农业种植业氮对水环境污染特征分析与控制对策

陈鸿展+蔡倩怡+曾经文++林晓君++周树杰

摘 要 化肥是种植业中氮补给的主要方式，但由于施肥方法或用量不合理、肥料利用率较低等因素，造成流域水环境氮素超标普遍存在。本文在简述氮的形态特征及其在种植业系统中输入输出途径特征的基础上，以广州市为例分析种植业化肥及氮的施用及流失情况，分析了广州市部分水质监测断面氨氮浓度超标情况及对水生态的影响，提出农业种植业氮污染的控制对策，为氮素的合理利用和农业污染控制提供理论参考。

关键词 种植业 ；化肥 ；氮循环 ；水污染 ；广州

中图分类号 X592；S-1

Characteristics Analysis and Control Strategy of Nitrogen Pollution in Water

Environment Based on Agricultural Planting---Taking Guangzhou as an Example

CHEN Hongzhan1） CAI Qianyi2） ZENG Jingwen2） LIN Xiaojun2） ZHOU Shujie1）

（1 Guangzhou Environmental Monitoring，Guangzhou，Guangdong 510030；

2 South China Institute of Environmental Sciences， Guangzhou， Guangdong 510655）

Abstract Chemical fertilizer is the main way of nitrogen supply in agricultural planting. However， due to fertilization methods or the amount of unreasonable， low utilization of fertilizer and other factors， resulting in excessive water nitrogen is widespread. Based on the brief analysis of the morphological characteristics of nitrogen and the characteristics of input and output in the planting system， this paper analyzed the application and loss of chemical fertilizers and nitrogen in Guangzhou. The situation of excessive ammonia nitrogen concentration and its effect on aquatic ecology in some water quality monitoring sections of Guangzhou is studied. This paper puts forward the control strategy of nitrogen pollution in agricultural planting， and provides the theoretical reference for the rational utilization of nitrogen and the control of agricultural pollution.

Key words agricultural planting ； chemical fertilizer ； nitrogen cycle ； water pollution ； Guangzhou

氮素是植物生长不可或缺的元素，其对作物最终产量的贡献为40 %-50 %，是植物体内蛋白质、核酸、磷脂和某些生长激素的重要组分之一，且植物体内氮素的营养水平会直接或间接影响植物光合作用[1]。据国家统计局数据，2013年化肥生产量7 037万t（折纯，下同），农用化肥施用量5 912万t。化肥的大量使用一定程度上保证农作物高产，而化肥施用后相当一部分的氮素会流失，同时也带来了水体富营养化等环境风险和污染[2]。现有资料表明，农田经流带入地表水体的氮，占人类活动排入水体的氮的51 %[3]。2013年中国氨氮排放总量达245.7万t，广东省氨氮排放总量为21.64万t[4]。氨氮已经被中国列入污染物排放总量控制的主要指标之一。因此，本文在简述氮在环境中形态特征及其在种植业系统中的输入输出，结合广州实际情况分析种植业化肥流失情况与部分水质监控断面氨氮浓度，提出种植业氮对水环境污染的控制对策。

1 氮在环境中的形态特征

氮素主要以无机、有机和分子3种形态存在。氮循环主要有4个过程，固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用。其中氮素在土壤中的转化主要包括植物和微生物的矿化和固化作用、氨化作用、硝化与反硝化作用、固氮微生物将无机氮NO2转化为有机氮、氮素的化学转化作用等，它们都是氮素循环过程中的重要环节[5-6]。氮素在土壤中的转化与土壤的通气状况、水分等有关，铵态氮化肥施加在氧气比较充足的土壤中，硝化作用比较旺盛；当土壤通气不良时，在土壤中嫌气性细菌作用下进行反硝化活动，把硝态氮素还原成氮氧化合物和氮气逸散到大气中去[7]。研究发现，尿素表施后结合灌水，一方面灌溉水可将其以分子态形式带入土壤中、下层，减少氨的挥发，显著地提高肥效；另一方面，尿素亦进行着分解作用，转化为铵态氮和硝态氮[8]，见图1。

2 种植业氮对水环境的污染特征分析

2.1 种植业中氮的输入输出

种植业中氮素的来源主要有5个方面：大气沉降（包括干湿沉降）、施肥（包括化肥、有机肥）、生物固氮、随灌溉水带入、秸秆还田等[9]。（1）大气氮沉降包括干沉降和湿沉降2种，其沉降速率取决于气象条件[10]。林兰稳等[11]分析得到广州东北郊监测点的年总氮沉降量为2 384.66 mg/m2/a，其中铵态氮是该监测点所在区域氮沉降的主要形式。（2）施肥是农田氮素的主要来源，包括氮肥和有机肥。朱兆良等[12]综合分析得出小麦-玉米一年两熟轮作体系下氮肥的施入量为（537±123）kgN/hm2。有研究估算得出有机肥资源量约49.5×108 t，有机肥资源每年可提供N 30.5×106 t[13-15]。（3）生物固氮指固氮微生物以自生固氮、共生固氮和联合固氮的形式将大气中的氮气转化为氨的过程。据联合国粮农组织（FAO）1995年粗略估计，全球每年由生物固定的氮量已近2×106 t，約占全球植物需氮量的3/4[16]。（4）由灌溉水带入农田的氮素量因灌溉量、灌溉水质的不同而有较大差异。张玉铭[17]研究发现太行山山前平原栾城县小麦-玉米轮作体系每年随灌溉水进入农田的氮素为17.1-18.2 kgN/hm2。（5）作物根茬以及还田秸干归还的氮是土壤中有机质的重要来源，通常在水田中还田2 250 kg/hm2稻草时可带入N 0.8 kg，P 0.2 kg，K 2.4 kg。

氮的输出途径也有许多，其中主要是通过氨的挥发、水体流失、生物质燃烧、农作物出口。赵冬等[18]发现稻季氮素总损失为13.7-59.8 kg/hm2，占总施氮量的16.5 %-22.2 %，且随施氮量的增加而不断增加，其中氨挥发损失占42.2 %-72.0 %，径流损失占22.2 %-38.4 %，渗漏损失占5.8 %-22.7 %。曹兵等[19]研究表明化学氮肥显著增加了氨挥发、反硝化和N2O排放等气态氮损失；其中氨挥发占施氮量的0.97 %-17.1 %，反硝化占4.33 %-8.55 %，N2O排放在1.09 %-1.6 3%之间变化。

2.2 种植业化肥施用及流失情况-以广州市为例

化肥是种植业中氮补给的主要方式，据联合国粮农组织估计，发展中国家的粮食增产有55 %以上要归功于化肥，而其中最为重要的就是化肥中的氮素[20]。20世纪90年代中期，中国已成为世界上氮肥消费量最大的国家，2000年氮肥用量占世界的约1/3[21]。2004年珠江三角洲地区，施用氮肥折纯量为217 104 t，耕地面积为69.93万hm2[22]。然而，氮肥流失量也是巨大的。朱兆良等[23]估算，2002年中国农田化肥氮（2 471 t）通过损失进入环境、影响环境质量的数量达到471.8万t；其中通过淋洗和径流损失分别为123.5和49.4万t。下文以广州为例，对种植业化肥的使用量和流失量进行分析。

根据《2015年广州市统计年鉴》统计，2014年广州市9个区、2个县级市的化肥使用量按折纯量算为112 913 t，2014年年末耕地总资源面积97 527 hm2，平均耕地施用量达1 157.8 kg/hm2，高于全国平均水平375 kg/hm2，远远高于国际公认的安全标准225 kg/hm2。

表1、表2数据来源为《2015年广东农村统计年鉴》，由于2015年原萝岗区与黄埔区合并为黄埔区，同时考虑到数据的完整性，本文统计中黄埔区的数据均包含原萝岗区的数据。农田TN排放量的计算以氮肥折纯量计算TN的排放量，不考虑化肥的COD的排放量，农田氮肥流失系数取值参考《第一次全国污染源普查—农业源肥料流失系数手册》，其值分别为0.010 79。

由表1显示，除越秀区外，其余各区（县级市）化肥平均施用量均高于国际公认的安全标准225 kg/hm2，由大到小排列依次是海珠区、南沙区、黄埔区、白云区、花都区、天河区、增城市、番禺区、从化市、荔湾区。

由表1、表2可以看出，2014年广州市因化肥的施用而进入水环境的氮素含量约为374.14 t。流失的氮肥养分，一部分挥发到大气中，大部分随大气降水、径流、淋溶和水土侵蚀等途径进入地表和地下水体，造成水体的富营养化和水体中硝酸盐含量增加，成为广州市重要的水体污染物。

2.3 氮对水环境污染特征分析

1985-2007年中国大陆地区流入水体的氮出现增加的趋势，由的611.65万t增加到2007年的934.20万t，并在2005年达到峰值，952.06万t[24]。有众多研究显示农业种植业污染是造成水体污染的重要原因。胡钰[25]通过对阿什河流域典型种植区进行监测，计算得出阿什河流域种植业氮输出负荷为4 847.26 t/a，种植业面源氮污染入河量占全部面源污染的54.01 %。李志宏[26]估算2005年农业面源污染占太湖流域总氮污染量的51.3 %，为8.87万t，其中农田总氮排放量为2.57万t。

骆世明[27]研究发现流溪河流域平均每公顷作物使用的化肥量达到1 059 kg，化肥和农药使用量偏高是造成流域水体氮磷负荷比较高的重要原因。温海广等[28]研究显示广州流溪河流域非点源溶解态氮污染负荷为384.31 t/a，其中氮贡献最大的为林地占50.93 %，其次为园地，占18.10 %；溶解态氮单位面积污染负荷道路最高为50.57 kg/hm2/a，其次是水田为33.60 kg/hm2/a。种植业氮是造成水体污染的重要原因，下文以广州为例分析氮超标对水环境的影响。

（1）对水质影响

氨氮是造成地表水水质断面不达标的主要因子之一，根据广东省环境保护厅2015年发布的数据，广州重点河流监测断面氨氮浓度如表3所示。与河流水质目标相比，广州重点河流监测断面2015年NH3-N超标率为83.3 %。从超标情况分析，广州重点河流监测断面NH3-N浓度介于1.1 mg/L至27.7 mg/L之间，2015年4月石井河中游NH3-N浓度最高达到27.7 mg/L。2015年广州重点河流监测断面NH3-N浓度尚未稳定达到各河流水质目标的要求。

（2）对水生态影响

中国的水体富营养化现象比较严重，淡水水域中，50 %以上的湖泊、30 %以上的大型水库都出现过水体富营养化，其中以太湖、巢湖和滇池尤为严重[29]。过剩的氮素排入水源，水体中营养物质增多，使得藻类大量繁殖。水面被藻类所覆盖，阳光难以照射，抑制水体中植物的光合作用。水体溶解氧输入量减少，从而影响鱼类和水生植物生存，死亡的动植物沉入水底被微生物分解，消耗大量溶解氧，并释放更多的营养物质。大量藻类在上层水体繁殖，下层水体处于厌氧状态，水中动植物无法生存繁殖，导致水生态被破坏、湖泊老化[30]。

侯磊等[31]调查珠江广州段的轮虫群落，共记录轮虫66种，污染指示轮虫达46种；2009年11月，中大码头站点轮虫丰度达到了5 200 ind./L，超过了许多富营养化湖泊的轮虫丰度。陈永川等[32]研究显示水体总氮与叶绿素a呈极显著的正相关表明氮的增加促進藻类的生长，铵态氮对藻类生长影响显著，其硝态氮对藻类生长影响不显著，藻类生长同时能促进沉积物铵态氮和硝态氮的转化和释放。唐金艳等[33]研究发现，水生植物在分解前期，会造成水体氮、磷等营养元素激增和局部缺氧现象；但在分解后期，水体中硝态氮和亚硝态氮浓度开始下降，可见水体中保留一定量的水生植物残体，可以在一定程度上去除硝态氮。

3 农业种植业氮污染控制对策

农业种植业氮污染控制应从系统控制的角度出发，遵循生态系统的物质和能量平衡的原则，采用从“源头-过程-末端”全过程系统控制的措施，再通过蓄水池或氧化塘实现肥水一体化等形式种植业排水量及氮排放量最小化，见图2。

3.1 源头减量

源头减量是减少种植业氮污染的根本所在。源头减量可以通过化肥减量化、废弃物循环利用来实现。推广以循环经济为核心的生态农业综合生产新模式。可以因地制宜推广“鸭基鱼塘”、“稻鸭共栖”、“稻田养鱼”、“猪沼果（稻菜鱼）”等生态循环模式。如发展以沼气为纽带的庭院式生态农业模式，将种植业、养殖业与沼气使用相结合，利用沼液、沼渣等优质有机肥进行施肥。同时，加强秸秆等农业废弃物的综合利用，通过直接还田、堆肥化处理还田等方式维持和提高土壤有机质，以减少化肥的施用量，减轻氮肥对水体、土壤和大气的污染。

3.2 过程削减

（1）科学种植，防治肥料污染

确定合理施氮量是施肥关键。传统方法是利用天剑肥料试验或土壤与植株测试，但存在空间变异、参数需求量大及田间试验和土壤与植物样品测试量大的问题。对中国种植业来说，以区域为单位计算施氮量、损失量与产量，确定出该区域适宜的施氮量较为适宜。

选择合适的施肥时间。将作物的需肥高峰与供肥高峰相互衔接，充分发挥肥效。同时，采用科学的施肥方法，坚持深层施肥，结合节水灌溉技术，减少氮肥流失，提升科学施肥水平。深施有利于氨挥发和径流损失，已有研究表明氮肥深施8-10 cm，可比表施的肥效高1倍左右。

（2）缓冲带技术

植物缓冲带是位于污染源与水体之间的植被区域，通过增加污染物在陆地的停留时间和路线，可有效拦截、滞留泥沙和减少氮、磷等污染物进入收纳水体的负荷量，显著降低面源污染的影响，并对水体中的氮磷养分进行回用。合理的缓冲带宽度不仅与土地利用方式（农田还是菜地）和土地经营方式（集约度）有关，而且也与防控农业非点源污染的成效及节约用地相关联。目前已有多项研究表明植物缓冲带对氮的有良好的拦截作用，且随着缓冲带宽度的增加，对种植业排水中氮的拦截作用更好。

3.3 末端控制与循环利用

控制排水量是氮污染控制的一个重要措施。通过对水分进行优化管理，如旱地采用肥水一体化技术，水田采用节水灌溉技术，坡耕地采用保护性耕作等技术等。其中，通过建设配套农田灌溉沟渠系统，采用生态沟渠将各农田区域紧密联系在一起，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，对农田水分和养分进行综合调控和一体化管理，实现以水促肥、水肥耦合，提高水分、养分的利用效率，同时，水体中的氮在通过农田排水沟渠运输进入受纳水体前，在迁移转化过程中会被截留，从而最终减少进入水体的污染负荷。

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