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技术可以开启高效使用氮肥的新时代吗？近期，来自BASF的三位肥料专家Markus Schmid博士、  Wolfram Zerulla博士、Gregor Pasda博士应AgroPages世界农化网之邀，分享了他们对这一问题的专业解读。本文共分三期连载，第一期将回答为什么提高氮肥利用率迫在眉睫，第二期将综述提高氮肥利用率的各类可行方法，第三期将介绍BASF提高氮肥利用率的最新技术。


世界农化网特约作者简介

Markus Schmid博士 在获得化学博士学位后，Markus Schmid先生作为聚合物研究实验室团队负责人加入了BASF。历经各类研发和战略事务后，继续作为研发解决方案负责人推进巴斯夫德国林布格霍夫（Limburgerhof）作物保护部门的相关工作，目前Markus先生负责氮肥增效剂产品LIMUS 的技术、营销及产品导入。
 
Wolfram Zerulla博士 作为农学家加入BASF至今已逾三十余年，同时作为 BASF的肥料专家主要负责提高肥效相关工作。此外，Wolfram先生还是国际肥料行业协会（IFA），欧洲肥料（FE）以及德国农业行业协会（IVA）的成员之一。
 
Gregor Pasda博士 作为农学家加入BASF至今已逾二十余年，同时作为BASF的肥料专家主要负责硝化抑制剂以及脲酶抑制剂相关工作。

第一部分：提高氮肥利用效率的迫切需要

氮元素对于满足植物生长、发育、繁殖至关重要，氮素缺乏会弱化或阻碍作物生长继而导致作物减产。
 
作物需要大量的氮元素维持健康生长，而氮素的来源则各式各样。作为地球上最为丰富的元素之一，自然主要通过大气、降水、土壤、原材料降解（如作物残体、动物粪肥）等方式向作物提供氮元素，然而这些来源的氮元素并不足以支撑现代农业生产方式下的作物养分需求。
 
早在上世纪90年代，巴斯夫的科学家便着手寻求一种新的工艺方法合成氨，以满足农业对于氮元素大规模的商业化需求。德国物理化学家Fritz Haber和工业化学家Carl Bosch在开发Haber-Bosch反应的过程中扮演了重要角色，该反应可直接将氢元素和氮元素合成为氨。该反应的两位科学家分别因此获得诺贝尔奖，至今全球依然有50%的蛋白质供给依赖于这两位科学家当年的技术发明。(ERISMAN et al. 2008).
 
尽管氮肥对于作物生产贡献巨大，但同样会产生过犹不及的后果。过度低效使用氮肥会导致氮的损失并产生深远的不利影响。

1）氮素养分减少会降低作物生产潜力，并导致农民经济效益的的损失。
2）对生态环境造成一系列不利影响，包括土壤酸化、生物多样性减少、土壤和水体富营养化。
3）对人类健康产生不利影响，包括空气污染和雾霾。
 
最佳氮素管理实践的主要目标是提高氮的利用效率，即确保氮肥被有效的使用，在优化作物产量同时降低氮素在环境中的损失。
 
在氮循环中找平衡点

图1 显示，氮元素在土壤中以多种形式存在，并能相互转化。这是由于氮元素可在土壤、作物、水、空等介质中移动。一些原本可以被作物（如根系区）吸收的氮素也可能通过固定、挥发、反硝化、淋失等方式损失。
 
图1 氮循环示意图


 
空气中的氮气（N2）可以通过豆科作物的根瘤菌、以及闪电的作用发生Haber-Bosch反应，从而和氢元素反应生成氨（NH3）。
 
通过矿化反应，存在于植物残体、动物粪便、土壤有机质中的有机氮可以转变为无机氮。首个参与自然反应的化合物氨（NH3）会被土壤中的细菌转为亚硝酸根（NO2-）最后通过硝化反应生成硝酸根（NO3-）离子。在特殊土壤条件下（主要为缺氧），硝酸根（NO3-）离子会通过反硝化作用转变为各类气态氮氧化物（NOx, N2O）以及氮气。以上便是氮素循环的各类反应形式。
 
通常氮素会在不同形态的转化过程中损失，如果这些氮素以有机或无机形态的方式施用时，用量越多氮素的损失就越大。因此与自然状态下未受人工施肥影响的环境相比，农业特别是密集型农业（这样便于生产大量的食物）长伴随有大量的氮素损失。
 
这些损失的氮素会转变成氨、亚硝酸、氮氧化物等复合物，此类物质已被证明对环境已经人类健康产生负面影响。
 
氨（NH3）：这些气态氮的损失来源于储存和使用有机粪肥、在碱性土壤中使用含铵肥料和尿素类肥料。含铵肥料和尿素类肥是目前全球主要的氮肥品种。
 
氨作为一种气体在长距离传输时，可以与其他的大气成分反应形成气溶胶，从而产生烟雾。氨同样会存积与自然生境中，继而造成不利的施肥效应以及土壤酸化问题。这些不利因素还会造成生物多样性的减少(BOBBNIK et al. 1998)，以及损害人类健康(2014)。
 
硝酸根(NO3-)离子是涉及氮素营养的主要形式，但硝酸根(NO3-)离子带负电荷难以和带有负电荷的土壤颗粒相结合，因而在土壤中的移动性较高，易于淋失到地下水和地表水中。各类有机源和无机源的氮肥将最终转化成硝酸盐。高硝酸盐易于造成水体富营养化，对水质和生物多样性造成负面影响。

硝酸盐对人体健康的直接负面影响几乎没有报道。然而，近期的调查结果表明硝酸盐对于人体的能量传输至关重要(PRESLEY et al. 2011)。硝酸盐被细菌转化为亚硝酸盐时会带来一些问题，当饮用水中亚硝酸盐积累浓度超过安全阈值时，便会造成“蓝婴综合症”和消化道癌。（编者注：1973年，美国内布拉斯加州首次出现诱饵高铁血红蛋白症（蓝婴病）。其原因是饮用水中硝酸盐含量超过10mg/L，这时过多的硝酸盐会与红细胞中的血红素结合，形成高铁血红蛋白，高铁血红蛋白不能为细胞和组织运输足够的氧。患儿的临床征状是在口、手或脚等部位出现时断时续的蓝色或淡紫色，呼吸困难、腹泻、呕吐、抽搐，严重的会失去知觉，甚至死亡。）

一氧化二氮(N2O)是硝化反应和反硝化反应中的气态化合物，该物质是一种严重的温室气体（虽然N2O在大气中的含量很低，但是其单分子增温潜势是CO2的298倍，即所能造成的温室效应的效果是二氧化碳的298倍，被列为排在二氧化碳、甲烷之后的第三大温室气体）。
 
许多国家已经意识到了这些问题，并通过立法和国际公约限制各类有害氮素的负面影响。如有欧盟多国履行的《哥德堡协议》（Gothenburg Protocol）、NEC《国家的排放上限》（National Emission Ceilings）都旨在欧洲范围内控制氨排放以及硝酸盐的影响。美国对于控制硝酸盐淋失也颁布了《净水法案》（Clean water act），《联合国框架协议》也对一氧化二氮(N2O)的排放做出相关限定。
 
集约用肥目前仍然是最大限度提高作物产量应对人口增长压力的重要路径之一。而营养管理的最终目标是如何在恰当的时间提高氮肥利用率，同时减少氮损失以及环境影响。
 
优化氮的使用效率是一种极具潜力的方法，该方法有助于实现作物产量最大化和环境负面影响最小化的平衡。在美洲、欧洲、亚洲已经有一些减氮不减产的成功案例。而非洲等发展中地区，也拥有通过提高氮的使用效率间接提高有效氮肥施用量，从而获得高产的潜力。展望未来，我们必须努力实现这一平衡。
 
氮素利用的挑战：中国困境

在短短的二十年内，中国经历了由粮食依赖进口向粮食自给自足成功转变的过程。相较于中国过往的历史，包括那些食品供给难以保证的营养不良阶段和饥荒时期，这种转变无疑是一种巨大的成就。
 
这一巨大转变得益于农业的集约化。而农业集约化的重要组成部分便是增加矿物源氮肥的产量和使用量。目前，中国已成为世界上最大的无机化肥的生产商（2013年产量达3680万吨，1660万吨P2O5，460万吨K2O，2016年匿名消息来源），中国作物氮肥平均使用量达到位居全球前列(ZHENLING et al. 2010)。
 
中国生产的氮肥多以尿素为主，而复合肥中的氮也多以尿素为基础。尿素是一种高氮含量的经济性氮肥。相较于其他常规肥料，该肥料被认为更加安全且方便使用。正因为如此，尿素是农业上广泛使用的氮素肥料，占全球氮肥总用量的50%。
 
以尿素为基础的肥料被认为是氨排放的重要来源。而无机氮肥中的碳酸铵则表现出更高比率的氨排放量，该产品依然存在于中国市场。
 
主要来自农业领域的氨排放使得中国面临巨大的环境挑战(LIU et al. 2014)。这些氮素农业用品的排放造成众多问题，包括雾霾、污染、水体富营养化、作物受损、危害人群健康的毒素问题。此外，来源于耕地的硝酸盐淋失以及在氮素转化过程中造成一氧化二氮的排放也对环境造成负面影响。
 
为实现国家未来可持续发展，这些减少氮化合物的排放是必要的。减少氮肥使用率以及与之相关的氮化合物排放是提高氮肥使用效率的唯一途径。
 
中国农业科学界以及中国政府2013年提出的五年计划已经认知并将该问题提上解决日程中。因此未来的目标在于显著提高氮素使用效率的同时确保中国农业产量潜力不降（Chen 2013）。