有机无机氮农田环境效应与减肥增效途径综述

李诗　李婷婷　胡钧铭　俞月凤　张俊辉　郑富海　徐美花　周凤珏

摘要：无机氮有机氮影响土壤矿化环境，以无机氮肥投入占比过高的集约化生产，给农田环境造成负面影响，在我国农业绿色转型发展过程中，评估有机、无机氮投入的农田环境效应，对优化集约化生产实现减肥增效具有重要价值。根据土壤氮环境承载效应、溢出效应及平衡机制，通过文献梳理农田氮转化、输出等过程，分析生态环境效应。发现过量无机氮投入易产生土壤酸化、温室效应加剧、水体富营养化等严峻的环境问题；适量有机肥投入利于土壤氮稳定供应、增强土壤健康；有机氮无机氮配施利于降低活性氮损失、减轻环境污染，同步降低化学氮肥用量，提出了构建与种植制度匹配的氮调控生产模式、建立新型氮高效绿色施肥方法等集约化生产重要减肥增效途径，利于实现农业绿色转型。

关键词：集约化农田；无机氮；有机氮；环境效应；减肥增效

中图分类号：S158；S181文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）14-0043-06

氮是植物生长发育必不可少的营养元素［1］。随着合成无机氮肥的出现和快速发展，在农田中施用化肥以获得高产得到了广泛应用［2-3］，对粮食安全做出重要贡献［4］。然而，高比例无机氮肥的集约化农业生产对农业生产环境和农田生态系统造成严重的负面影响，如面源污染、土壤退化、温室效应等［5-7］，因此优化集约化农业生产方式，对实现我国新时期农业绿色转型具有重要意义。氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成之一［8］。人类农业活动强烈影响着氮循环［9］，农田施用氮肥会影响土壤氮的输入形式和含量［10］、转化过程［11］和输出途径［12］。土壤中不同形态的硝态氮（NO-3-N）和铵态氮（NH+4-N）造成作物对养分吸收和利用的差异，由此产生的农田环境效应引起了学者们的广泛关注，影响农田环境污染的因素之一是过量施用氮肥造成的活性氮损失。化肥在土壤中将快速转变成铵态氮，NH+4通过硝化作用转化后形成硝酸盐，NO-3可能随降雨和河流灌溉使地下水恶化，钙、镁等离子也随着这部分的NO-3流失，导致土壤酸化，因此亟待缓解集约化生产中氮污染的环境压力。

有机氮肥是调控农业集约化生产的重要措施［13］。土壤中的有机氮经各种矿化过程才能转化为易溶形态，并成为无机氮的主要来源［14-15］，但对土壤环境产生持久的正面影响［16］。有机肥和无机肥的联合施用对缓解化肥对环境的污染有較大影响，因此系统评估无机氮与有机氮投入的农田环境效应与生态效应，对优化集约化生产和实现农田减肥增效具有重要的价值。本文针对农田无机氮与有机氮投入后对土壤环境的影响，通过查阅国内相关研究文献，从土壤氮循环输入形态、转化过程、输出途径等角度，系统梳理农田无机氮与有机氮投入后产生土壤氮环境承载效应、氮溢出效应及氮平衡机制，重点探讨并分析农田有机氮与无机氮投入作物产量与品质、土壤肥力营养转化、农田氮减损的不足，展望减肥增效下农田无机氮与有机氮联合投入的潜在途径及调控路径，以期为新时期农业绿色生产及有机氮和无机氮施肥管理调控提供参考。

1 集约化生产与粮食安全

农业粗放经营已不适应农村现代化发展，农业集约化经营应时而现。集约化农业生产是指在一定面积的耕地上投入更多的生产资料，采用创新的科学技术和管理模式，实现更高的单位面积产量和收入的农业生产经营模式，主要有劳动集约型、资金集约型和技术集约型3种。化肥是利用化学和（或）物理方法制作的肥料，含1种或若干种作物生长必需的营养元素［17］，合理使用可提高作物产量和品质，促进农副产品的发展，调节和补偿粮食供给，完善我国农业生产结构，对粮食安全发挥积极作用。长期集约化农业生产对环境和耕地的不利影响日益突出，全球气候变暖造成极端天气问题；农业面源污染加剧，耕地资源形势严峻，粮食安全受到威胁；一些农村地区工厂废水和废气的排放降低了耕地质量，土壤重金属污染日益突出。我国是全球化肥过量投入程度最高的国家之一［18］，究其原因，是作物过度施肥的程度与自然经济条件的区域差异密切相关［19］。化肥过量投入导致土壤性质恶化、作物品质降低且不宜存放等各种问题，因此，如何协调由氮肥过量投入为特征的集约化农业生产面临的土壤酸化、温室气体排放过度等问题亟待优化。

2 农田土壤无机氮转化

2.1 无机氮转化途径

无机氮指植物、土壤和肥料中未与碳成分结合的含氮物质。肥料氮施入土壤后，在土壤酶和微生物的作用下，转化成不同形式无机氮，其中硝态氮和铵态氮是被作物直接吸收转化的有效氮，带正电的铵态氮常被土壤颗粒吸附，硝态氮因带负电难被土壤固存。农田土壤矿化作用决定了农田土壤自身无机氮供应能力，土壤中无机氮含量较少，将其转化为有机氮能更稳定地储存，同时能通过土壤中自身的化学反应而变成可被农作物直接利用的氮，NH3或铵盐在有氧条件下产生硝化作用，经氨氧化菌和硝酸细菌等微生物转成硝态氮，在碱性情况中易挥发，高浓度氨氮对作物有毒害作用，硝态氮同化速率与土壤碳氮比为显著正相关关系，硝化过程影响土壤无机氮库的组分含量，当土壤的初级自养硝化速率与初级矿化速率的比值（ONH4/M）超过1/2时，土壤无机氮库以硝态氮形态为主，当ONH4/M低于1/2时，铵态氮则占比较大［20］。土壤维持硝态氮含量主要是硝态氮异化还原为铵或同化2个方面，土壤中的铵态氮、硝态氮及部分简单的小分子氨基氮能通过微生物和作物吸收转化为作物有机质的成分。Zhang等分析总结土壤的无机氮组成、pH值及氮转化速率表明土壤的硝态氮浓度与自养硝化速率、ONH4/M之间存在明显的正相关联系，而土壤的NO-3/NH+4与ONH4/M、土壤pH值有显著正相关关系［21］。

2.2 无机氮输出过程

土壤氮素输入主要来自化肥，有机氮肥和生物固氮已处于次要地位，与世界平均氮肥利用率相比，我国农田生态系统的氮肥利用率较低，为 30%～35%。土壤中的氮素去向与其化学形态紧密相关，主要原因是NH+4和OH-产生氨气，土壤碱性越强，氨挥发越严重，是氮元素流失的主要路径；在厌氧条件下，硝酸盐经过微生物作用还原为氮和氮氧化物（NOx）；NH+4陷入2 ∶1黏土矿物晶架表面的空穴内转为固定态NH+4失去生物有效性，导致土壤中的氮素残留；铵盐和硝酸盐均易溶解，NH+4可被负电胶体吸附，NO-3带负电荷，不被负电胶体吸附，极易随渗漏水淋失；当形成土壤表面径流时，土壤胶体吸附的氮、硝酸盐被径流搬运进入地表水体。Zhang等更直接地表明土壤初级硝化速率是调节陆地生态系统不同气候区域氮径流损失的重要因素，土壤氮输出与气候间有2类典型联系：在我国南方亚热带地区等潮湿气候下，地带性土壤的硝化速率低，无机氮库以铵态氮为主，较低的土壤pH值也减缓氨挥发风险［20］；在我国北部和西部等干旱地区的地带性土壤中，硝化速率随土壤pH值升高，土壤无机氮中硝态氮比例较高［21］，这可弱化碱性土壤中氨挥发损失过程。

3 农田土壤有机氮转化

有机氮是指土壤和肥料中与碳成分相结合的含氮物质，如尿素、蛋白质和氨基酸等，一般占土壤全氮的95%以上，氨基酸氮是土壤酸水解有机氮的主要成分和土壤活性氮的主要贡献因子［22］。土壤含氮有机质主要为蛋白质、多肽、核酸、氨基糖和尿素等，直接表明土壤的潜在供氮能力，以上物质基本是不溶性有机氮和土壤溶液中分子量大的可溶性有机氮（DON），植物不能直接吸收转化，土壤有机氮源包括有机质分解的中间物、有机肥料人为投入、微生物和根系的代谢物和分泌物，受植被、施肥和气候影响较大。土壤硝态氮和可溶性有机碳进行非生物作用直接获得DON，厌氧条件下土壤的二价铁在氧化成三价铁时将硝酸盐还原成亚硝酸盐，该部分亚硝酸盐与土壤溶解性有机物结合生成DON［23］。表土中超过90%的氮元素表现为有机化合物，大分子有机氮化合物只在微生物作用下转化为无机铵态氮或硝态氮，便于作物吸收和利用。土壤黏粒含量等物理性质能影响DON的积累能力，黏粒含量高，利于土壤DON富集。外源有机物通过氨化作用形成大分子DON，再逐级分解为小分子DON，最终DON矿化生成铵态氮或硝态氮，被作物根系和土壤微生物生长利用或直接淋失。

4 有机无机氮投入的环境效应

4.1 对土壤环境的影响

改良土壤，培肥地力。施用无机氮肥后，土壤环境的pH值会在短时间内升高，然后迅速降低。氮肥过量时土壤中固结积累了大量氮（N）、磷（P）、钾（K）等化学元素，可生成较多种类的化学盐，导致土壤严重酸化，直接造成养分循环和供给能力的减弱，氮肥过量投入减小农作物抗性特征，磷肥和钾肥过量将引起农作物养分结构失调，同时长期施用氮肥会破坏土壤容重和孔隙，降低土壤有机质含量。有机肥在农业的应用已成为土壤养分保持的策略，试验表明60%化肥和紫云英复合施用对土壤物理性质的影响优于单施化肥［24］。农田投入有机肥使表土容重显著降低，土壤总孔隙度分别增加6.36％和7.56％［25］，不同有机肥处理时土壤pH值整体迅速减小再缓慢回升，其中猪粪有机肥处理有较小降幅，污泥有机肥处理较稳定［26］。长期施用有机肥可提高黄壤稻田土质肥力，改善细菌生长环境和群落结构，增加细菌群落多样性，促进土壤生态系统稳定和健康［27］。Du等系统分析141篇相关文献和774组数据，发现有机肥处理的土壤容重明显下降3.9%，这与土壤有机碳含量得到提高密切相关［28］。Luan等的试验表明有机无机肥使土壤超微孔体积变小，大、中、微孔体积显著增大，改善了土壤保水性和通气性［29］。Qaswar等从34年的定位试验得出，有机无机肥配施处理能提高土壤有机碳固存率，显著影响了土壤有机碳分子结构，多次中低比例有机肥配施无机肥提高了微生物数量种类［30］，是实现作物增产和改良土壤质量的有效方法［31］。

4.2 对大气环境的影响

减缓温室气体排放，促进生态和谐。施用无机氮肥对大气环境的主要影响表现为温室效应和臭氧层空洞。稻田和栽培施肥是人为排放CH4和N2O的重要源头，农田土壤在减少温室气体排放方面也具有重要的生态功能［32］。全球人为碳排放总量中种植业与养殖业的CH4、N2O排放量约占12%［33］，施用氮肥和生物固氮产生的N2O量占年排放量的60%左右，大约0.5%的氮肥以氮氧化物的形式损失。部分硝酸盐在土壤中转化为氮和氮氧化物排放至大氣中，并与作物固氮吸收的N2和大气平流层中被破坏的N2O保持平衡，N2O进入平流层大气后会消耗臭氧，增加地球表面的紫外线辐射，空气质量恶化。有机肥种类与用量造成温室气体排放差异，秸秆还田促进土壤吸收CH4，秸秆深施效果比秸秆表层覆盖明显改良了土壤透气性，利于氧化CH4和吸收大气中的CH4。而与仅施化肥相比，100%施紫云英或紫云英化肥配施会造成CH4增排，刘红江等在等氮养分条件下以有机肥部分替代化肥，CH4累积排放量与有机肥替代投入量呈正相关，而N2O累积排放量与之为负相关，应该是增施有机肥降低农田土壤氧化还原电位，为产CH4菌提供适宜生长环境，虽然温室气体排放呈现差异性，但总体上配施有机肥仍是改良土壤和增产的重要途径［34］。与平衡施化肥比较，化肥与有机物料结合将碳排放强度明显降低36.5%～113.2%，单位面积土壤有机质的温室气体排放（δGHG/δSOM）减小了69.4%～93.2%，在黄淮海区域小麦-大豆复种模式下，有机肥（牛粪或饼肥）配施化肥既能稳产又降低了净温室效应［35］。卜容燕等于2018年、2019年连续监测农田CH4和N2O排放规律，表明等氮养分下有机肥化肥配施处理双季稻和周年轮作的CH4排放量比单施化肥各增加8.2%、4.8%和6.7%，但N2O排放量分别下降31.4%、5.0%和18.8%，可见有机肥配施化肥是减缓稻田温室气体排放的有效措施［36］。

4.3 对水环境的影响

农田氮肥施用是造成水体富营养化的主要氮来源，地表径流和农田排水是农田氮素（主要是硝态氮）转移和流失的主要途径。研究表明过多投入氮肥能造成氮素以硝酸盐的形式进入水域，造成水体富营养化及赤潮等环境问题［37］。在作物快速生长期，蒸腾作用强烈，在充足的水分条件下，硝态氮会淋溶至2 m或更深，脱离根系吸收造成地下水污染。人、畜、禽的排泄废弃物等有机肥料投入土壤可消减一些地区地下水、土壤和小气候污染，减轻病虫危害，减少氮素流失和水体污染。长久施用有机肥可增加土壤有机质含量和营养成分，有机物分解产生的有机酸能溶解土壤矿物质，通过风化作用释放养分［38］。土壤残留毒性在腐殖质和黏土矿物的吸附络合作用和化学沉淀作用下被降解、损失和挥发，土壤中铜、锌和镉的总量和有效态量得到显著提高［39］，减轻重金属污染和作物吸收有毒物质程度。研究表明有机无机氮配施比例为3 ∶2的前提下，作物产量有最大值，为12 578 kg/hm2，此时 15.7 kg/hm2 的硝态氮淋失量也在生态系统调节范围内［40］。韩笑等的研究表明，60%氮素与鸡粪、牛粪、豆饼混合有机肥配施分别降低径流水66.5%总氮、67.2%硝态氮和66.2%铵态氮含量，总磷含量下降52.5%［41］。吕宏伟等发现，有机肥替代27.5%化肥+30%节水灌溉处理比化肥处理蔬菜稳产效果好且可有效减小露地菜田氮磷径流损失［42］。适宜耕作方式也能增强有机无机肥配施改良效果，王瑾瑜等在长江中下游犁底层厚（如红黄壤型）的水稻黏土区，定点打破部分犁底层，有机无机肥配施可以促进形成肥力良好的耕作层，同时不增加水分渗漏和氮素淋溶［43］。

4.4 对氮素转化效率的影响

提高氮素转化效率，改善作物营养状况。氮素转化是指土壤中含氮物质的形态和状态通过物理和化学作用发生变化，包括氮素矿化、生物固定、硝化和氨挥发，直接影响作物的氮素营养状况和损失。有机氮部分替代无机氮可持续供给速效养分和长效养分，满足作物各生育氮素需求，确保高产。常配施有机肥和化肥显著提高土壤活性氮库含量，增强氮素供应能力，短期内可增加土壤氮素利用率，利于土壤微生物生长生殖［44］。研究表示，有机肥可有效提高0～15 cm土层的全氮和铵态氮含量［45］，单施化肥或有机肥处理的氮偏生产力、氮素收获指数和氮素贡献率均小于有机肥氮替代50%化肥氮处理［46］，显著加大周年稻麦轮作系统的氮素利用率［47］。同时，小麦推迟拔节肥条件下有机无机肥配施通过增加根际细菌多样性，提高根际氮矿化势，增强拔节期低氮胁迫下土壤供氮潜力［48］。与单施化肥相比，有机无机肥配施处理的小麦花前氮素转运量、花后氮素积累量和籽粒氮素积累量各增加9.8%、33.1%、22.0%，降低施氮量而显著提升了作物氮素利用率和农学效率，甚至还提高了氮素收获指数，施氮量为150 kg/hm2时能较好促进冬小麦植株的氮素利用率［49］。秸秆+尿素或秸秆+稳定性尿素处理可加快水稻穗及地上部分对氮素的吸收转化，达到最大收获指数，即0.39～0.47；猪粪+稳定性尿素处理比尿素处理的水稻产量提高约137%，水稻分蘖期和成熟期生物量分别增加1.98%和53.00%左右，约是尿素处理氮素回收利用率的1.82倍［50］。同等养分条件下，70%化肥+30%有机肥、30%化肥+70%有机肥具有较大的氮素生产效率，前者适合中低肥力水平稻田，后者适用于高肥力水平稻田［51］。

5 氮投入与绿色生产

绿色农业即指以确保农产品安全、生态环境安全和可利用资源安全为目标，以农产品标准化为手段的现代农业，它与资源、生态和环境相辅相成。化肥和有机肥的施用是绿色生产的关键环节，有机肥富含作物生长必需营养元素和有机质，对提供碳源进行光合作用、促进作物生长、提高产量和品质、保持营养风味、减少硝酸盐等有害物质的污染具有重要意义［52］，主要体现在以下3个方面：（1）改良培肥土壤，增强土壤地力。秸秆还田或增施有机肥可降低土壤容重、总孔隙度，增加腐殖质紧结态含量，腐熟化程度较高能直接增强土壤保水性、通气性、保肥性、缓冲性，促进土壤养分矿化过程、作物生长发育，补充作物吸收的养分，提高土壤有机质含量，绿肥还可以改善土壤本身有机质的品质。（2）营养成分充足，类型层次全面。有机肥料含有无机和有机养分，还含有大量的微生物和酶，可以从多方面保证作物的供应。有机肥能够增强供氮能力，提高土壤氮素含量，尤其是速效氮，实现氮素高效利用；减少土壤磷素积淀、淋溶；增加生物有机肥使土壤全钾和速效钾含量得到提高。（3）肥效持续时间长，减少环境污染。有机肥料养分释放缓慢，如氮通常以铵离子或氨基酸的形式输送给作物，不需消耗大量能量和光合产物，能降低硝酸盐和其他物质的毒害和环境污染。新鲜有机材料、沼渣、粪肥等有机肥料可有效降低稻田CH4排放的促进效应，减少N2O等活性氮的损失。因此，必须尽快加强有机肥在绿色生產和健康农田土壤栽培技术的应用研究，有效解决或减缓农业生产过程中存在的盲区和突出问题。

6 农田氮优化不足之处

6.1 减肥增效与种植制度不匹配

种植制度须因地制宜，与本地农业综合资源、生产条件和区域农村经济情况相适应。根据水土条件和相应的栽培措施，有3种种植制度：半干旱地区旱作种植制度，一年一熟，甚至两年一熟；半湿润或湿润地区旱作农业制度，一年一熟、两熟以及三熟；旱地灌溉种植制度，一年一熟，集约化复种；水田种植制度，每年种植一季稻或双季稻，冬季常增加一季旱作或绿色肥料作物。我国人多地少，可耕地面积急剧减少，耕地资源短缺加剧，复种可以继续提高作物总产量和单位面积产量，提高生态效益和经济效益。然而，多数农户根据个人经验，倾向于在作物整个生育期投入大量化肥，利用率不高造成化肥的相对浪费和环境污染，无用量与施肥时间标准，导致未及时利用农时农耕，一定程度上难以保证高产。

6.2 关键减肥增效创新方法缺乏

近年来，各区大力推行“减重增效”政策，提高农业生产水平。常见的主要是绿肥还田，不同生育期用复合肥、尿素、磷肥等肥料；桔杆还田作基肥、追肥；种养结合，有机和无机养分循环利用；利用田间各种农作物秸秆、牧草、人畜粪便在沼气池厌氧条件下经甲烷细菌等微生物发酵制取沼气后产生的沼气残渣，制成沼气有机肥料，改善土壤。但多数地区仍主要是在单一减少化肥用量，更多地追求产量，较少考虑土壤环境失衡、作物营养吸收等问题，缺少对肥料配施、施肥方式、作物生长规律的了解和结合。

6.3 系统肥效评价体系不足

化肥起到重要的增产作用，省工省时，方便有效，而有机肥料的收集和堆肥使用需要劳动强度高、效率低、品种少、当年季度增产不明显，改善土壤质量的效果不能直接看到，肥料仓储与运输不全面是重要障碍因素。目前，我国肥料管理立法进度刻不容缓，借鉴国外优秀成熟经验，建立健全符合我国国情与发展的肥料肥效评价技术规范体系，是相关立法的基础和支撑，将肥料管理科学化、规范化。现有条件下已提出了肥效评价的生态均衡施肥理论体系和指标体系，但各个体系依据较多，未进行多年实践证明，需汇总归类，统一定级。

7 集约化生产氮优化途径

7.1 构建与种植制度匹配的氮调控生产模式

以适宜的肥料成本，合理掌控施肥期，结合作物生长需肥规律，有机肥料肥效缓慢释放且持续供给，较适宜作底肥配合施用，根据土壤实际情况和耕作面积合理选择肥料配施比例，重施底肥，化肥作追肥。可间套种植豆科作物用于增强固氮能力，雨热充足多熟制地区可种植冬夏绿肥，如水稻以冬种作物—单季晚稻的二熟制，单季晚稻的一熟制及冬种作物—早稻—晚稻的三熟制种植模式为主；一熟制地区，需抢农时，提高复种指数，利用农闲时期翻耕、深耕、引进绿肥种植，增强地力，减少荒地病害发生。同时，须种植抗性强的优良品种，完善农田机械，集中可利用资源引进先进技术。

7.2 创新新型氮高效绿色施肥方法

提升造肥技术水平，研发新型功能肥料。利用当地物质资源，结合科学堆肥技术，生产优质有机肥、有机无机复合产品，开发控释肥，利用中微肥平衡作物营养，满足当地需求。不同比例的有机氮肥与无机氮肥配施。矿化分解率高的有机肥，应和少量化肥配合施用，以满足作物生长对有效养分的需求。Xiang等的研究已经证明，有机氮代替70%化学氮是提高土壤肥力和双季水稻产量的最有效施肥方法［53］。不同种类的有机氮肥和无机氮肥配施。研究发现有机物料与化肥的组合可以提高作物产量（短期）和土壤质量（长期）［54］，是我国实现农业减肥增效的重要施肥模式。不同品种有机肥和无机肥的配施效果存在差异，有机肥的来源影响施肥效果，农家肥、堆肥、沼渣与化肥结合表现出一定的增产趋势，有必要从原材料性质进一步研究替代化肥的比例。

7.3 建立氮调控减肥增效标准化体系

在肥料綜合评价体系中，应涉及肥料分类目录、鉴定规范、生物肥料效率评价、毒性评价、环境影响和效益评价，具有评价肥效和指导施肥双重功能。有关部门应加强监管有机肥生产全过程，避免不合格产品进入市场，破坏土壤生态。加强南北联储建设，提高肥料从生产商到终端的运输力，挖掘产业链合作的深度和广度，增加绿色通道。有机-无机联合施用是有效促进农业集约化、将粮食问题转化为安全问题的重要途径。在实际生产中应考虑速效营养元素易流失到环境中的风险，相关研究待解决核心问题是土壤改良效果和有机肥肥效。

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收稿日期：2022-11-10

基金項目：国家自然科学基金（编号：41661074）；广西“新世纪十百千人才工程”专项资金（编号：2018221）；广西农业科学院创新团队项目（编号：桂农科2021YT040）。

作者简介：李 诗（1999—），女，广西武宣人，硕士研究生，主要从事稻作环境生态与农村发展研究。E-mail：2012038808@qq.com。

通信作者：胡钧铭，博士，研究员，主要从事农业有机资源利用与生境调控及逆境生态研究，E-mail：jmhu06@126.com；周凤珏，硕士，副教授，主要从事作物栽培及农业气象研究，E-mail：fengjue@gxu.edu.cn。