网站原创摘 要：生物固氮是生态系统中一个重要的自然过程,研究中国不同区域农业固氮输入及历史变化,对于农业系统活性氮源分析和活性氮管理具有重要意义.根据各地区农田、牧草地面积和生物固氮因子,估算了近20年中国农业生态系统中作物培育产生的活性氮量.结果表明,中国农业生物固氮量近20年呈稳定态势,变化不大.2010年农田固氮植物培育产生的活性氮量为4.81TgN/年,其中豆科作物、水稻等为主要活性氮产生源.华北、东北和长江中下游地区农田固氮植物产生的活性氮量达到3.18TgN/年,是固氮植物活性氮产生量最大的3个地区,固氮植物活性氮空间分布上北多南少,东部地区大于西部地区.
关 键 词：中国农业生态系统；固氮因子；活性氮；氮素管理；时空分布
中图分类号：S19文献标识码：A文章编号：0439-8114（2013）18-4333-04
目前全球人为活性氮持续增加[1],严重地扰乱了自然界的氮循环,引发了一系列的环境问题,如温室效应（N2O）、臭氧层破坏（N2O）、酸雨（NO/NO2）,水体富营养化（水溶性氮）、影响食品安全（硝态氮）、危害人体健康（硝态氮）等[2].如何减少人类活动对氮循环的影响是目前全球讨论的热点,也是亟待解决的问题.从第一届氮素大会开始,全球对在人与环境耦合生态系统中人为活动引发活性氮增加对环境的影响及切实有效的管理措施的研究一直从未间断过,第三届氮素大会更是出于对亚洲和中国氮问题的关注,其于2004年10月在南京举行,共同发表了《氮素管理南京宣言》.同年,Galloway等[1]估算出全球农作物培育产生的活性氮为31.5Tg/年,在2050年将增加到50.0Tg/年,亚洲地区生物固氮量位居世界首位.亚洲正经历快速的人口和经济增长.据估计,2015年将有43.75亿人口生活在亚洲大陆上[3].不断增加的粮食和能源需求是亚洲活性氮增长的主要促进因素,2000年亚洲人为活性氮量为67.7Tg/年.其中固氮植物培育产生的活性氮量从1961年的11.7Tg/年增加到14.9Tg/年,预计在2030年将会增加到16.8Tg/年[4].1961-2011年期间中国人口翻了一番（从6.7亿到13.4亿）[5].主要是通过引入高产作物（谷物）来维持人口增长的食物需求.1961-2010年期间,谷物（水稻、玉米、小麦）产量从8.80×107t上升到4.89×108t[6].目前,国内针对活性氮的研究较少.鉴于此,以作为人为活性氮源重要途径之一的固氮植物培育情况为出发点,分析中国农业生态系统中生物固氮量及其时空分布特点,同时结合农业生态系统的特征提出农业生态系统中的活性氮素管理措施.
1研究区概况及方法
1.1研究区及数据来源
参照中国大陆粮食产区分区,将其划分为如下区域：（1）东北地区：包括黑龙江、吉林和辽宁3省；（2）华北地区：北京、天津、河北、河南、山东、山西6省（市）；（3）长江中下游地区：上海、江苏、浙江、安徽、湖北、湖南、江西7省（市）；（4）西北地区：内蒙古、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆6省（区）；（5）西南地区：重庆、四川、贵州、云南、西藏5省（市、区）；（6）东南地区：福建、广东、广西、海南4省（区）.文中数据主要来源于国家统计局、历年《中国统计年鉴》中正式发布的资料以及FAO（联合国粮农组织）中的数据.
1.2区域概况
草地是中国最大的植被覆盖.2010年中国共拥有草地近3.92×108hm2,占全国国土面积的41%.其中可利用草地为3.31×108hm2.世界草地面积为33.56×108hm2,中国草地面积占世界草地面积的12%.其中用于养殖业草地主要集中于西北和西南地区,6个省（区）牧草地面积占到牧草地总面积的93%,分别是内蒙古（25%）、西藏（25%）、甘肃（4%）、青海（15%）、新疆（19%）和四川（5%）,国家统计局[7]最新公布数据中,中国牧草地面积为2.62×108hm2,牧草地面积不断减少,年均递减率为8.10%.
中国农作物总播种面积逐渐增长,但其中粮食作物总播种面积不断下降,1978年中国粮食作物总播种面积1.2059×108hm2（不含大豆播种面积）,此后中国粮食作物总播种面积不断下降,尤其在2000年以后下降更为明显,在2003年更是达到历史最低（9.941×107hm2）,随后开始回升,2010年增长到1.0988×108hm2,相较于1978年减少了1.061×107hm2,但产量从3.0×108t增加到5.5×108t.
1.3固氮因子
固氮因子即固氮植物每年单位面积固氮量[kg/（hm2·年）].豆科作物是主要的固氮植物,考古学家发现6500年前就有豆科作物种植[8],至少3100年前在中国就有大豆种植[9].这些作物能通过固氮生物将大气中的N2转化为植物可利用的氮.早在7000年前亚洲开始了水稻种植[10],水稻属于萍藻固氮体系,固氮能力仅次于豆科作物.不同的作物固氮量不同.生物固氮测定方法是生物固氮量研究的主要途径.生物固氮测定方法主要有15N自然丰度法[11,12]、乙炔还原法（ARA）、15N同位素稀释法（ID）、非同位素法、AN法、全氮差值法和酰脲估测法[13]等.目前应用广泛的是全氮差值法、氮同位素法,其中全氮差值法所得结果用单位面积固氮量表示,氮同位素法所得结果用固氮百分比表示[14].
根据Smil[15]的研究结果,不同作物固氮因子不同,其中豆科作物为30～300kg/（hm2·年）,水稻为20～50kg/（hm2·年）,甘蔗为20～30kg/（hm2·年）,其他（树、小麦、玉米等）为5～20kg/（hm2·年）.Galloway等[1]基于Smil的研究估算出1995年全球农田固氮植物种植产生的活性氮量（C-BNF）为31.5Tg/年（其中包含了牧草地面积）；预计在2050年将达到50.0Tg/年.继续沿用Smil[15]的作物单位面积固氮量,并与李书田等[16]、Herridge等[14]固氮因子计算的固氮量进行对比（表1）,表1结果表明,根据李书田等[16]和Herridge等[14]计算出的中国农业生态系统中作物固氮量结果均在Smil[15]计算出的固氮量结果范围内,表明Smil[15]的研究具有一定的可靠性.本研究采用Smil确定的固氮因子、固氮量取均值得到不同作物固氮量,计算得出中国生物固氮产生的活性氮量为8.08Tg/年,其中主要农田作物（豆科作物、水稻、甘蔗、其他）活性氮产生量为4.81Tg/年,是主要的活性氮产生源.2结果与分析
2.1农田固氮植物活性氮产生量时间分布
由图1可见,1991年中国农田固氮植物活性氮产生量为3.97Tg/年,以后持续增长,在2001年达到5.02Tg/年,此后有所下降,至2010年为4.81Tg/年.农田固氮植物活性氮产生量在1991-2010年间波动较小,自2001年后维持在（4.80±0.13）Tg/年.主要是由于种植结构稳定,种植面积变化不大.
2.2农田固氮植物活性氮产生量空间分布
东北、华北和长江中下游地区是中国粮食的主产区,其种植面积占全国种植面积的比重为65%,其活性氮产量占中国农业活性氮总产量的63.95%.其中长江中下游地区固氮植物产生的活性氮量与其他区域相比为最多,达到总产量的26.77%.东北地区则以黑龙江为最多.华北地区的河南、长江中下游地区的安徽、西北地区的内蒙古、西南地区的四川和东南地区的广西分别为各区域之首.由表2可见,2010年粮食主产区活性氮产生量分别为：东北地区1.06Tg/年,华北地区1.01Tg/年,长江中下游地区1.11Tg/年.西北、西南和东南地区则分别为0.53、0.66和0.43Tg/年.2004-2010年期间,华北地区活性氮产生量呈明显的递减趋势,主要是由于河北地区活性氮产生量的减少.2010年相较于2004年农田固氮植物产生的活性氮量各区域变化情况分别为：东北、西北和西南地区分别增加了2.34×10-2、2.71×10-2、0.96×10-2Tg,华北、长江中下游和东南地区分别减少了7.28×10-2、3.29×10-2、4.27×10-2Tg.在中国大陆地区,固氮植物产生的活性氮量主要呈现北部地区多于南部地区,东部地区多于西部地区.将各省（市、区）单位耕地活性氮产生量分为极低（≤5.00×10-2Tg/年）、低[（5.01×10-2～10.00×10-2）Tg/年]、中[10.01×10-2～20.00×10-2）Tg/年]、高[（20.01×10-2～30.00×10-2）Tg/年]和极高（>30.00×10-2Tg/年）地区,可见固氮植物活性氮产生量极低地区有青海、天津、北京、上海、海南、宁夏和西藏,其中北京地区在不断减少；极高地区有黑龙江、河南、安徽3省.
2.3农业生态系统氮素管理
全球人为活性氮产生量呈现不断增长趋势,农业固氮作物种植是活性氮增加的促进因素之一,农业生态系统为不断增长的全球人口提供基本的粮食需求.中国作为人口最多的国家,2011年人口为13.4亿,在2030年人口将会增加到16.0亿,每年粮食需求增加到6.4×108t,粮食单产需要增加到5.6t/hm2[17].农业生态系统需要大量氮素输入来维持其极高的系统生产力以提供足够的食物[18].传统农业中可以依靠生物固氮及绿肥、粪肥投入来维持系统生产力,但是庞大粮食需求使得新型农业依靠氮肥高投入,化学氮肥投入解决了这一问题.氮肥投入是活性氮急剧增加的直接诱因,由于氮肥的大量使用,全球活性氮急剧增加,带来了不容忽视的影响[1,4].化学氮肥生产耗能大,成本高,且会造成环境污染；氮肥使用是一次性的,过量使用会降低土壤肥力,造成土壤板结,导致氮肥肥效下降,引发一系列环境问题,在增加农业生产成本的同时还会增加活性氮量.而生物固氮是自然过程,不仅为植物特别是粮食作物提供氮素,还能提高作物产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展,因此,研究生物固氮对农业生态系统具有重要意义.保证粮食产量和提高氮素利用效率以减少其对环境的影响是目前农田氮素管理应当研究的重点.如根据土壤特性施氮[19]以提高氮肥利用率；增加其他氮素投入,如秸秆与氮肥配施[20]及绿肥、粪肥的使用等.
3小结与讨论
1）2010年中国农业生态系统中由生物固氮引发的活性氮产生量为8.08Tg/年,农田固氮植物种植产生的活性氮量为4.81Tg/年.近20年变化不大,呈现稳定状态,不同于全球和亚洲的增长趋势.主要是由于中国的种植结构稳定,种植面积变化小.
2）农田固氮植物种植产生的活性氮量区域分布上呈现北多南少,东部地区大于西部地区,固氮植物培育产生的活性氮主要集中于华北、东北和长江中下游地区.
3）生物固氮作为农业生态系统氮素自然源,需要进行优化和拓展,在充分利用氮素自然输入源情况下合理施入外源氮肥,保持其系统高生产力,同时最小化其环境影响,减少其活性氮产生量.