化肥對生態農業的影響范文
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1化肥使用和環境污染狀況
我國的化肥施用量增長速度快，呈現逐年遞增的趨勢。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,創造最佳的植物營養環境,從而提高農產品的質量。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，流失到環境中的數量也就越大，對生態環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。據對我國主要糧食作物氮肥去向的研究的數據，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]。化肥的過量施用與地區經濟的發展水平有密切關系。一般來說主要發生在經濟相對發達地區，尤其是種植蔬菜等經濟作物的田塊上。此外，也與農業生產的發展，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環境
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，或導致有毒物質的釋放，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物質如鉀、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，用地不養地，造成土壤肥力的普遍下降。據調查，由于長年施用化肥，華北平原土壤有機質已降到1%左右，全氮含量不到0.1%，在東北三江平原，多年重用輕養，使土壤有機質的含量從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，土壤有機質低于0.6%的農田占10.6%；農田總面積的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和其它有害成分，它們隨施肥進入農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：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，是某些地區骨通病、骨質疏松等重要病因之一。但是據魯如坤等測定[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境容量（0.73kg/hm2）[15]。可以認為，國產磷肥長期施用時所帶入土壤的鎘量不至于造成環境問題。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。對于這些磷礦生產的磷肥，應對其含鎘量加以監測，以確保我國土壤不受污染。有些化肥中還含有機污染物，以致生產出含酚量較高、具有異味的農產品。另外，大量施用石灰氮（氰化鈣）可產生雙氰胺、氰酸等有害物質，抑制土壤硝化作用，引起土壤污染，嚴重威脅著糧食生產。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、皖北等地曾多次發生，受害品種包括小麥、花生、玉米等10多種農作物，輕則減產，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形式從土壤中淋溶損失。有試驗結果表明，土壤中的硝態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頻繁。由于溫室大棚內土壤水分蒸發快，土壤返鹽現象比較嚴重[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%，出現鹽漬化現象[22]。另外，由于農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，甚至生理毒性物質的形成[23]。
3化肥施用與水環境
3.1為水體富營養化提供氮、磷等營養源
農業生產中大量施用化肥，使氮、磷等營養元素大量進入水體，引起水體富營養化，造成化肥對地表水的非點源污染。據估計，沉入河、湖的氮素約有60%來自化肥[1]。美國環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來自農田徑流，并隨著施肥量的增加而增加，農田是水體富營養化的主要營養源，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：太湖流域等農業集約化較高的地區出現了施肥過量以及肥料結構不合理的現象,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化[25]。張興昌等則發現徑流流失的無機氮主要以硝態氮為主[26]。
3.2氮素淋溶污染地下水
農業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，地下水含氮量在逐年增高。氮肥進入土壤后，經硝化作用產生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]。據調查，京、津、唐地區69個觀測點的地下水，半數以上硝態氮含量超標，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，地下水硝態氮含量為61.6～124.0mg/kg[29]。農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，食用水中硝態氮含量經常超過最大允許量[31]。
4化肥過量施用對作物品質及食物鏈的影響
過量施用化肥，不但造成肥料養分的浪費，而且對植物體內有機化合物的代謝產生不利影響。在這種情況下，植物體內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]。植物性產品中高含量的硝酸鹽會使其產品品質明顯降低。硝酸鹽以過多的有毒的數量被作物大量吸收，成為作物產品的污染源。對同一種作物，氮肥施用愈多，土壤中的NO3--N含量也愈高，則作物體內的NO3--N含量也將隨之提高[33~36]，進而經由食物或飼料，影響進入人體或畜禽體內的NO3--N含量。盡管NO3-本身毒性不大，但它在人體腸胃中經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，施用N明顯增加土體各土層中的硝態N含量，內葉硝酸鹽含量隨施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，小白菜地上部分硝酸鹽含量達3993～4504mg/kg[40]。
養分投入不平衡已成為制約蔬菜產量和品質提高的重要因素，超高量的化肥施用存在著巨大的環境風險。氮營養過剩一方面會導致蔬菜葉面積過大,結實不良,易感病蟲害,對不良氣候環境的抗逆性變弱；另一方面,氮過量會造成土壤中亞硝酸、氨氣等氣體揮發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，而引起其他營養元素的缺乏、營養失調等生理病害，嚴重影響蔬菜的產量和品質，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]。馬朝紅等依據蔬菜生長需肥特性和養分平衡原理[7]，結合隨機抽樣調查數據分析，結果表明，武漢市市郊東西湖區蔬菜養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，必然會對產品品質和產量帶來負面影響，增加農業環境風險。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的影響，分析表明，隨著氮素水平的提高，蔬菜營養品質下降，蔬菜體內維生素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化肥施用與大氣環境
化肥對大氣環境的影響主要集中在氮肥上，氨揮發及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
氨態氮肥是化學氮肥的主體，施入土壤的氨態氮肥很容易以NH3的形式揮發逸入大氣。農業生態系統中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。據王文興等[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%。據朱兆良[45]估計，我國農田氮素的主要損失途徑為氨揮發、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，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生在降水量和強度較大的地區和季節，約占氮肥施用量的0.23%~30%[23]。由此可見，我國農田氨揮發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，可增加經由降雨等形式進入陸地水體的氨量，是造成水體富營養化的一個因素。
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。化肥施入土壤，有相當一部分以有機或無機氮形態的硝酸鹽進入土壤，在土壤反硝化微生物作用下，會使難溶態、吸附態和水溶態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，由農業系統中無機和有機氮肥的施用及生物固氮作用產生的N2O量約占年排放量的60%[50]。根據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等發現施硫酸銨的稻田甲烷排放是不施肥田的5倍；Schiitz則發現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。隨著農業集約化程度的提高，化肥的大量使用將會促進農田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,化肥對農業生態環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，保障食品安全和環境安全為中心的持續農業運動，提倡推廣以盡量低的化肥投入，盡量小的對環境的破壞與化肥在農業生產中的高效增產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實的。最重要的是增加科技教育的投入，提高農民的科學素質，提高全民的環境意識，才可以有效地做到合理施肥。這與國家的政策調控也有關，核心的問題是怎樣在糧食產量與環境保護、作物產量與品質之間找到平衡點，對我們國家來說，溫飽問題還是非常重要的。無糧不穩，一方面要保證產量，另一方面則要保護環境。農業和土壤科學的研究要與生產實踐緊密結合，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民。針對當地土壤生態條件的特點，制定相應對策，科學合理地使用化肥，充分有效地發揮其肥效，盡量減輕和避免對環境的不良影響。根據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，它們在其生長發育過程中所需要的養分種類、數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特性、預期產量和土壤的農化分析結果，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，減少淋失對生態環境的不良影響。但是由于預測土壤的供氮量比較困難,一般用“以土定產，因產定氮”法。太湖地區的水稻和小麥的田間試驗統計結果證明了這一方法的可行性[45]，因此可據此并結合已有的經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
實現作物養分綜合管理，有機和無機相結合，是提高作物生產力和氮肥利用率的重要措施之一。有機肥是營養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，提高土壤養分含量具有重要作用。據西北農業大學在米脂縣的調查[49]，小麥連作多年的坡耕地，土壤有機質和全氮含量下降。而經過苜蓿倒茬的坡耕地，土壤有機質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育所需的無機養料。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、穩產農田的重要途徑。
6.3氮、磷、鉀等肥料配合施用
目前，我國氮、磷、鉀比例及土壤養分狀況與作物對養分的吸收狀況不相協調。關鍵是必須從宏觀上調整肥料結構，在配合施肥的基礎上，采取“適氮、增磷、補鉀”的施肥技術，使植物的礦質營養處于最佳狀態。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、調節土壤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，減少肥料流失的機會。
