第十二章植物营养及施肥与人类健康

第十二章植物营养及施肥与人类健康本章提要施肥对产量及品质形成具有重要作用，同时施肥不当造成的负面效应也不可忽略。尤其是氮物生长及其产量和品质的形成具有重要作用。施肥通过改变植物产品中碳水化合物、脂肪、蛋白质、肥的过量施用，不仅会导致水体的富营养化，而且对大气也产生污染。矿质营养的丰欠状况及比例对植核酸、有机酸、维生素及无机盐组成结构比例等营养品质，间接影响动物及人体营养状况。施肥措施的确定，不仅要根据土壤养分状况和植物营养特性，而且要考虑到整个食物链的物质和能量循环。12.1施肥与环境12.1.1施肥与全球变暖温室效应使全球变暖的问题已引起广泛重视。造成温室效应的气体主要是二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氧化亚氮(N2O)、氧化氮(NO)、氯氟烃、水蒸汽等。温室气体浓度的增加可能会产生如下重要影响：(1)平均气温增加，特别是温带夜间温度的增加；(2)雨量和蒸发量的比例改变，导致农业-生态带的位移；(3)海平面上升。全球变暖的影响因地区不同而有很大差异，从整体来看，不利的影响可能大于有利的影响。施肥与全球变暖的关系问题是一个新的问题，也是一个重大问题。因为施肥是农业生产中的一个经常性的重要措施。施肥对全球变暖的影响主要是通过产生温室气体来进行的。受施肥影响最大的温室气体主要是氧化亚氮和甲烷。从农业角度看，保持土壤有机质，不断增加农作物产量以及减少森林和其它植被的破坏，有利于CO2的排放。甲烷的来源主要是水田和湿地。土壤中甲烷的产生主要受土壤氧化还原状况的影响，因为甲烷只有在土壤中强烈的还原状态下才能产生。所以施用有机肥，特别是秸秆还田可以促进土壤还原性的加强，增加水田或湿地CH4的排放。施用氮肥一般有利于抑制水田或湿地CH4的排放。蔡祖聪(1995)等人的研究表明，施用硫铵可使甲烷排放通量比不施氮肥减少42%~60%。施用其它氮肥亦具有类似的结果。土壤氧化亚氮的排放主要来源是土壤中的硝化和反硝化作用。据估计，施肥土壤每年向大气排放的N2O有150×104t(N)，而全球自然土壤的年排放量则达到(600±300)×104t(N)，两者合计占全球N2O来源的53%。在农田中，施用氮肥是N2O产生量增加的基本原因。Boumwman(1990)的试验结果表明，在氮肥用量低时，其用量的0.1%~0.8%，可转化成N2O排放出来；而在高用量时，这一比例达到0.5%~2%。在太湖地区N2O的排放量在水稻生长期间，相当于施氮量的0.19%~0.48%。不同氮肥品种对N2O排放量的影响也是不同的，国外报道(转引自鲁如坤，1998)不同氮肥N2O的转化率为：液氮1.63%，铵态氮肥0.12%，尿素0.11%，硝态氮肥0.03%。由于全球变暖问题的重要性，对各种温室气体排放规律的研究已引起广泛重视。关于温室气体排放量，由于各有关参数尚未充分建立，各种估测数据还不可避免地存在着很大误差。表12-1氮肥品种对CH4排放的影响处理平均通量[mg/(m2·h)CH4]相对量（%）不施氮肥硫铵（100kg/ha）硫铵（300kg/ha）尿素（100kg/ha）尿素（300kg/ha）3.311.911.343.072.8510058409386一般来说，我国CO2排放量以非农业来源为主。稻田中甲烷的产生主要是施用绿肥、秸秆、厩肥等有机肥的结果，土壤有机质本身也能产生一定量的甲烷。我国N2O排放量的三大来源是：土壤本身、氮肥施用和生物体燃烧，其中氮肥来源的约占五分之一。但随着耕地面积的减少，土壤本身的排放总量可能减少。因氮肥用量增加和燃烧生物体数量增加，这两方面对N2O排放量的贡献份额可能会增加。12.1.2氮肥施用与环境氮肥施用对环境造成污染的可能性，从上世纪60年代开始就引起人们的注意。尤其是关注氮肥施用对水体和大气的影响。如NO3-进入饮用水源，使饮用水NO3-超标。摄入过多的NO3-，则可能在体内还原为NO2-，引起高铁血红蛋白症，对婴儿危害很大，NO3-、NO2-都可形成致癌的亚硝基化合物。氮素进入水体后，可引起富营养化。只要合理施用氮肥，并不至于对环境造成巨大危害，而滥用化学氮肥则会引起严重的环境问题。我国有些经济发达的地区，少数田块单季氮肥用量高达450kgN/ha以上，对环境可能会造成十分不利的影响，从而损害人民健康和农业的可持续发展。氮肥对水源的污染主要是NO3-，因为NO3-带有负电荷，不能被以带负电荷为主的土壤胶体所吸附，移动性很大，极易随水移动。而NH4+能被土壤胶体吸附乃至固定，不易移动，但应防止NH4+发生硝化作用而转化为NO3-。氮肥对大气的污染除了NO3-的反硝化过程产生的氧化氮外，也有以NH3挥发形态进入大气的，而NH3挥发在我国北方的碱性、石灰性土壤上还是相当严重的。12.1.2.1氮的径流损失及其对环境的污染氮肥用量、氮肥品种、施肥时间、降雨情况等因素控制着径流中的氮素数量。一般来说，农业区地表径流中氮的年排出量比林业区或牧场高，因为农业区的氮肥用量更高。水田地表径流中氮的排出量往往高于旱地，这是由于一方面水田径流量大，另一方面水田氮肥用量高的结果。据估计，太湖地区农田径流损失的氮素一般占施氮量的13.6%~16.6%。太湖地区是我国发达地区之一，农田施氮量很高，例如江苏吴县，施氮量已在350kg/ha左右，因而径流损失氮量也大。在我国西北黄土高原土壤侵蚀较严重的地区，径流氮的损失也较高，达到16.5kg/ha，其中水溶态氮为3kg/ha(转引自鲁如坤，1998)。12.1.2.2氮肥渗漏淋失及其对环境的污染氮肥的渗漏淋失也是氮肥进入环境的另一个主要途径，它主要受氮肥形态、用量、施肥时间、土壤质地、降水量等因素的影响。在土壤中，NO3-的移动比较频繁，在降水比较集中的时期以下淋为主，反之则表聚。下淋的NO3-可直接进入地下水源，从而可能造成地下水源的污染。稻田中，随着氮肥用量的增加，淋漏的氮量成倍增加，尤其是硝态氮肥的淋失量远高于硫铵和尿素。因此，在水田条件下应尽量选用铵态氮肥，并尽可能使其保持在铵态氮形态，是防止水田氮肥淋失的主要理论与实践基础。随着氮肥用量的持续增加，土壤中氮素的渗漏量也会随之而增加。这不仅在我国长江以南地区普遍存在，而且在华北的部分地区也同样存在。有资料(朱济成，1986)表明，京郊地下水中NO3-含量与施氮量直接相关。在农田土壤中，渗漏水中氮的浓度和渗漏损失的氮量均受氮肥施用的明显影响，同时与作物生长、根系吸收状况也有密切关系。也就是说，在作物生长发育良好、产量较高的情况下，就会大大减少土壤中氮的淋失数量。因此，在适当控制氮肥用量的同时，平衡施用其它营养元素肥料，改善作物生长，加强根系吸收利用，就可以使土壤淋漏氮量得到明显控制。改进施氮技术，减少NO3-的淋失量，关键是要按照作物和土壤氮素状况合理施用氮肥，包括控制一次性氮肥用量，分次施用，推荐施用缓释氮肥和氮肥增效剂等。12.1.3磷肥施用与环境磷肥对环境的污染包括两方面，一是磷肥生产对环境造成污染，二是磷肥的施用对环境造成污染。磷肥生产中存在着磷石膏的处理、污水处理、氟污染以及矿区复垦等一系列问题。磷肥施用的环境问题主要包括磷引起的水体富营养化、磷肥中重金属污染以及施用磷肥造成的放射性物质积累等。这里主要讨论磷肥施用可能引起的环境问题。12.1.3.1磷肥施用与水体富营养化在我国，地表水的富营养化已经造成一系列环境问题，如藻类等生物过量繁殖、水体缺氧、透明度差、恶臭、有毒物质积累，进而导致水体不仅不能适于人类饮用、工业利用和鱼类生长，而且也破坏了环境的美化舒适，影响旅游业发展。我国的一些著名的旅游大湖，如北京昆明湖、北京北海、长春南湖、济南大明湖、南京玄武湖、杭州西湖、武汉东湖、广州流花湖、昆明滇池以及江苏太湖等，都已在不同程度上存在富营养化问题。由于环境立法等措施，点源污染正不断得到有效控制。过去，作为生活污水中主要磷源的洗涤剂可望通过改用低磷产品而得到有效控制。在这种情况下，面源污染正得到越来越多的关注，其中主要是农业来源的污染。氮和磷是引起水体富营养化的两大主要元素。在更多的情况下，磷是影响藻类生长的限制因素。因此，磷对富营养化作用往往起着关键作用。磷在影响水体富营养化中首先是它的浓度，水中磷的浓度并不会直接对人体产生不良影响，因而它不象NO3-那样有一个饮用水浓度标准。一般认为，水体中磷的浓度达到0.01~0.02mg/L时即可能产生富营养化。当N/P大于4~5时，其限制因素是磷。如果N/P小于4时，则限制因素可能是氮。在低N/P时，能固氮的蓝绿藻生长较快，它们固定空气中的氮素以供给藻类生长，直到N/P增加到生长受磷浓度的限制时。蓝绿藻的生长可能产生某些有害物质和臭味，其富营养化对环境的影响比其它藻类更大。磷进入水体的途径，一个是农田磷可能通过渗漏进入地下水，但通过渗漏污染地下水的情况并不易见到。英国洛桑试验站的试验表明，施磷100年后，磷仍然集中在40cm土层内。磷素向下移动很少，而在表土层迅速积累。因此径流也可能引起磷进入水体，不同肥料中以有机肥中磷的移动性较大。径流中的很大一部分磷是以悬浮颗粒形态存在，溶解态的比率很低，因此表土冲刷造成磷的损失量很大。另一个影响径流水中磷量的因素是施肥，尤其是施用高量水溶性磷肥可以显著提高径流中磷的浓度。长期大量施用磷肥的地区，土壤中可能有磷的明显积累，这虽然对土壤供磷能力提高、改善作物生长有益，但对环境的潜在威胁也大大增加。同一土壤上，施在旱作上的磷肥所增加的径流磷损失远远小于施在水稻作物上的。相近用量情况下，水田径流中磷的损失比旱作施磷高出数倍。这可能是由于在淹水条件下磷的溶解量明显增加所致。为了控制进入水体磷的数量，我们不仅应该加强地表径流的控制，包括应用工程措施和生物措施，而且还要合理施用磷肥，以减少磷对环境的负面影响。合理施用磷肥至少应包括以下几方面的内容：(1)科学合理地确定磷肥用量；(2)水旱轮作条件下，磷肥重点分配在旱作上；(3)磷肥尽可能与土壤混合均匀；(4)提高磷肥当季利用率，减少土壤磷的积累；(5)有机肥必须施入土中，做到土肥相融。12.1.3.2磷肥施用的重金属及放射性污染磷肥施用可能造成的土壤环境问题可能还会有重金属及放射性污染问题。重金属污染由于磷矿中含有少量镉及其它重金属，在加工过程中，这些重金属有60%~95%会转移到磷肥中。土壤中镉的来源主要有两方面，一是来自降雨(含酸雨)，二是来自磷肥。在土壤活性镉的循环中，主要的减少途径是淋失、被土壤固定、植物吸收等。土壤中镉含量的增减受镉输入、输出的影响。据测定(鲁如坤等，1992)，我国磷矿中镉含量范围为0.1~571mg/kg，但大部分在0.2~2.5mg/kg。我国主要磷矿(55个)镉的平均含量为0.98mg/kg，低于世界主要磷矿镉含量。因此，我国磷肥中镉平均含量也较低。根据全国30个主要磷肥厂生产的磷肥的测定结果，平均含镉量为0.61mg/kg，大约相当于磷矿含镉量的62%，含量范围在0.1~2.9mg/kg，远低于国际上的一般含量（5~50mg/kg）。我国主要磷肥品种中，普通过磷酸钙中镉的的平均含量为0.75mg/kg，含量范围为0.1~2.93mg/kg，而钙镁磷肥中镉的平均含量只有0.11mg/kg。这显然是由于钙镁磷肥经过高温熔融，使大部分镉以剧毒气体氧化镉的形式挥发掉了。按照常规施肥水平计算，每年进入土壤的镉量甚微。无论从绝对环境容量还是从年环境容量来看，我国目前施磷水平以及远景施磷增长的条件下，全国磷肥长期施用所带入土壤的镉量均不至造成环境问题。但是，由于我国还进口一些国外磷矿，这些磷矿的含镉一般远高于我国磷矿。对这些磷矿生产的磷肥，应对其含镉量加以监测，以确保我国土壤不至受到污染。在自然界中磷矿石除钙的磷酸盐矿物外，还含有相当数量的杂质，特别是中低品位矿，含有的杂质更多，这些杂质直接影响磷矿和磷肥中锌、镍、铜、钴、铬的含量。根据测定结果推论，我国磷肥带入土壤的重金属元素主要是锌、镍、铬。随普通过磷酸钙带入土壤的锌量是相当大的，这在我国农田锌平衡中占有重要地位。但由于磷肥带入的锌量低于作物吸收