农田氮素去向及其对氮肥利用率的影响(刘学军、张福锁)

NH3
3 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Year
Year
(Liu et al. 2010, Env. Pollut., in press)
研究发现，环境来源氮(大气沉降和灌溉水带入氮) 数量大、对农田氮输入和水体环境影响不可忽视
100
带入农田的环境氮(kg N ha-1)
每季作物氮肥用量150 kg N/ha, 施肥12年后的土壤pH （1990年试验开始时的土壤pH为5.7） M pH 6.2 NPKS pH 4.6 NPKM pH 6.1 pH 4.5 NPK PK pH 5.3 NK pH 4.3
NP pH 4.5
N
pH4.2
不施肥 pH5.5
（徐明刚，2010）
2000
Fertilizer (Tg)
80 60 40
1000 0 1900
NOx(Tg)
1920 1940 1960 1980
20 0 2000
(Erisman, 2008. Nature Geoscience 1: 636-639)
fertilizer input, NOx emission, Total Nr production
4.81 a
6.69 a 7.48 a
Values within the same crop followed by the same letter are not significantly
different at 5% level (method of LSD).
Liu et al., 2003, Field Crops Res. 83 (2): 111-124
3、大气干湿沉降占太湖水体氮负荷中农业源的28% (1.2 万吨N/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
Year Area (106 ha) 1980s 1990s 2000s 2000s 2050s 960 960 960 Rainfall Rainwater N conc. Wet depos. Total depos.* (mm/yr) 640 620 600 (mg N/L) 0.6 1.0 1.3 0.8 (Tg N/yr) 3.7 6.0 7.5 2.25 (Tg N/yr) 7.4 12 15 4.5 20 or 30?
带入农田的环境氮(kg N ha-1)
太湖地区
80 60 40 20 0 1980s 灌溉水 干湿沉降
89
120
华北平原
100 80 60 40 20 0 灌溉水 干湿沉降
99
30
30.5
2000s
1980s
2000s
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 2、环境来源氮占土壤自然供氮量的67%
农田氮素去向及其对氮肥利用率
的影响
刘学军，张福锁 中国农业大学资源与环境学院 2011.1.17
报告提纲
• • • • 国内外背景 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 结论与展望
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。
N120
57
480 430
N240
57
960 430
N360
57
1440 430
Initial soil NO3-N
Applied N N mineralization N outputs Plant N uptake Residual soil NO3-N Apparent N loss (1) NO3-N leaching (2) NH3 volatilization* (3) Denitrification
(Modified from Liu et al, 2010)
报告提纲
• • • • 国内外背景 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 结论与展望
中国农田氮素平衡(1990年代结果)
中国农田氮肥去向(1998)
27% 35%
作物回收 土壤残留 氨挥发
7% 11% 20%
Nitrogen budget (kg ha-1) showing N inputs and N outputs together with measured N losses in a 2-year winter wheat-maize rotation.
Items
N inputs
N0
57
0 430
排放量（万吨/年）
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)
Emission trends of NOx and NH3 in China since 1980 (a. NOx-N; b. NH3-N)
Total emission: 7.5 Tg N (1980); 19.5 Tg N (2006) NH3-N: NOx-N ratio: 6.0 (1980); ≈ 2.0 (2006)
Fertilized to death(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. ”
350(sea) 800
• 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) .
N0 1998-1999 wheat 6.19 a# N120 6.38 a N240 6.36 a N360 6.38 a
1999 maize
1999-2000 wheat 2000 maize
#
4.15 b
4.65 b 6.04 b
4.88 a
7.16 a 7.07 a
4.33 Fra Baidu bibliotekb
6.40 a 7.44 a
7 6 5 Tian et al.,2001. China Environ. Yearbook,2008. Streets et al.,2001&2003 Ohara et al.,2007 Kato and Akimoto,1992. Zhang et al.,2007. Zhang et al.,2009a. Van Aardenne, et al.,1999. Klimont et al.,2001&2009
5000
600
135
湖泊富营养化面积（km2）
1980’s 2000 2007
1970’s
2007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%。
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 农业源 全国 化学需氧量 总氮 总磷
8000 7000 World population (millions) and CO2 emission (Tg) 6000 5000 4000 200
Total Nr production (Tg)
180
160
Natural Nr production (Tg)
140 120 100
3000
World population (Millions)
Source in Nature 30 October 2003, 425:894 -895
Trends of fertilizer N consumption in China, North America and West Europe since 1960s
Dr. Brown’s question: Who will feed the Chinese people? Start of China’s economic reform
氮肥利用率的计算方法：1. 差值法
氮肥利用率 = 施氮区收获物中总氮量－不施氮区收获物中总氮量 ×100%
所施氮肥中氮素的总量
15N示踪法
氮肥利用率的计算方法：2.
R =Nf / Na 100% = [(Nf+Na) B/A ] / Na 100%
R: 氮肥利用率; Nf: 作物吸收的标记肥料氮量; Na: 施用的标记肥料量 A：标记氮肥的原子百分超; B：植株吸入氮的原子百分超
2005/06
(http://www.fertilizer.org/ifa/statistics/indicators/tablen.asp and http://www.fertilizer.org/ifa/statistics/IFADATA/DATA/chn.xls)
过去20年来氮肥的过量使用导致中国 主要农田土壤pH值下降0.5个单位！
其他与氮肥利用率有关的概念
• 氮肥农学效率（kg 增产粮食/kg 肥料N） AE = 氮肥的增产量 / 氮肥用量 • 氮肥生理效率（kg增产粮食/kg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 (kg 粮食/kg 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 超过自然过程产生的活性氮
b
Three major sources for NH3: 1) NH -based fertilizer
9
2) Animal husbandry
3) Human beings
3) Power plants NOx
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
6
1 0 1975
N360 N120
Suction cups, TDR and soil temperature-monitoring box
N120 N240 N0
N360
Note：plot size 216 m2, microplot size 60cm100cm
Mean grain yields (t ha-1) of winter wheat and maize under each N treatment in a 2-year wheat-maize rotation.
淋失与侵蚀
硝化-反硝化
(Zhu and Chen, 2002)
中国农大科学园定位试验 (1997-2000)
Weather station
NOx and N2O flux exp. (Meg Walsh)
N0
N360 N120 N240
15N
Microplot
N240 N0
Lysimeter
N0 N120 N240 N360
富营养化 35%
贫营养化 4%
中营养化 61%
富营养化 69%
贫营养化 4%
中营养化 27%
富营养化 85%
贫营养化 0%
中营养化 15%
1970年代
1980年代
1990年代以后
湖泊富营养化日益严峻！
（金相灿，2009） 大中型湖泊 出现 城市中型湖泊出 现 城市小型 湖泊
大中型湖泊 大量出现
8700
a
15
Three major sources for NOx:
NH3 emissions
NOx emissions
1) Traffic vehicles
12
4 3 2
2) Industry
Wang et al.,2009a. Wang et al.,1997. Streets et al.,2000. Klimont et al.,2001. Sun and Wang,1997. 4 Oliver et al.,1998. FRCGC,2007
30.0 25.0
N consumption (Tg N/yr)
China
20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 1960/61 1970/71 1980/81 1990/91 1995/96 2000/01
North America West Europe
中国氮肥年用量已突 破3000万吨，产量 超过4000万吨！ 中国氮肥环境代价 成为全球关注热点！