量适宜亦可达到类似效果。四是平衡施肥 , 黄淮海平原地
区旱地土壤缺 K 和 P 面积很大 ,缺 P、K 土壤配施 P 肥和 K 肥可明显降低化肥 N 的损失。同时根据不同作
物不同生育期养分需要而适宜施肥 , 以保证作物全生育期养分平衡且不浪费肥料 , 如冬小麦拔节～抽穗期
养分状况决定有效分蘖的多少和穗的大小 , 而夏玉米生长过程中吸 N 较多 , 拔节后吸 N 量占总吸 N 量的
58%～64% [ 23] 。大幅增加有机肥施用量 , 有机与无机肥相结合 ,大力发展生态农业 , 以促进农业生产可持续
发展[ 2 ,4 ,11 ,24] 。
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102 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷