稻田氮素损失途径及影响因素研究进展

摘要  为了满足我国不断增长的粮食需求量，未来一段时间内稻田氮肥消耗量仍会持续增加，但现阶段我国氮肥回收利用率仅为30%左右，针对我国稻田氮素损失量大的现状，概述了稻田氮素三大损失途径，即氨挥发损失、硝化反硝化损失和氮素淋溶、径流损失的现状及其环境效应，分析了农作措施、降雨、土壤类型及水稻基因型对稻田氮素损失的影响，结合近年来国内外学者的研究结果，提出了当前减少稻田氮素损失的对策，并对今后减少稻田氮素损失措施的研究提出展望。

关键词  稻田；氮素损失；环境效益；对策

中图分类号  S19  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0007-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.002

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on Nitrogen Loss and Influencing Factors in Paddy Field

WANG Lei

（Xingtai Hydrographic Survey and Research Center of Hebei Province，Xingtai， Hebei 054000）

Abstract  In order to meet the growing grain demand in China， the consumption of nitrogen fertilizer in paddy fields will continue to increase in the future， but the nitrogen fertilizer recovery rate in China is only about 30% at this stage. In view of the current situation of large nitrogen loss in paddy fields in China， this paper summarized the current situation and environmental effects of three major nitrogen loss pathways in paddy fields， namely， ammonia volatilization loss， nitrification and denitrification loss， nitrogen leaching and runoff loss， and analyzed the effects of agricultural measures， rainfall， soil types and rice genotypes on nitrogen loss in paddy fields. Based on the research results of domestic and foreign scholars in recent years， this paper proposed the current countermeasures to reduce nitrogen loss in paddy fields， and prospected the future research on measures to reduce nitrogen loss in paddy fields.

Key words  Paddy field;Nitrogen loss;Environmental effect;Countermeasures

作者简介  王磊（1983—），男，河北邢台人，高级工程师，从事水文与水资源、水质分析研究。

收稿日期  2022-12-22；修回日期  2023-02-13

氮素是作物生长发育所必需的营养元素，在作物产量和品质形成中起着非常关键的作用。氮素肥料的使用是农业生产中一个非常重要的组成部分，是促进农业持续发展的根本要素。据联合国世界粮农组织统计，中国是世界上最大的氮肥消费国［1-2］，其中，全国氮肥用量的24.4%用于水稻生产［3］，为了满足不断增长的粮食需求量，稻田氮肥消耗量仍在持续增加，如今我国单季稻氮肥平均用量为180.00 kg/hm2，比世界单位面积用量高75.00%［4］，部分高产稻田的施用量甚至达到了270.00～300.00 kg/hm2，最高达到了350.00 kg/hm2，其中南方水稻氮肥平均用量为272.24 kg/hm2，比世界平均施氮水平（103.00 kg/hm2）高出164.30%，但氮肥回收利用率仅为30.00%左右；东北黑土区稻田氮肥损失率为30.00%～70.00%，化肥氮素只有22.20%～46.10%被水稻所利用［5］。大部分氮素通过各种途径损失到环境中，由此，引发一系列如大气温室效应、土壤和地下水污染、河流和湖泊水质富营养化等环境问题，不仅破坏生物正常的生长条件，同时也危害人类的健康［6-8］。

水稻是我国最主要的粮食作物，随着我国人口的不断增长，对粮食的需求量日益增加，因此，研究稻田的氮素养分损失途径及其影响因素是一项十分紧迫的任务，急需认清氮素损失的机理，兼顾环境效益和经济效益，采取相应对策，减少氮素损失、降低其对环境的影响。该研究结合国内外学者对稻田氮素损失的研究，总结了稻田尺度的氮素损失途径，综述了农作措施、气候因素、土壤类型和水稻基因型等方面对稻田氮素损失的影响及调控机理，并提出了相应的应对策略，以期为深入研究稻田氮素损失及其对环境产生的影响提供参考。

1  稻田氮素损失途径及环境效应

1.1  氨挥发损失及环境效应

氨（NH3）是大气中一种对大气环境和地表生态系统有重大影响的碱性微量气体［9-11］，化肥使用和畜牧养殖是大气中最主要的2个NH3排放源，在欧洲80.0%～95.0%的NH3排放来自农业［12］，我国是世界上农业大国，农业的持续发展离不开氮肥的利用，而氨挥发是稻田中氮肥最主要的损失途径［13-15］，我国NH3总排放量的53.3%来源于氮肥施用［9］，其中稻田施用氮肥后，9.0%～40.0%的氮素以NH3形式损失［16］。因此，稻田是氨气的一个大排放源，稻田尺度上氨气的挥发应引起足够重视。

一般情况下，稻田施用氮肥后短时间内是NH3挥发的高峰期，并且NH3挥发量与施氮量呈正相关性［17］。稻田氨挥发受到多种因素的影响，主要包括气候条件（光照、湿度、降雨量）、土壤理化性质、农作措施等，并且年际间的氨挥发量存在明显差异［18］。从稻田中挥发出的氨气滞留在大气中可破坏大气层，一部分氨气可在大气中与酸性物质反应生成NH4HSO4和（NH4）2SO4，再经由干、湿沉降又进入陆地生态系统，如农田、森林、草原、江河湖泊等，导致水体富营养化和土壤酸化，同时积累在大气中的氨还可被氧化成N2O和NO，引起空气质量恶化，造成严重的环境污染。

1.2  硝化-反硝化损失及环境效应

硝化-反硝化作用是稻田氮素养分损失的途径之一，稻田中大量氮素经由土壤硝化与反硝化作用转化成N2O、N2自土壤中逸出，不仅造成大量氮素养分的损失，产生的N2O进入大气后还会加速平流层臭氧的光解，从而破坏大气环境。影响土壤硝化与反硝化过程的主要因素包括活性氮的可利用性、还原物质（大多为活性有机碳组分）的可利用性及氧气浓度等，这些因素随其他环境因素（如水分、pH、孔隙度等）的改变发生一定的变化［19］。

稻田土壤硝化和反硝化产生的氧化亚氮（N2O）是仅次于二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）外最主要的人为温室气体，其100 a尺度上的全球增温潜势是CO2的298倍［20］，从长远来看N2O具有很强的增温效应。全球约70%的N2O源自土壤硝化和反硝化过程［21-22］，一般认为稻田土壤是全球N2O的重要排放源［23-34］，这都源于农业生产中氮肥的大量投入，据估计，化肥氮消耗产生的N2O占N2O排放总量的74%［25］，稻田排放的N2O占中国农田气体总排放的7%～11%［26］。因此，明确各类因素对稻田生态系统N2O排放的影响及其机制，对于减少氮素养分损失及减轻N2O排放造成的温室效应有很重要的意义。

1.3  淋溶、径流损失与环境效应

稻田氮素淋失与径流损失是氮素损失的重要途径之一。栽种水稻的过程中，灌溉和排水都是不可避免的，往往由于排水、降雨形成的地表径流中携带有大量的氮素，地表径流引起的氮素损失分为2种，即土壤全氮的损失和土壤可溶性氮的损失，这些氮素随稻田径流进入地表天然水体中会引起严重的水体污染，以太湖地区为例，太湖流域正常降雨条件下农田氮的年总排放量为3.37×104 t，当太湖流域氮素流失率为11.0%时，每年进入水环境的氮素量为5.31×104 t，当流失率为20.0%时，每年进入水环境的氮素量为9.65×104 t［27］，太湖稻麦轮作区稻季通过农田向水体排放的总氮占施氮量的11.4%左右，使得当地70.0%的河道受到污染，80.0%的河流水质达不到国家规定的地面三类水标准［28］，因此，稻田氮素养分随径流损失造成环境污染的问题不容忽视。

稻田土壤氮素淋失是指土壤中氮素随水垂直向下迁移至植物根系活动层以下而造成的损失［29］，全球农业系统中人工施入的氮素有19%以硝态氮（NO3--N）的形态淋失，政府间气候变化委员会（IPCC）认为这一比例高达30%［30］。就我国开展的水稻氮素淋失研究发现，大多水稻土每年氮淋失在0.50～25.00 kg/hm2，占施氮量的4.00%～8.00%，且淋失主要发生在水稻生长的早期［31-33］，淋失液中NO3--N的含量最高，其淋失量占到了总氮淋失量的74.14%～79.44%［34-36］，NO3--N进入水体会造成严重的地下水污染问题，这是导致地下水硝酸盐污染的重要原因，有学者对“江浙沪”16个县76个饮用水井水质的调查表明，NO3--N超标率达38.20%，而饮用水中硝酸盐浓度超过10.00 mg/L就会给人和牲畜带来严重危害［37-38］，损失的氮素不仅会对环境造成污染，还可能危害人体健康。因此，今后对这一方向研究应予以重视。

2  稻田氮素损失的影响因素

2.1  农作措施对稻田氮素损失的影响

2.1.1  耕作方式对稻田氮素损失的影响。

土壤的耕作在农业发展史上有着十分重要的地位［39］，适宜的耕作方式不仅可以减少水土流失、提高土壤肥力，而且能够改善稻田生态环境、促进农业持续发展［40-41］。相关学者针对不用耕作方式对稻田氮素损失的影响进行了研究，我国水稻栽培种一般采用免耕、翻耕、旋耕的耕作方式，朱利群等［42］将免耕、旋耕与翻耕下的稻田氮素损失效应进行了对比，研究结果表明，免耕条件下稻田径流水中氮素养分的浓度最高，翻耕与旋耕均具有一定的减排作用，并且翻耕的减排效果更明显，这是因为翻耕有利于土壤的固肥作用，且使土壤微生物环境更有利于硝化作用的发生，进而使土壤吸收更多的氮素，只有部分不易被土壤吸附的NO3--N从田面径流中流失。Zhang等［43］研究表明，免耕较翻耕与旋耕会增加稻田N2O的排放，稻田氮素养分损失量大；虽然大量研究表明免耕增大了稻田氮素损失的风险，但有研究认为，秸秆还田条件下，相比于翻耕和旋耕，免耕能够有效减少稻田氮素以N2O形式损失［44］，这可能是由于免耕条件下使土壤饱和导水率增加，从而加剧了氮素以NH4+和NO3-的形态淋失，使硝化与反硝化反应的底物减少，最终减少了以N2O气态形式损失的氮素量。因此，秸秆还田下不同耕作方式对稻田氮素损失的影响差异需要进一步研究。