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【专访 .常熟站站长颜晓元研究员】---我国氮肥的农学收益与环境影响
作者: 常熟站 更新时间: 2016-08-26



▼ 问:颜老师好,前不久您有一篇文章发表在Environmental Research Letters,讲述我国氮肥的累积利用率。您写这篇文章的初衷是什么?您的出发点在哪里?


颜晓元这其实是2014年发的一篇文章了。写这篇文章的初衷是,我国的农田化学氮肥用量普遍比较高,而在这种情况下氮肥的当季利用率是比较低的,经常不到30%。这是事实,但是在发论文,包括在国际上发表有影响的论文时,一些文章往往就直接说成了我国氮肥利用率不到30%,给人的印象就是70%的氮肥浪费了。我好几次在日本等国家,都遇到有科学家说你们中国氮肥浪费太多,至少可以减掉一半。但事实上氮肥不仅仅是当季被利用,还有相当一部分通过残留于土壤而被后续作物利用,这部分也是氮肥的贡献。所以我们其实应该考虑氮肥的累积利用效率,这个累积利用效率一般要用长期肥料试验的结果来计算,而肥料的利用效率又跟肥料施用量密切相关,长期肥料试验的肥料用量往往是几十年前的水平,不能反映现在的状况。我这篇文章是用了一个比较新颖的方法,通过大尺度、长时间的统计数据,推导出我国氮肥的累积利用率及其随时间的变化情况。这个结果能更加客观地反映氮肥对农业生产的真实贡献。


▼ 问:这个真实贡献也就是氮肥的实际利用率?与您讲的氮肥农学收益 它们之间有什么关联吗?


颜晓元有关联。氮肥的农学收益,指的是因施用氮肥所带来的农产品产量增加的经济价值。比如一般的肥料试验中,跟不施氮的处理相比,施氮只使得产量增加30%-50%,但是事实上那个不施氮处理的产量,也有以前施用的氮肥的贡献在里面。同样,当年施用的氮肥,也会对后续作物的产量有贡献。因此在考虑氮肥的农学收益的时候既要考虑其当季利用的部分,也要考虑其残留于土壤而被后续作物利用的部分,也就是说要考虑氮肥因累积利用而使作物产量增加的收益。


▼ 问:单从氮肥的角度讲,它应该算是功臣。您说,化学氮肥是迄今为止全球最大的人为活性氮来源,使世界粮食产量在过去的四十年里增加了约一倍。所以一直以来氮肥与产量似乎成为了一种必然联系?


颜晓元氮是一切生命的必需元素,是氨基酸、蛋白质、核酸的物质基础,作物要生长,就要进行光合作用,就需要叶绿素,而氮是叶绿素的关键组成元素,所以缺氮的时候叶子变黄,光合能力下降,产量降低。就全球而言,有科学家测算过,如果没有氮肥,全球农业的生产能力只能养活现在人口的一半左右。我国近60年人口的增长、粮食产量的增长和氮肥产量的增长有很好的同步关系。但是氮肥在土壤中是肥料,离开了土壤就是污染物,而氮的利用率低,损失到环境中的氮就对大气和水体环境造成了重大的负面影响。


▼ 问:那么氮肥到底对我国的作物生产起多大的作用呢?这也关系到在造成环境负面影响的情况下我们为什么还要使用氮肥?


颜晓元这个问题要看如何去定义不同资源的贡献,如果简单地以作物所吸收的氮的来源来划分的话,那么以2000年为例,我国全部农作物所吸收的氮大约68%是直接或间接来自于氮肥。当然这并不等于说如果没有氮肥,我们的农产品就会减少68%,因为在没有化学氮肥的时候我们可能会更多地施用有机肥,以及通过种植绿肥等来固氮。


▼ 问:怎么理解?是说我们也可以不需要施用氮肥?或者需要在什么条件下才施用氮肥?


颜晓元在一定范围一定时间内当然可以不施用氮肥,但是要满足那么多人口的需求,不可能长时间、大范围不施用氮肥。我们土壤所在河南封丘有个持续了将近30年的长期肥料试验,不施氮肥,只施有机肥情况下,小麦、玉米产量只有正常产量的80%左右,有机肥、氮肥都不施用的情况下产量只有正常产量的20%。水稻上的情况要好一点,因为稻田自身有固氮功能,国际水稻所和我们常熟站的长期试验都表明,完全不施肥的情况下,水稻产量可达正常产量的50%左右,施用有机肥的处理产量可达正常产量的90%。但是这只是小区试验的结果,小区试验不施氮肥的处理会通过灌溉水、大气干湿沉降等途径接受附近农田的氮,如果大范围不施化肥,产量还不会有这么高。有机肥处理产量不如化肥处理产量高主要是因为其养分释放慢,有效性低,不能满足作物快速生长的需求。另外,如果大范围不用氮肥,全靠有机肥,那恐怕也没有这么多有机肥资源,更不用说有机肥本身可能存在的环境问题了。因此,如果能忍受产量牺牲20%,忍受施用有机肥所带来的成本的增加,解决有机肥存在的污染问题,当然可以不施用氮肥,否则不能。


▼ 问:那么氮肥的负面环境影响体现在哪些方面,到底有多大呢?


颜晓元氮肥的负面环境影响可以归纳为五个方面:第一对水质量的影响,包括地下水和地表水,地下水主要是指硝酸盐污染。地表水问题主要是氮磷浓度过高导致水体富营养化、藻类爆发,严重时整个水体成为死亡区。第二对空气质量的影响,施入农田的氮肥平均有10%以上以氨的形式挥发到空气中,而氨是气溶胶(雾霾)形成的重要前体物。第三对温室效应的影响,平均而言,氮肥的0.7%左右以氧化亚氮的形式损失到空气中,从氮损失的角度,这不是一个很大的量,但是氧化亚氮是一种重要的温室气体,单位重量的氧化亚氮对热量的捕获能力是单位重量的二氧化碳的298倍。第四对生态系统的影响,主要是导致生物多样性减少。第五对土壤质量的影响,主要是导致土壤酸化。国外把氮的这些负面影响叫做WAGES效应,各取第一个字母。


至于影响究竟有多大,这涉及到如何去衡量影响的问题。现在一个趋势是,不管哪方面的影响,都折算成钱,以统一的标准去衡量,以便于比较。比如温室气体,一吨二氧化碳在国际市场上是有价格的。类似地,排放到空气中的氨、排放到水体中的硝氮铵氮导致的环境影响,都可以用钱来量化。在欧洲,科学家给出了一个不同形态活性氮的负面环境影响的价格标准,根据这个标准,他们估算欧盟27国一年因氮肥施用导致的负面环境成本高达200-1500亿欧元,而氮肥给农民带来收益是200-800亿欧元。我们也用这个标准对我国的情况进行了估算,发现我国氮肥所带来的农业上的收益跟其导致负面环境影响几乎相等。


▼ 问:几乎相等说明什么问题?


颜晓元刚才说氮肥的农学收益,指的是因施用氮肥所带来的农产品产量增加的经济价值。负面环境影响是指因为氮肥施用导致排放到环境的活性氮对人体健康、生态系统和温室效应的影响,都折算成钱。二者大抵相等。但这并不等于说我们完全没有必要使用氮肥,因为这里的农产品的价格,是按产量充足时的正常市场价来计算的。如果不施氮肥,产量不足市场波动时,粮食的价格就不只是正常市场价了,可能高出很多。此外,这里是采用的欧洲的标准来评价活性氮的负面环境影响,欧洲人对环境比较重视,标准定的也比较高。这个对比只是说明对于氮肥所带来的负面环境问题需要充分重视。


▼ 问:如何把控氮肥对环境的污染,国外有什么先行的经验吗?


颜晓元发达国家主要是通过法律法规来进行管理。美国1977年制定的《清洁水法》 ,其中的319条款专门针对农业面源污染。在《清洁水法》框架下,主要使用最佳管理实践控制农业面源,主要通过两类项目实施,即环境质量激励项目和保护管理项目,美国国家环保局、农业部水土保持局及各州级政府相应机构都有相应的“最佳管理措施”实施细则和办法。欧盟1991年制定了《硝酸盐指令》,要求各国减少和控制农业硝酸盐污染,在这个指令之下,很多国家采取了税收政策。比如挪威1988年开始实行化肥税收政策,最初的政策目标是为其他政策的实施筹集经费,后来转变为支持环境友好行为。1988年北海蓝藻爆发,促使税率提高到化肥价格的8%,1991年又提高到20%。日本的情况有所不同,他们有点类似于我们现在的藏粮于土的政策,他们不追求最高产量,比如水稻,他们其实可以轻松达到8吨/公顷的产量,但他们的实际产量只有6.2吨/公顷左右,要达到8吨/公顷的产量,要多施很多氮肥。所以他们的粮食自给率只有39%,但是他们保持了那种生产能力,一旦需要,可以自给。另外,日本是给农产品补贴,我国是给化肥补贴。


▼ 问:好像很多都在说我国的氮肥利用率低,那我们究竟是什么原因低,我们国家现在有什么具体的解决办法?


颜晓元我们的氮肥利用率比一些发达国家低,这里有土壤、气候等客观原因,也存在管理方面的、可以改变的一些问题,可以归纳为以下几个方面:1. 我国迄今尚无直接限制肥料施用的法律法规,农民不直接对环境负责。2. 小规模农户经营模式、农民的受教育程度以及环保意识,决定了小农户不关注除产量之外的肥料用量问题。3. 机械化程度不足。氮肥深施是提高利用率、减少损失的一个最简单的措施,但是需要机械,我国的施肥机械化程度不高,肥料大多撒施,损失自然大。


下面这张图是2011年《National Geography》来中国采访氮肥问题的时候拍的一张照片,虽然是摆拍,也反映了一个实际情况,那就是,即使是看起来规模化经营的农户,肥料撒施也还是很普遍的现象。


▼ 问:我们是要解决氮肥利用率低的问题,但您提出在农业生产体系中,我们不是要把氮肥利用率提高到什么程度?而是要尽量减少施入氮肥的损失和向环境的迁移,最大限度地利用残留氮,同时保持土壤氮肥力的提高?


颜晓元是的,我们不能一味地追求高的氮肥利用率。以黑龙江省为例,其氮的总体投入/产出比非常高,比欧美国家还高,但事实上这是在消耗土壤地力,并不一定是个好现象。我们要实现藏粮于土就要继续提升土壤地力,土壤地力的最重要的指标是有机质含量,而有机质有相对固定的碳氮比,这意味着土壤氮含量也需要继续提升而不能被耗竭。根据我前面的计算,现在肥料的累积利用和残留部分加起来约50%,另外50%损失了,损失主要有四个途径:一是反硝化,是微生物将硝酸盐还原为氮气的过程;二是前面提到的氨挥发;三是径流损失;四是向下的淋溶损失。可以看出,这些损失是物理的、化学的或生物的过程,只要有底物存在,就会发生,是自然现象,不可完全避免。我们要做的一是要使氮肥施用带来的农学收益最大化;二是尽可能减少氮肥损失发生的程度。


▼ 问:您多年研究 农田氮素循环.....对于国家提出的氮肥“零增长”、“负增长”问题,您觉得怎样才能实现呢?


颜晓元我国要实现氮肥“零增长”、“负增长”,除了要针对上述三个问题加以改变之外,还需要通过两方面的措施来实现:一是增加有机废弃物的循环利用率,直接减少氮肥的使用;二是采用更好的施肥技术和高效肥料品种来提高氮肥利用率。有机废弃物的循环利用,更多的也是管理问题,当然也存在技术问题,比如如何减少畜禽粪便中重金属和抗生素的含量等。直接提高氮肥利用率的措施包括测土配方施肥、肥料深施、控释肥料、硝化抑制剂等。我们最近对国内三大粮食作物上的试验数据做了一个整合分析,发现测土配方施肥在的总体效果是稍微增加了产量(1.3%),但大幅度提高当季氮肥利用率(提高近50%),控释肥、硝化抑制剂、尿酶抑制剂增产7-10%,提高当季肥料利用率26-34%。当然这些技术措施的推广实施,也是一个管理问题,特别是针对我国的小农户经营模式而言。可喜的是,根据我们的数据,近年来我国氮肥利用率总体有缓慢上升的趋势,特别是在一些主要的农业省份,这主要得益于土地流转等政策使得经营规模的扩大。


▼ 问:目前我们存在较大氮足迹减排空间 从技术上还有生活方式上,能具体给我们讲下吗?


颜晓元氮足迹是跟碳足迹类似的概念,简单的说就是一个人在一年里,因为衣食住行等,导致了多少活性氮排放到环境中。从技术上,前面我们提到了,就是在食物的生产过程中提高氮的利用率,减少向环境的损失。从生活方式上,首先就是减少餐桌上的浪费,这在我国是一个很大的问题。第二是少食用肉类,即使食用肉类,要选择那些氮利用效率高的品种。比如生产一公斤牛肉所排放的氮就比生产一公斤鸡肉排放的高出4倍。


▼ 问:我知道您还负责常熟农业生态试验站的工作?站里是不是比较忙,现在的主要工作是什么呢?


颜晓元对,我是常熟农业生态试验站的站长。作为国家生态系统观测研究网络的一个成员站,站里的工作主要有三方面:一是对水、土、气、生等生态环境要素进行监测;二是开展野外科学研究;三是进行相关技术的推广示范。我们站主要是针对经济发达地区农业与生态环境问题,开展农田生态系统物质循环的科学研究,探索农业高产、资源高效利用和环境友好的可持续发展模式,为区域农业发展和生态环境建设提供科学依据和技术支持。近几年我们站在示范推广方面最集中的是农业面源污染防控和农业温室气体减排技术。野外试验站在农业和资源环境类研究机构是一个十分重要的平台,是衔接科学研究和社会实践的纽带。所以科学院特别重视野外台站工作,我们也是一年一小评,五年一大评。站长的工作除了负责试验站的日常运行管理之外,更重要的是将自己的研究工作和试验站的定位相结合,充分利用试验站的平台功能,加速科研成果服务于社会的历程。


▼ 问:在日本的那几年时间,您主要进行什么工作呢?


颜晓元我1999-2006年在日本,开展的是与活性氮和温室气体排放相关的研究工作。我去日本之前基本是从事实验研究,在日本期间做的更多是大尺度的数据处理和模型模拟的工作,比如政府间气候变化委员会的温室气体排放清单指南中关于稻田甲烷排放的估算,就是采用的我在日本期间发表的一篇文章里的方法作为缺省方法。这个工作经历对我很有益,开阔了视野,拓展了研究手段。


▼ 问:您目前的科研动态 能给我们介绍下吗?


颜晓元我课题组感兴趣的是农业生态系统中氮的生物地球化学过程,特别是反硝化、厌氧铵氧化等活性氮变为氮气的过程。这个过程在农田是氮的损失机制,在其他系统则是氮污染的去除机制。此外,在这些基础研究的基础上,我们致力于流域氮素管理决策支持系统的建立。希望我们可以为国家的农业生态发展做出贡献吧。

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(转自:王 见 农业环境科学


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