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1化肥使用和環(huán)境污染狀況

我國的化肥施用量增長速度快，呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。1985年全國化肥施用總量為1775.8萬t，2002年達4339.5萬t，比1985年增長1.4倍，年平均增長率為8%[2,3]。與此同時，單位面積化肥施用量也呈逐年遞增趨勢，2002年達到了333.7kg/hm2[2,3]（圖2），高于世界平均水平。施用化肥可提高土壤肥力，改善土壤性狀,創(chuàng)造最佳的植物營養(yǎng)環(huán)境,從而提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。但是，化肥用量并非越大越好。一般來說，各種作物對化肥的平均利用率，氮為40%～50%，磷為10%～20%，鉀為30%～40%[4]。通常，化肥施用量越高，流失到環(huán)境中的數(shù)量也就越大，對生態(tài)環(huán)境的污染程度也就越高。以氮肥為例，由于施用量較高，而利用率較低，損失嚴重。據(jù)對我國主要糧食作物氮肥去向的研究的數(shù)據(jù)，我國氮肥的利用率在9%～72%之間，平均為30%～41%[5]化肥每年的流失量占施用量的40%左右[6]?；实倪^量施用與地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展水平有密切關系。一般來說主要發(fā)生在經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū)，尤其是種植蔬菜等經(jīng)濟作物的田塊上。此外，也與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，化肥品種的單一性、施肥的盲目性、施用技術的不合理等因素有關。

2化肥施用與土壤生態(tài)環(huán)境

2.1引起土壤酸化和板結，導致土壤肥力下降長期施用化肥對土壤的酸度有較大的影響。在江西紅壤中，盆栽試驗結果表明，在酸性紅壤中施用硫酸鉀、硫酸銨等，都會使紅壤的酸度有不同程度的增大[7]。同時，硫酸鉀在中性和石灰性土壤中生成硫酸鈣，而在酸性土壤上生成硫酸，因此在中性和石灰性土壤上長期大量施用硫酸鉀，土壤中鈣會逐漸減少，而使土壤板結。土壤酸化和土壤板結使耕地土壤退化，生產(chǎn)力降低，并可活化有害重金屬元素如鋁、錳、鎘、汞、鉛、鉻等，增加它們在土壤中的活性，或?qū)е掠卸疚镔|(zhì)的釋放，使之毒性增強，進一步對土壤生物造成危害。土壤酸化還能溶解土壤中的一些營養(yǎng)物質(zhì)如鉀、鈣、鎂等，在降雨和灌溉的作用下，向下滲漏補給地下水，使得營養(yǎng)成分流失，造成土壤貧瘠化，影響作物生長。大量的施用化肥，用地不養(yǎng)地，造成土壤肥力的普遍下降。據(jù)調(diào)查，由于長年施用化肥，華北平原土壤有機質(zhì)已降到1%左右，全氮含量不到0.1%，在東北三江平原，多年重用輕養(yǎng)，使土壤有機質(zhì)的含量從10%～11.5%下降到3%～5%[8]。從第二次全國土地普查的1403個縣的匯總來看，土壤有機質(zhì)低于0.6%的農(nóng)田占10.6%；農(nóng)田總面積的52.6%缺磷，23%缺鉀，14%磷鉀俱缺。由于大量使用以氮肥為主的化肥，導致很多土壤中磷或鉀成為限制肥力的主要因子；缺硼、鉬、錳、鋅和銅的農(nóng)田分別為25.6%、34.8%、15.8%、38.0%和5.2%[9]。

2.2化肥中的有害物質(zhì)對土壤的污染制造化肥的礦物原料及化工原料中，含有多種重金屬放射性物質(zhì)和其它有害成分，它們隨施肥進入農(nóng)田土壤造成重金屬污染。磷肥的施用，不可避免地帶給土壤許多有害物質(zhì)：鎘、鍶、氟、鐳、釷等。施用磷肥過多，會使施肥土壤含鎘量比一般土壤高數(shù)十倍、甚至上百倍，長期積累將造成土壤鎘污染[10,11~13]。由于鎘在土壤中移動性很小，不易淋失，也不為微生物所分解，被作物吸收后很易通過飲食進入并積累于人體，是某些地區(qū)骨通病、骨質(zhì)疏松等重要病因之一。但是據(jù)魯如坤等測定[14]，我國磷礦鎘含量范圍在0.1～571mg/kg，但大部分在0.2～2.5mg/kg，比世界主要國家磷礦都低。目前隨磷肥進入土壤中的鎘含量最多為0.59g／hm2,遠遠低于我國最低絕對環(huán)境容量（0.73kg/hm2）[15]?？梢哉J為，國產(chǎn)磷肥長期施用時所帶入土壤的鎘量不至于造成環(huán)境問題。但是，我國還進口一些國外磷礦，這些磷礦一般含鎘量遠遠高于我國磷礦。對于這些磷礦生產(chǎn)的磷肥，應對其含鎘量加以監(jiān)測，以確保我國土壤不受污染。有些化肥中還含有機污染物，以致生產(chǎn)出含酚量較高、具有異味的農(nóng)產(chǎn)品。另外，大量施用石灰氮（氰化鈣）可產(chǎn)生雙氰胺、氰酸等有害物質(zhì)，抑制土壤硝化作用，引起土壤污染，嚴重威脅著糧食生產(chǎn)。三氯乙醚的污染是一個比較典型的事例［16］，它是由于施用含三氯乙醚的廢硫酸生產(chǎn)的普通過磷酸鈣肥料所引起的。其中666.7hm2以上的污染事故在山東、河南、河北、遼寧、蘇北、皖北等地曾多次發(fā)生，受害品種包括小麥、花生、玉米等10多種農(nóng)作物，輕則減產(chǎn)，重則絕收。有的田塊毀苗后重新播種多次仍然受害，損失很大。

2.3造成土壤硝酸鹽（NO3-）污染和土壤次生鹽漬化頻繁施用氮肥能直接影響土壤中NO3-－N的含量水平。在過量施用氮肥和大量灌溉的情況下，肥料氮主要以硝酸態(tài)形式從土壤中淋溶損失。有試驗結果表明，土壤中的硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加[17~19]。古巧珍等通過大田長期定位施肥試驗研究了土壤剖面硝態(tài)氮分布與累積，表明長期單施化學氮肥或氮鉀、氮磷、氮磷鉀肥使土壤NO3--N大量積累，從而隨土壤水分，通過土壤-植物系統(tǒng)而部分淋失[17]。與大田作物相比，蔬菜保護地施肥量大且施肥次數(shù)頻繁。由于溫室大棚內(nèi)土壤水分蒸發(fā)快，土壤返鹽現(xiàn)象比較嚴重[20]。因此大量施用化肥，容易使保護地NO3-離子大量剩余與迅速累積，加速了土壤鹽積和次生鹽漬化[21]。崔正忠等對黑龍江省四個中心城市蔬菜保護地土壤養(yǎng)分變化趨勢進行了研究，分析結果表明，過量施用無機肥料，致使一些保護地土壤速效氮、磷、鉀含量過高，部分土壤含鹽量高達0.567%，出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象[22]。另外，由于農(nóng)民缺乏必要的技術指導，對N、P、K及微量元素肥料使用缺乏科學知識，只注重施用見效快的氮肥，導致養(yǎng)分供應失衡，影響作物正常吸收利用，勢必引起土壤鹽分的過剩而累積。設施栽培條件下，次生鹽漬化通常是造成連作障礙的重要因素之一，鹽分的過分積累會造成作物生理性干旱，甚至生理毒性物質(zhì)的形成[23]。

3化肥施用與水環(huán)境

3.1為水體富營養(yǎng)化提供氮、磷等營養(yǎng)源

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用化肥，使氮、磷等營養(yǎng)元素大量進入水體，引起水體富營養(yǎng)化，造成化肥對地表水的非點源污染。據(jù)估計，沉入河、湖的氮素約有60%來自化肥[1]。美國環(huán)保部門一項研究報告也同樣估計，每年流入河流中的氮和磷量有29.1%~67.5%的N，25.0%~45.9%的P來自農(nóng)田徑流，并隨著施肥量的增加而增加，農(nóng)田是水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)源，施肥對地表水和地下水中氮、磷含量的增加有重要影響[24]。呂耀等報道：太湖流域等農(nóng)業(yè)集約化較高的地區(qū)出現(xiàn)了施肥過量以及肥料結構不合理的現(xiàn)象,造成大量氮通過地表徑流進入太湖，從而加劇了太湖水體富營養(yǎng)化[25]。張興昌等則發(fā)現(xiàn)徑流流失的無機氮主要以硝態(tài)氮為主[26]。

3.2氮素淋溶污染地下水

農(nóng)業(yè)上長期大量施用化肥是造成地下水硝酸鹽污染的重要原因。長期使用氮肥的地區(qū)，地下水含氮量在逐年增高。氮肥進入土壤后，經(jīng)硝化作用產(chǎn)生NO3-，除了被作物吸收利用外，其余的NO3-不能被負電的土壤膠體吸附，因而隨降雨下滲而污染地下水[8]。朱建華等認為施用氮肥不僅增加了土壤表層硝酸鹽含量，同時也容易造成大量的硝酸鹽被淋洗到深層土壤，形成對地下水的潛在威脅[27]。據(jù)調(diào)查，京、津、唐地區(qū)69個觀測點的地下水，半數(shù)以上硝態(tài)氮含量超標，高者達67.7mg/kg[28]。有資料表明，北京市郊菜田因施用氮肥過多，地下水硝態(tài)氮含量為61.6～124.0mg/kg[29]。農(nóng)田施用氮肥對地下水的污染很普遍[30]。在大量施用氮肥地區(qū)，食用水中硝態(tài)氮含量經(jīng)常超過最大允許量[31]。

4化肥過量施用對作物品質(zhì)及食物鏈的影響

過量施用化肥，不但造成肥料養(yǎng)分的浪費，而且對植物體內(nèi)有機化合物的代謝產(chǎn)生不利影響。在這種情況下，植物體內(nèi)可能積累過量的硝酸鹽、亞硝酸鹽。過量的硝酸鹽和亞硝酸鹽在植物體內(nèi)的積累一般不會使植物受害，但是這兩種化合物對動物和人的機體都是有很大毒性的，特別是亞硝酸鹽，其毒性要比硝酸鹽高10倍[32]。植物性產(chǎn)品中高含量的硝酸鹽會使其產(chǎn)品品質(zhì)明顯降低。硝酸鹽以過多的有毒的數(shù)量被作物大量吸收，成為作物產(chǎn)品的污染源。對同一種作物，氮肥施用愈多，土壤中的NO3--N含量也愈高，則作物體內(nèi)的NO3--N含量也將隨之提高[33~36]，進而經(jīng)由食物或飼料，影響進入人體或畜禽體內(nèi)的NO3--N含量。盡管NO3-本身毒性不大，但它在人體腸胃中經(jīng)硝酸還原細菌的作用會轉化成NO2-，從而可能引起人體血液缺氧中毒反應，導致患有高鐵血紅蛋白血癥，甚至引起窒息和死亡[32]。蔬菜是一種容易富集和殘留硝酸鹽污染的作物。人體攝入的硝酸鹽有81.2%是來自蔬菜[37]，而施入土壤中的各種N肥又是蔬菜累積硝態(tài)氮的主要來源[38]。孫權等對寧夏灌於旱耕人為土氮肥(N)與大白菜產(chǎn)量及菜體和土體中硝酸鹽累積的關系進行了田間試驗研究[39]，結果表明，在設計范圍內(nèi)，施用N明顯增加土體各土層中的硝態(tài)N含量，內(nèi)葉硝酸鹽含量隨施N肥量的增加而增加，外葉硝酸鹽含量在高施N時，隨生育期延長而增加。陳新平等調(diào)查表明，北京市郊菜地施氮量高達每季781.5kg/hm2，過量的氮肥施用造成蔬菜（特別是葉菜類蔬菜）硝酸鹽含量過高，在每公頃施氮量225～675kg的范圍內(nèi)，小白菜地上部分硝酸鹽含量達3993～4504mg/kg[40]。

養(yǎng)分投入不平衡已成為制約蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要因素，超高量的化肥施用存在著巨大的環(huán)境風險。氮營養(yǎng)過剩一方面會導致蔬菜葉面積過大,結實不良,易感病蟲害,對不良氣候環(huán)境的抗逆性變?nèi)?；另一方?氮過量會造成土壤中亞硝酸、氨氣等氣體揮發(fā)而引起作物地上部分直接受害，造成氣體障礙[41]。磷過量，菜地土壤較其他土壤有效磷含量要高出十倍至數(shù)十倍，高磷土壤蔬菜生育期明顯延長，并由于作物對N、P的過量吸收，而引起其他營養(yǎng)元素的缺乏、營養(yǎng)失調(diào)等生理病害，嚴重影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，如形成番茄臍腐病、空果、條腐果，青椒小果，黃瓜苦味，萵苣的葉燒病以及甜瓜、芹菜的心腐病等[42]。馬朝紅等依據(jù)蔬菜生長需肥特性和養(yǎng)分平衡原理[7]，結合隨機抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)分析，結果表明，武漢市市郊東西湖區(qū)蔬菜養(yǎng)分投入量遠高于蔬菜生長需肥量，導致氮、磷在土壤中的大量積累，其中以磷最為突出，每季蔬菜磷的積累量達到220~380kg/hm2，氮積累量為80~210kg/hm2，必然會對產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量帶來負面影響，增加農(nóng)業(yè)環(huán)境風險。胡承孝等以潮土、黃棕壤為供試土壤，選取小白菜、番茄分別為葉菜類、果菜類代表，在土培條件下研究了氮肥水平對蔬菜品質(zhì)的影響，分析表明，隨著氮素水平的提高，蔬菜營養(yǎng)品質(zhì)下降，蔬菜體內(nèi)維生素C、可溶性糖含量下降，氨基酸總量及谷氨酸，脯氨酸等氨基酸含量，非蛋白氮與總氮比值升高，可滴定酸度呈直線增加，N含量逐漸增加，而P、K含量逐漸減少，硝酸鹽污染加劇[43]。

5化肥施用與大氣環(huán)境

化肥對大氣環(huán)境的影響主要集中在氮肥上，氨揮發(fā)及NOx的釋放等會使大氣中氮含量增加而帶來一系列的影響。硝化及反硝化釋放N2O到大氣中造成溫室效應,氮肥的使用對其它溫室氣體CH4及CO2的釋放也有影響。而且CH4、CO2等氣體在大氣中的含量增加，不僅能引起溫室效應，而且還能夠引起臭氧層的破壞。

5.1氨揮發(fā)

氨態(tài)氮肥是化學氮肥的主體，施入土壤的氨態(tài)氮肥很容易以NH3的形式揮發(fā)逸入大氣。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中NH3的釋放量每年為107t，主要來自于NH4+-N肥和動物排泄物中NH3的揮發(fā)。據(jù)王文興等[44]估計，我國1991年全國人為源氨的排放量為8.91×106t，其中氮肥施用的排氨量占氮肥使用量的18%。據(jù)朱兆良[45]估計，我國農(nóng)田氮素的主要損失途徑為氨揮發(fā)、反硝化和淋失及徑流損失。綜合有關資料看出，稻田中氮的損失主要是反硝化和氨揮發(fā)，分別占氮肥施用量的16%~41%和9%~40%[46]。旱地，特別是石灰性土壤上撒施尿素、碳酸氫銨的NH3揮發(fā)損失很大，一般為所施N量的10%～25%[47,48]。在石灰性水稻田，由于灌溉稻田表面水層的pH高達7～8，撒施或分次施用尿素（或碳酸氫銨）的NH3揮發(fā)量很大，有時高達所施N量的40%～50%[49]。硝酸鹽淋失和氮素徑流損失主要發(fā)生在降水量和強度較大的地區(qū)和季節(jié)，約占氮肥施用量的0.23%~30%[23]。由此可見，我國農(nóng)田氨揮發(fā)的氮素損失量可能占肥料氮肥施用量的10%以上。氨是一種刺激性氣體，對眼、喉、上呼吸道刺激性很強。高含量的氨還可熏傷作物，并引起人畜中毒事故。大氣氨含量的增加，可增加經(jīng)由降雨等形式進入陸地水體的氨量，是造成水體富營養(yǎng)化的一個因素。

5.2N2O和NOX的排放

隨著化肥的大量施用，大氣中氮氧化物含量不斷增加?；适┤胪寥?，有相當一部分以有機或無機氮形態(tài)的硝酸鹽進入土壤，在土壤反硝化微生物作用下，會使難溶態(tài)、吸附態(tài)和水溶態(tài)的氮化合物還原成亞硝酸鹽，同時轉化生成氮和氮氧化物進入大氣，使空氣質(zhì)量惡化。1992年IPPC工作報告指出，由于人類活動加強，大氣中N2O的含量正急劇增加，由農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中無機和有機氮肥的施用及生物固氮作用產(chǎn)生的N2O量約占年排放量的60%[50]。根據(jù)Veldkamp和Keller[51]估計，大約有所施N肥的0.5%是以NOx的形式損失。

5.3CH4和CO2的排放

化肥深施能明顯降低稻田CH4的釋放。如尿素的深施對降低甲烷排放速度效果最好，而施在土壤表面則能增加甲烷排放。硫酸銨也是如此，雖然表施和深施都能降低CH4排放量，但施在稻田表面對降低甲烷排放程度卻比施在土壤深層低得多，大致低5~10倍[52]。施肥量對稻田CH4的排放，尤其對化肥施用量的影響，研究結果相差很大，難以定論。如Cicernoe等發(fā)現(xiàn)施硫酸銨的稻田甲烷排放是不施肥田的5倍；Schiitz則發(fā)現(xiàn)施用硫酸銨總體上降低了甲烷的排放，而有些試驗則認為，施肥量對甲烷特征影響不大，或沒有明顯規(guī)律[53]。在江蘇句容稻田試驗中，施氮量為100kg/hm2和200kg/hm2的處理甲烷排放量高于不施氮肥處理，但施氮量最高300kg/hm2的處理卻低于對照處理[54]，所以化肥用量對稻田甲烷排放的影響仍有待進一步研究。隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的提高，化肥的大量使用將會促進農(nóng)田CO2的排放，如尿素地CO2通量大于不施尿素地CO2排放通量值，在整個觀察期，兩種田CO2平均排放量分別是262mg/(m2•h)和177mg/(m2•h)[55]。

6防治對策

隨著肥料施用量的不斷增加,化肥對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的消極影響日益明顯,促使人們開始反思大量施用化肥可能帶來的某些問題及副作用。在國際上，掀起了以低投入、重有機，將化肥使用保持較低的水平，保障食品安全和環(huán)境安全為中心的持續(xù)農(nóng)業(yè)運動，提倡推廣以盡量低的化肥投入，盡量小的對環(huán)境的破壞與化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高效增產(chǎn)作用相結合為主要目的的“施肥制度”。若單純地靠拒絕使用化肥來控制其污染影響是不現(xiàn)實的。最重要的是增加科技教育的投入，提高農(nóng)民的科學素質(zhì)，提高全民的環(huán)境意識，才可以有效地做到合理施肥。這與國家的政策調(diào)控也有關，核心的問題是怎樣在糧食產(chǎn)量與環(huán)境保護、作物產(chǎn)量與品質(zhì)之間找到平衡點，對我們國家來說，溫飽問題還是非常重要的。無糧不穩(wěn)，一方面要保證產(chǎn)量，另一方面則要保護環(huán)境。農(nóng)業(yè)和土壤科學的研究要與生產(chǎn)實踐緊密結合，做到從實踐中來，再回到實踐中去。研究不同土壤在不同耕作制度下的合理施肥技術，并通過地方政府定期向農(nóng)民。針對當?shù)赝寥郎鷳B(tài)條件的特點，制定相應對策，科學合理地使用化肥，充分有效地發(fā)揮其肥效，盡量減輕和避免對環(huán)境的不良影響。根據(jù)我國目前土壤肥力狀況和肥料資源的特點，提出以下對策。

6.1確定化肥的最適施用量

施肥量特別是氮肥，不應當超過土壤和作物的需要量。不同的土壤和相同土壤的不同地塊，在養(yǎng)分含量上往往存在著很大的差異。而且不同作物和同一作物的不同品種，各有其不同的生育特點，它們在其生長發(fā)育過程中所需要的養(yǎng)分種類、數(shù)量和比例也都不一樣。因此，在擬定施肥建議時必須嚴格按照作物的營養(yǎng)特性、預期產(chǎn)量和土壤的農(nóng)化分析結果，來確定化肥的最適施用量。即要了解土壤肥力，這樣才能做到合理施肥，減少淋失對生態(tài)環(huán)境的不良影響。但是由于預測土壤的供氮量比較困難,一般用“以土定產(chǎn)，因產(chǎn)定氮”法。太湖地區(qū)的水稻和小麥的田間試驗統(tǒng)計結果證明了這一方法的可行性[45]，因此可據(jù)此并結合已有的經(jīng)驗確定大面積上氮肥的施用量。

6.2化肥與有機肥結合施用

實現(xiàn)作物養(yǎng)分綜合管理，有機和無機相結合，是提高作物生產(chǎn)力和氮肥利用率的重要措施之一。有機肥是營養(yǎng)比較齊全的肥料而且含有豐富的有機物，對改善土壤的物理性狀，提高土壤養(yǎng)分含量具有重要作用。據(jù)西北農(nóng)業(yè)大學在米脂縣的調(diào)查[49]，小麥連作多年的坡耕地，土壤有機質(zhì)和全氮含量下降。而經(jīng)過苜蓿倒茬的坡耕地，土壤有機質(zhì)和全氮含量分別增加0.18%和0.02%(絕對值)。有機肥是供給微生物能量的主要來源，而化肥卻能供給微生物生長發(fā)育所需的無機養(yǎng)料。因此，二者配合使用就能增加微生物的活性，促進有機物的分解，增加土壤中的速效養(yǎng)分，以滿足作物生長的需求。有機－無機肥料結合施用符合我國肥源的國情，也是培肥土壤、建立高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田的重要途徑。

6.3氮、磷、鉀等肥料配合施用

目前，我國氮、磷、鉀比例及土壤養(yǎng)分狀況與作物對養(yǎng)分的吸收狀況不相協(xié)調(diào)。關鍵是必須從宏觀上調(diào)整肥料結構，在配合施肥的基礎上，采取“適氮、增磷、補鉀”的施肥技術，使植物的礦質(zhì)營養(yǎng)處于最佳狀態(tài)。在目標施氮量中扣除一定比例的氮肥（如10%～20%[32]），視需要進行補施，這樣可避免氮素過多的危害和流失。在當前鉀肥虧缺較大的情況下，應當充分利用農(nóng)家肥中的鉀，以緩解鉀素供應不足的矛盾，將有限的鉀肥資源用在嚴重缺鉀的土壤和需鉀量高的作物上。同時，應重視發(fā)展我國高含量復合肥料，并以增加高含量磷肥和氮磷復混肥為主攻方向，這樣既起到調(diào)整氮磷比例，又能起到逐步改變我國化肥品種結構以單一、低含量為主的現(xiàn)狀。

6.4改進施肥方法

針對當前施肥不當和過量施肥造成的土壤污染，專家們進行了大量研究，提出了許多具體方案。例如過量施用氮肥引起NO3-污染，可以通過施用緩效氮肥，使用硝化抑制劑、脲酶抑制劑來降低土壤中的NO3-的含量；對于施肥造成土壤的重金屬污染，可采用施用石灰、增施有機肥料、調(diào)節(jié)土壤Eh等方法降低植物對重金屬的吸收積累，還可以采用翻耕、客土和換土來去除或稀釋土壤中重金屬和其它有毒元素。為提高肥料利用率，提倡改地面淺施為開溝深施和葉面噴施，改分散追肥為重施底肥等，減少施肥次數(shù)，減少肥料流失的機會。