农田氮素去向及其对氮肥利用率的影响(刘学军、张福锁).ppt

1、农田氮素去向及其对氮肥利用率农田氮素去向及其对氮肥利用率的影响的影响刘学军，张福锁刘学军，张福锁中国农业大学资源与环境学院中国农业大学资源与环境学院2011.1.17 2011.1.17 报告提纲报告提纲国内外背景国内外背景中国农田氮素去向与氮肥利用率中国农田氮素去向与氮肥利用率实现作物高产与氮素高效利用的途径实现作物高产与氮素高效利用的途径结论与展望结论与展望氮肥利用率及其计算公式氮肥利用率及其计算公式 氮肥利用率是指当季作物从所施氮肥中吸收氮肥利用率是指当季作物从所施氮肥中吸收氮素占施氮量的百分数，其实质是当季作物氮素占施氮量的百分数，其实质是当季作物对所施氮肥的表观回收率。对所施氮肥的表

2、观回收率。氮肥利用率的计算方法：氮肥利用率的计算方法：1. 1. 差值法差值法氮肥利用率氮肥利用率= =施氮区收获物中总氮量施氮区收获物中总氮量不施氮区收获物中总氮量不施氮区收获物中总氮量所施氮肥中氮素的总量所施氮肥中氮素的总量100%100%氮肥利用率的计算方法：氮肥利用率的计算方法：2. 2. 1515N N示踪法示踪法R =Nf / Na 100% = (Nf+Na) B/A / Na 100%R: 氮肥利用率氮肥利用率; Nf: 作物吸收的标记肥料氮量作物吸收的标记肥料氮量; Na: 施用的标记肥料量施用的标记肥料量A：标记氮肥的原子百分超：标记氮肥的原子百分超; B：植株吸入氮的原子

3、百分超：植株吸入氮的原子百分超其他与氮肥利用率有关的概念其他与氮肥利用率有关的概念 氮肥农学效率氮肥农学效率（kg 增产粮食增产粮食/kg 肥料肥料N） AE = 氮肥的增产量 / 氮肥用量 氮肥生理效率氮肥生理效率（kg增产粮食增产粮食/kg吸收肥料吸收肥料N） PE = 氮肥的增产量 / 多吸收的肥料氮 氮肥偏生产力氮肥偏生产力 (kg 粮食粮食/kg 肥料肥料N） PFP = 作物产量 /氮肥用量 目前人类活动固定的活性氮已经大大目前人类活动固定的活性氮已经大大超过自然过程产生的活性氮超过自然过程产生的活性氮0204060801001201401601802000100020003000

4、40005000600070008000190019201940196019802000fertilizer input, NOx emission, Total Nr productionWorld population (millions) and CO2 emission (Tg)Natural Nr production (Tg)World population (Millions)Total Nr production (Tg)Fertilizer(Tg)NOx(Tg)(Erisman, 2008. Nature Geoscience 1: 636-639)Fertilized to

5、 death( (施肥到死施肥到死!)!) Nicola Nosengo“Countries such as China have no intention of reducing their use of nitrogen”, says Moldan. “In fact they are firmly committed to increasing it. ”Source in Nature 30 October 2003, 425:894 -895(/ifa/statistics/indicators/tablen.asp and http:

6、//ifa/statistics/IFADATA/DATA/chn.xls)Start of Chinas economic reform Dr. Browns question: Who will feed the Chinese people? Trends of fertilizer N consumption in China, North America and West Europe since 1960s中国氮肥年用量已突中国氮肥年用量已突破破30003000万吨，产量万吨，产量超过超过40004000万吨！万吨！ 中国氮肥环境代价中国氮肥环境

7、代价 成为全球关注热点！成为全球关注热点！过去过去20年来氮肥的过量使用导致中国年来氮肥的过量使用导致中国主要农田土壤主要农田土壤pH值下降值下降0.5个单位！个单位！不施肥不施肥NNPKNPKMMpH4.2pH 4.5pH 6.2PKpH 5.3pH 6.1pH5.5NPpH 4.5NKpH 4.3NPKSpH 4.6每季作物氮肥用量每季作物氮肥用量150 kg N/ha, 施肥施肥12年后的土壤年后的土壤pH（1990年试验开始时的土壤年试验开始时的土壤pH为为5.7）（徐明刚，2010）13560087005000城市小型城市小型 湖泊湖泊城市中型湖泊出城市中型湖泊出现现大中型湖泊大中型

8、湖泊出现出现大中型湖泊大中型湖泊大量出现大量出现1970s 1980s 2000 2007湖泊富营养化日益严峻！湖泊富营养化日益严峻！（金相灿，（金相灿，2009）湖泊富营养化面积（湖泊富营养化面积（km2）1970年代年代贫营养化贫营养化4%中营养化中营养化61%富营养化富营养化35%1980年代年代富营养化富营养化69%中营养化中营养化27%贫营养化贫营养化4%20072007年太湖蓝藻爆发，影响饮用水安全年太湖蓝藻爆发，影响饮用水安全报告指出，农业源污染物排放对水环境的影响较大，农业源是化学需氧量、总氮、总磷排放的主要来源，其排放量分别占排放总量的43.7%, 57.2%和67.4%。

9、中国的大气活性氮污染已引起全球普遍关注中国的大气活性氮污染已引起全球普遍关注(Richater et al., 2005. Nature 437, 129-132)NOxNH3(Liu et al. 2010, Env. Pollut., in press)Emission trends of NOx and NH3 in China since 1980 Total emission: 7.5 Tg N (1980); 19.5 Tg N (2006)NH3-N: NOx-N ratio: 6.0 (1980); 2.0 (2006)Three major sources for NOx:

10、1) Traffic vehicles2) Industry3) Power plantsThree major sources for NH3: 1) NH4-based fertilizer2) Animal husbandry 3) Human beings太湖地区太湖地区308930.599华北平原华北平原太湖地区和华北平原大气干湿沉降和灌溉水输入农田的氮素数量1、太湖地区和华北平原环境来源氮随着人为活性氮的增加而显著增加、太湖地区和华北平原环境来源氮随着人为活性氮的增加而显著增加2、环境来源氮占土壤自然供氮量的、环境来源氮占土壤自然供氮量的67%3、大气干湿沉降占太湖水体氮负荷中农业

11、源的大气干湿沉降占太湖水体氮负荷中农业源的28% (1.2 万吨万吨N/年年)(Ju et al., 2009; 朱兆良、张福锁等, 2010)中国氮素干湿沉降总量的估计中国氮素干湿沉降总量的估计Year Area Rainfall Rainwater N conc. Wet depos. Total depos.* (106 ha) (mm/yr) (mg N/L) (Tg N/yr) (Tg N/yr)1980s 960 640 0.6 3.7 7.41990s 960 620 1.0 6.0 122000s 960 600 1.3 7.5 15 2000s 350(sea) 800 0.

12、8 2.25 4.5 Assuming the ratio of N wet to dry deposition 1:1. N concentrations in rainwater are summarized from all literatures available, annual rainfall means average precipitation during each specific period (referring 10-year here) .(Modified from Liu et al, 2010)2050s 20 or 30?报告提纲报告提纲国内外背景国内外背

13、景中国农田氮素去向与氮肥利用率中国农田氮素去向与氮肥利用率同时实现高产与氮素高效利用的途径同时实现高产与氮素高效利用的途径结论与展望结论与展望中国农田氮素平衡中国农田氮素平衡(1990(1990年代结果年代结果) )(Zhu and Chen, 2002)Weather stationLysimeter N0N36015N MicroplotN120N240N240N0N360N120N120N240N0N360Suction cups, TDR and soil temperature-monitoring boxNote：plot size 21 6 m2, microplot size

14、60cm 100cmN0N120 N240 N360中国农大科学园定位试验中国农大科学园定位试验 (1997-2000) NOx and N2O flux exp. (Meg Walsh) N0 N120 N240 N360 1998-1999 wheat 6.19 a# 6.38 a 6.36 a 6.38 a 1999 maize 4.15 b 4.88 a 4.33 ab 4.81 a 1999-2000 wheat 4.65 b 7.16 a 6.40 a 6.69 a 2000 maize 6.04 b 7.07 a 7.44 a 7.48 a # Values within the

15、 same crop followed by the same letter are not significantly different at 5% level (method of LSD). Mean grain yields (t ha-1) of winter wheat and maize under each N treatment in a 2-year wheat-maize rotation. Liu et al., 2003, Field Crops Res. 83 (2): 111-124 Items N0 N120 N240 N360N inputsInitial

16、soil NO3-N 57 57 57 57Applied N 0 480 960 1440N mineralization 430 430 430 430 N outputs Plant N uptake 464 635 657 669 Residual soil NO3-N 23 152 430 567 Apparent N loss 0 180 360 691 (1) NO3-N leaching - 120 321 510 (2) NH3 volatilization* - 10 21 53 (3) Denitrification - 18 n.d. 27Nitrogen budget

17、 (kg ha-1) showing N inputs and N outputs together with measured N losses in a 2-year winter wheat-maize rotation. * Only including the first rotation cycle (1998-99)(Liu et al., 2003. FCR 83: 111-124)小麦小麦- -玉米轮作体系肥料氮的去向玉米轮作体系肥料氮的去向 ( (农大科学园农大科学园) )(改自Liu et al., 2003. FCR 83: 111-124)中国农大东北旺基地系统开展了

18、氮素去向与优化的综合研究中国农大东北旺基地系统开展了氮素去向与优化的综合研究占地占地7575亩、亩、9090个小区持续个小区持续8 8年的综合试验年的综合试验氨挥发测定氨挥发测定- -风洞法风洞法N N2 2O O测定测定- -风洞法风洞法综合效果评价综合效果评价降低氨挥发量降低氨挥发量 小麦：75% 玉米：56% 设施辣椒：36%降低降低N2O排放量排放量 小麦：41% 玉米：73% 设施辣椒：38%8年田间定位连续测定试验年田间定位连续测定试验连续原位测定连续原位测定(Zhu et al., 2005; Zhao et al., 2006; He et al., 2007; 高志岭, 20

19、04; 丁新泉, 2005; 赵荣芳, 2006;任涛, 2007; 苏芳等, 2007)氮素去向原位监控氮素去向原位监控降低硝酸盐淋洗量降低硝酸盐淋洗量 小麦：77% 玉米：96% 设施番茄：83% 设施辣椒：35%与与农农民民习习惯惯相相比比(Ju et al., 2009. PNAS 106: 3041-3046)我国农田氮素损失随施氮量增加而急剧增加我国农田氮素损失随施氮量增加而急剧增加(Ju et al., 2009. PNAS 106: 3041-3046)小麦小麦- -玉米轮作体系中肥料氮的去向玉米轮作体系中肥料氮的去向 ( (北京东北旺北京东北旺) )（朱兆良，张福锁等，201

20、0）(N: 600 kg/ha/yr)(N rate: 225 kg/ha/yr)当前全国肥料利用率的现状不容乐观当前全国肥料利用率的现状不容乐观不同年代不同年代 N P2O5 K2O 文献文献1980s 28 - 41% 朱兆良朱兆良, 19921990s 30 - 35 15 - 20% 35 - 50 朱兆良等朱兆良等, 19981997-2003 27.5% 11.6% 31.3 张福锁等张福锁等, 2008 2000s ? ? ? 2000s ? ? ? 在座各位在座各位 (?)(?)造成氮肥利用率低的主要原因造成氮肥利用率低的主要原因?1) 1) 氮肥产能严重过剩氮肥产能严重过剩中

21、国氮肥产量和农业用量趋势图中国氮肥生产与需求现状产能 产量 用量 理论需求量 (6000?) (4800) (3300) ( 3000) 50年氮肥进口历史，最多时年进口年氮肥进口历史，最多时年进口460万吨万吨N； 1997年首次满足农业需求，年首次满足农业需求，2003年净出口；年净出口； 目前产能超过用量目前产能超过用量40%左右；左右； 过去过去10年新增产能占全球年新增产能占全球60%。N2)2)单位面积氮肥施用量大单位面积氮肥施用量大0100200300400500600700800小麦玉米水稻果树蔬菜施肥量施肥量 kg/hakg/ha有机肥用量化肥2007年我国主要作物单位面积氮

22、肥用量张卫峰等根据2008年全国万户调研数据整理3) 3) 土壤土壤- -环境养分数量过高环境养分数量过高 华北平原小麦华北平原小麦- -玉米体系播前土壤硝态氮平玉米体系播前土壤硝态氮平均均191 kg N/ha;191 kg N/ha; 华北平原环境来源氮素华北平原环境来源氮素( (干湿沉降干湿沉降+ +灌溉水灌溉水) )达到达到99 kg N/ha99 kg N/ha华北小麦华北小麦- -玉米体系农田氮素来源历史变化玉米体系农田氮素来源历史变化氮素输入氮素输入化学氮肥化学氮肥土壤无机氮土壤无机氮环境氮素环境氮素( (大气大气+ +水体水体) )总计总计1980s15030 (11-62)3

23、02102000s532 (300700)191 (20-987)99722如何评价土壤如何评价土壤- -环境养分供应增环境养分供应增加对氮肥利用率的影响？加对氮肥利用率的影响？1980年代以来无肥区和施肥区作物产量均显著提高年代以来无肥区和施肥区作物产量均显著提高010002000300040005000600070008000目前1980s目前1980s小麦玉米产量（产量（kghm-2)空白产量施肥区产量(马文齐, 2010)小小 麦麦玉玉 米米2000s2000s1980s1980s1980s: 7.2 t/ha 10.8 t/ha2000s: 10.3 t/ha 13.5 t/ha无肥

24、 施肥2000s2000s1980s1980s环境养分可导致养分表观利用效率明显下降环境养分可导致养分表观利用效率明显下降! !不扣除环境养分贡献：不扣除环境养分贡献：NUE1 = (180-100)/200NUE1 = (180-100)/200* *100% = 40%100% = 40% 扣除环境养分贡献：扣除环境养分贡献：NUE2 = (180-50)/200NUE2 = (180-50)/200* *100% = 65%100% = 65%降低氮肥用量降低氮肥用量( (与与NenvNenv. .相当相当) )：NUE3=(180-100)/150NUE3=(180-100)/150*

25、 *100%=53%100%=53%报告提纲报告提纲国内外背景国内外背景中国农田氮素去向与氮肥利用率中国农田氮素去向与氮肥利用率同时实现高产与氮素高效利用的途径同时实现高产与氮素高效利用的途径结论与展望结论与展望同时实现作物高产高效是国家的迫切需要同时实现作物高产高效是国家的迫切需要我们的目标：产量持续提高，养分效率反降为升。同时实现作物高产与资源高效是我国农业发展的唯一选择同时实现作物高产与资源高效是我国农业发展的唯一选择, 也是国际学术界的重大科学命题也是国际学术界的重大科学命题8.9136446634194.7243中国粮食美国玉米根层养分调控是协调作物高产与环境保护的核心前期施肥量大抑

26、制作物的生长发育前期施肥量大抑制作物的生长发育养分管理养分管理农民习惯农民习惯l适宜的根层养分供应才能保证根适宜的根层养分供应才能保证根系生长最好，生物学潜力发挥最大系生长最好，生物学潜力发挥最大l根系能主动响应根层养分变化根系能主动响应根层养分变化(Guo et al., 2005 Plant Sci.; Tian et al., 2005, Plant Soil; Chun et al., 2005, Plant Soil）作物高产和养分高效的关键是作物高产和养分高效的关键是“根层养分调控根层养分调控” 高产作物养分需求规律肥料养分环境养分(张福锁等，养分资源综合管理，2003；养分资源综合管理理论与技术概论，2006，2008， 中国农业大学出版社)养分空间有效性养分空间有效性养分生物有效性养分生物有效